Почему горячая жидкость остывает, когда на нее дуют? Почему горячий воздух вбирает больше воды

Почему горячая жидкость остывает, когда на нее дуют?

Любая жидкость испаряется. В процессе испарения самые “шустрые” молекулы на поверхности жидкости получают достаточно энергии для того, чтобы преодолеть силы поверхностного натяжения и покинуть жидкость. Каждая такая молекула уносит с собой часть энергии. Внутренняя энергия жидкости уменьшается, жидкость остывает. Горячая жидкость испаряется активнее холодной и это тоже понятно.

С другой стороны, существует некоторый предел (определяемый величиной парциального давления) содержания пара в воздухе. Зависит это в большей мере от значения упругости испаряющейся жидкости. Если не выдаваться в сложные объяснения, то при прочих равных средняя комната, будь она герметичной и не впитывай и не отводи она воду, могла бы вместить около килограмма воды в виде пара (то есть, условно, ведро воды, которое в такую комнату поставили бы, само бы никогда не испарилось), тогда как паров ртути в том же объёме “уместится” всего один грамм. Однако, это справедливо для случая, если пар мгновенно перемешивается с воздухом или процесс испарения происходит достаточно долго. Это вступление.

Что же происходит с нашей чашкой чая? Разобьём вопрос на два. Во-первых, горячая жидкость остывает даже тогда, когда на неё не дуют. Часть энергии “уходит” с испарением, часть рассеивается через стенки посуды в среду. Но когда на жидкость дуют, то она остывает заметно быстрее (“дуй на ложку, суп горячий”, ага?). Это связано как раз с тем, что в обычных условиях, когда чашка с чаем просто стоит на столе, воздух с паром перемешиваются не мгновенно. В итоге на границе жидкости образуется область, куда постоянно “поступают” новые молекулы воды (мы пренебрежём “возвращенцами”, которым не хватило духу (энергии) оставаться в рядах пара и они вернулись в жидкость). Чем больше в этом слое воздуха пара, тем сложнее каждой следующей молекуле “втиснуться” в это пространство. Наконец, может наступить такой момент, когда испарение будет ограничено именно скоростью отвода пара (молекул воды) от поверхности. Испарение замедляется, а значит и остывать жидкость будет медленнее.

Когда мы дуем на поверхность чая, мы не только искусственно отводим пар от поверхности воды, позволяя жидкости спокойно испаряться, но также в некоторой степени отводим потенциальных “возвращенцев”, которые могли вернуться обратно и тем самым повысить температуру жидкости. Таким образом стимулируется испарение, а значит увеличиваются потери внутренней энергии (читай: быстрее снижается температура) жидкости.

Из тех же соображений раньше было принято пить чай из блюдечка. Площадь поверхности жидкости в блюдечке больше, чем в чашке, а масса жидкости, которую нужно остудить, меньше. Налил чай в блюдечко, подул на него для пущего эффекта и можно пить. Потом новую порцию.

Так что дуть на горячий чай - это не просто традиция. Физика говорит, что это оправдано.

thequestion.ru

Если мы чувствуем, что при повышенной влажности становится жарче, то почему мы чувствуем, что холоднее, когда внутри воды?

Вы чувствуете холод, когда тепло течет от вас к окружающей среде, ваше тело пытается сжечь больше энергии, чтобы поддерживать вашу температуру, поэтому вы дрожите.

Вода проводит тепло гораздо более эффективно, чем воздух (более 100 раз), поэтому даже с водой при той же температуре, что и воздух, вы потеряете гораздо больше тепла и почувствуете холод.

Когда ваше тело слишком жаркое, оно потешает энергию наиболее эффективно при потоотделении. Он высвобождает воду, которая испаряется, энергия, необходимая для перехода воды из жидкости в газ, поступает из вашей кожи, которая затем охлаждается.

Во влажных условиях вода испаряется (потому что в воздухе уже много газообразной воды), поэтому вы не можете остыть так же эффективно и так чувствовать себя более горячим.

Ronen Festinger

Понимаю. Так что вы говорите, что внутри воды организму не нужно сильно потеть, потому что вода охлаждает его. Во влажном воздухе организму нужно потеть, но он не может эффективно его использовать из-за водяных паров в воздухе.

Nayuki

@RonenFestinger Первая часть, которую вы сказали, неверна. Мы чувствуем холод в воде, потому что вода непосредственно касается кожи, поэтому тепло очень быстро.

Ronen Festinger

Да, я имею в виду, что в воде вы остываете от потливости менее эффективно, чем во влажном воздухе. Но причина, по которой вы не чувствуете себя горячими, - это то, что вам не нужно остывать от потоотделения, потому что сама вода отводит вашу жару.

Ronen Festinger

И влажный воздух лучше нагревает воздух, чем сухой воздух, но делает охлаждение потоотделение менее эффективным.

