水的潛熱：凝結，大氣運動和冰啤酒

炎熱的夏天，冰啤酒的易拉罐外殼會凝結一層水，啤酒也隨之溫度升高。這種空氣中水分凝結釋放熱量的現象，叫做水的潛熱釋放。

地球氣候的變化源於區域溫度的差異，使得熱量從吸收陽光多的地方向吸收陽光少的地方輸運。在熱量輸運過程中，大氣中水分的潛熱釋放扮演了重要的角色。所謂潛熱，是指水在相變過程中所吸收和釋放的熱量：

(1)潛熱吸收是指水蒸發成為水蒸汽時吸收熱量。在夏天，動物排汗就是利用這種現象來降低體溫；

(2)潛熱釋放是指水蒸汽凝結為水滴時放出熱量。在炎熱的夏天，從冰箱裡面拿出冰啤酒，它的易拉罐外殼會凝結一層水滴。在凝結的過程中，冰凍啤酒會被水蒸汽凝結為水滴時所釋放的熱量加熱，因而口感更適宜。

2013 年4 月出版的Physics Today期刊上刊登了美國華盛頓大學的科研小組關於潛熱釋放的研究工作。他們詳細研究了一聽355ml 裝的冰啤酒，在不同溫度和濕度下由水的潛熱釋放所造成的溫度變化(見圖1)。

圖1 在不同濕度和溫度下，冰啤酒總體溫度升高和潛熱導致的溫度升高曲線圖，其中紅色和藍色圓點分別是35°C和25°C下的實驗數據

我們可以用一個簡單的理論模型來估算潛熱釋放對冰啤酒產生的溫度影響。假設將0°C 下355ml 冰啤酒裝在一個外表面光滑的鋁製易拉罐里。這個易拉罐的外表面面積約是290cm2，同時在外面凝結的液滴厚度約0.1mm，總共能夠凝結的液滴質量上限是2.9g 左右。在0°C下，水凝結的潛熱約600cal/g。由此估算，凝結的液滴所釋放的熱量能夠將整個冰啤酒加熱至4.9°C。

這個簡單的理論模型估算了潛熱對冰啤酒的升溫效應，但是不能回答以下兩個問題：(1) 在不同的溫度和濕度下，潛熱所造成的影響有什麼樣的變化？(2)與外界直接熱傳導對冰啤酒的加熱效應相比較，潛熱造成的影響有多大？

華盛頓大學的Durran和Frierson 教授的實驗很好地回答了上面兩個問題。圖1 展示了在25° C 和35° C下，355ml 的冰啤酒在不同濕度下溫度升高的情況。在這裡他們首先引入一個合理的假設，即由外界環境直接熱傳導導致冰啤酒的溫度升高(即由不含水分的干空氣導致的溫度升高)不受濕度的變化影響，其為一個定值。因此，可以通過總體溫度升高減去干空氣導致的溫度升高來得到潛熱釋放導致的溫度升高。

由圖1 可見，隨著濕度的增加，潛熱釋放所造成的影響也就越大；在35°C 下，比起25°C，潛熱釋放的影響也越大。在溫度為35°C時(類似於夏季炎熱的溫度)， 一旦濕度高於60%，潛熱釋放所造成的溫度升高就超過了由其他因素導致的溫度升高。

當然，易拉罐表面溫度越高，潛熱釋放的影響就越小。一旦易拉罐外面的溫度高於露點溫度(空氣中的水分可以在表面凝結的最高溫度)，潛熱釋放的影響就不存在了。因為在這種情況下，空氣中的水分根本無法在易拉罐表面凝結成為水滴。

在極端情況下，我們可憐的冰啤酒會被這種效應加熱多少呢？夏季的波斯灣—紅海附近，炎熱和潮濕天氣非常常見。史上有記載的最熱、最潮濕的天氣發生在2003 年7 月的沙烏地阿拉伯，當時的露點溫度是35°C，空氣溫度是43°C。按照這個實驗數據估算，空氣中水分的潛熱釋放足以把一個0°C的冰啤酒加熱到9°C。

潛熱釋放對地球氣候具有重要影響1)。在赤道向兩極的熱量輸運中，50%的熱量交換源於赤道和極地間的水分的潛熱效應。在地表和高空的熱量輸運中，上升氣流因為水氣凝結的熱量而能夠保持比周圍環境高的溫度，從而在高空形成大體積的雷雨雲。因此，研究空氣中水分的潛熱釋放具有重要意義。

(中國科學院上海應用物理研究所陳濟舸編譯自Dale R.Durran，Dargan M.W.Frierson. Physics Today，2013，(4)：74)

本文選自《物理》2013年第4期