Zeggen dat warme lucht meer vocht "vasthoudt" is technisch onjuist, maar is een veel voorkomende spreektaal. Laten we het uitsplitsen naar de technische details.

Laten we eens kijken naar een glas water met vacuüm (geen lucht) erboven. Wat zal er gebeuren? De moleculen die zich in de bovenste laag van het water bevinden, zullen verdampen. Hoe snel verdampt het water? Beter nog, wat is verdamping?

Verdamping is wanneer de watermoleculen voldoende kinetische energie krijgen (hoe snel ze trillen) om de bindingen te verbreken die ze aan elkaar houden. Kinetische energie is temperatuurafhankelijk. Dus de moleculen trillen sneller, breken hun bindingen en gaan als een damp het vacuüm binnen. Sommige moleculen blijven als damp in het vacuüm, maar andere zullen de vloeistof weer binnengaan. Wanneer de moleculen de vloeistof zo snel ingaan als ze eruit gaan, is deze verzadigd.

Als de lucht wordt afgekoeld, vertraagt ​​de snelheid waarmee moleculen de vloeistof verlaten. De moleculen die de vloeistof binnenkomen, vertragen niet met dezelfde snelheid, waardoor de vloeistof naar zijn oorspronkelijke staat groeit.

Merk op dat ik specifiek heb gezegd dat het een vacuüm is. Stel je het water voor als kleine druppels in plaats van een glas water. De atmosfeer kan deze druppels opwarmen of afkoelen, en vice versa.

In het meer nitty-gritty aspect hiervan wordt de vergelijking die de dampspanning beschrijft als een functie van temperatuur de Clausius-Clapeyeron-vergelijking / relatie genoemd. De American Meteorological Society heeft één geschatte oplossing, maar ik geef de voorkeur aan deze vergelijking: $$ e_ {sat} (T) = 611 Pa \ exp [\ frac {L_v} {R_v} (273.15 ^ {- 1} -T ^ {- 1})] $$ , waarbij $ L_v $ is de latente verdampingswarmte, $ R_v $ is de specifieke gasconstante voor waterdamp, en $ T $ is de absolute temperatuur in Kelvin. Gecombineerd met de ideale gaswet voor waterdamp (uitgaande van verzadiging) $$ e_ {sat} (T) V = m_vR_vT $$ , en gezien het volume ( $ V $ ) kunnen we een uitdrukking schrijven voor de massa waterdamp $ m_v $ . De vergelijking komt uit op $$ m_v = 611 Pa \ exp [\ frac {L_v} {R_v} (273.15 ^ {- 1} -T ^ {- 1})] V R_v ^ {- 1} T ^ {- 1} $$

Om je laatste vraag te beantwoorden: de moleculen worden benaderd als oneindig klein, volgens de ideale gaswet. Om specifieker te zijn, één molecuul water is ongeveer 7,08 $ \ times $ 10 $ ^ {- 19} $ kubieke voet (na wat rekenwerk), dus het toegevoegde volume wordt als verwaarloosbaar beschouwd. Kortom, de moleculen worden behandeld als puntmassa's.

Wat is de diepe fysica of scheikunde reden waarom dit gebeurt?

In één woord, entropie.

In duizend woorden (dwz een plaatje ),

_{Bron: Wikipedia-artikel over fasediagram}

Het bovenstaande is een fasediagram van water. De curve van belang is die tussen damp (geelbruin gebied) en vast of vloeibaar (blauw en groen gebied). Voor een gegeven temperatuur (een verticale lijn in het diagram) is het entropisch gunstig dat water vast of vloeibaar is wanneer de partiële druk van waterdamp boven de sublimatie / verdampingscurve ligt, maar het is entropisch gunstig dat water damp is wanneer de partiële druk is onder de curve.

Let wel: de druk van belang is de partiële druk van waterdamp, niet de druk van de lucht als geheel. Aan de andere kant bepaalt de temperatuur van de lucht wel de temperatuur van de aanwezige waterdamp. Let ook goed op: het bovenstaande diagram is voor een plat oppervlak. Kleine waterdruppels hebben een hoge oppervlaktespanning, waardoor de effectieve verzadigingsdruk in zeer schone lucht toeneemt. (Dit is bijvoorbeeld de reden waarom sneeuwvlokken bijna altijd een minuscule stofkorrel in het midden hebben.) Niettemin volgt de effectieve verzadigingsdruk dezelfde vorm: deze neemt toe met toenemende temperatuur.

Je vroeg om een ​​diepgaande natuurkundige reden waarom dit gebeurt. Stel dat het oppervlak tussen waterijs of vloeibaar water en waterdamp in evenwicht is; d.w.z. de lucht is verzadigd met waterdamp. De waterdampmoleculen hebben een snelheidsverdeling die ongeveer wordt bepaald door de Maxwell – Boltzmann-verdeling. Sommige waterdampmoleculen zullen langzamer bewegen dan andere. Die langzaam bewegende moleculen die het oppervlak raken, worden eerder door het oppervlak geabsorbeerd dan die moleculen die sneller bewegen. De moleculen in het ijs of vloeibaar water trillen / bewegen ook met verschillende snelheden. De snel bewegende vaste / vloeibare watermoleculen zullen eerder aan het oppervlak ontsnappen dan degenen die langzamer bewegen. Onder evenwichtsomstandigheden zijn de snelheden waarmee dampmoleculen worden gevangen en ijs / vloeistofmoleculen ontsnappen gelijk.

Door de temperatuur van de vaste stof / vloeistof en van de damp te verhogen, zullen minder dampmoleculen langzaam genoeg bewegen om worden opgevangen terwijl meer vaste / vloeibare stoffen snel genoeg zullen bewegen om te ontsnappen. Dit verhoogt de druk waarbij evenwicht optreedt. Door de temperatuur te verlagen, wordt op dezelfde manier de druk verlaagd waarbij het evenwicht optreedt.

Het watermolecuul is gewoon een ander molecuul in de atmosfeer, behalve dat het triatomisch is, terwijl 99,97% van de droge atmosfeer mono-atomair (argon) en diatomisch (zuurstof en stikstof) is. Het is ook enigszins elektrisch gepolariseerd, en daarom heeft het een lage energietoestand in aanwezigheid van vergelijkbare moleculen (vloeibare of vaste vorm), en bij een hogere temperatuur.

Dus "Waarom niet alle de waterdamp gewoon uit de lucht valt? " Wat deze moleculen in de damptoestand houdt, is simpelweg de energie van beweging. Koel de atmosfeer af (verwijder deze energie) en de waterdamp kan terugkeren naar zijn lagere energietoestand. Hetzelfde zal gebeuren met alle andere atmosferische bestanddelen - alleen bij verschillende temperaturen en drukken.