第三章 相變 液體-1

1、第第3章章 相變相變 液體液體l 有關(guān)概念有關(guān)概念 相變相變 相平衡相平衡 相圖相圖 臨界溫度臨界溫度Tc、臨界壓力、臨界壓力pc、臨界體積、臨界體積Vc 蒸發(fā)與冷凝、蒸氣壓蒸發(fā)與冷凝、蒸氣壓 過熱現(xiàn)象及其防止過熱現(xiàn)象及其防止 液體的凝固、固體熔化液體的凝固、固體熔化l 水的相圖水的相圖 蒸氣壓曲線蒸氣壓曲線 水的相圖水的相圖相變相變F物質(zhì)存在物質(zhì)存在3 3種狀態(tài)種狀態(tài)( (s s，l l，g g) )F它們之間可以相互轉(zhuǎn)化它們之間可以相互轉(zhuǎn)化相變：相變：固體熔化、液體氣化、氣體液化以固體熔化、液體氣化、氣體液化以及液體凝固等物態(tài)變化過程及液體凝固等物態(tài)變化過程相平衡：相平衡：相變時兩相之間的

2、動態(tài)平衡相變時兩相之間的動態(tài)平衡相圖：相圖：溫度與壓力對相變影響的關(guān)系圖溫度與壓力對相變影響的關(guān)系圖l有關(guān)概念有關(guān)概念相相（物相）：體系中均勻的部分（物相）：體系中均勻的部分氣體的性質(zhì)氣體的性質(zhì)F氣體分子的熱運動氣體分子的熱運動F分子間的相互吸引分子間的相互吸引氣體的液化氣體的液化F任何氣體都可以液化任何氣體都可以液化F任一氣體的液化必須在一定的溫度以下任一氣體的液化必須在一定的溫度以下CO2O2 臨界溫度臨界溫度Tc、臨界壓力、臨界壓力pc、臨界體積、臨界體積Vc 擴散、膨脹擴散、膨脹凝聚凝聚T ，p？119 oC以下，再加以下，再加 5 MPa的壓力的壓力室溫，加壓室溫，加壓 ？臨界現(xiàn)象臨

3、界現(xiàn)象臨界溫度臨界溫度Tc、臨界壓力、臨界壓力pc、臨界體積、臨界體積Vc臨界溫度臨界溫度TcF能使氣體液化的最高溫度能使氣體液化的最高溫度臨界壓力臨界壓力pcF在臨界溫度使氣體液化所需的最低壓力在臨界溫度使氣體液化所需的最低壓力臨界體積臨界體積VcJ在在Tc 和和Pc條件下，條件下，1 mol氣體所占的體積氣體所占的體積F氣體的沸點越低，臨界溫度也越低，就越氣體的沸點越低，臨界溫度也越低，就越難液化。難液化。（表（表3.1）臨界現(xiàn)象臨界現(xiàn)象l蒸發(fā)與冷凝、蒸氣壓蒸發(fā)與冷凝、蒸氣壓液體的性質(zhì)液體的性質(zhì)F相內(nèi)相內(nèi)F表面表面液體汽化液體汽化 蒸發(fā)蒸發(fā)F蒸發(fā)只在表面氣化蒸發(fā)只在表面氣化 沸騰沸騰F液體

4、的氣化在表面和液體的氣化在表面和內(nèi)部同時發(fā)生內(nèi)部同時發(fā)生蒸氣蒸氣（vapor）F在液面上的氣態(tài)分子群在液面上的氣態(tài)分子群冷凝冷凝（condensation）F逸出液面的蒸氣分子在相互碰撞中返回液逸出液面的蒸氣分子在相互碰撞中返回液相的過程相的過程飽和蒸氣飽和蒸氣(saturation)F與液相處于與液相處于動態(tài)平衡動態(tài)平衡的氣體的氣體飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓（vapor pressure）F飽和蒸氣的壓力飽和蒸氣的壓力l蒸發(fā)與冷凝、蒸氣壓蒸發(fā)與冷凝、蒸氣壓蒸發(fā)蒸發(fā) 冷凝冷凝 “動態(tài)平衡動態(tài)平衡” 蒸發(fā)與冷凝的熱效應(yīng)蒸發(fā)與冷凝的熱效應(yīng)蒸發(fā)蒸發(fā)F吸熱吸熱冷凝冷凝F放熱放熱 蒸氣壓的性質(zhì)蒸氣壓的性質(zhì)F不

