Zrozumienie ciepła utajonego
Całkowite zrozumienie ciepła utajonego bardzo wzbogaci twoje umiejętności analizy i prognozowania. Ciepło utajone nie jest niczym magicznym, ale może być bardzo mylące do zrozumienia. Cząsteczki wody mogą poruszać się na trzy sposoby. Mogą poruszać się poprzez wibrację, rotację i translację. Lód nie ma zbyt dużej swobody ruchu. Lód może drgać, ale pozostaje sztywny. Woda w stanie ciekłym porusza się swobodnie, ale ponieważ cząsteczki są wciąż bardzo blisko siebie, nie poruszają się tak swobodnie jak powietrze.
Woda w stanie stałym (lód) jest najbardziej uporządkowanym stanem H20, podczas gdy gaz jest najmniej uporządkowany. Aby lód mógł przejść ze stanu lodu do stanu ciekłego, musi zostać dodana energia, która spowoduje przejście lodu ze stanu wyższego do stanu niższego uporządkowanego. Kiedy lód się topi lub woda paruje, energia musi być pobrana z otoczenia, aby lód lub ciecz przeszły do stanu mniej uporządkowanego. Energia jest potrzebna do osłabienia indywidualnych wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami H20. Kiedy woda (w dowolnym z trzech zwrotów) przechodzi ze stanu wyżej do niżej uporządkowanego, powietrze otaczające H20 będzie miało odjęte od niej ciepło. Trzy procesy, które odejmują ciepło od otaczającego powietrza to parowanie, topnienie i sublimacja (przekształcenie ciała stałego w gaz). Kiedy woda (w którymkolwiek z tych trzech zwrotów) przechodzi ze stanu niższego do wyższego uporządkowania, powietrze otaczające H20 będzie miało dodaną energię. Nazywa się to uwalnianiem ciepła utajonego (np. gdy ciepło jest odejmowane od ciekłej wody, poszczególne cząsteczki wody zwalniają. W końcu spowolnią do punktu, w którym wiązania wodorowe nie pozwolą cieczy na dalszą rotację. Powstaje lód. Energia, którą kiedyś posiadały cząsteczki wody, by się obracać, została oddana otaczającemu powietrzu.) Trzy procesy, które dodają ciepło do otaczającego powietrza to kondensacja, zamarzanie i osadzanie (przekształcanie gazu w ciało stałe).
WAŻNE: procesy parowania i kondensacji zabierają 7,5 razy więcej energii niż topnienie lub zamarzanie. Dlatego właśnie chłodzenie ewaporacyjne ochłodzi powietrze znacznie bardziej niż topnienie śniegu. Na przykład, załóżmy, że pada śnieg, a temperatura na zewnątrz wynosi 40 stopni Fahrenheita. Gdy śnieg spadnie do cieplejszego powietrza, zacznie się topić, a część z niego wyparuje. Parowanie z mokrego śniegu ochłodzi powietrze 7,5 razy bardziej niż topnienie śniegu. Jeśli temperatura spadnie z 40 do 32 stopni, gdy spadnie śnieg, to około 7 z tych 8 stopni ochłodzenia jest spowodowane procesem parowania. Topnienie również ochładza powietrze, ale nie w takim stopniu, jak parowanie. Kiedy woda przechodzi przemianę fazową (przemiana ze stanu stałego, ciekłego lub gazowego w inną fazę), temperatura H20 pozostaje taka sama. Dlaczego? Energia jest wykorzystywana do osłabienia wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami H20 lub energia jest odbierana od H20, co powoduje zacieśnienie wiązań wodorowych. Kiedy lód się topi, energia jest pobierana z otoczenia i absorbowana przez lód w celu rozluźnienia wiązań wodorowych. Energia pobrana w celu rozluźnienia wiązań wodorowych powoduje ochłodzenie otaczającego powietrza (energia jest pobierana z otoczenia: jest to absorpcja ciepła utajonego). Temperatura topniejącego lodu pozostaje jednak taka sama, dopóki cały lód nie zostanie roztopiony. Wszystkie wiązania wodorowe muszą zostać zerwane w stanie stałym, zanim energia może zostać użyta do podniesienia temperatury H20.
Energia zawsze przepływa z cieplejszego obiektu w kierunku zimniejszego obiektu. Kostka lodu o temperaturze 32 stopni F absorbuje energię z powietrza, które ma temperaturę cieplejszą niż zamarzanie. Energia przepływa z pomieszczenia w kierunku kostki lodu. Wrzuć wystarczającą ilość kostek lodu do swojej kuchni i możesz zauważyć, że temperatura powietrza nieznacznie się obniża. Energia bierze od twój cieplejszego pokoju i rusza się w lodowych kostkach topić one; Odejmowanie energii powoduje chłodzenie. To samo dzieje się, gdy porównujemy zamrażanie z kondensacją. Proces kondensacji ogrzeje otaczające powietrze 7,5 raza bardziej niż proces zamrażania. Kiedy rozwija się burza, uwalnianie ciepła utajonego przez kondensację jest 7,5 razy większe niż uwalnianie ciepła utajonego przez zamrażanie. Zastosujmy teraz proces wydzielania ciepła utajonego w prognozowaniu pogody.
1. Chłodzenie parą wodną z deszczu (przy braku trąb powietrznych) spowoduje spadek temperatury, ale wzrost punktu rosy. Punkt rosy będzie zawsze (w zakresie normalnie obserwowanych temperatur) wzrastał bardziej niż temperatura spada (np. załóżmy, że temperatura wynosi 70 F, a punkt rosy 50 F, po trwałym deszczu temperatura ochłodzi się do około 63, a punkt rosy wzrośnie do około 63).
2. Temperatury mają problem z ogrzaniem się znacząco w dni, kiedy jest pokrywa śnieżna. Topnienie i parowanie śniegu stale ochładza powietrze.
3. Kondensacja uwalnia ciepło utajone. Powoduje to, że temperatura chmury jest cieplejsza niż byłaby, gdyby nie uwalniała ciepła utajonego. Zawsze, gdy chmura jest cieplejsza od otaczającego ją powietrza, będzie się wznosić i rozwijać. Im więcej wilgoci zawiera chmura, tym większy ma potencjał do uwalniania ciepła utajonego.
4. Ilość chłodu doświadczanego podczas topnienia lub parowania jest funkcją depresji punktu rosy. Jeśli powietrze jest nasycone, parowanie będzie zminimalizowane. Chłodzenie ewaporacyjne nie może mieć miejsca, gdy rosa tworzy się na ziemi, ale może zacząć mieć miejsce, gdy słońce zaczyna ogrzewać powierzchnię (obniżenie punktu rosy staje się większe niż 0).
5. Klimaty suche mają tendencję do większych zmian temperatury w ciągu dnia niż klimaty wilgotne. Podstawowym powodem jest ciepło utajone. W suchym klimacie chłodzenie wyparne jest minimalne i jest mało pary wodnej, która zatrzymuje promieniowanie długofalowe w nocy. Dlatego w suchym klimacie wyż będzie wyższy, a niższy w porównaniu z wilgotnym klimatem na tej samej wysokości i szerokości geograficznej (przy założeniu, że wszystko inne jest równe).