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阴雨的冬天更冷的原因被我们找到了,只需要一点简单的“相对论”

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作者:中科院物理所新媒体中心

审核:罗会仟 中国科学院物理研究所 研究员

曾经被阴雨天冷空气魔法伤害背刺的同学们集合啦!只需要一点小小的“相对论”知识(当然,是天气预报版的相对论),就能用魔法打败魔法。

天气预报陪伴着人们生活、出行的方方面面。说到天气预报,不知道同学们第一个想起的是什么呢?是央视新闻联播后,“渔舟唱晚,响穷彭蠡之滨”的那段经典天气预报配乐(不妨一边单曲循环一边看下去),还是各种气温降水或者是越来越好的空气质量指数呢?

就在最近,冷空气频频背刺,小编也加大了查看天气预报的力度(不知道同学们有什么被冷空气背刺的经历呢,欢迎在留言区互动哦)。就在某一天,小编在天气预报中突然发现了这样一行看似常见却又不怎么会在平时被注意到的信息:生活气象指数。其中,空气湿度这一项引起了小编的好奇。

空气湿度,也即相对湿度,其很大程度上影响着人们的体感温度(比如那个悄悄溜走的湿热的夏天)。但这个相对湿度中的“相对”,究竟是相对什么呢?一下子,小编作为物理系学子的好奇心就被点燃了,而基于物理系学子永不低头的自我修养,一系列问题也自动蹦入小编的脑海:

1. 究竟什么是相对湿度,其相对什么而言?

2. 相对湿度与人体感官的关系又是什么呢?

如果你也一时间回答不上这两个看似简单但却很难一下子说清的问题的话,不妨跟随小编一起看下去吧。

什么是相对湿度

相对湿度(relative humidity)在大英百科全书(Encyclopedia Britannica)中有着如下的定义[1]:

relative humidity, ratio of the actual vapour pressure of water in the air to that in air saturated with water vapour; it is often expressed as a percentage.

翻译成中文,也即:“相对湿度,指空气中实际的水汽压与相同温度下饱和水汽压的比值,通常以百分比的形式呈现。”是不是一下子有很多名词,好像每个中国字我都能看懂,但连在一起就是不知道ta在说什么?没关系,接下来让我们一步步地了解,什么是“水汽压”,什么又是“饱和水汽压”。

在上文中,“饱和水汽压”也就是水的饱和蒸气压,我们先从这个饱和蒸气压说起。

“饱和蒸气压”指的是对某种物质,在密闭条件中以及一定温度下,与固体或液体处于相平衡的蒸气所具有的压强。到这里小编不仅没有解释清楚什么是饱和蒸气压,而且还引入了两个新名词,“物质的相”和“相平衡”...。下面就对这两个概念进行解释。简单来讲,物质的相指的是在没有外力作用下,物理和化学性质完全相同,成分完全相同的均匀物质的状态,其实也就是我们能用一个词语进行描述的一种物质所处的状态。例如水蒸汽和冰就分别是水的气相和固相。

物质在不同温度和压强下,处于什么相的信息可以从相图中轻易地读出。例如下图中,横轴是温度,纵轴是压强,图上的任意一点给出在该温度压强情况下水所处的物态。

以A点为例,相图给我们的信息是:横坐标为100摄氏度,而纵坐标为1个标准大气压,且其处于气相(对应于图中steam)和液相(对应于图中water)的分界线上。从这些信息中我们就可以轻易地知道,如果在一个标准大气压下,将液态水温度升至100摄氏度,则其将会处于气态和液态的转变点,也就是二态共存。此时在压强不变的情况下继续对水进行加热,其温度保持不变,而有越来越多的液态水转变为气态水蒸气。

读到这里同学们可能会一拍脑门:“这不就是咱家里烧水的过程吗?”,小编想说,是这样的。其实,生活中很多丰富的物理现象都是这样与抽象的物理理论、物理原理对应的;而许许多多这样看似简单的相图,也在生活中的方方面面被大量应用着,并不断为提高人们生活水平做出贡献。回到水的相图本身,再来看B点,这是水的三相点,在该点,固、液、气三相共存,有着确定的温度和压强。

再来看相平衡。相平衡指的是处于两种相的物质之间处于热力学平衡。了解了相的概念,那么对于相平衡,应该就不难理解了。例如,上文中,烧水时的气态水就跟液态水保持着相平衡(前提是别烧干了)。

