汽車擋風玻璃上起霧的原因及消除方法的分析

蘇明義

(北京市海淀區(qū)教師進修學校，北京 100195)

1 霧的成因

我們知道,某種液體表面上方液體蒸汽的濃度與溫度有關,在不同溫度下液體蒸汽的濃度不同,這些蒸汽所形成的壓強也不同．當在某一溫度下液體表面上方液體蒸汽濃度到達最大值時的蒸汽稱為飽和氣,其所具有的壓強,叫做這種液體在此溫度下的飽和蒸汽壓．對于同種液體來說,溫度越高其飽和蒸汽壓值越大．空氣中所含的水蒸汽達到過飽和狀態(tài),并且在有凝結核的情況下,就會液化成水．如果這個液化過程發(fā)生在汽車玻璃或植物的枝葉上,就形成了露;此時若空中有懸浮的凝結核,則液化在空中產生便形成霧．不論露還是霧其實都是小水珠,只是霧是漂浮在空中的更小的水珠,而露是若干個小水珠聚積在一起形成了較大一點的小水珠,它們通常位于植物的枝葉或某些物體的表面上．可見,霧的形成是受到空氣中水蒸汽氣壓值(水蒸汽的含量)、溫度和凝結核這3個因素的影響．

表1給出了不同溫度下水蒸汽的飽和蒸汽壓值．水蒸汽液化的條件是其壓強要達到或超過飽和蒸汽壓,且要有凝結核．如果現(xiàn)在環(huán)境的溫度都在15℃,此時空氣中水蒸汽的壓強p實=1.23×103Pa,在15℃時水蒸汽的飽和蒸汽壓p飽1=1.71×103Pa,由于p實p飽2,所以相對于汽車玻璃表面的低溫,此時空氣中的水蒸汽屬于過飽和氣,所以就會在汽車玻璃表面出現(xiàn)露(霧)．

如果車內空間和玻璃的溫度是5℃,此時水蒸汽的飽和蒸汽壓p飽2=0.87×103Pa,由于p實>p飽2,因此就會在車內空間出現(xiàn)霧同時在玻璃內表面上出現(xiàn)露(霧)．

表1

2 汽車擋風玻璃上的霧出現(xiàn)位置的分析

汽車擋風玻璃在不同季節(jié)都可能出現(xiàn)起霧的現(xiàn)象,這要具體分析當時空中水蒸汽的氣壓值和擋風玻璃的溫度的關系．

2.1 車內的玻璃上起霧的原因

圖1

在氣溫較低的天氣開車,當車內的乘客較多或車內開有曖風時,容易出現(xiàn)車內玻璃起霧的情況,如圖1所示．

為了便于分析,我們結合表1給出一些具體數(shù)據(jù)來分析．假設當時車外氣溫為10℃,其對應水蒸汽的飽和蒸汽壓p飽1=1.23×103Pa;汽車擋風玻璃內表面的溫度為15℃,其對應水蒸汽的飽和蒸汽壓p飽2=1.71×103Pa;車外空氣中水蒸汽的壓強p實1=0.71×103Pa;此時由于p實1

但車內由于乘客較多或開曖風的原因,車內空氣的溫度升為25℃,其對應水蒸汽的飽和蒸汽壓p飽3=3.17×103Pa;車內溫度升高使得車內水蒸汽濃度較大,設此時車內實際水蒸汽的壓強p實2=2.20×103Pa．由于p實2p飽2,所以在玻璃的內表面會出現(xiàn)露(霧)．

當然,氣溫并不低的夏季的雨天里,有時也會出現(xiàn)車內玻璃上起霧的現(xiàn)象,這是由于雨水澆到玻璃上使玻璃的溫度降低,此時車內的水蒸汽相對于車內的氣溫來說是未飽和蒸汽,但相對于溫度較低的玻璃表面卻屬于過飽和蒸汽,因此會在玻璃表面液化為露(霧)．

