鼓勵地理一輪復(fù)習(xí)超前培優(yōu)課件大氣水的蒸發(fā)和凝結(jié)-論證、探討大學(xué)地理知識

1、論證、探討大學(xué)地理知識大氣水的蒸發(fā)和凝結(jié)超前培優(yōu)一、水相變化的判據(jù) 單位時間內(nèi)跑出水面的水分子數(shù)與溫度成正比，單位時間內(nèi)落回水中的水分子數(shù)與空氣中水汽含量有關(guān)，兩者是水和水汽兩相變化和平衡的判據(jù)，即出水分子回水分子（未飽和）出水分子=回水分子（飽和）出水分子水汽壓（未飽和）飽和水汽壓=水汽壓（飽和）飽和水汽壓水汽壓（過飽和） 某一溫度下對應(yīng)的冰面上的飽和水汽壓也可得到冰和水汽兩相變化和平衡的公式。說明水相變化是可以由實測的水汽壓值與同溫度下飽和水汽壓值比較判定。 （一）水的位相平衡。水的三種相態(tài)分別存在于不同的溫度和壓強條下。 水只存在于0以上的區(qū)域，冰只存在于0以下的區(qū)域，水汽雖然可存在于0

2、以上及以下的區(qū)域，但其壓強卻被限制在一定值域下。 圖中OA線和OB線分別表示水與水汽、冰與水汽兩相共存時的狀態(tài)曲線。顯然這兩條曲線上各點的壓強就是在相應(yīng)溫度下水汽的飽和水汽壓，因為只有水汽達到飽和時，兩相才能共存。 所以O(shè)A線又稱蒸發(fā)線，表示水與水汽處于動態(tài)平衡時水面上飽和水汽壓與溫度的關(guān)系。 線上K點所對應(yīng)的溫度和水汽壓是水汽的臨界溫度和臨界壓力，高于臨界溫度時就只能有氣態(tài)存在，因此蒸發(fā)線在K點中斷。 OB稱升華線，它表示冰與水汽平衡時冰面上飽和水汽壓與溫度的關(guān)系。 0線是融解線，表示冰與水達到平衡時壓力與溫度的關(guān)系。O點為三相共存點。此時溫度為0.0076，水汽壓為6.11hPa。 上述三

3、線劃分了冰、水、水汽的三個區(qū)域，在各個區(qū)域內(nèi)不存在兩相間的穩(wěn)定平衡。例如圖中點1位于OA線之下，水汽壓飽和水氣壓，此時水要蒸發(fā)。 高溫時，飽和水汽壓大，空氣中所能容納的水汽含量增多，因而能使原來已處于飽和狀態(tài)的蒸發(fā)面會因溫度升高而變得不飽和，蒸發(fā)重新出現(xiàn)；如果降低飽和空氣的溫度，由于飽和水汽壓減小，就會有多余的水汽凝結(jié)出來。 飽和水汽壓隨溫度改變的量，在高溫時要比低溫時大。例如溫度由30降低到25，飽和水汽壓減少10.76hPa,而溫度從15降到10，飽和水汽壓只減少4.77hPa。所以降低同樣的溫度，在高溫飽和空氣中形成的云要濃一些，這也說明了為什么暴雨總是發(fā)生在暖季。(二)飽和水汽壓與蒸發(fā)

4、面的關(guān)系 水分子欲脫出蒸發(fā)面，需克服周圍分子的引力。即使在同一溫度下，不同蒸發(fā)面上的飽和水汽壓也不相同。1.冰面和過冷卻水面的飽和水汽壓 通常，水溫在0時開始結(jié)冰，但是試驗和對云霧的觀測發(fā)現(xiàn)，有時水在0以下，甚至在一20一一30以下仍不結(jié)冰，處于這種狀態(tài)的水稱過冷卻水。而過冷卻水與同溫度下的冰面比較，飽和水汽壓并不一樣。 對于冰面和過冷卻水面，飽和水汽壓仍然是按指數(shù)規(guī)律變化，這就是圖31中OB、OB線所表示的情況。 但冰是固體，冰分子脫出冰面的束縛比水分子脫出水面更困難。當冰面上水汽密度較小時，其落回的分子就足以與脫出的分子平衡，達到飽和。與同溫度下的過冷卻水相比，冰面的飽和水汽壓小。 只有溫

