汽车挡风玻璃上起雾的原因及消除方法的分析

苏明义

(北京市海淀区教师进修学校，北京 100195)

1 雾的成因

我们知道,某种液体表面上方液体蒸汽的浓度与温度有关,在不同温度下液体蒸汽的浓度不同,这些蒸汽所形成的压强也不同．当在某一温度下液体表面上方液体蒸汽浓度到达最大值时的蒸汽称为饱和气,其所具有的压强,叫做这种液体在此温度下的饱和蒸汽压．对于同种液体来说,温度越高其饱和蒸汽压值越大．空气中所含的水蒸汽达到过饱和状态,并且在有凝结核的情况下,就会液化成水．如果这个液化过程发生在汽车玻璃或植物的枝叶上,就形成了露;此时若空中有悬浮的凝结核,则液化在空中产生便形成雾．不论露还是雾其实都是小水珠,只是雾是漂浮在空中的更小的水珠,而露是若干个小水珠聚积在一起形成了较大一点的小水珠,它们通常位于植物的枝叶或某些物体的表面上．可见,雾的形成是受到空气中水蒸汽气压值(水蒸汽的含量)、温度和凝结核这3个因素的影响．

表1给出了不同温度下水蒸汽的饱和蒸汽压值．水蒸汽液化的条件是其压强要达到或超过饱和蒸汽压,且要有凝结核．如果现在环境的温度都在15℃,此时空气中水蒸汽的压强p实=1.23×103Pa,在15℃时水蒸汽的饱和蒸汽压p饱1=1.71×103Pa,由于p实p饱2,所以相对于汽车玻璃表面的低温,此时空气中的水蒸汽属于过饱和气,所以就会在汽车玻璃表面出现露(雾)．

如果车内空间和玻璃的温度是5℃,此时水蒸汽的饱和蒸汽压p饱2=0.87×103Pa,由于p实>p饱2,因此就会在车内空间出现雾同时在玻璃内表面上出现露(雾)．

表1

2 汽车挡风玻璃上的雾出现位置的分析

汽车挡风玻璃在不同季节都可能出现起雾的现象,这要具体分析当时空中水蒸汽的气压值和挡风玻璃的温度的关系．

2.1 车内的玻璃上起雾的原因

图1

在气温较低的天气开车,当车内的乘客较多或车内开有暧风时,容易出现车内玻璃起雾的情况,如图1所示．

为了便于分析,我们结合表1给出一些具体数据来分析．假设当时车外气温为10℃,其对应水蒸汽的饱和蒸汽压p饱1=1.23×103Pa;汽车挡风玻璃内表面的温度为15℃,其对应水蒸汽的饱和蒸汽压p饱2=1.71×103Pa;车外空气中水蒸汽的压强p实1=0.71×103Pa;此时由于p实1

但车内由于乘客较多或开暧风的原因,车内空气的温度升为25℃,其对应水蒸汽的饱和蒸汽压p饱3=3.17×103Pa;车内温度升高使得车内水蒸汽浓度较大,设此时车内实际水蒸汽的压强p实2=2.20×103Pa．由于p实2p饱2,所以在玻璃的内表面会出现露(雾)．

当然,气温并不低的夏季的雨天里,有时也会出现车内玻璃上起雾的现象,这是由于雨水浇到玻璃上使玻璃的温度降低,此时车内的水蒸汽相对于车内的气温来说是未饱和蒸汽,但相对于温度较低的玻璃表面却属于过饱和蒸汽,因此会在玻璃表面液化为露(雾)．

2.2 车外的玻璃上起雾的原因

在初春、深秋和冬天,有时挡风玻璃的外表面会有一层露(雾),如图2所示．此时在车内擦玻璃是不管用的,必须借助车外的雨刷器来除雾(雾)．这是车外空气中的水蒸汽在温度较低的玻璃上液化的结果．同样,我们结合表1给出一些具体数据来分析．

图2

假设夜间的最低气温为2℃,到早晨气温上升到8℃,其对应水蒸汽的饱和蒸汽压p饱1=1.07×103Pa;从深夜到早晨随着气温的升高等原因,空气中水蒸汽的压强升高到p实1=0.81×103Pa．由于p实1p饱2,所以在空气中的水蒸汽就会在玻璃的外表面形成露(雾)．

3 消除汽车挡风玻璃上的雾的方法

3.1 消除车内玻璃上的雾的方法

(1) 加热法.

从理论上讲,车内玻璃上出现雾时,只要提高玻璃表面的温度,就可以使原来的饱和水蒸汽变成未饱和气．但实际上在玻璃上出现雾时,若采取开暖风来提高玻璃温度的方法往往并不能收到消除雾的效果．这主要是因为开暖风后,车内乘客由于车内气温升高而大量向外蒸发出水蒸汽,从而使得车内的水蒸汽浓度加大,从而使水蒸汽的压强变大．

如原来车内水蒸汽的压强p实1=1.23×103Pa,车内空气温度为15℃,其对应水蒸汽的饱和蒸汽压p饱1=1.71×103Pa;玻璃表面的温度为8℃,其对应水蒸汽的饱和蒸汽压p饱2=1.07×103Pa．由于p实1p饱2,所以就会在玻璃表面出现露(雾)．

在车内水蒸汽压强维持p实1=1.23×103Pa不变的情况下,只要用暖风将玻璃的温度提升到10℃以上,玻璃上的雾就会消失．但实际上,当开启暖风后,车内乘客由于环境温度升高而加快体内水份的蒸发,可能造成车内水蒸汽压强升高至p实2=2.0×103Pa,如果此时玻璃表面的温度从8℃升高到15℃,车内气温从15℃升到25℃,其对应水蒸汽的饱和蒸汽压p饱3=3.17×103Pa．由于p实2p饱1,所以水蒸汽还是会在玻璃表面上液化成露(雾)的,因此玻璃上的雾照样不会消失．

当然,如果车内乘客不多,车内原有水蒸汽相对玻璃表面温度的饱和蒸汽压差距不大,适当开启暖风并集中吹向挡风玻璃,还是可以消除玻璃上的雾的．

(2) 降温法.