2.2 車外的玻璃上起霧的原因

在初春、深秋和冬天,有時擋風玻璃的外表面會有一層露(霧),如圖2所示．此時在車內擦玻璃是不管用的,必須借助車外的雨刷器來除霧(霧)．這是車外空氣中的水蒸汽在溫度較低的玻璃上液化的結果．同樣,我們結合表1給出一些具體數(shù)據(jù)來分析．

圖2

假設夜間的最低氣溫為2℃,到早晨氣溫上升到8℃,其對應水蒸汽的飽和蒸汽壓p飽1=1.07×103Pa;從深夜到早晨隨著氣溫的升高等原因,空氣中水蒸汽的壓強升高到p實1=0.81×103Pa．由于p實1p飽2,所以在空氣中的水蒸汽就會在玻璃的外表面形成露(霧)．

3 消除汽車擋風玻璃上的霧的方法

3.1 消除車內玻璃上的霧的方法

(1) 加熱法.

從理論上講,車內玻璃上出現(xiàn)霧時,只要提高玻璃表面的溫度,就可以使原來的飽和水蒸汽變成未飽和氣．但實際上在玻璃上出現(xiàn)霧時,若采取開暖風來提高玻璃溫度的方法往往并不能收到消除霧的效果．這主要是因為開暖風后,車內乘客由于車內氣溫升高而大量向外蒸發(fā)出水蒸汽,從而使得車內的水蒸汽濃度加大,從而使水蒸汽的壓強變大．

如原來車內水蒸汽的壓強p實1=1.23×103Pa,車內空氣溫度為15℃,其對應水蒸汽的飽和蒸汽壓p飽1=1.71×103Pa;玻璃表面的溫度為8℃,其對應水蒸汽的飽和蒸汽壓p飽2=1.07×103Pa．由于p實1p飽2,所以就會在玻璃表面出現(xiàn)露(霧)．

在車內水蒸汽壓強維持p實1=1.23×103Pa不變的情況下,只要用暖風將玻璃的溫度提升到10℃以上,玻璃上的霧就會消失．但實際上,當開啟暖風后,車內乘客由于環(huán)境溫度升高而加快體內水份的蒸發(fā),可能造成車內水蒸汽壓強升高至p實2=2.0×103Pa,如果此時玻璃表面的溫度從8℃升高到15℃,車內氣溫從15℃升到25℃,其對應水蒸汽的飽和蒸汽壓p飽3=3.17×103Pa．由于p實2p飽1,所以水蒸汽還是會在玻璃表面上液化成露(霧)的,因此玻璃上的霧照樣不會消失．

當然,如果車內乘客不多,車內原有水蒸汽相對玻璃表面溫度的飽和蒸汽壓差距不大,適當開啟暖風并集中吹向擋風玻璃,還是可以消除玻璃上的霧的．

(2) 降溫法.

在清楚玻璃上產生霧的原因后,我們可以采用降溫法來消除玻璃上的霧．

如原來車內水蒸汽的壓強p實1=2.64×103Pa,車內空氣溫度為26℃,其對應水蒸汽的飽和蒸汽壓p飽1=3.36×103Pa;玻璃表面的溫度為20℃,其對應水蒸汽的飽和蒸汽壓p飽2=2.34×103Pa．由于p實1p飽2,所以車內水蒸汽在玻璃的內表面發(fā)生液化而出現(xiàn)露(霧)．

此時開啟冷風降低車內的溫度(此降溫過程通常還會減緩人體水份的蒸發(fā),因此不會導致車內水蒸汽的濃度增大),當車內的溫度降至20℃以下時,就會出現(xiàn)p實1>p飽2情景,車內壓強為2.64×103Pa的水蒸汽對車內的空氣來說屬于過飽和氣,因此就會在車內空氣中液化成霧,從而使車內的水蒸汽的壓強降至2.34×103Pa以下.這樣車內的水蒸汽在20℃的玻璃表面就不會發(fā)生液化了,從而實現(xiàn)消除玻璃上霧的目的．

當然,降溫也不一定要開冷風,有時打開一下車窗,就是一種簡單易行的降溫方法．

(3) 降壓法.

