1第三章 大气中的水分

1、第三章第三章 大气中的水分大气中的水分 王锡平 河北师范大学 第一节第一节 蒸发和凝结蒸发和凝结 一、一、水相变化水相变化 水汽是大气中唯一能由一种相转变为另一种相的成分。 水的三相：气态（水汽）、液态（水）、固态（冰） 沸点100C，冰点0C。 水的临界温度为374C 在海平面的正常条件下，水的沸点是100。 如果想不让水在100沸腾的话，必须对它加压，目的是压住水分子-当温度继温度继 续上升时，为了使水不沸腾，你必须施加越来越大的压力续上升时，为了使水不沸腾，你必须施加越来越大的压力。最后，当温度足够高 时，再高的压力也不能阻止它沸腾了。 无论压力多大，只要达到某个温度以上，液体就会沸腾，

2、这个温度被称作 “临界温度”。水的临界温度是水的临界温度是374.2。当在临界温度时，恰好还能使水保。当在临界温度时，恰好还能使水保 持液态的那个压力，被称作水的持液态的那个压力，被称作水的“临界压力临界压力”。它大 约是标准大气压的 218.3倍。 当温度与压力高于上述数值时，就能得到“超临界水”。与水蒸气相似，它没有固定体积并能充满任何容器。然而，它的密度 远比水蒸气高，事实上是液态水密度的三分之一。而它最令人惊奇的性质是，它能像液态水一样溶解物质。 CO2的临界温度是31，临界压力是72.85标准大气压。H2临界压力为- 204，临界压力是12.8标准大气压。 1水相变化水相变化 水相变

3、化的物理过程水相变化的物理过程 相态转化以相态转化以温度和压力温度和压力为条件，以为条件，以分子力分子力和和热运动热运动的对立为依据。的对立为依据。 当引力位势当引力位势斥力位势时，气态向固态（液态）转化；斥力位势时，气态向固态（液态）转化； 当引力位势当引力位势斥力位势时，固态（液态）向气态转化。斥力位势时，固态（液态）向气态转化。 从分子运动分子运动论来看，水相变化是水的各 相之间分子交换分子交换的过程。 在水和水汽两相共存的系统中，温度越 高，单位时间内跑出水面的水分子越多； 水汽浓度越大，单位时间内落回水中的 水汽分子越多。 2. 水分相变的判据 Nn时，蒸发（未饱和） Nn时，凝结过

4、程（过饱和） N=n时，动态平衡（饱和） N 为单位时间内跑出水面的水分子数水分子数，n 为单 位时间内落回水面的水分子数。 实际判据：用饱和水汽压与水汽压的关系来判 断。 状态方程 可知，在温度一定时，水汽e 与水汽密度w 成正比， 而w 与n 成正比，所以e 和n 之间也成正比。 =当水汽压当水汽压e为某一定值时，则有一个对应的为某一定值时，则有一个对应的n值值。当在某一温度下，水和水当在某一温度下，水和水 汽达到动态平衡时，水汽压汽达到动态平衡时，水汽压E即为饱和水汽压，对应的落回水面的水汽分子即为饱和水汽压，对应的落回水面的水汽分子 数为数为ns，ns又等于该温度下跑出水面的水分子数又

5、等于该温度下跑出水面的水分子数N。所以所以E正比于正比于N，可得 两相变化和平衡的饱和水汽压判据： 若Es 为某一温度下对应的冰面上的饱和水汽压，冰和水汽两相变化和平 衡的判据 TRe ww 三相图三相图：“二点、三区域、四曲线二点、三区域、四曲线” (1)三区域：冰、水、水汽。 在三个区域内不存在任何动态平衡 (2)(2)四曲线：四曲线： OA为蒸发曲线蒸发曲线（线上水和水汽是处于平衡状况，不在该线上的点不可能处于 动态平衡状况）； OB为升华线升华线（冰和水汽达到动态平衡的曲线）； OB为过冷水蒸发过冷水蒸发曲线（过冷水和水汽之间动态平衡）； OC为融解曲线融解曲线（表示冰和水达到平衡时饱

6、和水汽压和温度之间的关系曲线。) (3)(3)两点：两点： O O点为三相点点为三相点，表示在该点上才有可能三相之间 的动态平衡。（T0=0.0076T0=0.0076，E0=6.11hPaE0=6.11hPa） K K点为临界点点为临界点，表示饱和水汽压和温度超过K点时 只存在气态。（TK=374K，EK=218个大气压） 蒸发线 融解线 升华线 3、水相变化中的潜热 在相态变化之中，供给物质的热量并非用于物质的温度变化。外 界所给的热量被用于瓦解冰的内部晶体结构，使它融化。 由于热能不产生温度变化热能不产生温度变化，所以称它为潜热潜热。 蒸发 从液态到气态的转化过程叫蒸发蒸发。1水转化为水

