化学工程

首页 > 化学工程

水蒸气

2018-07-30 16:40:32
水蒸气
St Johns Fog.jpg
名称 水蒸气
液体
固体
属性[1]
熔点 0 °C, 32 °F (273.15 K)[2]
沸点 100 °C, 212 °F (373.15 K)[2]
气体常数 461.5 J/(kg·K)
汽化热 2.27 kJ/kg
分子量 18.02 g/mol
比热容(在标准状况下) 1.84 kJ/(kg·K)

水蒸气(也称氛气),是水(H2O)的气体形式。当水达到沸点时,水就变成水蒸气。水蒸气在空气中是无色的。在海平面一标准大气压下,水的沸点为100°C或212°F或373.15K。当水在沸点以下时,水也可以缓慢地蒸发成水蒸气。而在极低压环境下(小于0.006大气压),冰会直接升华变水蒸气。水蒸气之密度为 0.59764 千克/立方米(100°C/212°F,101330Pa)。

水蒸气可能会造成温室效应,是一种温室气体。

目录

  • 1 地球大气层的水蒸气
    • 1.1 雷达和卫星成像
    • 1.2 闪电产生
    • 1.3 外星的水蒸气
    • 1.4 水蒸气凝结
  • 2 测量
  • 3 相关条目
  • 4 外部链接

地球大气层的水蒸气

气态水是大气很小但重要的组成部分。大约有99.99%是在对流层中。冷凝水蒸气到液体或冰的阶段主要由云,雨,雪,雾,和其他沉淀物完成,而所有这些也是最重要的天气要素。

雾和云的形成,通过缩合周围云凝结核。若是在缺乏核的状态,凝结只能发生在更低的温度上。在持续凝结或沉积后,云滴或雪花形成,并促成它们达到了临界质量。

平流层的水蒸气平均停留时间是10天左右。水的补充、降水、蒸发,是海洋,湖泊,河流和植物蒸腾及其他生物和地质过程作用的结果。

测量水蒸气浓度表示为特定的湿度或相对湿度。如果降水立即凝结,那么在整个地球表面,年全球平均水蒸气只会带来约25毫米的降水。然而,年平均降水量约1米,这表明在水在空气中快速周转。水汽在大气层中能形成类似海洋中洋流的水汽通道,并且在一定的时间一个范围内存在固定的水汽输送总量,这意味着一个地方过度降水后,将会使得另一些区域获得不到充沛的降水。

虽然火山排放的气体差距很大,但是,水蒸气始终是最常见的火山气体,通常火山喷发有超过60%的排放量为水蒸气。

雷达和卫星成像

由于水分子吸收微波和其他无线电波的信号,通过水时大气中的雷达信号会衰减。此外,大气中的水能否反射和折射信号,在一定程度上取决于它的状态是气态、液态还是固态。


一般来说,当它们穿过对流层时,雷达信号传送越远将逐渐减弱强度。空气中的一些成分对于某些频率是不透明的,导致不同频率的信号衰减速率不同。无线电波用于广播和其他的通讯传输时也具有相同的效果。

水蒸气比水的其他两个状态对雷达的影响较小。在水滴和冰晶状态下,水被作为棱镜。虽然一个单独的分子无法成为棱镜,然而,在大气中的水蒸气的存在下,就能形成一个巨大的棱镜。[3]

GOES-12卫星图像的对比,显示相对于海洋,云和地球各大洲的大气水汽分布。行星周围的蒸汽,分布不均。

闪电产生

在闪电的产生中水蒸气起到了关键作用。通常,地球大气层上的云是真正的静电发电机。但云有大量的电能的直接决定因素是水蒸气存在于本地系统的数额。

水蒸气的数额将直接影响空气的介电系数。在低湿度的状态,静电放电是快速、容易的。但在高湿度的状态,静电放电的发生次数减少。然而,介电系数和电容一起作用,可以生产出电压兆瓦的闪电。[4]

例如经过云时,它便开始以自己的方式成为一个闪电发生器,在大气中水蒸气充当绝缘体的作用从而降低云的电能。经过了一定的时间之后,如果云层继续生成和存储更多的静电,大气水蒸气将最终导通云存储的电能。以被控地区闪电的形式,将这种能量释放到地面。且每次放电强度直接与大气介电系数、电容、以及云层的发电能力相关。[5][6]

外星的水蒸气

光彩的彗星尾巴很大程度上来自水蒸气。接近太阳时,彗星上的许多冰升华为一些反射阳光的蒸气。天文学家可以从光的亮度推断出彗星的水含量进而了解彗星距离太阳的距离。明亮的尾巴在寒冷和遥远的彗星上可能是以一氧化碳的形式升华。

