物態(tài)變化與天氣（1）雨和雪自然界里大雪的產(chǎn)生，是很有代表性的物態(tài)變化過(guò)程。地面上的水蒸發(fā)成為水汽，升到高空與嚴(yán)寒空氣接觸，水汽便凝結(jié)成小水滴，產(chǎn)生云。當(dāng)氣溫驟降，而又有匯聚核心的時(shí)侯，都會(huì)凝結(jié)成大水滴升高而為雨。一滴雨點(diǎn)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(shí)就會(huì)弄成雨落出來(lái)。假如水溫高于0°C，水汽在空中就可能產(chǎn)生雪。雪是結(jié)晶的水。水汽凝華而成的微小晶體叫冰晶。當(dāng)冰晶在大氣中隨著氣流上下翻騰，集聚上去顯得足夠大時(shí)，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(guī)則形狀的。個(gè)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(tài)變化和條件，產(chǎn)生的雪花越小。因?yàn)闃?gòu)成雪片的結(jié)晶能反射光，所以雪片呈紅色。當(dāng)過(guò)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(chǎn)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(jié)可以發(fā)生在地表面或地表面的物體上，產(chǎn)生露和霜；也可以發(fā)生在空中，產(chǎn)生云和霧。大量的細(xì)小水滴或冰晶漂浮在近地面的空氣層中，就產(chǎn)生霧。產(chǎn)生霧的基本條件是：近地面空氣中水汽充裕，有凝結(jié)核存在，有使水汽發(fā)生凝結(jié)的冷卻過(guò)程。
因?yàn)樵斐煽諝獾睦鋮s方法不同，霧可分為幅射霧、平流霧、蒸發(fā)霧、鋒面霧等，其中最常見(jiàn)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(chǎn)生的。幅射霧大多出現(xiàn)在放晴、微風(fēng)的清晨或下午。放晴無(wú)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(jié)。同露、霜的產(chǎn)生不同的是，須要有晚風(fēng)。假如無(wú)風(fēng)，幅射冷卻只局限在緊貼地面的空氣層中，則只能產(chǎn)生露和霜，而不能產(chǎn)生霧；假如風(fēng)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(diǎn)，也無(wú)法產(chǎn)生霧。只有晚風(fēng)（風(fēng)速1～3m/s），對(duì)霧的產(chǎn)生最合適。晚風(fēng)既能使冷卻作用擴(kuò)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(chǎn)生。幅射霧是在放晴無(wú)云的條件下產(chǎn)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(gè)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(jīng)冷的地面或水面，暖濕空氣低層逐步冷卻而產(chǎn)生的。產(chǎn)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(fēng)向和風(fēng)速。適合的風(fēng)向，可不斷地送來(lái)暖濕空氣；適合的風(fēng)速，使霧達(dá)到一定的長(zhǎng)度。大量的細(xì)小水滴或冰晶漂浮在高空中，就產(chǎn)生云。
云和霧本質(zhì)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(shuō)，云是高空的霧，霧是地面的云，產(chǎn)生云的基本條件與霧相同，所不同的是，產(chǎn)生云要有空氣的上升運(yùn)動(dòng)以及因上升運(yùn)動(dòng)而造成的絕熱冷卻。圖4-庫(kù)-9積狀云云有各類(lèi)不同的形態(tài)，主要是由空氣上升運(yùn)動(dòng)的方式不同導(dǎo)致的。有一類(lèi)云，稱(chēng)作積狀云，它們是因空氣對(duì)流形成上升運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。上升的悶熱空氣，容積膨脹，導(dǎo)致絕熱冷卻，當(dāng)上升到一定高度后，水汽凝結(jié)，產(chǎn)生積狀云（圖4-庫(kù)-9）。當(dāng)暖空氣向冷空氣兩側(cè)聯(lián)通時(shí)，因?yàn)榕諝饷芏刃。瘽窨諝庋乩淇諝庑逼缕骄徎^熱冷卻，則產(chǎn)生層狀云（圖4-庫(kù)-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(guò)大范圍的山脈時(shí)，在山脈迎風(fēng)坡左側(cè)，整層暖濕空氣被迫抬高，也會(huì)產(chǎn)生層狀云。圖4-庫(kù)-10層狀云據(jù)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(jié)可以發(fā)生在空中，產(chǎn)生云和霧；也可以發(fā)生在地表面或地表面的物體上，產(chǎn)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(dāng)空氣的濕度增加到露點(diǎn)時(shí)，空氣中的水汽就凝結(jié)在地表面或地表面的物體上。假如此時(shí)的露點(diǎn)濕度在0°C以上，在地表面或地表面的物體上就出現(xiàn)微小的水滴，這就是露。
