（贵阳专版）2020年秋九年级物理全册 第12章 温度与物态变化 第4节 升华与凝华 物态变化与天气素材 （新版）沪科版

物态变化与天气（1）雨和雪自然界里雨雪的形成，是很有代表性的物态变化过程。地面上的水蒸发成为水汽，升到高空与寒冷空气接触，水汽便凝结成小水滴，形成云。当温度下降，而又有凝聚核心的时候，就会凝结成大水滴下降而为雨。一滴雨点要比云中的小水滴大上几千倍，小水滴一定要在它的体积增加到很大时才会变成雨落下来。如果温度低于0C，水汽在空中就可能形成雪。雪是结晶的水。水汽凝华而成的微小晶体叫冰晶。当冰晶在大气中随着气流上下翻腾，聚集起来变得足够大时，就成为雪花向地面飘落。雪花的形状多为六角形，也有针状、柱状或不规则形状的。某些雪花的直径可大于25 cm。雪花的大小取决于温度，温度越低，形成的雪花越小。由于构成雪片的结晶能反射光，所以雪片呈白色。当过冷水滴碰撞在冰晶（或雪花）上，则成霰，霰在积雨云中随着气流多次升降，不断与雪花、小水滴等合并，形成透明层与不透明层交替的冰块，落到地面，这就是雹。（2）雾和云大气中水汽的凝结可以发生在地表面或地表面的物体上，形成露和霜；也可以发生在空中，形成云和雾。大量的细小水滴或冰晶悬浮在近地面的空气层中，就形成雾。形成雾的基本条件是：近地面空气中水汽充沛，有凝结核存在，有使水汽发生凝结的冷却过程。由于引起空气的冷却方式不同，雾可分为辐射雾、平流雾、蒸发雾、锋面雾等，其中最常见的是辐射雾和平流雾。辐射雾同露、霜一样，都是由地表面辐射冷却形成的。辐射雾大多出现在晴朗、微风的夜晚或早晨。晴朗无云的夜间，地表面辐射散热快，迅速冷却，近地面水汽又比较充沛，有利于水汽的凝结。同露、霜的形成不同的是，需要有微风。如果无风，辐射冷却只局限在贴近地面的空气层中，则只能形成露和霜，而不能形成雾；如果风大了，上层空气的热量大量地向下传递，妨碍下层空气冷却，使气温不易降低到露点，也难以形成雾。只有微风（风速13 m/s），对雾的形成最合适。微风既能使冷却作用扩展到较厚的空气层中，又不致影响下层空气的充分冷却，所以最有利于雾的形成。辐射雾是在晴朗无云的条件下形成的，早晨日出之后，地表面温度逐渐升高，雾也就逐渐消散，雾散后又是个晴天。“十雾九晴”的谚语，指的就是辐射雾。平流雾是暖湿空气流经冷的地面或海面，暖湿空气低层逐渐冷却而形成的。形成平流雾，暖湿空气与地面或海面的温差要比较大，暖湿空气低层才能迅速冷却。还要有适宜的风向和风速。适宜的风向，可不断地送来暖湿空气；适宜的风速，使雾达到一定的厚度。大量的细小水滴或冰晶悬浮在高空中，就形成云。云和雾本质上是一回事，只是云的底部不接触地面，而雾却是接触地面的。可以说，云是高空的雾，雾是地面的云，形成云的基本条件与雾相同，所不同的是，形成云要有空气的上升运动以及因上升运动而引起的绝热冷却。图4-库-9积状云云有各种不同的形态，主要是由空气上升运动的形式不同造成的。有一类云，叫做积状云，它们是因空气对流产生上升运动而形成的。上升的潮湿空气，体积膨胀，造成绝热冷却，当上升到一定高度后，水汽凝结，形成积状云（图4-库-9）。当暖空气向冷空气一侧移动时，由于暖空气密度小，暖湿空气沿冷空气斜坡缓慢滑升，绝热冷却，则形成层状云（图4-库-10）。