高中物理競賽教程(超詳細) 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:指的是熱學系統(tǒng)中物理性質(zhì)均勻的部分，一個相與其他部分之間有一定的分界面隔離開來。例如冰和水的混合物中，因為冰和水的物理性質(zhì)不同，故為不同的相，但它們的化學成份相同。一種化學成分稱為“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變稱為相變。相變特點：伴隨物態(tài)的變化；要吸收或放出的熱量。相變潛熱：相變時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(熔點隨外界壓強的變化關系)OL、升華曲線(固體上飽和氣壓隨溫度的變化關系)OS同時畫在PT圖上，我們就能標出固、液、氣三態(tài)存在的區(qū)域，這稱為三相圖。每條曲線對應著兩態(tài)平衡共存的情況。三條曲線的交點O，對應三態(tài)平衡共存的狀態(tài)，稱為三相點。如下圖為水的三相圖。水的水相點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℃，這是國際溫標規(guī)定的基本固定點。因為水的三相點是唯

3、一的，不像冰點和汽點那樣會隨外界壓強的變化而變化。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。下面有關這種物質(zhì)的幾個說明中，哪些是正確的？()A.當時，可以存在升華現(xiàn)象B.在凝固過程中體積增大C.當時，可以存在沸騰現(xiàn)象D.當時，它是一種穩(wěn)定的液體E.以上說法都不對分析: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，以及熔點隨溫度變化的熔化曲線SL，同時畫在PT圖上(圖211)，我們就能標出

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

5、現(xiàn)象，臨界點的溫度已高于任何情況下的沸點溫度。選項C也不正確。當時，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D也不正確。解:選項E正確。點評這是一道考查對物質(zhì)三態(tài)變化的綜合題，通過三相圖，認識三態(tài)之間的變化和三相點與臨界點的物理意義。42氣液相變物質(zhì)由液態(tài)轉變?yōu)闅鈶B(tài)叫汽化，由氣態(tài)轉化為液態(tài)的過程叫液化。在一定壓強下，單位質(zhì)量液體變?yōu)橥瑴囟葰怏w時所吸收的熱量稱為汽化熱，一般用L表示；相應的一定壓強下，單位質(zhì)量的氣體凝結為同溫度液體

6、時所放出的熱量稱為凝結熱，數(shù)值也是L，在汽化和凝結過程中，吸收或放出的熱量為Q=mL42、1、液體的汽化對應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，如=67℃。當A、B中的一個全部蒸發(fā)后，系統(tǒng)的溫度便會再次上升，對應圖線的第二斜坡。溫度即為容器中余留液體的沸點。誰先全部蒸發(fā)呢？這取決于溫度時，液體A、B在每個升高氣泡中飽和蒸氣的質(zhì)量比，即，式中為溫度時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，當飽和氣的體積減小或溫度降低時，它就可以凝結為液體，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，加大壓強以減小未飽和氣體積，相應就可以增大它的密度，直至達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?，只要繼續(xù)減小其體積或降低其溫度，多余的氣就可凝結成

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

9、，氣液化的總體積減小，BC過程中每一狀態(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點相當于氣體全部液化時的狀態(tài)；CD段就是液體的等溫壓縮過程。應該指出：由于各種氣體都有一個特殊溫度，在這個溫度以上，無論怎樣增大壓強也不能使氣體液化，這個溫度稱為臨界溫度。因此上述氣液等溫轉變只能在氣體的臨界度以下進行。若等溫轉變時飽和汽密度為，BC段液體密度為，系統(tǒng)的總質(zhì)量為m，當氣液平衡共存時的體積為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變，應分解為各組分氣體的等溫轉變過程來考慮不周。沸點不同的各組分氣體，當?shù)葴貕嚎s時，達到飽和開始液化的先后不同。同在1atm沸點高的氣體，其飽和汽密度要小些，等溫壓縮它會先達到飽和開始液化?；旌蠚怏w等溫線的轉折點，一定是某組分氣體物態(tài)的轉變點。例：有一體積22.4L的密閉容器，充有溫度、壓強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，壓強變?yōu)?atm，底部的水恰好消失，試問是多少？若

11、保持溫度不變，體積增為最多體積的4倍，試問這時容器內(nèi)的壓強是多少？容器內(nèi)水和空氣的質(zhì)量各是多少？設飽和水汽可看作是理想氣體。解:設初態(tài)、中態(tài)和末態(tài)中空氣分壓強分別為；初態(tài)、中態(tài)中的水汽均為溫度的飽和汽，設飽和水汽壓為；末態(tài)中的水汽為溫度的未飽和汽，水汽分壓為。若末態(tài)氣體的壓強為p，則有從初態(tài)變?yōu)橹袘B(tài)的過程中，空氣質(zhì)量未變而水汽質(zhì)量增加，對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)的過程，水汽和