高中物理竞赛热学讲义-物态变化

物态变化

一、物态变化

1、物态变化的特征

自然界中的很多物质都是以固、液、气三种状态存有着的，它们在一定的条件（温度、压强）下既能够互相转变，也能够平衡共存。不同物态之间的相互变化又称为相变。物质固、液、气三态之间的转化有以下两个特征：

（1）物态变化时体积变化；

（2）物态变化时总伴随吸放一定的热量。

2、熔解与凝固

物质由固态转变为液态的过程叫熔解，由液态转变为固态的过程叫凝固。

对于晶体来说，熔解是在一定的温度下实行的，该温度叫做这种晶体的熔点。晶体在熔解的过程中要吸收热量，但温度保持在其熔点不变，直至全部熔解为止。非晶体无一定的熔点。非晶体在熔解或凝固过程中，温度不停地上升或下降。

对于绝大部分晶体，熔解时体积增大，但也有少数的晶体，如冰、锑、铋、灰铸铁在熔解时体积反而缩小。

晶体的熔点与晶体的种类相关。晶体中掺杂质(指和这种晶体不同的别种元素)后，熔点一般要降低。对于同一种晶体，其熔点与压强相关。熔解时体积增大的物质，其熔点随压强的增加而增大；熔解时体积减小的物质，其熔点随压强的增大而减小。

晶体在熔解时，要吸收热量。单位质量的某种物质，由固态熔解为液态时，所吸收的热量叫做该物质的熔解热。单位是J／kg，用λ表示。

3、汽化和液化

物质由液态转变为气态的过程叫汽化；由气态转变为液态的过程叫液化。液体的汽化有蒸发和沸腾两种。蒸发是发生在液体表面的汽化过程，它在任何温度下都能够实行。沸腾是在整个液体内部发生的汽化过程，它只有在沸点下才能实行。

从微观上看，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能够跑出来。如果不吸收热量，就会使液体中剩余分子的平均动能减小，温度降低。即蒸发时液体温度降低，从周围物体吸收热量，因而蒸发有致冷作用。另一方面蒸气分子还会持续地返回液体中去，凝结成液体。所以液体分子蒸发的数量，是液体分子跑出液面的数量，减去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，主要是以下三种：①液面的表面积越大，蒸发越快；②温度越高，液体分子的平均动能越大，能够跑出液面的分子数越多，蒸发就越快；③液面上通风情况好，能够使跑出液

面的分子减少返回液面的机会，因而蒸发越快。在

液面敞开的情况下，液体会持续蒸发，直到液体全

部转变为蒸气为止。当然影响蒸发速度的因素还

有：液面上蒸汽压强大小、液体本身的性质等等。

在密闭的容器中，随着蒸发的持续实行，容器

内蒸气的密度持续增大，这时返回液体中的蒸气的

分子数也持续增多，直到单位时间内跑出液面的分子数与返回液面的分子数相等时，宏观上蒸发现象就停止了。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。液体汽化时，未达到动态平衡的蒸汽叫未饱和蒸汽。未饱和蒸汽近似遵循理想气体状态方程。

饱和蒸气压的大小与液体的种类相关，在相同的温度下，容易蒸发的液体的饱和蒸气压大，不易蒸发的液体的饱和蒸气压小。对于同一种液体，饱和蒸气压随温度的升高而增大。如图是水的饱和汽压强与温度的关系图象。由图能够看出，饱和汽压强与温度并不是线性关系，尤其在温度较高时，饱和汽的压强增大得很快，其压强与温度的关系并不遵循理想气体的状态方程。另外，在温度不变的条件下，饱和汽的压强与体积无关。

饱和蒸气压的大小还与液面的形状相关，对于凹液面，分子逸出液面所需做的功比平液面时大，单位时间逸出凹液面的分子数比平液面时少，所以饱和蒸气压比平液面时小。反之，对于凸液面，饱和蒸气压比平液面时大。这种差别只有在液、气分界面的曲率半径很小时，如小液滴或小气泡，才会显示出来。饱和蒸气压的数值与液面上蒸气的体积无关，与该体积中有无其他气体无关。

