第三章大氣中的水分

第三章大氣中的水分王錫平河北師范大學(xué)第一節(jié)

蒸發(fā)和凝結(jié)一、

水相變化水汽是大氣中唯一能由一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的成分。水的三相：氣態(tài)（水汽）、液態(tài)（水）、固態(tài)（冰）沸點(diǎn)100°C，冰點(diǎn)0°C。水的臨界溫度為374°C

在海平面的正常條件下，水的沸點(diǎn)是100℃。如果想不讓水在100℃沸騰的話，必須對(duì)它加壓，目的是壓住水分子-----當(dāng)溫度繼續(xù)上升時(shí)，為了使水不沸騰，你必須施加越來越大的壓力。最后，當(dāng)溫度足夠高時(shí)，再高的壓力也不能阻止它沸騰了。無論壓力多大，只要達(dá)到某個(gè)溫度以上，液體就會(huì)沸騰，這個(gè)溫度被稱作“臨界溫度”。水的臨界溫度是374.2℃。當(dāng)在臨界溫度時(shí)，恰好還能使水保持液態(tài)的那個(gè)壓力，被稱作水的“臨界壓力”。它大約是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的218.3倍。當(dāng)溫度與壓力高于上述數(shù)值時(shí)，就能得到“超臨界水”。與水蒸氣相似，它沒有固定體積并能充滿任何容器。然而，它的密度遠(yuǎn)比水蒸氣高，事實(shí)上是液態(tài)水密度的三分之一。而它最令人驚奇的性質(zhì)是，它能像液態(tài)水一樣溶解物質(zhì)。CO2的臨界溫度是31℃，臨界壓力是72.85標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。H2臨界壓力為-204℃，臨界壓力是12.8標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。1．

水相變化水相變化的物理過程相態(tài)轉(zhuǎn)化以溫度和壓力為條件，以分子力和熱運(yùn)動(dòng)的對(duì)立為依據(jù)。當(dāng)引力位勢(shì)>斥力位勢(shì)時(shí)，氣態(tài)向固態(tài)（液態(tài)）轉(zhuǎn)化；當(dāng)引力位勢(shì)<斥力位勢(shì)時(shí)，固態(tài)（液態(tài)）向氣態(tài)轉(zhuǎn)化。從分子運(yùn)動(dòng)論來看，水相變化是水的各相之間分子交換的過程。在水和水汽兩相共存的系統(tǒng)中，溫度越高，單位時(shí)間內(nèi)跑出水面的水分子越多；水汽濃度越大，單位時(shí)間內(nèi)落回水中的水汽分子越多。2.水分相變的判據(jù)

N＞n時(shí)，蒸發(fā)（未飽和）

N＜n時(shí)，凝結(jié)過程（過飽和）

N=n時(shí)，動(dòng)態(tài)平衡（飽和）N為單位時(shí)間內(nèi)跑出水面的水分子數(shù)，n為單位時(shí)間內(nèi)落回水面的水分子數(shù)。實(shí)際判據(jù)：用飽和水汽壓與水汽壓的關(guān)系來判斷。狀態(tài)方程

可知，在溫度一定時(shí)，水汽e與水汽密度ρw

成正比，而ρw

與n成正比，所以e和n之間也成正比。=當(dāng)水汽壓e為某一定值時(shí)，則有一個(gè)對(duì)應(yīng)的n值。當(dāng)在某一溫度下，水和水汽達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，水汽壓E即為飽和水汽壓，對(duì)應(yīng)的落回水面的水汽分子數(shù)為ns，ns

又等于該溫度下跑出水面的水分子數(shù)N。所以E正比于N，可得兩相變化和平衡的飽和水汽壓判據(jù)：E＞e蒸發(fā)（未飽和）E=e動(dòng)態(tài)平衡（飽和）E＜e凝結(jié)（過飽和）若Es

