Физика аэрозолей / [e-mail]_2017-12-24_20-40-50 / aer_2

Министерство образования и науки Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра экспериментальной физики атмосферы

Дисциплина «Экспериментальная физика аэрозолей»

ОТЧЕТ О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА АКТИВАЦИИ АЭРОЗОЛЕЙ В

АТМОСФЕРЕ

Вариант №2

Выполнила:

ст. гр. ПМ-Б14-2-3 ___________________ Поливода А.М.

Проверила:

асп. каф. ЭФА ___________________ Садыкова А.Ф.

Санкт-Петербург 2016

Цель работы:

Исследовать зависимость процессов образования капель воды и кристаллов льда на частицах аэрозоля от температуры и влажности воздуха.

Основная теоретическая информация:

Энергия, необходимая для образования капель воды и кристаллов льда различного размера из молекул водяного пара, определяется формулой:

ΔGvw энергия, затрачиваемая для объединения молекул водяного пара в одну каплю воды, Дж;

ρw плотность воды, равная 1000 кг/м3 ;

k постоянная Больцмана, равная 23 1.38 10 Дж/K; mw масса молекулы воды, равная 2.99 10−26 кг;

T температура воздуха, K;

S относительная влажность воздуха в долях единицы; r радиус образующейся частицы, м;

σvw поверхностная энергия натяжения на границе между водой и паром, зависящая от температуры воздуха по формуле: 0.111109−1.3 10−4 T Дж/м2 ;

q - электрический заряд частицы, Кл;

ε' - относительная диэлектрическая проницаемость атмосферы,

примерно равная 1.0; ε 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума,

равная 8.85 10−12 Ф/м .

Максимальные затраты энергии необходимы для создания капли или кристалла критического размера. Для создания капель и кристаллов меньшего или большего размера требуются меньшие энергетические затраты.

Система из молекул воды, как любая термодинамическая система, стремиться

уменьшить свою свободную энергию. Поэтому, если радиус частиц менее

критического (r<rc ) , то частицы уменьшают свои размеры с течением

времени и распадаются на молекулы, а если размер частиц более

критического (r>rc ) , то такие частицы растут с течением времени. В обоих

случаях свободная энергия системы уменьшается.

Значение критического размера ядра капли воды определяется по

формуле:

rcw критический радиус капли воды, м.

Порядок выполнения работы:

Для определения значения равновесного радиуса гидратированных ионов и критического радиуса капель использовали формулу критического радиуса капель воды (rcw).

Затем, составлена программа на языке программирования Python, которая позволила рассчитать значения равновесного радиуса в диапазоне размеров капель от 2 10^−10 до1.3 10^−9 м., и представила на рис. 1. графики зависимости ΔGvw(r).

Рис. 1

Скрипт

#-------------------------------------------------------------------------------

#Name: module1

#Purpose:

#

# Author: student

#

# Created: 31.10.2016

# Copyright: (c) student 2016

# Licence: <your licence>

#-------------------------------------------------------------------------------

def main(): pass

if __name__ == '__main__': main()

#-------------------------------------------------------------------------------

#Name: module1

#Purpose:

#

# Author: student

#

# Created: 17.10.2016

# Copyright: (c) student 2016

# Licence: <your licence>

#-------------------------------------------------------------------------------

def main(): pass

if __name__ == '__main__': main()

#!/usr/bin/env python

# coding: utf8

from numpy import * from math import *

from matplotlib.pyplot import *

#################################################################################

#Дисциплина:

#ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ФИЗИКА АЭРОЗОЛЕЙ

#Пример 1A:

#ИНТЕГРИРОВАНИЕ ФУНКЦИИ РАСПЕРЕДЕЛЕНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ ПО РАЗМЕРАМ

#Авторы:

#Чукин Владимир Владимирович <[e-mail]>

#Чукина Александра Михайловна <[e-mail]>

#Садыкова Алися Фаилевна <[e-mail]>

#Воробъёва Ольга Владимировна <[e-mail]>

#Версия:

#2016-09-19

#################################################################################

#################################################################################

#Задаем параметры распередения аэрозолей по размерам

#################################################################################

pw = 1000.0 # Плотность воды, равная кг/м3; k = 1.38E-23 # постоянная Больцмана Дж/K;

mw = 2.99E-26 # масса молекулы воды, равная кг; T = 273.15 # температура воздуха, K;

q = [1.6E-19, 0] # Заряд, Кл

S = 4.0 e1 = 1.0

e0 = 8.85E-12

rmin = 2.0E-10 # радиус min образующейся частицы, м; rmax = 1.3E-9 # радиус max образующейся частицы, м; dr = 1E-11

m = int((rmax-rmin)/dr)+1 r = zeros(m)

a = zeros((len(q),len(r)),dtype=float) b = zeros((len(q),len(r)),dtype=float) c = zeros((len(q),len(r)),dtype=float) h = zeros((len(q),len(r)),dtype=float) G = zeros((len(q),len(r)),dtype=float) rcw = 2*h*mw/pw*k*T*log10(S) for i in range(len(q)):

for j in range(m): r[j] = rmax - j*dr

#rcw = (2*h*mw)/(pw*k*T*lod(S))

h = 0.111109 - (1.3E-4)*T

a[i][j] = (-4*pi*pw*k*T*log(S))/3/mw*r[j]**3

b[i][j] = 4*pi*h*r[j]**2

c[i][j] = q[i]**2/(8*pi*e1*e0*r[j])

G[i][j] = a[i][j]+b[i][j]+c[i][j]

#################################################################################

# Построение графика

#################################################################################

semilogx(r, G[0], color= "red", lw=1,label ="q1") semilogx(r, G[1], color="blue",lw=1,label ="q1") xlabel("r, m", fontsize = 12)

ylabel("G, Dg", fontsize = 12) grid(True)

legend(loc=1)

show()

Анализ полученных результатов:

В результате мы получили значения равновесного радиуса гидратированных ионов и критического радиуса капель, а также получили график зависимости энергии, затрачиваемой для объединения молекул водяного пара в одну каплю воды, от радиуса - ΔGvw(r). Тогда можно сделать вывод, что максимальные затраты энергии необходимы для создания капли критического размера. Для создания капель меньшего или большего размера требуются меньшие энергетические затраты.

Выводы по работе:

По данным измерений, полученных в ходе лабораторной работы №2 можно исследовать зависимость процессов образования капель воды на частицах аэрозоля от температуры и влажности воздуха.