Wir haben den Grund herausgefunden, warum regnerische Winter kälter sind. Alles was es braucht ist ein bisschen Relativität

Autor: New Media Center des Instituts für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Gutachter: Luo Huiqian, Forscher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Studenten, die an regnerischen Tagen von der magischen Wirkung kalter Luft betroffen sind, versammelt euch! Um Magie mit Magie zu besiegen, ist lediglich ein wenig Wissen über die Relativitätstheorie (natürlich die Version der Relativität zur Wettervorhersage) erforderlich.

Wettervorhersagen begleiten jeden Aspekt des Lebens und Reisens der Menschen. Was fällt Ihnen wohl als Erstes ein, wenn es um die Wettervorhersage geht? Ist es die klassische Wettervorhersagemusik nach der CCTV-Nachrichtensendung „Die Fischerboote singen am Abend, und der Klang hallt an der Küste von Pengli wider“ (vielleicht möchten Sie diese Musik beim Fernsehen immer wieder abspielen), oder sind es die unterschiedlichen Temperaturen und Niederschläge oder der immer bessere Luftqualitätsindex?

Gerade in letzter Zeit sind wir häufig von kalter Luft getroffen worden, deshalb prüfen wir den Wetterbericht häufiger (ich frage mich, ob jemand von Ihnen schon einmal von kalter Luft getroffen wurde; Sie können gerne im Kommentarbereich mitmachen). Eines Tages stieß der Redakteur plötzlich in der Wettervorhersage auf eine Information, die ihm alltäglich erschien, in normalen Zeiten jedoch kaum Beachtung fand: den Living Weather Index. Unter anderem weckte die Luftfeuchtigkeit die Neugier des Redakteurs.

Die Luftfeuchtigkeit bzw. relative Luftfeuchtigkeit hat großen Einfluss darauf, wie Menschen ihre Körpertemperatur empfinden (wie in dem heißen und feuchten Sommer, der vorbeiging). Aber worauf genau bezieht sich das „relativ“ in der relativen Luftfeuchtigkeit? Ganz plötzlich war meine Neugier als Physikstudent geweckt und basierend auf der Selbstkultivierung von Physikstudenten, die niemals den Kopf senken, kamen mir automatisch eine Reihe von Fragen in den Sinn:

1. Was genau ist relative Luftfeuchtigkeit und worauf bezieht sie sich?

2. Welche Beziehung besteht zwischen relativer Luftfeuchtigkeit und den menschlichen Sinnen?

Wenn Sie diese beiden scheinbar einfachen, aber schwer zu erklärenden Fragen nicht auf einmal beantworten können, können Sie dem Herausgeber auch folgen und weiterlesen.

Was ist relative Luftfeuchtigkeit?

Die relative Luftfeuchtigkeit wird in der Encyclopedia Britannica wie folgt definiert [1]:

relative Luftfeuchtigkeit, Verhältnis des tatsächlichen Dampfdrucks von Wasser in der Luft zu dem in mit Wasserdampf gesättigter Luft; es wird oft als Prozentsatz ausgedrückt.

Ins Chinesische übersetzt bedeutet es: „Die relative Luftfeuchtigkeit bezeichnet das Verhältnis des tatsächlichen Wasserdampfdrucks in der Luft zum gesättigten Wasserdampfdruck bei der gleichen Temperatur, üblicherweise als Prozentsatz ausgedrückt.“ Sind das viele Nomen auf einmal? Es scheint, als ob ich jedes chinesische Schriftzeichen verstehen kann, aber wenn man sie zusammensetzt, weiß ich einfach nicht, was sie bedeuten? Es spielt keine Rolle. Lassen Sie uns als Nächstes Schritt für Schritt verstehen, was „Wasserdampfdruck“ und was „gesättigter Wasserdampfdruck“ ist.

Im obigen bezieht sich „gesättigter Wasserdampfdruck“ auf den gesättigten Dampfdruck von Wasser. Beginnen wir mit diesem gesättigten Dampfdruck.

