水的三态及转化

与地球上的很多物质一样，水具有固态、液态和气态三种物质存在形式。与其他物质不同，水是自然界中唯一三态同时并存的物质。水的固、液、气三种状态，又称为水的三相。在一定的温度和压力条件下，水的相态之间可以发生转变，称为相变。从水的三相图上可以看出，水的三相点出现在0.01℃（273.16K）及611.73Pa。在一个标准大气压条件下，0℃为水的冰点，低于这一温度，水将由液态变成固态；高于这一温度，则水将由固态变成液态。同样，100℃为水的沸点，低于这一温度，水将由气态变成液态；高于这一温度，则水将由液态变成气态。这一情况仅在地表附近一个标准大气压条件下才能成立。如果大气压发生变化，水的冰点和沸点都将随之改变。在高原上，因为气压低于一个标准大气压，水的沸点降低，水不到100℃就沸腾了。水从固态转化到气态，也不一定要经过液态的阶段。在极低压力下，水会在固态和气态间直接转换，不经过液态阶段。

在地表绝大部分地区，自然条件下的温度和压力使水分主要以液态的形式存在。自然界中，高山顶部的积雪和极地的冰层都是固体状态的水；海洋、河湖以及沼泽等都由液体状态的水组成；而地表水分则通过蒸发以气态水分的形式进入大气；大气中的水分通过凝结降水，以雨雪的形式回到地面。正因为如此，地球上不同状态的水分互相转换，形成水循环；在循环过程中，形成了地球表面各种纷繁复杂的天气现象和气候现象。简而言之，水的三态转化过程可以概括为：蒸发与凝结，凝华与升华，凝固与熔化。正是由于水的三态存在及相互转化的特性，才使得水能够滋润万物，使海洋成为生命摇篮。

蒸发蒸发是液体温度低于沸点时，发生在液体表面的汽化过程，是水分由液态转变为气态的过程，在任何温度下都能发生。蒸发需要吸收一定的热量，因而蒸发不仅是水的交换过程，也是热量的交换过程，是水热交换的综合反映。地表蒸发就是地球表面的液态水变成大气中水汽的所有过程的总称，这也是海洋与陆地上的水分返回大气的唯一途径。自然蒸发需要具备两个条件：一是地表必须有水分供应，使得蒸发能够得以持续；二是必须有能量供给，使水分子具备足够的动能，从而离开液体表面。因此，水源、热源、水汽压饱和差及风速等都是影响蒸发的因素。

凝结凝结是气体遇冷而变成液体的过程，是与蒸发相反的相变过程。温度越低，凝结速度越快。凝结过程会释放热量，因而也是一个热量过程。自然界中的常见现象是大气降水。大气中水汽发生凝结的条件：一是存在凝结核，二是空气中的水汽达到饱和或过饱和。其中，空气中的水汽达到饱和或过饱和这一条件存在两种途径，即增加空气中的水汽含量（如暖水面蒸发）和进行冷却（如绝热冷却、辐射冷却、平流冷却）。当空气达到饱和或过饱和状态时，水汽就以烟尘等凝结核为中心发生凝结，形成小水珠或小冰晶，并释放水汽中存在的潜热。小水珠和小冰晶的体积增长速度与空气中水汽传输速度及被释放潜热的输送速度有关。

升华升华是指固态物质不经液态直接转变成气态的过程，是物质在温度和气压低于三相点的情况下发生的一种物态变化。升华过程中需要吸收热量。在自然界中，冰川表面在日光照射条件下会发生升华。固体物质的气压与外压相等时的温度，称为该物质的升华点。在升华点时，晶体物质表面和内部都发生升华，作用很剧烈，因此易将杂质带入升华产物中。

凝华凝华是指一种物质不经过液态，从气态直接转化为固态的过程。这是一个与升华相反的相变过程，是物质在温度和气压高于三相点的情况下发生的一种物态变化。凝华过程会释放热量，属于放热过程。自然界中常见的例子是结霜。产生凝华的条件比较特殊，一般是要求水汽含量要到达一定的浓度，温度要低于三相点的温度，比如低于0℃时的水蒸汽等，多是由于急剧降温或者由于升华现象所导致。

融化融化是指固态物质变成液态的相变过程，是物态变化中比较常见的类型。融化需要吸收热量，是吸热过程。晶体有一定的融化温度（融点），晶体吸热温度上升，达到融点时开始融化，完全融化成液体后，温度才会继续上升。在融化过程中固态和液态共存。自然界中常见的例子有冰雪融化。产生融化的主要条件是要有充分热量。在常压环境下，冰的融点为0℃，冰的融化热是335kJ/kg。

凝固凝固是指物质从液态变为固态的相变过程，是融化的逆过程。在凝固过程中其温度保持不变，直至液体全部变为固态为止。在标准大气压下，凝固点与融点相等。液态晶体物质在凝固过程中放出热量，称为凝固热，其数值等于融化热。0℃水冻结成冰时，体积会增大约1/9。在自然界中，水不是纯净的水，含有溶质，因此水的凝固点降低，需在0℃以下才能冻结。另外由于结冰释放的潜热很大，一般温度在0℃时河水才出现冻结现象。当温度降到0C以下时，水有可能还是不能结成冰，这时的水就成为“过冷水”。