物態變化與天氣（1）雨和雪自然界里大雪的產生，是很有代表性的物態變化過程。地面上的水蒸發成為水汽，升到高空與嚴寒空氣接觸，水汽便凝結成小水滴，產生云。當氣溫驟降，而又有匯聚核心的時侯，都會凝結成大水滴升高而為雨。一滴雨點要比云中的小水滴大上幾千倍，小水滴一定要在它的容積降低到很大時就會弄成雨落出來。假如水溫高于0°C，水汽在空中就可能產生雪。雪是結晶的水。水汽凝華而成的微小晶體叫冰晶。當冰晶在大氣中隨著氣流上下翻騰，集聚上去顯得足夠大時，就成為雪花向地面飛舞。雪花的形狀多為圓形，也有棒狀、柱狀或不規則形狀的。個別雪花的半徑可小于2．5cm。雪花的大小取決于水溫，氣溫越低升華和凝華物態變化和條件，產生的雪花越小。因為構成雪片的結晶能反射光，所以雪片呈紅色。當過熱水滴碰撞在冰晶（或雪花）上，則成霰，霰在積雨云中隨著氣流多次升降，不斷與雪花、小水滴等合并，產生透明層與不透明層交替的冰塊，落到地面，這就是雹。（2）霧和云大氣中水汽的凝結可以發生在地表面或地表面的物體上，產生露和霜；也可以發生在空中，產生云和霧。大量的細小水滴或冰晶漂浮在近地面的空氣層中，就產生霧。產生霧的基本條件是：近地面空氣中水汽充裕，有凝結核存在，有使水汽發生凝結的冷卻過程。
因為造成空氣的冷卻方法不同，霧可分為幅射霧、平流霧、蒸發霧、鋒面霧等，其中最常見的是幅射霧和平流霧。幅射霧同露、霜一樣，都是由地表面幅射冷卻產生的。幅射霧大多出現在放晴、微風的清晨或下午。放晴無云的夜晚，地表面幅射散熱快，迅速冷卻，近地面水汽又比較充裕，有利于水汽的凝結。同露、霜的產生不同的是，須要有晚風。假如無風，幅射冷卻只局限在緊貼地面的空氣層中，則只能產生露和霜，而不能產生霧；假如風大了，下層空氣的熱量大量地向上傳遞，阻礙上層空氣冷卻，使溫度不易增加到露點，也無法產生霧。只有晚風（風速1～3m/s），對霧的產生最合適。晚風既能使冷卻作用擴充到較厚的空氣層中，又不致影響上層空氣的充分冷卻，所以最有利于霧的產生。幅射霧是在放晴無云的條件下產生的，下午日出以后，地表面水溫漸漸下降，霧也就漸漸消退，霧散后又是個陰天。“十霧九晴”的民諺，指的就是幅射霧。平流霧是暖濕空氣流經冷的地面或水面，暖濕空氣低層逐步冷卻而產生的。產生平流霧，暖濕空氣與地面或水面的溫差要比較大，暖濕空氣低層能夠迅速冷卻。還要有適合的風向和風速。適合的風向，可不斷地送來暖濕空氣；適合的風速，使霧達到一定的長度。大量的細小水滴或冰晶漂浮在高空中，就產生云。
云和霧本質上是一回事，只是云的頂部不接觸地面，而霧卻是接觸地面的。可以說，云是高空的霧，霧是地面的云，產生云的基本條件與霧相同，所不同的是，產生云要有空氣的上升運動以及因上升運動而造成的絕熱冷卻。圖4-庫-9積狀云云有各類不同的形態，主要是由空氣上升運動的方式不同導致的。有一類云，稱作積狀云，它們是因空氣對流形成上升運動而產生的。上升的悶熱空氣，容積膨脹，導致絕熱冷卻，當上升到一定高度后，水汽凝結，產生積狀云（圖4-庫-9）。當暖空氣向冷空氣兩側聯通時，因為暖空氣密度小，暖濕空氣沿冷空氣斜坡平緩滑升，絕熱冷卻，則產生層狀云（圖4-庫-10）。層狀云的頂部同斜坡面大體吻合，底部近于水平。暖濕空氣跨過大范圍的山脈時，在山脈迎風坡左側，整層暖濕空氣被迫抬高，也會產生層狀云。