7、汽所需要的热量，也就是蒸发蒸发 潜热潜热 63 105.2/10)4.22500(kgJtL 凝结是指水汽转变成液态水的过程。在此过程中，平均动能大的分 子回到液面中，液体平均动能增加，温度升高，向外界释放能量。 这部分能量叫凝结潜热凝结潜热，其数值等于同温度下的蒸发潜热。 融解和冻结 融解是固态转变为液态的过程，冻结是与融解相反的过程。融解 （冻结）潜热为3.34105J/kg 。 升华和凝华 升华是指水由固态直接转化为气态（不通过液态）的过程。凝华用 来表示和升华相反的过程，即水汽直接转化为固态的过程。 此过程潜热包含两部分，即由冰融化为水所需消耗的融解潜热和由 水变为水汽所需消耗的蒸发潜

8、热。所以有： Ls=（2.5106+3.34105）J/kg=2.8106J/kg 融解潜热融解潜热 蒸发潜热蒸发潜热 升华潜热升华潜热 水的比热是最大的。 水比热容比热容为4.2*103焦/千克摄氏度, 蒸气的比热容比热容是2.1*103焦/千克摄氏度 -潜热与比热,差100/1000倍 二二饱和水汽压饱和水汽压 （一）饱和水汽压与蒸发面温度的关系（一）饱和水汽压与蒸发面温度的关系 2 TR LE dT dE v 克拉柏龙克 劳修斯方程 饱和水汽压随温度饱和水汽压随温度 升高而升高升高而升高的关系： 2 TR LE dT dE w t t w eE TTR L EE 273 9 .19 0

9、0 0 ) 11 (exp t t EE 273 5 . 8 010 积分上式，得到： 饱和水汽压 标准状况饱 和水汽压 水的比气体常数 461 J/kg K 273KK C 纯水面饱和蒸发面纯水面饱和蒸发面 水汽压：水汽压： 是温度的函数是温度的函数 凝结潜热 克拉伯龙-柯劳 修斯方程 t t EE 273 5 . 8 010 实验值与计算值略有不同,但趋势一致 随着温度的升高，饱和水汽压按指数规律迅速增大 。 （二）饱和水汽压与蒸发面性质的关系（二）饱和水汽压与蒸发面性质的关系 1 1、冰面和过冷却水面的饱和水汽压、冰面和过冷却水面的饱和水汽压 t t v d i eE TTR LL EE

10、 273 77.9 0 0 0 ) 11 (exp 2 TR LE dT dE w 升华潜热 t t i EE 273 77. 9 010 冰面的饱 和水汽压 t t EE 10 0 马格努斯 经验公式 公式中、为经验常数，对于冰面来说，这两个值分别为 9.5和265.5；对于水面，这两个常数分别为7.63和241.9。 在相同温度条件下，冰面上的饱和水汽压总是要小于过冷在相同温度条件下，冰面上的饱和水汽压总是要小于过冷 却水面的饱和水汽压。却水面的饱和水汽压。-冰面更容易饱和？ 在温度低于0时仍然以液态水的形态存在，不以冰的状态存 在的水称为过冷却水过冷却水。 冰成云或冰成雾里（低温）相对湿

11、度e? ）。 实际上常以蒸发耗热多少直接表示某地的蒸发速度。 （三）（三）饱和差（饱和差（E-e） 蒸发速度和饱和差成正比，饱和差愈大，蒸发速度也愈快。 （四）（四）风速与湍流扩散风速与湍流扩散 (水汽热量输送，水汽扩散) 有风时，湍流加强，蒸发面上的水汽随风和湍流迅速散 布到广大的空间，蒸发面上的水汽压减小，饱和差增大，蒸发加快。-作用保持 E-e -在影响蒸发的因子中，蒸发面的温度通常是起决定作用的因子。 静止大气静止大气( (分子扩散分子扩散) )道尔顿定律：道尔顿定律：W W（蒸发速度）、饱和差（E-e）及 分子扩散系数（A）成正比，气压（P）成反比： 四、四、湿度随时间的变化湿度随时

