关于液体沸腾汽化过程的热力学分析
沸腾和汽化的原理
沸腾和汽化的原理
沸腾和汽化是物质在液体状态下变为气态的过程。
沸腾发生在液体表面。
当液体加热至其饱和蒸气压时，液体中的分子将获得足够的能量，能够克服液体表面的张力，从液体内部脱离，进入气体相。
这些脱离液体的分子形成的气体泡沿液体内部迅速上浮，进一步带走周围液体的分子，形成大量的气泡，即为沸腾。
沸腾时，液体内部温度保持几乎恒定，因此，沸腾是一种相变过程，液体在加热下从液体相直接转变为气体相。
汽化则是发生在液体内部。
当液体处于非饱和状态时，液体表面的分子仍然保持液态，但液体内部的分子通过从液体表面吸收热量，获得足够的能量使其动能增加，逐渐脱离相互吸引力量，转变成气体相。
液体内部的分子在液体内部碰撞频繁，当具有足够的能量时，它们可以逃逸并转变为气体相。
同时，液体的温度会随着这一过程而下降，因为液体内部分子通过蒸发带走了一部分热量。
所以，汽化是一种进一步使液体温度下降的过程。
总结起来，沸腾和汽化都是物质从液体相转变为气体相的过程，沸腾发生在液体表面，液体内部分子迅速脱离液体形成气泡，而汽化发生于液体内部，液体内部分子通过蒸发逐渐转变为气体。
7.4沸腾传热解析
饱和水蒸汽在长2m，外径19mm的管外凝结， 如气压为0.074bar(绝对)，管壁平均温度为2 5℃，求将管横放和竖放时的平均凝结换热系 数及凝结液量。
本章作业
• 7-11、7-17、7-23
T
Tl
Ts
2Ts rv R
R
Rmin
2 Ts rv (tw
ts
)
克拉贝隆方程
式中： — 表面张力，N/m；r — 汽化潜热，J/kg v — 蒸汽密度，kg/m3；tw — 壁面温度，C ts — 对应压力下的饱和温度， C
沸腾分类
饱和沸腾 大空间沸腾
过冷沸腾
管内沸腾 饱和沸腾 过冷沸腾
t ts t ts
基本概念
大空间沸腾：高于饱和温度的热壁面沉浸在具有自由 表面的液体中进行沸腾
特点：蒸气泡自由浮升，进入容器空间 壁面附近的流体运动是由自然对流及气泡的生长和脱离导致的混 合而引起的
管内沸腾：因空间限制，蒸气和液体混合在一起，构 成汽液两相流
(1) 用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学手段 在换热表面上形成多孔结构。
(2) 机械加工方法。
一个平底紫铜锅的底部直径为0.3m，由电加热器维 持在118℃。计算使锅中的水沸腾所需的功率。蒸 发速率？临界热流密度？
q
l
r
g
l
v
1 2 C pl t
C
wl
r
Prl
s
3
863 k W
可见， (tw – ts ) , Rmin 同一加热面上，可成为汽 化核心的凹穴数量增加 汽化核心数增加 换热增强
Nucleate boiling
A
D
Transition boiling
2024年中考物理备考知识点汽化
汽化是物质从液态转化为气态的过程。
在物理学中，汽化是液体分子热运动增大，逐渐克服液体内分子间的吸引力而形成气态的过程。
汽化有两种形式：沸腾和蒸发。
沸腾是液体的整体汽化，液体内部的各个部分同时汽化；而蒸发是指液体表面部分的分子由于热运动而逸出，形成气态。
1.沸腾的条件沸腾的条件主要有：液体的饱和蒸气压等于外部气压、液体具有较大的液态分子内运动速度、液体的附着力小、液体表面积大。
当外部温度升高时，液体的分子热运动速度增大，使得液体内的蒸气压增大，当与外界气压相等时，液体开始沸腾。
2.引起沸腾的因素沸腾的速度和强度受到几个因素的影响：(1)温度：液体的温度升高，分子的平均运动速度增大，分子蒸发出液体形成气体分子的几率增大，从而加快了沸腾过程。
(2)外部压强：外部压强的增大使得液体的蒸气压增加，有利于沸腾的进行。