圖4-庫-10層狀云據悉，還有波狀云以及一些特殊形狀的云。（3）露和霜大氣中水汽的凝結可以發生在空中，產生云和霧；也可以發生在地表面或地表面的物體上，產生露和霜。夜間，地表面因向外幅射而冷卻，氣溫迅速增加，與地表面接觸的空氣，氣溫也漸漸減少；當空氣的濕度增加到露點時，空氣中的水汽就凝結在地表面或地表面的物體上。假如此時的露點濕度在0°C以上，在地表面或地表面的物體上就出現微小的水滴，這就是露。
假如此時的露點濕度在0°C以下，水汽就直接凝華為紅色的冰晶，這就是霜。露和霜常常發生在放晴、無風的夜間。放晴無云的清晨，地表面幅射散熱快，地表面可迅速冷卻；無風，則可使近地面的空氣有足夠長的時間與冷地面接觸，使之氣溫增加。山谷和洼地，冷空氣容易積蓄，對露和霜的出現有利，形成露和霜的頻度最大。霜和霜凍不同，霜是指紅色固體凝結物，霜凍是指溫度升高，足以造成農小麥遭到傷害或死亡的現象。假如溫度還在0°C以上，則只有霜凍而無霜；但有霜經常伴有霜凍，由于這時溫度已增長到0°C以下。（4）冰瀑冰瀑是聚積在地面物體迎風面上呈棒狀和顆粒狀的乳黃色疏松的微小冰晶或冰粒。在嚴寒的天氣里，微小的紊流遇到嚴寒的物體表面時，產生了冰瀑。按照其形狀可分為粒狀冰瀑和晶狀冰瀑兩種。粒狀冰瀑出現在溫度約-2～-7°C有霧且風速相當大的天氣里，它是因為風的作用，將過冷卻紊流吹到物體表面凍結而成的，形狀呈絲狀。因為紊流與物體接觸時凍結的很快，因此保留了原先紊流的形狀。晶狀冰瀑是一種結晶凍結現象，它的結晶形狀與霜的結晶形狀相像，它產生在溫度為-15°C的寒冬而有霧的天氣。晚風的日子里，它可以由空氣中過飽和水汽在物體表面直接凝華生成，也可以由紊流蒸發的水汽而產生。
我國廣東省廣東市松花江兩岸，春日里不凍的江水騰上去的霧遇見嚴寒的空氣在樹上凝結為冰瀑。當地的群眾稱為“樹掛”。寒流十月，每每冰瀑出現的時侯，十里長堤的柳樹春枝弄成果洛瓊枝，人在其中，就像童話世界。升華和凝華物質由液相轉變為液相，稱作升華；由液相轉變為液相，稱作凝華。單位質量某種物質升華時吸收的熱量，稱作升華熱；相反過程放出的熱量，稱作凝華熱。升華熱與凝華熱相等。衣箱中的硫黃丸放久了會變小直到消失，就是由液相直接變為液相，發生了升華現象。嚴寒季節地面上的霜，是由水汽凝華而成的冰晶。物質的升華熱很大，所以常用升華現象致冷。工業上用干冰（固態CO2）作致冷劑，是用CO2的升華現象。現代高速客機克服“熱障”──客機高速飛行時與空氣磨擦生熱引起的害處，舉措之一就是借助涂于客機表層的石墨升華來降溫。在升華（凝華）的情況下，與液相平衡的蒸氣的浮力稱作固體上方的飽和蒸氣壓。表示固體上方飽和汽壓和濕度的關系曲線稱作升華曲線，升華曲線上的各點表示固氣兩相平衡共存的狀態。在浮力比單相點浮力低的情況下加熱固體，就可以不經融化而直接升華為氨氣。通常固態物質如金屬，飽和汽壓很低，用精密儀器能夠量出，可以忽視，實際上不發生升華現象。
