饱和汽和未饱和汽

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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