La vapeur d'eau
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| La vapeur d'eau | |
|---|---|
| Nom systématique | Vapeur D'Eau |
| État liquide | Eau |
| Solide Etat | Glace |
| Propriétés | |
| Point de fusion | 0 ° C |
| Point d'ébullition | 100 ° C |
| constante de gaz individuel | 461,5 J / (kg · K) |
| chaleur latente d'évaporation | 2,27 MJ / kg |
| masse moléculaire | 18,02 g / mol |
| la capacité thermique spécifique | 1,84 kJ / kg (K) · |
La vapeur d'eau ou de vapeur d'eau (voir différences d'orthographe), également vapeur aqueuse, est le gaz phase eau . Eau vapeur est une état du cycle de l'eau dans le hydrosphère. La vapeur d'eau peut être produite à partir de la évaporation du liquide de l'eau ou de la sublimation de la glace . Dans des conditions atmosphériques normales, la vapeur d'eau est produite en continu par évaporation et retiré par condensation.
Les propriétés générales de la vapeur d'eau
L'évaporation / sublimation
Chaque fois qu'une molécule d'eau laisse une surface, il est dit s'être évaporé. Chaque molécule d'eau individuel qui assure la transition entre un (liquide) plus associé et un (vapeur / gaz) état moins associé le fait par l'absorption ou la libération de l'énergie cinétique. La mesure globale de ce transfert d'énergie cinétique est définie comme l'énergie thermique et ne se produit que lorsqu'il y aura de la température différentielle des molécules d'eau. L'eau liquide qui devient de la vapeur d'eau prend une parcelle de la chaleur avec elle, dans un processus appelé refroidissement par évaporation. La quantité de vapeur d'eau dans l'air détermine la vitesse à chaque molécule sera de retour à la surface. Quand une évaporation nette se produit, la masse d'eau va subir un refroidissement net directement liée à la perte d'eau.
Aux États-Unis, le National Weather Service mesure le taux réel de l'évaporation d'une surface normalisée "pan" ouverte de l'eau à l'extérieur, à divers endroits du pays. D'autres font de même dans le monde entier. Les données des États-Unis est recueilli et compilé dans un plan annuel d'évaporation. Les mesures vont de moins de 30 à plus de 120 pouces par an. Formules pour le calcul du taux d'évaporation à partir d'une surface de l'eau comme une piscine de peut être trouvé ici et ici
Le refroidissement par évaporation est limitée par les conditions atmosphériques. L'humidité est la quantité de vapeur d'eau dans l'air. La teneur en vapeur de l'air est mesurée à l'aide des dispositifs connus sous le nom hygromètres. Les mesures sont généralement exprimés en l'humidité ou pour cent spécifique humidité relative. Les températures de l'atmosphère et la surface de l'eau déterminer la pression de vapeur d'équilibre; 100% d'humidité relative se produit lorsque la pression partielle de vapeur d'eau est égale à la pression de vapeur d'équilibre. Cette condition est souvent désignée comme la saturation complète. Humidité varie de 0 gramme par mètre cube dans l'air sec à 30 grammes par mètre cube (0,03 once par pied cube) lorsque la vapeur est saturée à 30 ° C. (Voir aussi Absolute table Humidité)
Une autre forme d'évaporation est sublimation, par lequel les molécules d'eau se gazeux directement à partir de la glace sans d'abord devenir eau liquide. Sublimation représente pour la lente disparition mi-hiver de glace et de la neige à des températures trop faibles pour provoquer la fusion.
Condensation
La vapeur d'eau ne se condense sur une autre surface lorsque la surface est plus froide que la température de la vapeur d'eau, ou lorsque le eau d'équilibre de vapeur dans l'air a été dépassé. Lorsque la vapeur d'eau se condense sur une surface, un net réchauffement se produit sur cette surface. La molécule d'eau apporte une parcelle de chaleur avec elle. À son tour, la température de l'atmosphère diminue légèrement. Dans l'atmosphère, de la condensation produit des nuages, du brouillard et des précipitations (habituellement seulement quand facilitées par Noyau de condensation). Le point de une particule d'air de rosée est la température à laquelle il doit refroidir avant de la vapeur d'eau dans l'air commence à se condenser.
En outre, un filet de condensation de la vapeur d'eau se produit sur des surfaces lorsque la température de la surface est égale ou inférieure à la température du point de rosée de l'atmosphère. Dépôt, la formation directe de la glace de la vapeur d'eau, est un type de condensation. Le gel et la neige sont des exemples de dépôt.