科学家研究火星后假设:如果水的运动与行星有关,那么,它作为蒸气时亦然。大多数的水在火星上以冰的形式存在在北极。[7]在火星的夏季,这些冰会升华,使大量的季节性风暴向赤道运送大量水成为可能。[8]

一颗命名为CW Leonis的大质量恒星被发现有大量水蒸气环绕。美国航天局的卫星旨在研究星球云层光谱,从而确定它的化学成分。这非常有希望,“水蒸气往往从彗星轨道表面蒸发”。[9]

在太阳系外行星的飞马座的HD 209458 B,经光谱分析,首次提供了证据,太阳系以外的星球大气中也有水蒸气存在。

水蒸气凝结

常见的实例就是当你从冰箱拿出饮料时,过没多久就会发现瓶身有许多小水珠,这是由于空气中的水蒸气遇到冷的瓶子而凝结。还有一个常见的就是当你在烧水煮饭时,开火的瞬间也会发现有水汽附着在锅身,这是因为开火时,锅子周遭的水蒸气温度瞬间升高,但锅子温度没有上升那么快,导致温度高的水蒸气附着凝结在相对较冷的锅子上,等到锅子温度也上升到一定后,就又蒸发了。

测量

测量介质中的水蒸汽数量可以做直接或远程测量,具有不同程度的准确性。电磁吸收远程方法可以测量的行星大气层。直接方法可以使用电子传感器,或是蘸水的温度计或吸湿性材料的物理性质,化学性质、尺寸变化。

介质 温度范围(摄氏度) 测量不准确度 典型测量频率 系统成本 注释
悬挂式湿度计 空气 -10到50 低到中度 每小时
星基光谱 空气 -80到60 非常高
电容式传感器 空气/气态 -40到50 中度 2到0.05赫兹 容易成为饱和/随着时间推移污染
预热的电容式传感器 空气/气态 -15到50 中度到低 2到0.05赫兹(依赖于温度) 中等到高 容易发生成为饱和/随着时间推移污染
电阻式传感器 空气/气态 -10到50 中度 60秒 容易发生污染
氯化锂湿敏元件 空气 -30到50 中度 连续
氯化钴(II) 空气/气态 0到50 5分钟 非常低 经常使用湿度指示卡
吸收光谱 空气/气态 中度
氧化铝 空气/气态 中度 请参阅水分分析
氧化硅 空气/气态 中度 请参阅水分分析
压电吸附 空气/气态 中度 请参阅水分分析
电解 空气/气态 中度 请参阅水分分析
毛发湿度计 空气 0到40 连续 低到中等 受温度的影响。长时间高浓度会有负面作用。
浊度计 空气/其他气体 非常高
肠膜(牛腹膜) 空气 -20到30 适中(带调整) 慢,在较低温度下更慢 参考:WMO气象仪器和观测方法指南 #8 2006年(页1.12-1)(WMO Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation #8 2006, (pages 1.12-1))
莱曼-α 高频 http://amsglossary.allenpress.com/glossary/search?id=lyman-alpha-hygrometer1 需要频繁的校准
重量法湿度计 非常低 非常高 通常是主要来源,美国、英国、欧盟及日本独立制定标准。
介质 温度范围(摄氏度) 测量精度 典型测量频率 系统成本 注释

相关条目

  • 蒸汽

外部链接

  • 各种状态蒸汽的分类
  • 测量水蒸气:一个来自国家科学数字图书馆的课程计划 (英文)
  1. ^ Lide, David. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 73rd ed. 1992, CRC Press.
  2. ^ 2.0 2.1 Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW), used for calibration, melts at 273.1500089(10) K (0.000089(10) °C, and boils at 373.1339 K (99.9839 °C)
  3. ^ Skolnik, pp2.44-2.54.
  4. ^ Shadowitz, Albert. The Electromagnetic Field. 1975, McGraw-Hill Book Company. pp165-171.
  5. ^ Shadowitz, pp172-173, 182.
  6. ^ Shadowitz, pp414-416.
  7. ^ Jakosky, Bruce, et al. "Water on Mars", April 2004, Physics Today, p71.
  8. ^ "Europe probe detects Mars water ice", January 23, 2004, Cnn.com, retrieved August 2005.
  9. ^ Lloyd, Robin. "Water Vapor, Possible Comets, Found Orbiting Star", 11 July 2001, Space.com. Retrieved December 15, 2006.

上一篇:水力压裂
下一篇:湿度
相关推荐