为什么暖空气能“保持”更多的水分?

Question

人们经常解释说，温暖的空气含有更多的水，因为温暖的水不太可能凝结。这种解释和其他解释似乎只是循环论证。如果温暖的空气吸收了足够的水分，它就会饱和，然后水仍然会在100%的湿度下凝结。

假设有两立方英尺的空气，其中一个比另一个更热，更热的空气中含有更多的水，那么这些额外的水分子在哪里/如何在更热的立方英尺中无形地容纳?发生这种情况的深层物理或化学原因是什么?

Answer 1

从技术上讲，说温暖的空气“持有”更多的水分是不正确的，但这是一种常见的俗语。让我们来分析一下技术细节。

让我们考虑一杯上面有真空(没有空气)的水。会发生什么?在水的最上层的分子会蒸发。水蒸发的速率是多少?更好的是，什么是蒸发?

蒸发是指当水分子获得足够的动能(它们振动的速度)来破坏它们之间的化学键。动能依赖于温度。所以分子振动得更快，断开它们的键，以蒸汽的形式进入真空。一些分子会以蒸汽的形式留在真空中，但另一些分子会重新进入液体。当分子进入液体的速度和离开液体的速度一样快时，液体就饱和了。

如果空气冷却下来，分子离开液体的速度就会减慢。进入液体的分子并没有以同样的速度减速，导致液体朝着它的初始状态增长。

注意，我特别说过它是真空。把水想象成小水滴，而不是一杯水。大气可以使这些液滴变暖或变冷，反之亦然。

在更本质的方面，描述蒸汽压作为温度的函数的方程被称为克劳修斯-克拉珀龙方程/关系。美国气象学会有一个近似解,但我更喜欢这个方程：$ $ e_{坐在}(T) = 611 Pa \ exp(\压裂{L_v} {R_v} (273.15 ^ {1} - T ^ {1})) $ $,在那里L_v美元是蒸发潜热，R_v美元是水蒸气的比气体常数,元新台币为绝对温度，单位为开尔文。结合水蒸气理想气体定律(假设饱和)$ $ e_{坐在}(T) V = m_vR_vT $ $，给定体积(五美元)我们可以写出水蒸气质量的表达式m_v美元．方程出来是$ $ m_v = 611 Pa \ exp(\压裂{L_v} {R_v} (273.15 ^ {1} - T ^ {1})) V R_v ^ T ^ {1} {1} $ $

为了回答你的最后一个问题，分子被近似为无限小，每理想气体定律．更具体地说，一个分子的水大约是7.08$ \ * $10$ ^ {-19} $立方英尺(经过一些计算)，所以增加的体积被认为是可以忽略不计的。简而言之，分子被看作是点质量。

Answer 2

水分子只是大气中的另一种分子——除了它是三原子的，而99.97%的干燥大气是单原子(氩)和双原子(氧和氮)。它也有轻微的电极化，正因为如此，当存在类似的分子(液体或固体形式)时，它具有低的能量状态，并且在更高的温度下。

所以“为什么所有的水蒸气不直接从空气中掉出来?”使这些分子保持蒸汽状态的仅仅是运动的能量。冷却大气(去除这种能量)，水蒸气将被允许回到其较低的能量状态。同样的事情也会发生在所有其他的大气成分上——只是在不同的温度和压力下。

Answer 3

发生这种情况的深层物理或化学原因是什么?

一个词，熵。

千言万语(即一张图片)，

_{来源:维基百科上的文章相图}

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以上是水的相图。我们感兴趣的曲线是蒸汽(棕色区域)和固体或液体(蓝色和绿色区域)之间的曲线。对于给定的温度(图中的一条垂线)，当水蒸气的分压高于升华/蒸发曲线时，水在熵上有利于成为固体或液体，而当分压低于曲线时，水在熵上有利于成为蒸汽。

请注意:这里的压力是水蒸气的分压，而不是整个空气的压力。另一方面，空气的温度确实决定了水蒸气的温度。还要注意:上面的图是一个平面。小水滴具有很高的表面张力，这增加了在非常干净的空气中的有效饱和压力。(例如，这就是为什么雪花的中心几乎总是有一粒微小的尘埃。)然而，有效饱和压力遵循相同的形式:随着温度的升高而增加。

你问的是发生这种情况的深层物理原因。假设水、冰或液态水和水蒸气之间的表面处于平衡状态;也就是说，空气中充满了水蒸气。水蒸气分子的速度分布近似于麦克斯韦-玻尔兹曼分布。一些水蒸气分子会比其他分子移动得慢。那些撞击表面的慢速分子比那些移动快的分子更容易被表面吸收。冰或液态水中的分子也在以不同的速度振动/移动。快速移动的固体/液态水分子比那些移动较慢的水分子更有可能逃离表面。在平衡条件下，蒸汽分子被捕获的速率和冰/液体分子逃逸的速率是相等的。

提高固体/液体和蒸汽的温度意味着更少的蒸汽分子将移动得足够慢而被捕获，而更多的固体/液体将移动得足够快而逃逸。这增加了平衡发生时的压力。降低温度同样会降低平衡发生时的压力。

Answer 4

如果你想量化在给定的温度和相对湿度下，干燥空气中可以有多少水蒸气，你可以使用ASHRAE(美国采暖、制冷和空调工程师协会)的术语湿度计图。这个图表背后的理论可以在许多工程热力学文本中找到。例如，“工程热力学”第二版，格伦E.迈尔斯，AMCHT出版物，2007年。下面是这篇文章中其中一页的副本。图中的纵轴是湿度比(磅水蒸气/磅干燥空气)。对于给定的相对湿度，湿度比在温度上是单调的。湿度比随温度的上升比线性上升快得多。