(3)液体的性质：液体的饱和蒸气压越大，液体的易于沸腾。
(4)容器形状：容器的形状也会影响沸腾的速度和强度。
在平底容器中，液体的表面积相对较小，蒸发速度较慢；而在锥底容器中，液体的表面积相对较大，蒸发速度较快。
3.汽化热汽化热是指液体在沸腾过程中，每单位质量液体汽化所吸收或释放的热量。
根据热力学原理，汽化热等于液体在恒温下附加能升高与其蒸汽沿等温线做功的和。
汽化热属于物质的固有属性，不同物质具有不同的汽化热。
4.汽化和冷凝的关系汽化与冷凝是物质在两种相态之间转化的过程。
当液体的温度达到了沸点时，液体发生沸腾，形成气体；相反，当气体的温度降低到饱和蒸气压对应的温度时，气体开始冷凝，形成液体。
汽化和冷凝是可逆过程，互为逆过程，汽化吸热，冷凝放热。
5.应用汽化在日常生活和工业生产中具有广泛的应用。
例如，汽化是煮水时水发生沸腾的过程，是食物烹饪的基础过程之一；汽化技术也广泛用于发电厂，通过汽轮机将热能转化为电能；此外，汽化还用于冷冻行业，蒸发器的工作原理就是通过液化制冷剂的汽化来降低温度。
总结起来，汽化是物质由液态转化为气态的过程，沸腾和蒸发是汽化的两种形式。
沸腾前后温度变化的实验原理
沸腾前后温度变化的实验原理在科学实验中，研究沸腾前后温度变化的实验原理是非常重要的。
沸腾是一种液体与外界环境进行热交换的现象，当液体受热到一定温度时，其中的分子具有足够的动能可以克服表面张力，从而形成气泡，这就是沸腾的过程。
在沸腾前后，液体的温度发生了明显的变化，这种变化涉及到热力学、动力学等多个方面的知识。
首先，液体在受热的过程中，其温度会逐渐升高。
这是因为液体分子在受热后具有了更大的动能，分子间的距离也会增大，从而使液体的温度上升。
在沸腾的过程中，液体内部局部产生激烈的蒸汽运动，从而使整个系统的温度不断升高。
通过实验可以测量液体在沸腾前后的温度变化，可以了解液体受热时的热力学特性。
其次，沸腾前后温度变化的实验还可以揭示液体的热传导性质。
在沸腾时，由于液体分子不断受热，分子运动也会更加剧烈，从而增强了液体的热传导性。
通过控制实验条件，可以研究液体在不同温度下的热传导系数，进而了解液体的热传导机制。
此外，沸腾前后温度变化的实验还可以探究液体的相变特性。
在沸腾过程中，液体从液态转变为气态，这是一种相变现象。
相变过程中，液体的热量会发生明显变化，因此在沸腾前后对液体的温度进行监测可以揭示液体相变时的热力学性质，为液体相变研究提供重要的实验数据。
最后，在实验中研究沸腾前后温度变化的原理还可以对液体的热容量进行研究。
液体在受热时，需要吸收一定量的热量才能使其温度发生变化，这种热量就是热容量。
通过实验测量沸腾前后液体的温度变化，可以计算出液体的热容量，了解液体的热力学特性。
让我们总结一下本文的重点，我们可以发现，研究沸腾前后温度变化的实验原理不仅可以帮助我们了解液体在受热过程中的热力学性质，还可以揭示液体的热传导、相变和热容量等方面的特性。
通过深入研究这些知识，可以更好地理解液体的热力学行为，为工程技术和科学研究提供重要的参考依据。
因此，沸腾前后温度变化的实验原理具有广泛的应用前景，对于推动科学技术的进步具有积极意义。
工程热力学(第5章--水蒸汽的热力性质)
18
5-2 水蒸气的定压产生过程
所以：随着p升高，b点向右移动，d点向左移动，即 预热过程增长，汽化过程缩短，过热过程增加。
19
5-2 水蒸气的定压产生过程
当压力升高至pc=22.064MPa时，汽化过程缩成一点，即临 界点C，同时产生两线（CM、CN）和三区（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）。
D = t - ts
h
15
➢水蒸气定压产生过程中热量的计算
1.水的定压预热阶段：
