Факторы, определяющие фазовые переходы в атмосфере.
Система, пришедшая в фазовое равновесие, может находиться в нем без всяких видимых изменений до тех пор, пока внешние условия среды остаются постоянными.
Температура. Уравнение Клаузиса-Клайперона.
Для равновесия системы вода – пар или лед – пар требуется, чтобы в окружающей среде давление насыщения водяного пара соответствовала насыщению. Экспериментальным путем давно установлено, что давление насыщенного водяного пара резко возрастает с увеличением температуры. В дифференциальной форме эта зависимость, полученная на основании термодинамических соображений, выражается уравнением Клаузиуса- Клапейрона:
,
где L – теплота испарения,
E – давление насыщения водяного пара,
A – тепловой эквивалент работы,
Rп – удельная газовая постоянная для водяного пара,
T – температура.
Более строгий вывод приведенной зависимости можно получить, исходя из понятия термодинамического потенциала. Тогда мы имеем
dS = Aυdp – φdT.
Тогда условия равновесия двух фаз запишется в виде
,
или
Изменение энтропии в данном случае происходит вследствие затраты энергии на теплоту испарения, так что
.
Учитывая, что « , а следовательно, dυ ~ , и что рп=Е соответствует давлению насыщенного пара, приходим к формуле (1)
.
Чтобы выражение для давления насыщенного пара в зависимости от температуры Е=f(T), следует проинтегрировать уравнение (1). За нижние пределы интегрирования возьмем Т0=273 К и соответствующее ему значение Е0=6,1078 мб. Тогда, считая в первом приближении L=const, получим
ln
Но так как
,
то
ln ,
или
,
где
.
Переходя к десятичному логарифму, имеем
.
Значения E(T), вычисленные по этой формуле, не совпадают точно с экспериментальными данными. На их основе была предложена эмпирическая формула Магнуса
Рассматривая вопрос о давлении насыщенного водяного пара над поверхностью капель, следует учесть влияние ряда факторов , к главнейшим из которых относятся:
1)кривизна поверхности, 2) наличие электрического заряда на капле и 3) присутствие в капле растворенных гигроскопических примесей.
Таким образом, давление насыщения пара над каплей является функцией нескольких переменных E=f(r,q,k,T).
За исходное значение примем давление насыщенного пара над плоской поверхностью (r=∞) дистиллированной воды. Обозначим эту величину через Е∞. Тогда упругость пара над каплей Е при неизменной температуре можно записать в виде
Е= Е∞+dЕr - dEq – dEp,
где dЕr- учитывает влияние кривизны поверхности,
dEq – электрического заряда,
dEp – концентрации раствора.
Рассмотрим зависимость Е от перечисленных факторов.