小馬物理講義:固體液體與物態變化第3節《飽和汽與飽和汽壓》

2021-01-08 小馬講物理

下面我們來講一下第3節《飽和汽與飽和汽壓》

本節課我們主要學習三個知識點:

1.知道汽化及汽化的兩種方式和其特點。

2.理解飽和汽與飽和汽壓, 能從分子動理論的角度解釋有關現象。

3.理解空氣的絕對溼度和相對溼度, 並能進行簡單計算。

一:蒸發與沸騰

首先來回憶一下初中我們學習過的汽化。

汽化:指的是物質由液態變成氣態的過程。

汽化主要有兩種方式蒸發和沸騰,比較一下這兩方式的異同點

這兩種方式相同點是:無論是蒸發還是沸騰都需要吸熱。

不同在於以下這幾個方面。

第1,劇烈程度不同,蒸發比較溫和,只發生在液體表面;沸騰比較劇烈,不止發生在這表面,液體內部也同時發生。

第2,沸騰需要達到一定的溫度,也就是沸點,達到沸點之後繼續加熱才能沸騰,而蒸發則不需要,任何溫度都能產生。

第3,影響因素不同,影響沸點的主要是有氣壓,氣壓越大的沸點越高。蒸發的影響因素就比較複雜,主要有液體溫度的高低,液體的表面大小,液體表面空氣流動的快慢,氣體的壓強等4個因素。

課本上為我們提供了一個實驗,把80度的熱水倒到密閉的瓶子裡,然後用抽氣筒抽氣。熱水又沸騰了?原因是什麼?

瓶內的氣壓降低,水的沸點降低,低於80度,熱水又沸騰了。這也是高原上燉肉用高壓鍋的原因。

通過實驗,我們測得水的沸點與大氣壓的關係,如圖所示。可見氣壓越高,沸點越大,但注意不成正比例關係。

二:飽和汽與飽和汽壓

問題:蒸發會一直進行永不停止嗎?

我們來看一下課本上的這個實驗。

如果把液體放在敞口容器中,一段時間的蒸發,使得液體全部消失。

如果把液體放在密閉的容器中,即使過很長時間,那麼液體也不會消失,液體好像不再蒸發。

為什麼會有這樣的實驗現象呢?我們以水為例子,結合之前我們學過的分子動理論來分析:

水分子總是在持續的無規則的熱運動。

在液體的表面水分子會從液面飛出來,進入氣體當中變成水蒸氣,也就是汽化。同樣,水蒸氣分子也在從氣體中不斷進入液體,也就是液化。

在密閉的容器中,液態水不斷的蒸發,導致氣體中的水蒸氣分子不斷增多。那麼水蒸氣分子增多了,它回到液體的數目也在增加。

最後就會形成這樣的狀態:在相同的時間裡,回到水中的分子數和同水面飛出去的分子數相等。那麼這樣的話,水蒸氣的密度不再增加,液體水也不再減小。氣化和液化,就達到了一個平衡狀態,或者說是一個穩定狀態,蒸發就好像停止了。

我們稱這種與液體處於動態平衡的蒸汽叫做飽和汽。沒有達到飽和狀態的蒸汽叫做未飽和汽。

就好比化學中的飽和溶液一樣。配置白糖水的濃度也不能無限增加,加白糖到一定程度,融化的白糖和析出的白糖數目相等,達到了一個動態平衡。更簡單來說:好比擠公交車,公交車滿了後,你要上去,就必須一個人得下來,在整個過程當中車內的總人數沒有變。

我們把這種達到動態平衡的水蒸氣的氣壓叫做水蒸氣的飽和氣壓。未飽和汽的壓強小於飽和汽壓。

結合氣體壓強的微觀解釋,飽和汽的分子密度一定,溫度也一定,所以一定溫度下某種氣體的飽和汽壓也是一定的。

飽和汽的特點

1,飽和汽壓指的是某一種飽和汽的壓強,和其他的物體沒有關係。我們說的飽和汽壓指的是混合氣體的某種分氣壓。

2,飽和氣壓隨溫度的升高而增大。如上圖所示,為實驗測得的水蒸氣的飽和氣壓和溫度的關係。

飽和汽不是理想氣體,不遵守理想氣體狀態方程。未飽和汽可近似的看成是理想氣體。

如果減小容器的體積,那麼氣體分子密度增大。進入液態水中的分子增多,液化大於汽化,最終達到平衡時,又回到了飽和汽壓的大小。

擴展:氣體的液化有兩種方式,降低溫度,壓縮體積。但是一定要注意,對於壓縮體積來講,不是所有的分子都適用的,比方說氫氣我們無論怎麼樣壓縮都不能使其達成液體,只能夠通過降低溫度。

課本說一說:對比圖9.3-1和圖9.3-3,關於水的沸點,你有什麼新的發現?

液體沸騰的條件就是飽和汽壓和外部壓強相等。

三:空氣溼度

空氣溼度:表示空氣的乾燥程度。一定的溫度下單位體積的空氣裡含有的水汽越少,則空氣越乾燥;水汽越多,則空氣越潮溼。

我們有兩種方法描述空氣溼度

1,絕對溼度:用空氣中所含水蒸氣的壓強來表示空氣的溼度。

2,相對溼度:在某一溫度下,水蒸汽的壓強P1與同溫度下飽和汽壓Ps的比。

為什麼要這樣定義相對溼度呢?因為人類的感受並不是感受的空氣中水分子的多少,而是感受汗液蒸發的快慢。如果水蒸氣的汽壓離飽和氣壓較遠則蒸發快,靠近飽和氣壓的蒸發慢。

舉的例子:在夏季白天溫度高,飽和氣壓大;而晚上溫度降低,飽和氣壓小。雖然空氣中水蒸汽的壓強幾乎不變,但是由於飽和氣壓改變了,在白天水蒸氣氣壓和飽和氣壓相距較遠,即相對溼度小,蒸發較快,人們就覺得比較乾燥。到了晚上,水蒸氣的壓強和飽和氣壓靠得很近,那麼身體內水分蒸發就慢,相對溼度大,人就覺得比較潮溼。

四:溼度計

空氣溼度和我們的生活息息相關。我們需要定量的計算空氣中的溼度。

為了定量的測量空氣中的溼度,我們製作了溼度計。我們這裡介紹三種溼度計。

1乾濕泡溼度計:

構造:兩個相同的溫度計,一個放置在空氣中,一個用溼棉花包裹。

工作原理:如果蒸發的快,那麼溫度差就大,說明空氣的溼度較小,氣候比較乾燥;反之如果溫度差較小,說明蒸發的慢,說明氣候比較溼潤。

2毛髮的溼度計:工作原理:頭髮脫脂後吸收水分會伸長,反之乾燥後會縮短。好比海參一樣,越泡越大。

3溼度傳感器:

有一種是根據空氣的溼度導致元件電阻的變化,做成溼度計。

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