(敲黑板)终于到了饱和蒸气压了。这里小编引用一下上文中小编自己的话
“饱和蒸气压”指的是对某种物质,在密闭条件中以及一定温度下,与固体或液体处于相平衡的蒸气所具有的压强。

不难得出,对于我们所讨论的,日常生活中(也就是天气预报描述所适用的场景下)的水来说,饱和蒸气压指的是水蒸气和液态水能在同一个恒温密闭的环境中“和平共处”,并共同稳定存在时水蒸气的压强。

不同温度下的饱和蒸气压可以从相图中轻易地读出。这里为了阅读方便,小编再贴一遍水的相图。

在图中,编号为1和2的两个点之间的曲线为蒸发线。而蒸发线即液气共存的相平衡态,所以其上任意一点的压强(纵坐标)即为该温度(横坐标)下水的饱和蒸气压。假设我们从水的蒸发线上某一点出发(例如图中编号为3处),升高温度(也就是增大横坐标,如图中水平箭头所示),同时保持所选取的点在蒸发线上(即图中斜向上箭头)并一直前进到图中编号为4处,则可以看到对应的压强,也即饱和蒸气压,也随之上升。而水之所以在100℃时会沸腾,也是因为水在沸点时的饱和蒸气压正好是大气压。

终于...我们到达了相对湿度!再来复习一遍相对湿度的定义:

“相对湿度,指空气中实际的水汽压与相同温度下饱和水汽压的比值,通常以百分比的形式呈现。”

其中,水汽压代表着当前实际户外环境下,空气中水汽(气态水分子)所提供的压强。结合上文我们一同了解的饱和蒸气压,那么,根据定义,相对湿度,也就是水汽压与当前温度下的饱和蒸气压二者的比值,就可以很容易地计算出来了:

这计算相对湿度,多是一件美事啊

相信到现在,同学们已经完全清楚什么是相对湿度了,但为什么有些时候空气会很干燥,其他时候又变得湿润呢?这就不得不提到水循环了。

其实,在自然界中存在着多种物态下的水。例如,在低层大气,湿润空气中所富含的水蒸气就是气态水,而在天空中的云,就是通过凝结核作用而形成的水雾或冰晶。而在地表的山川湖泊,则广泛存在着作为生命之源的液态水,此外,甚至在地表下的浅层中,还会有渗透到地下的水流动。

在不同的地理位置以及时间,一个区域局域的水汽含量既受到该地局部的气候条件,例如风力、温度等影响,也很大程度上被水循环中例如蒸腾、降水等因素影响着。

此外,由于真实环境中的水汽,由于环境中的颗粒物存在,不会是如上文所述的纯净水汽,而是以稀溶液的形式存在的。这一现象的存在也会一定程度上影响水的蒸气压。如果对这一部分感兴趣的同学,欢迎在本文最后一部分“好奇领域”处,进行一个知识的学习吧!

论完“相对”论天气

上面,我们讨论了天气预报中最具有“相对性”的一项指标:相对湿度。所以恭喜看到这里的同学们,你们已经在学会了天气预报中的“相对论”啦(手动狗头)。但不能指导人们日常生活的天气预报不是好的相对论,相对湿度又是如何影响我们的日常生活的呢?其中,最直接也是最主要的影响,就是相对湿度与空气温度强强联手,而给人带来的体感温度变化了。下面,让小编带领大家看看,为什么在潮湿的夏季,人会感到格外闷热,而阴雨的南方又是刺骨地寒冷吧!

相对湿度与人体体感及机能的关系

在炎炎夏日中,人们常用闷热形容空气湿度大的天气,在这样的日子里,人出门会感到格外的热,这是因为在相对湿度大时,人体表汗液的蒸发速率会随之下降,从而导致人体更难散热,导致体感温度上升。在夏季,相对湿度与体感温度有着如下关系:

而在冬天,相信南方的同学们也体验过阴冷刺骨的湿冷,甚至空气越潮湿,人体感觉越冷。

在讨论为什么空气湿度会对衣物的保温效果产生影响,请同学们不妨先跟着小编了解一下为什么衣物可以御寒吧🤔在冬天,我们身上穿的衣服,例如羽绒服,蓬松羽绒在人体和外界之间撑起了一个空气层,由于空气是热的不良导体,所以使得人自身产生的热量更不容易散失到外界当中,相当于锁住了热量,从而帮助人们抵御寒冷。

