Saturs.
Titula lapa ………………………………………………………………….. 0. lpp
Laika apstākļu prognozēšana ………………………………………… 2. lpp
Siltumvadīšana konvekcija un siltuma starojums …………….. 3. lpp
Šķidrums un tvaiks ………………………………………………………. 4. lpp
Nepiesātināts un piesātināts tvaiks …………………………………. 6. lpp
Gaisa mitrums ……………………………………………………………… 7. lpp
Nokrišņi ……………………………………………………………………… 9. lpp
Kristāliskas vielas ………………………………………………………. 10. lpp
Kušana un kristalizācija ………………………………………………. 11. lpp
Šķidrumu vārīšanās …………………………………………………….. 11. lpp
Fāze un fāzu pārejas. Vielas stāvokļa diagramma …………….
Laika apstākļu prognozēšana.
Kopš sirmas senatnes gaidāmo laiku cilvēki ir paredzējuši pēc norisēm dabā – gan pēc tā, kādā krāsā ir debesis un kā pūš vējš, gan pēc putnu un dzīvnieku uzbūves. Tādu laika pazīmju ir milzums. Piemēram, laukos zināja, ja bezdelīgas vakarā lido zemu, rīt gaidāms lietus. Ja Saule pie apvāršņa noriet sārta, tad gaidāma skaidra, bet vējaina diena. Paaudzēs uzkrātā un ļaužu atmiņā glabātā pieredze ļāva prognozēt laika apstākļus arī ilgākam laika posmam. Nav iespējams viennozīmīgi pateikt, cik precīzas ir bijušas dažādos laikos šīs prognozes, taču vairumā gadījumu tām ir pamatojums. Visas norises dabā ir savstarpēji saistītas, un tās ietekmē laika apstākļus. Uz sauszemes laika apstākļus galvenokārt nosaka gaisa temperatūra, gaisa spiediens, gaisa mitrums, vēja virziens un stiprums. Tātad tas, kas notiek atmosfērā tuvu zemes virsmai. Svarīga, protams, ir arī atrašanās vieta uz zemeslodes – vai tas ir tālu, vai tuvu no okeāna un jūras, augstu vai zemu virs jūras līmeņa. Ilgtermiņā laika apstākļus ietekmē Saules siltuma starojums, okeānu straumes, patstāvīgie vēji un citi globālie procesi. Laika apstākļu prognozēšana mūsdienu izpratnē sākās pirms vairāk nekā 300 gadiem, kad noskaidrojās, ka gaisa spiediens virs kāda zemes punkta ir mainīgs un tas tieši ir saistīts ar laika apstākļiem. Ja atmosfēras spiediens ir zems, tad bieži līst, bet, ja augsts – spīd saule. Tomēr drīz vien meteorologi saprata, ka atmosfēras spiediena mērījumi vienā vietā nav pietiekami, jo paaugstināta vai pazemināta spiediena apgabaliem, ar kuriem ir saistīti laika apstākļi, ir ļoti lieli izmēri un tie pārvietojas saskaņā ar noteiktiem likumiem. Lai to labāk izprastu, vajadzēja iemācīties sastādīt laika apstākļu kartes. Pirmie meteoroloģisko novērojumu tīklu mēģināja izveidot angļi 1723. gadā. Nozīmīgs solis ceļā uz laika apstākļu prognozēm tika izdarīts 20. gs. Sākumā, kad ilgstoši krātie un apkopotie laika apstākļu novērojumi vainagojās ar teorētiskiem spriedumiem. Norvēģis Vilhelms Bjerkness izskaidroja atmosfēras spiedienu lielo apgabalu – ciklonu un anticiklonu – rašanos. Viņš uz sinoptiskajām kartēm saskatīja divas līnijas, kurās gaisa plūsmas it kā saiet kopā. Šīs līnijas atdala siltā un aukstā gaisa apgabalus. Vēl vairāk, ar šīm līnijām ir ”saistītas” lietus zonas, vētras un pērkona. Šīs līnijas vēlāk tika nosauktas par atmosfēras frontēm.
