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1、第 4讲 物态变化4.1 相与相变相:指的是热学系统中物理性质均匀的部分，一个相与其他部分之间有一定的分界面隔离开来。例如冰和水的混合物中，因为冰和水的物理性质不同，故为不同的相，但它们的化学成份相同。种化学成分称为“,1 ”一元”因此冰水混合物称为单元二相系，而水和酒精的混合物就是二元单相系。相变：不同相之间的相互转变称为相变。相变特点：伴随物态的变化；要吸收或放出的热量。 相变潜热:相变时吸收或放出的热量统称相变潜热。l 二(u - u ) + p(V - V)2 1 2 1(U2 - 1)称为内潜热，P(V2 - 9称为外潜热。三相图:将同一种物质的汽化曲线OK、熔解曲线(熔 点随外界压
2、强的变化关系)OL、升华曲线(固体上饱和气 压随温度的变化关系)OS同时画在P-T图上，我们就能 标出固、液、气三态存在的区域，这称为三相图。每条 曲线对应着两态平衡共存的情况。三条曲线的交点O, 对应三态平衡共存的状态，称为三相点。如下图为水的三相图。水的水相点 O 是水、冰、水蒸气平衡共存的状态，其饱和水汽压PS二4.58mmHg、温度T=273.16开0.01 ，这是国际温标规定的基本固定点。因为水的三相点是 唯一的，不像冰点和汽点那样会随外界压强的变化而变化。例 如图 4-1-1 所示的 P-T 图线中，表示了一定质量某种物质的 不同物相所存在的区域。下面有关这种物质的几个说明中，哪些
3、是正确 的？ ()A. 当卩三相点 时，可以存在升华现象B. 在凝固过程中体积增大T TC. 当临界点时可以存在沸腾现象D. 当P 卩三相点时，这种物质从固态必须经过液态才能 变化为汽态，所以选项A不正确。在凝固过程中，看固态和液态之间的SL曲线，它们的熔点随压 强的增加而升高，熔化过程中体积是膨胀的，凝固过程中体积是细小的，与水的反常膨胀不同，所T T以选项 B 也不正确，当 临界点时，这种物质不可能以液体存在，不论压强多大，它总不能凝结 为液相，所以不存在沸腾现象，临界点的温度已高于任何情况下的沸点温度。选项C也不正确。当P P三相点时，这种物质只有固态与汽态而不是一种稳定的液体。选项D也
4、不正确。 解:选项 E 正确。点评 这是一道考查对物质三态变化的综合题，通过三相图，认识三态之间的变化和三相点与 临界点的物理意义。42 气液相变 物质由液态转变为气态叫汽化，由气态转化为液态的过程叫液化。在一定压强下，单位质量液 体变为同温度气体时所吸收的热量称为汽化热，一般用L表示；相应的一定压强下，单位质量的气 体凝结为同温度液体时所放出的热量称为凝结热，数值也是L,在汽化和凝结过程中，吸收或放出 的热量为Q=mL42、1、液体的汽化液体的汽化有蒸发和沸腾两种不同的形式。蒸发是发生在液体表面的汽化过程，在任何温度下 都可以进行。沸腾是整个液体内部发生汽化过程，只在沸点下才能进行。 蒸发从
5、微观上看，蒸发就是液体分子从液面跑出来的过程。分子从液面跑出来时，需要克服液体表 面层中分子的引力做功，所以只有那些热运动动能较大的分子可以跑出来。如果不吸热，就会使液 体中剩余分子的平均动能减小，温度降低。另一方面蒸气分子不断地返回到液体中去，凝结成液体 因此液体分子蒸发的数量，是液体分子跑出液面的数量，减少蒸气分子进入液面的数量。对于液面敞开的情况，影响蒸发快慢的因素，主要有以下三种：一是液面的表面积，二是温度 三是液面上的通风情况。在液面敞开的情况下，液体会不断蒸发，直到液体全部转变为蒸起为止。在密闭的容器中，随着蒸发的不断进行，容器内蒸汽的密度不断增大，这时返回液体中的蒸气 分子数也不
6、断增多，直到单位时间内跑出液面的分子数与反回液面的分子数相等时，宏观上看蒸发 现象就停止了。这时液面上的蒸气与液体保持动态平衡，此时的蒸气叫做饱和蒸气，它的压强叫饱 和蒸气压。饱和气压与液体的种类有关，在相同的温度下，易蒸发的液体的饱和汽压大，不易蒸发的液体 的饱和汽压小。对于同一种液体，饱和汽压随温度的升高而增大。饱和汽压的大小还与液面的形状 有关，对于凹液面，分子逸出液面所需做的功比平液面时小。反之，对于凸液面，如小液滴或小气 泡，才会显示出来。饱和汽压的数值与液面上蒸汽的体积无关，与该体积中有无其他气体无关。在汽化过程中，体积增大，要吸收大量的热量。单位质量的液体完全变成同温度下的蒸汽所
