水汽和其他气体
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第三章 水汽和其他气体
陆地生物生活在一个多数由氮和氧组成的气体介质中，其中水汽的量变化不定，二氧化碳和其他气体则以微量存在。生物体与其环境进行氧气、二氧化碳和水汽的交换，二氧化碳是光合作用的来源物，氧气是光合作用的产物，对呼吸作用来说，氧是来源，而二氧化碳是产物，因此，这些气体与环境的交换是生命的需要。水汽几乎总是从生物体流向环境中，生物体的湿度接近100%，而环境则常常干燥得多。生物体必须保持高度的水分状态以保证生化反应的发生，因此水分的不断减少是对生存的威胁，经常接近液态水对大多陆地生物来说是必要的，液态水的吸收和水汽向环境的散失通常是生物体水分平衡中最重要的分量。 水分消耗通常被看成对生物体是有害的，尽管它可能在植物循环系统中有益。然而，当我们考虑生物体的能量平衡时，水分消耗确实有一明确的好处。环境温度常常高于生物系统所能忍受的温度，生物体如果没有某种降温机制就会死亡。当水分蒸发时，使1 mol的水转变为水汽，大约需要44 kJ的能量，这就叫做蒸发潜热，它是1 mol水上升1C所需能量的580倍，因此是生物环境中巨大的能汇。蒸发冷却是在炎热环境中控制生物体温度的自然方法。生物体所获得的冷却量取决于生物体表面和环境中的水汽浓度以及生物体表面及其边界层的水汽传导。本章讨论确定气体浓度的有关名词和陆地环境中气体浓度情况。
3.1 确定气体浓度
主要大气成分的气体浓度常常用体积分数的百分比表示。由于主要与测定方法有关的历史原因，水汽浓度用一些不同方法表示，当我们接触本学科越多，其原因就会越清楚。用摩尔比值（每摩尔空气中物质的摩尔数）的主要优势是可以表示所有气体浓度，而通量表示为mol m-2 s-1。某种气体中物质j的密度或浓度与物质量之间的关系为
jnjMjV （3.1）
式中nj是摩尔数，V是气体体积，Mj是分子量。由于j的摩尔比值是气体摩尔数与空气摩尔数之比： CjnjnaMajMja （3.2）
这里Ma空气分子量，Mj是成分j的分子量。表3.1给出大气主要成分的分子量。
摩尔密度或比值 j / Mj 对所有气体均相同。在标准温度和压力下（STP；0C和101.3 kPa），任何气体的摩尔密度为44.6 mol m-3 （任何气体1摩尔有22.4升）。在本章的方程中ˆ表示。摩尔密度随压力和温度的变化由气体的摩尔密度出现频繁，我们用特殊符号Boyle-Charles定律给出，即一种气体的体积与其压力成反比，与其开尔文温度（T）成正比。运用Boyle-Charles定律，空气的摩尔密度可以由下式计算：
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