我喜欢告诉别人我是一个正在康复的学者。但事实是，我并没有抛弃物理学。那是不可能的，因为我一直在建筑科学领域工作。所以今天我将深入研究建筑科学的一个子集，即建筑物理学，我们将研究多孔材料中的水的物理。你们还会学到水的第四种状态，它不是液体，不是固体，也不是蒸汽。

但是不要害怕!我将通过大量的图片来实现这一切，并且我不会包含一个单一的等式(尽管如果你足够勇敢去看的话，有一个链接)。

水分子的极性

我们从水分子开始。一个氧，两个氢，共价结合在一起。这意味着每个氢原子都和氧原子共用一个电子，两个原子通过这样做来完成它们的外层。

事实证明，氧原子比氢原子更强烈地吸引每个氢原子的共享电子，所以分子中氧原子的那一边是带负电的。因此，氢端带少许正电。因为水分子是弯曲的(而不是线性的，氢在氧的两边)，所以水分子是极性的。它有一个负极和一个正极。正电荷集中在氢原子附近的两个区域，你可以在左边的插图中看到。

当你把一堆水分子放在一起时，单个分子的极性使它们相互吸引。同性电荷相斥，异性电荷相吸。正如你在上面看到的，每个水分子可以与其他四个水分子形成弱键，称为氢键。

水的极性造成的一个后果是，它是一种比类似分子温度更高的液体。例如，二氧化碳是一种线性的非极性分子，在-71°F(-57°C)左右变成气体。如果水像二氧化碳一样，海洋就不会存在。山上不会有雪。我不会写这些，因为我们人类将不复存在，至少不会以我们现在的形式存在。

水分子的极性意味着当你把它与另一种物质接触时，发生的事情取决于哪种吸引力更强:水对自身的吸引力还是水对其他物质的吸引力。

当水更强烈地被自身吸引时，就像你在图的左边看到的，我们称其他材料为疏水的，或恐水的。当水对另一种物质的吸引力大于对自身的吸引力时，我们就说这种物质是亲水的。

当水源是液态水时

现在是时候回忆一下热力学第二定律例如水从潮湿的地方流向干燥的地方。

如果多孔材料的一端在水里，那么毛细孔或毛细血管就会开始充满水。水在毛细血管中的运动取决于表面的亲水性或可湿性以及毛细血管的大小。毛细血管越小，水升得越高，如图所示。

文章顶部的这张照片完美地说明了水是如何从地面进入多孔的混凝土和混凝土块的。阁楼的潮湿问题是由潮湿的地基引起的，这并不罕见。

下面的砖的照片显示了水随时间的毛细管上升。一个多小时后，水已经漫过了砖墙的四分之三。

水能涨多高?我在开始的时候说过，我不打算写这篇文章，所以我只告诉你们，有一个可以用来计算水柱在毛细管中上升的高度。它直接取决于表面的可湿性，反过来取决于毛细血管的半径、水的密度和重力加速度。(如果你想看方程式，去关于毛细管作用的维基百科页面并查找“半月板的高度”一节。)

由于树木利用毛细作用将水分从地面转移到叶子上，下面的这张照片可能会让你知道水分能上升多高。

(如果你仔细看，你可能会看到我站在树下。如果你在那里看到我，我会祝贺你的想象力。)

当源头是水蒸气时

液体是很容易的。当我们观察水蒸气与多孔材料相互作用时会发生什么，事情就变得有趣了。如果你有这样一种材料(石膏板、木材、混凝土、纤维素……)，一边有潮湿的空气，水蒸气就会想方设法进入毛孔。如果材料是亲水的，水蒸气就会开始粘在上面。

然后我们开始用一个新词。当表面像这样从空气中吸收水分时，我们称之为吸湿性。这种物质是吸湿的，我们也说它的表面有吸湿的水。

这里你需要知道的另一个词是“吸附”。那些附着在表面的单分子水层是水的第四种状态。这是为什么。

当第一层水分子开始附着在表面时，它就会兴致勃勃地这样做。记住，我们讨论的是吸湿材料，它可以从周围的空间吸收水蒸气。他们真的很喜欢对方!

