2024年2月16日发(作者:日本九州工业大学)
饱和汽和未饱和汽
饱和汽和未饱和汽
固体、液体和气体是通常存在的三种物质状态。在一定条件下,这三种物质状态可以相互转化,即发生物态变化,在初中我们学过一些物态变化的知识,这一章复习这方面的知识,同时学习一些新知识。
一、物态变化
熔化和凝固 物质从固态变成液态叫做熔化,从液态变成固态叫做凝固。晶体物质和非晶体物质在熔化和凝固时情况是不同的。晶体有一定的熔化温度——熔点,非晶体没有一定的熔点。物质在熔化时要吸收热量,在凝固时要放出热量。
在晶体中,微粒排列成有规则的空间点阵,维持这种规则排列的是微粒之间的相互作用;微粒的热运动不足以克服这种相互作用,微粒一般只能在平衡位置附近做无规则的振动。给晶体加热时,晶体从外界得到能量,微粒的热运动加剧。达到一定的温度时,一部分微粒具有了足够的动能,能够克服微粒间的作用力,离开平衡位置。这时晶体的点阵结构被破坏,晶体开始熔化。在熔化过程中,外界供给晶体的能量,全部用来破坏晶体的点阵结构,增加分子间的势能,所以温度不发生变化。凝固时,情况正好相反。微粒排列成点阵结构时,微粒间的势能减小,因此虽然放出能量,温度却保持不变,直到全部凝固成晶体。
非晶体的微观结构本来就跟液体类似,非晶体在熔化过程中不必为破坏点阵结构而消耗能量,所以温度不停地上升。
汽化和液化 物质从液态变成气态叫做汽化,从气态变成液态叫做液化。汽化有两种方式:蒸发和沸腾。蒸发是在液体表面进行的汽化现象,沸腾是在液体表面和液体内部同时发生的汽化现象。增大气体的压强和降低气体的温度,可以使气体液化。物质在汽化时要吸收热量,液化时要放出热量。
液体中分子热运动的平均动能跟温度有关,但在任何温度下,总有一部分分子的动能比平均动能大。那些处在液体表面层附近的动能足够大的分子,能够挣脱周围分子的引力,飞出液面,形成蒸气(也常叫做汽),这就是蒸发。
液体温度越高,分子的平均动能就越大,具有足够大的动能因而能够飞出液面的分子也就越多。所以,温度越高,蒸发得越快。
液体的表面积越大,处在表面层中的分子就越多,能够从液面飞出的分子也就越多。所以,表面积越大,蒸发得越快。
飞出液面的分子如果停留在液面附近,由于分子的热运动,有的分子会撞到液面,被液体分子重新拉回到液体中去,这样蒸发就变慢了。如果设法把液面上形成的蒸气吹散,使汽分子不能回到液体中去,蒸发就可以加快。所以,蒸发的快慢还跟液面上气体流动的快慢有关系。气体流动得越快,蒸发得也越快。
在蒸发过程中,从液体中飞出的是动能较大的分子,这些分子飞出后,留在液体中的分子的平均动能减小,液体的温度要降低,因而液体蒸发有致冷作用。
二、饱和汽与饱和汽压
饱和汽与未饱和汽 装在敞口容器里的液体,蒸发出来的汽分子能够分散到周围空间里去,所以过一段时间液体会全部蒸发完。盛在密闭容器里的液体,即使过很长时间,也不会蒸发完,这是什么原因呢?