液体热 ql h ' h0 kJ/kg
T
2.饱和水的定压汽化过程：
汽化潜热 r h" h ' kJ/kg
Ts
b
e d
r Ts s" s ' kJ/kg
3.干蒸汽的定压过热过程：
过热热 qs h h" kJ/kg
2
本章主要内容 水蒸气的饱和状态 水蒸气的定压产生过程 水蒸气的热力性质图表 水蒸气的基本热力过程
3
5-1 水蒸气的饱和状态
一、汽化：液态→汽态 （如锅炉水冷壁中水的汽化过程）
汽化方式有两种：1）蒸发，2）沸腾。
1、蒸发——在液体表面缓慢进行的汽化现象。
特点：它能在任何温度下进行；液体的蒸发速度取决于 液体的性质、液体的温度、蒸发表面积和液面上气流的流速。
饱和状态的特点： p s
①汽水共存；
ts
②汽水同温；
③饱和压力与饱和温度
成一一对应关系.
ts f ps
8
饱和温度与饱和压力的关系
ts f ps
ps上升， ts上升 ts上升， ps上升
饱和压力 0.005MPa
沸腾时水中气泡上升时的能量变化
沸腾时水中气泡上升时的能量变化以沸腾时水中气泡上升时的能量变化为标题，我们来探讨一下这个现象背后的原理和能量转化过程。
在一锅沸腾的水中，我们可以观察到水中产生了大量的气泡，并且这些气泡会不断地向上升起。
这一现象背后涉及了能量的转化和传递过程。
让我们来看看水的沸腾过程。
当水温升高时，水中的分子运动变得剧烈起来。
当水温达到沸点时，水中的分子能量足够高，可以克服表面张力，从液相转变为气相，形成气泡。
在气泡形成的过程中，水中的分子需要克服表面张力，这需要消耗一定的能量。
而当气泡形成后，它们会上升到液体表面并脱离液体。
在这个过程中，气泡会受到浮力的作用，使它们能够向上升起。
那么，气泡上升时发生了哪些能量变化呢？首先，气泡上升的过程中会受到浮力的作用，这个浮力是由液体表面附近的液体分子对气泡施加的压力所产生的。
这个浮力的大小与气泡的体积有关，体积越大，浮力越大。
气泡上升的过程中也会受到阻力的作用。
阻力是由液体分子对气泡的相对运动所产生的。
当气泡上升速度较快时，阻力会增大，使气泡的上升速度减慢。
在气泡上升的过程中，由于气泡脱离了液体，所以它们不再受到液体分子的作用力。
这样一来，气泡的内部压强会降低，从而使气泡内部的能量减小。
在沸腾时水中气泡上升的过程中，能量发生了如下变化：水中的分子通过吸收热量增加了动能，克服了表面张力形成气泡，并且气泡受到了浮力和阻力的作用，消耗了一部分能量。
同时，气泡脱离液体后，内部的能量也减小了。
在这个过程中，能量的变化体现了能量的转化和传递。
一方面，水中的热能被转化为水分子的动能，使水中的气泡形成和上升；另一方面，气泡上升过程中的浮力和阻力使得一部分能量被耗散，从而使气泡内部的能量减小。
这一现象不仅仅是在沸腾时发生，类似的能量转化和传递过程在许多自然界和工程中都有出现。
例如，气泡上升的过程类似于气体在液体中的上升过程，也类似于气球升空的过程。
这些过程都涉及了能量的转化和传递，对于我们理解和应用能量转化和传递的原理具有重要意义。
水的汽化热实验报告
水的汽化热实验报告实验三水的汽化热的测定实验三水的汽化热的测定一、实验目的1、学习用混合量热法测定水的汽化热。
2、了解一种粗略修正散热的方法——抵偿法。
二、实验仪器1、XJ-TQ-2型液体汽化热测定仪；2、WL-1物理天平；3、秒表。
三、实验原理在一定的外部压强下，液体总是在一定的温度下沸腾，在沸腾过程中，虽然对它继续加热，但液体的温度并不升高。
可见，在把液体变成汽体时，要吸收热量。
为此引进汽化热这个物理量，来表示在一定温度及压强下，单位质量的液体变成同温度的汽所需要的热量，即：L?Qm反过来，当汽体重新凝结成液体时就会放出热量。
所放出的热量跟等量的液体在同一条件下汽化时所吸收的热量相同。
