Sự thoát hơi nước của cây lớn: máy điều hòa tự nhiên?

1.

$$m=\rho_{\text{water}}V=1{,}0\times10^3\times5{,}0\times10^{-1} =5{,}0\times10^2\,\text{kg}, Q_{\mathrm{evap}}=mL_v=5{,}0\times10^2\times2{,}26\times10^6 =1{,}13\times10^9\,\text{J}.$$

Đó là năng lượng cỡ một gigajoule.

2. Hóa hơi là chuyển pha thu nhiệt: cần năng lượng $Q_{\mathrm{evap}}$. Năng lượng này chủ yếu đến từ bức xạ mặt trời mà tán lá hấp thụ: thay vì làm nóng lá (nhiệt hiện), năng lượng mặt trời nhận được được chuyển thành nhiệt ẩn hóa hơi. Nhờ đó lá vẫn mát hơn so với trường hợp toàn bộ năng lượng hấp thụ chuyển thành nhiệt độ tăng, và đó chính là nguồn gốc hiệu ứng làm mát của sự thoát hơi nước. 3. Mười hai giờ là $\tau=12\times3600=4{,}32\times10^4\,\text{s}$. Do đó

$$P_{\text{tree}}=\frac{Q_{\mathrm{evap}}}{\tau} =\frac{1{,}13\times10^9}{4{,}32\times10^4}\approx2{,}62\times10^4\,\text{W},$$

và trên đơn vị diện tích

$$\frac{P_{\text{tree}}}{A_{\text{tree}}} =\frac{2{,}62\times10^4}{50}\approx5{,}2\times10^2\,\text{W}\!\cdot\!\text{m}^{-2}.$$

Kiểm tra tính hợp lý: vì năng lượng này chủ yếu đến từ bức xạ mặt trời được hấp thụ (câu 2), thật yên tâm khi thấy $5{,}2\times10^2\,\text{W}\!\cdot\!\text{m}^{-2}$ có cùng bậc độ lớn với cường độ bức xạ mặt trời nhận được ở mặt đất vào ngày trời quang, đạt cực đại khoảng $10^3\,\text{W}\!\cdot\!\text{m}^{-2}$ và trung bình ngày chỉ vài trăm $\text{W}\!\cdot\!\text{m}^{-2}$. Điều này xác nhận rằng một cây được cung cấp đủ nước, vào một ngày nóng và nắng, thực sự có thể thải bớt một phần đáng kể năng lượng mặt trời nhận được thông qua thoát hơi nước.

4.

$$P_{\text{cool}}=\mathrm{COP}\,P_{\mathrm{el}} =3{,}0\times7{,}0\times10^2=2{,}1\times10^3\,\text{W}, \frac{P_{\text{cool}}}{A_{\text{room}}} =\frac{2{,}1\times10^3}{20}\approx1{,}1\times10^2\,\text{W}\!\cdot\!\text{m}^{-2}.$$

Trong mô hình này, công suất thoát hơi trên đơn vị diện tích của cây gấp khoảng năm lần máy điều hòa thông thường.

5. So sánh chỉ liên quan đến dòng năng lượng. Máy điều hòa làm mát thể tích kín và được kiểm soát; hơi từ cây phân tán vào khí quyển và gió mang không khí nóng tới. Cảm giác phụ thuộc vào thông gió, độ ẩm, nhiệt độ và khoảng cách đến cây. Sự thoát hơi còn thay đổi theo ánh nắng, gió, độ ẩm, loài cây và lượng nước, và có thể giảm mạnh khi hạn hán. Cây cũng tạo bóng râm, trực tiếp giảm bức xạ mặt trời tới đất và con người. Vì vậy phép tính so sánh bậc độ lớn chứ không chứng minh sự tương đương chính xác về tiện nghi nhiệt. 6. Trên thực tế, tác dụng làm mát của cây trong nhà rất nhỏ. Ở hầu hết cây, ánh sáng thúc đẩy khí khổng mở; hơi nước thoát qua các lỗ nhỏ này trên lá. Ánh sáng trong nhà thường yếu nên khí khổng mở ít và thoát hơi giảm. Trong phòng ít thông gió, độ ẩm tăng cũng dần làm chậm bay hơi. Nhiều cây có thể gây làm mát bay hơi nhẹ tại chỗ nhưng không thay thế máy điều hòa. Muốn liên tục đưa năng lượng ra khỏi nhà phải thải không khí ẩm ra ngoài. Ánh sáng nhân tạo mạnh có thể kích thích thoát hơi, nhưng điện năng của nó gần như hoàn toàn trở thành nhiệt trong phòng. Thực vật CAM thích nghi với môi trường khô, gồm xương rồng, là ngoại lệ: khí khổng chủ yếu mở ban đêm.