Tā kā ziemeļu puslodē mērenajos platuma grādos cikloni parasti pārvietojas no rietumiem uz austrumiem, tad caur novērojumu punktu vispirms pāriet ciklona austrumu fronte, aiz kuras seko siltais gaiss. Siltās atmosfēras frontes apgabalos siltais gaiss aktīvi uzvirzās frontes līnijai, bet aukstais gaiss lēnām no tās atkāpjas. Tātad siltais gaiss panāk rietumu
(aukstā) ciklona fronte, kura izraisa strauju temperatūras krišanos. Ap auksto atmosfēras fronti dinamika ir citāda: aukstais gaiss panāk silto un izspiež to uz augšu. Tātad ciklons ir atmosfēras virpulis, kas līdz ar sevi atnes karstas temperatūras izmaiņas. Ziemeļu puslodē gaiss ciklonā griežas pretēji pulksteņa rādītāju virzienam un gaisa daļiņu trajektorijas atgādina spirāli. Uz centru saplūstošais gaiss lēnām ceļas uz augšu, un tajā vienmēr veidojas mākonis, no kura vai nu snigs, vai līs. Rajonos, kur ciklons vēl ir salīdzinoši ”jauns” (trajektorijas sākumā), tiek novērotas lielākās nokrišņu zonas. Ciklona pretstats pēc visiem parametriem ir anticiklons. Gaiss tajā virzās pulksteņa rādītāja virzienā, no centra izplūstot uz ārmalu un vienlaicīgi nosēžoties pie zemes. Tāpēc anticiklonā nekad nav lielu gubu mākoņu un debesis visbiežāk ir skaidras. Turklāt anticiklons nepalielina temperatūras kontrastus kā ciklons, bet gan izlīdzina tos. Laiks anticiklonā ir sauss, bez vēja, un ir nedaudz mākoņu. Anticikloni veidojas arī vasarā, tad laiks ir skaidrs un karsts, dažkārt pat novērojams sausums. Tikai nedaudzās rīta stundās viss apgabals, kuru aizņēmis anticiklons, ir segts ar biezu, viendabīgu miglu. Tas mēdz notikt gan ziemā, gan vasarā, kad gaiss anticiklonā ir pietiekami mitrs. Izveidojies anticiklons var noturēties vienā vietā nedēļu, mēnesi un pat veselu sezonu. Mūsdienās laika prognoze ir dažādu meteoroloģisko mērījumu kompleksi aprēķini noteiktam laika periodam. Galvenie prognozējamie elementi ir gaisa temperatūra, nokrišņi, vējš, gaisa spiediens un citi. Laika prognozes tiek sastādītas vis dažādākās – sākot ar tām, kuras ziņo „plašsaziņas līdzekļos” beidzot ar speciālām prognozēm aviācijai un jūrniecībai. Lai sastādītu laika prognozes ir nepieciešams kvalitatīvs novērojumu tīkls plašā teritorijā. Piemēram, lai sagatavotu laika prognozes Latvijai tuvākajai dienai ir nepieciešami meteoroloģiskie novērojumu rezultāti no Atlantijas okeāna līdz Urāliem. Savukārt, prognozes ilgākiem, laiku periodam prasa novērojumus globālā mērogā, gandrīz visā pasaulē. Atmosfēras faktiskā stāvokļa izzināšanai nepieciešama informācija par meteoroloģisko elementu vērtībām arī atmosfēras vertikālajos slāņos, pat līdz 15. km augstumam. Šim nolūkam kalpo radio zondes, mākslīgie pavadoņi, kā arī meteoroloģiskie radari. Informācija par atmosfērā notiekošajām likumsakarībām no klimata īpatnībām apstrādā un analizē sinoptiķi. Viņi arī veic meteoroloģisko pamat elementu aprēķinus ko izmanto veidojot prognozes.
Siltumvadīšana konvekcija un siltuma starojums.
Siltumprocesos ķermeņi saņem vai atdod siltuma daudzumu. Kā tas notiek? Ir trīs veidi, kā ķermeņi var apmainīties ar siltuma daudzumu. Tas var notikt vai nu siltumu pārvadot, vai nu plūstot pašai vielai ( konvekcijas ceļā), kā ārā siltumatstarojuma veidā. Dabā notiekošajos procesos siltuma pārvades veidi bieži vien nav stingri viens no otra atdalāmi. Labāk vai sliktāk siltumu vada visas vielas. Siltumvadīšana ir saistīta ar to, ka starp kādām divām ķermeņa daļām ir radusies temperatūru starpība. Temperatūra, kā zināms, ir vielas daļiņu siltumkustības mērs. Jo tā ir augstāka, jo lielāka ir atomu vai molekulu vidējā kinētiskā enerģija un intensīvāk notiek siltumkustība. Siltumprocess norit tā, ka atšķirīgām temperatūrām ir tendence kļūt vienādām. Tas notiek, izlīdzinoties siltumkustībai starp dažādām ķermeņa daļām. Tad molekulas, kurām ir lielāka kinētiskā enerģija, atdod to molekulām, kuru kinētiskā enerģija ir mazāka. Rezultātā rodas siltuma plūsma, kas pārnes siltuma daudzumu no siltākās vietas uz vēsāko. Siltuma plūsma šķidrumos un gāzēs var rasties arī mehāniski. Gāzes un šķidrumi ir plūstoši. Tādējādi pašas vielas īpatnējās siltumvadītspēja pat var nebūt noteicošā. Siltumu pārnes pati viela- siltumapkures sistēmas ūdens, gaisa plūsmas istabā vai atmosfērā. Šo siltuma pārvades veidu sauc par konvekciju. Konvekcijas cēloņi var izrādīties visdažādākie, arī temperatūras starpība telpā. Trešais siltuma pārvades veids ir elektromagnētiskie viļņi, šajā gadījumā- siltuma atstarojums. Šis ir pilnīgi cits atšķirīgs enerģijas pārvades veids no siltuma avota uz tuvākā vai tālākā apkārtnē esošiem ķermeņiem. Siltuma atstarojumam, lai tas varētu izplatīties, nav nepieciešama viela. Tikpat labi tas var šķērsot arī tukšu telpu. Tieši tā tukšajā kosmiskajā telpā izplatās saules siltuma starojums, kuru saņem zeme un visi citi saules sistēmas ķermeņi. Siltuma starojums, tāpat kā gaisma un radioviļņi, ir elektromagnētiskie viļņi. Tos izstaro visi ķermeņi – saule, zeme, dzīvās būtnes. Dažāda viļņa garuma elektromagnētiskie viļņi izpaužas atšķirīgi. Siltuma jeb infrasarkanais starojums ir tie elektromagnētiskie viļņi, kurus absorbējot, atomu un molekulu siltumkustību vielā kļūst intensīvāka. Infrasarkanā starojuma enerģija ir atkarīga no siltuma avota temperatūras. Šī enerģija ir proporcionāla temperatūras ceturtajai pakāpei. Tas nozīmē, ka, ja ķermeņa absolūtā temperatūra palielinās divas reizes, tā izstarotā siltuma enerģija pieaug jau sešpadsmitkārtīgi.