Unter „Sättigungsdampfdruck“ versteht man den Druck des Dampfes einer bestimmten Substanz im Gleichgewicht mit einem Feststoff oder einer Flüssigkeit unter geschlossenen Bedingungen und bei einer bestimmten Temperatur. Bis zu diesem Punkt hat der Herausgeber nicht nur nicht klar erklärt, was gesättigter Dampfdruck ist, sondern auch zwei neue Begriffe eingeführt: „Phase der Materie“ und „Phasengleichgewicht“ … Die beiden Konzepte werden im Folgenden erläutert. Einfach ausgedrückt bezieht sich die Phase der Materie auf den Zustand einer homogenen Substanz mit genau denselben physikalischen und chemischen Eigenschaften und derselben Zusammensetzung in Abwesenheit äußerer Kräfte. Tatsächlich ist es der Zustand einer Substanz, den wir mit einem Wort beschreiben können. Beispielsweise sind Wasserdampf und Eis die gasförmige bzw. feste Phase von Wasser.

Die Phase einer Substanz bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken lässt sich leicht aus einem Phasendiagramm ablesen. In der folgenden Abbildung stellt beispielsweise die horizontale Achse die Temperatur und die vertikale Achse den Druck dar. Jeder Punkt auf der Abbildung gibt den physikalischen Zustand von Wasser bei dieser Temperatur und diesem Druck an.

Nehmen wir Punkt A als Beispiel. Das Phasendiagramm liefert uns folgende Informationen: Die horizontale Achse entspricht 100 Grad Celsius, die vertikale Achse 1 Standardatmosphärendruck und befindet sich auf der Trennlinie zwischen der Gasphase (entspricht Dampf in der Abbildung) und der Flüssigphase (entspricht Wasser in der Abbildung). Aus diesen Informationen können wir leicht erkennen, dass, wenn die Temperatur von flüssigem Wasser bei normalem atmosphärischem Druck auf 100 Grad Celsius erhöht wird, es sich am Übergangspunkt zwischen gasförmig und flüssig befindet, d. h., die beiden Zustände koexistieren. Dabei wird das Wasser bei unverändertem Druck und unveränderter Temperatur weiter erhitzt und immer mehr flüssiges Wasser wird in gasförmigen Wasserdampf umgewandelt.

Nach der Lektüre werden sich die Schüler vielleicht an die Stirn schlagen und sagen: „Ist das nicht der Vorgang, Wasser zu Hause abzukochen?“ Der Herausgeber möchte sagen, dass dies der Fall ist. Tatsächlich entsprechen viele komplexe physikalische Phänomene im Leben abstrakten physikalischen Theorien und Prinzipien. Viele dieser scheinbar einfachen Phasendiagramme werden auch in allen Lebensbereichen häufig verwendet und tragen weiterhin zur Verbesserung des Lebensstandards der Menschen bei. Kehren wir zum Phasendiagramm von Wasser zurück und betrachten Punkt B. Dies ist der Tripelpunkt von Wasser. An diesem Punkt koexistieren feste, flüssige und gasförmige Phasen bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck.

Betrachten wir nun das Phasengleichgewicht. Unter Phasengleichgewicht versteht man das thermodynamische Gleichgewicht zwischen zwei Materiephasen. Wenn Sie das Konzept der Phase verstanden haben, sollte es nicht schwierig sein, das Phasengleichgewicht zu verstehen. Beispielsweise hält im obigen Text beim Kochen von Wasser das gasförmige Wasser ein Phasengleichgewicht mit dem flüssigen Wasser aufrecht (vorausgesetzt, es wird nicht trocken gekocht).

(Achtung) Schließlich haben wir den Sättigungsdampfdruck erreicht. Hier möchte ich meine eigenen Worte aus dem obigen Text zitieren: „Sättigungsdampfdruck“ bezieht sich auf den Druck des Dampfes einer bestimmten Substanz im Gleichgewicht mit einem Feststoff oder einer Flüssigkeit unter geschlossenen Bedingungen und bei einer bestimmten Temperatur.

Es ist nicht schwer, den Schluss zu ziehen, dass sich der Sättigungsdampfdruck bei dem Wasser, das wir im täglichen Leben diskutieren (also dem in der Wettervorhersage beschriebenen Szenario), auf den Wasserdampfdruck bezieht, bei dem Wasserdampf und flüssiges Wasser bei gleicher Temperatur und in einer geschlossenen Umgebung „friedlich koexistieren“ und stabil zusammen existieren können.

Der Sättigungsdampfdruck bei unterschiedlichen Temperaturen lässt sich leicht aus dem Phasendiagramm ablesen. Der besseren Lesbarkeit halber werde ich das Phasendiagramm von Wasser hier noch einmal veröffentlichen.

