Vapor de agua
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| Vapor de agua | |
|---|---|
| Nombre sistemático | Vapor De Agua |
| Estado Liquid | Agua |
| Sólido estado | Hielo |
| Propiedades | |
| Punto de fusion | 0 ° C |
| Punto de ebullicion | 100 ° C |
| constante individual de gas | 461.5 J / (kg · K) |
| calor latente de evaporación | 2,27 MJ / kg |
| peso molecular | 18.02 g / mol |
| calor específico | 1,84 kJ / (kg · K) |
El vapor de agua o vapor de agua (véase diferencias de ortografía), también de vapor acuoso, es el gas de la fase de agua . Agua vapor es uno estado del ciclo del agua dentro de la hidrosfera. El vapor de agua puede producirse a partir de la la evaporación del líquido del agua o de la sublimación del hielo . En condiciones atmosféricas normales, el vapor de agua se genera continuamente por evaporación y removido por condensación.
Propiedades generales de vapor de agua
La evaporación / sublimación
Cada vez que una molécula de agua deja una superficie, se dice que se han evaporado. Cada molécula de agua individual que las transiciones entre un asociado más (líquido) y un estado (vapor / gas) menos asociado hace a través de la absorción o liberación de energía cinética. La medida global de esta transferencia de energía cinética se define como la energía térmica y se produce sólo cuando hay diferencial en la temperatura de las moléculas de agua. El agua líquida que se convierte en vapor de agua tiene una parcela de calor con ella, en un proceso llamado la refrigeración por evaporación. La cantidad de vapor de agua en el aire determina la rapidez con cada molécula volverá de nuevo a la superficie. Cuando se produce una evaporación neta, la masa de agua se someterá a un enfriamiento neto directamente relacionado con la pérdida de agua.
En los EE.UU., el Servicio Meteorológico Nacional mide la velocidad real de la evaporación de una superficie de agua normalizado "pan" abierto al aire libre, en varios lugares en todo el país. Otros hacen lo mismo en todo el mundo. Los datos de Estados Unidos se recoge y compila en un mapa anual de evaporación. Las medidas van desde menos de 30 hasta más de 120 pulgadas por año. Las fórmulas para calcular la tasa de evaporación de una superficie de agua como una piscina de se puede encontrar aquí y aquí
El enfriamiento por evaporación es restringida por las condiciones atmosféricas. La humedad es la cantidad de vapor de agua en el aire. El contenido de vapor de aire se mide con dispositivos conocidos como higrómetros. Las mediciones se expresan normalmente como la humedad o el porcentaje específico humedad relativa. Las temperaturas de la atmósfera y la superficie del agua determinar la presión de vapor de equilibrio; 100% de humedad relativa se produce cuando la presión parcial del vapor de agua es igual a la presión de vapor de equilibrio. Esta condición se conoce como la saturación completa menudo. Humedad oscila entre 0 gramo por metro cúbico en aire seco a 30 gramos por metro cúbico (0,03 oz por pie cúbico) cuando el vapor se satura a 30 ° C. (Ver también Mesa de humedad absoluta)
Otra forma de evaporación es sublimación, por el cual las moléculas de agua se convierta en gaseoso directamente de hielo sin antes convertirse en agua líquida. Sublimación explica la lenta desaparición a mediados de invierno de hielo y nieve a temperaturas demasiado bajas para producir la fusión.
Condensación
El vapor de agua sólo se condensará sobre otra superficie cuando la superficie que es más fría que la temperatura del vapor de agua, o cuando el equilibrio vapor de agua en el aire se ha excedido. Cuando el vapor de agua se condensa sobre una superficie, un calentamiento neto se produce en esa superficie. La molécula de agua trae una parcela de calor con él. A su vez, la temperatura de la atmósfera cae ligeramente. En la atmósfera, la condensación produce nubes, niebla y precipitación (por lo general sólo cuando facilitadas por nube de núcleos de condensación). La punto de una porción de aire de rocío es la temperatura a la que debe enfriarse antes de vapor de agua en el aire comienza a condensarse.
Además, una condensación neta de vapor de agua se produce en las superficies cuando la temperatura de la superficie está en o por debajo de la temperatura del punto de rocío de la atmósfera. La deposición, la formación directa de hielo de vapor de agua, es un tipo de condensación. Las heladas y la nieve son ejemplos de deposición.