即：汽化热=凝结热。
由此，本实验通过测定出水蒸汽在常压条件下凝结热，从而根据上式，间接得到水在沸点（100℃）时的汽化热。
蒸汽从发生器出来，经玻璃管进入量热器内筒中凝结成水，放出热量，使量热器内筒和水的温度由初温t1升到?，设凝结成水的蒸汽质量为m，蒸汽由t2℃变到?℃的有个中间转化过程，那就是t2℃的水蒸气首先转化成t2℃的水，这时要放出热量，即凝结热mL；然后t2℃的水再与冷水混合，最终达到热平衡，平衡温度为?℃，这时要放出热量c水m(t2??)，则总的放热量就是Q放?mL?c水m(t2??) 设量热器和水的质量分别为m1、M，比热分别为c1、c。
则量热器、水所得到的热量（不考虑系统的对外散热）：Q 吸?(m?(?1 t) 1c1?M)c式中由热平衡方程式Q放?Q吸1则L?(m1c1?cM)(??t1)?mc(t2??)m （1）【散热修正】：上述讨论是假定量热器与外界无热量交换时的结论.实际上只要有温度的差异就必然要θ有热交换存在，因此必须考虑如何防止散热或对散热进行修正。
本实验中热量的散失主要是蒸汽通入盛有水的t1 量热器中，混合过程中量热器向外散失的热量，由此造成混合前水的初温与混合后水的终温不易测准. 为此，根据牛顿冷却定律来修正温度。
沸腾的现象
沸腾的现象沸腾的现象沸腾是液体表面和内部同时发生的剧烈汽化现象，是物质从液态转变为气态的一种相变方式。
在沸腾过程中，液体内部形成气泡并迅速上升至液面，产生蒸汽，整个液体呈现上下翻滚的剧烈状态。
沸腾的特征与条件沸腾的特征●●剧烈转变：沸腾与蒸发这种和缓的相变不同，它是一种剧烈的转变过程。
在沸腾过程中，液体内部形成大量气泡，并迅速上升至液面破裂，产生蒸汽。
沸腾的剧烈性使得液体的温度在沸腾过程中保持恒定，因为液体吸收的热量全部用于相变，而不是升高温度。
这种现象在烹饪中尤为明显，例如煮沸的水在整个沸腾过程中保持100摄氏度，直到水完全汽化。
●●全面汽化：沸腾不仅发生在液体表面，还发生在液体内部，使得整个液体全面参与汽化过程。
液体内部的气泡形成是由于液体在加热过程中，温度达到沸点，液体内部的压力与外界气压相等，导致液体内部的分子获得足够的能量克服分子间的吸引力，形成气泡。
这种全面汽化的特性使得沸腾成为一种高效的热量传递方式，被广泛应用于工业和日常生活中。
●沸腾的条件●●气压条件：液体上方的气压必须等于液体的饱和蒸汽压。
饱和蒸汽压是指在一定温度下，液体和它的蒸汽处于平衡状态时，蒸汽所具有的压力。
气压的变化会影响液体的沸点，例如在高海拔地区，由于气压较低，水的沸点会低于100摄氏度。
这一特性在高山烹饪中需要特别注意，因为水在较低温度下沸腾，可能导致食物不易煮熟。
●●温度条件：液体温度必须达到其沸点。
沸点是液体开始沸腾时的温度，它随外界气压的变化而变化。
不同的液体具有不同的沸点，例如乙醇的沸点为78.37摄氏度，而水的沸点为100摄氏度。
在工业应用中，通过调节压力和温度，可以控制液体的沸腾过程，以实现不同的工艺需求。
●沸腾过程的阶段在使用水壶烧水的过程中，可以观察到沸腾现象的几个不同阶段：1.初始阶段：在加热初期，水壶底部开始积聚小气泡。
这些小气泡在上升过程中会逐渐变小并消失，因为此时液体温度尚未达到沸点，气泡内的蒸汽压力不足以克服液体压力。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
关于液体沸腾汽化过程的热力学分析
李强国
(郴州高等师范专科学校化学系，湖南郴州 423000)
摘 要 对纯液体沸腾汽化过程的热力学问题用吉布斯自由能判据进行了
详细讨论，指出生成一个球形气泡新相时必须克服一个能峰，而且这个能峰随液
体的过热度的增大而变小，从而合理地解释了液体沸腾汽化的过热现象.