為某一溫度下對(duì)應(yīng)的冰面上的飽和水汽壓，冰和水汽兩相變化和平衡的判據(jù)Es＞e升華Es=e動(dòng)態(tài)平衡Es＜e凝華

三相圖：“二點(diǎn)、三區(qū)域、四曲線”(1)三區(qū)域：冰、水、水汽。在三個(gè)區(qū)域內(nèi)不存在任何動(dòng)態(tài)平衡(2)四曲線：OA為蒸發(fā)曲線（線上水和水汽是處于平衡狀況，不在該線上的點(diǎn)不可能處于動(dòng)態(tài)平衡狀況）；OB為升華線（冰和水汽達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的曲線）；OB’為過冷水蒸發(fā)曲線（過冷水和水汽之間動(dòng)態(tài)平衡）；OC為融解曲線（表示冰和水達(dá)到平衡時(shí)飽和水汽壓和溫度之間的關(guān)系曲線。)(3)兩點(diǎn)：O點(diǎn)為三相點(diǎn)，表示在該點(diǎn)上才有可能三相之間的動(dòng)態(tài)平衡。（T0=0.0076℃，E0=6.11hPa）K點(diǎn)為臨界點(diǎn)，表示飽和水汽壓和溫度超過K點(diǎn)時(shí)只存在氣態(tài)。（TK=374K，EK=218個(gè)大氣壓）蒸發(fā)線融解線升華線3、水相變化中的潛熱在相態(tài)變化之中，供給物質(zhì)的熱量并非用于物質(zhì)的溫度變化。外界所給的熱量被用于瓦解冰的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)，使它融化。由于熱能不產(chǎn)生溫度變化，所以稱它為潛熱。蒸發(fā)從液態(tài)到氣態(tài)的轉(zhuǎn)化過程叫蒸發(fā)。1㎏水轉(zhuǎn)化為水汽所需要的熱量，也就是蒸發(fā)潛熱

凝結(jié)是指水汽轉(zhuǎn)變成液態(tài)水的過程。在此過程中，平均動(dòng)能大的分子回到液面中，液體平均動(dòng)能增加，溫度升高，向外界釋放能量。這部分能量叫凝結(jié)潛熱，其數(shù)值等于同溫度下的蒸發(fā)潛熱。

融解和凍結(jié)融解是固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程，凍結(jié)是與融解相反的過程。融解（凍結(jié)）潛熱為3.34×105J/kg

。升華和凝華升華是指水由固態(tài)直接轉(zhuǎn)化為氣態(tài)（不通過液態(tài)）的過程。凝華用來表示和升華相反的過程，即水汽直接轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過程。此過程潛熱包含兩部分，即由冰融化為水所需消耗的融解潛熱和由水變?yōu)樗柘牡恼舭l(fā)潛熱。所以有：

Ls=（2.5×106+3.34×105）J/kg=2.8×106J/kg

融解潛熱蒸發(fā)潛熱升華潛熱水的比熱是最大的。水比熱容為4.2*103焦/千克·攝氏度,蒸氣的比熱容是2.1*103焦/千克·攝氏度-----潛熱與比熱,差100/1000倍二飽和水汽壓（一）飽和水汽壓與蒸發(fā)面溫度的關(guān)系克拉柏龍—克勞修斯方程飽和水汽壓隨溫度升高而升高的關(guān)系：積分上式，得到：飽和水汽壓標(biāo)準(zhǔn)狀況飽和水汽壓水的比氣體常數(shù)461J/kgK273KKC純水面飽和蒸發(fā)面水汽壓：是溫度的函數(shù)凝結(jié)潛熱克拉伯龍-柯勞修斯方程實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值略有不同,但趨勢(shì)一致隨著溫度的升高，飽和水汽壓按指數(shù)規(guī)律迅速增大。（二）飽和水汽壓與蒸發(fā)面性質(zhì)的關(guān)系1、冰面和過冷卻水面的飽和水汽壓