在清楚玻璃上产生雾的原因后,我们可以采用降温法来消除玻璃上的雾．

如原来车内水蒸汽的压强p实1=2.64×103Pa,车内空气温度为26℃,其对应水蒸汽的饱和蒸汽压p饱1=3.36×103Pa;玻璃表面的温度为20℃,其对应水蒸汽的饱和蒸汽压p饱2=2.34×103Pa．由于p实1p饱2,所以车内水蒸汽在玻璃的内表面发生液化而出现露(雾)．

此时开启冷风降低车内的温度(此降温过程通常还会减缓人体水份的蒸发,因此不会导致车内水蒸汽的浓度增大),当车内的温度降至20℃以下时,就会出现p实1>p饱2情景,车内压强为2.64×103Pa的水蒸汽对车内的空气来说属于过饱和气,因此就会在车内空气中液化成雾,从而使车内的水蒸汽的压强降至2.34×103Pa以下.这样车内的水蒸汽在20℃的玻璃表面就不会发生液化了,从而实现消除玻璃上雾的目的．

当然,降温也不一定要开冷风,有时打开一下车窗,就是一种简单易行的降温方法．

(3) 降压法.

有一种最简单有效的方法,就是将车窗打开一点,放出车内多余的水蒸汽,使车内外的水蒸汽的压强接近相等．

如原来车内水蒸汽的压强p实1=2.64×103Pa,车内空气温度为26℃,其对应水蒸汽的饱和蒸汽压p饱1=3.36×103Pa;玻璃表面的温度为20℃,其对应水蒸汽的饱和蒸汽压p饱2=2.34×103Pa;车外水蒸汽的压强p实2=1.94×103Pa,车外的温度18℃,其对应水蒸汽的饱和蒸汽压p饱2=2.06×103Pa．由于p实2p饱2,所以就会在玻璃表面出现露(雾)．此时如果将车窗打开一些,车内外的空气对流,就使得车内的水蒸汽减少,可能达到与车外相同的压强(1.94×103Pa),而这个压强为1.94×103Pa的水蒸汽相对于玻璃表面的温度属于未饱和气,因此也不会在玻璃的内表面形成露(雾)．

3.2 消除车外玻璃上的雾的方法

对于车外玻璃上的雾,由于目标就是让其表面的水滴尽快汽化,所以通常所说的“加速蒸发的方法”都可以有用:用雨刷器刮玻璃上的雾层,可以减少待蒸发水的数量并增大蒸发的表面积;向玻璃吹暖风提升液体的温度;使车开动起来可以加速液面上方空气的流动．当然,在水雾未消除之前开动车辆,还需要注意安全．

4 防止汽车挡风玻璃上的雾的方法

清楚了汽车玻璃上起雾的原因,人们可以从预防的角度出发,采取主动让措施防止玻璃上起雾或减小雾对行车视线的影响．

4.1 保持玻璃表面的清洁

汽车挡风玻璃上起雾除了跟上述分析的温度、水的蒸汽压强有关外,还与车窗玻璃表面附有灰尘有关,这些灰尘构成了水蒸汽液化的凝结核,为玻璃表面出现露(雾)创造了很好的条件．如果能保持玻璃表面的清洁,减少凝结核,在其他条件相同的情况下就能适当降低玻璃表面出现露(雾)的程度．

4.2 玻璃防雾剂涂层

水蒸汽在玻璃表面液化形成了许多微小水珠,而每一水珠对光的传播在起着透镜的作用的同时还对光形成漫射,从而显著降低了玻璃的透明程度．因此当水蒸汽在玻璃表面液化现象不可避免时,可以破坏“小水珠”的办法来消除“雾”对人们视线的影响．

要破坏“小水珠”对人们视线的影响,人们根据不同的思路制造出了不同的“玻璃防雾剂”,利用在玻璃材料表面涂抹特殊物质,改变水与玻璃表面的浸润程度,从而达到“防雾”的效果,具体方法有如下两个相反的解决思路．

(1) 增大水与玻璃间的浸润程度.

增强玻璃表面亲水性,即增大水与玻璃表面的浸润程度(如图3所示),使凝聚在表面上的小水珠在玻璃表面铺展开而薄膜化,减少了对光的折射和漫反射的效果,从而保证了玻璃的透明度.

图3

(2) 减小水与玻璃间的浸润程度.

消弱玻璃表面亲水性,即减小水与玻璃表面的浸润程度(如图3所示),使凝聚在表面上的小水珠在玻璃表面更趋于“球形”,从而小水珠不能吸附在玻璃表面,而是形成较大的水滴,并其自身重力的作用下滑落,来达到防雾目的．

4.3 纳米复合防雾玻璃

纳米玻璃防雾膜是利用纳米技术对玻璃表面层进行处理后,改善了琉璃表面的亲水功能,使水蒸汽在玻璃表面液化时无法在玻璃表面形成小水珠,而是形成均匀的水膜,从而达到防雾的效果．