5、隨容器體積而變，亦與不隨容器體積而變，亦與液體液體的物質(zhì)的量的物質(zhì)的量無關(guān)；無關(guān)；F隨隨T T的升高而增大的升高而增大 ? ?l蒸發(fā)與冷凝、蒸氣壓蒸發(fā)與冷凝、蒸氣壓冷凝是蒸發(fā)的逆過程冷凝是蒸發(fā)的逆過程下頁上頁末頁首頁分子的動能分子的動能當(dāng)溫度升高時，液體分子中能量高、速率快的分子百分率增多，當(dāng)溫度升高時，液體分子中能量高、速率快的分子百分率增多，表層分子逸出液面的機會也增加，隨之氣相分子返回液面的數(shù)目表層分子逸出液面的機會也增加，隨之氣相分子返回液面的數(shù)目也逐漸增多，直到建立一個新的平衡狀態(tài)。這個過程的總效果是也逐漸增多，直到建立一個新的平衡狀態(tài)。這個過程的總效果是蒸氣壓增大。蒸氣壓增大。l蒸

6、發(fā)與冷凝、蒸氣壓蒸發(fā)與冷凝、蒸氣壓( (溫度區(qū)間不大溫度區(qū)間不大) ) 101 100 30 70lg p /kPa31110 /KT2.001.000.00水的蒸氣壓與溫度曲線水的蒸氣壓與溫度曲線lg p 1/T的直線關(guān)系的直線關(guān)系珠峰珠峰 p/kPa t / oC0lgApBT12.303vapHBRT直線方程直線方程直線斜率直線斜率液體的摩爾蒸發(fā)熱液體的摩爾蒸發(fā)熱截距截距不同液體的蒸氣壓與溫度的關(guān)系不同液體的蒸氣壓與溫度的關(guān)系lgApBT22112 1lg()2.303vapHpTTpRT T1lg2.303vapHApBBTRTvapH實驗測定不同實驗測定不同 T 下下的的 p ，作，

7、作 lg p 1/T 圖，可求圖，可求Clapeyron-Clausius 方程方程 T 升高，升高，p 升高。升高。沸點沸點(boiling point, Tb)： T， p = p外外時，液體沸時，液體沸騰。騰。正常正常(normal )沸點沸點： p外外為為101 kPa時的沸點。時的沸點。(Hvap與與 R 的的單位一致單位一致)l蒸發(fā)與冷凝、蒸氣壓蒸發(fā)與冷凝、蒸氣壓過熱過熱（superheating）F將液體加熱到超過正常沸點一定溫度才開將液體加熱到超過正常沸點一定溫度才開始沸騰，之后溫度又降至正常沸點的現(xiàn)象始沸騰，之后溫度又降至正常沸點的現(xiàn)象過熱液體過熱液體F溫度高于正常沸點的液體

8、溫度高于正常沸點的液體K危害危害預(yù)防辦法預(yù)防辦法F攪拌和加入沸石攪拌和加入沸石過熱現(xiàn)象及其防止過熱現(xiàn)象及其防止例例 已知異丙醇在已知異丙醇在2.4 oC時的蒸氣壓是時的蒸氣壓是1.33 kPa，在在39.5 oC時蒸氣壓是時蒸氣壓是13.3 kPa。試求異丙醇的蒸發(fā)。試求異丙醇的蒸發(fā)熱和沸點。熱和沸點。解：根據(jù)公式解：根據(jù)公式 221121lg()2.303vapHpTTpRT T若若p外外101 kPa，且且p p外外，有沸點溫度有沸點溫度（T）11113.3312.7 275.6lg()1.332.30 8.31312.7 275.6vapHKJ molK有有 11 4439744.4 v