5、度剛好為0時，冰和水處于過渡狀態(tài)，其飽和水汽壓才相等。 在圖32中，E代表同溫度下冰面飽和水汽壓和過冷卻水面飽和水汽壓之差。其變化趨勢如圖中實線所示：自0開始，隨著溫度降低，差值迅速增大，至一12時達最大值（E=0.269hPa)。溫度繼續(xù)降低時，差值減小。 f表示冰面飽和水汽壓占過冷卻水面飽和水汽壓的相對百分數(shù)。它隨溫度的變化如圖中虛線所示。f線隨溫度降低近似于線性遞減溫度愈低，冰面飽和水汽壓占水面飽和水汽壓的比重愈小。 在這種情況下，當水面飽和時，冰面已是過飽和了。或者當冰面上飽和時，水面相對濕度小于100%。所以在冰成云和冰成霧中，常常觀測到相對濕度小于100%的事實。 在云中，冰晶和過

6、冷卻水共存的情況是很普遍的。如果當時的實際水汽壓介于兩者飽和水汽壓之間，就會產(chǎn)生冰水之間的水汽轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。 水滴會因不斷蒸發(fā)而縮小，冰晶會因不斷凝華而增大。這就是“冰晶效應(yīng)”，該效應(yīng)對降水的形成具有重要意義。2.溶液面的飽和水汽壓 不少物質(zhì)都可融解于水中，所以天然水通常是含有溶質(zhì)的溶液。 溶液中溶質(zhì)的存在使溶液內(nèi)分子間的作用力大于純水內(nèi)分子間的作用力，使水分子脫離溶液面比脫離純水面困難。 因此，同一溫度下，溶液面的飽和水汽壓比純水面要小，且溶液濃度愈高，飽和水汽壓愈小。 這種作用對在可溶性凝結(jié)核上形成云或霧的最初胚滴相當重要，且以溶液滴剛形成時顯著，隨著溶液滴的增大，濃度減小，溶液的影響就不明顯

7、了。 此外，水滴上的電荷對水滴表面上的飽和水汽壓也有一定的影響，是使飽和水汽壓減小的一個因素。(三)飽和水汽壓與蒸發(fā)面形狀的關(guān)系 不同形狀的蒸發(fā)面上，水分子受周圍分子的吸引力不同。如圖33所示，三個圓圈分別表示凸水面、平水面和凹水面對A、B、C三點的引力作用范圍。 由圖可知，A分子受到的引力最小，最易脫出水面；C分子受到的引力最大，最難脫出水面；B分子介于二者之間。 因此，溫度相同時，凸面的飽和水汽壓最大，平面次之，凹面最小。 凸面的曲率愈大，飽和水汽壓愈大；凹面的曲率愈大，飽和水汽壓愈小。 云霧中的水滴有大有小，大水滴曲率小，小水滴曲率大。如實際水汽壓介于大小水滴的飽和水汽壓之間，會產(chǎn)生水汽

8、的蒸發(fā)。 小水滴因蒸發(fā)而漸小，大水滴因凝結(jié)而增大，即凝結(jié)增長。這在云霧剛形成的時候作用明顯。四、空氣濕度的時間變化規(guī)律 水汽壓是大氣中水汽絕對含量的表示方法之一，其日變化有兩種。 一是雙峰型：在大陸上湍流混合較強的夏季。水汽壓在一日內(nèi)有兩最高值和兩最低值。 最低值出現(xiàn)在清晨溫度最低時和午后湍流最強時，最高值出現(xiàn)在9一10時和21一22時（圖35中實線）。 峰值原因蒸發(fā)增加的水汽多于湍流擴散減少的水汽。 二是單波型，海洋、沿海和陸地湍流不強的秋冬季多見。水汽壓與溫度日變化一致，最高值在午后溫度最高、蒸發(fā)最強之時，最低值在溫度最低、蒸發(fā)最弱的清晨（圖35中虛線所示)。 水汽壓的年變化與溫度的年變化

