Вода в воздухе: § 34. Вода в атмосфере

Содержание

§ 34. Вода в атмосфере

§ 34. Вода в атмосфере    

 

1. Вспомните, в каких трех состояниях может находиться вода?

2. Как происходит мировой круговорот воды?

 

Понятие о влажности воздуха. Определенная количество воды в виде прозрачной невидимой пара в воздухе есть всегда. Доказать, что в воздухе есть вода, довольно легко. Стоит лишь вспомнить морозильную камеру холодильника. Откуда в ней взялись снег и лед, ведь воду туда никто не наливал? Они образовались из воды «зашла» туда с воздухом. В атмосферу водяной пар поступает в результате испарения с поверхности океанов, рек, озер, почв и др. Содержание водяного пара в воздухе называется влажностью воздуха.

Но при испарении воздух не может содержать водяной пар безгранично. Этот предел зависит от его температуры. С рис.  видно, что чем выше температура, тем больше пара в может содержащегося в 1 м3 воздуха. Например, 1 м3 воздуха при 200 С  может содержать любое количество пара, но не более 17 г воды. Если воздух вобрало максимально возможную по данной температуры количество пара, его называют

насыщенным. Чаще воздуха бывает ненасыщенным, Т.е. оно содержит водяной пары меньше, чем могло бы. Например, над степями и пустынями воздух всегда сухой, ненасыщенные, поскольку испарение там небольшое.

Рис. Зависимость количества водяного пара в насыщенном воздухе от его температуры

Абсолютная и относительная влажность воздуха. Абсолютная влажность — Это количество водяного пара (в граммах), что содержащегося в 1 м3 воздуха. Например, если говорят: абсолютная влажность воздуха равна 15 г / м3, Это означает, что в 1 м3 воздуха содержится 15 г пара. Самая маленькая в мире абсолютная влажность воздуха в Антарктиде - Сотые доли г / м3, Крупнейшая на экваторе — 23 г / м3. Наименьшая в Украине в январе — около 3 г / м3.

Для ненасыщенного воздуха указывают

относительную влажность. Это отношение (в процентах) количества водяного пара, содержащегося в воздухе, в той ее количестве, может содержаться в воздухе при данной температуре. Так, если в воздухе содержится 3 г / м3 пары, а при данной температуре наиболее возможен ее содержание составляет 5 г / м3, То относительная влажность воздуха будет 3: 5 х 100% = 60%. Это означает, что воздух содержит только 60% той количества водяного пара, которую оно могло бы вместить в данной температуры.

Относительная влажность воздуха всегда высокая (85%) в экваториальных широтах. Это потому, что там круглый год высокая температура и большое испарения с поверхности. Так же высокая относительная влажность воздуха и в полярных районах, но уже за низких температур (для насыщения холодного воздуха не требуется много влаги). В умеренных широтах относительная влажность зимой выше, чем летом. Например, в Украине зимой она превышает 80%, а летом уменьшается до 60-70%. Особенно низкая относительная влажность в пустынях - 50% и ниже. Воздух, имеет влажность 30%, считается очень сухим.

Для измерения относительной влажности используют прибор гигрометр.

Образование облаков. Как известно, с высотой температура воздуха снижается. Испаряясь, вода переходит в воздух. Теплый воздух поднимается вверх и достигает такого уровня, где оно охлаждается и относительная влажность его становится 100%, т.е. воздух стал насыщенным.

При дальнейшем понижении температуры насыщен воздух уже не может удержать в себе прежнее количество водяного пара. Определенная ее часть окажется лишней. Тогда происходит переход «избыточной» водяного пара в жидкое состояние — конденсация

. Иногда водяной пар может перейти и в твердое состояние — превратиться в кристаллики льда. Следовательно, при охлаждении насыщенного водяным паром воздух выделяются капельки воды. При их скоплении на значительной высоте над землей образуются облака. Каждая капля в облаках в миллион раз меньше горошины. Именно поэтому их падение на землю очень медленное. Эти мини-капельки, подобно пушинка, зависают в воздухе.

Виды облаков. Облака различаются по внешнему виду и по высотой, на которой образуются. По внешнему виду метеорологи различают десятки разных видов облаков. Основными из них являются перистые, кучевые, слоистые.

Перистые облака высокие. Они образуются на высоте 6-10 км и состоят из очень мелких кристалликов льда, поскольку на таких высотах температура воздуха ниже нуля. Это тонкие прозрачные облака. Иногда они напоминают белые вытянутые нити, перья или лучи.

Кучевые облака появляются на высотах 2-5 км. Они имеют вид огромных ослепительно белых куполов, башен, гор. Если кучевые облака темнеют, значит капли воды в них сливаясь, становятся крупнее. Тогда кучевые облака превращаются в кучево-дождевые, которые приносят ливни с грозами.

Слоистые облака образуются низко — на высоте до 2 км. Они похожи на серый туман, поднявшийся над поверхностью земли. Слоистые облака покрывают небо плотной завесой. Из них может выпадать очень мелкий дождь (туман) или слабый снег.

Степень покрытия неба облаками называют облачностью. Она определяется «на глаз». Когда облаками закрыто все небо, облачность равен 10 баллам, если полнеба — 5 баллам, когда небо ясное — 0 баллов. Средняя годовая облачность для всей планеты равна 5 баллов. Наибольшая облачность наблюдается в экваториальных и умеренных широтах, где преобладают восходящие движения воздуха. Облака переносят влагу и тепло снизу вверх и от экватора к полюсов, регулируя температуру воздуха на Земле.

ТУман. Конденсация водяного пара может происходить не только на разной высоте, а и у земной поверхности. Тогда образуется туман— Скопление большого количества чрезвычайно мелких, взвешенных в воздухе, капелек. Сильные туманы ухудшают видимость, поэтому опасные для движения транспорта.

 

Вопросы и задания

1. Сколько литров воды может уместиться в воздухе классной комнаты объемом в 200 м3, Если его температура равна 200С?

2. Можно назвать воздуха насыщенным, если при температуре воздуха 100 С в нем содержится 5 г воды; 9 г воды? Или может 1 м3 воздуха при такой температуре содержать 15 г водяного пара?

3. Что называется абсолютной и относительной влажностью?

4. Почему говорят, что облака рождаются и заканчивают свое «жизни» на земле?

5. Над пустыней в 1 м3 воздуха при температуре 30 0С содержится 16 г воды, а над тундрой в 1 м3воздуха при температуре 10 0С содержится 7 г воды. Где выше относительная влажность воздух?

 

Вода в атмосфере


Услуги специалиста

В атмосфере вода находится в трех агрегатных состояниях — газообразном (водяной пар), жидком (капли дождя) и твердом (кристаллики снега и льда). По сравнению со всей массой воды на планете, в атмосфере её совсем немного — около 0,001%, но её значение огромно. Облака и водяные пары поглощают и отражают избыток солнечной радиации, а также регулируют ее поступление на Землю. Одновременно они задерживают встречное тепловое излучение, идущее от поверхности Земли в межпланетное пространство. Содержание воды в атмосфере определяет погоду и климат местности. От него зависит, какая установится температура, образуются ли облака над данной территорией, пойдёт ли из облаков дождь, выпадет ли роса.

Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу, испаряясь с поверхности водоёмов и почвы. Его выделяют и растения — этот процесс называется транспирацией. Молекулы воды сильно притягиваются друг к другу благодаря силам межмолекулярного притяжения, и Солнцу приходится тратить очень много энергии, чтобы разделить их и превратить в пар. На создание одного грамма водяного пара затрачивается 537 калорий солнечной энергии — прим. от geoglobus.ru. Нет ни одного вещества, у которого удельная теплота испарения была бы больше, чем у воды. Подсчитано, что за одну минуту Солнце испаряет на Земле миллиард тонн воды.

Водяной пар поднимается в атмосферу вместе с восходящими потоками воздуха. Охлаждаясь, он конденсируется, образуются облака, и при этом выделяется огромное количество энергии, которую водяной пар возвращает атмосфере. Именно эта энергия заставляет дуть ветры, переносит сотни миллиардов тонн воды в облаках и увлажняет дождями поверхность Земли.

Испарение состоит в том, что молекулы воды, отрываясь от водной поверхности или влажной почвы, переходят в воздух и превращаются в молекулы водяного пара. В воздухе они двигаются самостоятельно и переносятся ветром, а их место занимают новые испарившиеся молекулы. Одновременно с испарением с поверхности почвы и водоёмов происходит и обратный процесс — молекулы воды из воздуха переходят в воду или почву. Воздух, в котором количество испаряющихся молекул водяного пара равно количеству возвратившихся молекул, называется насыщенным, а сам процесс — насыщением. Чем больше температура воздуха, тем больше водяного пара может в нём содержаться. Так, в 1м3 воздуха при температуре +20 °С может содержаться 17 г водяного пара, а при температуре -20 °С только 1 г водяного пара.

При малейшем понижении температуры насыщенный водяным паром воздух уже не способен больше вместить влагу и из него выпадают атмосферные осадки, например, образуется туман или выпадает роса — прим. от geoglobus.ru. Водяной пар при этом конденсируется — переходит из газообразного состояния в жидкое. Температура, при которой находящийся в воздухе водяной пар насытит его и начнётся конденсация, называется точка росы.

Влажность воздуха характеризуется несколькими показателями.