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饱和汽和未饱和汽
原来在容器中的液面上同时进行着两种相反的过程:一方面分子从液面飞出来,另一方面液面上的汽分子又撞到液面上,会回到液体中去(图16-1)。在密闭的容器中,随着液体的不断蒸发,液面上汽的密度不断增大,回到液体中的分子数也逐渐增多。最后,当汽的密度增大到一定程度时,就会达到这样的状态:在单位时间内回到液体中的分子数等于从液面飞出去的分子数。这时汽的密度不再增大,液体不再减少,液体和汽之间达到了平衡状态,这种平衡叫做动态平衡。跟液体处于动态平衡的汽叫做饱和汽,没有达到炮和状态的汽叫做未饱和汽。在一定温度下,饱和汽的密度是一定的,未饱和汽的密度小于饱和汽的密度。
饱和汽压 某种液体的饱和汽所具有的压强,叫做这种液体的饱和汽压。
实验表明,在相同的温度下,不同液体的饱和汽压一般是不同的。挥发性大的液体,43饱和汽压大。例如,20℃时,乙醚的饱和汽压为5.87×10帕,水为2.34×10帕。水银-1的饱和汽压很小,20℃时仅为1.60×10帕,所以水银气压计水银柱上方的空间可以认为是真空。
实验表明,饱和汽压随温度的升高而增大。这是由两方面的原因引起的。一个原因是温度升高时,液体里能量较大的分子增多,单位时间内从液面飞出的分子也增多,致使饱和汽的密度增大,因而压强增大。另一个原因是温度升高时,汽分子热运动的平均速率增大,这也使得压强增大。
饱和汽压跟体积的关系 现在我们用实验来研究饱和汽压跟体积的关系。象图16-2那样,把水银倒在一个深的容器里,再把装满水银的玻璃管倒立在这个容器中。向玻璃管里移入一些乙醚,使乙醚蒸发后水银面上还留有少量液态乙醚。这时管内乙醚的饱和汽压等于p0-ph(图16-2甲),其中p0是大气压强。
现在把管子往上提高一些,使水银面上乙醚汽的体积增大(图16-2乙)。可以看到,水银面上的液态乙醚减少了,但是管里水银柱的高度还跟原来一样。这表明,在温度不变的情况下,体积增大时饱和汽压不改变。
把提高的管子放下一些,使乙醚汽的体积减小(图16-2丙)。这时水银面上的液态乙醚增多,但是管中水银柱的高度仍保持不变。这表明,在温度不变的情况下,体积减小时饱和汽压也不改变。
实验表明,在温度不变的情况下,饱和汽的压强不随体积而变化。这可作如下的解释:当体积增大时,容器中汽的密度减小,原来的饱和汽变成了未饱和汽,于是液体继续蒸发,直到未饱和汽成为饱和汽为止;由于温度没有改变,饱和汽的密度跟原来的一样,汽分子热运动的平均速率也跟原来一样,所以压强不改变。体积减小时,容器中汽的密度增大,回到液体中的分子数多于从液面飞出的分子数,于是一部分汽变成液体,直到汽的密度减小到等于该温度下饱和汽的密度为止;由于温度跟原来相同,饱和汽的密度不变,汽分子热运动的平均速率也跟原来相同,所以压强也不改变。
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饱和汽和未饱和汽
饱和汽的压强只与温度有关,与体积没有关系,因此,第十五章讲的理想气体定律对饱和汽完全不适用,而未饱和汽近似地遵守理想气体定律。
三、把未饱和汽变为饱和汽
把未饱和汽空为饱和汽的方法 在一定温度下,饱和汽的密度大于未饱和汽的密度。在保持温度不变的情况下,用增大压强的办法来减小未饱和汽的体积,增大它的密度,直到增至等于该温度下饱和汽的密度时,未饱和汽就成了饱和汽。这时进一步减小汽的体积,就能使饱和汽凝结成液体。
饱和汽的密度还跟温度有关系。温度高时,饱和汽的密度大;温度低时,饱和汽的密度小。在较高温度下由于密度小而未达到饱和的未饱和汽,在保持体积不变的情况下,降低它的温度,直到降至未饱和汽的密度等于该温度下饱和汽的密度时,未饱和汽就成了饱和汽。如果继续降低温度,饱和汽就会凝结成液体。
临界温度 利用增大压强和降低温度的方法可以把未饱和汽变成饱和汽,从而使它变为液体。用这种方法是否能使所有的气体液化呢?
