VERSTEHEN DER LATENTEN WÄRME
Ein umfassendes Verständnis der latenten Wärme wird Ihre Analyse- und Vorhersagefähigkeiten erheblich verbessern. Latente Wärme ist nichts Magisches, kann aber sehr verwirrend zu verstehen sein. Wassermoleküle können sich auf drei Arten bewegen. Sie können sich durch Vibration, Rotation und Translation bewegen. Eis ist nicht sehr frei beweglich. Eis kann schwingen, aber es bleibt starr. Flüssiges Wasser kann sich frei bewegen, aber da die Moleküle immer noch sehr eng beieinander liegen, können sie sich nicht so frei bewegen wie Luft.
Festes Wasser (Eis) ist der am besten geordnete Zustand von H20, während Gas der am wenigsten geordnete ist. Damit Eis von einem eisigen in einen flüssigen Zustand übergehen kann, muss Energie zugeführt werden, damit das Eis von einem höheren in einen niedrigeren geordneten Zustand übergeht. Wenn Eis schmilzt oder Wasser verdampft, muss der Umgebung Energie entzogen werden, damit das Eis oder die Flüssigkeit in einen weniger geordneten Zustand übergehen kann. Die Energie wird benötigt, um die einzelnen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den H20-Molekülen zu schwächen. Wenn sich Wasser (in einem der drei Sätze) von einem höheren in einen niedrigeren Ordnungszustand bewegt, wird der Luft, die das H20 umgibt, Wärme entzogen. Die drei Prozesse, bei denen der umgebenden Luft Wärme entzogen wird, sind Verdampfung, Schmelzen und Sublimation (Feststoff zu Gas). Wenn Wasser (in einem der drei Sätze) von einem niedrigeren in einen höheren Ordnungszustand übergeht, wird der Luft, die das H20 umgibt, Energie zugeführt. Dies wird als Freisetzung latenter Wärme bezeichnet (wenn z. B. flüssigem Wasser Wärme entzogen wird, verlangsamen sich die einzelnen Wassermoleküle. Sie verlangsamen sich schließlich bis zu dem Punkt, an dem die Wasserstoffbrückenbindungen die Flüssigkeit nicht mehr rotieren lassen. Nun entsteht Eis. Die Energie, die die Wassermoleküle einst zum Drehen hatten, wurde an die umgebende Luft abgegeben.) Die drei Prozesse, die der Umgebungsluft Wärme zuführen, sind Kondensation, Gefrieren und Ablagerung (Gas zu Feststoff).
WICHTIG: Die Prozesse der Verdampfung und Kondensation benötigen 7,5 Mal so viel Energie wie das Schmelzen oder Gefrieren. Deshalb kühlt die Verdunstungskälte die Luft viel stärker ab als das Schmelzen von Schnee. Nehmen wir zum Beispiel an, es schneit und die Außentemperatur beträgt 40 Grad Celsius. Wenn der Schnee in die wärmere Luft fällt, beginnt er zu schmelzen und ein Teil davon verdunstet. Die Verdunstung des nassen Schnees kühlt die Luft 7,5 Mal so stark ab wie das Schmelzen des Schnees. Wenn die Temperatur von 40 auf 32 Grad sinkt, während der Schnee fällt, werden etwa 7 dieser 8 Grad Abkühlung durch den Verdunstungsprozess verursacht. Das Schmelzen kühlt die Luft ebenfalls ab, nur nicht annähernd so stark wie die Verdunstung. Wenn Wasser eine Phasenänderung erfährt (eine Änderung von einer festen, flüssigen oder gasförmigen Phase in eine andere), bleibt die Temperatur des H20 gleich. Und warum? Es wird Energie aufgewendet, um entweder die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den H20-Molekülen zu schwächen, oder es wird dem H20 Energie entzogen, wodurch die Wasserstoffbrückenbindungen gestrafft werden. Wenn Eis schmilzt, wird Energie aus der Umgebung entnommen und im Eis absorbiert, um die Wasserstoffbrückenbindungen zu lösen. Die zum Lösen der Wasserstoffbrücken entzogene Energie führt zu einer Abkühlung der umgebenden Luft (Energie wird der Umgebung entzogen: latente Wärmeaufnahme). Die Temperatur des schmelzenden Eises bleibt jedoch gleich, bis das gesamte Eis geschmolzen ist. Alle Wasserstoffbrückenbindungen müssen aus dem festen Zustand heraus gebrochen werden, bevor Energie zur Erhöhung der Temperatur des H20 verwendet werden kann.