АЭРОПЛАНКТОН

Американский микробиолог Паркер установил, что воздух содержит большое количество органических веществ и множество микроорганизмов, в том числе водоросли, часть из которых находится в активном состоянии. Временным местопребыванием этих организмов могут быть, например, кучевые облака. Приемлемая для протекания жизненных процессов температура, вода, микроэлементы, лучистая энергия — всё это создает благоприятные условия для фотосинтеза, обмена веществ и роста клеток. По мнению Паркера, «облака представляют собой живые экологические системы», дающие многоклеточным микроорганизмам возможность жить и размножаться.

Абсолютная влажность воздуха — количество водяного пара, содержащегося в воздухе, выраженное в граммах на кубический метр, иногда ещё называется упругостью или плотностью водяного пара. При температуре 0 °С абсолютная влажность насыщенного воздуха — 4,9 г/м3. В экваториальных широтах абсолютная влажность воздуха составляет около 30 г/м3, а в приполярных областях — 0,1 г/м3.

Процентное отношение количества водяного пара, содержащегося в воздухе, к количеству водяного пара, которое может содержаться в воздухе при данной температуре, называется относительной влажностью воздуха. Она показывает степень насыщения воздуха водяным паром — прим. от geoglobus.ru. Если, например, относительная влажность равна 50%, это значит, что воздух содержит только половину водяного пара из того количества, которое он мог бы вместить при данной температуре. В экваториальных широтах и в полярных районах относительная влажность воздуха всегда высока. На экваторе при большой облачности температура воздуха не слишком высока, а содержание влаги в нём значительно. В высоких широтах влагосодержание воздуха низкое, но и температура не большая, особенно зимой. Очень низкая относительная влажность воздуха характерна для тропических пустынь — 50% и ниже.


Услуги специалиста

Содержание воды в воздухе в граммах при различных температурах

Главная / Энциклопедия / Сколько граммов воды содержится в 1 кубическом метре воздуха при различных температурах

Из приведенной ниже таблицы видно, какое фактическое количество воды в граммах содержится при различных температурах. 

В верхней строке мы видим так называемую абсолютную влажность воздуха — это максимальное количество воды, которое может содержаться в 1 куб. м воздуха. Если количество влаги будет превышено, вода начнет конденсироваться прямо в воздухе в виде тумана. А так как температура предметов, как правило, ниже, чем температура воздуха, этот туман начинает конденсироваться на этих предметах в виде росы.

При –20 °С и 80% влажности (типичная ситуация на улице зимой) содержание воды — 0,75 г/м3, а при +20 °С в этом же кубе для достижения нижней планки нормы в 40% воды надо уже 7,1 г/м3.

–20    80%   0,75 г/м3

+20    40%   7,1 г/м3

Разница в 10 раз!

Вот почему зимой бессмысленно открывать форточку для повышения влажности, воды в воздухе физически нет. И ей неоткуда взяться, кроме как из искусственных источников — увлажнителей различного типа или систем увлажнения.

И даже в Санкт-Петербурге с его влажным и мокрым климатом при 100% влажности зимой и при температуре –10 °С  содержание воды — всего 2 г/м3, а при нормальных +24 °С для нижней границе нормы нужно 9,5 г/м3.

Двухминутное видео, в котором наглядно объясняется, почему зимой воздух в помещениях сухой:

Современное решение проблемы сухого воздуха дома

Интеллектуальная форсуночная система увлажнения — это способ нормализовать микроклимат хоть и дороже, но эффективнее и экономичнее всех остальных. Достаточно один раз смонтировать адиабатическую систему — и больше вам не придется ежедневно бегать с емкостью от бытового увлажнителя из ванной в детскую, ведь наша система не требует долива воды или отмачивания дисков в лимонной кислоте. Поверните колесико регулятора до нужного значения и занимайтесь своими делами, сухой воздух будет насыщен свежей чистой водой.

Вода в атмосфере Земли — Природа Мира

Вода на Земле находится не только в жидком состоянии. Помимо твердых ледников есть ещё водяной пар, находящийся в атмосфере. На его долю приходится только 0,001% всей воды на Земле, однако значение водяного пара для жизни на Земле сложно переоценить.

Вода в атмосфере появляется за счет испарения с поверхности океанов и суши. Расчеты показывают, что в течение года океаны отдают в атмосферу около 450 тыс. куб. км воды. Это значит, что они теряют слой воды толщиной примерно 1,25 м. Ещё 71 тыс. куб. км воды попадает в атмосферы с поверхности суши. Одновременно примерно тот же объем выпадает на Землю в виде осадков, поэтому уровень воды в океане не меняется из-за ее испарения.

Испаряемость

С разных участков планеты испаряется разное количество воды. Есть специальная величина – испаряемость, которая показывает, сколько именно воды может испариться с той или иной поверхности. Слово «может» здесь является ключевым. Например, в некоторых пустынях испаряемость оценивается в 2000 мм осадков, но фактически испаряется куда меньший объем, так как там не хватает воды, чтобы поддерживать столь высокий уровень испарения.

Испаряемость зависит в первую очередь от температуры – чем она выше, тем больше испаряемость. Однако влияют и другие факторы, например, влажность. Если воздух сухой, то вода испаряется быстрее. Когда же влажность близка к 100%, воздух становится насыщенным, поэтому он больше не способен принимать водяные пары. В свою очередь это означает, что на испаряемость влияет и скорость ветра – чем быстрее он дует, тем быстрее насыщенные воздушные массы сменяются новыми, ещё ненасыщенными. Интересный факт – самое сухое место на Земле находится в холодной Антарктиде. Это долины Мак-Мердо. Дело в том, что над ними дуют рекордные ветра, чья скорость может доходить до 320 км/ч. Именно благодаря ним в этих долинах за всю историю наблюдений ни разу не выпали осадки.

Количество влаги, которое может содержать воздух, зависит от его температуры. Более холодный воздух имеет более низкий предел насыщения. Выпадение осадков (дождей, града, снега) происходит тогда, когда уже насыщенный или близкий к насыщению воздух охлаждается. В результате та влага, которая оказывается «избыточной», конденсируется и падает на Землю.

Влажность воздуха

Важнейшая характеристика воздуха – его влажность. Различают влажность абсолютную и относительную. Абсолютная влажность показывает, сколько грамм воды содержится в 1 кубометре воздуха.

Однако на практике куда важнее относительная влажность. Она измеряется в процентах и показывает, насколько воздух насыщен водяным паром. Если влажность составляет 100%, то воздух максимально насыщен и больше не способен принять избыток водяного пара. Если, например, влажность равна 50%, то воздух насыщен наполовину и способен вобрать столько же влаги, сколько он содержит сейчас.

Для животных и людей обычно более комфортна низкая влажность. В этом случае пот, выделяемый организмом, испаряется, в результате чего происходит охлаждение организма. Если же воздух насыщен, то поту испаряться просто некуда, в результате чего терморегуляция организма нарушается.

Облака

Водяной пар будет находиться в любом объеме воздуха атмосферы, однако часто он концентрируется в особые структуры – облака. В них влажность очень высока, и именно из них на Землю выпадают осадки. Облака формируются на высоте, так как там температура ниже. Теплый и ещё ненасыщенный воздух из нижних слоев поднимается наверх (так как теплый воздух менее плотный и потому более легкий, чем холодный), где охлаждается и становится насыщенным. В облаке уже есть мельчайшие капли воды, однако они не будут падать до тех пор, пока скорость восходящих потоков воздуха достаточна высока. Нередко капли, падающие на Землю, успевают испариться, не достигнув ее. Отметим, что есть облака, состоящие не из капель воды, а из кристалликов льда.

Выделяют огромное количество типов облаков: перистые, высокослоистые, кучевые и т. д. Они отличаются внешним видом, высотой, на которой они располагаются, типами характерных для них осадков.

Роль воды в атмосфере

Водяной пар играет важную роль в круговороте воды в природе. Вода с поверхности океанов испаряется, после чего выпадает над сушей. Эти осадки питают реки, озера, подземные реки. Грубо говоря, если бы не водяной пар, то вся вода с суши в течение короткого промежутка времени стекла бы в океаны, и в результате реки и озера высохли бы.

При этом из океанов испаряется только вода, а не содержащиеся в ней соли, поэтому из атмосферы выпадает уже пресная вода, пригодная для питья. Можно сказать, что атмосфера – это главный опреснитель воды на Земле.

Водяной пар влияет и на климат планеты, в частности на температуру. С одной стороны, он является парниковым газом, а потому способствует разогреву планеты. Ряд ученых опасается, что может возникнуть цепная реакция – повышение температуры будет повышать испарение воды и увеличивать концентрацию водяного пара, что за счет парникового эффекта будет приводить к росту температуры. Однако также водяной пар, образуя облака, способствует охлаждению планеты, ведь белые облака прекрасно отражают солнечный свет и потому сокращают долю солнечных лучей, доходящих до поверхности планеты. Можно ожидать, что увеличение концентрации водяного пара будет приводить к формированию большего числа облаков, что отчасти компенсирует парниковый эффект от него.

