空气的摩尔质量（标准条件下）

走遍地球，云彩是真正迷人的景色。

云的起源是地球表面的水分。海水、湖泊、河流、湿润的土壤，甚至树木和人类身体都会不断散发水蒸气。在这一过程中，水蒸气是看不见的，它属于水的扩散相态。当水蒸气冷却并聚集在一起形成微小分子团时，它们折射和反射光线，我们就可以看到小水滴。

云是由数以亿计的水滴和冰晶组成，它们偏转和反射光线，让我们看见云彩。

美丽的云彩

众所周知，水的密度远远高于空气。既然云是由水构成，云层中聚集着吨位的水分，为什么它能悬浮在空中呢？

前面提到，水蒸气是水的扩散相态。液态水是由众多水分子通过氢键相互作用结合形成分子团，而当水分蒸发时，这些水分子会分离出来，变成独立的分子，分子间保持着一定的距离。

水的摩尔质量为 18.02 g/mol，而标准温度压力下空气的平均分子量为 28.57 g/mol。为什么空气的摩尔质量高于水？

水的摩尔质量低于空气

了解到，干燥空气包含约 78% 的氮气（N₂）、21% 的氧气（O₂）和 1% 的其他气体。氮的原子量为 14，氮气由两个氮原子组成，所以氮气的分子量为 28；同样，氧气的分子量为 32。水分子以 H₂O 形式存在，由一个氧原子和两个氢原子组成，水分子的分子量仅为 18。空气的摩尔质量高于水。

水分子、氮气分子和氧气分子

每升纯水蒸气重约 0.598 克，而每升空气的重量约为 1.27 克，空气的重量远高于水蒸气。水蒸气比空气轻，因此它会上浮，并与空气混合。含有水蒸气的空气不仅变得湿润，其摩尔质量也会下降至 28.51 g/mol，因此潮湿的空气比干燥的空气轻，并持续上升。

当潮湿的空气上升到远离地表的高空时，空气的温度会逐渐降低，这是因为地表热辐射不断减弱。于是空气中的水分子相遇，它们的氢键会起作用，水分子会聚集在一起，形成极小的水滴。水滴的密度比空气大，因此它会慢慢下落。

与重量相比，小水滴的表面积非常大，它的下降速度很慢，大约为每秒 1 厘米。更多的水分子不断加入，使小水滴向外散热，在水滴周围形成一层热空气层，就像一个小小的热气球一样托着水滴上升。

无色的水蒸气形成可见的云彩

水的奥妙之处在于：当它从液态转化为气态时，它会吸收热量，所以汗液蒸发时会让我们感到凉爽；而当它从气态转化为液态时，它会释放热量。

大量潮湿空气在高空遇冷时，就会形成数十亿个小水滴，这些小水滴在高空漂浮，底部不断上升的温暖空气托住它们，从而使云层看起来相对稳定。当低空温度较低时，潮湿空气中的水分子也会在低空凝结，这就是我们通常所说的雾。云是高空的雾，雾是低空的云，性质相同，只是叫法不同。

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上升的暖气流形成的云被称为“对流云”。随着空气的不断上升和堆积，这些云可能在顶部形成不规则的形状，有时产生高耸的积云，看起来像棉花或花椰菜。夏季经常会出现对流云形成，积状云大都属于对流云，而层状云则属于非对流云。

对流云团的形成

在对流云团内，小水滴在冷却下降的过程中，不断被下方的暖湿气流推高，在高空冷却后再度下降，在下降过程中吸收更多水分子，并与其他水滴结合成更大的水滴，当水滴的重量超过下方暖湿气流的推力时，水滴便形成降雨落下来。

云中的水滴降落，形成大雨

如果下方的暖湿气流较强，它可以将云层中的小水滴推到更高的高度，那里温度更低，水滴会凝固成冰晶，冰晶在反复下降和上升的过程中与其他水滴结合，逐渐形成更大的冰核，冰核的大小取决于上升空气的强度，最终掉落地面形成冰雹。这就是冰雹灾害通常在温暖天气下多发的原因之一。

地面的水会因温度升高和风的作用蒸发到空中，水蒸汽比空气轻，因此含有水蒸汽的潮湿空气比干燥空气轻，潮湿空气会上升。当潮湿空气上升到高空，温度下降时，水蒸汽会凝结成小水滴，天上的云主要是由冷却的小水滴组成的。

云层中，小水滴会在热交换和下方暖气流的推动下，在空中上下起伏很长时间，随着水滴不断增大，会落到地面形成降水。地球上水的循环主要由云层运输和降水来完成。

地球水循环