层状云的底部同斜坡面大体吻合，顶部近于水平。暖湿空气越过大范围的山脉时，在山脉迎风坡一侧，整层暖湿空气被迫抬升，也会形成层状云。图4-库-10层状云此外，还有波状云以及一些特殊形状的云。（3）露和霜大气中水汽的凝结可以发生在空中，形成云和雾；也可以发生在地表面或地表面的物体上，形成露和霜。夜晚，地表面因向外辐射而冷却，温度迅速降低，与地表面接触的空气，温度也逐渐降低；当空气的温度降低到露点时，空气中的水汽就凝结在地表面或地表面的物体上。如果此时的露点温度在0C以上，在地表面或地表面的物体上就出现微小的水滴，这就是露。如果此时的露点温度在0C以下，水汽就直接凝华为白色的冰晶，这就是霜。露和霜经常发生在晴朗、无风的夜晚。晴朗无云的夜晚，地表面辐射散热快，地表面可迅速冷却；无风，则可使近地面的空气有足够长的时间与冷地面接触，使之温度降低。山谷和洼地，冷空气容易积蓄，对露和霜的出现有利，产生露和霜的频率最大。霜和霜冻不同，霜是指白色固体凝结物，霜冻是指气温下降，足以引起农作物遭受伤害或死亡的现象。如果气温还在0C以上，则只有霜冻而无霜；但有霜时常伴有霜冻，因为这时气温已下降到0C以下。（4）雾凇雾凇是积聚在地面物体迎风面上呈针状和颗粒状的乳白色疏松的微小冰晶或冰粒。在寒冷的天气里，微小的雾滴碰到寒冷的物体表面时，形成了雾凇。根据其形状可分为粒状雾凇和晶状雾凇两种。粒状雾凇出现在气温约-2-7C有雾且风速相当大的天气里，它是由于风的作用，将过冷却雾滴吹到物体表面冻结而成的，形状呈球状。由于雾滴与物体接触时冻结的很快，因而保留了原来雾滴的形状。晶状雾凇是一种结晶冻结现象，它的结晶形状与霜的结晶形状相似，它形成在气温为-15C的严寒而有雾的天气。微风的日子里，它可以由空气中过饱和水汽在物体表面直接凝华生成，也可以由雾滴蒸发的水汽而形成。我国吉林省吉林市松花江两岸，冬日里不冻的江水腾起来的雾遇到寒冷的空气在树上凝结为雾凇。当地的群众称为“树挂”。严冬腊月，每当雾凇出现的时候，十里长堤的垂柳青枝变成玉树琼枝，人在其中，犹如童话世界。升华和凝华物质由固相转变为气相，叫做升华；由气相转变为固相，叫做凝华。单位质量某种物质升华时吸收的热量，叫做升华热；相反过程放出的热量，叫做凝华热。升华热与凝华热相等。衣箱中的樟脑丸放久了会变小直至消失，就是由固相直接变为气相，发生了升华现象。寒冷季节地面上的霜，是由水汽凝华而成的冰晶。物质的升华热很大，所以常用升华现象致冷。工业上用干冰（固态CO2）作致冷剂，是用CO2的升华现象。现代高速飞机克服“热障”飞机高速飞行时与空气摩擦生热造成的危害，措施之一就是利用涂于飞机表层的石墨升华来降温。在升华（凝华）的情况下，与固相平衡的蒸汽的压强叫做固体上方的饱和蒸汽压。表示固体上方饱和汽压和温度的关系曲线叫做升华曲线，升华曲线上的各点表示固气两相平衡共存的状态。在压强比三相点压强低的情况下加热固体，就可以不经熔化而直接升华为气体。一般固态物质如金属，饱和汽压很低，用精密仪器才能量出，可以忽略，实际上不发生升华现象。有的固态物质如干冰、碘等，饱和汽压很高，所以容易见到这些物质的升华现象。（1）升华与蒸发相比有哪些相似之处升华与汽化都是变为气态的过程。