第一節(jié) 蒸發(fā)和凝結(jié)

第三章大氣中的水分蒸發(fā)和凝結(jié)地面和大氣中的凝結(jié)現(xiàn)象降水第八章第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第三章大氣中的水分第一節(jié)蒸發(fā)和凝結(jié)一、水相變化二、飽和水汽壓三、影響蒸發(fā)的因素四、濕度隨時間的變化五、大氣中水汽的凝結(jié)的條件第八章第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章一、水相變化（一）水的三種基本形態(tài)（二）位相平衡與轉(zhuǎn)變（三）水相變化的判據(jù)（四）水的位相平衡圖（五）水相變化中的潛能（略）第三章大氣中的水分（一）水的三種基本形態(tài)1、相：在自然界中常有一種或數(shù)種處于不同物態(tài)的同種物質(zhì)所組成的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)種中每一個均勻部分稱為相。2、臨界溫度：物質(zhì)由氣態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)或固態(tài)，只有在溫度低于某一溫度的條件下才能發(fā)生。若氣體溫度高于這一溫度時，即使增加很大的壓力，也不能由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)或固態(tài)。那么大氣中那些臨界溫度比大氣溫度低的氣體是不能進(jìn)行相態(tài)轉(zhuǎn)變的。3、水的臨界溫度：374oC。根據(jù)觀測，水汽是大氣中唯一一種同時以三種相態(tài)存在的氣體。第三章大氣中的水分（二）水的位相平衡與轉(zhuǎn)換1、物理過程：水的三種形態(tài)也常稱為水的三種位相。從分子運(yùn)動論的角度看，水的位相變化是水的各相之間的分子交換的過程。在水層表面，運(yùn)動較快而具有較大動能的水分子，就可能克服周圍水分子的吸引，沖出水面成為水汽分子。同時接近水面的水汽分子，可能受到水面分子的吸引或相互碰撞，運(yùn)動方向不斷改變，其中有些向水面飛來，重新落回水中。第三章大氣中的水分第三章大氣中的水分影響因素：水——水汽：單位時間內(nèi)跑出水面的水分子數(shù)與溫度成正比。水汽——水：單位時間內(nèi)落回水面的水汽分子數(shù)與系統(tǒng)中水汽濃度有關(guān)。2、動態(tài)平衡過程：起初，系統(tǒng)中的水汽濃度不大，單位時間內(nèi)跑出水面的水分子比落回水面的多，總體來看系統(tǒng)中的水變成了水汽，這就是蒸發(fā)過程。蒸發(fā)使水汽濃度增大，水汽壓也增大，落回的水汽分子逐漸增多，這樣持續(xù)下去，到一定時間，達(dá)到兩相平衡。水汽分子的繼續(xù)增加，出現(xiàn)飽和，具備一定條件，會形成降水。（三）水相變化的判據(jù)1、分子判定：假設(shè)N為單位時間內(nèi)跑出水面的水分子數(shù)，n為單位時間落回水面的水汽分子數(shù)。n<N,蒸發(fā)n=N,動態(tài)平衡n>N,凝結(jié)未飽和飽和過飽和第三章大氣中的水分2、水汽壓判定：e<E,蒸發(fā)e=E,動態(tài)平衡e>E,凝結(jié)未飽和飽和過飽和實(shí)際工作中，N與n無法直接測算，因而分子判定法無法直接使用。在一定溫度下，由狀態(tài)方程e=ρwRwT可以看出，e與ρw成正比，而又與n成正比，故e與n成正比，因而一定的e值對應(yīng)一定的n。在一定溫度下達(dá)到動態(tài)平衡，水汽壓為E，而對應(yīng)落回水面的分子數(shù)為ns,因?yàn)榇藭rns=N，所以可以用E代替N。故：第三章大氣中的水分（四）水的位相平衡圖水的三種相態(tài)分別存在于不同的溫度和壓強(qiáng)下:水只存在于0OC以上的區(qū)域。（不包括過冷水）冰只存在于0OC以下的區(qū)域。