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100°C，冰點0°C。水的臨界溫度為374°C

在海平面的正常條件下，水的沸點是100℃。如果想不讓水在100℃沸騰的話，必須對它加壓，目的是壓住水分子-----當溫度繼續(xù)上升時，為了使水不沸騰，你必須施加越來越大的壓力。最后，當溫度足夠高時，再高的壓力也不能阻止它沸騰了。無論壓力多大，只要達到某個溫度以上，液體就會沸騰，這個溫度被稱作“臨界溫度”。水的臨界溫度是374.2℃。當在臨界溫度時，恰好還能使水保持液態(tài)的那個壓力，被稱作水的“臨界壓力”。它大約是標準大氣壓的218.3倍。當溫度與壓力高于上述數(shù)值時，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，它的密度遠比水蒸氣高，事實上是液態(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標準大氣壓。H2臨界壓力為-204℃，臨界壓力是12.8標準大氣壓。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，以分子力和熱運動的對立為依據(jù)。當引力位勢>斥力位勢時，氣態(tài)向固態(tài)（液態(tài)）轉(zhuǎn)化；當引力位勢<斥力位勢時，固態(tài)（液態(tài)）向氣態(tài)轉(zhuǎn)化。從分子運動論來看，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，單位時間內(nèi)跑出水面的水分子越多；水汽濃度越大，單位時間內(nèi)落回水中的水汽分子越多。2.水分相變的判據(jù)

N＞n時，蒸發(fā)（未飽和）

N＜n時，凝結(jié)過程（過飽和）

N=n時，動態(tài)平衡（飽和）N為單位時間內(nèi)跑出水面的水分子數(shù)，n為單位時間內(nèi)落回水面的水分子數(shù)。實際判據(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，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。=當水汽壓e為某一定值時，則有一個對應(yīng)的n值。當在某一溫度下，水和水汽達到動態(tài)平衡時，水汽壓E即為飽和水汽壓，對應(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動態(tài)平衡（飽和）E＜e凝結(jié)（過飽和）若Es

為某一溫度下對應(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動態(tài)平衡Es＜e凝華

三相圖：“二點、三區(qū)域、四曲線”(1)三區(qū)域：冰、水、水汽。在三個區(qū)域內(nèi)不存在任何動態(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，不在該線上的點不可能處于動態(tài)平衡狀況）；OB為升華線（冰和水汽達到動態(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態(tài)平衡）；OC為融解曲線（表示冰和水達到平衡時飽和水汽壓和溫度之間的關(guān)系曲線。)(3)兩點：O點為三相點，表示在該點上才有可能三相之間的動態(tài)平衡。（T0=0.0076℃，E0=6.11hPa）K點為臨界點，表示飽和水汽壓和溫度超過K點時只存在氣態(tài)。（TK=374K，EK=218個大氣壓）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，平均動能大的分子回到液面中，液體平均動能增加，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：飽和水汽壓標準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-柯勞修斯方程實驗值與計算值略有不同,但趨勢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)驗公式公式中α、β為經(jīng)驗常數(shù)，對于冰面來說，這兩個值分別為9.5和265.5；對于水面，這兩個常數(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濕度因為Ei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，A受液體向吸引力最??；B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---云里小水滴蒸發(fā)變小；大水滴凝結(jié)變大的趨勢----三、影響蒸發(fā)的因素實際自然狀態(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)速與湍流擴散(水汽熱量輸送，水汽擴散)有風(fēng)時，湍流加強，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(分子擴散)道爾頓定律：W（蒸發(fā)速度）、飽和差（E-e）及分子擴散系數(shù)（A）成正比，氣壓（P）成反比：四、

濕度隨時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的夏季出現(xiàn)。水汽壓在一日之內(nèi)有兩個最高值和兩個最低值。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9-10時和21-22時。峰值的出現(xiàn)是因為蒸發(fā)增加水汽的作用大于湍流擴散對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)最強的時刻，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月份相對濕度的日變化相對濕度的日變化與溫度的日變化相反最高值基本上出現(xiàn)在清晨溫度最低時最低值出現(xiàn)在午后溫度最高時。相對濕度的日變化主要決定于氣溫，氣溫增高時，雖然蒸發(fā)加快，水汽壓增大，但飽和水汽壓增大的更多，反使相對濕度減小。溫度降低時相反，相對濕度增大。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，水汽過飽和到相對濕度300％—400％，也不會發(fā)生凝結(jié)。因為水汽分子之間引力很小，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)，取決于空氣是否達到過飽和。使空氣達到過飽和: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，使其少于當時的實際水汽壓。二者的共同作用。促使空氣達到過飽和狀態(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)。因為靠近水面的空氣接近飽和時，蒸發(fā)即基本停止。當冷空氣流經(jīng)暖水面時，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出現(xiàn)過飽和狀態(tài)。這一方式對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。當空氣中的溫度降低到露點溫度以下時，水汽壓就會超過飽和水汽壓產(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，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）混合冷卻當溫差較大，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（曲線），而實際水汽壓按直線平均。圖中A(t1，e1，E1)和B(t2，e2，E2)分別代表兩個未飽和氣團。混合后空氣的溫