In der Abbildung ist die Kurve zwischen den beiden Punkten mit den Nummern 1 und 2 die Verdunstungslinie. Die Verdampfungslinie ist der Phasengleichgewichtszustand, in dem Flüssigkeit und Gas koexistieren, sodass der Druck an jedem Punkt darauf (vertikale Achse) dem Sättigungsdampfdruck von Wasser bei dieser Temperatur (horizontale Achse) entspricht. Angenommen, wir beginnen an einem Punkt auf der Verdunstungslinie von Wasser (zum Beispiel Punkt 3 in der Abbildung), erhöhen die Temperatur (das heißt, wir erhöhen die horizontale Achse, wie durch den horizontalen Pfeil in der Abbildung angezeigt), behalten dabei den ausgewählten Punkt auf der Verdunstungslinie bei (das heißt, der nach oben geneigte Pfeil in der Abbildung) und bewegen uns vorwärts zu Punkt 4 in der Abbildung. Dann können wir sehen, dass der entsprechende Druck, das heißt der gesättigte Dampfdruck, ebenfalls entsprechend ansteigt. Der Grund, warum Wasser bei 100 °C siedet, liegt darin, dass der Sättigungsdampfdruck von Wasser bei seinem Siedepunkt genau dem atmosphärischen Druck entspricht.

Endlich ... haben wir die relative Luftfeuchtigkeit erreicht! Sehen wir uns die Definition der relativen Luftfeuchtigkeit noch einmal an:

„Die relative Luftfeuchtigkeit bezeichnet das Verhältnis des tatsächlichen Wasserdampfdrucks in der Luft zum gesättigten Wasserdampfdruck bei der gleichen Temperatur und wird üblicherweise als Prozentsatz ausgedrückt.“

Der Wasserdampfdruck stellt den Druck dar, der durch Wasserdampf (gasförmige Wassermoleküle) in der Luft unter den aktuellen tatsächlichen Außenbedingungen erzeugt wird. In Kombination mit dem oben erlernten Sättigungsdampfdruck lässt sich dann per Definition die relative Luftfeuchtigkeit, also das Verhältnis des Wasserdampfdrucks zum Sättigungsdampfdruck bei der aktuellen Temperatur, einfach berechnen:

Diese Berechnung der relativen Luftfeuchtigkeit ist so eine schöne Sache.

Ich glaube, dass die Schüler inzwischen vollständig verstanden haben, was relative Luftfeuchtigkeit ist, aber warum ist die Luft manchmal trocken und zu anderen Zeiten feucht? Damit kommen wir zum Wasserkreislauf.

Tatsächlich gibt es in der Natur viele physikalische Formen von Wasser. In der unteren Atmosphäre beispielsweise ist der in feuchter Luft enthaltene Wasserdampf gasförmiges Wasser, und die Wolken am Himmel bestehen aus Wassernebel oder aus durch Kondensationskerne gebildeten Eiskristallen. In den Bergen, Flüssen und Seen an der Oberfläche gibt es weit verbreitet flüssiges Wasser, das die Quelle allen Lebens ist. Darüber hinaus gibt es auch in den flachen Schichten unter der Oberfläche Wasser, das in den Boden sickert.

An unterschiedlichen geografischen Standorten und zu unterschiedlichen Zeiten wird der Wasserdampfgehalt einer Region nicht nur von den lokalen klimatischen Bedingungen wie Windgeschwindigkeit und Temperatur beeinflusst, sondern auch in hohem Maße von Faktoren des Wasserkreislaufs wie Verdunstung und Niederschlag.

Darüber hinaus ist der Wasserdampf in der realen Umgebung aufgrund der in der Umgebung vorhandenen Partikel nicht der oben beschriebene reine Wasserdampf, sondern liegt in Form einer verdünnten Lösung vor. Das Vorhandensein dieses Phänomens beeinflusst in gewissem Maße auch den Dampfdruck des Wassers. Wenn Sie an diesem Teil interessiert sind, können Sie im letzten Teil dieses Artikels, „Wissenswertes“, gerne etwas dazu lernen!