Список использованных источников

• https://obatmosfere.ru/page/voda-v-atmosfere
• https://spravochnick.ru/geografiya/atmosfera/voda_v_atmosfere/

Не нашли, то что искали? Используйте форму поиска по сайту

Понравилась статья? Оставь комментарий и поделись с друзьями

Вода и воздух на планете

Много чудес создала волшебница-природа. И пожалуй, самое удивительное из них — вода. Ежедневно сотни миллионов людей встречаются с этим простейшим по химическому составу веществом, совсем не задумываясь о его поразительных свойствах. Вода — и это знает каждый — необходима для существования животных и растений, для нашей собственной жизни. Известно, что органическая жизнь на нашей планете зародилась в воде и развивается благодаря ей, точнее — благодаря содержащимся в водных растворах питательным элементам. Но многие ли представляют себе, что и образование этих особых элементов и перенос их к поверхности Земли, и накопление в нужных количествах происходит с участием (и в большинстве случаев очень активным) водных ресурсов? Эта особенность воды объясняется тем, что у большинства попадающих в раствор веществ разрушаются внутримолекулярные связи, вещества как бы распадаются на отдельные ионы, так что раздробленным молекулам со свободными химическими связями становится легче вступать в разнообразные реакции. Именно этим объясняется высокая химическая активность воды.

Вода не только способствовала зарождению органической жизни на земле. Она активно воздействовала на формы поверхности нашей планеты: бытро текущие потоки промывали рытвины и целые ущелья как в мягких так и в твердых породах; в обширных относительно спокойных водоемах отлагались песчинки и глинистые частицы. За многие миллионы лет подобные слои осадков могли достигнуть 1000-метровой толщины. Процессы изменения земной поверхности с участием воды происходят и сейчас: морской прибой, например, разрушает побережья; бурные горные реки обрушивают крутые берега; атмосферные осадки, воздействуя сотни и тысячи лет, постепенно разрушают самые стойкие скальные породы; на отмелых участках рек и озер под влиянием течений появляются песчаные косы и намывные острова. Человек вынужден всегда принимать в расчет эту деятельность природных вод. Вода способна растворять великое множество веществ самого различного состава. А поэтому природные воды никогда не сводятся к простейшей химической формуле; в них всегда присутствуютте или иные примеси и соединения, в том числе практически все необходимые для питания живых организмов вещества. Любое животное состоит в значительной степени из воды: она составляет не менее девяти десятых общей массы их тела.
Згу жизненную необходимость бесценной влаги люди унаследовали от своих «неразумных» хвостатых пращуров. Впоследствии древний человек, жившей по большей части в жаркой климатической зоне, сделал воду предметом религиозного поклонения. Сколько источников, речек, озер стали считаться в народе святыми! Вспомним хотя бы «славное море священный Байкал» или индийскую Гангу (Ганг), до сих пор почитаемую священной рекой. Немало божеств — от древнеегипетской богини Тефнут и таинственного бога Эа, наделенного рыбьим хвостом, — люди посвящали воде. Для эллинских философов-материалистов вода была одной из четырех — пяти стихий, которые составляли всю живую и неживую природу.

Современная наука также признает великую роль воды на Земле. Одна из концентрических оболочек нашей планеты так и называется гидросферой, или водной оболочкой. Опять-таки условно эту оболочку подразделяют на Мировой океан (океаносферу) и воды суши. Океан представляет собой гигантский резервуар влаги, заполняющий систему крупных понижений земной поверхности. Необходимо подчеркнуть, что воды Мирового океана образуют единое целое, т. е. все его части взаимосвязаны между собой. В Мировом океане происходит выравнивание физических и химических характеристик в планетарном масштабе. Различия этих характеристик в отдельных морях по окраинам великого земного водоема относительно невелики и носят второстепенный характер. Иная картина получается, если мы займемся водами суши. Эта составная часть гидросферы разделена на множество отдельных бассейнов, либо связанных с океаном, либо нет (бессточных). В каждом отдельно взятом бассейне качество воды может существенно отличаться от других, даже непосредственно соседствующих бассейнов. Особенно разнообразны отличия в бассейнах, не имеющих связи с океаном, именно поэтому растительный и животный мир рек и озер более разнообразен, чем органический мир океана.

К водам суши относятся и подземные воды, почти столь же разнообразные, как и поверхностные. Однако, если большинство поверхностных вод суши пресные, т. е. содержат ничтожно мало растворимых минеральных солей, то в подземном мире наблюдается обратная картина: большинство подземных вод является минерализованными, причем иногда настолько сильно, что могут при определенных условиях образовывать рудные месторождения. Скопления ценных минералов подобного типа так и называется гидротермальными, т. е. созданными деятельностью текучих вод с высокой температурой.

Существенно то обстоятельство, что между океа-носферой и водами суши имеется постоянная взаимосвязь: реки, впадающие в моря, сбрасывают в океан континентальные воды, небольшая часть которых может непосредственно вернуться на сушу через подземные трещины в прибрежной зоне, однако основная масса речного стока возвращается на континент иным путем: после испарения с поверхности океана влага попадает в атмосферу, где собирается в облака; ветер гонит эти облака в сторону суши, где они, проливаясь дождями, снова попадают в ручьи и реки. Таким путем совершается вечный круговорот воды в природной сфере. Итак, вода в природе встречается в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Наиболее привычно нам ее жидкое состояние. Но на поверхности Земли вода находится и в твердом состоянии: в виде льдов и многолетних снегов. Ледники и вечные снега занимают около десятой части общей поверхности суши. Материковый ледниковый покров не остается неизменным во времени. Площадь, занятая ледниками, может то увеличиваться, то уменьшаться. Эти изменения определяются колебаниями климата: в более холодные периоды, когда материковые льды «расползаются» по поверхности планеты, наступают, как говорят ученые, ледниковые эпохи. В противоположном случае на Земле происходит потепление. Именно в такую эпоху потепления и живем сейчас мы с вами.

Общее оледенение поверхности планеты влияет на уровень Мирового океана. Таяние многолетних льдов приводит к повышению его уровня и к наступлению моря на низменные участки суши, а следовательно, непосредственно воздействует на живые организмы, которые здесь обтают, а также и на человеческое общество. Существенной частью общего круговорота воды в природе является испарение. Выше уже было сказано об испарении с поверхности океана, но подобный процесс (хотя и в меньшем объеме) происходит и над континентами. Под действием солнечного тепла частицы воды переходят в газообразное состояние и поднимаются в атмосферу, самую внешнюю, воздушную оболочку Земли. Водяной пар составляет количественно незначительную часть атмосферы (около 4%), но эта атмосферная влага (большая ее часть пребывает даже в виде ледяных кристалликов) имеет очень большое значение. Именно из нее образуются облака, проливающиеся благотворными дождями, так необходимыми для всего живого на нашей планете.
Но основная часть атмосферы состоит из химически чистых газов. Некоторые из них нейтральны лдя живых существ (азот, инертные газы), другие влияют на организмы — либо положительно (кислород), либо отрицательно (окиси углерода). Надо отметить, что само существование кислорода обусловлено процессом фотосинтеза, происходящим в зеленых растениях. Таким образом, газ, необходимый для дыхания животных, в значительной степени сам является продуктом жизнедеятельности организмов низшего трофического уровня. Количество кислорода на Земле в течение миллиардов лет ее истории не оставалось неизменным. Оно постоянно увеличивалось,  значительно —  в последние 300 — 400 млн. лет, когда существенно возросла глобальная масса зеленых растений, что повлияло на интенсификацию процессов фотосинтеза, в результате которых зеленые растения разлагают (под воздействием солнечного света) углекислый газ, высвобождая кислород. Земная атмосфера несет еще одну важную функцию: она защищает поверхность планеты от жесткого космического излучения. Без такого щита органическая жизнь была бы вообще невозможна. Именно поэтому ученые с такой тревогой относятся к процессам локального разрушения атмосферы (это прежде всего — озоновые дыры, возникающие, как полагают, из-за промышленной деятельности людей).
За последние десятилетия гидросфера и атмосфера стали важными индикаторами отношения человека к географической среде. Загрязненные промышленными отходами воздух и вода становятся нередко губительными для жизни. И природа как бы подает человеку сигнал опасности. И мы должны отреагировать на него, чтобы наши дети и внуки смогли наслаждаться чистой едой, вдыхать свежий воздух, любоваться закатами и рассветами.

Воздух и вода — природные богатства

1. Понятия 1 вид — рецептивный лёгкое 1 Б. Определение понятий «вода», «воздух», «атмосфера» и «гидросфера».
2. Кому нужны вода и воздух? 1 вид — рецептивный лёгкое 1 Б. Определить, каким объектам на Земле необходимы вода и воздух.
3. Свойства воздуха 1 вид — рецептивный лёгкое 2 Б. Определить, какими свойствами обладает чистый воздух.
4. Свойства воды 2 вид — интерпретация среднее 2 Б. Определить свойства жидкой и чистой воды.
5. Верные высказывания 2 вид — интерпретация среднее 2 Б. Определить верные высказывания о воздухе и воде.
6. Виды транспорта 2 вид — интерпретация среднее 2 Б. Определить, какие транспортные средства не загрязняют воздух.
7. Вода 2 вид — интерпретация среднее 2 Б. Определить, в каких объектах содержится вода.
8. Загрязнение воды 2 вид — интерпретация среднее 2 Б. Определить по картинкам, какие действия человека загрязняют воду, а какие — нет.
9. Загадка 3 вид — анализ сложное 3 Б. Отгадать загадки про воду и воздух.

Воздух и вода — природные богатства. Окружающий мир, 2 класс: уроки, тесты, задания.

1. Понятия

Сложность: лёгкое

1
2. Кому нужны вода и воздух?

