3.1 蒸发和凝结

　　第一节 蒸发和凝结

　　一、水相变化

　　在自然界中，常有由一种或数种处于不同物态的物质所组成的系统。在几个或几组彼此性质不同的均匀部分所组成的系统中，每一个均匀部分叫做系统的一个相。例如水的三种形态：气态（水汽）、液态（水）和固态（冰），称为水的三相。由于物质从气态转变为液态的必要条件之一是温度必须低于它本身的临界温度，而水的临界温度为tk=374℃，大气中的水汽基本集中在对流层和平流层内，该处大气的温度不但永远低于水汽的临界温度，而且还常低于水的冻结温度，因此水汽是大气中唯一能由一种相转变为另一种相的成分。这种水相的相互转化就称为水相变化。

　　1.水相变化的物理过程

　　从分子运动论看，水相变化是水的各相之间分子交换的过程。例如，在水和水汽两相共存的系统中，水分子在不停地运动着。在水的表面层，动能超过脱离液面所需的功的水分子，有可能克服周围水分子对它的吸引而跑出水面，成为水汽分子，进入液面上方的空间。同时，接近水面的一部分水汽分子，又可能受水面水分子的吸引或相互碰撞，运动方向不断改变，其中有些向水面飞去而重新落回水中。单位时间内跑出水面的水分子数正比于具有大速度的水分子数，也就是说该数与温度成正比。温度越高，速度大的水分子就越多，因此，单位时间内跑出水面的水分子也越多。落回水中的水汽分子数则与系统中水汽的浓度有关。水汽浓度越大，单位时间内落回水中的水汽分子也越多。

　　起初，系统中的水汽浓度不大，单位时间内跑出水面的水分子比落回水中的水汽分子多，系统中的水就有一部分变成了水汽，这就是蒸发过程。

　　蒸发的结果使系统内的水汽浓度加大，水汽压也就增大了，这时分子碰撞的机会增多，落回水面的水汽分子也就增多。如果这样继续下去，就有可能在同一时间内，跑出水面的水分子与落回水中的水汽分子恰好相等，系统内的水量和水汽分子含量都不再改变，即水和水汽之间达到了两相平衡，这种平衡叫做动态平衡（因为这时仍有水分子跑出水面和水汽分子落回水中，只不过进出水面的分子数相等而已）。动态平衡时的水汽称为饱和水汽，当时的水汽压称为饱和水汽压。

2.水相变化的判据

　　假设N为单位时间内跑出水面的水分子数，n为单位时间内落回水中的水汽分子数，则得到水和水汽两相变化和平衡的分子物理学判据，即

　　N＞n蒸发（未饱和）

　　N=n动态平衡（饱和）

　　N＜n凝结（过饱和）

　　但在气象工作中不测量N和n，所以不能直接应用以上判据。

　　由水汽的气体状态方程e=ρwRwT可知，在温度一定时，水汽e与水汽密度ρw成正比，而ρw与n成正比，所以e和n之间也成正比。这就是说，当水汽压e为某一定值时，则有一个对应的n值。当在某一温度下，水和水汽达到动态平衡时，水汽压E即为饱和水汽压，对应的落回水面的水汽分子数为ns，ns又等于该温度下跑出水面的水分子数N.所以E正比于N，对照分子物理学判据可得两相变化和平衡的饱和水汽压判据

　　E＞e蒸发（未饱和）

　　E=e动态平衡（饱和）（3·1）

　　E＜e凝结（过饱和）

　　若Es为某一温度下对应的冰面上的饱和水汽压，与以上类似也可得到冰和水汽两相变化和平衡的判据

　　Es＞e升华

　　Es=e动态平衡

　　Es＜e凝华

　　上面说明了水相变化是可以由实测的水汽压值e与同温度下的饱和水汽压值E（或Es）之间的比较来判定的。

　　图3.1是根据大量经验数据绘制的水的位相平衡图。水的三种相态分别存在于不同的温度和压强条件下。水只存在于0℃以上的区域，冰只存在于0℃以下的区域，水汽虽然可存在于0℃以上及以下的区域，但其压强却被限制在一定值域下。图3·1中OA线和OB线分别表示水与水汽、冰与水汽两相共存时的状态曲线。显然这两条曲线上各点的压强就是在相应温度下水汽的饱和水汽压，因为只有水汽达到饱和时，两相才能共存。所以 OA线又称蒸发线，表示水与水汽处于动态平衡时水面上饱和水汽压与温度的关系。线上K点所对应的温度和水汽压是水汽的临界温度tk和临界压力（Ek= 2.2×105hPa），高于临界温度时就只能有气态存在了，因此蒸发线在K点中断。OB称升华线，它表示冰与水汽平衡时冰面上饱和水汽压与温度的关系。OC线是融解线，表示冰与水达到平衡时压力与温度的关系。O点为三相共存点：t0=0.0076℃，E0=6.11hPa。上述三线划分了冰、水、水汽的三个区域，在各个区域内不存在两相间的稳定平衡。例如图中的 1、2、3点，点 1位于OA线之下，ei＜E，这时水要蒸发；点 2处，e2＞E，此时多余的水汽要产生凝结；点3恰好位于OA线上，e3=E，只有这时水和水汽才能处于稳定平衡状态。

3.水相变化中的潜热

　　在水相的转变过程中，还伴随着能量的转换。蒸发过程中，由于具有较大动能的水分子脱出液面，使液面温度降低。如果保持其温度不变，必须自外界供给热量，这部分热量等于蒸发潜热L，L与温度有如下的关系

　　L=（2 500-2.4t）×103（J/kg）        （3·2）

　　根据上式，当 t=0℃时，有 L= 2.5×106J/kg。而且L是随温度的升高而减小的。不过在温度变化不大时，L的变化是很小的，所以一般取L为2.5×106J/kg。当水汽发生凝结时，这部分潜热又将会全部释放出来，这就是凝结潜热。在同温度下，凝结潜热与蒸发潜热相等。

　　同样，在冰升华为水汽的过程中也要消耗热量，这热量包含两部分，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热。融解潜热为3.34×105J/kg。所以，若以Ls表示升华潜热，则有

　　Ls=（2.5×106+3.34×105）J/kg=2.8×106J/kg

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