关键词 液体汽化；过热现象；热力学
分类号 O 64；O 414
现行的一些热力学及物理化学教材大都是用开尔文公式来解释液体的过热
现象的，有的是用开尔文公式和拉普拉斯公式相结合来进行解释［1，2］；有的则
只用开尔文公式来解释［3，4］.在这些教材中有的以球形小液滴导出如下的开尔文
方程
ln (pr/p)=2σM/RTrρ (1)
此式是用来描述在液体表面汽化——即蒸发过程中微小液滴表面上的饱和蒸气
压与同温下水平液面上的饱和蒸气压之间的关系的.能否简单地把它应用到沸腾
过程(即整个液体内部发生的汽化过程)，来描述球形气泡中的饱和蒸气压与水平
液面的饱和蒸气压之间的关系呢?笔者认为是不行的.因为，虽然蒸发和沸腾在相
变机构上没有什么根本的区别，但二者在形式上是完全不同的.前者无须形成气
泡，在任何温度下都能进行，而沸腾汽化必须形成气泡，只在沸点下才能进行.
那么究竟应如何来说明液体沸腾汽化需过热的原因呢?本文将从热力学角度用吉
布斯自由能判据对液体沸腾汽化过程进行讨论，并在此基础上导出液体中气泡的
开尔文公式.
假设沸腾汽化是在一带有理想活塞(无质量、无摩擦)的密闭容器中进行.显然，
此过程是一恒温恒外压过程.为了讨论方便，不妨从中抽出一个球形气泡(气泡中
的气体为纯蒸气)和液体两相作为研究对象.由于气泡在生成和长大的过程中，泡
内压力不断增大(因为泡内气体的物质的量不断增加).所以气泡在形成过程中系
统的吉尔斯自由能变化为
dG=Vgdpg+Vldpl+σdA+μgdng+μldnl (2)
式中V、p、σ、A、μ和n分别代表体积、压力、液气界面张力、球形气泡表面积、
化学势和物质的量，上标g和l分别代表气相和液相.
对液体来说，压力的影响可忽略，故式(2)可写成
dG=Vgdpg+σdA+μgdng+μldnl (3)
因为dng=-dnl，故
dG=Vgdpg+σdA+(μg-μl)dng (4)
再设气泡中纯蒸气为理想气体，则Vg=ngRT/pg，故式(4)可写成
dG=ngRTdln pg+σdA+(μg-μl)dng (5)
当球形气泡与液体达成两相平衡时，dG=0，即得力学平衡条件和相平衡条件
ngRTdln pg+σdA=0 (6)
μg-μl=0 (7)
下面讨论汽化过程吉尔斯自由能变化与汽泡半径r的半系.对于球形气泡，有
dA=8πrdr (8)
代入式(5)，并将式(5)右边第三项分子分母同乘以Vgm(气体摩尔体积)得
(9)
因 Vgmdng=d(Vgmng)=dVg (10)
又有 dVg=4πr2dr (11)
故 Vgmdng=4πr2dr (12)
又因 (13)
根据理想气体状态方程Vgpg=ngRT，所以
ngRTdlnpg=d(ngRT)=RTdng (14)
且有 (15)
由以上各式最后可得
(16)
定温下除r外其它物理量均为常量，积分上式得
(17)
式中G(T,p)为积分常量，因该过程T、p不变，故G(T,p)也不变.在讨论G的变化时，
把G(T，p)取作零是无妨的.所以式(17)成
(18)
令
(20)
式中Gp和Gσ分别为相变吉布斯自由能和表面吉布斯自由能，Δp为气泡曲面的附
加压力(Δp=2σ/r).故
G=Gp+Gσ (21)
图1 G与r的关系图
现分别以Gp、Gσ和G对r作图，如图1所示.由图可知，生成新相时，即r由0变
大时，相变吉布斯自由能Gp是上升的，而表面吉布斯自由能Gσ是下降的.当r较小
时，Gp随r上升速度超过了Gσ随r下降的速度，所以，总吉布斯自由能上升；当r
较大时，情况恰恰相反；当r=re时，Gp随r上升速度与Gσ随r下降速度相等，即G
不变，达到极大值.