9、相似，有一最高值和一最低值。 最高值出現(xiàn)在溫度高、蒸發(fā)強的7一8月份， 最低值出現(xiàn)在溫度低、蒸發(fā)弱的1一2月份。 相對濕度的日變化主要決定于氣溫。氣溫增高，蒸發(fā)加快，水汽壓增大，但飽和水汽壓增大得更多，反使相對濕度減小。 溫度降低，相對濕度增大。相對濕度的日變化與溫度日變化相反，其最高值出現(xiàn)在清晨溫度最低時，最低值出現(xiàn)在午后溫度最高時。 相對濕度的年變化一般以冬季最大，夏季最小。某些季風(fēng)盛行地區(qū)，由于夏季盛行風(fēng)來自于海洋，冬季盛行風(fēng)來自內(nèi)陸，相對濕度反而夏季大，冬季小。 濕度這種有規(guī)律的年、日變化的特征有時會因天氣變化等因素而遭破壞，其中起主要作用的是濕度平流。 由于各地空氣中水汽含量不一樣，

10、當空氣從濕區(qū)流到干區(qū)時（稱為濕平流），引起所經(jīng)地區(qū)濕度的增加。 當空氣從干區(qū)流到濕區(qū)時（稱為干平流），引起所經(jīng)之處的濕度減小。五、大氣中水汽凝結(jié)的條件 一、有凝結(jié)核存在。二、大氣中水汽要達到飽和或過飽和。(一)凝結(jié)核 大氣中水汽壓只要達到或超過飽和，水汽就會凝結(jié)，但實驗室里卻發(fā)現(xiàn)純凈空氣中，水汽過飽和到相對濕度的400%也不會凝結(jié)。這是因為作不規(guī)則運動的水汽分子間引力很小，通過相互碰撞不易結(jié)合為液態(tài)或固態(tài)水。只有巨大過飽和時，純凈的空氣才能凝結(jié)。然而巨大過飽和在自然界不存在。 大氣中存在大量吸濕性微粒，它們比水汽分子大得多，對水分子吸引力也大，有利于水汽分子在其表面集聚，成為水汽凝結(jié)核心。這種

11、促使水汽凝結(jié)的微粒叫凝結(jié)核。其半徑越大，吸濕性越好，周圍水汽越易凝結(jié)。(二)空氣中水汽的飽和或過飽和 大氣中凝結(jié)核總是存在的。能否凝結(jié)取決于空氣是否達到過飽和。使空氣達到過飽和的途徑有兩種：一是蒸發(fā)，增加空氣中水汽，使水汽壓大于飽和水汽壓。二是冷卻，降低飽和水汽壓，使其少于實際水汽壓。也可是二者共同作用。 促使水汽達到過飽和狀態(tài)的過程有：1.暖水面蒸發(fā) 水面蒸發(fā)可增大空氣濕度，但不能使空氣中的水汽凝結(jié)。因為靠近水面的空氣接近飽和時，蒸發(fā)即停止。而當冷空氣流經(jīng)暖水面時，水面溫度比氣溫高，暖水面上的飽和水汽壓比空氣的飽和水汽壓大得多，繼續(xù)蒸發(fā)可使空氣達到過飽和并凝結(jié)。秋冬季的早晨，水面上騰起的蒸發(fā)

12、霧就是這樣形成。2.空氣的冷卻 減小飽和水汽壓主要靠空氣冷卻。大氣的冷卻方式主要有如下三種：(1)絕熱冷卻：空氣上升過程中，體積膨脹對外做功，導(dǎo)致本身冷卻。隨高度升高，溫度降低，飽和水汽壓減小，至一定高度就會出現(xiàn)過飽和狀態(tài)。這一方式對云的形成有重要作用。(2)輻射冷卻：晴朗無風(fēng)的夜間，地面輻射冷卻導(dǎo)致近地面空氣降溫，降低到露點以下時，水汽壓會超過飽和水汽壓產(chǎn)生凝結(jié)。輻射霧就是水汽以這種方式凝結(jié)形成。(3)平流冷卻：暖濕空氣流經(jīng)冷的下墊面，將熱量傳遞給冷地表，造成空氣本身溫度降低。如果暖空氣與冷地面溫度相差較大，暖空氣降溫較多，也可能產(chǎn)生凝結(jié)。(4)混合冷卻：溫差較大且接近飽和的兩團空氣水平混合后，也可能產(chǎn)生凝結(jié)。 飽和水汽壓隨溫度的改變呈指數(shù)曲線形式（如圖37中的曲線)?；旌虾髿鈭F的平均水汽壓可能比混合前氣團平均溫度下的飽和水汽壓大。 圖中A和B分別代表兩個未飽和氣團的溫度、水汽壓和飽和水