蒸发、凝结与潜热

湿地面在太阳下慢慢干燥，雨滴落入较干空气时也会蒸发。前者可能消耗本来用于升温的能量，后者能使空气冷却。水不仅随风搬运质量，还通过物态变化参与能量输送；这正是云雨与普通干气体运动的重要区别。

相变改变物态，不改变水的身份

相变（phase change）是固、液、气之间的转变。蒸发（evaporation）把液态水变为水汽；凝结（condensation）方向相反。熔化（melting）与冻结（freezing）连接冰和液态水；升华（sublimation）与凝华（deposition）连接冰和水汽。整个过程中水分子并没有变成空气中的氧气或氮气。

蒸发不需要先达到100°C。液面上总有部分分子能够离开，速率与温度、水汽压差和交换条件有关。凝结也没有一个适用于所有空气的固定温度：它取决于实际水汽状况与饱和条件。NOAA：水循环中的蒸发和凝结

潜热的“潜”是什么意思

潜热（latent heat）指相变相关的能量交换。汽化需要能量，凝结则向周围释放对应能量。这里的“潜”不是说能量神秘地消失，而是能量变化不能只由温度变化看出来。在固定压力下加热正在沸腾的水，即使温度近似不变，仍需持续供能才能让更多液体转为气体。

令发生相变的水质量为$m_w$，汽化潜热为$L_v$，则量级估算为 $Q=L_v{m}_w$。$m_w$用kg，$L_v$用J/kg，$Q$用J。近常见大气温度下，可粗取$L_v\approx 2.5\times {10}^6$ J/kg；它随温度变化，本书用固定值作入门算术，不宣称是所有温度下的精确常数。NWS：潜热术语

一克水可以交换多少能量

1克等于0.001千克，所以蒸发1克水约需2500 J。若这部分能量完全来自1千克近似定压的空气，且忽略其余交换，以$c_p\approx 1004$ J/(kg·K)估算，降温约$2500/1004\approx 2.5$ K。实际系统中，能量还可来自液水、地表、辐射和周围空气，因此不能看见1克水蒸发就断言当地气温必降2.5°C。

把方向反过来，水汽凝结可向气块释放潜热，抵消一部分上升膨胀造成的冷却。“释放潜热”通常意味着比不凝结时冷却得慢，并不保证温度随上升反而增加。 后面的气块实验会把这两项作用放在同一张图上。

能量可以在另一处释放

水在海面蒸发吸收能量，水汽随气流到另一地区后凝结，能量就在新的位置释放。这叫潜热输送（latent heat transport），不要求一团“热量”以可见形式跟着水汽走。它是大气能量搬运的一部分，也不能单独解释全部风暴强度。NOAA GFDL：大气能量输送

常见误解是“凝结产生了额外能量”。如果只盯着云内温度，确实容易忽略先前蒸发的能量投入；把水、空气及能量来源放进完整账本，仍满足能量守恒。另一误解是“云消散一定是水落下来了”；液滴也可以重新蒸发，云变得不可见而水仍以气态存在。

自检：画两条能量箭头

分别给“地面水蒸发”和“云中水汽凝结”画能量方向。若只蒸发0.2克水，以本课近似需多少能量？云中的温度仍在下降，是否能排除凝结正在发生？

展开答案

蒸发从周围能量来源吸收能量，凝结向周围释放能量。0.2克是0.0002 kg，约需500 J。不能因温度下降排除凝结：膨胀冷却可以仍然强于相变释放的能量，温度便继续下降，只是下降较慢。

继续：上升空气为何冷却。