19世纪法拉第和其他一些科学家们在这方面进行了大量的工作。他们运用增大压强和冷却的办法,把许多气体都液化了,其中有氨、氯、二氧化硫、氯化氢、硫化氢、二氧化碳等。但研究发现,有几种气体,例如氧、氢、氮等,一直不能被液化。当时便以为这些气体是不能液化的所谓“永久气体”。
后来,进一步的研究表明,各种气体都有一个特殊的温度,在这个温度以上,无论怎样增大压强也不能使气体液化。这个温度叫做临界温度。氧、氢、氮等气体所以没有被液化,就是因为它们的临界温度很低,当时的低温技术尚未获得这样低的温度。于是科学家们更努力提高低温技术,结果在20世纪初,所有的气体都被液化了。最后一个被液化的气体是氦,它于1908年被液化,后来,在高于25个大气压的压强下还被凝固成了固态。
从上表可以看出,二氧化碳、氨、氯等气体的临界温度较高都在室温以上,所以容易液化。而氧、氮、氢、氦的临界温度很低,所以较难液化。
四、空气的湿度
泼在地上的水和江河湖海里的水都在蒸发,动植物的表皮和动物的呼吸也在不断地散发出水蒸气,所以我们周围的空气总含有水蒸气。一定体积的空气中含的水蒸气越多,3
饱和汽和未饱和汽
空气就越潮湿;含的水蒸气越少,空气就越干燥。空气的干湿程度跟我们的生活和生产有密切的关系。空气太潮湿,我们会感到气闷,东西容易发霉;空气太干燥,我们的口腔和鼻腔会感到干燥难受,植物容易枯萎。在某些生产部门以及贮藏物品和保存名贵书画等艺术品的地方,如纺织厂、博物馆等,都要求空气保持适当的湿度。
空气的湿度可以用空气中所含水蒸气的密度,即单位体积的空气中所含水蒸气的质量来表示。由于直接测量空气中水蒸气的密度比较困难,而水蒸气的压强随水蒸气密度的增大而增大,所以通常用空气中水蒸气的压强来表示空气的湿度。空气中所含水蒸气3的压强叫做空气的绝对湿度。例如,空气里水蒸气的压强是2.0×10帕,空气的绝对湿3度就是2.0×10帕。
空气湿度对蒸发的快慢、植物的枯萎、动物的感觉的影响不是由空气的绝对湿度来决定,而是跟空气中的水蒸气离饱和状态的远近有关系。饱和水蒸气的压强随温度的升高而增大,所以在空气的绝对湿度一定的情况下,气温高时,水蒸气离饱和状态远;气3温低时,水蒸气离饱和状态近。例如空气的绝对湿度是1.1×10帕,在气温是20℃时,3水蒸气离饱和状态较远(20℃时水的饱和汽压是2.3×10帕),我们就感到空气比较干3燥;在气温是10℃时,水蒸气接近饱和(10℃时水的饱和汽压是1.2×10帕),我们就感到空气很潮湿。为了表示空气中水蒸气离饱和状态的远近,物理学中引入了相对湿度的概念。
某温度时空气的绝对湿度跟同一温度下水的饱和汽压的百分比,叫做这时空气的相对湿度。
如果用p表示某温度时空气的绝对湿度,用ps表示同一温度下水的饱和汽压,用B表示相对湿度,那么
如果气温为20℃时绝对湿度p=1.1×103帕,因为20℃时水的饱和汽压ps=2.3×10帕,所以空气的相对湿度
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不同温度下水的饱和汽压可以从上页的表得到。这样,知道了空气的绝对湿度,利用上面的公式就可以求出空气的相对湿度。反过来,如果知道了某一温度下的相对湿度,也可以算出绝对湿度。
在绝对湿度一定的情况下,气温降低时,相对湿度将增大。因此,在夏季有时感到白天比较干燥,夜晚比较湿润。
在住人的房间里,相对湿度为60~70%比较适宜。水稻在抽穗扬花期,最适宜的相对湿度是70~80%。
不同温度下水的饱和汽压(单位:帕)
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饱和汽和未饱和汽
练习一
(1)在潮湿的天气里,洗了的衣服不容易晾干。为什么?
(2)在绝对湿度相同的情况下,夏天和冬天的相对湿度哪个大?为什么?
(3)当空气的绝对湿度是1200帕,气温是15℃时,空气的相对湿度是多大?
(4)教室里空气的相对湿度是60%,室温是18℃,绝对湿度是多大?
