汽化和液化

官方物理老师·11 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·3 天前
物态变化分子运动相变原理温度压强

汽化和液化

搞清汽化与液化背后的分子机制,分清蒸发和沸腾的真实差异

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物态变化分子运动相变原理温度压强

汽化和液化

搞清汽化与液化背后的分子机制,分清蒸发和沸腾的真实差异

1第 1 页 · 汽化和液化

绘制温度-时间图象

上一页我们看到水沸腾时持续吸热却温度不变。这种『不变』在图象上长什么样?把整个加热过程画出来就一目了然。

坐标设定
横轴为时间(min),纵轴为温度(℃),记录整个加热过程
升温段
液体未达沸点前持续吸热,温度沿曲线向右上倾斜上升
水平段(平台)
沸腾时继续吸热但温度恒定,图象出现水平线段,这是相变的『指纹』
公式切换
升温段用 Q=cmΔT,平台段用 Q=mL(L 为汽化比热)
登山走到平台期对应 →沸腾时温度不变

持续用力(吸热)但海拔不变(温度),能量转化为分子势能而非动能

Q=cmΔT  (升温段)Q=mL  (沸腾段)Q = cm\Delta T \;\text{(升温段)} \\ Q = mL \;\text{(沸腾段)}
2第 2 页 · 绘制温度-时间图象

汽化

温度—时间图象上,沸腾段温度不再升高,热量却仍在输入;这些能量正把液态水变成水蒸气,这一过程叫汽化。

定义
液态变为气态,可发生在液体表面,也可发生在液体内部。
蒸发
蒸发只在液面发生;较活泼分子逸出,同时也有分子返回。温度、液面面积和表面气流通畅程度影响净蒸发速率。
沸腾
达到沸点时,液体内部与表面同时剧烈汽化;液体的沸点随外界压强改变。
能量去向
汽化吸收潜热;沸腾时继续吸热,体系的温度保持不变。
典型应用
汗液蒸发帮助散热,制冷剂汽化实现制冷;蒸馏利用挥发性差异分离组分。
湿手迎风对应 →蒸发制冷

风减少近表层水汽并加快蒸发;高能分子逸出后,剩余水分平均动能下降,皮肤因而感觉更凉。

3第 3 页 · 汽化

液化

上一页讲了汽化——液体吸热变气体。那反过来,气体要回到液态,需要满足什么条件?过程又会放出还是吸收热量?

定义
物质由气态变为液态,是汽化的逆过程
两种途径
降低温度,或压缩体积(增大压强)
临界温度
温度必须降到临界温度以下,加压才能液化
液化放热
气体液化时向外界放出热量,与汽化吸热相反
典型应用
液化石油气、液化天然气、人工增雨(干冰凝结核)
操场上疯跑的学生对应 →自由运动的气体分子

天冷跑得慢是降温液化;老师喊回教室挤着坐是加压液化。两种方式都让学生从自由运动变成挤在一起

4第 4 页 · 液化

沸腾

之前学过汽化有两种——蒸发和沸腾。蒸发只在液体表面、任何温度都能进行;而沸腾更剧烈,条件也更严格。剧烈在哪?条件是什么?这一页我们深入看。

沸腾的定义
液体达到沸点时,在内部和表面同时发生的剧烈汽化现象——与蒸发最关键的区别
沸点
液体沸腾时保持不变的温度,不同液体沸点不同(水在标准气压下为100℃)
沸腾的特点
需持续吸热,但液体温度始终保持在沸点,直到液体全部汽化
沸点随气压变化
气压越大,沸点越高;高山上气压低,水不到100℃就沸腾
水烧开时气泡从底部冒出对应 →沸腾:内部和表面同时汽化

蒸发像水面安静蒸发;沸腾像整锅水剧烈翻滚,气泡从底部一路冒上来

5第 5 页 · 沸腾

沸点

上一节学过沸腾时温度保持不变,但你是否想过:为什么海平面烧水是100°C,高山上不到100°C就沸腾?这要从沸点的本质讲起。

沸点的定义
液体饱和蒸气压等于外界气压时,液体所保持的温度
沸点随气压变化
气压降低,沸点降低;气压升高,沸点升高
沸腾时温度不变
吸收的热量用于克服分子间作用力(汽化热),不再升温
典型应用
高压锅增压提沸点快煮食物;高海拔低压沸点低,饭难熟
气球挣脱束缚对应 →液体沸腾条件

气球内气压超过外界才飞走;液体蒸气压等于外界气压时沸腾

p(Tb)=pp_{饱}(T_b) = p_{外}
6第 6 页 · 沸点

蒸发

沸腾我们讲过了——整锅水翻滚变成蒸汽。但晾在阳台的衣服、洒在地上的水,并没有沸腾却照样会干。这种「悄无声息」的汽化,就是蒸发。

定义
只在液体表面发生,可在任何温度下进行,不必达到沸点
吸热致冷
高动能分子先逸出,剩余分子平均动能降低,液体温度下降
快慢因素
表面积越大、温度越高、空气流动越快、液体种类不同,蒸发越快
典型应用
汗液带走体热、电冰箱制冷、晾晒衣物、酒精降温
一群人中跑得最快的先离开对应 →表面高动能分子先逸出

剩下的人/分子平均水平下降,对应液体温度降低

7第 7 页 · 蒸发

汽化吸热

汽化吸热:定义、要点与典型应用

汽化吸热
汽化吸热:定义、要点与典型应用
8第 8 页 · 汽化吸热

液化放热

上一节讲了汽化吸热——水变水蒸气要从外界吸收热量。那水蒸气重新凝结成水呢?揭开蒸锅盖,迎面扑来的热气烫手,锅盖上滚烫的水珠也在提醒你:液化是放热过程。

液化放热
物质由气态变为液态时,会向外界放出热量
汽化的逆过程
同种物质相同条件下,液化放出热量等于汽化吸收热量
液化条件
气体温度降至沸点(加压也可使气体液化)
蒸气烫伤更严重
100℃水蒸气比100℃开水多一道液化放热,伤害更深
拉弓后松手对应 →气体分子间距减小(液化)

弓的弹性势能瞬间释放→分子靠近时分子势能减小,以热的形式放出

9第 9 页 · 液化放热

本节要点

  • 汽化吸热、液化放热——相变方向决定能量流向
  • 沸腾需达沸点并持续吸热,蒸发则随时可发生
  • 沸点随气压变化,是高压锅工作的物理基础
  • 液化可走降温或加压两条路径
延伸主题:升华与凝华临界状态与相图湿度与露点
10第 10 页 · 本节要点

课后思考

先自己想想,再翻参考答案。三道题分别对应回顾、应用、迁移三个层次。

1蒸发和沸腾这两种汽化方式,主要区别在哪里?

参考答案蒸发只在液体表面、任何温度下都能发生;沸腾在液面和内部同时发生,必须达到沸点。两者都要吸热。

2夏天出汗后吹风为什么会觉得凉爽?请用汽化吸热解释。

参考答案汗液蒸发时从皮肤吸热,使体表降温;风加快了蒸发,吸热更多,所以感觉更凉爽。

3高海拔地区水不到100℃就沸腾了,为什么食物常常煮不熟?

参考答案海拔越高气压越低,水的沸点降低。沸腾时温度不够高,食物吸热不足,所以煮不熟。

11第 11 页 · 课后思考