Sanchises

@RonenFestinger В воде потение не помогает вам, потому что охлаждение потоотделением основано на испарении пота, чего, естественно, не бывает под водой. Разница в коэффициентах теплопроводности / конвекции между влажным и сухим воздухом пренебрежимо мала по сравнению с коэффициентом теплопроводности / конвекции воды.

askentire.net

Почему теплый воздух поднимается вверх?

Каждым из нас наблюдалось явление, когда над поверхностью водоема поднимался пар. Это клубы теплого воздуха устремлялись вверх, чтобы потом насытиться озоном и вернуться назад в виде дождя или снега.

То, что теплый воздух собирается вверху, можно почувствовать при уборке квартиры. Стоит встать на табурет, чтобы протереть от пыли люстру и ощутить, что под потолком гораздо теплее, чем внизу на полу.

Почему же так происходит, почему теплый воздух поднимается вверх? Ответ элементарно прост. Теплый воздух намного легче холодного, а скорость движения молекул в теплом воздухе намного быстрее, чем в холодном.

Опускаясь на землю, потоки воздушных масс, при нагревании как бы сбрасывают с себя ненужный груз и устремляются назад вверх за новой порцией.

А если углубиться и рассмотреть это явление с точки зрения науки, то можно объяснить это так. Молекулы холодного воздуха, которые больше подвержены силе притяжения Земли выталкивают теплые молекулы из общей массы. Причем снизу это выталкивание происходит более интенсивно, поскольку молекул холодного воздуха снизу больше, чем вокруг. Нагретые молекулы непроизвольно поднимаются все выше и выше, пока не достигнут определенной границы, где холодные молекулы не будут на них оказывать никакого влияния.

Такое перемещение воздушных масс в физике называю конвекцией.

Самые интересные новости:

znaj-vse.ru

71. Сухой и влажный воздух

Мы рассмотрели конденсатор воздушного охлаждения, конденсатор водяного охлаждения (проточная вода) и сухую градирню. Продолжим изучение способов конденсации и типов конденсаторов. Нельзя ли создать еще более высокопроизводительную систему, которая сможет, например, охладить воду до 30°С даже если температура наружного воздуха 35°С? При температуре воды на входе в конденсатор равной 30°С (вместо 45°С для сухой градирни) мы могли бы иметь температуру конденсации 45°С вместо 60°С: это была бы почти идеальная система!Такой способ существует и вы его, вероятно, знаете по собственному опыту. Представьте себе, что вы отдыхаете на море. Погода теплая, но ветренная. Вы окунулись и выходите из воды мокрыми, и когда вы оказываетесь на ветру, то начинаете дрожать и стучать зубами. Знаете, почему?Если вы после купания не обтерлись полотенцем, вас начинает сушить ветер. Ветер - это атмосферный воздух, состоящий из смеси невидимых газов. Он содержит, главным образом, азот, кислород, углекислый газ... и водяной пар.

465 Откуда взялся водяной пар? Над поверхностью моря воздух насыщается водяным паром, образующимся при испарении морской воды. Пар поднимается все выше и выше, в верхних слоях атмосферы он охлаждается и тогда часть пара начинает конденсироваться. Когда идет дождь или когда образуется туман, это значит, что часть водяных паров сконденсировалась, и тогда холодный воздух, насыщенный водяным паром, начинает выделять воду, которая в нем находится.Воздух является смесью газов, он может поглощать воду только в виде пара.Следовательно, капельки воды, которые стекают с вашего тела после купания, обязательно должны превращаться в водяной пар, чтобы быть поглощенными ветром.Давайте вспомним, что испарение -это изменение фазового состояния, возможное только в том случае, если к жидкости, которую мы хотим испарять, подводится тепло.Это то же самое, что происходит в испарителе холодильной машины: хладагент, проходя через расширительное устройство (ТРВ, капиллярную трубку и т.п.), вскипает и при кипении в испарителе поглощает тепло из окружающей его среды.На рис. 71.2 в качестве такой среды выступает воздух, в результате чего температура воздуха понижается с 21 до 15°С.

Теперь вернемся к нашему мокрому купальщику, которого обдувает ветром. Если он после выхода из моря с головы до ног покрыт капельками воды, количество которой в этом случае по всему телу может доходить до четверти литра (что вовсе не является преувеличением), то количество тепла, которое может быть отобрано от его тела для испарения этой воды, составляет около 600 килоджоулей (кДж). Выполним простой подсчет: если ветру нужно, например, 2 минуты, чтобы осушить купальщика, значит холодопроизводительность этого процесса составит 600 кДж / 120 с = 5 кВт! Не удивительно, что купальщика пробивает дрожь и он стучит зубами: это эквивалентно 5 небольшим холодильникам!

