为什么热空气"持有"更多的水分?

Question

通常是解释说,温暖的空气中含有更多的水,因为温暖的水凝结的可能性较小。这和其他的解释似乎是循环论证。如果热空气拿起足够的水分将饱和水,然后仍将凝结在100%湿度。

给定两个立方英尺的空气与一个比另一个温暖温暖更多的水,水分子/如何所有这些额外的无形适合在温暖的立方英尺吗?这个发生深刻的物理或化学的原因是什么?

Answer 1

说热空气“持有”更多的水分在技术上是不正确的,但是是一种常见的口语。让我们将其分解技术。

让我们考虑一杯水和一个真空(没有空气)上面。会发生什么呢?最顶部的分子层的水会蒸发。以什么速度将水蒸发?更好的是,蒸发是什么?

蒸发是当水分子获得足够的动能(他们振动速度)将持有的债券。动能是依赖于温度。所以分子振动速度,打破他们的债券,并进入真空蒸汽。一些分子将继续作为一个蒸汽真空,但是其他人将重新加入液体。当分子进入液体以最快的速度离开,那么它就是饱和。

如果空气冷却,然后离开液体分子的速度减慢。分子进入液体不以同样的速度减慢,导致液体生长向它的初始状态。

注意,我明确表示,它是一个真空。而不是一杯水,水少滴照片。大气中可以采取行动,温暖或凉爽这些下降,反之亦然。

在更多的细节方面,描述蒸汽压方程作为温度的函数被称为Clausius-Clapeyeron方程/关系。美国气象学会一个近似解,但我喜欢这个方程:$ $ e_{坐在}(T) = 611 Pa \ exp(\压裂{L_v} {R_v} (273.15 ^ {1} - T ^ {1})) $ $,在那里L_v美元是汽化潜热,R_v美元是水蒸气的气体常数,元新台币开尔文的绝对温度。结合水蒸气的理想气体定律(假设饱和)$ $ e_{坐在}(T) V = m_vR_vT $ $,考虑到体积(五美元我们可以编写一个表达式水蒸气的质量m_v美元。方程出来$ $ m_v = 611 Pa \ exp(\压裂{L_v} {R_v} (273.15 ^ {1} - T ^ {1})) V R_v ^ T ^ {1} {1} $ $

回答你的最后一个问题,分子近似infintessimally小,每理想气体定律。更具体地说,一个水分子7.08$ \ * $10$ ^ {-19}$立方英尺(经过一些数学),因此增加的体积被认为是微不足道的。简而言之,分子被视为大众。

Answer 2

大气中的水分子只是另一个分子——除了它的三原子,而99.97%的干燥的大气是单原子(氩)和双原子(氧和氮)。也有点电极化,因此它有一个低能量状态时存在的类似的分子(液体或固体形态),和在更高的温度。

所以“为什么不所有空气的水蒸气直接掉出来吗?”What's keeping these molecules in the the vapor state is simply the energy of motion. Cool the atmosphere (remove this energy) and the water vapor will be allowed to return to its lower energy state. The same thing will happen with all the other atmospheric constituents - just at different temperatures and pressures.

Answer 3

这个发生深刻的物理或化学的原因是什么?

总之,熵。

(即在一千个单词。图),

_{资料来源:维基百科文章相图}

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以上是水的相图。曲线之间的利益是蒸汽(棕色区域)和固体或液体(蓝色和绿色区域)。对于一个给定的温度(一条垂直线的图),它是由熵有利于水固体或液体当水蒸气的分压高于升华或蒸发曲线,但它是由熵有利于水蒸汽分压时以下曲线。

注意:感兴趣的压力是水蒸气的分压,没有空气的压力作为一个整体。另一方面,空气的温度是决定存在水蒸气的温度。还要注意:上面的图是平面。小水滴具有较高的表面张力,从而增加了有效的饱和压力在空气非常干净。例如,(这是为什么雪花几乎总是有一个小粒尘埃中心。)尽管如此,有效饱和压力遵循相同的形式:温度增加而增加。

你要求一个深奥的物理学原因为什么会这样。假设表面水冰或液体和水蒸气之间的平衡;即。,the air is the saturated with water vapor. The water vapor molecules have a speed distribution approximately given by the Maxwell–Boltzmann distribution. Some water vapor molecules will be moving slower than others. Those slow-moving molecules that hit the surface are more likely to be absorbed by the surface than are those molecules that are moving faster. The molecules in the ice or liquid water are also vibrating / moving at different speeds. The fast moving solid/liquid water molecules are more likely to escape the surface than are those that are moving slower. Under equilibrium conditions, the rates at which vapor molecules are captured and ice/liquid molecules escape are equal.

提高固体/液体和蒸汽的温度意味着更少的蒸汽分子将是移动缓慢的足以被捕获而更多的固体/液体将很快,足以逃脱。这增加的压力平衡。降低的温度同样降低了压力平衡。

Answer 4

如果你想量化水蒸气可以有多少空气干燥,对于一个给定的温度和相对湿度,您可以使用什么ASHRAE这样(美国采暖、制冷和空调工程师)一个湿度图。这个图表可以发现背后的理论在许多工程热力学文本。例如,“工程热力学”第二版,格伦·e·迈尔斯AMCHT出版物,2007。下面是一个副本的一个页面的文本。纵轴的情节是湿度比(磅的水蒸气/磅干燥的空气)。对于给定的相对湿度,温度湿度比单调。湿度比上升温度比直线更快速。