高中物理競(jìng)賽教程(超詳細(xì)) 第十六講 物態(tài)變化

1、第四講物態(tài)變化4.1相與相變相:指的是熱學(xué)系統(tǒng)中物理性質(zhì)均勻的部分，一個(gè)相與其他部分之間有一定的分界面隔離開來(lái)。例如冰和水的混合物中，因?yàn)楸退奈锢硇再|(zhì)不同，故為不同的相，但它們的化學(xué)成份相同。一種化學(xué)成分稱為“一元“，因此冰水混合物稱為單元二相系，而水和酒精的混合物就是二元單相系。相變：不同相之間的相互轉(zhuǎn)變稱為相變。相變特點(diǎn)：伴隨物態(tài)的變化；要吸收或放出的熱量。相變潛熱：相變時(shí)吸收或放出的熱量統(tǒng)稱相變潛熱。稱為內(nèi)潛熱，稱為外潛熱。三

2、相圖：將同一種物質(zhì)的汽化曲線OK、熔解曲線(熔點(diǎn)隨外界壓強(qiáng)的變化關(guān)系)OL、升華曲線(固體上飽和氣壓隨溫度的變化關(guān)系)OS同時(shí)畫在PT圖上，我們就能標(biāo)出固、液、氣三態(tài)存在的區(qū)域，這稱為三相圖。每條曲線對(duì)應(yīng)著兩態(tài)平衡共存的情況。三條曲線的交點(diǎn)O，對(duì)應(yīng)三態(tài)平衡共存的狀態(tài)，稱為三相點(diǎn)。如下圖為水的三相圖。水的水相點(diǎn)O是水、冰、水蒸氣平衡共存的狀態(tài)，其飽和水汽壓、溫度T=273.16開0.01℃，這是國(guó)際溫標(biāo)規(guī)定的基本固定點(diǎn)。因?yàn)樗娜帱c(diǎn)是唯

3、一的，不像冰點(diǎn)和汽點(diǎn)那樣會(huì)隨外界壓強(qiáng)的變化而變化。例如圖411所示的PT圖線中，表示了一定質(zhì)量某種物質(zhì)的不同物相所存在的區(qū)域。下面有關(guān)這種物質(zhì)的幾個(gè)說(shuō)明中，哪些是正確的？()A.當(dāng)時(shí)，可以存在升華現(xiàn)象B.在凝固過(guò)程中體積增大C.當(dāng)時(shí)，可以存在沸騰現(xiàn)象D.當(dāng)時(shí)，它是一種穩(wěn)定的液體E.以上說(shuō)法都不對(duì)分析:將液體和固體上方的飽和汽壓隨溫度變化的曲線SK，升華曲線SO，以及熔點(diǎn)隨溫度變化的熔化曲線SL，同時(shí)畫在PT圖上(圖211)，我們就能標(biāo)出

4、固、液、汽三態(tài)存在的區(qū)域；每條曲線對(duì)應(yīng)著兩態(tài)平衡共存的情況，三根曲線的交點(diǎn)S，對(duì)應(yīng)著三態(tài)平衡共存的惟一狀態(tài)，稱為三相點(diǎn)，圖線叫三相圖。當(dāng)時(shí)，這種物質(zhì)從固態(tài)必須經(jīng)過(guò)液態(tài)才能變化為汽態(tài)，所以選項(xiàng)A不正確。在凝固過(guò)程中，看固態(tài)和液態(tài)之間的SL曲線，它們的熔點(diǎn)隨壓強(qiáng)的增加而升高，熔化過(guò)程中體積是膨脹的，凝固過(guò)程中體積是細(xì)小的，與水的反常膨脹不同，所以選項(xiàng)B也不正確，當(dāng)時(shí)，這種物質(zhì)不可能以液體存在，不論壓強(qiáng)多大，它總不能凝結(jié)為液相，所以不存在沸騰

5、現(xiàn)象，臨界點(diǎn)的溫度已高于任何情況下的沸點(diǎn)溫度。選項(xiàng)C也不正確。當(dāng)時(shí)，這種物質(zhì)只有固態(tài)與汽態(tài)而不是一種穩(wěn)定的液體。選項(xiàng)D也不正確。解:選項(xiàng)E正確。點(diǎn)評(píng)這是一道考查對(duì)物質(zhì)三態(tài)變化的綜合題，通過(guò)三相圖，認(rèn)識(shí)三態(tài)之間的變化和三相點(diǎn)與臨界點(diǎn)的物理意義。42氣液相變物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)叫汽化，由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)的過(guò)程叫液化。在一定壓強(qiáng)下，單位質(zhì)量液體變?yōu)橥瑴囟葰怏w時(shí)所吸收的熱量稱為汽化熱，一般用L表示；相應(yīng)的一定壓強(qiáng)下，單位質(zhì)量的氣體凝結(jié)為同溫度液體