例如,在20℃时,空气的导热系数[5]约为0.026W/m*K,而20℃时水的导热系数则达到了0.6W/m*K,是前者的约23倍!导热系数[6]指的是在热量传导方向上,1m厚的材料在温度差为1K时,通过1m*1m的截面积所传递的热量,单位是瓦/米*度。通俗来讲,也即是在单位面积上,通过单位长度的某种材料,其能传递热量的多少。由此可见,水在相同温度下,导热性能是远远高于空气层的。

这也解释了为什么空气越潮湿,人体就会(受到更多法术穿透伤害)感觉越冷。而这一现象也有着一个专有名词:“水寒效应”:其大意是指在冬天,当空气中相对湿度高时,水汽就会将人们衣物上起保暖作用的暖空气层排挤掉,从而使得衣服御寒功能降低;而与此同时,潮湿空气中的水汽附着在人体上后蒸发也会带走热量,从而使人感到格外寒冷。

下面,让我们来看看什么样的环境下,人体能够感到舒适。例如,相关国家标准规定了不同情况下,室内空气应该达到的标准[2],如下表所示:

那么,为了更快乐地工作,我们应当保持什么样的温度和湿度组合呢?同学们不妨参考如下数值,来为自己营造一个舒心的工作环境吧!

(夏天)26°C的空调,辅以50%的相对湿度,搭配一杯冰奶茶

(冬天)105°C的你

好奇领域:拉乌尔定律与稀溶液的依数性

正文第一部分主要介绍了相对湿度以及饱和蒸气压的定义,但细心的同学们可能会发现,其都是在所考察的体系处于理想、纯净的前提下进行的。然而,自然大气中不可避免存在许许多多微小颗粒,其中一部分也会作为溶质溶解于水中,这些微量的溶质溶解于水中成为了稀溶液,从而造成了实际情况与理论的微小偏离。如果想要描述这种考虑了大气中实际存在的微量溶剂情况下的稀溶液系统,则需要对于拉乌尔定律以及稀溶液的依数性进行介绍了。
稀溶液,指的是溶质相比溶剂而言只占极少一部分的溶液,其溶剂遵循拉乌尔定律[3]:

一定温度下,稀溶液溶剂的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶液中溶剂的摩尔分数:

其中

也就是说,当溶质存在时,由于

,所以导致实际的溶剂(在当前语境下也就是水)的蒸气压有一定程度的下降。

此外,稀溶液的依数性[4]指的是稀溶液会呈现一些只与溶质物质的量有关的物理化学性质变化,而与这种溶质具体是什么无关。

例如,在稀溶液情况下,会出现

溶剂蒸气压下降

凝固点降低

沸点上升

等性质。这里主要使用拉乌尔定律证明我们最关心的蒸气压下降。

根据拉乌尔定律,

则可以改写为

其中,将溶质的物质的量作为分子,写在了括号之中。则可以定义蒸气压变化

定义相对蒸气压变化

即,相对蒸气压变化是一个只与溶质物质的量有关的函数,只要我们知道了溶质物质的量,而不论其是哪种物质,都可以直接计算出此时蒸气压的下降数值。

由此可见,由于日常生活中大气中存在的各种可溶物质,其实实际上当前情况下水的蒸气压是要比理论数值上稍微下降一点的。

参考文献:

[1]: relative humidity | Britannica

[2]: 《室内空气质量标准》,GB/T18883-2002

[3]: 拉乌尔定律和亨利定律 - 百度文库 (baidu.com)

[4]: Solution | Colligative properties (chemistryedu.org)

[5]: 常用材料导热系数表-百度文库 (baidu.com)

[6]: 导热系数_百度百科 (baidu.com)

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评论
科普传播L
太师级
夏季炎热,空气湿度越大,人体表蒸发速度下降,感觉特别热,冬天空气越潮湿,人体越感觉冷
2023-01-30
无限探索者
大学士级
水在相同温度下,导热性能是远高于空气层,空气越潮湿,人体会感觉越冷。同时潮湿空气中的水汽附着在人体上后蒸发也会带走热量,使人感到格外寒冷。
2023-01-30
坦 荡 荡
少傅级
生活中很多丰富的物理现象都是这样与抽象的物理理论、物理原理对应的;而许许多多这样看似简单的相图,也在生活中的方方面面被大量应用着,并不断为提高人们生活水平做出贡献。
2023-01-30