Сложность: лёгкое

1
3. Свойства воздуха

Сложность: лёгкое

2
4. Свойства воды

Сложность: среднее

2
5. Верные высказывания

Сложность: среднее

2
6. Виды транспорта

Сложность: среднее

2
7. Вода

Сложность: среднее

2
8. Загрязнение воды

Сложность: среднее

2
9. Загадка

Сложность: сложное

3

Атмосфера и круговорот воды

• Школа наук о воде ГЛАВНАЯ • Круговорот воды •

Компоненты круговорота воды » Атмосфера · Конденсация · Испарение · Эвапотранспирация · Пресноводные озера и реки · Поток подземных вод · Накопление подземных вод · Снег Накопление льда и · Океаны · Осадки · Таяние снегов · Источники · Ручьи · Сублимация · Поверхностный сток

Линзовидное облако над горами хребта Тараруа, Северный остров, Новая Зеландия.Что происходит над этими горами? Несколько облаков собраны в одно яркое линзовидное облако.

Кредит: Крис Пикинг, Фотография звездного ночного неба

Атмосфера наполнена водой

Круговорот воды — это все, что связано с накоплением воды и перемещением воды по Земле, внутри и над Землей. Хотя атмосфера не может быть большим хранилищем воды, это супермагистраль, используемая для перемещения воды по земному шару. Испарение и транспирация превращает жидкую воду в пар, который поднимается вверх в атмосферу из-за поднимающихся воздушных потоков.Более низкие температуры на высоте позволяют пару конденсировать в облака, а сильные ветры перемещают облака по всему миру, пока вода не выпадет в виде осадков , чтобы пополнить связанные с землей части круговорота воды. Около 90 процентов воды в атмосфере образуется за счет испарения из водоемов, а остальные 10 процентов — за счет испарения растений.

В атмосфере всегда есть вода. Облака — это, конечно, наиболее заметное проявление атмосферной воды, но даже чистый воздух содержит воду — воду в виде частиц, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть.По одной оценке, объем воды в атмосфере в любой момент времени составляет около 3100 кубических миль ( 3 миль) или 12 900 кубических километров ( 3 км). Это может показаться большим количеством, но это всего лишь около 0,001 процента от общего объема воды на Земле, составляющего около 332 500 000 миль 3 (1 385 000 000 км 3 ), как показано в таблице ниже. Если бы вся вода в атмосфере пролилась дождем сразу, он покрывал бы земной шар только на глубину 2,5 сантиметра, около 1 дюйма.

Сколько весит облако?

Кредит: Викимедиа, Creative Commons

Как вы думаете, у облаков есть вес? Как они могут, если они парят в воздухе, как воздушный шар, наполненный гелием? Если вы привяжете воздушный шар с гелием к кухонным весам, он не покажет никакого веса, так зачем же облако? Чтобы ответить на этот вопрос, позвольте мне спросить, есть ли у воздуха какой-либо вес — это действительно важный вопрос.Если вы знаете, что такое давление воздуха и барометр, значит, вы знаете, что воздух имеет вес. На уровне моря вес (давление) воздуха составляет около 14 ½ фунтов на квадратный дюйм (1 килограмм на квадратный сантиметр).

Поскольку воздух имеет вес, он также должен иметь плотность, которая является весом для выбранного объема, например кубического дюйма или кубического метра. Если облака состоят из частиц, они должны иметь вес и плотность. Ключ к объяснению того, почему облака плавают, заключается в том, что плотность того же объема облачного материала меньше плотности того же количества сухого воздуха.Точно так же, как нефть плавает по воде, потому что ее плотность меньше , так и облака плавают в воздухе, потому что влажный воздух в облаках менее плотен, чем сухой.

Нам еще нужно ответить на вопрос, сколько весит облако. Чтобы еще больше запутать ситуацию, вес зависит от того, как вы его определяете:

  • Вес капли воды в облаке
  • Вес капель воды плюс вес воздуха (в основном над облаком, давящий вниз)

Мы собираемся посмотреть только на вес реальных частиц облака.Одна оценка плотности кучевых облаков дана на https://www.sciencealert.com/this-is-how-much-a-cloud-weighs как плотность около 0,5 грамма на кубический метр. Облако размером 1 км 3 содержит 1 миллиард кубических метров.

Посчитаем: 1 000 000 000 x 0,5 = 500 000 000 граммов водяных капель в нашем облаке. Это около 500 000 килограммов или 1,1 миллиона фунтов (около 551 тонны). Но это «тяжелое» облако парит над вашей головой, потому что воздух под ним еще тяжелее — меньшая плотность облака позволяет ему плавать в более сухом и более плотном воздухе.

Глобальное распределение атмосферных вод

Одна оценка глобального водораспределения

Источник воды Объем воды в кубических милях Объем воды, куб. Км В процентах от общего количества пресной воды В процентах от общего количества воды
Атмосфера 3 094 12 900 0,04% 0.001%
Всего пресной воды в мире 8 404 000 35 030 000 100% 2,5%
Всего мировых водных ресурсов 332 500 000 1,386,000,000 100%

Источник: Глейк П. Х., 1996: Водные ресурсы. В Энциклопедии климата и погоды, изд. С. Х. Шнайдер, Oxford University Press, Нью-Йорк, т. 2. С. 817-823.

Маленькое облачко, которое могло — но почему?
Почему это крошечное облачко единственное в небе?

Источники и дополнительная информация

Вода в атмосфере

Вода в атмосфере


Формы воды

Почти вся вода находится в самом нижнем слое атмосферы — тропосфере.Вода присутствует в атмосфере в различных количествах от 0% до 4%. В отличие от кислорода и азота, концентрация кислорода зависит от местных погодных условий и сильно меняется от места к месту на Земле. Облака формируются преимущественно над темной растительностью и под ветром горных хребтов. Вода в атмосфере составляет лишь очень небольшой процент от общего количества воды на Земле.

В атмосфере вода существует в виде газа (водяной пар от испарения), жидкости (капли дождя и жидкая вода, покрывающая твердые частицы) и твердого вещества (снег и лед).Его структура зависит от его состояния.

Вода в газовой фазе имеет изогнутую структуру с углом H-O-H 104,5 градуса. В жидкой и твердой формах существуют связи между атомами водорода одной молекулы H 2 O и атомами кислорода других молекул. Это дает трехмерную структуру, в которой каждый атом кислорода окружен тетраэдрическим массивом из 4 атомов водорода.




Вода и солнечная энергия

Водяной пар — это прозрачный бесцветный газ.Он не поглощает видимый свет, поэтому на него не влияет большая часть солнечного излучения тропосферы. Однако водяной пар — это парниковый газ. Он поглощает тепловую энергию Земли. (Подробнее об этом позже!)

Облака и туман не являются газовой водой. Они состоят из частиц жидкой и твердой воды, которые отражают примерно 20 процентов приходящей солнечной радиации в тропосфере. Это делает атмосферу и поверхность Земли более прохладными, чем это было бы в противном случае.




Влажность

Влажность — это концентрация воды в газовой фазе, которая присутствует в воздухе.Летом в центральном Иллинойсе очень высокая влажность!

Концентрация газа относится к количеству молекул газа в объеме. Количество газа может быть выражено в молекулах, молях или граммах. Объем может быть в литрах, кубических метрах или кубических сантиметрах. Молярная концентрация — это количество молей на литр (моль / л или моль).

Представьте, что вы наливаете немного воды в пустой контейнер и закрываете его. Через некоторое время часть воды испарится. Вода будет постоянно испаряться и конденсироваться, но через некоторое время чистое количество воды в газовой фазе останется постоянным.Система вода (г) — вода (л) находится в состоянии равновесия .

Концентрация воды в газовой фазе зависит от температуры и давления.

  1. Нагревание воды от комнатной температуры (~ 20 ° C) до 70 ° C приведет к увеличению количества воды в газовой фазе до более высокого, но постоянного количества.
  2. Понижение температуры до 5 ° C приведет к конденсации некоторого количества водяного пара до тех пор, пока не будет достигнута новая, более низкая постоянная концентрация.
  3. Добавление воздуха в контейнер для повышения давления приведет к конденсации некоторого количества водяного пара до тех пор, пока не будет достигнута новая, более низкая постоянная концентрация воды (г).

Тропосфера похожа на очень большой контейнер. Для установления состояния равновесия может потребоваться много времени, но максимальное количество воды (г), присутствующее в камере, будет зависеть от температуры и давления.

Относительная влажность — это отношение фактического давления водяного пара к давлению насыщенного водяного пара (равновесное значение) при преобладающей температуре и выражается в процентах. При относительной влажности 100% система вода (ж) — вода (г) находится в равновесии.

Точка росы — это температура, до которой воздух должен быть охлажден до того, как из него конденсируется вода.

Обратите внимание, что значения на графике справа не являются истинными значениями концентрации, но относятся к массе воды на массу всех молекул газа.

Назад Компас Показатель Таблицы Введение Следующий

Как мы можем увидеть, есть ли вода в воздухе?

Фокус преподавания и обучения

В этом исследовании ваши ученики начнут развивать свою концепцию облаков на основе трех основных наблюдений:

  • Теплый воздух может содержать больше водяного пара, чем холодный.
  • Когда воздух теряет тепло, часть воды в воздухе превращается в жидкость.
  • По мере того, как воздух теряет тепло, капли воды собираются и становятся видимыми на твердых поверхностях.

