水蒸汽凝结以辐射方式释放潜热的微观物理机制

 

众所周知，水的冷凝和蒸发与外界交换的能量被称为潜热，热力学将冷凝和蒸发过程视为一个等温等压过程。但是在这样一个近乎于理想的热力学过程中，却没有确定的均质热力学状态。在热力学中，将介于饱和蒸汽与饱和液体之间的区域称为湿区，湿区的工质状态是相应压力或温度下的饱和液态和饱和气态的混合状态，并将工质在饱和气态和饱和液态的焓值之差定义为潜热(L=h”-h’)。从工程实践角度，使用“潜热”度量这一热力过程简单实用，也没有出现过任何问题。由于一般工程技术中的冷凝过程是在一个封闭容器内进行，潜热是不是通过辐射释放出来的是无关紧要的问题，即凝结过程中没有均质热力学状态所暗含的微观物理学机制问题被掩盖了。

物质的辐射机理非常的复杂，至今并没有十分完美的解释，但我们知道任何物质都有辐射，只是辐射的波谱范围和强度不同而已。关于辐射机理，有一种解释是处于激发态的原子或分子返回基态时就以电磁辐射的形式释放其多余的能量。不同的物质辐射光谱显著不同，电磁波光谱从宇宙射线、X 和γ射线、到紫外线和可见光，再到红外和远红外及微波等。

众所周知，以光速运动的是电磁波，而电磁波的传播又被称为电磁辐射。爱因斯坦的能量方程：

E=mc²                                                                                              (1)

是电磁辐射的物理学基础。

我们知道太阳上发生的是氢核聚变：

4¹₁H→⁴₂He+2⁰₂e+2γ+中微子                           (2)

 

是原子之间非弹性碰撞生成新原子的“原子级”的变化，所释放的能量巨大，其能量(或称太阳能)正是通过电磁波辐射在宇宙中传播的。但由于反应太过剧烈，目前还没有有效的控制手段。

燃烧化学反应：

2H₂+O₂→2H₂O                                                                                (3)

C+O₂→CO₂                                                                                      (4)

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O                                                                     (5)

等是一种分子级的变化，是分子之间的非弹性碰撞聚合引起的变化，剧烈但可控，所释放的能量很大，是目前能源利用的主要方式。

根据锅炉原理[陈学俊，陈听宽，《锅炉原理》第二版，西安交通大学出版社，1990.]，燃料在锅炉炉膛燃烧，温度很高，辐射很剧烈，辐射是主要的换热形式。而对于其辐射机理，与大气物理学一样，也认为是燃烧产物的对外辐射，而不是燃烧聚合反应的直接辐射。

现在已经有学者对此提出了异议，他们通过假设一定比例的直接辐射进行模拟计算，其结果与实际很好相符[Zhou H C, Ai Y H. Effect of radiative transfer of heat released from combustion reaction on temperature distribution: a numerical study for a 2-D system. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2006, 101: 109-118.]。有文献[Hubert Reeves, Patience dans I’azur, Éditions du Seuil, 1988.]指出，燃烧化学反应中存在质量损失，燃烧产物的质量总和总是小于燃烧前的质量，如汽油燃烧产生的新分子的全部质量略低于汽油和氧合计的质量，质量之差转变成了热能。

水蒸汽凝结(凝华)是水蒸汽分子与水蒸汽分子碰撞凝聚在一起的过程，这是一种物理变化。大气压力下水蒸汽的潜热较大，因此这一过程堪称热烈。由于在水和水蒸汽之间没有均质的热力学状态，因此我们可以将水蒸汽看成是液态水(固态冰)的激发态。水蒸汽的凝结(华)过程之分子碰撞堪称一种完美的非弹性碰撞，结合本人前面的博文——大气物理学存在的问题之一，本文认为水蒸汽的凝结(华)是通过辐射释放出来的。

由于大气中水蒸汽的凝结及凝华过程的辐射放热方向具有随机性，向外层空间辐射是维持地球大气温度不至于太高的一个重要保证，向地面辐射则是一种主要的温室效应。众所周知，玻璃暖房的温室效应主要是由于玻璃对红外辐射的反射。显然，与玻璃的长波反射比较，大气中的水蒸汽凝结(凝华)过程的辐射具有异曲同工的效果。

水蒸汽凝结的辐射释放潜热才是最大的温室效应，由于太阳辐射增强导致全球降水量的增加[ Hulme M., Osborn TJ and Johns TC. Precipitation sensitivity to global warming: Comparison of observations with HadCM2 simulations. Geophys. Res. Lett., 25: 3379-3382 (1998).]才是导致全球气候变换的真正原因。

显然，这里的关键是燃烧过程及凝结过程是否存在质量损失。但是由于质量损失非常小，约在10^-14-

10^-9之间，是否能够准确测量是一个问题。工程领域，这一数量级完全可以被忽略，而这些过程看成质量守恒。

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