Šķidrums un tvaiks.
Dažādas šķidrumiem piemītošās īpašības ir līdzīgas gan gāzu, gan cietu vielu īpašībām. Šķidruma blīvums ir daudzkārt lielāks nekā gāzu blīvums. Arī citu šķidrumu ir ‘tūkstoškārt lielāki nekā gāzēm. Toties šķidruma blīvumi pat īpaši neatšķiras no cietu vielu blīvumiem. Tā, piemēram, izkausētam metālam tas ir tikai par 3% mazāks nekā tā paša metāla loksnei. Bet ūdens blīvums ir pat par 9% lielāks nekā ledus blīvums. Pastāvot šai blīvumu atšķirībai, ledus ziemā uzsalst ūdens virskārtā un aisbergi un ledus gabali peld ūdenī. Daudzas cietas vielas, tādas kā koks, vasks, parafīns, ir mazāk blīvas par ūdeni. Zināms, ka parafīna gabaliņi un sausi koki ūdenī negrimst. Šķidrumos molekulas ir izvietotas gan drīz tikpat blīvi kā cietās vielās, un tāpēc tās intensīvi savstarpēji mijiedarbojas. Starp šķidruma molekulām darbojas pievilkšanās spēki, kas neļauj tām brīvi attālināties citai no citas. Tādēļ katras šķidruma molekulas apkārtnē vienmēr atrodas tās tuvākie partneri un molekulu izvietojumā ir zināma noteiktība. Tādu molekulu izvietojuma šķidrumā dēvē par tuvo kārtību. Katra šķidruma molekula galvenokārt mijiedarbojas ar saviem tuvākajiem partneriem. Tāpēc šķidrums, atšķirībā no gāzes, paliek traukā, kad to atver. Molekulas uzreiz nevar brīvi aizlidot, jo partneri tās notur vietā. Tomēr ne visas šķidruma molekulas vienmēr paliek šķidruma tilpumā. Uz šķidruma brīvās virsmas tomēr ir citādi apstākļi nekā šķidruma iekšienē. Virsmas spraiguma spēks, ko rada molekulu savstarpējā pievilkšanās, ir vērsts uz šķidruma iekšieni un neļauj molekulām virsmu brīvi atstāt. Taču molekulu ātrumi šķidrumā ir dažādi. Ātrākajām molekulām ir lielāka siltumkustības kinētiskā enerģija, tāpēc tās var pārvarēt virsmas spraiguma radīto pretestību un atrauties no šķidruma virsmas. Tā veidojas šķidruma tvaiki. Šķidruma iztvaikošanas ātrums ir atkarīgs no temperatūras. Lai gan visi šķidrumi iztvaiko jebkurā temperatūrā, tomēr, temperatūrai palielinoties, iztvaikošanas ātrums strauji pieaug. Tas arī saprotams, jo, palielinoties temperatūrai, pieaug molekulu vidējā kinētiskā enerģija un pieaug to molekulu skaits, tas spēj atstāt šķidruma virsmu. Lai nemainīgā temperatūrā notiktu šķidruma iztvaikošana, šķidrumam jāsaņem noteikts siltuma daudzums. Ja tas noteikts vienai masas vienībai, tad šo siltuma daudzumu sauc par īpatnējo iztvaikošanas siltumu. Šķidruma iztvaikojot atdziest. Tā tam arī jānotiek, jo iztvaikošanas procesā no šķidruma aizlido ātrākās molekulas. Lēnākās paliek šķidrumā, un tāpēc temperatūra kļūst zemāka. Šķidruma atdzišanu, tam iztvaikojot, izmanto gan cilvēki, gan dzīvnieki. Īpatnējais iztvaikošanas siltums nav gluži konstants lielums, bet ir atkarīgs no šķidruma temperatūras. Jo temperatūra augstāka, jo šķidruma molekulu kinētiskā enerģija ir lielāka. Tāpēc mazāks siltuma daudzums ir vajadzīgs iztvaikošanai. Tuvu šķidruma virsmai iztvaikošana notiek vienlaikus ar pretēju procesu – šķidruma tvaika molekulu nokļūšanu atpakaļ šķidrumā. Šajā procesā viela no gāzveida stāvokļa pāriet šķidrā stāvoklī. Tā ir gāzes kondensācija. Pretēji iztvaikošanai tvaiks, kondensējoties par šķidrumu nemainīgā temperatūrā, atdot šķidrumam siltuma daudzumu. Atdotais siltuma daudzums ir tikpat liels, cik bija vajadzīgs šķidruma iztvaikošanai. Tikai šajā gadījumā to sauc par kondensēšanās siltumu. Tātad vienā un tajā pašā temperatūrā īpatnējais kondensēšanās siltums ir vienāds ar īpatnējo iztvaikošanas siltumu. Pretēji iztvaikošanai, kondensējoties tvaikiem, šķidrums sasilst.