Nachdem wir über die Relativität gesprochen haben, sprechen wir über das Wetter

Oben haben wir den „relativsten“ Indikator in der Wettervorhersage besprochen: die relative Luftfeuchtigkeit. Herzlichen Glückwunsch also an alle Schüler, die bis hierhin gelesen haben. Sie haben die „Relativitätstheorie“ in der Wettervorhersage (Hundekopf) bereits gelernt. Doch eine Wettervorhersage, die den Menschen im Alltag keine Orientierung bietet, ist keine gute Relativitätstheorie. Wie beeinflusst die relative Luftfeuchtigkeit unser tägliches Leben? Der direkteste und wichtigste Einflussfaktor ist dabei die starke Kombination aus relativer Luftfeuchtigkeit und Lufttemperatur, die zu Veränderungen der vom Menschen wahrgenommenen Temperatur führt. Lassen Sie mich Ihnen nun zeigen, warum den Menschen im schwülen Sommer besonders heiß und stickig ist, während es im regnerischen Süden bitterkalt ist!

Zusammenhang zwischen relativer Luftfeuchtigkeit und Körperempfindungen und -funktionen des Menschen

Im heißen Sommer wird das Wort „schwül“ oft verwendet, um Wetter mit hoher Luftfeuchtigkeit zu beschreiben. An solchen Tagen ist den Leuten beim Ausgehen besonders heiß. Dies liegt daran, dass bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit die Verdunstungsrate des Schweißes auf der menschlichen Körperoberfläche abnimmt, wodurch es für den menschlichen Körper schwieriger wird, Wärme abzuleiten, was zu einem Anstieg der Körpertemperatur führt. Im Sommer besteht zwischen der relativen Luftfeuchtigkeit und der gefühlten Temperatur folgende Beziehung:

Ich glaube, dass auch die Studenten im Süden im Winter die beißende, feuchte Kälte zu spüren bekommen haben. Tatsächlich ist es so: Je feuchter die Luft ist, desto kälter fühlt sich der menschliche Körper an.

Bevor wir darüber sprechen, warum Luftfeuchtigkeit die Wärmeisolationswirkung von Kleidung beeinflusst, folgen Sie bitte dem Leitfaden, um zu verstehen, warum Kleidung die Kälte abhalten kann. Im Winter erzeugen unsere Kleidungsstücke, wie zum Beispiel Daunenjacken, durch flauschige Daunen eine Luftschicht zwischen dem menschlichen Körper und der Außenwelt. Da Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, ist es weniger wahrscheinlich, dass die vom menschlichen Körper erzeugte Wärme nach außen abgegeben wird. Dies kommt einem Einschließen der Wärme gleich und hilft den Menschen so, der Kälte zu widerstehen.

Beispielsweise beträgt die Wärmeleitfähigkeit von Luft[5] bei 20 °C etwa 0,026 W/m*K, während die Wärmeleitfähigkeit von Wasser bei 20 °C 0,6 W/m*K erreicht, was etwa dem 23-fachen der ersteren entspricht! Die Wärmeleitfähigkeit[6] bezeichnet die Wärmemenge, die durch eine Querschnittsfläche von 1 m² x 1 m² übertragen wird, wenn der Temperaturunterschied in Wärmeleitungsrichtung durch ein 1 m dickes Material 1 K beträgt. Die Einheit ist Watt/Meter*Grad. Einfach ausgedrückt handelt es sich dabei um die Wärmemenge, die pro Flächeneinheit durch ein bestimmtes Material pro Längeneinheit übertragen werden kann. Daraus ist ersichtlich, dass bei gleicher Temperatur die Wärmeleitfähigkeit von Wasser viel höher ist als die der Luftschicht.

Dies erklärt auch, warum sich der menschliche Körper umso kälter anfühlt, je feuchter die Luft ist (und daher mehr Schaden durch Zauberdurchdringung erleidet). Für dieses Phänomen gibt es auch einen speziellen Begriff: „Wasserkälteeffekt“. Er bedeutet, dass im Winter, wenn die relative Luftfeuchtigkeit hoch ist, Wasserdampf die warme Luftschicht auf der Kleidung der Menschen herausdrückt, die sie warm hält, und dadurch die Fähigkeit der Kleidung verringert, die Kälte abzuhalten. Gleichzeitig verdunstet der Wasserdampf in der feuchten Luft, nachdem er am menschlichen Körper haftet und ihm Wärme entzieht, wodurch die Menschen sich besonders kalt fühlen.

Als nächstes wollen wir einen Blick darauf werfen, in welcher Umgebung sich der menschliche Körper wohlfühlt. Beispielsweise legen einschlägige nationale Normen fest, welche Standards die Raumluft unter verschiedenen Umständen erfüllen sollte[2], wie in der folgenden Tabelle dargestellt:

Welche Temperatur- und Luftfeuchtigkeitskombination sollten wir also einhalten, um zufriedener arbeiten zu können? Studierende können sich an den folgenden Werten orientieren, um sich ein angenehmes Arbeitsumfeld zu schaffen!