有一種最簡單有效的方法,就是將車窗打開一點,放出車內多余的水蒸汽,使車內外的水蒸汽的壓強接近相等．

如原來車內水蒸汽的壓強p實1=2.64×103Pa,車內空氣溫度為26℃,其對應水蒸汽的飽和蒸汽壓p飽1=3.36×103Pa;玻璃表面的溫度為20℃,其對應水蒸汽的飽和蒸汽壓p飽2=2.34×103Pa;車外水蒸汽的壓強p實2=1.94×103Pa,車外的溫度18℃,其對應水蒸汽的飽和蒸汽壓p飽2=2.06×103Pa．由于p實2p飽2,所以就會在玻璃表面出現(xiàn)露(霧)．此時如果將車窗打開一些,車內外的空氣對流,就使得車內的水蒸汽減少,可能達到與車外相同的壓強(1.94×103Pa),而這個壓強為1.94×103Pa的水蒸汽相對于玻璃表面的溫度屬于未飽和氣,因此也不會在玻璃的內表面形成露(霧)．

3.2 消除車外玻璃上的霧的方法

對于車外玻璃上的霧,由于目標就是讓其表面的水滴盡快汽化,所以通常所說的“加速蒸發(fā)的方法”都可以有用:用雨刷器刮玻璃上的霧層,可以減少待蒸發(fā)水的數(shù)量并增大蒸發(fā)的表面積;向玻璃吹暖風提升液體的溫度;使車開動起來可以加速液面上方空氣的流動．當然,在水霧未消除之前開動車輛,還需要注意安全．

4 防止汽車擋風玻璃上的霧的方法

清楚了汽車玻璃上起霧的原因,人們可以從預防的角度出發(fā),采取主動讓措施防止玻璃上起霧或減小霧對行車視線的影響．

4.1 保持玻璃表面的清潔

汽車擋風玻璃上起霧除了跟上述分析的溫度、水的蒸汽壓強有關外,還與車窗玻璃表面附有灰塵有關,這些灰塵構成了水蒸汽液化的凝結核,為玻璃表面出現(xiàn)露(霧)創(chuàng)造了很好的條件．如果能保持玻璃表面的清潔,減少凝結核,在其他條件相同的情況下就能適當降低玻璃表面出現(xiàn)露(霧)的程度．

4.2 玻璃防霧劑涂層

水蒸汽在玻璃表面液化形成了許多微小水珠,而每一水珠對光的傳播在起著透鏡的作用的同時還對光形成漫射,從而顯著降低了玻璃的透明程度．因此當水蒸汽在玻璃表面液化現(xiàn)象不可避免時,可以破壞“小水珠”的辦法來消除“霧”對人們視線的影響．

要破壞“小水珠”對人們視線的影響,人們根據(jù)不同的思路制造出了不同的“玻璃防霧劑”,利用在玻璃材料表面涂抹特殊物質,改變水與玻璃表面的浸潤程度,從而達到“防霧”的效果,具體方法有如下兩個相反的解決思路．

(1) 增大水與玻璃間的浸潤程度.

增強玻璃表面親水性,即增大水與玻璃表面的浸潤程度(如圖3所示),使凝聚在表面上的小水珠在玻璃表面鋪展開而薄膜化,減少了對光的折射和漫反射的效果,從而保證了玻璃的透明度.

圖3

(2) 減小水與玻璃間的浸潤程度.

消弱玻璃表面親水性,即減小水與玻璃表面的浸潤程度(如圖3所示),使凝聚在表面上的小水珠在玻璃表面更趨于“球形”,從而小水珠不能吸附在玻璃表面,而是形成較大的水滴,并其自身重力的作用下滑落,來達到防霧目的．

4.3 納米復合防霧玻璃

納米玻璃防霧膜是利用納米技術對玻璃表面層進行處理后,改善了琉璃表面的親水功能,使水蒸汽在玻璃表面液化時無法在玻璃表面形成小水珠,而是形成均勻的水膜,從而達到防霧的效果．