Energie fließt immer von einem wärmeren Objekt zu einem kälteren Objekt. Ein Eiswürfel mit einer Temperatur von 32 Grad F absorbiert Energie aus der Luft, die wärmer ist als der Gefrierpunkt. Die Energie fließt aus dem Raum in Richtung des Eiswürfels. Wenn Sie genügend Eiswürfel in Ihre Küche werfen, werden Sie feststellen, dass die Temperatur der Luft leicht abkühlt. Es wird Energie aus dem wärmeren Raum entnommen und in die Eiswürfel geleitet, um sie zu schmelzen. Das Gleiche gilt für den Vergleich zwischen Gefrieren und Kondensation. Bei der Kondensation erwärmt sich die Umgebungsluft 7,5 Mal so stark wie beim Gefrieren. Wenn sich ein Gewitter entwickelt, ist die Freisetzung latenter Wärme durch Kondensation 7,5 Mal so hoch wie die Freisetzung latenter Wärme durch Gefrieren. Lassen Sie uns nun diesen Prozess der latenten Wärme im Hinblick auf die Vorhersage anwenden.
1. Die Verdunstungskühlung durch Regen (bei fehlendem Fallwind) führt dazu, dass die Temperatur sinkt, der Taupunkt aber steigt. Der Taupunkt wird immer (im Bereich der normalerweise beobachteten Temperaturen) stärker ansteigen als die Temperatur sinkt (z.B. angenommen, die Temperatur beträgt 70 F mit einem Taupunkt von 50 F, nach einem anhaltenden Regen wird die Temperatur auf etwa 63 F abkühlen und der Taupunkt wird auf etwa 63 F ansteigen).
2 Die Temperaturen haben Schwierigkeiten, sich an Tagen mit einer Schneedecke deutlich zu erwärmen. Das Schmelzen und die Verdunstung des Schnees kühlen die Luft kontinuierlich ab.
3. Kondensation setzt latente Wärme frei. Dies führt dazu, dass die Temperatur einer Wolke wärmer ist, als sie es wäre, wenn sie keine latente Wärme abgeben würde. Immer dann, wenn eine Wolke wärmer ist als die umgebende Luft, wird sie weiter aufsteigen und sich entwickeln. Je mehr Feuchtigkeit eine Wolke enthält, desto mehr latente Wärme kann sie freisetzen.
4 Das Ausmaß der Abkühlung während des Schmelzens oder der Verdunstung ist eine Funktion der Taupunktsenkung. Wenn die Luft gesättigt ist, wird die Verdunstung minimiert. Die Verdunstungskühlung kann nicht stattfinden, sobald sich Tau auf dem Boden bildet, sondern erst, wenn die Sonne beginnt, die Oberfläche zu erwärmen (Taupunktsenkung wird größer als 0).
5. Trockene Klimazonen neigen dazu, eine größere Tagesschwankung der Temperatur zu haben als feuchte Klimazonen. Der Hauptgrund dafür liegt in der latenten Wärme. In einem trockenen Klima ist die Verdunstungskühlung minimal und es gibt wenig Wasserdampf, der die langwellige Strahlung in der Nacht abfängt. Daher sind in einem trockenen Klima die Höchstwerte höher und die Tiefstwerte niedriger als in einem feuchten Klima in der gleichen Höhe und Breite (unter sonst gleichen Bedingungen).