冰面：升華潛熱冰面的飽和水汽壓馬格努斯經(jīng)驗(yàn)公式公式中α、β為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，對(duì)于冰面來說，這兩個(gè)值分別為9.5和265.5；對(duì)于水面，這兩個(gè)常數(shù)分別為7.63和241.9。在相同溫度條件下，冰面上的飽和水汽壓總是要小于過冷卻水面的飽和水汽壓。---冰面更容易飽和？在溫度低于0℃時(shí)仍然以液態(tài)水的形態(tài)存在，不以冰的狀態(tài)存在的水稱為過冷卻水。冰成云或冰成霧里（低溫）相對(duì)濕度<100%E—過飽和水面飽和水汽壓Ei---冰面飽和水汽壓冰面飽和相對(duì)濕度因?yàn)镋i小于EΔ總大于0Δ=E-Ei2、溶液面的飽和水汽壓3、飽和水汽壓和蒸發(fā)面形狀的關(guān)系溶液面飽和水汽壓小于純水面飽和水汽壓。云或霧的胚滴形成。溫度相同時(shí)，A受液體向吸引力最?。籅次之；C受吸力最小。最易脫出；最難脫出凸面的飽和水汽壓最大；平面次之；凹面最小。而且凸面的曲率愈大，飽和水汽壓愈大；凹面的曲率愈大，飽和水汽壓愈小。凝結(jié)增長(zhǎng)---云里小水滴蒸發(fā)變小；大水滴凝結(jié)變大的趨勢(shì)----三、影響蒸發(fā)的因素實(shí)際自然狀態(tài)下，湍流比分子蒸發(fā)更重要（一）

水源（二）

熱源蒸發(fā)速度在很大程度上決定于熱量的供給（保持E>e?）。實(shí)際上常以蒸發(fā)耗熱多少直接表示某地的蒸發(fā)速度。（三）

飽和差（E-e）

蒸發(fā)速度和飽和差成正比，飽和差愈大，蒸發(fā)速度也愈快。（四）

風(fēng)速與湍流擴(kuò)散(水汽熱量輸送，水汽擴(kuò)散)有風(fēng)時(shí)，湍流加強(qiáng)，蒸發(fā)面上的水汽隨風(fēng)和湍流迅速散布到廣大的空間，蒸發(fā)面上的水汽壓減小，飽和差增大，蒸發(fā)加快。---作用—保持E-e-在影響蒸發(fā)的因子中，蒸發(fā)面的溫度通常是起決定作用的因子。靜止大氣(分子擴(kuò)散)道爾頓定律：W（蒸發(fā)速度）、飽和差（E-e）及分子擴(kuò)散系數(shù)（A）成正比，氣壓（P）成反比：四、

濕度隨時(shí)間的變化水汽壓的日變化1.雙峰型，主要在大陸上湍流混合較強(qiáng)的夏季出現(xiàn)。水汽壓在一日之內(nèi)有兩個(gè)最高值和兩個(gè)最低值。最低值出現(xiàn)在清晨溫度最低時(shí)和午后湍流最強(qiáng)時(shí)，最高值出現(xiàn)在9-10時(shí)和21-22時(shí)。峰值的出現(xiàn)是因?yàn)檎舭l(fā)增加水汽的作用大于湍流擴(kuò)散對(duì)水汽的減少作用所致。2.單波型：以海洋上、沿海地區(qū)和陸地上湍流不強(qiáng)的秋冬季節(jié)為多見。水汽壓與溫度的日變化一致，最高值出現(xiàn)在午后溫度最高、蒸發(fā)最強(qiáng)的時(shí)刻，最低值出現(xiàn)在溫度最低、蒸發(fā)最弱的清晨。水汽壓的年變化與溫度的年變化相似最高值出現(xiàn)在溫度高、蒸發(fā)強(qiáng)的7-8月份最低值出現(xiàn)在溫度低、蒸發(fā)弱的1-2月份相對(duì)濕度的日變化相對(duì)濕度的日變化與溫度的日變化相反最高值基本上出現(xiàn)在清晨溫度最低時(shí)最低值出現(xiàn)在午后溫度最高時(shí)。相對(duì)濕度的日變化主要決定于氣溫，氣溫增高時(shí)，雖然蒸發(fā)加快，水汽壓增大，但飽和水汽壓增大的更多，反使相對(duì)濕度減小。溫度降低時(shí)相反，相對(duì)濕度增大。五、