(Sommer) 26°C Klimaanlage, 50% relative Luftfeuchtigkeit, mit einer Tasse Eistee mit Milch

(Winter) Du bei 105°C

Kuriose Bereiche: Raoults Gesetz und die kolligativen Eigenschaften verdünnter Lösungen

Der erste Teil des Textes führt hauptsächlich in die Definitionen der relativen Luftfeuchtigkeit und des gesättigten Dampfdrucks ein. Aufmerksame Studierende werden jedoch feststellen, dass sie alle unter der Prämisse durchgeführt werden, dass das untersuchte System ideal und rein ist. Allerdings sind in der natürlichen Atmosphäre zwangsläufig viele winzige Partikel vorhanden, von denen sich einige auch als gelöste Stoffe in Wasser auflösen. Diese Spurenstoffe lösen sich in Wasser auf und bilden eine verdünnte Lösung, was zu einer leichten Abweichung zwischen der tatsächlichen Situation und der Theorie führt. Wenn man dieses verdünnte Lösungssystem unter Berücksichtigung der tatsächlich in der Atmosphäre vorhandenen Spurenmengen an Lösungsmitteln beschreiben möchte, muss man das Raoultsche Gesetz und die kolligativen Eigenschaften verdünnter Lösungen einführen.
Eine verdünnte Lösung ist eine Lösung, in der der gelöste Stoff einen sehr kleinen Anteil des Lösungsmittels ausmacht und das Lösungsmittel dem Raoultschen Gesetz folgt[3]:

Bei einer gegebenen Temperatur ist der Dampfdruck eines verdünnten Lösungsmittels gleich dem Dampfdruck des reinen Lösungsmittels multipliziert mit dem Molenbruch des Lösungsmittels in der Lösung:

In

Das heißt, wenn ein gelöster Stoff vorhanden ist,

, sodass der Dampfdruck des eigentlichen Lösungsmittels (im vorliegenden Zusammenhang Wasser) bis zu einem gewissen Grad abnimmt.

Darüber hinaus beziehen sich die kolligativen Eigenschaften verdünnter Lösungen[4] auf die Tatsache, dass verdünnte Lösungen einige Änderungen der physikochemischen Eigenschaften aufweisen, die nur von der Menge der gelösten Substanz abhängen, aber nichts mit dem spezifischen gelösten Stoff zu tun haben.

Beispielsweise im Fall einer verdünnten Lösung

Der Dampfdruck des Lösungsmittels sinkt

Gefrierpunktserniedrigung

Siedepunktanstieg

Und andere Eigenschaften. Das Raoultsche Gesetz wird hier hauptsächlich verwendet, um den Dampfdruckabfall zu beweisen, der uns am meisten interessiert.

Nach dem Raoultschen Gesetz

Es kann umgeschrieben werden als

Dabei wird die Menge des gelösten Stoffes als Zähler in Klammern angegeben. Die Dampfdruckänderung kann definiert werden als

Definition der relativen Dampfdruckänderung

Das heißt, die relative Dampfdruckänderung ist eine Funktion, die nur mit der Menge des gelösten Stoffes zusammenhängt. Solange wir die Menge des gelösten Stoffes kennen, können wir, unabhängig von der Art der Substanz, den Rückgang des Dampfdrucks zu diesem Zeitpunkt direkt berechnen.

Daraus lässt sich erkennen, dass aufgrund der Anwesenheit verschiedener löslicher Substanzen in der Atmosphäre im täglichen Leben der Dampfdruck von Wasser unter den gegenwärtigen Umständen tatsächlich etwas niedriger ist als der theoretische Wert.

Quellen:

[1]: relative Luftfeuchtigkeit | Britannica

[2]: Norm für Raumluftqualität, GB/T18883-2002

[3]: Raoults Gesetz und Henrys Gesetz - Baidu-Bibliothek (baidu.com)

[4]: Lösung | Kolligative Eigenschaften (chemistryedu.org)

[5]: Tabelle der Wärmeleitfähigkeit gängiger Materialien - Baidu Library (baidu.com)

[6]: Wärmeleitfähigkeit_Baidu Enzyklopädie (baidu.com)

Dieser Artikel wurde vom Science Popularization China-Starry Sky Project (Erstellung und Kultivierung) erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.