假如此時(shí)的露點(diǎn)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(fā)生在放晴、無(wú)風(fēng)的夜間。放晴無(wú)云的清晨，地表面幅射散熱快，地表面可迅速冷卻；無(wú)風(fēng)，則可使近地面的空氣有足夠長(zhǎng)的時(shí)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(duì)露和霜的出現(xiàn)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(jié)物，霜凍是指溫度升高，足以造成農(nóng)小麥遭到傷害或死亡的現(xiàn)象。假如溫度還在0°C以上，則只有霜凍而無(wú)霜；但有霜經(jīng)常伴有霜凍，由于這時(shí)溫度已增長(zhǎng)到0°C以下。（4）冰瀑冰瀑是聚積在地面物體迎風(fēng)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(yán)寒的天氣里，微小的紊流遇到嚴(yán)寒的物體表面時(shí)，產(chǎn)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(xiàn)在溫度約-2～-7°C有霧且風(fēng)速相當(dāng)大的天氣里，它是因?yàn)轱L(fēng)的作用，將過(guò)冷卻紊流吹到物體表面凍結(jié)而成的，形狀呈絲狀。因?yàn)槲闪髋c物體接觸時(shí)凍結(jié)的很快，因此保留了原先紊流的形狀。晶狀冰瀑是一種結(jié)晶凍結(jié)現(xiàn)象，它的結(jié)晶形狀與霜的結(jié)晶形狀相像，它產(chǎn)生在溫度為-15°C的寒冬而有霧的天氣。晚風(fēng)的日子里，它可以由空氣中過(guò)飽和水汽在物體表面直接凝華生成，也可以由紊流蒸發(fā)的水汽而產(chǎn)生。
我國(guó)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(jiàn)嚴(yán)寒的空氣在樹(shù)上凝結(jié)為冰瀑。當(dāng)?shù)氐娜罕姺Q(chēng)為“樹(shù)掛”。寒流十月，每每冰瀑出現(xiàn)的時(shí)侯，十里長(zhǎng)堤的柳樹(shù)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(zhì)由液相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啵Q(chēng)作升華；由液相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啵Q(chēng)作凝華。單位質(zhì)量某種物質(zhì)升華時(shí)吸收的熱量，稱(chēng)作升華熱；相反過(guò)程放出的熱量，稱(chēng)作凝華熱。升華熱與凝華熱相等。衣箱中的硫黃丸放久了會(huì)變小直到消失，就是由液相直接變?yōu)橐合啵l(fā)生了升華現(xiàn)象。嚴(yán)寒季節(jié)地面上的霜，是由水汽凝華而成的冰晶。物質(zhì)的升華熱很大，所以常用升華現(xiàn)象致冷。工業(yè)上用干冰（固態(tài)CO2）作致冷劑，是用CO2的升華現(xiàn)象。現(xiàn)代高速客機(jī)克服“熱障”──客機(jī)高速飛行時(shí)與空氣磨擦生熱引起的害處，舉措之一就是借助涂于客機(jī)表層的石墨升華來(lái)降溫。在升華（凝華）的情況下，與液相平衡的蒸氣的浮力稱(chēng)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(guān)系曲線稱(chēng)作升華曲線，升華曲線上的各點(diǎn)表示固氣兩相平衡共存的狀態(tài)。在浮力比單相點(diǎn)浮力低的情況下加熱固體，就可以不經(jīng)融化而直接升華為氨氣。通常固態(tài)物質(zhì)如金屬，飽和汽壓很低，用精密儀器能夠量出，可以忽視，實(shí)際上不發(fā)生升華現(xiàn)象。
