Hơi nước

Hơi nước là dạng khí của nước, xuất hiện khi nước lỏng bay hơi hoặc khi băng thăng hoa. Đây là một trong những trạng thái của nước trong khí quyển, và nó không thể nhìn thấy được do sự trong suốt của nó. Hơi nước nhẹ hơn không khí và góp phần tạo ra các đám mây thông qua quá trình bay hơi và ngưng tụ.

Hơi nước là phần quan trọng của khí quyển và chu trình thủy văn của Trái đất, đóng vai trò như một khí nhà kính mạnh mẽ, vượt trội hơn cả carbon dioxide và methane. Nó không chỉ quan trọng trong việc nấu nướng mà còn là yếu tố chính trong các hệ thống sản xuất và vận chuyển năng lượng từ cuộc cách mạng công nghiệp.

Hơi nước là một thành phần phổ biến trong khí quyển, có mặt không chỉ trên Trái đất mà còn trên các hành tinh trong Hệ Mặt Trời, các vệ tinh tự nhiên, sao chổi và một số tiểu hành tinh lớn. Phát hiện hơi nước ngoài hệ mặt trời có thể chỉ ra sự hiện diện của nước lỏng trong các hệ hành tinh khác, góp phần vào việc tìm kiếm sự sống ngoài Trái đất.

Đặc điểm

Bay hơi

Khi một phân tử nước tách rời khỏi bề mặt và khuếch tán vào không khí xung quanh, nó được gọi là bay hơi. Mỗi phân tử nước chuyển từ trạng thái lỏng (liên kết nhiều) sang hơi nước (liên kết ít) thông qua việc hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng. Tổng hợp quá trình truyền động năng này là nhiệt năng và chỉ xảy ra khi có sự khác biệt nhiệt độ giữa các phân tử nước. Nước lỏng biến thành hơi nước sẽ mang theo nhiệt, trong quá trình gọi là làm mát bay hơi. Lượng hơi nước trong không khí quyết định tần suất các phân tử quay trở lại bề mặt. Khi bốc hơi ròng xảy ra, nước sẽ trải qua quá trình làm mát thực sự do mất nước.

Tại Mỹ, Cơ quan Thời tiết Quốc gia đo tốc độ bay hơi từ bề mặt nước mở 'chảo' chuẩn hóa ngoài trời tại nhiều địa điểm trên toàn quốc. Các quốc gia khác cũng thực hiện việc này trên toàn cầu. Dữ liệu ở Mỹ được tổng hợp thành bản đồ bốc hơi hàng năm, với các phép đo từ dưới 30 đến hơn 120 inch mỗi năm. Có thể sử dụng công thức để tính tốc độ bay hơi từ bề mặt nước như bể bơi. Ở một số quốc gia, tốc độ bay hơi của nước có thể vượt xa tốc độ kết tủa.

Làm mát bay hơi bị ảnh hưởng bởi điều kiện khí quyển. Độ ẩm là lượng hơi nước trong không khí và được đo bằng thiết bị gọi là ẩm kế. Các phép đo thường được thể hiện bằng độ ẩm cụ thể hoặc độ ẩm tương đối phần trăm. Nhiệt độ khí quyển và bề mặt nước xác định áp suất hơi cân bằng; Độ ẩm tương đối 100% xảy ra khi áp suất hơi nước bằng áp suất hơi cân bằng, thường gọi là bão hòa hoàn toàn. Độ ẩm có thể dao động từ 0 gam/m³ trong không khí khô đến 30 gam/m³ (0,03 oz/ft³) khi hơi bão hòa ở 30°C.

Thăng hoa

Thăng hoa là hiện tượng các phân tử nước chuyển thẳng từ băng thành hơi mà không chuyển qua trạng thái lỏng. Quá trình này gây ra sự mất mát dần dần của băng và tuyết vào mùa đông, đặc biệt ở những vùng có nhiệt độ quá thấp để nước chảy. Tại Nam Cực, hiện tượng này diễn ra rõ ràng vì đây là lục địa có lượng mưa thấp nhất trên thế giới, dẫn đến việc các lớp tuyết hàng nghìn năm tuổi đã thăng hoa, để lại những vật liệu không bay hơi. Hiện tượng này rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học, như việc thu thập thiên thạch trên bề mặt Trái Đất, giúp bảo quản chúng ở trạng thái hoàn hảo.