Nepiesātināts un piesātināts tvaiks.
Kā jau minējām, no brīvās virsmas šķidrums vienlaikus gan iztvaiko, gan tā tvaiki kondensējas. Ja trauks gaisā ir atvērts, tad lielākā daļa iztvaikojušo molekulu izklīst apkārtējā vidē, un tikai neliela daļa nonāk atpakaļ šķidrumā. Šajā gadījumā iztvaikošana ir pārsvarā par kondensāciju un šķidruma līmenis pakāpeniski pazeminās. Šķidruma tvaiku, kas atvērtā traukā virmo virs šķidruma, sauc par nepiesātinātu tvaiku. Ja trauku cieši aizver, pēc laika šķidruma līmenis tajā pārstāj kristies. Tas nozīmē, ka ir iestājies dinamisks līdzsvars. Cik daudz šķidruma laika vienībā iztvaiko no šķidruma virsmas, tik pat daudz tvaika kondensējas atpakaļ par šķidrumu. Tvaikam ir iestājies piesātinājums, un šajā temperatūrā tā daudzums vairs nepalielinās. Šādu tvaiku virs šķidruma sauc par piesātinātu tvaiku. Tas, ka telpā virs šķidruma ir iestājies dinamisks līdzsvars, nenozīmē, ka nekas vairs nenotiek. Tvaikam virs šķidruma, kā jau jebkurai gāzei, ir spiediens. Kamēr tvaiks nav piesātināts, tas, tāpat kā jebkura retināta gāze, piekļaujas Klapeirona – Mendeļējeva vienādojumam. Tas nozīmē, ka noteiktā tilpumā gāzes spiediens pieaug proporcionāli temperatūrai. Ar piesātinātu tvaiku vairs tik vienkārši nav. Sildot noslēgtu trauku un palielinot gan šķidruma, gan tvaika temperatūru, iztvaikošana kļūst straujāka un tikpat strauji aug virs šķidruma izlidojušo molekulu koncentrācija, tātad arī tvaika blīvums. Arī blīvums ietekmē spiedienu – blīvumam pieaugot, tvaika spiediens palielinās. Rezultātā, palielinot temperatūru, piesātināta tvaika spiediens pieaug straujāk nekā nepiesātināta gaisa spiediens, kad gāze var blīvi izplūst atmosfērā. Noslēgtā traukā piesātināts tvaiks sāk veidoties jau zemā temperatūrā. Tikai tad vēl tvaika blīvums un spiediens nav liels. Pastāv vēl viena atšķirība starp piesātinātu un nepiesātinātu tvaiku. Piesātināt tvaika spiediens nav atkarīgs no tilpuma, ko tas aizņem, ja vien tvaika temperatūra nemainās. Ja virs šķidruma esošo piesātināto tvaiku a vizuli lēnām izotermiski saspiež, tad tā spiediens paliek nemainīgs. Pirmajā acumirklī visai dīvainā tvaika uzvedība kļūst saprotama, ja ievēro, a slēgtajā traukā šķidruma un tvaika līdzsvars i8r dinamisks. Saspiežot tvaiku un tādējādi samazinot tā aizņemot tilpumu, tvaika molekulām nākas straujāk atgriezties šķidrumā, un tāpēc to skaits tilpuma vienībā (koncentrācija) nemainās. Tāpēc nemainās arī tvaika spiediens. Joprojām sildot šķidrumu un tā paaugstinot arī piesātinātā tvaika temperatūru, izveidojas tāds stāvoklis, ka tvaiku vairs nevar atšķirt no šķidruma. Šis kritiskais stāvoklis iestājas tad, kad izlīdzinās šķidruma un piesātinātā tvaika blīvumi, kā arī pazūd robežvirsma starp šķidrumu un tvaiku. Katrai vielai šo stāvokli raksturo kritiskie parametri : kritiskais spiediens, kritiskā temperatūra un kritiskais blīvums. Ja piesātinātam tvaikam neļauj saskarties ar šķidrumu, tad tvaika temperatūrai pazeminoties var iegūt pārsātinātu tvaiku. Tas ir ļoti nestabils. Pietiek tvaikā iekļūt kaut puteklītim jeb tā sauktajam kondensācijas centram, un tūdaļ no pārsātinātā tvaika radīsies šķidrums. Šo pārsātinātā tvaika īpašību izmanto mikrodaļiņu trajektoriju reģistrācijai pēc to atstātām pilieniņu „pēdām” speciālā kamerā.
Gaisa mitrums.