汽化有两种方式，即蒸发和沸腾，升华更像蒸发，它们有下面一些共同点。蒸发是只从液体表面进行的汽化方式，从分子动理论的观点看问题，是一些动能较大的分子挣脱周围液体分子的引力而逃逸出来成为气态的现象。升华也是只从固体表面进行，也是一些动能较大的分子挣脱周围分子的引力而逃逸出来成为气态的现象。蒸发和升华都不要求在确定的温度下进行，可以在“任何”温度进行。蒸发和升华的过程都要吸收热量（分别称为汽化热和升华热），但如果外界不能供给热量，蒸发和升华都仍然能够进行，同时引起本身的温度下降。液体和固体如果分别放在密闭的容器内，蒸发和升华产生的蒸气达到饱和以后，宏观上的蒸发和升华都要停止，而处于一种动态平衡的状态中，即分别处于液气两相的平衡与固气两相的平衡状态。图4-库-15固态物质通过升华而产生的蒸气达到饱和以后，其压强值也称为饱和汽压，饱和汽压的数值与物质的种类及温度有关，而与饱和汽的体积无关。反映升华时的饱和汽压与温度关系的图象叫升华曲线，图4-库-15所示的OS就是升华曲线，曲线上的每一点都表示该物质固、气两相平衡的状态，曲线的左方是固相稳定存在的区域，右方是气相稳定存在的区域。图中另两条虚线分别表示该物质的熔化曲线和汽化曲线，三条曲线交于同一点O，即为该物质的三相点。理论上讲，固态物质在任何温度下都会升华，但很多固体物质，例如金属，在常温下的饱和汽压非常低。以金属铝为例，当温度达到熔点温度，即962C时，饱和汽压也只有26710-1Pa，钨的饱和汽压更低，虽然大气中极少能检测到钨原子，但它已经达到饱和，因此实际上钨是不升华的。不但是钨，所有金属都可以认为是不升华的。但另一些物质，在常温下的饱和汽压却很高，例如干冰（固态的二氧化碳），在-785C时的饱和汽压就已经达到1013 25105 Pa，即已达到大气压的值，因此干冰在常温下很快就升华变成气体。碘在114C时的饱和汽压为120104 Pa，碘与干冰相比，常温下升华不很快，但稍一加热，升华也是很明显的。冰的饱和汽压比碘又低一些，它在-1C时饱和汽压是563102 Pa，在-10C时是260102 Pa。冰在冬天的室外升华速度虽然不能算很快，但冰冻的湿衣服也还是会由于升华而变干的。（2）凝华有什么条件凝华是由气态直接变成固态的过程，这里的固态指的是结晶态。物质由气态直接凝华是有条件的，首先压强要达到或超过饱和汽压，其次还必须有凝结中心（凝结核），这与液化有点类似，如果没有凝结中心，可能温度已下降到很低，气体已成为过饱和汽，仍然不能结晶。寒冷的冬天，人在外面行走，眉毛、胡子、头发上都会凝结很多冰晶，这是怎么形成的呢？首先是人呼出的气中含有大量水蒸气，这些水蒸气遇冷液化成很多细小的雾珠（即看到的“哈气”），由于空气中水蒸气对于这些细小的水滴来说还未达到饱和，因此这些小雾珠会很快蒸发（“哈气”一会儿就看不到了），但对于冰来说则已经过饱和了，这些水气会以眉毛、胡子等为凝结核而结晶成为霜。冬天的雾凇和冰挂都是很壮丽的景色，形成雾凇也需要一定的气候条件。空气寒冷，并含有较丰富的水汽，已经形成了细小的雾珠，空气中的水蒸气对冰来说已经过饱和，而对小雾珠来说则还未达到饱和，小的雾滴不能长大反而汽化，而后水气在树枝上凝华而成雾凇。由于这样的气候条件并不经常出现，因此出现雾凇的景观也比较难得。