基本认识和问题.docVIP

第2章基本认识和问题 第2章基本认识和问题 1 §1. 关于水分的基本物理知识 1 §2. 空中水的三种基本存在形态 3 §3. 循环是空中水的重要特征 5 §4. 空中究竟有多少水分问题 6 §5. 水汽与空气的相对运动问题 7 §6. 水汽初始凝结模型问题 7 §7. 降水的时间面积深度的关系问题 8 §8. 各地的降水、蒸发与径流的关系问题 8 §1. 关于水分的基本物理知识 水分子 水分子H2O是两个氢H原子和一个氧原子O化合而成的。水分子中氢、氧原子呈V型结构，O－H键之间的夹角为104.45，其距离是95.84皮米（pm,是一米的负12次方）。由于水分子的不对称结构，水分子是极性分子。 图2.1水分子的结构 （引自维基百科，图中1pm是1纳米的千分之一，1微米的百万分之一） 用蒸汽测定法测得水分子摩尔质量是18.64。而水分子中原子质量之和应为18，它表明水分子中，除单分子外还有大约3.5％的双分子水存在。液态水的分子量测得数值更大，说明水中含有较复杂的分子(H2O)n（n值为2，3，4……）。实验结果证实，液态水中存在着水分子的聚合作用。聚合是放热反应，离解是吸热反应，所以温度升高，水的聚合度降低（n值减小），温度降低，水的聚合度增大（n值增大）。关于气体状态的水汽中的聚合情况放在以后专门讨论。 表2.1不同温度下水分子的聚合比例 不同温度下水分子聚合体的分布（%） 分子式 冰 水 　 0℃ 0℃ 4℃ 38℃ 98℃ H2O 0 19 20 29 36 （H2O）2 41 58 59 50 51 （H2O）3 59 23 21 21 13 0O原子和4个H原子联结成四面体，每个H原子与两个O原子联结。在和O原子结合的4个H原子中，2个是以共价键结合，两个是以氢键结合，这样形成一个敞开结构，使冰的结构内存在较大的空隙，因此，使冰的密度比液体的水还要小。正是由于“冰”比“水”轻的特点，才使我们看到海洋、湖泊、河流里的冰浮在水面上。 水分子中的O原子具有较大的电负性和孤对电子，而与O键合的H原子因仅有一个电子，成健后电子偏向O原子而形成裸核，因此水分子间易形成氢键。水的聚合和冰的结构就是源自氢键的形成。 气体状态的水，是否也存在几个水分子的聚合体？这是过去的气象学从来不考虑、不承认的问题。本书第4章要专门讨论这个可能是空中水文学中十分重要的问题。 水的基本常数[]： 表2.2 水的重要常数 特征 数值、单位 特征 数值、单位 水的密度（0°C）0.99987×103kgm-3 水的表面张力（20°C） 7275×10-2Nm-1 水的密度（4°C） 1.00000×103kgm-3水汽定压比热（20—40°C）（Cpv） 1.863×103Jkg-1K-1 纯水平面上的饱和水汽压（0°C） 6.1078hPa 水汽定容比热（20—40°C）（Cpv） 1.403×103Jkg-1K-1 纯冰平面上的饱和水汽压（0°C） 6.1064hPa 水汽潜热随温度变化率 2.386×103Jkg-1K-1水的冰点 273.15=0°C 水的蒸发（水汽凝结）潜热（0°C） 2.501×106Jkg-1 水的三相点温度 273.16=0.01°C 水的冻结（冰的融解）潜热 0.334×106Jkg-1水的沸点（760毫米汞柱） 100°C=373.15K冰的密度 0.917×103kgm-3水的比热（15°C） 4.195×103Jkg-1（°C）-1冰的比热2.114×103Jkg-1K-1 水的绝对折射率 1.333冰的介电常数（-5°C） 2.8水的介电常数（0°C） 81.5冰的升华（汽化）潜热（0°C） 2.835×106Jkg-1水的表面张力（0°C） 7564×10-2Nm-1 水的表面张力与潜热 水的表面张力在20°C度时是72.75×10-3J/m2，其含义就是使水的表面积增加1平方米就需要72.75×10-3J这么多的能量。另外，如果把水变成相同温度下的水汽，就需要蒸发热。这个蒸发热就用于拉开液体水分子之间的距离，从而形成新的表面。 空中水以颗粒为基本存在状态，相同质量的水，切分成的颗粒越小（数量越多），就具有越大的表面积。形成这个表面积所需要的能量对应着蒸发潜热。所以蒸发潜热与表面张力是有联系的[]。 §2. 空中水的三种基本存在形态 空中水有三种基本存在形态 空中的水以什么形态存在？物理学认为物质有三种基本存在形态固态、液态和气态。这称为物质的三态。但后来又补充了等离子体，液晶等物质的稳定的存在状态。空中水研究如果套用固态、液态、气态的三态的概念，就没有突出空中水的特点。 我们把空中水划分为水汽、云、降水物的三种状态。它比物理学的三态有不同的侧重点。水汽、云、降