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1.4气体的液化与液体的饱和蒸气压
第一章 气体的pVT性质 1.4气体的液化与液体的饱和蒸气压 能够说明气体分子之间存在吸引力的一个显著事实是,在一定的温度范围内,只要施加足够大的压力,任何真实气体都可以凝聚成液体,该过程称为气体的液化。 在一个温度为100 ℃的恒温浴槽中放入一个带有活塞的刚性容器,容器内充入一定量的水蒸气,水蒸气的压力可由连接在器壁上的压力计读出。开始时,水蒸气的压力p1很低。现将活塞上的压力逐渐增加,活塞非常缓慢地推进,气体被压缩,体积减小,压力增加。当压力增加到p2=101.325 kPa时,若再进一步推进活塞,即可观察到容器中出现一些液态的水,但此时容器内的压力仍维持p2不变。活塞进一步缓慢向下移动,容器中凝聚出的液态的水将越来越多,水蒸气将越来越少,直到水蒸气全部转变为液态的水。在此凝聚过程中,容器内的压力始终保持在p2=101.325 kPa不变,我们称p2为水蒸气在100 ℃的饱和蒸气压,记作p*(H2O)。 液体的饱和蒸气压是指物质在一定温度下处于液气平衡共存时蒸气的压力。当物质处于液气平衡共存时,液体蒸发成气体的速率与气体凝聚成液体的速率相等。此时,若不改变外界条件(例如在上面所示的实验中,保持温度不变,不人为地去移动活塞,改变体积),则气体和液体可以长期稳定地共存,其状态及组成均不改变。液气平衡共存时的气体称为饱和蒸气,液体称为饱和液体。当物质处于液气平衡时,若稍稍减小外界压力,使p外p*,则液体将逐渐蒸发,直至全部变为气体。反之,若稍稍增大外界压力,使pp外p*,则蒸气将全部凝聚成液体。因此,液体在某一温度下的饱和蒸气压也是在该温度下使其蒸气液化所需施加的最小压力。 动画演示:衡定温度下,水蒸气的液压过程。 当气体全部凝聚成液体后,若再增大外界压力,则液体的体积将减小。但由于液体比气体难压缩得多,因此液体的体积随压力的变化与气体相比是极其微小的。 在上面所示的实验中,如果提高恒温槽的温度(例如提高到150 ℃),我们将发现,饱和蒸气压也将随之提高( p2将为476.027 kPa)。从分子运动的观点来看,液体的蒸发过程实际上是液体中一部分动能较高的分子挣脱液体分子间引力的束缚而逸出到液体上方空间的结果。温度越高,分子的热运动越剧烈,具有较高能量的液体分子越多,因而单位时间内从单位面积的液面上逸出的分子数越多,使得液体上方的蒸气体积质量增大,压力增高。因此,饱和蒸气压可以看作是衡量液体分子逸出能力,或者说液体蒸发能力的物理量。它与物质的本性(分子间作用力的大小)有关,也与温度有关。 如果将液体放在敞口容器中加热,则当液体的温度升高到其饱和蒸气压等于外界压力时,液体内部会产生大量的气泡并迅速浮升到表面,发生剧烈的汽化现象,称为沸腾。此时的温度称为沸点,记作T*b。显然,液体的沸点将随外界压力变化而改变。由于一般情况下,大气的压力约为101.325 kPa,所以,称液体的饱和蒸气压为101.325 kPa时的温度为该液体的正常沸点。按照新的国际标准及国家标准,将标准压力p定为100 kPa,故将液体的饱和蒸气压为100 kPa的温度称为该液体的标准沸点。例如,水的正常沸点为100 ℃(373.15 K),标准沸点为99.63 ℃ (372.78 K)。 如果我们将上图中的恒温槽的温度进一步提高到374 ℃,相应压力增加到22 MPa左右时,容器内将呈现一种乳白色的混沌状态。此时,气体与液体之间已没有明显的界面,这种现象称为临界现象。当恒温槽的温度高于374 ℃时,无论施加多大的压力,气态的H2O都不会被液化。因此,374 ℃是气态H2O能够被液化的最高温度,称为H2O的临界温度,记作Tc。 根据上述实验现象,可以作出H2O的p-Vm图,如图所示。图中的曲线代表在一定的温度下,H2O的摩尔体积随压力的变化关系,称为H2O的等温线。 水的p-Vm等温线图 水的p-Vm等温线图 图中的等温线可以分为三种情况: (1) TTc 当TTc时,如100 ℃的等温线ABDEF。 在AB段,曲线代表了水蒸气的Vm随压力的增加而减少的变化情况。BDE段则代表了水蒸气的液化过程。由于液化过程的压力始终保持不变,所以该段等温线为一水平线段,所对应的压力p2即为该温度下H2O的饱和蒸气压。B点和E点分别对应于饱和蒸气和饱和液体的摩尔体积。由于在液化过程中,随着液体的不断增加,气体不断减少,所以容器内H2O的平均摩尔体积是沿着B→D→E的方向不断减少的。液化过程自B点开始,至E点结束。EF段代表了液态水的Vm随压力的变化。由于液体一般是难于压缩的,所以该段等温线很陡。 正如前面所讨论过的,液体的饱和蒸气压随温度升高而增大
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