作者wohtp (会喵喵叫的大叔)
看板Physics
标题Re: [问题] 空气中为什麽有水蒸气?
时间Wed Sep 24 18:16:13 2014
以下内容的目标读者是大学高年级／研究所程度以上。内含各种热力／统力打高空。
换句话说，可能反而对原po造成不良影响。请小心阅读。
老实说，很久以来我跟原po有同一个疑问：
28度C一大气压下面，液态水是能跟什麽鬼东西共存啦 (／‵Д′)／~ ╧╧
当然，水蒸气可能根本不处於热平衡。可是...
考虑台湾这个湿度动不动就冲到接近100%的鬼地方，等於大约3%的空气分子都
是水。要说这麽空气中多水分子，从早到晚这麽长的时间，都
不能建立局部平
衡，这未免也太牵强。
前一阵子有个邻居的高中生跑来问我蒸气压的问题。说来惭愧，要不是她让我
去思考，我大概会一直迷糊下去。
以下是我整理出来的解释，请板友指正。
1. 28度C的水蒸气也处於（局部）热平衡
怎麽可能？因为水蒸气受的压力是自己的
气体分压，而不是整个大气压。
考虑一堵墙壁对空气分子施力，总共加起来平均是一大气压没错。但是直接作
用在水分子上面的，平均起来，正是气体分压。
就算是相对湿度接近100%，28度时水蒸气的气体分压也小於 0.03 atm，所以气
态水可以安然存在。
2. 液气介面的那些事儿
这里才是没办法用简单的热力学处理的地方。
假设其他气体分子的存在只是给液态水施加均匀背景压力，不然问题会更难搞。
液态水跟水蒸气之间的交互作用有碰撞、凝结和蒸发这三种。碰撞就是蒸气分
子飞进来，撞到水面，又飞出去；凝结是飞进来就被液体抓住；蒸发就是从液
体无缘无故飞出一个分子。
凝结时液体会把蒸气分子原本的动量一起吃进去，而蒸发是液体吐动量出来给
蒸气，所以两者都会影响介面的受力。
如果我们要求液气介面处於力平衡，蒸发和凝结必须互相抵销，平均起来等於
蒸气跟液面之间只有弹性碰撞。这时候的压力就刚好是：
水蒸气压力 = 气体分压 （定义这个值为饱和蒸气压）
水压 = 蒸气气体分压 + 其他东西的气体分压 = 一大气压
这时也是热力学平衡，真正意义上的液气共存。
3. 不平衡的介面
可是别忘了，压力是只有在热力学平衡时才能定义的东西。
28度一大气压，可是水蒸气不饱和的时候，液气介面看起来如何？
蒸发多过凝结，所以是液体把介面往外推，某种意义上代表了介面上的水分子
其实有更多诱因往外跑？我也不知道啦，反正没有热力学平衡的时候，怪事就
会一大堆。然後大概也没有well-defined的压力可言。
重点是，压力在介面附近都整个乱了套了，所以介面上的液体分子平均感觉到
的并不是，
「啊，现在是28度C一大气压，我应该乖乖当个液态水。」
所以，即使从巨观来看，液态水也会从水面开始一直蒸发，好像液态并不稳定
似的。因为靠近介面的地方的确不稳定。
蒸发会一直持续到水蒸气饱和为止。当然，大部分时候液态水会先用完。
4. 那麽，水蒸气凝结成水珠呢？
这就简单多了。水蒸气的分压高於饱和蒸汽压时，气态不稳定，所以这只是普
通的相变。
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※ 发信站: 批踢踢实业坊(ptt.cc), 来自: 123.110.141.102
※ 文章网址: http://webptt.com/cn.aspx?n=bbs/Physics/M.1411553787.A.E6C.html
※ 编辑: wohtp (123.110.141.102), 09/24/2014 18:16:36
※ 编辑: wohtp (123.110.141.102), 09/24/2014 19:59:51
1F：推 ntust661: 很推这篇! 09/25 00:48
2F：→ phterm: 我觉得原文推文中的能量分布就可以理解了 不需要讲的太复 09/25 08:54
我觉得「为什麽28度C一大气压底下可以有气态水」这个是巨观热力学问题，
只讲微观的能量分布没有搔到痒处。
3F：推 YJM1106: 楼主明显是外行；把动力学跟热力学的观念掺一起给他 09/25 10:35
4F：→ YJM1106: 他会不知如何理解的啦XD 09/25 10:35
所以才有警语啊 XD
※ 编辑: wohtp (123.110.141.102), 09/25/2014 15:50:29
5F：推 woieyufan: 2楼是说那个水蒸气分子可以不必是28度C的意思? 09/25 19:45
是28度C，可是不是一大气压。水蒸气的压力要用气体分压来算。
※ 编辑: wohtp (123.110.141.102), 09/25/2014 19:46:54
6F：→ woieyufan: 单一个分子没有压力问题吧 都在布朗运动 09/25 19:49
可是空气里面水分子最多可以占到3%，这已经很够用热力学了。
单一分子 --> 拿thermodynamic limit时密度趋近於零
因为这个问题里水分子密度是非零的常数，所以不能当成单一分子看。
而且水蒸气分子非要处於热平衡不可。
喵的宋楚瑜是送多少钱给M$，新注音一直给我楚瑜 (／‵Д′)／~ ╧╧
想像一个里面没有液态水的房间，相对湿度50%好了。
你等到天荒地老也不会有水滴凝结的，代表水蒸气是稳定的状态。
※ 编辑: wohtp (123.110.141.102), 09/25/2014 19:54:50
7F：→ woieyufan: 他只要不小心累积很多动能就可以了 09/25 19:50
※ 编辑: wohtp (123.110.141.102), 09/25/2014 19:57:03
※ 编辑: wohtp (123.110.141.102), 09/25/2014 20:00:15
8F：推 wgst88w: 费曼物理学一开始就有水分子三态的描述，但对压力的描述 09/27 06:49
9F：→ wgst88w: 如大气压力)就没有多讲，当时我还怀疑到"一大气压真的是 09/27 06:55
10F：→ wgst88w: 很稳定的一大气压吗？大气不会因地球自转与山川地貌所带 09/27 06:58
11F：→ wgst88w: 动的扰动而影响到压力吗？"，只是现在也没去细想它。科科 09/27 07:00
12F：推 leptoneta: 楼上一定不常看气象新闻 09/27 18:25