Tā kā dabā ūdens iztvaikošana un kondensēšanās notiek nepārtraukti, tad atmosfēras gaisā vienmēr ir ūdens tvaiks. Dabā pilnīgi sauss gaiss (bez ūdens tvaika) vispār nemēdz būt. Tādā mēs nemaz nevarētu dzīvot, jo visu dzīvības procesu uzturēšanai ir nepieciešams ūdens. Absolūtais gaisa mitrums nav nemainīgs gaisu raksturojošs lielums. Dažādās telpās dažādos gadalaikos gaisam, ko elpojam, varbūt cits absolūtais gaisa mitrums. Gaiss ir daudzu gāzu maisījums. Un kopējā atmosfēras spiedienā katra no šīm gāzēm rada savu spiedienu, ko sauc par parciālspiedienu. Absolūtais gaisa mitrums nenosaka, vai gaiss mums šķitīs sauss vai mitrs. Dažādās zemeslodes vietās dažādos gadalaikos, dažādos laika apstākļos gaiss mums var likties „biezs” un sutīgs vai gluži pretēji – tik sauss, ka kņudina kaklu. Šo sajūtu nosaka nevis tas, cik gramu ūdens satur katrs kubikmetrs, bet gan tas, cik tuvu piesātinājumam ir ūdens tvaiks gaisam. Jau zinām, ka piesātināta tvaika spiediens un tātad arī blīvums ir atkarīgs no temperatūras. Tātad, jo augstāka temperatūra, jo vairāk ūdens tvaika var saturēt gaiss. Zemā temperatūrā jau neliela ūdens tvaika masa veido piesātinātu ar vēsākiem ķermeņiem šāds tvaiks uzreiz kondensējas un veidojas rasa. Tāpēc, lai norādītu, cik konkrētajā temperatūrā gaisa mitrums ir tuvu piesātinājumam ir ieviests relatīvā gaisa mitruma jēdziens. Relatīvs – tas šajā gadījumā nozīmē attiecību starp gaisā pašreiz esošo un konkrētajā temperatūrā maksimāli iespējamo mitrumu. Tiek uzskatīts, ka, ja cilvēks uzturas 20o C… 25o C temperatūrā tad gaisa mitrums 50%… 60% ir optimāls. Turpretī, ja dienvidos temperatūra pārsniedz 300 C, tad, lai justos komfortabli, gaisa mitrumam vajadzētu būt zemākam, aptuveni 20%..30%. gaisa mitrums nosaka ar psihrometru vai higrometru. Vienkāršākais psihrometrs sastāv no diviem šķidruma termometriem. Viens no tiem rāda gaisa temperatūru. Otra termometra rezervuārs ir aptīts ar plānu audumu, kura gals iemērkts ūdenī. Ūdens pa audumu sūcas uz augšu, iztvaiko un atdzesē termometra rezervuāru. Šis termometrs rāda zemāku temperatūru. Nolasot abu termometru rādīto temperatūru starpību, pēc īpašām psihrometriskajām tabulām atrod relatīvo gaisa mitrumu. Jo lielāka ir temperatūru starpība, jo gaiss ir sausāks. Sausākā gaisā ūdens vairāk iztvaiko nekā mitrumā. Gaisa mitruma mērīšanai izmanto arī rasas punkta higrometrus. Ar tiem mēra temperatūru, ko sauc par rasas punktu. Āra temperatūrai pazeminoties, bieži vasaras vakaros parādās migla un rasa. Gaisam atdziestot, tajā esošais ūdens tvaiks kļūst piesātināts un kondensējas. Tā rodas ūdens pilieniņi, un uz augiem izkrīt rasa. Temperatūru, līdz kurai nemainīgā spiedienā jāatdzesē gaiss, lai ūdens tvaiks tajā kļūtu piesātināts, sauc par rasas punktu. Katrai rasas punkta temperatūrai atrod gaisā esošā ūdens tvaika parciālspiediena vai absolūto gaisa mitrumu. Rasas punkta higrometrs darbojas šādi. Strauji iztvaicējot ēteri vai spirtu, tas atdzesē spoguļgludu metāla plāksnīti un gaisā tā noraso (virsma kļūst matēta).
Nokrišņi.