El vapor de agua densidad
El vapor de agua es más ligero o menos denso que el aire seco. A temperaturas equivalentes es flotante con respecto al aire seco.
El vapor de agua y los cálculos de la densidad del aire seco a 0 ° C
La masa molecular o peso de agua es 18.02g / mol, calculada a partir de la suma de la masas atómicas de sus constituyentes átomos .
La masa molecular promedio de aire (aprox 79% de nitrógeno, N 2;. 21% de oxígeno, 0 2) es 28.57g / mol a temperatura y presión estándar ( STP).
Usando la ley de Avogadro y la la ley de los gases ideales, el vapor de agua y el aire tendrá un volumen molar de 22,414 litros / mol en STP. Una masa molar de aire y vapor de agua ocupan el mismo volumen de 22.414 litros. La densidad (masa / volumen) de vapor de agua es 0.804g / litro, que es significativamente menor que la de aire seco a 1,27 g / litro a STP.
Tenga en cuenta que las condiciones STP incluyen una temperatura de 0 ° C, en el que la capacidad del agua para convertirse en vapor es muy restringido. Su concentración en el aire es muy baja a 0 ° C. La línea roja en el gráfico de la derecha es la concentración máxima de vapor de agua se espera por una determinada temperatura . La concentración de vapor de agua aumenta significativamente a medida que aumenta la temperatura, se aproxima al 100% ( vapor, vapor de agua pura) a 100 ° C. Sin embargo, la diferencia de densidades entre el aire y el vapor de agua todavía existiría.
Interacciones densidad del aire y vapor de agua a temperaturas iguales
A la misma temperatura, una columna de aire seco será más densa o más pesado que una columna de aire que contiene el vapor de agua. Por lo tanto, cualquier volumen de aire seco se hundirá si se colocan en un mayor volumen de aire húmedo. Además, un volumen de aire húmedo aumentará o sea boyante si se coloca en una región más grande de aire seco. Cuando la temperatura aumenta la proporción de vapor de agua en el aire aumenta, su flotabilidad se volverá más grande. Este aumento de la flotabilidad puede tener un impacto atmosférico signicant, dando lugar a potentes, humedad ricos, las corrientes de aire ascendentes cuando la temperatura del aire y la temperatura del mar alcanza los 25 ° C o más. Este fenómeno ofrece una fuerza de motivación importante para ciclónica sistemas meteorológicos y anticyconic ( tornados y huracanes).
El vapor de agua y la respiración o respiración
La contribución de vapor de agua a la presión aumenta a medida que aumenta su concentración. Su contribución presión parcial de presión de aire aumenta, la reducción de la contribución presión parcial de los otros gases atmosféricos (Ley de Dalton). La presión de aire total debe permanecer constante. La presencia de vapor de agua en el aire naturalmente diluye o desplaza los otros componentes del aire como su concentración aumenta.
Esto puede tener un efecto sobre la la respiración, en el aire muy caliente (35 ° C). La proporción de vapor de agua es lo suficientemente importante como para dar lugar a la congestión que se puede experimentar en condiciones de humedad de la selva o en edificios con aire acondicionado mal.
Discusión General
La cantidad de vapor de agua en una atmósfera está limitado por las restricciones de las presiones parciales y la temperatura. Rocío temperatura de punto y actuar humedad relativa como directrices para el proceso de vapor de agua en el ciclo del agua. Entrada de energía, como la luz solar, puede desencadenar una mayor evaporación en una superficie del océano o más por sublimación en un trozo de hielo en la cima de una montaña. El equilibrio entre la condensación y la evaporación da la cantidad llamada presión parcial del vapor.
La presión parcial máxima (presión de saturación) de vapor de agua en el aire varía con la temperatura de la mezcla de aire y vapor de agua. Una variedad de fórmulas empíricas existe para esta cantidad; la fórmula de referencia más utilizado es el Ecuación Goff-Gratch para el SVP sobre el agua líquida:
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- Donde T, la temperatura del aire húmedo, se da en unidades de grados Kelvin , y p se da en unidades de milibares ( hectopascales).
La fórmula es válida desde aproximadamente -50 a 102 ° C; sin embargo, hay un número muy limitado de mediciones de la presión de vapor de agua sobre el agua líquido subenfriado.