А сейчас посмотрим, что происходит, когда капля воды с температурой, например, 32°С попадет в очень сухой воздух (который практически не содержит водяного пара) с температурой 35°ССухой воздух жадно впитывает влагу, но он может поглощать влагу только в виде водяного пара. Капля воды, попавшая в него, со всех сторон окружена сухим воздухом. В результате тонкая пленка на поверхности капли, находящаяся в контакте с сухим воздухом, начинает испаряться, а сухой воздух увлажняется.

466 Но для того, чтобы вода испарялась, нужен подвод тепла, иначе никакое изменение фазового состояния невозможно: источником этого тепла в нашем случае является сама капля воды!

Итак, капля, которая находится в воздухе, испаряется, слегка уменьшаясь в размерах. Кроме того, от капли отводится тепло, которое расходуется на ее испарение, следовательно капля сама себя охлаждает!Если время нахождения капли в воздухе достаточно велико, она может охладиться на несколько градусов.Следовательно, если падающие сверху капли воды собирать в какой-либо емкости, то в этой емкости можно без труда накопить воду с температурой ниже, чем температура окружающего воздуха (см. рис. 71.4)!Мы знаем, что для испарения одного литра воды необходимо затратить очень большое количество тепла: 1 кг воды, испаряющейся при температуре 35°С, поглощает 2450 кДж (для сравнения, 1 кг R22 при тех же условиях способен поглотить только 178 кДж).Итак, сухой воздух, испаряющий воду, одновременно и охлаждает ее, и количество содержащегося в воде тепла, поглощенного в результате ее испарения, огромно: это, так сказать, очень простая и очень эффективная холодильная машина!

71.1. УПРАЖНЕНИЕ А. Насыщенный воздух

Что произойдет, если капля будет находиться не в сухом воздухе, как в нашем предыдущем примере, а в воздухе, полностью насыщенном водяным паром!

Понятие "насыщенный воздух" означает, что количество водяного пара, которое может в нем находиться при данной температуре, достигло максимального значения и этот воздух не может содержать большего количества водяного пара.Иначе говоря, воздух в отношении водяного пара ведет себя точно так же, как любая емкость: если емкость полна, туда уже ничего не добавить.Если воздух при температуре 35°С стал насыщенным, то он не сможет больше поглощать водяной пар.Поэтому капля воды, находящаяся в таком воздухе, не сможет больше ни испаряться, ни охлаждаться: когда воздух насыщен, он "не хочет больше пить" и никакое испарение невозможно.В нашем примере, падающая в таком воздухе водяная капля с температурой 32°С, испаряться не будет и попадет в емкость с той же температурой 32°С.Заметим, что это хорошо известная ситуация. Летом, после дождя, наружный воздух очень теплый и очень влажный.Если в таких условиях вы занимаетесь каким-либо физическим трудом, то сильно потеете и у вас возникает неприятное ощущение влажности и духоты.Это происходит потому, что пот (который есть ни что иное как влага) не может больше испаряться с поверхности вашего тела, поскольку окружающий вас воздух полностью насыщен влагой: поскольку нет испарения, то нет и охлаждения!

vmestogaza.ru

Почему холодный воздух тяжелее (это же воздух, а не что-то осязаемое, как он вообще имеет вес)?

Ну вы даете! Газ является одним из агрегатных состояний вещества и, ровным счетом как и вы, он состоит из молекул (следовательно имеет массу). Солнце на 99% состоит из водорода и гелия, но разве у вас когда-нибудь возникала мысль, что оно не имеет массы или, может, легкое как пёрышко? К сведению, масса Солнца составляет 1,9885·10^30 кг (332 940 масс Земли). А еще из газа состоят такие планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

Ладно, Солнце, планеты... Это все очень далеко от нас. Атмосфера! Каждый день вы ощущаете ее давление примерно равное 760 мм рт. ст. (или 101325 Па), а ее масса составляет около 5,3·10^15 тонн!

Надеюсь, после моих примеров, вопрос о весе воздуха отпал.

Теперь о том, почему же холодный воздух тяжелее более нагретого.

Мы знаем, что объём того вещества будет легче, чья плотность меньше.

Для идеальных газов существует известное из школьного курса уравнение Клайперона - Менделеева:

где

P - давление,

V - объём,

m - масса,

M - молярная масса,

R - универсальная газовая постоянная,

T - абсолютная температура (К).

Плотность есть m/V. Если уравнение переписать в виде: m/V = pM/RT, то отсюда следует, чем выше температура, тем меньше плотность и чем ниже температура, больше плотность. То есть один и тот же объем воздуха для холодного воздуха будет тяжелее.

К этому же результату можно придти, используя молекулярно-кинетическую теорию газов. Температура - мера средней кинетической энергии молекул. Чем выше температура, тем выше кинетическая энергия молекул газа, то есть молекулы быстрее движутся и как бы расстояния между ними увеличиваются. То есть, нагреваясь, газ расширяется. И стало быть его плотность уменьшается. И теплый воздух становится легче холодного.

thequestion.ru