五、露点 湿度计
露点 气温逐渐降低时,空气里的未饱和水蒸气将逐渐接近饱和。当气温降低到某一温度时,水蒸气达到饱和状态,这时将有水蒸气凝结成水,在物体表面上形成一层细小的露滴。
使空气里的水蒸气刚好达到饱和时的温度,称为露点。
空气中含的水蒸气多,气温只要少许降低一点,就达到露点,水蒸气就达到饱和;反之,空气中含的水蒸气少,气温要降低较多,才能达到露点,水蒸气才达到饱和。因此,根据露点和气温的差值,可以大致判断出空气中水蒸气的饱和程度,从而判断出相对湿度的大小。
露点可以用图16-3所示的装置来测定。玻璃杯里装入乙醚,杯盖上分别插入温度计A和两根弯曲的玻璃管B、C.管C的一端插在乙醚中,另一端连接打气球。管B是出气5
饱和汽和未饱和汽
用的。用打气球向乙醚里打气,乙醚就迅速蒸发,使杯子和周围空气的温度降低。当降低到某一温度时,杯子周围空气中的水蒸气达到饱和,杯壁上就出现一层露珠,这时温度计指示的温度就是露点。在这个装置中如果用表面光亮的金属杯代替玻璃杯,更容易观察到露珠的出现,效果会更好。
测出了露点,从水的饱和汽压表中查出露点时的饱和汽压,这个饱和汽压就是空气在原来温度时的绝对湿度。知道了绝对湿度,再查出原来温度下的饱和汽压,就可以求出相对湿度。
湿度计 既然测出露点就能求出空气的绝对湿度和相对湿度,所以测定露点的仪器就是一种湿度计。这种湿度计叫做露点湿度计。
还有两种常用的湿度计。一种叫做干湿泡湿度计(图16-4)。它由两支完全相同的温度计组成。温度计A叫做干泡温度计,用来测量空气的温度;温度计B叫做湿泡温度计,它的水银泡上包着棉纱,棉纱的下端浸在水中。由于水的蒸发,温度计B指示的温度总是低于A的。A、B的温度差叫做干湿泡温度差。空气的相对湿度越小,即空气越干燥,湿泡温度计B上的水蒸发得越快,B的温度就降得越低,两支温度计的温度差就越大;空气的相对湿度越大,即空气越潮湿,温度计B上的水蒸发得就越慢,A、B的温度差就越小。所以,干湿泡温度差的大小跟空气的相对湿度有直接关系。把不同温度时相应于不同的干湿泡温度差的相对湿度计算出来,绘制成表或画成曲线,根据干湿泡湿度计上A、B两支温度计的读数,从表或曲线上很快就可以得出空气的相对湿度。
另一种常用的湿度计叫做毛发湿度计(图16-5)。它是利用人的头发在脱脂以后,其长度会随着空气的相对湿度而变化制成的。毛发湿度计由一根或一束脱脂的毛发、指针和刻度盘组成。空气的相对湿度增大时,毛发伸长;相对湿度减小时,毛发缩短。毛发长度的变化控制指针的偏转,从刻度盘上就可以直接读出相对湿度。
三种湿度计各有不同的优缺点。露点湿度计测量准确,但是结构比较复杂,测出露点后要进行查表、计算等,使用起来不太方便。干湿泡湿度计使用比较方便,也比较准确,所以生活中大都使用这种湿度计。毛发湿度计结构简单,不易损坏,可以直接读数,还可以和自动记录装置联合使用,缺点是不太准确,要经常进行校准。
练习二
(1)在北方,冬天戴着眼镜从寒冷的室外进入温暖的室内时,镜片上常出现一层细小的露珠。这是为什么?
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饱和汽和未饱和汽
(2)如果干湿泡湿度计上两支温度计的指示数字相同,这时空气的相对湿度是多大?
(3)空气的温度是20℃,露点是12℃,这时的绝对湿度和相对湿度是多大?
(4)空气的温度是25℃,相对湿度是50%,气温降低到多少摄氏度时,才会有露出现?
本章小结
(1)晶体和非晶体在熔化和凝固时有什么不同?怎样从它们的微观结构来说明这种不同?
(2)什么是蒸发?怎样用分子动理论的观点来解释影响蒸发快慢的各种因素?蒸发为什么能致冷?
(3)什么叫饱和汽?什么叫未饱和汽?饱和汽压跟温度有什么关系?跟体积有什么关系?怎样解释这种关系?
怎样把未饱和汽变为饱和汽,从而使气体液化?什么叫做气体的临界温度?
(4)什么叫做空气的绝对湿度和相对湿度?在绝对湿度保持不变的情况下,气温不同时相对湿度是否相同?为什么?
(5)什么叫做露点?测出露点,怎样求出空气的绝对湿度和相对湿度?
(6)干湿泡湿度计和毛发湿度计各是利用什么现象制做的?
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