有的固態物質如干冰、碘等，飽和汽壓很高，所以容易看到這種物質的升華現象。（1）升華與蒸發相比有什么相像之處升華與氣化都是變為氣態的過程。氣化有兩種形式，即蒸發和沸騰，升華更像蒸發，它們有下邊一些共同點。①蒸發是只從液體表面進行的氣化形式，從分子動理論的觀點看問題，是一些動能較大的分子掙開周圍液體分子的引力而逃逸下來成為氣態的現象。升華也是只從固體表面進行，也是一些動能較大的分子掙開周圍分子的引力而逃逸下來成為氣態的現象。②蒸發和升華都不要求在確定的氣溫下進行，可以在“任何”溫度進行。③蒸發和升華的過程都要吸收熱量（分別名為氣化熱和升華熱），但假如外界不能供給熱量，蒸發和升華都一直才能進行升華和凝華物態變化和條件，同時導致本身的氣溫驟降。④液體和固體假如分別置于密閉的容器內，蒸發和升華形成的蒸汽達到飽和之后，宏觀上的蒸發和升華都要停止，而處于一種動態平衡的狀態中，即分別處于液氣兩相的平衡與固氣兩相的平衡狀態。圖4-庫-15固態物質通過升華而形成的蒸汽達到飽和之后，其浮力值稱作為飽和汽壓，飽和汽壓的數值與物質的種類及濕度有關，而與飽和汽的容積無關。反映升華時的飽和汽壓與氣溫關系的圖像叫升華曲線，圖4-庫-15所示的OS就是升華曲線，曲線上的每一點都表示該物質固、氣兩相平衡的狀態，曲線的左方是液相穩定存在的區域，右方是液相穩定存在的區域。
圖中另兩條實線分別表示該物質的融化曲線和氣化曲線，三條曲線交于同一點O，即為該物質的單相點。理論上講，固態物質在任何水溫下就會升華，但好多固體物質，比如金屬，在常溫下的飽和汽壓十分低。以金屬鋁為例，當氣溫達到熔點體溫，即962°C時，飽和汽壓也只有2．67×10-1Pa，鎢的飽和汽壓更低，即使大氣中很少能測量到鎢原子，但它早已達到飽和，因而實際上鎢是不升華的。不可是鎢，所有金屬都可以覺得是不升華的。但另一些物質，在常溫下的飽和汽壓卻很高，比如干冰（固態的氣體），在-78．5°C時的飽和汽壓就早已達到1．01325×105Pa，即已達到大氣壓的值，因而干冰在常溫下很快就升華弄成二氧化碳。碘在114°C時的飽和汽壓為1．20×104Pa，碘與干冰相比，常溫下升華不很快，但稍一加熱，升華也是很顯著的。冰的飽和汽壓比碘又低一些，它在-1°C時飽和汽壓是5．63×102Pa，在-10°C時是2．60×102Pa。冰在冬天的室內升華速率似乎不能算很快，但冰凍的濕褲子也還是會因為升華而變干的。（2）凝華有哪些條件凝華是由氣態直接弄成固態的過程，這兒的固態指的是結晶態。物質由氣態直接凝華是有條件的，首先浮力要達到或超過飽和汽壓，其次還必須有凝結中心（凝結核），這與液化有點類似，假如沒有凝結中心，可能氣溫已增長到很低，二氧化碳已成為過飽和汽，依然不能結晶。
嚴寒的冬天，人在外邊行走，頭發、胡子、頭發上就會凝結好多冰晶，這是如何產生的呢？首先是人呼出的氣中富含大量水蒸汽，這種水蒸汽遇冷液化成好多細小的霧珠（即聽到的“哈氣”），因為空氣中水蒸汽對于這種細小的水滴來說還未達到飽和，因而這種小霧珠會很快蒸發（“哈氣”一會兒就看不到了），但對于冰來說則早已過飽和了，這種水氣會以頭發、胡子等為凝結核而結晶成為霜。冬天的冰瀑和冰掛都是很壯觀的景象，產生冰瀑也須要一定的氣候條件。空氣嚴寒，并富含較豐富的水汽，早已產生了細小的霧珠，空氣中的水蒸汽對冰來說早已過飽和，而對小霧珠來說則還未達到飽和，小的紊流不能長大反倒氣化，而后水氣在樹葉上凝華而成冰瀑。因為這樣的氣候條件并不常常出現，因而出現冰瀑的水景也比較難得。