所以，液体在沸腾汽化过程中，随r的增大，系统吉布尔自由能G在re之前要
经过一个上升阶段.而在恒温恒压时，dG>0的过程是不能自发进行的.也就是说，
要形成半径为re的汽泡是困难的.
极值点re可由式(16)令dG=0得到
(22)
由式(18)得 (23)
由式(22)得 (24)
把式(24)代入式(23)，得 G(re)=4πσr2e/3 (25)
得越多，即过热度愈大，re和G(re)越小，形成汽化中心要克服的能峰越小.这就
是液体沸腾汽化需要过热的原因.当然如果人为地提供r>re的汽泡中心，无须过
热，汽化也能自动进行.所以，实际操作中为防止过热而瀑沸通常加入一些沸石
或碎玻璃管.
下面对式(6)作进一步讨论.式(6)中的σdA项可看作是在一定温度下，把1 mol
内部液体汽化变成一个球形气泡(即把液体内部分子变成气泡表面分子)时系统
表面吉布斯自由能的变化，即
σdA=dGσ (26)
对于纯物质，dGσ=dμl=Vlmdp,代入上式即得
σdA=Vlmdp (27)
把式(27)代入式(6)可得
RTdlnpg=-Vlmdp (28)
由液体变成球形气泡时，液体中气泡内所受的压力pr应大于气泡外液体的压力p.
在平衡时，气泡内外的压强差应等于由表面张力所引起的附加压力，即
pr-p=Δp=2σ/r
或 pr=p+2σ/r (29)
所以，当由液体变成半径为r的球形气泡时，泡内压力由p变到pr，在此压力
间积分式(28)可得
ln (pr/p)=-2σVlm/RTr (30)
又因Vlm=M/ρ，故 ln (pr/p)=-2σM/RTρr (31)
此式表明了球形气泡中饱和蒸气压与同温下液体的饱和蒸气压的关系，即液体中
气泡的开尔文方程.
虽然式(31)和式(1)在形式上完全相似，但两式适应的相平衡条件不同：式(1)
的相平衡条件是μg(T,p)=μl(T,p)；而式(31)的相平衡条件是μg(T,pr)=μl(T,p).
参考文献
1 熊吟涛.热力学.北京：人民教育出版社，1979.161～162
2 天津大学物理化学教研室.物理化学 下册.北京：高等教育出版社，1983.156
3 印永嘉，奚正楷，李大珍.物理化学简明教程.北京：高等教育出版社，
1992.388～389
4 傅献彩，沈文霞，姚天扬.物理化学 下册.北京：高等教育出版社，1990.896
A THERMODYNAMICAL ANALYSIS OF THE VAPORIZATION
PROCESS IN BOILING LIQUID
Li Qiangguo
(Department of Chemistry, Chenzhou Teachers' College, Chenzhou, Hunan, 423000,
China)
Abstract The process of the transition from boiling liquid to a vapour bubble is
analysed by the principle of thermodynamics. It is pointed out that there exists a
energy barrier in this transition, and the overheating of liquid is explaned.
Key words liquid vaporization; excessive heating phenomenon;
thermodynamical