7、吸 收的热量，叫做该物质在该温度下的汽化热。如100C水的汽化热L = 539皿g - 2.26 x106 J /kg二4.07 x104 J /mol。液体汽化时吸热，一方面用于改变系统的V , V V V内能，同时也要克服外界压强作功。如果1mol液体和饱和汽的体积分别为l Vg，且Vl mB，则A先全部蒸发，余留液体B，12 =100C.422、气体的液化 我们知道，当饱和气的体积减小或温度降低时，它就可以凝结为液体，因此要使未饱和气液化 首先必须使之变成饱和气，方法有二：a、在温度不变的条件下，加大压强以减小未饱和气体积，相 应就可以增大它的密度，直至达到该温度下饱和气的密度，从而把未
8、饱和气变为饱和气;b、对较高 温度下的未饱和气，在维持体积不变的条件下降低其温度，也可以使它变为在较低温度下的饱和气。把未饱和气变为饱和气以后，只要继续减小其体积或降低其温度，多余的气就可凝结成液体。 但各种气体有一个特殊温度，在这个温度以上，无论怎样增大压强，都不能使它液化，这个温 度就称为该气体的临界温度。 气液转变的等温线 要使未饱和汽转变成饱和汽并使之液化，在等压条件下，气体通过降温可以转变为液体;在保持温度不变的条件下，通过增大压强减小体积的方式，也可以使气体液化。图4-2-2为某气体液化的过程曲线AB是液化以前气体的等温压缩过程，气体逐渐趋于饱和状态， B点对应于饱和汽状态，继续压
9、缩就会出现液体；在液化过 程BC中，压强P0保持不变，气液化的总体积减小，BC过 程中每一状态都是气液平衡共存的状态，因此P 0为这一温 度下的饱和汽压。C点相当于气体全部液化时的状态；CD 段就是液体的等温压缩过程。图 4-2-2 m ，解得：应该指出：由于各种气体都有一个特殊温度，在这个温 度以上，无论怎样增大压强也不能使气体液化，这个温度称 为临界温度。因此上述气液等温转变只能在气体的临界度以 下进行。若等温转变时饱和汽密度为P b，BC段液体密度为 P C，系统的总质量为m,当气液平衡共存时的体积为V， 其中汽、液的体积分别是V25有匕+ V2二V 5 P BV1 + P CVp V
10、- m m - P V V c, V 二B1 P -P 2 P -PC BC B 。 混合气的等温液化 混合气体的等温转变，应分解为各组分气体的等温转变过程来考虑不周。沸点不同的各组分气体，当等温压缩时，达到饱和开始液化的先后不同。同在latm沸点高的气体，其饱和汽密度要小些， 等温压缩它会先达到饱和开始液化。混合气体等温线的转折点，一定是某组分气体物态的转变点。例：有一体积22.4L的密闭容器，充有温度T1、压强3atm的空气和饱和水汽，并有少量的水； 今保持温度Ti不变，将体积加倍，压强变为2atm，底部的水恰好消失，试问是多少？若保持温度 Ti不变，体积增为最多体积的4倍，试问这时容器内
11、的压强是多少？容器内水和空气的质量各是多 少？设饱和水汽可看作是理想气体。解:设初态、中态和末态中空气分压强分别为P1 P 2 P 3 ；初态、中态中的水汽均为温度T1的饱 和汽，设饱和水汽压为Px ；末态中的水汽为温度T1的未饱和汽，水汽分压为P。若末态气体的压 强为P，则有p + p 二 3atm, p + p 二 2atm, p + p，二 pl x2 x3从初态变为中态的过程中，空气质量未变而水汽质量增加，对空气分压可用玻意尔定律(3 - p ) x 22.4 二(2 - p ) x 44.8xx得x =1atm，故T1=373K, p 1 =2atm， p2=1atm。从中态变为末态的过程，水汽和空气的总质量 不变，应用玻意耳定律2 x 44.8 二 p x 22.4 x 4P=1atmn容器内空气的摩尔数pVn = = 2.92molRT1故容器内水和水汽的总摩尔数pV= 1.46mol，末态时空气和水汽的总摩尔数RT1n 二 n n 二 1.46mol21例：由固态导热材料做成的长方体容器，被一隔板等分为两个互不连通的部分，其中分别贮有 相等质量的干燥空气和潮湿空气，在潮湿空气中水汽质量占2%。(1) 若隔板可自由无摩擦地沿器壁滑动，试求达到平衡后干、湿空气所占体积的比值。(2)