综上，饱和蒸气有以下性质：

①在同一温度下，不同液体的饱和汽压一般不同；

②一定液体的饱和汽压随温度的升高而迅速升高，只要密闭容器中仍然有液体存有； ③温度一定时，同种液体的饱和汽压与饱和汽的体积无关。例：100℃时饱和水汽压是76厘米汞高。

在一定压强下，加热液体当达到一定温度时，液体内部和器壁上涌现出大量气泡，整个液体上下翻滚剧烈汽化，这种现象叫做沸腾，相对应的温度叫做沸点。对于同种液体，沸点与液面上的压强相关，压强越大，沸点越高。沸点还与液体的种类相关，在同一压强下，不同液体的沸点不同。

考察液体内部一气泡，泡内压强是空气的分压/nRT V 和液体饱和蒸气压()s P T 之和；泡外压强是外界压强与液体静压强之和，通常液体静压强与外界压强相比能够忽略。故气泡的平衡条件为：

()s nRT P T P V

+=外 当温度升高时，()s P T 增大，气泡可通过胀大，实现与P 外的新平衡。当温度升高至0T 时，有0()s P T P =外，这时气泡怎样胀大也不能平衡，V →∞。液体内部气泡急剧增大上浮，到达液面后气泡破裂排出蒸汽，整个液体剧烈液化，即沸腾。

从宏观角度，沸腾不同于蒸发，但从分子运动论观点，两者无本质差别。沸腾时，在气、液分界面上汽化仍以蒸发的方式实行，仅仅在液体内部同时出现大量小气泡向上浮起至液面破裂，大大增加了汽化的速度。

在汽化过程中，体积增大，而且要吸收大量的热量。单位质量的液体完全变成同温度下的蒸气所吸收的热量，叫做该物质在该温度下的汽化热。常用字母L 表示，国际单

位是J／kg。

不同液体在温度相同时汽化热不同；同种液体在不同温度时汽化热也不同，温度越高，汽化热越小。例：水的汽化热在0℃时是2.50×l06J／kg，在100℃时是2.26×106J／kg。

液体汽化时要保持温度不变，必须有外界热源持续供给热量，其中一部分用于增加物质内部的分子间势能，从而增加物质内能，另一部分克服恒定的外界压强做功，其各部分量值的变化满足热力学第一定律。

为使未饱和汽液化首先必须使之变成饱和汽。当饱和汽的体积减小或温度降低时，汽将转变成液体，即液化。

通过上述方法，人们早在19世纪已使很多气体得到液化。但有几种气体，如氢、氮等一直未能被液化。经研究发现，存有着物质的气、液两态的差别完全消失的临界状态，在此状态下，物质的饱和汽的密度等于它的液体的密度，气、液的分界面消失。这是物质气、液平衡共存的边缘状态。该状态下表面张力系数为零，汽化热也为零。物质处于临界状态时的温度和压强分别叫临界温度和临界压强。

在临界温度以下时，能够用降温或增大压强(使之减小体积)的方法，使未饱和汽转化为饱和汽，从而使气体液化。物质温度在临界温度以上，则无论怎样增大压强，都不能使气体液化。

4、升华与凝华

物质从固态直接转变为气态的过程叫做升华，从气态直接转变为固态的过程叫做凝华。常温常压下，干冰、硫、磷等有显著的升华现象。大气中水蒸气分压低于4.6mmHg，气温降到0℃以下，水蒸气直接凝华成冰晶称为结霜。