Необходимые материалы

Для класса:

  • Пенное ведро с кубиками льда и водой

На каждую студенческую группу:

  • Большой стакан из стекла или металла
  • Вода

Безопасность

Этот вопрос исследования считается в целом безопасным для студентов.Просмотрите расследование для вашей конкретной обстановки, материалов, учащихся и общепринятых мер предосторожности.

Настройка сцены

Покажите студентам обычное тканевое полотенце для рук. Скажите им, что вы думаете о том, чтобы постирать полотенце, но, поскольку в школе нет сушилки для белья, вы задаетесь вопросом, как оно может высохнуть. Спросите их, есть ли у них идея, как вы могли бы его высушить (некоторые студенты в конечном итоге предложат повесить полотенце, чтобы высохнуть). Спросите студентов, куда уходит вода, которая делает полотенце влажным, когда оно развешивается, и оно сохнет (некоторые студенты могут указать что вода просто «ушла», а другие могут указывать на то, что она в воздухе.) Как мы можем увидеть, есть ли вода в воздухе?

Представление вопроса расследования

Расскажите своим ученикам о вопросе расследования: « Как мы можем узнать, есть ли вода в воздухе? ​​»

Предложите учащимся обсудить вопрос в парах, затем в группах, а затем всем классом. Запишите их ответы на флипчарте.

Предложите вашим ученикам провести мозговой штурм по поводу того, как можно исследовать этот вопрос расследования.

  1. Спланируйте эксперимент, который можно использовать для проверки вопроса расследования.
  2. Какие материалы потребуются?
  3. Что бы вы сделали?
  4. Что бы измерить?
  5. Сколько времени займет эксперимент?

Оценка того, что ваши ученики уже знают

Когда просят описать облако, большинство студентов изобразят удаленный белый пушистый объект в небе, очень похожий на парящий ватный диск. Некоторые студенты, у которых был опыт авиаперелетов, могли бы описать полет над облаками или в облаках.Мало кто из детей подумает, что когда-либо касался облака или проходил сквозь облако.

  • Спросите своих учеников, были ли они когда-нибудь в тумане. (Они могут быть удивлены, узнав, что туман — это облако на уровне земли.)
  • Если вы живете в климате с холодными температурами, спросите, видели ли они когда-нибудь свое дыхание холодным утром. (Если так, они действительно создали облака.)
  • Спросите своих учеников, заметили ли они, что туман или дыхание кажутся влажными или влажными. (Они видят скопление крошечных капелек воды, которые образуются, когда водяной пар превращается в жидкость.)

Скажите вашим ученикам, что в этом исследовании они узнают, как определить, что в воздухе есть вода.

Изучение концепции

  1. Раздайте каждой группе студентов металлическую чашку или стеклянный стакан. Спросите их, может ли чашка удерживать воду, не протекая наружу. ( Вы можете наполнить ваш резервуар водой комнатной температуры, чтобы убедиться в отсутствии утечек. )
  2. Налейте в чашку немного воды комнатной температуры, оставив место для нескольких кубиков льда, которые будут добавлены в следующий раз.( Лучше всего поставить кувшин или таз с водой в комнате на несколько минут перед началом, чтобы вода не была холоднее воздуха в комнате. ) Попросите учащихся убедиться, что чашка не протекает . Если из-за разливов на внешней стороне стакана есть вода, попросите их высушить ее и еще раз проверить на утечки.
  3. Затем распределите лед в чашке с водой так, чтобы все чашки были заполнены примерно наполовину.
  4. Попросите студентов внимательно понаблюдать за чашей в течение нескольких минут и записать свои наблюдения.( На внешней стороне чашки появятся капли воды на поверхности. Если в комнате исключительно сухо, попросите учащихся подуть на бок стакана. Влага от их дыхания будет конденсироваться на поверхности. )
  5. Попросите ваших учеников обсудить свои наблюдения и следующие вопросы:
  • Что вы видели на внешней стороне прохладной чашки или стеклянного стакана? ( Крошечные капли воды. )
  • Как узнать, что это? ( Он мокрый и на ощупь похож на воду.)
  • Как они думают, откуда это взялось? ( Кто-то может подключить его к воде в стакане. Если они это сделают, напомните им, что стакан был проверен перед экспериментом и оказался герметичным. )
  1. Попросите ваших учеников сообщить классу свои выводы о своих наблюдениях над контейнером со льдом. ( Путем внимательного обсуждения и вопросов ваши ученики должны быть в состоянии согласиться с тем, что единственное место, откуда могла поступать вода, — это воздух.)
  2. Помогите своим ученикам сосредоточиться на том, что они узнали. Они должны понимать, что в воздухе есть невидимая вода. Но когда воздух охлаждается, невидимая вода в воздухе образует жидкую воду на поверхности. Наконец, познакомьте своих студентов с научным термином для этого процесса — конденсацией.

Применение знаний студентов

Чтобы оценить понимание ваших учеников, спросите их, что, по их мнению, произойдет, если вы нальете теплую воду в свой металлический стакан. (Опорожните и высушите стакан, прежде чем наполнить его теплой водой. На этот раз воздух не будет охлаждаться, и на его поверхности не будет образовываться конденсат ).

Возвращение к вопросу расследования 1

Завершите этот исследовательский вопрос, попросив своих учеников поразмышлять над вопросом «Как мы можем увидеть, есть ли вода в воздухе?» и как их ответы могли измениться в результате этого расследования.

Водяной пар в воздухе

Гранулы влаги на фунт сухого воздуха при стандартном атмосферном давлении и относительной влажности в диапазоне 10 90% указаны ниже.

9013 9013 9013 9013 9013 62 901
Водяной пар в воздухе ( зерен * водяного пара на фунт сухого воздуха )
Относительная влажность
(%)
Температура
(2 o19 900 C)
-1 4 10 16 21 27 32 38
( или F)
60 70 80 90 100
10 3 4 6 8 11 16 11 16 20 5 7 10 16 21 30 42 58
30 7 11 14 22 34 46 65 87
40 9 14 20 116
50 12 18 26 39 55 78 108 147
60 9013 9013 901 901 901 60 9030 14 901 66 92 128 176
70 17 26 38 54 78 108 152 2 207 9011 152 2 207 9011 42 62 88 125 173
90 21 33 48 70 100 140 190

* зерна воды обычно используются в психрометрии

18 1

    зерна
  • 000143 фунта м = 0,0648 г (7000 зерен на фунт м )

Та же таблица, что и выше, с водяным паром в фунтах водяного пара на фунт сухого воздуха ».

9013 9013 9013 9013 9000 статья доступна по адресу http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/4/6/eaat3198/DC1

раздел S1. Материалы и аналитические методы синтеза и анализа MOF

раздел S2.Синтез и характеристика MOF-801

раздел S3. Подготовка и определение характеристик MOF-801 / G

раздел S4. MOF-303: синтез и характеристика

раздел S5. MOF-303 / G: подготовка и определение характеристик

раздел S6. Сравнение сорбентов

раздел S7. Комбайн водоуборочный

секция S8. Сбор данных и датчики

секция S9. ЦВН в лабораторных условиях

раздел S10. Эксперименты по сбору урожая в Скоттсдейле, штат Аризона, в условиях пустыни

секция S11.Химический анализ отобранных проб воды и химическая стабильность MOF

раздел S12. Фильмы эксперимента по добыче воды

рис. S1. PXRD-диаграмма активированного MOF-801.

рис. S2. СЭМ-изображение активированного MOF-801.

рис. S3. СЭМ и ЭДС изображения MOF-801.

рис. S4. N 2 изотерма активированного MOF-801, записанная при 77 К.

рис. S5. Изотермы сорбции воды предварительно увеличенного образца MOF-801 (черный, эта работа), MOF-801-P (красный) и MOF-801-SC (синий) ( 7 ).

рис. S6. Изотермы сорбции воды предварительно увеличенного размера MOF-801, записанные при различных температурах.

рис. S7. Характеристические кривые для активированного предварительно увеличенного размера MOF-801, определенные с использованием формул. 2 и 3 на основе изотерм сорбции, измеренных при разных температурах.

рис. S8. Изостерическая теплота адсорбции (черный) и изотерма сорбции воды при 25 ° C (красный) для активированного MOF-801.

рис. S9. Экспериментальная изотерма сорбции воды для активированного MOF-801 в увеличенном масштабе, записанная при 25 ° C, и рассчитанные изотермы сорбции воды при 15 и 85 ° C.

рис. S10. PXRD-диаграмма образца графита.

рис. S11. PXRD активированного образца MOF-801 / G.

рис. S12. СЭМ и ЭДС изображения MOF-801 / G.

рис. S13. N 2 изотерма активированного MOF-801 / G, записанная при 77 К.

рис. S14. Экспериментальная изотерма сорбции воды для MOF-801 / G при 25 ° C и расчетные изотермы сорбции воды при 15 и 85 ° C.

рис. S15. Сравнение изотерм сорбции воды для MOF-801 и MOF-801 / G в увеличенном масштабе при 25 ° C.

рис. S16. Асимметричный элемент в монокристаллической структуре MOF-303 (атомы показаны изотропно).

рис. S17. PXRD-диаграмма активированного MOF-303.

рис. S18. СЭМ-изображение активированного MOF-303.

рис. S19. СЭМ и ЭДС изображения MOF-303.

рис. S20. N 2 изотерма активированного увеличенного MOF-303 при 77 К.

рис. S21. Изотерма сорбции воды предварительно увеличенного размера активированного MOF-303, записанная при 25 ° C.

