Klimatyzator zeer

5 marca 2016

Fizyka dnia codziennego Materia

Pytanie

Pyta Marcin

Ostatnio moją uwagę zwrócił artykuł, w którym proponuje się, by zbudować „klimatyzator” przy pomocy wariacji [1] na temat zeer, tzn. lodówki zbudowanej z dwóch doniczek, pomiędzy które nasypany jest piasek następnie zalany wodą. Zasadę działania zeer z grubsza rozumiem na tyle, na ile rozumiem też chłodzenie ciała parowaniem potu. Wariacja jednak polegała na tym, że z pojedynczej doniczki wypełnionej mokrym piachem oraz wentylatora możemy zrobić urządzenie, które wychłodzi nam pokój. Mój problem polega na tym, że o ile w zeer energię przekazujemy od chłodzonych obiektów na zewnątrz doniczek, o tyle w tym „klimatyzatorze” [2] chłodzone powietrze i to, do którego oddajemy wilgoć, jest tym samym ośrodkiem. Jakie zmiany w energiach cząstek wody, piachu i donicy następują oraz czy taki „klimatyzator” może działać?

Poczytałem co nieco o parowaniu w serwisie o fizyce [3], ale nadal mam sporo pytań o kierunki i proporcje zachodzących zjawisk.

Dołączam rysunek [4], który oddaje sposób, w jaki próbuję poddać zjawisko analizie.

Kuszące jest, by zacząć rozważania od sytuacji, w której wszystkie elementy mają taką samą temperaturę. Zakładam, że wilgotność powietrza pozwala jeszcze na przyjęcie wody.

Co w takiej „stabilnej” sytuacji termicznej spowoduje, że woda zacznie parować? Czy rzecz w tym, że co jakiś czas rozkład energii kinetycznej cząstek wody jest nierównomierny i przez przypadek cząstki blisko powierzchni same się urywają lub wybijają inne cząstki na zewnątrz (tym samym pokonując napięcie powierzchniowe)? Co decyduje o tym, że woda jest „chętna” przyjmować energię i zużywać ją na parowanie, a nie na przykład na gromadzenie ciepła w niej samej?

Czy w wodzie w wyniku zderzeń cząstek zdarza się, że przez krótkie momenty niewielkie obszary tej wody uzyskują bardzo wysoką temperaturę nim cząstki z powrotem równomiernie oddadzą swoją energię kinetyczną innym cząstkom?

Jak połączyć dążenie układu do wyrównania temperatur z jednoczesną tendencją do parowania powodującą obniżanie temperatury?

Jak będzie wyglądał rozkład temperatury/energii kinetycznej cząstek wody, które uwalniają się parując? Czy średnia energia kinetyczna cząsteczek uwalnianej pary będzie mniejsza, taka sama, czy większa od początkowej wszystkich elementów — wody, doniczki i piachu?

Czy taki klimatyzator schłodziłby powietrze, gdyby był zamknięty wraz z nim w szczelnym naczyniu nieprzepuszczającym promieniowania i otoczonym próżnią?

Co decyduje o tym, że możemy nawilżać powietrze do pewnego stopnia? Jakie oddziaływanie między powietrzem i parą wodną powoduje, że pewnej proporcji w danej temperaturze nie przekroczymy?

Jak połączyć model, w którym opisujemy parowanie poprzez zmianę energii kinetycznej (translacyjnej), energii potencjalnej (wibracje i obroty cząstek) i pracę PdV z modelem, w którym opisujemy zjawisko poprzez odrywanie się pojedynczej cząsteczki, dla której ciężko mówić o PdV?

[1] http://wyborcza.pl/1,75400,18311100,Domowe_sposoby_na_upal__Fizyk_radzi.html
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Evaporative_cooler
[3] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/thermo/phase.html
[4] http://wodny.org/img/gallery/donica.png

Odpowiedź

Odpowiada dr Grzegorz Brona

Klimatyzatory tego typu działają w oparciu o zasadę chłodzenia przez parowanie. Proces ten przebiega poprzez dodawanie pary wodnej do powietrzu, co powoduje obniżenie jego temperatury. Proces ten następuje poprzez umieszczenie cieczy w pomieszczeniu, która następnie jest odparowywana. Energia potrzebna do odparowania cieczy pochodzi z powietrza, z „ciepła odczuwalnego”. Przekształacana jest następnie w tzw. „ciepło utajone”, czyli w energię zawartą w składnikach pary wodnej w powietrzu. Ciepło odczuwalne i ciepło utajone są dość starymi pojęciami, pochodzącymi z czasów, gdy ciepło uważano za substancję. Ciepło odczuwalne definionano jako to, którego „dodanie” podnosi temperaturę, zaś ciepło utajone, jako to które temperatury nie podnosi, za to powoduje przemianę fazową. Dziś fizycy mówią raczej o entalpii, jednak dla zrozumienia eksperymentu można pozostać przy pojęciach ciepła odczuwalnego i utajonego. W opisanym klimatyzatorze jedno ciepło zamieniane jest na drugie (naturalnie przy zachowaniu stałej całkowitej energii układu). Dlatego temperatura odczuwalna maleje. I nie ma znaczenia, czy mamy jedną doniczkę, czy dwie połączone (naturalnie przy dwóch połączonych, para wodna powstaje na zewnątrz pomieszczenia, co wydaje się optymalne z punktu widzenia osoby w nim przebywającej). Przy jednej doniczce można powiedzieć, że temperatura spada proporcjonalnie do spadku ciepła odczuwalnego, a wzrost wilgotności jest proporcjonalny do przyrostu ciepła utajonego.

Z mikroskopowego punktu widzenia, aby cząstki cieczy mogły odparować, muszą znajdować się w pobliżu powierzchni, muszą poruszać się we właściwym kierunku i mieć wystarczającą energię kinetyczną do pokonania sił międzycząsteczkowych istniejących w fazie ciekłej (aby „wyrwać się”). W danej temperaturze mamy zdefiniowaną średnią energię kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząstek. Z tego nie wynika, że wszystkie cząstki mają taką samą energię kinetyczną. Z tego wynika, że nawet przy niskich temperaturach, mogą się zdarzyć cząstki o stosunkowo wysokich energiach kinetycznych, wystarczających do tego, aby przejść do fazy lotnej. Naturalnie zwiększając temperaturę cieczy parowanie przebiega szybciej. Po pozbyciu się najszybszych cząstek z cieczy, średnia energia kinetyczna cząstek w cieczy maleje i w związku z tym temperatura obniża się. Naturalnie cząstki powietrza otaczające ciecz mogą przekazać swoją energię kinetyczną cieczy i w ten sposób powietrze również ulega ochłodzeniu.