第二层单层膜也受到强烈的吸引，但没有第一层单层膜那么强烈。因为第二层单分子层是通过已经存在的单分子层水被吸引到表面上的，所以吸引力减弱了一点。第三，第四和第五单分子也是如此。

左边的图表给了你一幅吸引力减弱的图片。当相对湿度增加到10%时，第一层单层膜完成。在第二层单层膜完成之前，相对湿度必须上升到50%。随着相对湿度的不断上升，单层膜不断增加，当你达到100%时，单层膜达到5层。

这种吸引力可以用能量来表示。回想一下，当水沸腾或凝结时吸收或释放的能量叫做汽化潜热。当水蒸气吸附到表面上(或脱离吸附)时，就会产生吸附潜热。

根据Chris Timusk教授的说法，第一层单分子层的吸附热为3700 kJ/kg。第二种是2972 kJ/kg。在第5层，吸附热为2500 kJ/kg，等于液态水的汽化热。

这意味着吸附的水和其他三种状态是不同的。很明显不是蒸汽。它也不是冰。它和液态水最相似，但它不像液体那样自由移动因为它和表面的结合比和周围的水分子的结合更强。只有当单层膜超过五层时，它才开始像液态水一样。

三种运输方式

现在我们准备讨论水是如何通过多孔材料的。这三种运输方式是:

• 蒸汽扩散
• 表面扩散
• 毛细管流

蒸汽扩散使水蒸气以蒸汽状态通过材料。它不会粘在它碰到的任何表面上。它只是在毛孔的空隙中漂浮。没有多少水能像这样通过。

表面扩散比蒸汽扩散更能移动水分。这是因为我之前提到的吸引力。由于第一层分子被最强烈的吸引，如果可以的话，第二层分子在能量上更有利于向下移动到第一层，如下所示。

同样地，第三层的分子想向下移动到第二层，第四层到第三层，等等。通过这种方式，水可以通过表面扩散通过多孔材料。

但当毛细血管开始充血时，情况才真正打开。一旦孔隙完全被填满，水可以更快地通过多孔材料。这是毛细管流。

吸附等温线

现在我们可以把这些都放在一起来理解在这些叫吸附等温线的讨厌的东西里发生了什么。下图摘自Timusk教授的博士论文，就是一个很好的例子。

首先，让我指出这里有三条曲线:两条代表不同密度的木材，一条代表粘土砖。每一个都显示了材料中的水分含量作为周围空气相对湿度的函数。

请注意，每条曲线都呈现出相同的模式:一个快速上升，一个平缓上升，然后又是一个快速上升。回顾上面对吸附和三种水分输送类型的解释，你认为在那些地区正在发生什么?在进入下一段之前，看看你是否能弄明白。

为了不让你“不小心”先读到答案，我让你看看这张外星人喝啤酒的图片。现在想!

首先，这些曲线显示了表面扩散和毛细管流动。我们知道毛细管流动开始于较高的相对湿度，所以最初的上升和变平部分是表面扩散发生的地方。但为什么最初的上升会如此迅速地平缓下来?

回想一下，第一层单分子层对表面的吸引力最强。它在10%的相对湿度下被填满。曲线的平坦部分主要是填充第二单分子层，再加上一些木头和砖块。

当曲线再次上升时，毛细血管流动开始了(见下图)。现在，随着相对湿度的增加，含水率会迅速增加。在这里我们可以看到一些关于不同材料的有趣的区别。

请注意，当相对湿度远远高于两种木材时，砖内才会开始出现毛细管流动。嗯。是什么原因导致毛细血管在相对湿度较低的情况下不像在木材中那样充满?当然原因。因为它们更大!

另一件关于吸附等温线需要知道的重要事情是，你上面看到的曲线是针对特定温度的。当你升高或降低温度时，曲线会移动。为什么?因为在一定的相对湿度下，一种材料所能保持的水分量取决于它的温度。

较热的材料不能保持那么多水分，因为那里有足够的热量使它们干燥。较冷的材料含有较多的水分。事实上，比尔·罗斯称其为“材料湿度的基本原则”:温暖的材料往往更干，凉爽的材料往往更湿。

现在你可以看看吸附等温线，并理解它们告诉你关于材料的什么，而不必成为一个科学家或学者，实践或恢复。

来源

我在这篇文章中使用的主要来源是第3章克里斯·提姆斯克教授的博士论文(pdf)。剩下的大部分来自Joseph Lstiburek博士关于建筑科学基础和湿热分析的演讲，维基百科，以及Bill Rose的书，水建筑．

Allison贝尔斯他是一位演说家、作家、能源顾问、resnet认证培训师和《能源先锋的博客．看看他的深入课程，掌握建筑科学并在Twitter上关注他@EnergyVanguard．