рис. S22. Велосипедный эксперимент MOF-303.

рис. S23. Изотермы сорбции воды активированным МОФ-303 в увеличенном масштабе при различных температурах.

рис. S24. Сто пятьдесят циклов качания относительной влажности активированного MOF-303 в увеличенном масштабе при 25 ° C в ТГА.

рис. S25. Характеристические кривые, определенные с использованием формул. 2 и 3 основаны на изотермах сорбции для MOF-303, измеренных при различных температурах.

рис. S26. Изостерическая теплота адсорбции (черный) в зависимости от изотермы сорбции воды при 25 ° C (красный) для активированного MOF-303.

рис. S27. Экспериментальная изотерма сорбции воды для активированного MOF-303 в увеличенном масштабе при 25 ° C и расчетные изотермы воды при 15 ° и 85 ° C.

рис. S28. PXRD активированного образца MOF-303 / G.

рис. S29. СЭМ и ЭДС изображения MOF-303 / G.

рис. S30. N 2 изотерма активированного MOF-303 / G при 77 К.

рис. S31. Экспериментальная изотерма сорбции воды для MOF-303 / G при 25 ° C и расчетные изотермы воды при 15 ° и 85 ° C.

рис.S32. Сравнение изотерм водопоглощения увеличенных MOF-303 и MOF-303 / G при 25 ° C.

рис. S33. PXRD-рентгенограмма цеолита 13X.

рис. S34. N 2 изотерма цеолита 13Х, записанная при 77 К.

рис. S35. Экспериментальная изотерма сорбции воды для цеолита 13X при 25 ° C и расчетные изотермы воды при 15 ° и 85 ° C.

рис. S36. Схема изоляционного элемента, используемого для измерения реакции солнечного потока и температуры.

рис. S37. Увеличение температуры образца со временем при потоке 1000 Вт · м -2 для MOF-801 и MOF-801 / G.

рис. S38. Увеличение температуры образца со временем при потоке 1000 Вт · м -2 для MOF-303 и MOF-303 / G.

рис. S39. Спектры диффузного отражения цеолита 13X, MOF-801, MOF-801 / G, MOF-303 и MOF-303 / G, записанные между 285 и 2500 нм.

рис. S40. Спектры поглощения цеолита 13X, MOF-801, MOF-801 / G, MOF-303 и MOF-303 / G между 285 и 2500 нм.

рис. S41. Сравнение кинетики сорбции воды для цеолита 13X, MOF-801, MOF-303, MOF-801 / G и MOF-303 / G.

рис. S42. Температурный отклик от времени под потоком 1000 Вт · м -2 , измеренный для круглых деталей из ПММА (диаметр 20 мм) толщиной 1 / 4 ″ и 1 / 8 ″.

рис. S43. Температурный отклик от времени под потоком 1000 Вт · м -2 , измеренный для круглых деталей из ПММА (диаметр, 20 мм) одинаковой толщины ( 1 / 4 ″), покрытых белым (красным) и прозрачное покрытие (черное).

рис. S44. Температурный отклик от времени под флюсом 1000 Вт · м -2 , измеренный для круглых деталей из ПММА (диаметр, 20 мм) той же толщины ( 1 / 4 ″), покрытых солнечным абсорбирующим покрытием (краска Pyromark. ).

рис. S45. Поглощение ПММА (синий) по сравнению со спектральным излучением солнца (красный) и лампы накаливания (оранжевый) между 285 и 3000 нм.

рис. S46. Сравнение спектров поглощения ПММА (голубой), ПММА, покрытого грунтовкой (светло-серый) и ПММА, покрытого белой краской (оранжевый).

рис. S47. Блок сорбции воды.

рис. S48. Схема корпуса, крышки и водосорбционной установки с размерами.

рис. S49. Расположение термопар и датчиков влажности внутри корпуса.

рис. S50. Калибровочная кривая для датчика влажности, преобразующая показания выходного напряжения в соответствующую относительную влажность.

рис. S51. Градуировочная кривая для датчика температуры.

рис. S52. Искусственное солнечное излучение для условий низкого магнитного потока.

рис.S53. Искусственное солнечное излучение для условий сильного магнитного потока.

рис. S54. Изображение генератора искусственного потока в конфигурации из двух ламп.

рис. S55. Профили относительной влажности и температуры для пустого контейнера с сорбентом при малом потоке искусственного солнечного излучения.

рис. S56. Профили относительной влажности и температуры для 0,25 кг графита при малом потоке искусственного солнечного излучения.

рис. S57. Профили относительной влажности и температуры для 0,5 кг цеолита 13X при малом потоке искусственного солнечного излучения.

рис. S58. Профили относительной влажности и температуры для 0,5 кг цеолита 13X при сильном потоке искусственного солнечного излучения.

рис. S59. Профили относительной влажности и температуры для 1,65 кг MOF-801 / G при малом потоке искусственного солнечного излучения.

рис. S60. Профили относительной влажности и температуры для 1,65 кг MOF-801 / G при сильном потоке искусственного солнечного излучения.

рис. S61. Профили относительной влажности и температуры для 0,825 кг MOF-801 / G при малом потоке искусственного солнечного излучения.

рис. S62. Профили относительной влажности и температуры для 0,825 кг MOF-801 / G при сильном потоке искусственного солнечного излучения.

рис. S63. Профили относительной влажности и температуры для 0,412 кг MOF-801 / G при малом потоке искусственного солнечного излучения.

рис. S64. Профили относительной влажности и температуры для 0,412 кг MOF-801 / G при сильном потоке искусственного солнечного излучения.

рис. S65. Профили относительной влажности и температуры для 0,600 кг MOF-303 / G при малом потоке искусственного солнечного излучения.

рис. S66. Профили относительной влажности и температуры для 0,600 кг MOF-303 / G при сильном потоке искусственного солнечного излучения.

рис. S67. Профили относительной влажности и температуры для 0,600 кг MOF-801 / G в условиях искусственного солнечного излучения с низким потоком и в условиях контролируемого насыщения.

рис. S68. Профили относительной влажности и температуры для 0,600 кг MOF-303 / G в условиях искусственного солнечного излучения с низким потоком и в условиях контролируемого насыщения.

рис.S69. Изотермы сорбции воды для MOF-801 / G.

рис. S70. Схема потока энергии на верхней поверхности водосорбционной установки.

рис. S71. Вариации q разумный с температурой высвобождения и захвата для четырех значений пористости насадки 0,85, 0,75, 0,65 и 0,55.

рис. S72. Вариации радиационных потерь тепла в зависимости от температуры MOF-801 / G для различных значений излучательной способности.

рис. S73. Вариации температуры MOF-801 / G и крышки.

рис. S74. Сравнение q H (с тепловыми потерями и без них) и количества MOF-801 / G со скрытой и ощутимой энергией на килограмм MOF-801 / G.

рис. S75. Вариации размера охлаждающей поверхности в зависимости от количества MOF-810 / G для температуры 65 ° C для выпускаемой воды, температуры конденсатора 20 ° и 40 ° C и среднего числа Нуссельта конденсации тепла 3,36 и 1,18 .

рис. S76. Профили относительной влажности и температуры для 1.65 кг MOF-801 / G в условиях пустыни.

рис. S77. Профили относительной влажности и температуры для 0,825 кг MOF-801 / G в условиях пустыни.

рис. S78. Схема внешней изоляции (грунта) корпуса водоуборочного комбайна в условиях пустыни.

рис. S79. 1 H-ЯМР спектр чистого D 2 O перед нагреванием.

рис. S80. 1 H-ЯМР спектр чистого D 2 O после нагревания.

рис. S81. 1 H-ЯМР-спектр MOF-801 в D 2 O перед нагреванием.

рис. S82. 1 H-ЯМР спектр MOF-801 в D 2 O после нагревания.

рис. S83. 1 H-ЯМР-спектры MOF-801 в D 2 O: Наложение до / после нагревания.

рис. S84. 1 H-ЯМР спектр воды, полученной с использованием 0,825 кг MOF-801 / G.

рис. S85. 1 H-ЯМР-спектр MOF-303 в D 2 O перед нагреванием.

рис.S86. 1 H-ЯМР-спектр MOF-303 в D 2 O после нагревания.

рис. S87. 1 H-ЯМР-спектры MOF-303 в D 2 O: Наложение до / после нагревания.

рис. S88. 1 H-ЯМР спектр воды, полученной с использованием 0,600 кг MOF-303 / G.

рис. S89. Градуировочная кривая для стандартных растворов циркония.

рис. S90. Градуировочная кривая для стандартных растворов алюминия.

таблица S1. Кристаллические данные и определение структуры для MOF-303 с набором данных по монокристаллу.

таблица S2. Атомные позиции для MOF-303 из уточненной модели Поли.

таблица S3. Средняя полусферическая поглощающая способность и коэффициент пропускания материалов для искусственного и солнечного излучения в диапазоне от 285 до 2500 нм.

таблица S4. Условия испытаний для сбора воды в лаборатории.

таблица S5. Параметры производительности для производства воды в лабораторных условиях.

таблица S6. Суммарный поток, полученный различными сорбентами для лабораторного эксперимента с использованием низких и высоких потоков.

фильм S1. Начальная стадия конденсации воды на боковых стенках корпуса при скорости 10 000%.

фильм S2. Образование текущих капель воды на боковых стенках корпуса со скоростью 10 000%.

