水的三相圖
(1)三相點:在真空容器中,純質的液相、固相、氣相以平衡狀態同時存在的溫度與壓力稱之。
(2)臨界點(critical point)之溫度為臨界溫度,壓力為臨界壓力。
1. 臨界溫度:加壓力使氣體液化之最高溫度稱為臨界溫度。如水之臨界溫度為374℃,若溫度高於374℃,則不可能加壓使水蒸氣液化
2. 臨界壓力:在臨界溫度時,加壓力使氣體液化的最小壓力稱之。臨界壓力等於該液體在臨界溫度之飽和蒸氣壓。
壓力鍋
當水壺中的水沸騰時,蒸氣會由壺此windows副本不是正版怎么解决
蓋的孔不斷冒出。鍋蓋上也有一個小孔,在做料理時蒸氣亦由此孔冒出。泡茶的小茶壺上也有個小孔,熱氣亦由此冒出。
如果沒有孔的話,熱氣就無法散出,水就會不斷的由壺內向外溢出。就像壓力鍋一樣,如果
沒有空隙的話會不斷發出嗶嗶聲,稍微掀開鍋蓋就可以消除這種聲音。總而言之,熱氣與壓力都必須有適度的發散才可以
物理變化
物理變化之特點是物質組成沒有改變,也就是其分子之種纇與數量保持不變, 但分子之位置.排列.之間距離等卻可能不同.如溫度計內之水銀,當溫度改變時,水銀會熱脹冷縮,那是因為分子之間的距離改變了,但水銀之組成不變.
物理變化中物質每個分子之性質不會改變,就是其分子的結構不變,如水的三相變化,水分子沒變成別的分子,只是狀態不一樣罷了.
物體之位置或運動狀況改變,或物質內之位置或運動狀況改變,也是一種物理變化,如咬碎糖果,糖果會碎是因為牙齒將能量傳給糖果造成的.
運動,形變,相變就是很重要之物理變化.
化學變化
物質在一些變化中會轉變為別的物質,生成之物質與本來之物質組成不相同,這種變化稱為化學變化,如木材之燃燒.木材燃燒後,生成灰.煙和水.化學變化的特徵就是物質之組成發生變化.食物腐敗.鐵生鏽.燃燒.食物之消化等,都是化學變化.
不管是化學或物理變化,其過程中原子種類與個數都不變,兩者不同的是在物理變化中每一種分子之種類與數目都保持相同.相同的是物質的任何變化都會伴隨能量的移轉!
核變化為化學反應的倍以上
因為水固體密度比液體小,故水的三相圖AFE(配合講義)微向左偏
1atm時,沸點100℃(正常沸點),熔點0℃(正常熔點);壓力加大,沸點增高(顯著),但熔點降低(不顯著)。
(三)水的相態圖 (真空蒸發)
水的三相圖在初級乾燥過程扮演一極關鍵的角色,圖二為水之相態圖,此圖顯示水的固態區、液態區及氣態區。此圖主要探討水的溫度與壓力兩個主要內涵變數的相互影響,在此以Gibb pha rule,如下列公式來解說:
f = C – P + 2……………………………………(1)
上式中f:代表自由度(degree of freedom)或內涵變數的數目(壓力、溫度、濃度),意即系統內可改變內涵變數項目而不會改變到相態。
C:代表構成系統成份的數目,若單探討水的相態則C=1。
P:代表可形成的相態數目。
2:為一常數(代表溫度、壓力兩個變數)。
在B點為三相共存點,故P=3而自由度f則為0,此刻無論溫度或壓力變化都會改變相態數目,所以當f=0時,圖中之溫度應維持在0℃,而水蒸氣壓力應同時維持在4.58Torr。而在點G水係以氣態(P=1)呈現,因此f=2,即使同時改變溫度或壓力,水均仍維持在氣態。若改變G點之壓力至0.1Torr,而溫度維持不變,則點G移至點V。此時在點V之f=1,為使點V仍維持二個相態呈現(P=2),則壓力與溫度均應同時改變並沿著BF曲線移動。
在實際的冷凍真空乾燥過程,假設吾人已將藥品配方冷凍至-40℃,且在一大氣壓下,雖然
壓力為一大氣壓,但在此條件下冰的表面水蒸氣壓力約為100mTorr,若溫度仍維持在-40℃,而將壓力降至100mTorr以下,由水的三相圖可知狀態點已落在氣態區,會產生冰直接轉變為水蒸氣的昇華現象。
溜冰原理
冰熔解為水時體積會收縮。施高壓於冰上,可使冰在冰點以下融化。這效果常用來解釋溜冰原理:在冰刀的高壓下,例如冰刀接觸面積一平方公分支持100公斤體重,則壓力高達102大氣壓。結果刀口和冰接觸形成水膜,有潤滑作用。一旦冰刀滑過之後,水膜隨即再度結冰。但是經過精確計算,上述冰受壓形成水膜的機制大有問題。
根據冰和水的相圖(見圖一),冰和水之間相變的斜線極為陡峭,斜率dP/dT高達-1.4102大氣壓/K,上述壓力只有在高於-0.7℃時才可能使冰形成水膜。這是說低溫(例如-10℃)時溜冰,上述機制將不太可能發生。
此外,玩冰上曲棍球時,金屬球的壓力又遠小於滑動的冰刀鞋,但是金屬球仍在冰上滑動自如,這究竟是什麼道理?也有人提出另一解釋機制:摩擦生熱產生水膜。在用雪橇滑雪
時,摩擦力大,曾證實了摩擦生熱產生水膜是有可能的。但是冰刀會和一個平滑的冰面產生足以熔解冰的摩擦力嗎?
1842年法拉第曾提出即使低於冰點,冰塊外表本來就有一層水膜構造,這是與施壓無關的理論。這理論曾被當時科學家忽略。近代由於表面科學的進展,可以證實法拉第這冰表層水膜構造的理論。這種稱為「表面熔化」(surface melting)現象不限於冰,幾乎所有固體都有這現象。這水膜在低溫時僅有幾層分子厚,厚度是和冰塊零下溫度的1/3次方成反比,即d∞(T0/T-T0)1/3。式中T0為熔點273K(見圖二)。厚度可用電子、中子、X光、氦原子等繞射法測量在0℃時水膜可高達400埃,但在-35℃僅有5埃,因此氣溫太低時溜冰,水膜太薄,摩擦力大增。這水膜受到內部冰構造的影響,排列仍有一些規序性,所以有人稱為「擬液」(quasiliquid)。水膜可以降低固體表面能量。這是由於水膜分子活動自由,可以採取比較穩定的排列方式。
有關證明冰受壓熔化的另一個熟悉實驗是,金屬線兩頭懸掛重物而能切過冰塊的復冰實驗。此項實驗有個疑點:金屬線有可能傳導室溫而使冰熔化?有人曾小心控制金屬線溫度到冰點以下,但使用很小壓力仍可產生復冰現象。這結果也歸因於冰的外層存有水膜,因
此金屬線實際上在局部液相中移動。也有人利用這實驗來測量水膜厚度。圖二即這實驗的結果。
冰上有水膜的現象說明了表面科學是相當複雜且饒富趣味,溜冰原理可能同時牽涉三種不同機制:一是冰受壓熔化;二是摩擦生熱使冰熔化;三是冰表面原本有的水膜。至於低溫時溜冰,應是水膜效果最為重要。雖然在法拉第時代就提出冰上水膜的理論,但是有賴精密的表面科學來證實,他們提出的證據只是近幾年的事。一般教科書並沒有反映出這些近期表面科學的研究結果。