炎熱的夏天，冰啤酒的易拉罐外殼會凝結(jié)一層水，啤酒也隨之溫度升高。這種空氣中水分凝結(jié)釋放熱量的現(xiàn)象，叫做水的潛熱釋放。
地球氣候的變化源于區(qū)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(fā)成為水蒸汽時吸收熱量。在夏天，動物排汗就是利用這種現(xiàn)象來降低體溫；
(2)潛熱釋放是指水蒸汽凝結(jié)為水滴時放出熱量。在炎熱的夏天，從冰箱里面拿出冰啤酒，它的易拉罐外殼會凝結(jié)一層水滴。在凝結(jié)的過程中，冰凍啤酒會被水蒸汽凝結(jié)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(xué)的科研小組關(guān)于潛熱釋放的研究工作。他們詳細(xì)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(dǎo)致的溫度升高曲線圖，其中紅色和藍(lán)色圓點分別是35°C和25°C下的實驗數(shù)據(jù)
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(chǎn)生的溫度影響。假設(shè)將0°C 下355ml 冰啤酒裝在一個外表面光滑的鋁制易拉罐里。這個易拉罐的外表面面積約是290cm2，同時在外面凝結(jié)的液滴厚度約0.1mm，總共能夠凝結(jié)的液滴質(zhì)量上限是2.9g 左右。在0°C下，水凝結(jié)的潛熱約600cal/g。由此估算，凝結(jié)的液滴所釋放的熱量能夠?qū)⒄麄�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(yīng)，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么樣的變化？(2)與外界直接熱傳導(dǎo)對冰啤酒的加熱效應(yīng)相比較，潛熱造成的影響有多大？
華盛頓大學(xué)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。在這里他們首先引入一個合理的假設(shè)，即由外界環(huán)境直接熱傳導(dǎo)導(dǎo)致冰啤酒的溫度升高(即由不含水分的干空氣導(dǎo)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(dǎo)致的溫度升高來得到潛熱釋放導(dǎo)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(類似于夏季炎熱的溫度)， 一旦濕度高于60%，潛熱釋放所造成的溫度升高就超過了由其他因素導(dǎo)致的溫度升高。
當(dāng)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于露點溫度(空氣中的水分可以在表面凝結(jié)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(jié)成為水滴。
在極端情況下，我們可憐的冰啤酒會被這種效應(yīng)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(fā)生在2003 年7 月的沙特阿拉伯，當(dāng)時的露點溫度是35°C，空氣溫度是43°C。按照這個實驗數(shù)據(jù)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%的熱量交換源于赤道和極地間的水分的潛熱效應(yīng)。在地表和高空的熱量輸運中，上升氣流因為水氣凝結(jié)的熱量而能夠保持比周圍環(huán)境高的溫度，從而在高空形成大體積的雷雨云。因此，研究空氣中水分的潛熱釋放具有重要意義。
(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所陳濟舸編譯自Dale R.Durran，Dargan M.W.Frierson. Physics Today，2013，(4)：74)
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