фильм S3. Коалесценция капель воды в лужи с жидкой водой в конденсаторе со скоростью 700%.

фильм S4. Столкновение луж с жидкой водой на дне корпуса на скорости 1000%.

Ссылки ( 24 32 )

Профессор POU / POE: Конденсация водяного пара из воздуха для питьевой и сыпучей воды

Q: Являются ли продукты, конденсирующие водяной пар из воздуха, жизнеспособным средством производства питьевой воды и воды? объемная вода?

A: Могут работать.Их рентабельность зависит от имеющихся альтернатив.


Как известно, окружающий воздух содержит влажность, водяной пар. Количество водяного пара в воздухе зависит от местоположения, сезона и времени суток и измеряется как относительная влажность. Испаренная вода — это газ, поэтому она физически существует в воздухе, как и другие газы, в зависимости от температуры и парциального давления. Министерство энергетики США заявляет, что в жаркий и влажный день водяной пар может составлять до 6 процентов воздуха; в холодный день может быть 0.07 процентов. При средней относительной влажности 64 процента в пустыне Негев в кубическом метре воздуха может присутствовать около 11,5 миллилитров (мл) воды.

Относительная влажность — это отношение парциального давления водяного пара при данной температуре к равновесному давлению пара при этой температуре. Обычно выражается в процентах; более высокий процент означает, что смесь воздуха и воды более влажная. Относительная влажность воздуха может достигать примерно 100% во время непрерывных дождей, тумана и ранним утром.Влажность воздуха влияет на способность тела испарять пот, поэтому более высокая влажность заставляет нас чувствовать себя теплее, а воздух кажется липким.

Точка росы — это температура, при которой вода теоретически конденсируется из воздуха при насыщении. Утренняя роса образуется из воды, которая сконденсировалась на поверхностях, потому что температура воздуха упала до точки, где она приближается к насыщению, а более прохладные поверхности, такие как листья, образуют места конденсации. Точки росы менее 65ºF удобны.

Переносные или стационарные устройства, которые могут извлекать воду из воздуха в удаленных и сухих местах, могут применяться при стихийных бедствиях, зонах боевых действий и пустынях. Около 20 процентов земли считается пустыней. Некоторые из них могут достигать 50ºC (более 122ºF) или выше в дневное время, но иногда они могут опускаться ниже нуля ночью. Пустыни обычно достигают высоких температур и имеют низкую влажность, но существуют холодные пустыни, в которых в среднем выпадает до 10 дюймов дождя в год. В полузасушливых пустынях ежегодно выпадает около 1 дюйма дождя.Испарение превышает количество осадков, поэтому в некоторых засушливых и жарких случаях дождь может никогда не достигнуть земли. В пустыне Мохаве на западе США средняя дневная влажность может составлять всего 10 процентов, а ночная влажность может достигать 50 процентов.

Что находится в воздухе помимо водяного пара?

Воздух содержит в основном азот, кислород, двуокись углерода и некоторое количество водяного пара, а также множество других компонентов, таких как взвешенные твердые частицы (пыль), бактерии и вирусы. Могут присутствовать следы других газов, таких как метан, оксиды азота и летучие выбросы в процессе горения, и даже от окрашенных поверхностей, ковров и мебели.Они могут различаться в зависимости от местоположения и от того, находится ли среда в помещении или на улице. Процесс конденсации воды из воздуха также увлекает некоторые загрязнители в концентрат, поэтому необходимо очистить конденсированную воду, прежде чем ее можно будет употреблять в качестве питьевой. Основными загрязнителями, вызывающими озабоченность, обычно являются микробные компоненты, некоторые из которых могут быть патогенами. Следовательно, технология постконденсационной обработки должна включать в себя дезинфицирующее средство определенного типа, а также фильтры для удаления твердых частиц и растворенных химикатов.Некоторые поставщики используют дезинфекцию ультрафиолетовым (УФ) светом в дополнение к гранулированному углю или другим типам фильтров для других загрязняющих веществ.

Как работают процессы «воздух-вода»?

Эта концепция не нова и следует хорошо известным законам химии и физики. Свидетельства существования систем сбора тумана и росы на прохладных поверхностях были обнаружены в древних цивилизациях Ближнего Востока и Южной Америки. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства использует атмосферную конденсацию на космических станциях, и оно заключило контракт на систему (WAVAR) для конденсации воды из марсианской атмосферы во время будущей посадки на Марс.Атмосфера будет циркулировать через цеолитную смолу для накопления воды из точки ее высвобождения под воздействием микроволнового тепла, а затем собирается.

По сути, существует два типа машин воздух-вода: те, которые работают за счет конденсации водяного пара на поверхности с более низкой температурой, и те, которые используют концентрированный солевой раствор для поглощения пара с последующим испарением воды из рассола. По сути, конденсационные системы похожи на осушители воздуха, которые представляют собой холодильные системы, собирающие воду из воздуха.Например, в подвалах прохладнее и влажнее, чем в верхних комнатах, поэтому во многих домах используются осушители для снижения уровня влажности. Конденсация становится менее эффективной при температуре ниже 65ºF и относительной влажности 30%, но это все еще возможно. Эффективность системы повышается с повышением относительной влажности, особенно приближающейся к 80–90 процентам.

Достаточно стандартная система воздух-вода будет состоять из фильтра твердых частиц для входящего воздуха, испарителя / конденсатора, сборного резервуара, системы очистки, включая картриджи и дезинфекцию (УФ), резервуара для хранения, резервуара для хранения холода и крана.Вода будет агрессивной по отношению к металлическим поверхностям и потребует стабилизации. Затраты будут включать компоненты плюс электричество, эксплуатацию, техническое обслуживание и насос. Затраты на потребление электроэнергии являются функцией эффективности системы и затрат на электроэнергию, но некоторые системы могут работать на солнечной энергии с соответствующими затратами на солнечную систему сбора и преобразования. Одна сложная система утверждает, что использует тепловые солнечные коллекторы и фотоэлектрические элементы, чтобы сделать процесс получения энергии автономным. В нем используется гигроскопичный рассол для поглощения влаги, когда она стекает по башнеобразному агрегату, прежде чем собираться в резервуаре под вакуумом.Солнечное тепло вызывает испарение воды из солевого раствора, который конденсируется и стекает вниз, создавая вакуум (по-видимому, как Вентури), поэтому вакуумный насос не требуется.

Когда вода конденсируется, тепло отводится, поэтому система охлаждения должна обеспечивать достаточный отвод энергии, который был бы эквивалентен количеству энергии, необходимому для испарения воды. Теплота испарения или конденсации воды составляет 40,65 килоджоулей (кДж) на моль (40 650 джоулей на 18 грамм; 2 258 000 джоулей на килограмм).Один джоуль эквивалентен 0,24 грамма калорий (2,78 x 10-7 киловатт-часов; 9,47 x 10-4 BTU). Стоимость энергии будет представлять собой потребление электроэнергии холодильными и вентиляторными агрегатами в процессах конденсации и охлаждения, измененное общей энергоэффективностью системы.

Стоимость

По сравнению с другими объемными источниками воды стоимость систем с конденсированным воздухом обычно выше. Водопроводная вода в Вашингтоне, округ Колумбия, стоит около 5 долларов за тысячу галлонов или около 0,5 цента за галлон, что, вероятно, выше среднего показателя по стране.Питьевая вода в бутылках продается в розницу от 1 до 5 долларов и более за галлон, в зависимости от размера упаковки и места покупки.

Несколько коммерческих систем воздух-вода доступны на мировых рынках в течение многих лет. Некоторые рекламируются как новые способы обеспечения водой в районах с дефицитом воды. Военное применение — очевидный рынок, и США и другие страны заключили контракты на разработку портативных генераторов воды для поддержки войск в полевых условиях в засушливых условиях.Они также разработали портативные системы очистки воды для личного пользования и на грузовиках для других полевых операций. По крайней мере, один, несколько экстремальный подход «сделай сам» рекламировался как средство выживания, необходимое для того, чтобы люди стали независимыми от внешних источников воды, что, в свою очередь, изолирует их от надвигающегося мирового водного кризиса и социальных потрясений, которые они представляют.

Некоторые производители заявляют, что могут производить воду в больших количествах по амортизированной стоимости за 20 лет в диапазоне от 10 до 20 центов за галлон, что эквивалентно от 100 до 200 долларов за тысячу галлонов.Некоторые даже предлагали производить воду для орошения из воздуха. Военные приложения, несомненно, больше озабочены производительностью, надежностью, прочностью, мобильностью и производственным объемом, а не затратами.

Стандарты

Поскольку они являются потенциальными генераторами питьевой воды, было бы целесообразно разработать стандарт Американского национального института стандартов / Национального фонда санитарии (ANSI / NSF). NSF International инициировала процесс разработки стандарта ANSI / NSF для продуктов «воздух-вода», но он был приостановлен.Некоторые существующие стандарты ANSI / NSF, такие как 42 (эстетика), 53 (воздействие на здоровье единиц обработки), 55 (системы УФ-излучения), 60 (добавки) и 61 (экстрагируемые вещества), могут применяться к некоторым компонентам.

Если бы была заявка на предоставление воды для сообщества в США, насчитывающего более 25 человек или 15 подключений, применялись бы федеральные требования и требования штата. Государственные требования, вероятно, будут применимы для менее чем 25 человек или 15 подключений, а некоторые могут потребовать независимой сертификации для индивидуальных домашних систем.

