物态变化与天气（1）雨和雪自然界里大雪的产生，是很有代表性的物态变化过程。地面上的水蒸发成为水汽，升到高空与严寒空气接触，水汽便凝结成小水滴，产生云。当气温骤降，而又有汇聚核心的时侯，都会凝结成大水滴升高而为雨。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容积降低到很大时就会弄成雨落出来。假如水温高于0°C，水汽在空中就可能产生雪。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，集聚上去显得足够大时，就成为雪花向地面飞舞。雪花的形状多为圆形，也有棒状、柱状或不规则形状的。个别雪花的半径可小于2．5cm。雪花的大小取决于水温，气温越低升华和凝华物态变化和条件，产生的雪花越小。因为构成雪片的结晶能反射光，所以雪片呈红色。当过热水滴碰撞在冰晶（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，产生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，产生露和霜；也可以发生在空中，产生云和雾。大量的细小水滴或冰晶漂浮在近地面的空气层中，就产生雾。产生雾的基本条件是：近地面空气中水汽充裕，有凝结核存在，有使水汽发生凝结的冷却过程。
因为造成空气的冷却方法不同，雾可分为幅射雾、平流雾、蒸发雾、锋面雾等，其中最常见的是幅射雾和平流雾。幅射雾同露、霜一样，都是由地表面幅射冷却产生的。幅射雾大多出现在放晴、微风的清晨或下午。放晴无云的夜晚，地表面幅射散热快，迅速冷却，近地面水汽又比较充裕，有利于水汽的凝结。同露、霜的产生不同的是，须要有晚风。假如无风，幅射冷却只局限在紧贴地面的空气层中，则只能产生露和霜，而不能产生雾；假如风大了，下层空气的热量大量地向上传递，阻碍上层空气冷却，使温度不易增加到露点，也无法产生雾。只有晚风（风速1～3m/s），对雾的产生最合适。晚风既能使冷却作用扩充到较厚的空气层中，又不致影响上层空气的充分冷却，所以最有利于雾的产生。幅射雾是在放晴无云的条件下产生的，下午日出以后，地表面水温渐渐下降，雾也就渐渐消退，雾散后又是个阴天。“十雾九晴”的民谚，指的就是幅射雾。平流雾是暖湿空气流经冷的地面或水面，暖湿空气低层逐步冷却而产生的。产生平流雾，暖湿空气与地面或水面的温差要比较大，暖湿空气低层能够迅速冷却。还要有适合的风向和风速。适合的风向，可不断地送来暖湿空气；适合的风速，使雾达到一定的长度。大量的细小水滴或冰晶漂浮在高空中，就产生云。
云和雾本质上是一回事，只是云的顶部不接触地面，而雾却是接触地面的。可以说，云是高空的雾，雾是地面的云，产生云的基本条件与雾相同，所不同的是，产生云要有空气的上升运动以及因上升运动而造成的绝热冷却。图4-库-9积状云云有各类不同的形态，主要是由空气上升运动的方式不同导致的。有一类云，称作积状云，它们是因空气对流形成上升运动而产生的。上升的闷热空气，容积膨胀，导致绝热冷却，当上升到一定高度后，水汽凝结，产生积状云（图4-库-9）。当暖空气向冷空气两侧联通时，因为暖空气密度小，暖湿空气沿冷空气斜坡平缓滑升，绝热冷却，则产生层状云（图4-库-10）。层状云的顶部同斜坡面大体吻合，底部近于水平。暖湿空气跨过大范围的山脉时，在山脉迎风坡左侧，整层暖湿空气被迫抬高，也会产生层状云。图4-库-10层状云据悉，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，产生云和雾；也可以发生在地表面或地表面的物体上，产生露和霜。夜间，地表面因向外幅射而冷却，气温迅速增加，与地表面接触的空气，气温也渐渐减少；当空气的湿度增加到露点时，空气中的水汽就凝结在地表面或地表面的物体上。假如此时的露点湿度在0°C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。
假如此时的露点湿度在0°C以下，水汽就直接凝华为红色的冰晶，这就是霜。露和霜常常发生在放晴、无风的夜间。放晴无云的清晨，地表面幅射散热快，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，使之气温增加。山谷和洼地，冷空气容易积蓄，对露和霜的出现有利，形成露和霜的频度最大。霜和霜冻不同，霜是指红色固体凝结物，霜冻是指温度升高，足以造成农小麦遭到伤害或死亡的现象。假如温度还在0°C以上，则只有霜冻而无霜；但有霜经常伴有霜冻，由于这时温度已增长到0°C以下。（4）冰瀑冰瀑是聚积在地面物体迎风面上呈棒状和颗粒状的乳黄色疏松的微小冰晶或冰粒。在严寒的天气里，微小的紊流遇到严寒的物体表面时，产生了冰瀑。按照其形状可分为粒状冰瀑和晶状冰瀑两种。粒状冰瀑出现在温度约-2～-7°C有雾且风速相当大的天气里，它是因为风的作用，将过冷却紊流吹到物体表面冻结而成的，形状呈丝状。因为紊流与物体接触时冻结的很快，因此保留了原先紊流的形状。晶状冰瀑是一种结晶冻结现象，它的结晶形状与霜的结晶形状相像，它产生在温度为-15°C的寒冬而有雾的天气。晚风的日子里，它可以由空气中过饱和水汽在物体表面直接凝华生成，也可以由紊流蒸发的水汽而产生。