9、apHJ molkJ mol 41111014.44 10 275.6lg()1.332.308.31 275.6J molTKJ molKTK 355 82 oTKCl液體的凝固、固體熔化液體的凝固、固體熔化過冷液體過冷液體F低于凝固點而不凝固的液低于凝固點而不凝固的液體體過冷現(xiàn)象過冷現(xiàn)象（Super cooling phenomena）?凝固點凝固點（Freezing point or Solidifying point） F 因固液共存，加熱或吸熱因固液共存，加熱或吸熱只能改變只能改變 s、l 的相對量，的相對量，T不變，這個不變，這個s、l 共存的共存的T 。水的冷卻曲線水的冷卻曲線固

10、體受熱曲線固體受熱曲線凝固點即熔點在凝固點，在凝固點，p p液液 p p固固 過冷液體過冷液體, p p過過 p p固固過冷液體處于不穩(wěn)定狀過冷液體處于不穩(wěn)定狀有沒有過熱固體有沒有過熱固體? ? 溫度溫度蒸氣壓蒸氣壓液體及固體的蒸氣壓與溫液體及固體的蒸氣壓與溫度的關(guān)系度的關(guān)系凝固點ABCD極限為臨界點極限為臨界點l水的相圖水的相圖注：注：氣相區(qū)氣相區(qū) 曲線下面的各種狀態(tài)曲線下面的各種狀態(tài) 液相區(qū)液相區(qū) 曲線上面的各種狀態(tài)曲線上面的各種狀態(tài)蒸氣壓曲線蒸氣壓曲線不同壓力下的冰的熔點不同壓力下的冰的熔點液液固固平平衡衡區(qū)區(qū)液固平衡曲線液固平衡曲線l水的相圖水的相圖三相點：三相點：氣氣- -液平衡線和

11、氣液平衡線和氣- -固平衡線的交點，氣固平衡線的交點，氣- -液液- -固三相處于平衡狀態(tài)。固三相處于平衡狀態(tài)。熱力學(xué)溫標(biāo)：熱力學(xué)溫標(biāo)：用水的三相用水的三相點定義。點定義。J水的三相點定標(biāo)為水的三相點定標(biāo)為273.16 K，它的，它的1/273.16就是熱力學(xué)就是熱力學(xué)溫度單位溫度單位Kelvin。水的冰點應(yīng)為水的冰點應(yīng)為273.15 K (即即0 oC)注：注：三相點（純水，不變）三相點（純水，不變）水的冰點：水的冰點：標(biāo)準(zhǔn)壓標(biāo)準(zhǔn)壓力下，被空氣飽和力下，被空氣飽和的水的凝固點，即的水的凝固點，即空氣的飽和水溶液空氣的飽和水溶液和冰的平衡溫度。和冰的平衡溫度。下頁上頁末頁首頁曲線上的任意一點表

12、示兩相共存的條件曲線上的任意一點表示兩相共存的條件線是兩相的分界線線是兩相的分界線兩線間的平面表示一相獨存的條件兩線間的平面表示一相獨存的條件氣相區(qū)位于溫度高，氣相區(qū)位于溫度高， 壓力低的位置（右下方）壓力低的位置（右下方）固相區(qū)位于壓力高，固相區(qū)位于壓力高， 溫度低的部位（左上方）溫度低的部位（左上方）液相區(qū)介乎其中液相區(qū)介乎其中374.0 oC, 2.21*104KPa升華：升華：固體受熱固體受熱直接變成直接變成氣體的現(xiàn)氣體的現(xiàn)象。象。升華點升華點: :F三相點三相點以下氣以下氣固平衡線固平衡線上任意一上任意一點點正常升華點正常升華點l液體和液晶的基本性質(zhì)液體和液晶的基本性質(zhì) 凝聚態(tài)凝聚態(tài)