水汽存在于0OC以上或以下的區(qū)域。（壓強(qiáng)受限制）水的位相平衡圖OA線為蒸發(fā)曲線。OB線為升華曲線。OC線為融解曲線。水冰水汽圖中O點(diǎn)為三相共存點(diǎn)，t0=0.0076OC，E0=6.11hpa第三章大氣中的水分圖中e1<E蒸發(fā)過程，e3=E動態(tài)平衡過程，e2>E凝結(jié)過程水三相變化過程中的潛熱轉(zhuǎn)換凝固融化凝結(jié)蒸發(fā)升華凝華吸熱放熱放熱吸熱吸熱放熱第三章大氣中的水分二、飽和水汽壓（一）飽和水汽壓與溫度的關(guān)系（二）飽和水汽壓與蒸發(fā)面性質(zhì)的關(guān)系（三）飽和水汽壓與蒸發(fā)面形狀的關(guān)系第三章大氣中的水分（一）飽和水汽壓與溫度的關(guān)系1、從分子運(yùn)動論來看：水溫升高，水分子的平均動能變大，單位時間內(nèi)跑出水面的水分子將增多，故只有當(dāng)水面的水汽分子的密度增大時，才能使落回水面的水汽分子數(shù)與跑出的水分子數(shù)相等。同時，水汽分子的動能也在增加。故飽和水汽壓隨溫度升高而增大。第三章大氣中的水分2、從經(jīng)驗(yàn)公式來看：以飽和水汽壓（E）為縱坐標(biāo)，以溫度（OC）為橫坐標(biāo)，可得，由圖可得，溫度升高時飽和水汽壓增大。對于飽和空氣，降低同樣的溫度，高溫飽和氣體凝結(jié)的水汽比低溫氣體多。故降低同樣的溫度，在高溫飽和氣體中形成的云和霧要濃一些。第三章大氣中的水分溫度由30℃降到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思考：為什么暴雨總是發(fā)生在夏季？第三章大氣中的水分（二）飽和水汽壓與蒸發(fā)面性質(zhì)的關(guān)系1、隨蒸發(fā)面的性質(zhì)而變化1）過冷卻水面和冰面的飽和水汽壓過冷卻水：通常水在0OC以下就會結(jié)冰，但也有特殊情況，有時降到0OC以下也不結(jié)冰，處于這種情況的水，稱為過冷卻水。（曲線OB|）冰面的飽和水汽壓：冰分子運(yùn)動不像水分子那樣自由，冰分子從冰表面跑出來困難一些。因此冰（曲線OB）與同溫度的過冷卻水（曲線OB|）相比，冰的飽和水汽壓要小一些。當(dāng)時0OC

，它們的飽和水汽壓相等。第三章大氣中的水分2）冰晶效應(yīng)：在云中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)冰晶和過冷卻水滴共同相存的情況。當(dāng)實(shí)際水汽壓介于兩者飽和水汽壓之間，就會產(chǎn)生水和冰之間的水汽轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。結(jié)果過冷水不斷減少，冰晶不斷增大。P如右圖，E冰<EP<E過冷水對于過冷水來說，處于蒸發(fā)過程而對于冰面來說屬于凝華過程，這樣過冷水不斷蒸發(fā)而減少，冰晶不斷由水汽凝華而增大。第三章大氣中的水分2、溶液面的飽和水汽壓1）溶液使液面的飽和水汽壓減小在自然界中不少物質(zhì)都溶于水，形成溶液。溶質(zhì)物質(zhì)對水分子的吸引力大于水分子之間吸引力，因而溶液面的飽和水汽壓比純水面要小。溶液濃度愈大，飽和水汽壓愈小，水汽愈容易凝結(jié)。這種作用對可溶性凝結(jié)核上形成云霧的最初胚滴有相當(dāng)作用。在水滴增大的同時濃度在減小，飽和水汽壓在增大，溶液的影響愈不明顯。2）水滴上的電荷也使水滴飽的飽和水汽壓減小。第三章大氣中的水分（三）飽和水汽壓與蒸發(fā)面形狀的關(guān)系圖中A位于凸面上，受到的吸引力最小。圖中C位于凹面上，受到的吸引力最大。圖中B位于平面上，受到的吸引力居中。蒸發(fā)面的飽和水汽壓最大。蒸發(fā)面的飽和水汽壓最小。蒸發(fā)面的飽和水汽壓居中。分析：結(jié)論：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。