Iztvaikojot virszemes ūdeņiem, mitri augsnei un augiem, gaiss kļūst mitrs. Apmēram puse no visa atmosfērā esošā ūdens tvaika koncentrējas zemes virsai tuvākajā slānī. Ūdens tvaiki nav saskatāmi, toties labi saredzams ir šo tvaiku kondensācijas rezultāts : mākoņi, lietus, krusa, sniegs, rasa, salna, migla, sarma, atkala, sērsna. Tos visus sauc par nokrišņiem. Zemei tuvākie gaisa slāņi sasilst un ceļas augšup. Vienlaicīgi novērojama auksto gaisa slāņa grimšana. Augšupejošajās plūsmas siltais gaiss izplešas, jo nonāk zemāka atmosfēras spiediena zonā. Gaisa izplešanās ir adiabātiska, jo starp gaisa masām nenotiek siltuma apmaiņa. Ja augšup ceļas mitrs gaiss, tad, tam sasniedzot augstumu, kur temperatūra vienāda ar rasas punktu, kondensācijas dēļ sāk veidoties mākoņi. To zemākajos slāņos gaisa mitrums pārsniedz 100%, bet augstākajos slāņos veidojas ledus kristāliņi. Nokrišņus lietus veidā rada gubu lietusmākoņi vai lietus slāņmākoņi, kuru apakšējā mala atrodas tikai puskilometra augstumā, bet augšējā mala aizsniedzas no 7km līdz 10km augstu. Gan ūdens pilieniņi, gan ledus kristāliņi smaguma spēka ietekmē krīt lejup. Ja tie sasniedz zemi, tad līst lietus. Nonākot siltā gaisa zonā tuvu zemes virsai, lietus pilieni iztvaiko, atņemot apkārtējai videi siltumu. Tāpēc gaiss pēc lietus kļūst vēsāks. Ziemā, kad zem lietus slāņmākoņiem un gubu lietusmākoņiem temperatūra ir zemāka par 00C, ūdens pilieniņi sasalst un krīt sniegs. Sniegpārslu lielumu un formu nosaka gaisa temperatūra un mitrums zemes tiešā tuvumā. Snigšanas laikā, nokļūstot pie zemes, kur ir siltāks, ledus kristāliņi nedaudz kūst. Liela nokrišņu dažādība ir novērojama tuvu zemei vai pat uz tās. Šo nokrišņu cēlonis ir gaisa piesātināšanās ar ūdens tvaikiem. Ja ūdens tvaiki saskaras ar aukstām virsām, notiek to kondensēšanās. Skaidrās vasaras naktīs gaisa temperatūra pazeminās līdz rasas punktam un uz augiem un priekšmetiem vērojama rasa. Rasa liecina par laba laika iestāšanos. Citādi ir pavasaros un rudeņos, kad vērojamas ievērojams diennakts temperatūras svārstības. Ja naktīs temperatūra noslīd līdz 0oC, tad sīkie ūdens pilieniņi sasalst un ledus kristāliņi pārklāj zemi, veidojot salnu. Ne vienmēr ūdens tvaiks kondēnsējoties nosēžas uz zemes. Sīkajiem ūdens pilieniņiem vai ledus kristāliņiem uzkrājoties gaisa slānī tuvu zemes virsai, veidojas migla. Miglas veidošanās veicina pārsātināts gaiss, kad gaisa absolūtais mitrums vairākas reizes pārsniedz gaisa mitrumu piesātinātā tvaika apstākļos un kad gaisā pietiekamā daudzumā ir kondensācijas centri. Par tādiem var kļūt jebkurš sīks puteklītis, dūmu daļiņa. Miglu var saukt arī par piezemētu mākoni. Ziemā, miglainā laikā, kad gaisa temperatūra nokritās līdz – 150C …-200C un pūš lēns vējš, gaisā esošie ūdens tvaiki nosēžas un sasalst uz kokiem, elektrisko līniju vadiem un cietiem priekšmetiem, veidojot sarmu. Ja ziemā pēc atkušņa vai lietus gaisa temperatūra no jauna strauji pazeminās, ūdens tvaiki saskaras ar atdzisušo zemes virsma un sasalstot rada atkalu – plānu ledus garoziņu. Ledus garoziņa veidojas arī sasalstot slapja sniega virskārtai. Tad saka – sniegu klāj sērsna.
Kristāliskas vielas.
Vairums cietvielu, piemēram, visi metāli, pieder pie kristāliskām vielām. Arī uz loga rūts zaigojošās leduspuķes sastāv no maziem ledus kristāliņiem. Ar ko kristāliska viela atšķiras no amorfa vielas, piemēram, no māla pikas, kuru mīcot var veidot visdažādākos traukus? Kristāliskas vielas kristālu skaldnes ir regulāri daudzstūri – trīsstūri, kvadrāti, taisnstūri, sešstūri, un starp kristāla šķautnēm vienmēr veidojas noteikti leņķi. Vienu lielu kristālu sauc par monokristālu. Dažādu minerālu mono kristālus, arī dārgakmeņus, atrod dabā. Mono kristālus arī audzē laboratorijās. Īpašās temperatūras un spiediena apstākļos. Monokristāli veidojas, lēnām atdziestot šķīdumam vai izkusušai, kad viela temperatūra pazeminoties sasniedz noteiktu, dotajai vielai raksturīgu kristalizācijas temperatūru, sākas kristāla augšana. Taču, ja izkususī viela atdzist strauji, kā tas notiek kausējot no rūdām metālus, veidojas polikristāls. Polikristāls sastāv no haotiski orientētiem mazu kristālu graudiņiem. Lielākā daļa kristālisku vielu dabā parasti ir sastopami kā polikristāli. Būtiska atšķirība starp monokristālu un polikristālu ir tā, ka daudzas fizikālās īpašības (mehāniskās, siltuma, elektriskās un optiskās īpašības) monokristālā ir atkarīgas no izraudzītā virziena. Šādu monokriostāliem piemītošu īpašību sauc par anizotropiju. Polikristālu fizikālās īpašības nav atkarīgas no virziena, šīs vielas fizikālo īpašību ziņā ir izatropas. Mazo kristāliņu nejaušās orientācijas dēļ visi virzieni polikristālā ir savstarpēji līdzvērtīgi. Gan liela monokristāla, gan katra atsevišķā polikristāla graudiņa regulārā forma liecina par to, ka tajos atomu izkārtojums ir regulārs un stingri noteikts. Kristāliskā vielā atomu joni ir novietoti stingri noteiktā, regulārā kārtībā, veidojot kristāla režģi. Visa kristāla struktūru un formu nosaka tikai viens „iedīglis”, katra veida kristālam atbilstoša elementāršūna, viens „lego klucītis”. Tas kristālā precīzi atkārtojas gan pa labi, gan pa kreisi, gan uz augšu, gan uz leju, un tā līdz pašai kristāla robežai. Šādu vielas daļiņu izkārtojumu sauc par atomu vai molekulu tālo kārtību.