13、液體、液晶、固體統(tǒng)稱為凝聚態(tài)。其特點液體、液晶、固體統(tǒng)稱為凝聚態(tài)。其特點是都不能像氣體分子那樣自由擴散。是都不能像氣體分子那樣自由擴散。 液體的特征：液體的特征：能自由流動和各向同性能自由流動和各向同性有一定的體積但無一定的形狀，可充滿整有一定的體積但無一定的形狀，可充滿整個容器。個容器。“長程無序，短程有序長程無序，短程有序”。 液體的表面張力液體的表面張力液體表層分子間的引力，是液體化學(xué)中最液體表層分子間的引力，是液體化學(xué)中最重要的物理量重要的物理量與液體的摩爾質(zhì)量、密度和溫度等有關(guān)。與液體的摩爾質(zhì)量、密度和溫度等有關(guān)。單位單位NmNm-1-1或或mNmmNm-1-1。l液體和液晶的基本性

14、質(zhì)液體和液晶的基本性質(zhì) 液體的潤濕性和毛細(xì)現(xiàn)象液體的潤濕性和毛細(xì)現(xiàn)象隨液面分子與固體表面分子間作用力的強隨液面分子與固體表面分子間作用力的強弱不同，有浸潤和不浸潤之別。弱不同，有浸潤和不浸潤之別。將毛細(xì)管插入液體中，毛細(xì)管中的液面呈將毛細(xì)管插入液體中，毛細(xì)管中的液面呈彎月形，并且與管外液面有一定的高度差。彎月形，并且與管外液面有一定的高度差。測定高度差、毛細(xì)管半徑和液體密度可以測定高度差、毛細(xì)管半徑和液體密度可以計算表面張力。計算表面張力。l液體和液晶的基本性質(zhì)液體和液晶的基本性質(zhì) 液體的粘度液體的粘度用以描述液體的流動性用以描述液體的流動性反映了液體流動時內(nèi)摩擦力的大小反映了液體流動時內(nèi)摩擦

15、力的大小與液體的密度、溫度和壓力有關(guān)與液體的密度、溫度和壓力有關(guān)l液體和液晶的基本性質(zhì)液體和液晶的基本性質(zhì) 液晶液晶力學(xué)性質(zhì)像液體，可以自由流動。力學(xué)性質(zhì)像液體，可以自由流動。光學(xué)性質(zhì)像晶體，顯各向異性。光學(xué)性質(zhì)像晶體，顯各向異性。F在某個方向上長程有序，在另一個方向上在某個方向上長程有序，在另一個方向上卻近程有序。卻近程有序。l液體和液晶的基本性質(zhì)液體和液晶的基本性質(zhì) 液晶液晶膽甾型液晶膽甾型液晶向列型液晶向列型液晶高分子液晶高分子液晶l液體和液晶的基本性質(zhì)液體和液晶的基本性質(zhì)3.33.10 本章作業(yè)下頁上頁末頁首頁解題思路解題思路1. 該氣體與水蒸氣的該氣體與水蒸氣的混合氣體混合氣體的的P

16、1V1= P2V2 2. 壓力增加會引起水蒸氣的凝聚，但該氣體的摩爾數(shù)沒壓力增加會引起水蒸氣的凝聚，但該氣體的摩爾數(shù)沒有變化，可以用該氣體的分壓來計算總體積：有變化，可以用該氣體的分壓來計算總體積： V1/T1 = V2/T2 = 常數(shù)常數(shù)溫度降低也會引起水蒸氣的凝聚，但該氣體的摩爾溫度降低也會引起水蒸氣的凝聚，但該氣體的摩爾數(shù)沒有變化，可以用該氣體的分壓來計算總體積：數(shù)沒有變化，可以用該氣體的分壓來計算總體積： P31 2.13下頁上頁末頁首頁解：解：1. P1 V1 = P2 V2 100 1.00 = 50.0 V2 V2 = 2.00 (dm3)2. 58 C時，時，P水水 = 18.1 kPa, P氣體氣體 = (100-18.1) kPa V2 = (P氣氣1 V