Înțelegerea căldurii latente
Înțelegerea completă a căldurii latente va aduce un plus important în ceea ce privește abilitățile dumneavoastră de analiză și prognoză. Căldura latentă nu este nimic magic, dar poate fi foarte confuză de înțeles. Moleculele de apă se pot mișca în trei moduri. Ele se pot deplasa prin vibrație, rotație și translație. Gheața nu este foarte liberă să se miște. Gheața poate vibra, dar gheața rămâne rigidă. Apa lichidă se mișcă liber, dar deoarece moleculele sunt încă foarte apropiate între ele, ele nu se mișcă la fel de liber ca și aerul.
Apa solidă (gheața) este cea mai ordonată stare a H20, în timp ce gazul este cea mai puțin ordonată. Pentru ca gheața să treacă de la starea de gheață la cea de lichid, trebuie să se adauge energie pentru a face ca gheața să treacă de la o stare superioară la o stare mai puțin ordonată. Atunci când gheața se topește sau apa se evaporă, trebuie să se ia energie din mediul înconjurător pentru ca gheața sau lichidul să treacă la o stare mai puțin ordonată. Este nevoie de energie pentru a slăbi legăturile individuale de hidrogen dintre moleculele de H20. Atunci când apa (în oricare dintre cele trei fraze) se deplasează de la o stare mai ordonată la una mai puțin ordonată, aerului din jurul H20 i se va sustrage căldură. Cele trei procese care sustrag căldură din aerul înconjurător sunt evaporarea, topirea și sublimarea (de la solid la gaz). Atunci când apa (în oricare dintre cele trei fraze) trece de la o stare ordonată inferioară la una superioară, aerului din jurul H20 i se adaugă energie. Acest lucru se numește eliberare de căldură latentă (de exemplu, atunci când căldura este sustrasă din apa lichidă, moleculele individuale de apă vor încetini. În cele din urmă, acestea încetinesc până în punctul în care legăturile de hidrogen nu mai permit lichidului să se rotească. Acum se formează gheață. Energia pe care moleculele de apă o aveau cândva pentru a se roti a fost cedată aerului din jur). Cele trei procese care adaugă căldură aerului înconjurător sunt condensarea, înghețarea și depunerea (de la gaz la solid).
IMPORTANT: procesele de evaporare și condensare necesită de 7,5 ori mai multă energie decât topirea sau înghețarea. Acesta este motivul pentru care răcirea prin evaporare va răci aerul mult mai mult decât topirea zăpezii. De exemplu, să spunem că ninge și că temperatura exterioară este de 40 de grade Fahrenheit. Pe măsură ce zăpada cade în aerul mai cald, aceasta va începe să se topească și o parte din ea se va evapora. Evaporarea din zăpada umedă va răci aerul de 7,5 ori mai mult decât topirea zăpezii. Dacă temperatura scade de la 40 la 32 de grade pe măsură ce zăpada cade, aproximativ 7 din cele 8 grade de răcire sunt cauzate de procesul de evaporare. De asemenea, topirea răcește aerul, dar nu la fel de mult ca evaporarea. Atunci când apa suferă o schimbare de fază (o schimbare de la solid, lichid sau gaz la o altă fază), temperatura H20 rămâne la aceeași temperatură. De ce? Energia este folosită fie pentru a slăbi legăturile de hidrogen dintre moleculele de H20, fie pentru a sustrage energie de la H20, ceea ce strânge legăturile de hidrogen. Atunci când gheața se topește, energia este luată din mediul înconjurător și absorbită de gheață pentru a slăbi legăturile de hidrogen. Energia absorbită pentru a slăbi legăturile de hidrogen determină răcirea aerului înconjurător (energia este luată din mediul înconjurător: aceasta este absorbția de căldură latentă). Cu toate acestea, temperatura gheții care se topește rămâne aceeași până când toată gheața este topită. Toate legăturile de hidrogen trebuie să fie rupte din starea solidă înainte ca energia să poată fi folosită pentru a crește temperatura H20.
Energia curge întotdeauna de la un obiect mai cald spre un obiect mai rece. Un cub de gheață la 32 grade F absoarbe energie din aerul care are o temperatură mai caldă decât cea de îngheț. Energia curge dinspre cameră spre cubul de gheață. Aruncați destule cuburi de gheață în bucătăria dvs. și puteți observa că temperatura aerului se răcește ușor. Energia este luată din camera dvs. mai caldă și mutată în cuburile de gheață pentru a le topi; O scădere de energie determină răcirea. Același lucru este valabil și atunci când se compară înghețarea cu condensarea. Procesul de condensare va încălzi aerul înconjurător de 7,5 ori mai mult decât atunci când are loc procesul de înghețare. Atunci când se dezvoltă o furtună, eliberarea de căldură latentă prin condensare este de 7,5 ori mai mare decât eliberarea de căldură latentă prin îngheț. Acum haideți să facem câteva aplicații ale acestui proces de căldură latentă în ceea ce privește prognoza.
1. Răcirea prin evaporare din cauza ploii (în absența curenților descendenți) va face ca temperatura să scadă, dar punctul de rouă să crească. Punctul de rouă va crește întotdeauna (în intervalul temperaturilor observate în mod normal) mai mult decât scade temperatura (de exemplu, să presupunem că temperatura este de 70 F cu un punct de rouă de 50 F, după o ploaie persistentă, temperatura se va răci la aproximativ 63 și punctul de rouă va crește la aproximativ 63).
2. Temperaturile au o dificultate în a se încălzi semnificativ în zilele în care există un strat de zăpadă la suprafață. Topirea și evaporarea din zăpadă răcește continuu aerul.
3. Condensarea eliberează căldură latentă. Acest lucru face ca temperatura unui nor să fie mai caldă decât ar fi fost dacă nu ar fi eliberat căldură latentă. Ori de câte ori un nor este mai cald decât aerul din mediul înconjurător, acesta va continua să se ridice și să se dezvolte. Cu cât un nor conține mai multă umiditate, cu atât are mai mult potențial de a elibera căldură latentă.
4. Cantitatea de răcire experimentată în timpul topirii sau evaporării este o funcție a depresiunii punctului de rouă. Dacă aerul este saturat, evaporarea va fi redusă la minimum. Răcirea prin evaporare nu poate avea loc odată ce se formează rouă pe sol, dar poate începe să aibă loc atunci când soarele începe să încălzească suprafața (depresiunea punctului de rouă devine mai mare decât 0).
5. Climele uscate tind să aibă o amplitudine diurnă a temperaturii mai mare decât cele umede. Motivul principal este din cauza căldurii latente. Într-un climat uscat, răcirea prin evaporare este minimă și există puțini vapori de apă care să rețină radiația de undă lungă pe timp de noapte. Prin urmare, într-un climat uscat, maximele vor fi mai ridicate și minimele mai scăzute în comparație cu un climat umed la aceeași altitudine și latitudine (toate celelalte fiind egale).