6、時(shí)所放出的熱量稱為凝結(jié)熱，數(shù)值也是L，在汽化和凝結(jié)過(guò)程中，吸收或放出的熱量為Q=mL42、1、液體的汽化對(duì)應(yīng)這種液體在相互接觸區(qū)域發(fā)生的共同沸騰。低于A、B各自的沸點(diǎn)，如=67℃。當(dāng)A、B中的一個(gè)全部蒸發(fā)后，系統(tǒng)的溫度便會(huì)再次上升，對(duì)應(yīng)圖線的第二斜坡。溫度即為容器中余留液體的沸點(diǎn)。誰(shuí)先全部蒸發(fā)呢？這取決于溫度時(shí)，液體A、B在每個(gè)升高氣泡中飽和蒸氣的質(zhì)量比，即，式中為溫度時(shí)A、B的飽和氣壓。如果，則A先全部蒸發(fā)，余留液體B，=100℃.4

7、22、氣體的液化我們知道，當(dāng)飽和氣的體積減小或溫度降低時(shí)，它就可以凝結(jié)為液體，因此要使未飽和氣液化，首先必須使之變成飽和氣，方法有二：a、在溫度不變的條件下，加大壓強(qiáng)以減小未飽和氣體積，相應(yīng)就可以增大它的密度，直至達(dá)到該溫度下飽和氣的密度，從而把未飽和氣變?yōu)轱柡蜌?；b、對(duì)較高溫度下的未飽和氣，在維持體積不變的條件下降低其溫度，也可以使它變?yōu)樵谳^低溫度下的飽和氣。把未飽和氣變?yōu)轱柡蜌庖院螅灰^續(xù)減小其體積或降低其溫度，多余的氣就可凝結(jié)成

8、液體。但各種氣體有一個(gè)特殊溫度，在這個(gè)溫度以上，無(wú)論怎樣增大壓強(qiáng)，都不能使它液化，這個(gè)溫度就稱為該氣體的臨界溫度。①氣液轉(zhuǎn)變的等溫線要使未飽和汽轉(zhuǎn)變成飽和汽并使之液化，在等壓條件下，氣體通過(guò)降溫可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w；在保持溫度不變的條件下，通過(guò)增大壓強(qiáng)減小體積的方式，也可以使氣體液化。圖422為某氣體液化的過(guò)程曲線AB是液化以前氣體的等溫壓縮過(guò)程，氣體逐漸趨于飽和狀態(tài)，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)于飽和汽狀態(tài)，繼續(xù)壓縮就會(huì)出現(xiàn)液體；在液化過(guò)程BC中，壓強(qiáng)保持不變

9、，氣液化的總體積減小，BC過(guò)程中每一狀態(tài)都是氣液平衡共存的狀態(tài)，因此為這一溫度下的飽和汽壓。C點(diǎn)相當(dāng)于氣體全部液化時(shí)的狀態(tài)；CD段就是液體的等溫壓縮過(guò)程。應(yīng)該指出：由于各種氣體都有一個(gè)特殊溫度，在這個(gè)溫度以上，無(wú)論怎樣增大壓強(qiáng)也不能使氣體液化，這個(gè)溫度稱為臨界溫度。因此上述氣液等溫轉(zhuǎn)變只能在氣體的臨界度以下進(jìn)行。若等溫轉(zhuǎn)變時(shí)飽和汽密度為，BC段液體密度為，系統(tǒng)的總質(zhì)量為m，當(dāng)氣液平衡共存時(shí)的體積為V，其中汽、液的體積分別是，解得：。②混

10、合氣的等溫液化混合氣體的等溫轉(zhuǎn)變，應(yīng)分解為各組分氣體的等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程來(lái)考慮不周。沸點(diǎn)不同的各組分氣體，當(dāng)?shù)葴貕嚎s時(shí)，達(dá)到飽和開始液化的先后不同。同在1atm沸點(diǎn)高的氣體，其飽和汽密度要小些，等溫壓縮它會(huì)先達(dá)到飽和開始液化?；旌蠚怏w等溫線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，一定是某組分氣體物態(tài)的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。例：有一體積22.4L的密閉容器，充有溫度、壓強(qiáng)3atm的空氣和飽和水汽，并有少量的水；今保持溫度不變，將體積加倍，壓強(qiáng)變?yōu)?atm，底部的水恰好消失，試問(wèn)是多少？若

11、保持溫度不變，體積增為最多體積的4倍，試問(wèn)這時(shí)容器內(nèi)的壓強(qiáng)是多少？容器內(nèi)水和空氣的質(zhì)量各是多少？設(shè)飽和水汽可看作是理想氣體。解:設(shè)初態(tài)、中態(tài)和末態(tài)中空氣分壓強(qiáng)分別為；初態(tài)、中態(tài)中的水汽均為溫度的飽和汽，設(shè)飽和水汽壓為；末態(tài)中的水汽為溫度的未飽和汽，水汽分壓為。若末態(tài)氣體的壓強(qiáng)為p，則有從初態(tài)變?yōu)橹袘B(tài)的過(guò)程中，空氣質(zhì)量未變而水汽質(zhì)量增加，對(duì)空氣分壓可用玻意爾定律得=1atm，故=373K=2atm，=1atm。從中態(tài)變?yōu)槟B(tài)的過(guò)程，水汽和