单位质量的固态物质升华时所吸收的热量叫升华热；单位质量的气态物质疑华时放出的热量叫凝华热。在相同外界条件下，凝华热等于升华热，且等于它的熔解热和汽化热之和。

在相同条件下，不同物质的升华热不同，同一物质在不同条件下的升华热也不同。任何固体物质在任何温度下都有升华现象。在常温常压下升华显著的物质有萘、碘、干冰等。

5、三相图

将液体和固体上方的饱和气压随温度变化的

汽化曲线OK和升华曲线OS，以及熔点随温度变

化的熔解曲线OL，同时画在P—T图上，如图所

示，我们就能标出固、液、气三态存有的区域，每

条曲线对应着两态平衡共存的情况，三根曲线的交

点O对应着三态平衡共存的唯一状态，称为三相

点。例如水的三相点是水、冰、水蒸气平衡共存状

态，其饱和水汽压值p s=4.581mmHg，T=273.16K

它是国际温标的基本固定点。

二、空气的湿度

1、绝对湿度和相对湿度

空气的干湿水准对于动、植物的生长和人类的生活有着密切的关系。

单位体积的空气中含有的水蒸汽的质量叫做空气的绝对湿度。空气的绝对湿度并不能表示人对空气干湿水准的感觉，人对空气干湿水准的感觉，决定于空气中水蒸气的含量与同温度下饱和水蒸气的含量的差值。这个差值越大，露天水面的水蒸发的越快，人们感到空气越干燥；反之，这个差值越小，人们感到空气越潮湿。

单位体积的空气中含有的水蒸汽的质量与此时的水蒸气的数密度成正比，也与水蒸气的分压强成正比。单位体积饱和水蒸气的含量与水的饱和蒸气压成正比。为了表示空气的干湿水准，可引入相对湿度的概念。以p 表示在某温度下空气中水蒸气的分压强，以p s 表示在同一温度下水的饱和蒸气压，则p 与p s 的比值以百分数表示，就叫做空气的相对湿度。若用B 表示相对湿度，则有 B=s

p p ×100% 因为不同湿度下水的饱和蒸气压p s 不同，同一个水蒸气的分压值p ，对于不同的温度来说，其相对湿度是不同的。例如，当水蒸气的分压强p ＝6.10毫米汞柱，对于温度25℃来说，因为p s (25℃)＝23.76毫米汞柱，其相对湿度为 B=76

.2310.6×100%=25.7% 这是相当干燥的。但对于温度为4℃来说，因为p s (4℃)=6．10毫米汞柱，已知是饱和了，所以相对湿度为100％。这是在该温度下最潮湿的情况了。

用于湿泡温度计能够方便地测量空气的相对湿度。干湿泡温度计是安装在一起的两支温度计，其中一支温度计的水银泡用沙布包着浸在水中，称为湿泡温度计。另一支温度计露在空气中，称为干泡温度计。因为水在纱布上蒸发时要吸热，所以湿泡温度计的读数要低于干泡温度计的读数。空气的相对温度越大，水蒸发的越慢，两温度计读数之差就越小，反之，两温度计读数之差就越大。根据干泡温度计的读数与两温度计读数之差查表就可得出当时的相对湿度。

2、空气的露点

当空气中的水蒸气达到饱和时，就会有露出现。在一般的情况下。空气中水蒸气的含量并未达到饱和，此时水蒸气的含量是确定的，因而水蒸气的分压强也是确定的。对于此时的水蒸气的分压强的值来说，总有一个较低温度下的水的饱和蒸气压的值与其相等。若空气的温度降低到这个较低的温度时，水蒸气变为饱和，就会有露出现了。所以这个较低的温度，就叫做当时空气的露点。

露点，就是使当时空气中水蒸气含量变为饱和时的温度。也可以说，使当时空气中水蒸气的分压强变为饱和蒸气压的温度，叫做露点。

由于露点时的饱和蒸气压就是当时气温下的水蒸气的分压强，所以测出了露点，就可以查出当时水蒸气的分压强。若再查出当时温度下的饱和蒸气压，就可以计算出当时的相对湿度。所以露点也是空气干湿程度的一种标志，测定露点也是测量空气湿度的一个方法。