La vapeur d'eau densité
La vapeur d'eau est plus léger ou moins dense que l'air sec. A des températures équivalentes il est porteur par rapport à l'air sec.
La vapeur d'eau sèche et calcul de la densité de l'air à 0 ° C
La masse moléculaire ou de poids de l'eau est 18.02g / mol, tel que calculé à partir de la somme de la masses atomiques de ses constituants des atomes .
La masse moléculaire moyenne de l'air (environ 79% d'azote, N 2;. 21% d'oxygène, 0 2) est 28.57g / mol à température et pression standard ( STP).
Utilisation de loi d'Avogadro et loi des gaz parfaits, la vapeur d'eau et l'air aura un volume molaire de 22,414 litres / mol à STP. Une masse molaire de l'air et de vapeur d'eau occupent le même volume de 22,414 litres. La densité (masse / volume) de vapeur d'eau est 0.804g / litre, ce qui est nettement inférieure à celle de l'air sec à 1,27 g / litre à STP.
Notez que les conditions STP comprennent une température de 0 ° C, à laquelle la capacité de l'eau de devenir vapeur est très limitée. Son la concentration dans l'air est très faible à 0 ° C. La ligne rouge sur le graphique de droite est la concentration maximale de vapeur d'eau attendue pour une donnée de température . La concentration de vapeur d'eau augmente de façon significative lorsque la température se élève, se approchant de 100% ( la vapeur d'eau, la vapeur d'eau pure) à 100 ° C. Cependant, la différence de densité entre l'air et la vapeur d'eau existerait encore.
Interactions de densité de l'air et de vapeur d'eau à des températures égales
A la même température, une colonne d'air sec sera plus dense ou plus lourde que la colonne d'air contenant de la vapeur d'eau. Ainsi, ne importe quel volume d'air sec va couler si elles sont placées dans un grand volume d'air humide. En outre, un volume d'air humide va augmenter ou être porteur se il est placé dans une région plus grande d'air sec. Lorsque la température augmente la vapeur d'eau en proportion de l'air augmente, sa flottabilité devient plus grande. Cette augmentation de la flottabilité peut avoir un impact sur l'atmosphère signicative, donnant lieu à de puissants, l'humidité riche, les courants d'air vers le haut lorsque la température de l'air et de la température de la mer atteint 25 ° C ou plus. Ce phénomène fournit une force de motivation important pour cyclonique systèmes météorologiques et anticyconic ( tornades et ouragans).
La vapeur d'eau et de la respiration ou la respiration
la contribution de la vapeur d'eau à la pression augmente à mesure que sa concentration augmente. Son la contribution de la pression partielle de l'augmentation de pression d'air, ce qui réduit la contribution de la pression partielle d'autres gaz atmosphériques (Loi de Dalton). La pression d'air total doit rester constante. La présence de vapeur d'eau dans l'air dilue naturellement ou déplace les autres composants de l'air que sa concentration augmente.
Cela peut avoir un effet sur la respiration, l'air très chaud (35 ° C). La proportion de vapeur d'eau est suffisamment importante pour donner lieu à la congestion qui peut être expérimenté dans des conditions humides de la jungle ou dans des bâtiments climatisés mal.
Discussion générale
La quantité de vapeur d'eau dans une atmosphère est limité par les restrictions de la température et de pressions partielles. Du point de rosée et l'humidité relative agissent comme des lignes directrices pour le processus de vapeur d'eau dans le cycle de l'eau. L'apport d'énergie, tels que la lumière du soleil, peut déclencher plus d'évaporation sur une surface de l'océan ou plusieurs sublimation sur un morceau de glace sur le dessus d'une montagne. L'équilibre entre la condensation et l'évaporation donne la quantité appelé la pression partielle de vapeur.
La pression partielle maximale (pression de saturation) de la vapeur d'eau dans l'air varie avec la température du mélange d'air et de vapeur d'eau. Une variété de formules empiriques existent pour cette quantité; formule de référence le plus utilisé est le Équation Goff-Gratch pour l'UDC sur l'eau liquide:
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- Où T, la température de l'air humide, est donnée en unités de kelvins , et p est donnée en unités de millibars ( hectopascals).
La formule est valable à partir environ -50 à 102 ° C; mais il ya un nombre très limité de mesures de la pression de vapeur d'eau sur l'eau liquide en surfusion.
Dans des conditions défavorables, par exemple lorsque la température d'ébullition de l'eau est atteinte, une évaporation nette aura toujours lieu dans des conditions atmosphériques standard quel que soit le pour cent d'humidité relative. Ce processus permettra de dissiper immédiatement d'énormes quantités de vapeur d'eau dans une atmosphère plus fraîche.