第三章大氣中的水分應(yīng)用——凝結(jié)增長效應(yīng)在云霧中水滴大小不一，往往出現(xiàn)大水滴不斷增大，小水滴逐漸減小的現(xiàn)象。我們將云霧中的水滴液面看成是凸面。那么，大水滴曲率小，飽和水汽壓??；小水滴曲率大，飽和水汽壓大。當(dāng)云霧中實(shí)際水汽壓介于二者之間，對于小水滴來說處于未飽和狀態(tài)，不斷蒸發(fā)；對于大水滴處于過飽和狀態(tài)不斷凝結(jié)。這樣就使得小水滴因蒸發(fā)逐漸減小，大水滴因不斷凝結(jié)而逐漸增大。第三章大氣中的水分三、影響蒸發(fā)的因素描述方程——道爾頓定律影響因素水源熱源飽和差風(fēng)速與湍流速度W——蒸發(fā)速度A——分子擴(kuò)散系數(shù)E-e——飽和差P——?dú)鈮旱谌麓髿庵械乃炙?、濕度隨時間的變化（一）絕對濕度的日變化、年變化（二）相對濕度的日變化、年變化第三章大氣中的水分（一）絕對濕度的日變化、年變化1、日變化1）決定因素：溫度的高低湍流交換的強(qiáng)弱2）類型：單峰型一天中絕對濕度有一個最高值（午后）和一個最低值（清晨）主要出現(xiàn)在海洋、沿海地區(qū)和島嶼上，以及秋冬季節(jié)的大陸上主要是海洋、沿海地區(qū)和島嶼上有充足的水源供蒸發(fā)。大陸上湍流不強(qiáng)的秋冬季節(jié)里，地面湍流受到高空高壓氣層的作用使其作用減弱。第三章大氣中的水分雙峰型一天中絕對濕度有兩個最高值和最低值主要出現(xiàn)在大陸湍流擴(kuò)散作用強(qiáng)烈的季節(jié)分析：日出后，地面溫度上升，蒸發(fā)增強(qiáng)，絕對濕度逐漸上升；到了9-10時，湍流混合作用大于地面水汽蒸發(fā)，因此絕對濕度逐漸減小；（隨著溫度升高，低層趨于不穩(wěn)定，湍流混合作用增強(qiáng)，水汽迅速向上輸送）午后，雖然地面溫度最高，蒸發(fā)強(qiáng)盛，但湍流活動強(qiáng)烈，大于蒸發(fā)作用，絕對濕度繼續(xù)減??；日落后，湍流減弱，向上擴(kuò)散的水汽相對減少，地溫尚未完全降到低值，蒸發(fā)作用大于湍流混合作用，故絕對濕度開始增大；到了21-22時，地面輻射冷卻，蒸發(fā)愈來愈弱，當(dāng)?shù)孛鏈囟冉档铰饵c(diǎn)以下，凝結(jié)作用使絕對濕度減小，到日出之前達(dá)到最小值。第三章大氣中的水分出現(xiàn)在沿海地區(qū)和陸地上湍流不強(qiáng)的秋冬季節(jié)，水汽壓與溫度的日變化一致。為什么？為什么在大陸上湍流混合較強(qiáng)的夏季水汽壓一天中有兩個最值和兩個低值？第三章大氣中的水分2、年變化絕對濕度的年變化和溫度的年變化大體一致。由于夏季下墊面蒸發(fā)水汽比冬季多，因此，極大值出現(xiàn)在7-8月份，極小值出現(xiàn)在蒸發(fā)較弱的1-2月份。第三章大氣中的水分決定因素：（二）相對濕度的日變化、年變化1、日變化相對濕度的日變化取決于溫度的變化。特點(diǎn)：相對濕度的日變化的極大（?。┲党霈F(xiàn)時間與溫度變化相反。相對濕度f=e/E，隨著溫度升高，蒸發(fā)加強(qiáng)即e增大，但同時E也增大，且幅度超過e，故溫度升高這個比值反而減小。2、年變化——大致冬季最大，夏季最小內(nèi)陸干燥地區(qū)：年變化與溫度相反。（全年絕對濕度變化不大）季風(fēng)盛行地區(qū)：夏季最大（盛行海風(fēng)絕對濕度大），冬季最?。ㄊ⑿嘘戯L(fēng)絕對濕度小）。第三章大氣中的水分五、大氣中水汽的凝結(jié)條件（一）凝結(jié)核（二）空氣中的水汽飽和或過飽和第三章大氣中的水分（一）凝結(jié)核1、作用實(shí)踐證明，在純凈的空氣里，即使達(dá)到過飽和也不能凝結(jié)出水滴。2、類型一種溶解于水（NaCl、Mgcl2、

SO3等）一種不溶解于水，但能被水濕潤第三章大氣中的水分（二）空氣中的水汽飽和或過飽和使空氣達(dá)到過飽和的途徑：一是通過蒸發(fā)增加空氣中的水汽；二是冷卻作用。1、暖水面蒸發(fā)當(dāng)冷空氣流經(jīng)暖水面時，由于暖水面的水汽含量