我国广东省广东市松花江两岸，春日里不冻的江水腾上去的雾遇见严寒的空气在树上凝结为冰瀑。当地的群众称为“树挂”。寒流十月，每每冰瀑出现的时侯，十里长堤的柳树春枝弄成果洛琼枝，人在其中，就像童话世界。升华和凝华物质由液相转变为液相，称作升华；由液相转变为液相，称作凝华。单位质量某种物质升华时吸收的热量，称作升华热；相反过程放出的热量，称作凝华热。升华热与凝华热相等。衣箱中的硫黄丸放久了会变小直到消失，就是由液相直接变为液相，发生了升华现象。严寒季节地面上的霜，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。现代高速客机克服“热障”──客机高速飞行时与空气磨擦生热引起的害处，举措之一就是借助涂于客机表层的石墨升华来降温。在升华（凝华）的情况下，与液相平衡的蒸气的浮力称作固体上方的饱和蒸气压。表示固体上方饱和汽压和湿度的关系曲线称作升华曲线，升华曲线上的各点表示固气两相平衡共存的状态。在浮力比单相点浮力低的情况下加热固体，就可以不经融化而直接升华为氨气。通常固态物质如金属，饱和汽压很低，用精密仪器能够量出，可以忽视，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，所以容易看到这种物质的升华现象。（1）升华与蒸发相比有什么相像之处升华与气化都是变为气态的过程。气化有两种形式，即蒸发和沸腾，升华更像蒸发，它们有下边一些共同点。①蒸发是只从液体表面进行的气化形式，从分子动理论的观点看问题，是一些动能较大的分子挣开周围液体分子的引力而逃逸下来成为气态的现象。升华也是只从固体表面进行，也是一些动能较大的分子挣开周围分子的引力而逃逸下来成为气态的现象。②蒸发和升华都不要求在确定的气温下进行，可以在“任何”温度进行。③蒸发和升华的过程都要吸收热量（分别名为气化热和升华热），但假如外界不能供给热量，蒸发和升华都一直才能进行升华和凝华物态变化和条件，同时导致本身的气温骤降。④液体和固体假如分别置于密闭的容器内，蒸发和升华形成的蒸汽达到饱和之后，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形成的蒸汽达到饱和之后，其浮力值称作为饱和汽压，饱和汽压的数值与物质的种类及湿度有关，而与饱和汽的容积无关。反映升华时的饱和汽压与气温关系的图像叫升华曲线，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，曲线的左方是液相稳定存在的区域，右方是液相稳定存在的区域。
图中另两条实线分别表示该物质的融化曲线和气化曲线，三条曲线交于同一点O，即为该物质的单相点。理论上讲，固态物质在任何水温下就会升华，但好多固体物质，比如金属，在常温下的饱和汽压十分低。以金属铝为例，当气温达到熔点体温，即962°C时，饱和汽压也只有2．67×10-1Pa，钨的饱和汽压更低，即使大气中很少能测量到钨原子，但它早已达到饱和，因而实际上钨是不升华的。不可是钨，所有金属都可以觉得是不升华的。但另一些物质，在常温下的饱和汽压却很高，比如干冰（固态的气体），在-78．5°C时的饱和汽压就早已达到1．01325×105Pa，即已达到大气压的值，因而干冰在常温下很快就升华弄成二氧化碳。碘在114°C时的饱和汽压为1．20×104Pa，碘与干冰相比，常温下升华不很快，但稍一加热，升华也是很显著的。冰的饱和汽压比碘又低一些，它在-1°C时饱和汽压是5．63×102Pa，在-10°C时是2．60×102Pa。冰在冬天的室内升华速率似乎不能算很快，但冰冻的湿裤子也还是会因为升华而变干的。（2）凝华有哪些条件凝华是由气态直接弄成固态的过程，这儿的固态指的是结晶态。物质由气态直接凝华是有条件的，首先浮力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，假如没有凝结中心，可能气温已增长到很低，二氧化碳已成为过饱和汽，依然不能结晶。
严寒的冬天，人在外边行走，头发、胡子、头发上就会凝结好多冰晶，这是如何产生的呢？首先是人呼出的气中富含大量水蒸汽，这种水蒸汽遇冷液化成好多细小的雾珠（即听到的“哈气”），因为空气中水蒸汽对于这种细小的水滴来说还未达到饱和，因而这种小雾珠会很快蒸发（“哈气”一会儿就看不到了），但对于冰来说则早已过饱和了，这种水气会以头发、胡子等为凝结核而结晶成为霜。冬天的冰瀑和冰挂都是很壮观的景象，产生冰瀑也须要一定的气候条件。空气严寒，并富含较丰富的水汽，早已产生了细小的雾珠，空气中的水蒸汽对冰来说早已过饱和，而对小雾珠来说则还未达到饱和，小的紊流不能长大反倒气化，而后水气在树叶上凝华而成冰瀑。因为这样的气候条件并不常常出现，因而出现冰瀑的水景也比较难得。