FORSTÅELSE AF LATENT VARME
En fuldstændig forståelse af latent varme vil i høj grad forbedre dine analyse- og prognosefærdigheder. Latent varme er ikke noget magisk, men kan være meget forvirrende at forstå. Vandmolekyler kan bevæge sig på tre måder. De kan bevæge sig ved vibration, rotation og translation. Is kan ikke bevæge sig særlig frit. Is kan vibrere, men is forbliver stiv. Flydende vand bevæger sig frit, men da molekylerne stadig er meget tæt på hinanden, bevæger de sig ikke så frit som luft.
Solidt vand (is) er den mest ordnede tilstand af H20, mens gas er den mindst ordnede. For at is kan gå fra en is til en flydende tilstand, skal der tilføres energi for at få isen til at gå fra en højere tilstand til en lavere ordnet tilstand. Når is smelter eller vand fordamper, skal der tages energi fra omgivelserne for at få isen eller væsken til at gå over i en mindre ordnet tilstand. Der skal energi til for at svække de enkelte hydrogenbindinger mellem H20-molekylerne. Når vand (i en af de tre sætninger) bevæger sig fra en højere til en lavere ordnet tilstand, vil der blive fratrukket varme fra luften omkring H20. De tre processer, der trækker varme fra den omgivende luft, er fordampning, smeltning og sublimering (fra fast stof til gas). Når vand (i en af de tre sætninger) bevæger sig fra en lavere til en højere ordnet tilstand, vil luften omkring H20 få tilført energi til den. Dette kaldes en frigivelse af latent varme (f.eks. når der trækkes varme fra flydende vand, vil de enkelte vandmolekyler blive langsommere. De bliver til sidst langsommere til det punkt, hvor hydrogenbindingerne ikke længere tillader væsken at rotere. Der dannes nu is. Den energi, som vandmolekylerne engang havde til at rotere, er blevet afgivet til den omgivende luft). De tre processer, der tilføjer varme til den omgivende luft, er kondensation, frysning og aflejring (fra gas til fast stof).
VIGTIGT: Fordampnings- og kondensationsprocesserne kræver 7,5 gange så meget energi som smeltning eller frysning. Derfor vil fordampningskøling afkøle luften meget mere end smeltning af sne. Lad os f.eks. sige, at der falder sne, og at udetemperaturen er 40 grader Fahrenheit. Når sneen falder ned i den varmere luft, vil den begynde at smelte, og noget af den vil fordampe. Fordampningen fra den våde sne vil afkøle luften 7,5 gange så meget som smeltningen af sneen. Hvis temperaturen falder fra 40 til 32 grader, mens sneen falder, skyldes fordampningsprocessen ca. 7 af de 8 graders afkøling. Smelteprocessen afkøler også luften, men ikke nær så meget som fordampningen. Når vand gennemgår en faseændring (en ændring fra fast stof, væske eller gas til en anden fase), forbliver temperaturen af H20 den samme. Hvorfor? Der bruges energi til enten at svække hydrogenbindingerne mellem H20-molekylerne, eller der tages energi fra H20, hvilket strammer hydrogenbindingerne. Når is smelter, tages der energi fra omgivelserne og absorberes i isen for at løsne hydrogenbindingerne. Den energi, der tages fra omgivelserne for at løsne hydrogenbindingerne, får den omgivende luft til at afkøle (der tages energi fra omgivelserne: dette er latent varmeoptagelse). Temperaturen i den smeltende is forbliver imidlertid den samme, indtil al isen er smeltet. Alle brintbindinger skal brydes fra den faste tilstand, før der kan bruges energi til at øge H20’s temperatur.
Energi strømmer altid fra et varmere objekt mod et koldere objekt. En isterning på 32 grader F absorberer energi fra luft, der har en temperatur, der er varmere end frysepunktet. Der strømmer energi fra rummet mod isterningen. Smid nok isterninger i dit køkken, og du vil måske bemærke, at luftens temperatur afkøles en smule. Der tages energi fra dit varmere rum og flyttes ind i isterningerne for at smelte dem; en subtraktion af energi forårsager afkøling. Det samme gælder, når man sammenligner frysning med kondensation. Kondenseringsprocessen opvarmer den omgivende luft 7,5 gange så meget, som når frysningsprocessen finder sted. Når der opstår et tordenvejr, er afgivelsen af latent varme ved kondensation 7,5 gange så stor som afgivelsen af latent varme ved frysning. Lad os nu foretage nogle anvendelser af denne latente varmeproces med hensyn til prognoser.
1. Fordampningskøling fra regn (i fravær af downdrafts) vil få temperaturen til at falde, men dugpunktet til at stige. Dugpunktet vil altid (i det område af normalt observerede temperaturer) stige mere end temperaturen falder (f.eks. antages det, at temperaturen er 70 F med et dugpunkt på 50 F, vil temperaturen efter en vedvarende regn køle af til ca. 63, og dugpunktet vil stige til ca. 63).
2. Temperaturerne har svært ved at blive væsentligt varmere på dage, hvor der er snedække på overfladen. Smelten og fordampningen fra sneen afkøler løbende luften.
3. Kondensation frigiver latent varme. Dette bevirker, at temperaturen i en sky bliver varmere, end den ellers ville have været, hvis den ikke afgav latent varme. Hver gang en sky er varmere end den omgivende miljøluft, vil den fortsætte med at stige op og udvikle sig. Jo mere fugt en sky indeholder, jo mere potentiale har den til at frigive latent varme.
4. Den mængde afkøling, der opleves under smeltning eller fordampning, er en funktion af dugpunktsundertrykket. Hvis luften er mættet, vil fordampningen blive minimeret. Fordampningskøling kan ikke finde sted, når der dannes dug på jorden, men kan begynde at finde sted, når solen begynder at opvarme overfladen (dugpunktsdepressionen bliver større end 0).
5. Tørre klimaer har tendens til at have en større døgnvariation i temperaturen end fugtige klimaer. Den primære årsag er den latente varme. I et tørt klima er fordampningskøling på et minimum, og der er kun lidt vanddamp til at fange langbølgestråling om natten. I et tørt klima vil de højeste temperaturer derfor være højere og de laveste lavere sammenlignet med et fugtigt klima i samme højde og på samme breddegrad (alt andet lige).