Bajo condiciones adversas, como cuando se alcanza la temperatura de ebullición del agua, una evaporación neta siempre ocurrirá durante condiciones atmosféricas estándar, independientemente del porcentaje de humedad relativa. Este proceso inmediato disipará grandes cantidades de vapor de agua en un ambiente más fresco.
El aire exhalado es casi completamente en equilibrio con vapor de agua a la temperatura del cuerpo. En el aire frío se condensa el vapor exhalado rápidamente, mostrando de esta manera como una niebla o niebla de gotitas de agua y como condensación o escarcha en las superficies.
El control de vapor de agua en el aire es una preocupación clave en el calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). El confort térmico depende de las condiciones de aire húmedo. Situaciones de confort no humanos se denominan refrigeración, y también se ven afectados por el vapor de agua. Por ejemplo, muchas tiendas de alimentos, como los supermercados, utilizar los armarios abiertos enfriadores, o casos de alimentos, lo que puede reducir significativamente la (humedad) bajando la presión de vapor de agua. Esta práctica ofrece varios beneficios, así como los problemas.
El vapor de agua en la atmósfera de la Tierra
Agua en estado gaseoso representa un pequeño pero significativo para el medio ambiente constituyente de la atmósfera . Aproximadamente el 99,99% de la misma está contenida en el troposfera. La condensación del vapor de agua a la fase líquida o hielo es responsable de las nubes , la lluvia , la nieve , y otra precipitación, todos los cuales cuentan entre los elementos más significativos de lo que experimentamos como el clima . Menos obviamente, la calor latente de vaporización, que se libera a la atmósfera cuando se produce condensación, es uno de los términos más importantes en el presupuesto de energía atmosférica en ambas escalas locales y globales. Por ejemplo, la liberación de calor latente en la atmósfera convección es directamente responsable de la alimentación de las tormentas destructivas tales como ciclones tropicales y severas tormentas eléctricas . El vapor de agua es también un potente gas de efecto invernadero . Debido a que se espera que el contenido de vapor de agua de la atmósfera para aumentar en gran medida en respuesta a temperaturas más cálidas, existe el potencial para una retroalimentación del vapor de agua que podrían amplificar el efecto de calentamiento climático previsto debido al aumento de dióxido de carbono solo. Sin embargo, no está tan claro cómo nubosidad respondería a un calentamiento del clima; dependiendo de la naturaleza de la respuesta, ya sea nubes podrían amplificar adicionalmente o mitigar parcialmente las votaciones vapor de agua.
La niebla y las nubes se forman por condensación alrededor núcleos de condensación de nubes. En ausencia de núcleos, la condensación sólo se producirá a temperaturas mucho más bajas. Bajo la condensación persistente o deposición, gotas de las nubes o forma de copos de nieve, que precipitar cuando alcancen una masa crítica.
El tiempo de residencia promedio de moléculas de agua en el troposfera es de unos 10 días. Agua empobrecido por precipitación se repone por evaporación de los mares, lagos, ríos y la transpiración de las plantas, y otros procesos biológicos y geológicos.
Las mediciones de la concentración de vapor se expresan como la humedad o el porcentaje específico humedad relativa. La concentración media anual mundial de vapor de agua sería un rendimiento de aproximadamente 25 mm de agua líquida sobre toda la superficie de la Tierra si fuera para condensar al instante. Sin embargo, la precipitación media anual para el planeta es de aproximadamente 1 metro, lo que indica una rápida rotación de agua en el aire.
La abundancia de los gases emitidos por los volcanes varía considerablemente de un volcán a volcán. Sin embargo, el vapor de agua es consistentemente los más comunes gas volcánico, normalmente comprende más de 60% de las emisiones totales durante una subaérea erupción volcánica.
Imágenes de radar y satélite
Debido a que las moléculas de agua absorber hornos microondas y otros frecuencias de ondas de radio, el agua en la atmósfera atenúa radar señales. Además, la voluntad de agua atmosférico reflexionar y refractar las señales en una medida que depende de si se trata de vapor, líquido o sólido.
En general, las señales de radar pierden fuerza progresivamente cuanto más viajan a través de la troposfera. Diferentes frecuencias atenúan a diferentes velocidades, de manera que algunos componentes del aire son opacas a algunas frecuencias y transparente a los demás. Las ondas de radio utilizadas para la radiodifusión y otras experiencias de comunicación el mismo efecto.
