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第一节 蒸发

第一节 蒸发

一、水的相变化(一)水的相变

常温下,大气中的水分有三态,即水的三相,固态、液态、汽态(图5.1)。 在一定条件下,水的三相之间能够互相转化称为水的相变(图5.1)。

大气中的水分经常不断地从一种形态转变为另一种形态,但绝大多数情况下,以汽态存在于大气中,同时,水的相变也伴随着有能量的变化。(二)相变的判据1、分子物理学判据

从分子运动观点来看,水分子是不停地运动着,水的相变是各相之间分子交换的结果。 例如,在液态水和水汽两相共存的系统中,水汽分子和液态水分子都在作杂乱无章地随机运动。在液态水的表面层,运动较快且具有较大动能的分子,可能克服它周围水分子对它的吸引冲出水面变成水汽分子,水汽分子之间互相碰撞,由于水汽分子受液面水分子吸引,其中有一些水汽分子便会落入水中,因此在同一时期内,水面上既有液态水分子冲出水面变成水汽分子又有水汽分子落入水中变成水分子。 假设N 、n 分别表示单位时间内冲出水面的分子数与落入水面的分子数。

如果N>n ,表示一部分水变成水汽,这种水——水汽过程称为蒸发。

N

N=n ,表示水汽与水之间交换的分子数相等,达到动态平衡。

由于实际工作中同一时间脱离液面的分子数N 与落回液面的分子数n 难于直接测定,因此常用空气的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压来判断。

2、饱和水汽压判据由水汽的气体状态方程e=ρw R w T 可知,在温度一定时,水汽压e 与水汽密度ρw 成正比,而ρw 与n 成正比,所以e 与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e w ,对应的落回水面的水汽分子数为n s ,n s 又等于该温度下跑出水面的分子数N 。所以e w 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。 如果e w >e ,蒸发(未饱和);e w =e ,动态平衡(饱和); e w e ,升华;e s =e ,动态平衡;e s

3、水相变化中的潜热(latent heat )在水相转变过程中,也发生能量转换,这种在相变时所吸收或消耗的热量称为潜热。

当水由液态跑出水面变为气态时,由于跑出去的都是具有较大动能的水分子,使液面温度降低。若保持水温不变,就必须自外界供给热能,这部分热能就等于蒸发潜热,用L 表示。

L =(2500-2.4t )×103

(J/kg)

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,这也就是凝结潜热。在同温度下,蒸发潜热与凝结潜热相等。

同理,由冰直接转变为水汽的升华过程也要消耗热能(吸热),它包括两部分:

冰—水所消耗的融解潜热3.34×105J/kg ,水—水汽所消耗的蒸发潜热2.5×106J/kg ,共消耗潜热为2.834×106J/kg 。在同温度下,凝华潜热与升华潜热相等。

二、蒸发(一)蒸发的定义及其表示方法1、蒸发的定义

只要蒸发面上空的实际水汽压未达到当时温度下的饱和水汽压,就会产生蒸发现象。即

水由液态变为气态的过程称为蒸发。

2、蒸发的表示方法 自然条件下的蒸发,通常用蒸发速度和蒸发量来度量。

(1)蒸发速度(蒸发率)

指单位时间内,单位面积上水分蒸发的数量。单位为kg/(m 2·s)

(2)蒸发量与最大可能蒸发量(或蒸发力)

指因蒸发而消耗的水层深度。蒸发量=原量+降水量-余量。单位为mm 。蒸发率难以测定,日常工作中多用蒸发量。

蒸发量是指一段时间(一日、一月或一年)内,由于蒸发而消耗的水量,以单位面积上失去的水层的厚度计,单位毫米(mm )。

目前,各级气象台站使用小型蒸发器测定蒸发量。必须指出,蒸发器所测得的蒸发量大于自然水面的蒸发量。因为蒸发器口径小,器身全部暴露于空气中,在阳光照射下,器内水温高,加速了蒸发。此外,蒸发器安装的高度,降水时下水的溅失等也影响了观测记录。 如果下垫面足够湿润(这里的下垫面是指地球表面,包括陆面、水面和冰雪表面等),水分能持续并充分地供给蒸发的需要,这种情况下的蒸发量称为最大可能蒸发量,又称蒸发力(E m ),单位同蒸发量。

蒸发力多用经验估算式计算,这里介绍两个估算公式。

式中,t 是月平均气温,单位℃,U 是平均相对湿度。E m 的单位是毫米·月-1。 式中,∑t 是日平均气温≥10℃的积温值,单位℃;U 是月平均相对湿度;C 是系数,C =0.16。

E m 的单位是毫米·年-1。

(二)影响蒸发的因素

自然界中蒸发现象颇为复杂,不仅受制于气象条件,而且还受地理环境的影响。

在静止大气中,蒸发速度仅依赖于分子扩散,此时的水分蒸发速度E w 由下述方程描述:

上式为道尔顿蒸发公式。式中:E w 为水面蒸发率;e w -e 为空气的饱和差;P 为气压;C

是与风速有关的比例系数。

由上式可以看出,饱和差(e w -e )大,蒸发大。饱和差大,表明空气中还能容纳较多的水汽分子才达到饱和状态,而水汽分子来自蒸发面上水的蒸发,所以蒸发率大。反之,饱和差小,蒸发率也小。 风速也影响蒸发率。静风时,蒸发面上空的水汽依靠分子扩散,十分缓慢。有风时,乱流强,风带走了蒸发面上空的饱和空气,并不断地输入不饱和的新鲜空气,这种空气能容纳的水汽多,加速蒸发,蒸发率大。

在静止的空气中,气压也影响水面的蒸发率。因为气压带高低反映了空气分子的密度的大小,压强大说明水分子挣脱液面时的阻力大,抑制蒸发,蒸发率小。空气流动时,气压与其他气象因子相比,可忽略不计。

对纯净水面来说,蒸发率仅决定于气象因子,但是自然界中很少出现这种理想情况,如海水中常常溶有盐分。海水是溶液,溶液中分子间的吸引力比纯水分子间的引力大。所以,在相同的气象条件下,溶液面的蒸发率小于纯水面的蒸发率。

(三)自然条件下的蒸发自然条件下的蒸发主要指下垫面上的水面蒸发和土壤表面的蒸发以及植物的蒸腾。

1、水面的蒸发

实验指出,水面的蒸发速率与水面上空气饱和水汽压和实际水汽压差值成正比,与水面)

1()25(0018.02

U t E m -+=∑=t C E m P e

e C E w

w -?=

气压成反比,并随水面上风速增大而增大。

2、水面蒸发的影响因素

(1)空气湿度:水温一定时,e

w 为定值,湿度愈小,e愈小,则e

w

-e愈大,蒸发速度愈大。

(2)温度:水温愈高,e和e

w 都相应增大,但e

w

增大的速度比e更快,e

w

-e也愈大,蒸发

愈快。

(3)气压:气压愈大,蒸发面上空气分子的密度愈大,会抑制水分子跑出,不利于蒸发。(4)风速:风速大,可把水汽分子带走,使水面上空气中的实际水汽密度减小,有利蒸发。

2、土壤蒸发

它是土壤水分以气态形式向大气中扩散的现象,它具有明显的阶段性,大致可分为三个阶段:

(1)第一阶段:当土壤经过降水、灌溉或下层土壤水分在毛管力作用下,不断升向土表,而使土壤表层水分保持饱和状态,此时土壤蒸发主要发生在地表,蒸发主要受气象因子影响。与同温度水面蒸发相近。减小蒸发的方法:松土切断毛细管。

(2)第二阶段:经过第一阶段蒸发,土壤表层变干,蒸发面下降,土壤内部蒸发的水汽通过干土层的孔隙进入大气,此时蒸发速度受水分从土壤下层向上转移速度的限制。减小蒸发的方法:镇压保墒,减少土表孔隙,改变土壤透气性,保持土壤水分。

(3)第三阶段:土壤含水量很低,植物开始萎蔫,此时,土壤水分的毛管力作用停止,只能以气态形式从地下通过干土层向大气扩散。此时,蒸发受水汽从下层土壤向表层扩散速度的影响,并由土粒大小和土壤孔隙度决定。减小蒸发的方法:灌溉。

土壤蒸发除受气象因子影响外,还与土壤特性和环境条件有关。

为减少土壤水分蒸发经常采取如下措施:(1)松土;(2)镇压;(3)灌溉;(4)覆盖塑料地膜;(5)营造农田防护林带(网);(6)采用抑制蒸发剂(喷洒在土壤表面上形成一层均匀膜,阻挡土壤水分进入,抑制蒸发,相对提高土壤湿度)。

3、植物蒸腾(plant transpiration)植物由根毛吸水,通过维管组织到达叶子或其它器官,通过气孔或角质层,从植物体散逸到周围空气中,这种经过植物体的水分蒸发过程叫蒸腾。

植物由于蒸腾而散失的水分是相当多的,由根系吸收进入植物体内的水分,只有1%保留在植物体内参加新陈代谢活动,99%水分都因蒸腾而消耗掉。

蒸腾速度与温度成正比,与湿度成反比。

在有植物的地方,它既有土壤蒸发及植物表面截持水分的蒸发,又有植物的蒸腾,把蒸发和蒸腾之和称为蒸散。

森林蒸散:森林的物理蒸发与森林植物蒸腾之和称为森林蒸散。它是由林地蒸发,林冠截持水分和森林植物蒸腾三部分组成。