Заключение

За прошедшие годы было разработано множество систем для извлечения воды из воздуха. Некоторые из них представляют собой пассивные естественные системы для сбора росы и влажности, некоторые являются небольшими, чтобы производить несколько литров, а другие достаточно большими, чтобы производить тысячи галлонов в день. Эти устройства обычно представляют собой конденсаторные системы, похожие на осушители воздуха, а в некоторых используется солевой раствор для поглощения водяного пара, чтобы его можно было испарить и конденсировать на более позднем этапе. Вода, полученная из воздуха, должна пройти дополнительную обработку, чтобы считаться безопасной для питья.Амортизированная стоимость от 10 до 20 центов за галлон, что эквивалентно от 100 до 200 долларов за тысячу галлонов, безусловно, намного выше, чем у обычной водопроводной воды, но необходимость — мать изобретения, а готовность платить — это функция потребности. Если в каком-либо месте нет достаточного количества воды для жизнеобеспечения, то любая стоимость может быть приемлемой, и альтернативы, включая оборот воды, опреснение и доставку воды в бутылки или наливом, являются альтернативами для сравнения. Некоторые производители используют солнечную тепловую и фотоэлектрическую энергию для работы своих систем, поэтому они должны быть независимыми от источников электроэнергии, при условии наличия достаточного и постоянного солнечного света.

Мы можем сделать вывод, что существуют потенциальные области применения, в которых вода из воздуха может быть успешной по цене. Вероятно, существует потребность в дополнительной информации о фактических затратах на жизненный цикл и надежности конкретных продуктов в конкретных средах, прежде чем можно будет уверенно принимать решения об альтернативных источниках воды.

Д-р Джо Котруво — президент компании Joseph Cotruvo and Associates, LLC, консультантов по водным ресурсам, окружающей среде и общественному здравоохранению. Он бывший директор Управления стандартов питьевой воды Агентства по охране окружающей среды.

Вот один из способов собрать воду прямо из воздуха

и : Описание засушливых районов мира, где климат приносит слишком мало осадков или других осадков, чтобы поддерживать рост растений.

атом : основная единица химического элемента. Атомы состоят из плотного ядра, которое содержит положительно заряженные протоны и незаряженные нейтроны. Ядро вращается вокруг облака отрицательно заряженных электронов.

углерод : химический элемент, имеющий атомный номер 6. Это физическая основа всей жизни на Земле. Углерод существует в свободном виде в виде графита и алмаза. Это важная часть угля, известняка и нефти, и она способна химически самосвязываться с образованием огромного количества химически, биологически и коммерчески важных молекул.

диоксид углерода : (или CO 2 ) Бесцветный газ без запаха, вырабатываемый всеми животными, когда вдыхаемый ими кислород вступает в реакцию с богатой углеродом пищей, которую они съели.Углекислый газ также выделяется при горении органических веществ (включая ископаемое топливо, такое как нефть или газ). Двуокись углерода действует как парниковый газ, удерживая тепло в атмосфере Земли.

химический : Вещество, образованное двумя или более атомами, которые объединяются (связываются) в фиксированной пропорции и структуре. Например, вода — это химическое вещество, которое образуется, когда два атома водорода связываются с одним атомом кислорода. Его химическая формула — H 2 O. Химический также может быть прилагательным для описания свойств материалов, которые являются результатом различных реакций между различными соединениями.

климат : погодные условия, которые обычно существуют в одной области, в целом или в течение длительного периода.

изменение климата : Долгосрочное существенное изменение климата Земли. Это может произойти естественным путем или в ответ на деятельность человека, включая сжигание ископаемого топлива и вырубку лесов.

коллега : Тот, кто работает с другим; коллега или член команды.

компонент : что-то, что является частью чего-то еще (например, детали, которые помещаются на электронной плате, или ингредиенты, которые входят в рецепт печенья).

соединение : (часто используется как синоним химического) Соединение — это вещество, образующееся, когда два или более химических элемента объединяются (связываются) в фиксированных пропорциях. Например, вода — это соединение, состоящее из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода. Его химический символ — H 2 O.

.

медь : Металлический химический элемент из того же семейства, что серебро и золото. Поскольку это хороший проводник электричества, он широко используется в электронных устройствах.

инженер : человек, который использует науку для решения проблем. Глагол «спроектировать» означает разработать устройство, материал или процесс, который решит какую-то проблему или неудовлетворенную потребность. (v.) Для выполнения этих задач, или имя человека, который выполняет такие задачи.

окружающая среда : сумма всех вещей, которые существуют вокруг некоторого организма или процесса, и условий, которые эти вещи создают. Окружающая среда может относиться к погоде и экосистеме, в которой живет какое-то животное, или, возможно, к температуре и влажности (или даже к размещению вещей поблизости от интересующего объекта).

поле : Область исследования, например: Ее областью исследований была биология . Также термин для описания реальной среды, в которой проводятся некоторые исследования, например, в море, в лесу, на вершине горы или на городской улице. Это противоположность искусственной обстановке, такой как исследовательская лаборатория.

фильтр : (в химии и науке об окружающей среде) Устройство или система, которые пропускают одни материалы, но не пропускают другие, в зависимости от их размера или некоторых других характеристик.

топливный элемент : Устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую. Наиболее распространенным топливом является водород, который в качестве побочного продукта выделяет только водяной пар.

зеленый : (в области химии и наук об окружающей среде) Прилагательное для описания продуктов и процессов, которые не причинят или не причинят никакого вреда живым существам или окружающей среде.

host : (в биологии и медицине) Организм (или среда), в котором находится что-то еще.Люди могут быть временным хозяином для микробов пищевого отравления или других инфекционных агентов.

влажность : мера количества водяного пара в атмосфере. (Воздух с большим содержанием водяного пара называется влажным.)

водород : самый легкий элемент во Вселенной. Как газ, он бесцветен, не имеет запаха и легко воспламеняется. Это неотъемлемая часть многих видов топлива, жиров и химикатов, из которых состоят живые ткани. Он состоит из одного протона (который служит его ядром), на орбите которого движется один электрон.

материаловед : Исследователь, изучающий, как атомная и молекулярная структура материала связана с его общими свойствами. Материаловеды могут создавать новые материалы или анализировать существующие. Их анализ общих свойств материала (таких как плотность, прочность и температура плавления) может помочь инженерам и другим исследователям выбрать материалы, которые лучше всего подходят для нового применения.

металл : Что-то, что хорошо проводит электричество, имеет тенденцию быть блестящим (отражающим) и податливым (что означает, что его можно изменить с помощью тепла, а не слишком большой силы или давления).

MOF : сокращение от металлоорганических каркасов. Это химические вещества на основе углерода, которые содержат кластеры атомов металлов. Эти атомы металлов могут захватывать другие соединения и химически реагировать с ними.

молекула : электрически нейтральная группа атомов, представляющая минимально возможное количество химического соединения. Молекулы могут состоять из атомов одного или разных типов. Например, кислород в воздухе состоит из двух атомов кислорода (O 2 ), а вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (H 2 O).

кислород : газ, составляющий около 21 процента атмосферы Земли. Все животные и многие микроорганизмы нуждаются в кислороде для своего роста (и обмена веществ).

физика : научное изучение природы и свойств материи и энергии. Классическая физика — это объяснение природы и свойств материи и энергии, основанное на описаниях, таких как законы движения Ньютона. Ученый, работающий в таких областях, известен как физик.

поры : крошечное отверстие на поверхности.

диапазон : Полный объем или распространение чего-либо. Например, ареал растения или животного — это территория, на которой они существуют в природе.

токсичный : Ядовит или способен повредить или убить клетки, ткани или целые организмы. Мерилом опасности такого яда является его токсичность.

черта : Характерная черта чего-либо.(в генетике) Качество или характеристика, которые могут передаваться по наследству.

водяной пар : Вода в газообразном состоянии, способная взвешиваться в воздухе.

длина волны : расстояние между одним пиком и следующим в серии волн или расстояние между одним пиком и следующим. Это также один из «критериев», используемых для измерения радиации.

цирконий : Металлический элемент, который часто используется в конструкциях, которые должны выдерживать высокие температуры и радиацию (например, ядерные реакторы).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

© 2011-2021 Компания "Кондиционеры"
Водяной пар в воздухе ( фунтов водяного пара на фунт сухого воздуха )
Относительная влажность
(%)
Температура
() C
-1 4 10 16 21 27 32 38
( или F)
60 70 80 90 100
10 0.0004 0,0006 0,0009 0,0011 0,0016 0,0023 0,0030 0,0041
20 0,0007 0,0010 9013 9013 9030 0,0010 901 9013 9030 0,0083
30 0,0010 0,0016 0,0020 0,0031 0,0049 0.0066 0,0093 0,0124
40 0,0013 0,0020 0,0029 0,0043 0,0063 0,0089 0,0122 0,0122 901 301 9013 0,0301 9013 901 901 901 9011 901 901 9011 901 0,0056 0,0079 0,0112 0,0154 0,0210
60 0,0020 0.0031 0,0046 0,0069 0,0094 0,0132 0,0183 0,0252
70 0,0024 0,0037 0,0054 0,01 9013 0,013
  • 0,0054 0,01
  • 0,0054 901
  • 80 0,0027 0,0041 0,0060 0,0089 0,0126 0,0179 0.0247
    90 0,0030 0,0047 0,0069 0,0100 0,0143 0,0200 0,0272 0,0272