El vapor de agua refleja radar en menor medida que los otros dos fases de agua. En la forma de gotas y cristales de hielo, el agua actúa como un prisma, que no lo hace como individuo molécula ; sin embargo, la existencia de vapor de agua en la atmósfera hace que la atmósfera para actuar como un prisma gigante.
La comparación de GOES-12 imágenes de satélite muestran la distribución de la atmósfera de vapor de agua en relación con los océanos, las nubes y los continentes de la Tierra. Vapor rodea el planeta, pero se distribuye de manera desigual.
Generación Rayo
El vapor de agua juega un papel clave en la producción de rayos en la atmósfera. Desde física de las nubes, por lo general, las nubes son los verdaderos generadores de estática cargo tal como se encuentra en la atmósfera de la Tierra. Pero la capacidad, o capacidad , de nubes para mantener grandes cantidades de energía eléctrica está directamente relacionada con la cantidad de vapor de agua presente en el sistema local.
La cantidad de vapor de agua controla directamente la permitividad del aire. Durante las épocas de baja humedad, descarga estática es rápido y fácil. Durante las épocas de mayor humedad, producen un menor número de cargas electroestáticas. Sin embargo, la permitividad y la mano de trabajo capacitancia en la mano para producir las salidas megavatios de los rayos.
Después de una nube, por ejemplo, ha iniciado su camino de convertirse en un generador de rayos, actos vapor de agua atmosférico como una sustancia (o aislante) que disminuye la capacidad de la nube para descargar su energía eléctrica. Durante una cierta cantidad de tiempo, si la nube sigue para generar y almacenar más electricidad estática, la barrera que fue creada por el vapor de agua atmosférico en última instancia, romper de la energía potencial eléctrica almacenada. Esta energía se dará a conocer a una región local, acusado opuesto en forma de rayo. La fuerza de cada descarga está directamente relacionado con la permitividad atmosférica, la capacitancia, y la capacidad de generación de carga de la fuente.
Ver también, Generador de Van de Graaff.
Vapor de agua Extraterrestre
El brillo de las colas de cometa viene en gran parte del vapor de agua. En la aproximación al sol , el hielo muchas cometas llevan sublima en vapor, lo que refleja la luz del sol. Conociendo la distancia a un cometa del sol, los astrónomos pueden deducir el contenido de agua de un cometa de su brillantez. Colas brillantes en cometas fríos y distantes sugiere sublimación monóxido de carbono.
Los científicos que estudian Marte la hipótesis de que si el agua se mueve sobre el planeta, lo hace en forma de vapor. La mayor parte del agua en Marte parece existir en forma de hielo en el polo norte. Durante el verano de Marte, este hielo se sublima, tal vez permitiendo tormentas estacionales masivos para transmitir grandes cantidades de agua hacia el ecuador.
Una estrella llamada CW Leonis se encontró que tenía un anillo de grandes cantidades de vapor de agua que circundan el envejecimiento, la masiva estrella . Un NASA satélite diseñado para estudiar los productos químicos en nubes de gas interestelar, hizo el descubrimiento con un espectrómetro a bordo. Lo más probable, "el vapor de agua se vaporiza de las superficies de cometas en órbita."
El análisis espectroscópico de HD 209458 b, un planeta extrasolar en la constelación de Pegaso, proporciona la primera evidencia de vapor de agua atmosférico más allá del Sistema Solar.
Las discrepancias científicas, factores de confusión y límites del conocimiento
Puesto que el vapor de agua es muy común, se ha estudiado y escrito sobre desde muchas perspectivas. Como un conocimiento de trabajo ha crecido y se ha desarrollado en campos aparentemente no relacionados varias discrepancias en la comprensión se pueden encontrar. Estas discrepancias surgen a menudo de una incapacidad para determinar rígidamente ya sea una base volumétrica o gravimétrica de estudio; y siendo observado / o el uso de constantes inadecuados para las condiciones.
Muchos estudios científicos ver el vapor de agua como Variable de confusión (prevención Ceteris paribus, también 'al acecho varible') debido a su naturaleza compleja, esto se convierte en especialmente cierto cuando el estudio observa una variación significativa en las cantidades de vapor de agua, con el tiempo y / o ubicación.
Es por las razones anteriormente que este sigue siendo un factor particularmente difícil y algunas veces controversial en muchos campos de la ciencia, si el almacenamiento de alimentos o artefactos antiguos, la termodinámica o el cambio climático.