L'air exhalé est presque entièrement à l'équilibre avec la vapeur d'eau à la température du corps. Dans l'air froid la vapeur se condense rapidement expiré, montrant ainsi comme un brouillard ou brouillard de gouttelettes d'eau et de la condensation ou de givre sur les surfaces.
Contrôle de la vapeur d'eau dans l'air est une préoccupation majeure dans le chauffage, ventilation et climatisation (HVAC). Le confort thermique dépend des conditions de l'air humide. Situations de confort non-humains sont appelés réfrigération, et également sont affectés par la vapeur d'eau. Par exemple, de nombreux magasins d'aliments, comme les supermarchés, utiliser des armoires ouvertes de refroidissement, ou les cas d'aliments, ce qui peut réduire considérablement l'(humidité) réduisant la pression de la vapeur d'eau. Cette pratique offre plusieurs avantages ainsi que des problèmes.
La vapeur d'eau dans l'atmosphère de la Terre
L'eau gazeuse représente une petite mais significative de l'environnement constituant de l' atmosphère . Environ 99,99% de celui-ci est contenu dans la troposphère. Le condensation de la vapeur d'eau à la phase liquide ou de glace est responsable de nuages , la pluie , la neige , et autres précipitations, qui comptent parmi les éléments les plus significatifs de ce que nous ressentons comme la météo . Moins de toute évidence, le chaleur latente de vaporisation, qui est libéré dans l'atmosphère chaque fois que la condensation se produit, est l'un des termes les plus importants dans le budget de l'énergie atmosphérique sur les deux échelles locales et globales. Par exemple, le dégagement de chaleur latente dans l'atmosphère convection est directement responsable de la mise sous tension tempêtes destructrices telles que les cyclones tropicaux et sévères orages . La vapeur d'eau est aussi un puissant gaz à effet de serre . Comme on prévoit que la teneur en vapeur d'eau de l'atmosphère à augmenter considérablement en réponse à des températures plus chaudes, il ya la possibilité d'une rétroaction de la vapeur d'eau qui pourrait amplifier l'effet de réchauffement climatique prévu en raison de l'augmentation du dioxyde de carbone seul. Cependant, il est moins clair comment nébulosité répondrait à un réchauffement climatique; selon la nature de la réponse, soit nuages peuvent en outre amplifier ou d'atténuer partiellement les évaluations de vapeur d'eau.
Le brouillard et les nuages se forment par condensation autour nuage noyaux de condensation. En l'absence de germes, la condensation ne se produit à des températures beaucoup plus basses. Sous la condensation persistante ou dépôt, les gouttelettes de nuage ou de la forme de flocons de neige, qui précipiter quand ils atteignent une masse critique.
Le temps de séjour moyen de molécules d'eau dans la troposphère est d'environ 10 jours. Eau appauvri par précipitation est alimenté par l'évaporation des mers, des lacs, des rivières et de la transpiration des plantes, et d'autres processus biologiques et géologiques.
Les mesures de la concentration de vapeur sont exprimés en l'humidité ou pour cent spécifique humidité relative. La concentration moyenne annuelle globale de vapeur d'eau aurait un rendement d'environ 25 mm d'eau liquide sur toute la surface de la Terre si elle devait se condenser instantanément. Cependant, la précipitation annuelle moyenne pour la planète est d'environ 1 mètre, ce qui indique un chiffre d'affaires rapide de l'eau dans l'air.
L'abondance des gaz émis par les volcans varie considérablement d'un volcan volcan. Toutefois, la vapeur d'eau est toujours le plus fréquent gaz volcaniques, comprenant normalement plus de 60% des émissions totales au cours d'une subaérien éruption volcanique.
Radar et imagerie satellite
Étant donné que les molécules d'eau absorber micro-ondes et d'autre fréquences d'ondes radio, de l'eau dans l'atmosphère atténue radar signaux. En outre, l'atmosphère volonté de l'eau réfléchir et réfracter signaux dans une mesure qui dépend de savoir si ce est de la vapeur, liquide ou solide.
Généralement, les signaux radar perdent de leur force progressivement plus ils voyagent à travers la troposphère. Différentes fréquences atténuent à des taux différents, tels que certains composants de l'air sont opaques pour certaines fréquences et transparente à d'autres. Les ondes radio utilisées pour la radiodiffusion et toute autre expérience de communication le même effet.