大氣中水汽凝結(jié)條件水汽由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的過程稱為凝結(jié)。水汽直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱凝華。大氣中水汽凝結(jié)或凝華的條件：凝結(jié)核或凝華核的存在。大氣中水汽飽和或過飽和狀態(tài)。（一）

凝結(jié)核純凈的空氣中，水汽過飽和到相對(duì)濕度300％—400％，也不會(huì)發(fā)生凝結(jié)。因?yàn)樗肿又g引力很小，通過相互之間的碰撞不易相互結(jié)合為液態(tài)或固態(tài)水。需要巨大的過飽和條件才能凝結(jié)。大氣中存在著大量的吸濕性微粒物質(zhì)，它們比水汽分子大得多，對(duì)水分子吸引力也大，從而有利于水汽分子在其表面上的集聚，使其成為水汽凝結(jié)核心。這種大氣中能促使水汽凝結(jié)的微粒，叫凝結(jié)核。其半徑一般為10-7-10-3cm，而且半徑越大，吸濕性越好的核周圍越易產(chǎn)生凝結(jié)。巨大的過飽和在自然界不存在,凝結(jié)核的存在是水汽凝結(jié)的重要條件之一。（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。能否產(chǎn)生凝結(jié)，取決于空氣是否達(dá)到過飽和。使空氣達(dá)到過飽和:通過蒸發(fā)，增加空氣中的水汽，使水汽壓大于飽和水汽壓。通過冷卻作用，減少飽和水汽壓，使其少于當(dāng)時(shí)的實(shí)際水汽壓。二者的共同作用。促使空氣達(dá)到過飽和狀態(tài)的過程有：暖水面蒸發(fā)空氣的冷卻暖水面蒸發(fā)通常情況下，水面蒸發(fā)作用增大空氣濕度，但并不能使空氣中的水汽產(chǎn)生凝結(jié)。因?yàn)榭拷娴目諝饨咏柡蜁r(shí)，蒸發(fā)即基本停止。當(dāng)冷空氣流經(jīng)暖水面時(shí)，由于水面溫度比氣溫高，暖水面上的飽和水汽壓比空氣的飽和水汽壓大得多(t水面＞t氣溫，E暖水面＞E空氣)，通過蒸發(fā)可使空氣達(dá)到過飽和，并產(chǎn)生凝結(jié)。秋冬的早晨，水面上騰起的蒸發(fā)霧就是這樣形成的。絕熱冷卻---云形成指空氣在上升過程中，因體積膨脹對(duì)外做功而導(dǎo)致空氣本身的冷卻（γd）。隨著高度升高，溫度降低，飽和水汽壓減小，空氣至一定高度就會(huì)出現(xiàn)過飽和狀態(tài)。這一方式對(duì)于云的形成具有重要作用。輻射冷卻—霧形成在晴朗無風(fēng)的夜間，由于地面的輻射冷卻，導(dǎo)致近地面層空氣的降溫。當(dāng)空氣中的溫度降低到露點(diǎn)溫度以下時(shí)，水汽壓就會(huì)超過飽和水汽壓產(chǎn)生凝結(jié)。---輻射霧。平流冷卻暖濕空氣流經(jīng)冷的下墊面時(shí)，將熱量傳遞給冷的地表，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）混合冷卻當(dāng)溫差較大，接近飽和的兩團(tuán)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（曲線），而實(shí)際水汽壓按直線平均。圖中A(t1，e1，E1)和B(t2，e2，E2)分別代表兩個(gè)未飽和氣團(tuán)?；旌虾罂諝獾臏?/p>