有的固態(tài)物質(zhì)如干冰、碘等，飽和汽壓很高，所以容易看到這種物質(zhì)的升華現(xiàn)象。（1）升華與蒸發(fā)相比有什么相像之處升華與氣化都是變?yōu)闅鈶B(tài)的過(guò)程。氣化有兩種形式，即蒸發(fā)和沸騰，升華更像蒸發(fā)，它們有下邊一些共同點(diǎn)。①蒸發(fā)是只從液體表面進(jìn)行的氣化形式，從分子動(dòng)理論的觀點(diǎn)看問(wèn)題，是一些動(dòng)能較大的分子掙開(kāi)周?chē)后w分子的引力而逃逸下來(lái)成為氣態(tài)的現(xiàn)象。升華也是只從固體表面進(jìn)行，也是一些動(dòng)能較大的分子掙開(kāi)周?chē)肿拥囊Χ右菹聛?lái)成為氣態(tài)的現(xiàn)象。②蒸發(fā)和升華都不要求在確定的氣溫下進(jìn)行，可以在“任何”溫度進(jìn)行。③蒸發(fā)和升華的過(guò)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(fā)和升華都一直才能進(jìn)行升華和凝華物態(tài)變化和條件，同時(shí)導(dǎo)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(nèi)，蒸發(fā)和升華形成的蒸汽達(dá)到飽和之后，宏觀上的蒸發(fā)和升華都要停止，而處于一種動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)中，即分別處于液氣兩相的平衡與固氣兩相的平衡狀態(tài)。圖4-庫(kù)-15固態(tài)物質(zhì)通過(guò)升華而形成的蒸汽達(dá)到飽和之后，其浮力值稱(chēng)作為飽和汽壓，飽和汽壓的數(shù)值與物質(zhì)的種類(lèi)及濕度有關(guān)，而與飽和汽的容積無(wú)關(guān)。反映升華時(shí)的飽和汽壓與氣溫關(guān)系的圖像叫升華曲線，圖4-庫(kù)-15所示的OS就是升華曲線，曲線上的每一點(diǎn)都表示該物質(zhì)固、氣兩相平衡的狀態(tài)，曲線的左方是液相穩(wěn)定存在的區(qū)域，右方是液相穩(wěn)定存在的區(qū)域。
圖中另兩條實(shí)線分別表示該物質(zhì)的融化曲線和氣化曲線，三條曲線交于同一點(diǎn)O，即為該物質(zhì)的單相點(diǎn)。理論上講，固態(tài)物質(zhì)在任何水溫下就會(huì)升華，但好多固體物質(zhì)，比如金屬，在常溫下的飽和汽壓十分低。以金屬鋁為例，當(dāng)氣溫達(dá)到熔點(diǎn)體溫，即962°C時(shí)，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(cè)量到鎢原子，但它早已達(dá)到飽和，因而實(shí)際上鎢是不升華的。不可是鎢，所有金屬都可以覺(jué)得是不升華的。但另一些物質(zhì)，在常溫下的飽和汽壓卻很高，比如干冰（固態(tài)的氣體），在-78．5°C時(shí)的飽和汽壓就早已達(dá)到1．01325×105Pa，即已達(dá)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(shí)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(shí)飽和汽壓是5．63×102Pa，在-10°C時(shí)是2．60×102Pa。冰在冬天的室內(nèi)升華速率似乎不能算很快，但冰凍的濕褲子也還是會(huì)因?yàn)樯A而變干的。（2）凝華有哪些條件凝華是由氣態(tài)直接弄成固態(tài)的過(guò)程，這兒的固態(tài)指的是結(jié)晶態(tài)。物質(zhì)由氣態(tài)直接凝華是有條件的，首先浮力要達(dá)到或超過(guò)飽和汽壓，其次還必須有凝結(jié)中心（凝結(jié)核），這與液化有點(diǎn)類(lèi)似，假如沒(méi)有凝結(jié)中心，可能氣溫已增長(zhǎng)到很低，二氧化碳已成為過(guò)飽和汽，依然不能結(jié)晶。
嚴(yán)寒的冬天，人在外邊行走，頭發(fā)、胡子、頭發(fā)上就會(huì)凝結(jié)好多冰晶，這是如何產(chǎn)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(xì)小的霧珠（即聽(tīng)到的“哈氣”），因?yàn)榭諝庵兴羝麑?duì)于這種細(xì)小的水滴來(lái)說(shuō)還未達(dá)到飽和，因而這種小霧珠會(huì)很快蒸發(fā)（“哈氣”一會(huì)兒就看不到了），但對(duì)于冰來(lái)說(shuō)則早已過(guò)飽和了，這種水氣會(huì)以頭發(fā)、胡子等為凝結(jié)核而結(jié)晶成為霜。冬天的冰瀑和冰掛都是很壯觀的景象，產(chǎn)生冰瀑也須要一定的氣候條件。空氣嚴(yán)寒，并富含較豐富的水汽，早已產(chǎn)生了細(xì)小的霧珠，空氣中的水蒸汽對(duì)冰來(lái)說(shuō)早已過(guò)飽和，而對(duì)小霧珠來(lái)說(shuō)則還未達(dá)到飽和，小的紊流不能長(zhǎng)大反倒氣化，而后水氣在樹(shù)葉上凝華而成冰瀑。因?yàn)檫@樣的氣候條件并不常常出現(xiàn)，因而出現(xiàn)冰瀑的水景也比較難得。