La vapeur d'eau reflète radar dans une moindre mesure que ne le font les deux autres phases de l'eau. Dans la forme de gouttes et de cristaux de glace, l'eau agit comme un prisme, ce qu'il ne fait pas en tant qu'individu molécule ; Cependant, l'existence de la vapeur d'eau dans l'atmosphère provoque l'atmosphère d'agir comme un prisme géant.
Un comparaison de GOES-12 images satellites montrent la distribution de la vapeur d'eau atmosphérique par rapport aux océans, les nuages et les continents de la Terre. Vapor entoure la planète, mais est inégalement répartie.
génération de foudre
La vapeur d'eau joue un rôle clé dans la production de la foudre dans l'atmosphère. À partir de la physique des nuages, habituellement, les nuages sont les véritables générateurs de statique frais que l'on trouve dans l'atmosphère de la Terre. Mais la capacité, ou la capacité , de nuages de tenir des quantités massives d'énergie électrique est directement liée à la quantité de vapeur d'eau présente dans le système local.
La quantité de vapeur d'eau directement la commande permittivité de l'air. Pendant les périodes de faible humidité, une décharge statique est rapide et facile. Pendant les périodes de plus grande humidité, moins de décharges d'électricité statique se produisent. Cependant, la permittivité et la capacité de travail main dans la main pour produire les sorties de mégawatts de la foudre.
Après un nuage, par exemple, a commencé son chemin pour devenir un générateur de foudre, atmosphériques actes de vapeur d'eau comme une substance (ou isolant) qui diminue la capacité du nuage de se acquitter de son énergie électrique. Plus d'un certain laps de temps, si le nuage continue à générer et stocker plus l'électricité statique, la barrière qui a été créé par la vapeur d'eau atmosphérique sera finalement briser de l'énergie potentielle électrique stockée. Cette énergie sera publié à une région localement, en face chargée sous la forme de la foudre. La force de chaque décharge est directement liée à la permittivité atmosphérique, la capacitance et la capacité de génération de charge de la source.
Voir également, Générateur de Van de Graaff.
La vapeur d'eau extraterrestre
L'éclat de queues de comète vient en grande partie de la vapeur d'eau. À l'approche de la soleil , la glace de nombreuses comètes portent sublime à la vapeur, ce qui reflète la lumière du soleil. Connaissant la distance d'une comète du soleil, les astronomes peuvent déduire le contenu de son éclat de l'eau d'une comète. Queues brillantes dans comètes froids et distants suggère monoxyde de carbone sublimation.
Les scientifiques qui étudient Mars émis l'hypothèse que si l'eau se déplace de la planète, il le fait sous forme de vapeur. La plupart de l'eau sur Mars semble exister sous forme de glace au pôle Nord. Au cours de l'été de Mars, cette glace se sublime, peut-être permettre tempêtes saisonnières massives de transmettre des quantités importantes d'eau vers l'équateur.
Une étoile CW Leonis appelé se est avéré avoir un anneau de vastes quantités de vapeur d'eau encerclant le vieillissement, massive étoiles . Un NASA satellite conçu pour étudier les produits chimiques dans les nuages de gaz interstellaires, a fait la découverte d'un spectromètre à bord. Très probablement, "la vapeur d'eau a été vaporisé sur les surfaces des comètes en orbite."
L'analyse spectroscopique de HD 209458 b, une planète extrasolaire dans la constellation de Pégase, fournit la première preuve de la vapeur d'eau atmosphérique au-delà du système solaire.
Les divergences scientifiques, facteurs de confusion et limites de la connaissance
Depuis la vapeur d'eau est très commun, il a été étudié et écrit sur de nombreux points de vue. Comme une connaissance pratique a grandi et développé dans des domaines apparemment sans rapport plusieurs divergences dans la compréhension peuvent être rencontrées. Ces écarts résultent souvent d'une incapacité à déterminer de manière rigide soit un volumétrique ou gravimétrique base d'études; et / ou l'utilisation de constantes inappropriées pour les conditions observé.
De nombreuses études scientifiques considèrent la vapeur d'eau comme un Variable confusionnelle (prévention Ceteris paribus, aussi «tapi varible ') en raison de sa nature complexe, cela devient particulièrement vrai lorsque l'étude observe une variation significative des quantités de vapeur d'eau, au fil du temps et / ou l'emplacement.
Ce est pour les raisons ci-dessus que cela reste un facteur particulièrement délicate et parfois controversé dans de nombreux domaines de la science, si le stockage des aliments ou des objets anciens, thermodynamique ou les changements climatiques.