Kušana un kristalizācija.
Kristāla elementāršūnā atomu izvietojums ir blīvs. Kristālrežģa atomi intensīvi mijiedarbojas savā starpā un siltumkustība galvenokārt izpaužas tikai kā atomu svārstības ap savām līdzsvaru vietām. Vienādās temperatūras kristāliskai vielai iekšējā enerģija ir mazāka nekā šai pašai vielai izkusušā stāvoklī. Tādēļ kristāliskai vielai, lai tā izkustu, ir jāpievada kušanas siltums. Kristāliskas vielas kušana notiek tajā pašā temperatūrā, kurā šķidrums kristalizējas. Šo temperatūru sauc par kušanas temperatūru. Kušanas (kristalizācijas) siltumu, kas nepieciešams vielas masas kg, sauc par īpatnējo kušanas siltumu. Tik pat lielu siltuma daudzumu atdod šķidrums pārvēršoties par kristālisku cietvielu. Īpatnējais kristalizācijas siltums ir vienliels ar īpatnējo kušanas siltumu. Dabā novēro ne tikai kristālisku vielu kušanu, bet arī to iztvaikošanu. Vielu uzreiz no cieta stāvokļa pārvērš par gāzi. Šādu pāreju sauc par sublimāciju. Sublimācija izskaidro dažu kristālisku vielu, piemēram, naftalīna, vai kampara kristālu spēcīgo smaržu, kas izplatās telpā tūlīt, tikko atver trauciņu ar vielu. Iespējams ir arī cietvielu iztvaikošanai pretējs process – desublimācija, kad uzreiz no vielas tvaikiem kristalizējas cieta viela. Desublimāciju izmanto dažādās tehnoloģijās, piemēram, vakuumā no tvaikiem iegūst plānas kristālisku vielu kārtiņas, ko izmanto mikroelektronikā. Amorfām vielām nav noteiktas kušanas temperatūras. Amorfajās vielās, lai gan to atomi un molekulas arī ir novietotas blīvi, nepastāv tālā kārtība. Daudzveidīgā cietvielu saime nesastāv tikai no kristāliskām un amorfām vielām. Ir pazīstamas vielas polimēri. To izcelsme var būt gan dabiska, gan mākslīga. Polimēri ir lielmolekulārie savienojumi. Vēl viena nozīmīga materiālu grupa ir šķidrie kristāli. Tie nav ne kristāliskā viela, ne šķidrā viela. Šādas vielas tagad ir neaizstājamas, piemēram, veidojot elektrisko ierīču displejus.
Šķidrumu vārīšanās.
Šķidruma vārīšanās ir īpašs iztvaikošanas veids. Šķidruma iztvaikošana no tā virs kārtas notiek jebkurā temperatūrā. Jo ir augstāka temperatūra, lielāka šķidruma virsma un stiprāks vējš, jo straujāka ir iztvaikošana. Savukārt šķidruma vārīšanās laikā notiek šķidruma iztvaikošanās visā tā tilpumā. Ūdens sāk vārīties tad, kad tiek sasniegta vārīšanās temperatūra. Vārīšanās sākumā lielie burbuļi galvenokārt uzrodas gar trauka dibenu un sienām, kas silst straujāk. Pēc tam tie parādās visā šķidruma tilpumā un sākas lavīnveida gaisa bubuļu pacelšanās un plīšana. Atbrīvotais tvaiks virmo virs ūdens – viss šķidrums vārās. Šķidruma vārīšanās ir iztvaikošana visā šķidruma tilpumā. Vārīšanās temperatūra ir atkarīga no atmosfēras spiediena šķidruma ārpusē. Ārējo spiedienu rada piesātinātais ūdens tvaiks, kas aizpilda trauku irs šķidruma. Augsta ūdens tvaika temperatūra ir nozīmīga siltumenerģijas ražošanā. Ārējam spiedienam kļūstot zemākam par normālo atmosfēras spiedienu, ūdens vārīšanās temperatūra kļūst zemāka par 100o C . Bez spiediena katla šajā augstumā ēdienu izvārīt nevar. Ja šķidrumā nav vārīšanās, piemēram, gaisa burbulīši, tad tas vispār nevar uzvārīties. Normālā atmosfēras spiedienā tāda „tīra” ūdens temperatūra var paaugstināt virs 100O C, bet tas joprojām nevārīsies. Šķidrums šādā stāvoklī irt pārkarsēts šķidrums. Līdzīgi kā pārsātināts tvaiks, arī pārkarsēts šķidrums nav stabils. Uzvārīt var visus šķidrumus, ne tikai ūdeni, pienu, spirtu – vielas, kuras parasti esam pieraduši redzēt šķidrā stāvoklī. Uzvārīt var arī cietas vielas, piemēram, metāls. Šķidrumu vārīšanās temperatūru atšķirību izmanto, lai atdalītu vielas to maisījumos.