Thăng hoa đóng vai trò quan trọng trong việc chuẩn bị mẫu sinh học cho quét kính hiển vi điện tử. Các mẫu thường được đông lạnh và đứt gãy đông lạnh, sau đó bề mặt vỡ được khắc bằng phương pháp đông lạnh và bị ăn mòn khi tiếp xúc với chân không, cho đến khi đạt được mức độ chi tiết cần thiết. Kỹ thuật này cho phép hiển thị các phân tử protein, cấu trúc bào quan, và lớp lipid kép với mức độ biến dạng rất thấp.

Ngưng tụ

Hơi nước chỉ ngưng tụ trên các bề mặt khi bề mặt đó mát hơn nhiệt độ điểm sương hoặc khi vượt quá mức cân bằng hơi nước trong không khí. Khi xảy ra hiện tượng ngưng tụ, bề mặt sẽ nóng lên vì phân tử nước mang theo nhiệt năng, đồng thời làm giảm nhiệt độ của khí quyển. Trong khí quyển, sự ngưng tụ tạo ra mây, sương mù và lượng mưa, và thường cần sự hiện diện của các hạt nhân ngưng tụ mây để hỗ trợ quá trình này.

Sự ngưng tụ thực sự của hơi nước xảy ra trên các bề mặt khi nhiệt độ của chúng bằng hoặc thấp hơn nhiệt độ điểm sương của không khí. Ngưng kết là một quá trình riêng biệt với ngưng tụ, dẫn đến việc nước đá hình thành trực tiếp từ hơi nước. Ví dụ về ngưng kết bao gồm băng giá và tuyết.

Có nhiều cơ chế làm mát dẫn đến hiện tượng ngưng tụ: 1) Mất nhiệt trực tiếp qua dẫn truyền hoặc bức xạ. 2) Làm mát do giảm áp suất không khí khi không khí nâng lên, còn gọi là làm mát đoạn nhiệt, có thể xảy ra khi không khí gặp ngọn núi, đối lưu, hoặc các mặt trước lạnh và ấm. 3) Làm mát do chuyển động ngang của không khí.

Phản ứng hoá học

Một số phản ứng hóa học tạo ra nước như một sản phẩm phụ. Nếu các phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao hơn điểm sương của không khí xung quanh, nước sẽ hình thành dưới dạng hơi và làm tăng độ ẩm cục bộ. Nếu xảy ra dưới điểm sương, nước sẽ ngưng tụ tại chỗ. Ví dụ điển hình là đốt cháy hydro hoặc hydrocarbon trong không khí hoặc hỗn hợp khí có chứa oxy, hoặc phản ứng với chất oxy hóa.

Tương tự, các phản ứng hóa học hoặc vật lý khác có thể xảy ra khi có hơi nước, dẫn đến sự hình thành các hợp chất mới như gỉ sắt hoặc thép, quá trình trùng hợp (như bọt polyurethane và keo cyanoacrylate phản ứng với độ ẩm không khí), hoặc các thay đổi trong cấu trúc hóa học như sự hình thành tinh thể hoặc thay đổi màu sắc, có thể được sử dụng để đo lường.

Đo lường

Việc đo lượng hơi nước trong môi trường có thể được thực hiện theo hai cách: trực tiếp hoặc từ xa, với độ chính xác khác nhau. Các phương pháp từ xa có thể sử dụng sóng điện từ từ vệ tinh trong khí quyển, trong khi phương pháp trực tiếp có thể dùng đầu dò điện tử, nhiệt kế ẩm, hoặc vật liệu hút ẩm để đo các thay đổi về tính chất vật lý hoặc kích thước.