12、间的变化 1.双峰型，主要在大陆上湍流混合较强的夏季出现。 水汽压在一日之内有两个最高值和两个最低值。 最低值出现在清晨温度最低时和午后湍流最强时， 最高值出现在9-10时和21-22时。 峰值的出现是因为蒸发增加水汽的作用大于湍流扩散对水汽的减少作用所致。 2.单波型：以海洋上、沿海地区和陆地上湍流不强的秋冬季节为多见。 水汽压与温度的日变化一致， 最高值出现在午后温度最高、蒸发最强的时刻， 最低值出现在温度最低、蒸发最弱的清晨。 与温度的年变化相似 最高值出现在温度高、蒸发强的7-8月份 最低值出现在温度低、蒸发弱的1-2月份 相对湿度的日变化与温度的日变化相反 最高值基本上出现在清晨温度

13、最低时 最低值出现在午后温度最高时。 相对湿度的日变化主要决定于气温，气温增高时，虽然蒸发加快，水 汽压增大，但饱和水汽压增大的更多，反使相对湿度减小。温度降低 时相反，相对湿度增大。 五、五、大气中水汽凝结条件大气中水汽凝结条件 l 水汽由气态变为液态的过程称为凝结凝结。 l 水汽直接转变为固态的过程称凝华凝华。 l 大气中水汽凝结或凝华的条件条件： 凝结核或凝华核凝结核或凝华核的存在的存在。 大气中水汽大气中水汽饱和或过饱和饱和或过饱和状态状态。 纯净的空气中，水汽过饱和到相对湿度300400，也不会发生凝结。 因为水汽分子之间引力很小，通过相互之间的碰撞不易相互结合为液态 或固态水。需要

14、巨大的过饱和条件才能凝结。 大气中存在着大量的吸湿性微粒物质，它们比水汽分子大得多它们比水汽分子大得多，对水分子吸 引力也大，从而有利于水汽分子在其表面上的集聚，使其成为水汽凝结核心。 这种大气中能促使水汽凝结的微粒，叫凝结核凝结核。其半径一般为10-7-10-3cm， 而且半径越大，吸湿性越好的核周围越易产生凝结。 巨大的过饱和在自然界不存在, 凝结核的存在是水汽凝结的重要条件之一。 大气中，凝结核总是存在的。 能否产生凝结，取决于空气是否达到过饱和。 使空气达到过饱和: 通过蒸发，增加空气中的水汽，使水汽压大于饱和水汽压。 通过冷却作用，减少饱和水汽压，使其少于当时的实际水汽压。 二者的共

15、同作用。 促使空气达到过饱和状态的过程有： 暖水面蒸发暖水面蒸发 空气的冷却空气的冷却 通常情况下，水面蒸发作用增大空气湿度，但并不能使空气中的水汽 产生凝结。因为靠近水面的空气接近饱和时，蒸发即基本停止。 当冷空气流经暖水面时，由于水面温度比气温高，暖水面上的饱和水 汽压比空气的饱和水汽压大得多(t水面t气温，E暖水面E空气)，通过蒸 发可使空气达到过饱和，并产生凝结。 秋冬的早晨，水面上腾起的蒸发雾就是这样形成的。 -云形成 指空气在上升上升过程中，因体积膨胀体积膨胀对外做功而导 致空气本身的冷却（d）。 随着高度升高，温度降低，饱和水汽压减小，空 气至一定高度就会出现过饱和状态。 这一方

16、式对于云的形成具有重要作用。 辐射冷却雾形成 在晴朗无风的夜间，由于地面的辐射冷却 ，导致近地面层空气的降温。 当空气中的温度降低到露点温度以下时， 水汽压就会超过饱和水汽压产生凝结。 -辐射雾。 暖湿空气流经冷的下垫面时，将热量传递 给冷的地表，造成空气本身温度降低。 如果暖空气与冷地面温度相差较大，暖空 气降温较多，也可能产生凝结。 （4）混合冷却 当温差较大，接近饱和的两团空气当温差较大，接近饱和的两团空气 水平混合后也可能产生凝结。水平混合后也可能产生凝结。 饱和水汽压饱和水汽压随温度的改变呈指数曲线形式（曲线），而实随温度的改变呈指数曲线形式（曲线），而实 际水汽压按直线平均。际水汽压按直线平均。 图中A(t1，e1，E1)和B (t2，e2，E2) 分别代表两个未饱和气团。 混合后空气的温度为混合后空气的温度为A A、B B的平均温度（横坐标上的平均温度（横坐标上t1t1与与t2 t2 之中点），对应之中点），对应 的饱和水汽压为曲线上的的饱和水汽压为曲线上的E E。 混合后的水汽压混合后的水汽压e e为为e1 e1 与与e2 e2 的