Fāze un fāzu pārejas. Vielas stāvokļa diagramma.
Viela noteiktos apstākļos – temperatūrā un spiedienā- var būt gan cietā, gan šķidrā, gan gāzveida stāvoklī. Katru šādu stāvokli sauc par vielas fāzi. Taču tas, vai viela ir cietā, šķidrā vai gāzveida stāvoklī, nav vienīgā atšķirība starp vielas fāzēm. Var būt arī tā, ka vienai un tai pašai kristāliskai vielai cietā stāvoklī ir vairākas atšķirīgas fāzes- dažādas kristāliskas struktūras. Ledus ir sastopams pat piecās dažādās fāzēs. Dzelzs, ja to sasilda no istabas temperatūras līdz kušanas temperatūrai vairākkārtīgi maina savu fāzi. Skatoties uz šo procesu, acīm redzami varam ieraudzīt atšķirības tikai starp dzelzs šķidro un cieto fāzi, turpretī dažādās dzelzs kristāliskās fāzes pēc izskata nav atšķiramas. Parasti vienas vielas vairākas fāzes ir vērojamas vienlaikus. Virs ūdens virmo ūdens tvaiks, ledus gabals kūstot peld ūdenī. Šajos gadījumos vienmēr var norādīt kādu fāzes atdalošo robežvirsma- ūdens tvaiks pastāv virs ūdens brīvās virsmas, ledus gabals kūst uz virsmas, kas to atdala no ūdens. Uz robežas starp fāzēm novēro vielas pāreju no vienas fāzes citā fāzē. Te notiek vielas atomārās vai molekulārās struktūras maiņa, kuru sauc par fāzu pāreju. Fāzu pāreja vienmēr ir abpusēja. Ūdens molekulas gan iztvaiko, gan arī kondensējas. Starp vielas jebkurām divām fāzēm iestājas dinamisks līdzsvars. Šo fāzu līdzsvaru var ērti attēlot grafiski koordinātās. Līdzsvars iezīmējas ar līknēm. Šādu grafisko attēlojumu sauc par diagrammu. Vielas stāvokļa diagrammā vienmēr ir punkts, kurā visi trīs stāvokļi (ciets, šķidrs, gāzveida) ir savstarpējā līdzsvarā. Šo punktu sauc par vielas stāvokļa trīskāršo punktu. Tas viennozīmīgi norāda to temperatūru un spiedienu, kuros nevar atšķirt, kas ir traukā- cieta viela, šķidrums.
Augstās un zemās temperatūras.
Gāzu sašķidrināšana Dabā nepastāv temperatūras augstākā robeža. Ikdienā par lielu mēs dēvējam tādu temperatūru, kurā kūst, piemēram, tāds grūti kausējams metāls kā platīns. Taču tā ne tuvu nav augstāka temperatūra, ko iegūst uz zemes. Piemēram, elektriskajā izlādē gāzēs, arī zibens kanālā temperatūra var sasniegt pat desmitiem tūkstošu grādu. Lai gan ikdienā ar tik lielām temperatūrām mums neiznāk sastapties, tomēr Visumā tūkstošiem un miljoniem grādu augstas temperatūras nav nekas īpašs. Tik augstās vielās nav vairs ne molekulu, arī atomu kodoli ir sadalījušies. Temperatūrai samazinoties, tā nekad nevar būt zemāka par nulli. Sasniegt tādu nevar , jo siltumkustība pastāv vienmēr. Taču absolūtās nulles stāvoklim var tuvoties. Uz zemas un vēl zemākas temperatūras uz zemes dabiskajos apstākļos nemēdz būt. Tāpēc zemās, tāpat kā augstās temperatūras, nākas iegūt mākslīgi – īpašos procesos laboratorijās. Gaisā esošais ūdens tvaiks kondensējas tad, kad gaisa temperatūra pazeminās līdz rasas punktam. Lai sašķidrinātu gāzi, to saspiežot, gāzes temperatūrai ir jābūt zemākai par katrai gāzei raksturīgu kritisko temperatūru. Ir jau zināms, ka temperatūra ir augstāka par kritisko, tas viela var pastāvēt tikai gāzveida stāvoklī un nekādā spiedienā to neizdosies pārvērst par šķidrumu. Tāpēc, lai gaisa sastāvā esošās gāzes sašķidrinātu un uzglabātu normālā atmosfēras spiedienā, temperatūrai jābūt vēl zemākai par kritisko temperatūru. Dažādu gāzu atšķirīgo kondensēšanos temperatūru izmanto, lai varētu gaisa sastāvā esošās gāzes atdalīt vienu no otras. Temperatūrai pazeminoties, pirmais sašķidrinās skābeklis, un tikai pēc tam, jau zemākā temperatūrā, slāpeklis. Savukārt paaugstinot, notiek pretēji. Vēlēšanās sašķidrināt gaisā esošās gāzes veicināja zemo temperatūru iegūšanas metodes. Gāze strauji izplešoties, tā atdziest. Daudzas vielas tik tuvu absolūtās nulles temperatūrai maina savas īpašības. Virkne metālu ir supravadītājiem.