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相圖 (英) : 相圖要怎麼看
相關課程
- 我們到目前爲止研究的相變
- 都是在恒定的壓力環境下的
- 特別是
- 過去幾個影片中我們研究的
- 關於水的相變的問題
- 都是在大氣壓力下發生的
- 或者說在海平面的大氣壓力下
- 或者說1atm下（1atm=1個大氣壓力）
- 因此――
- 我一會兒會解釋這個圖線
- 我們都知道在宇宙中
- 壓力不總是恒定的 它絕不會
- 永遠恒定在1atm
- 1atm被定義爲
- 地球海平面的壓力
- 顯然 不同地方的壓力會很不一樣
- 例如當你去到比地球更小或更大的行星
- 或者到了大氣層更厚的星球
- 或者在涉及氣體、液體或固體的
- 各種應用題中
- 那麽我在這裡畫了一個圖
- 我寫一下
- 相圖
- 相圖有很多的類型
- 這個可能是你在化學課上
- 或標準化考試中最常見到的類型
- 它所記錄的是
- 物質隨著溫度和壓力
- 發生的狀態變化
- 這是水的相圖
- 說明一下
- 這條坐標軸表示壓力
- 而x軸表示溫度
- 在任意給定的點
- 相圖都能夠告訴你
- 此時水是不是固態
- 那這兒是固態
- 或者是這兒的液態
- 或者是氣態
- 例如 如果現在是0℃
- 假設0℃在這兒
- 如果現在溫度0℃ 壓力1atm
- 在圖上哪兒？ 0℃ 1atm
- 剛好是這個點
- 剛好是固態和液態的邊界點
- 1atm壓力下的邊界點 對吧？
- 這條線代表1atm的狀況
- 這與我們一直以來的觀念相吻合
- 水在0℃結冰 冰在0℃融化
- 如果我們增大壓力 會怎麽樣？
- 呐 冰會在更低的溫度下融化 對吧？
- 如果壓力增加
- 假設――我不知道這是多少
- 這可能是10atm
- 海平面大氣壓的10倍
- 然後忽然地
- 固體變成液體的溫度
- 這裡的變化是從固態到液態…
- 這個相變的溫度會下降
- 類似地 如果我們降低壓力
- 如果我們在丹佛 這城市海拔一英裏
- 氣壓比海平面的低
- 因爲我們頭頂上方的大氣少了
- 然後忽然 凝點就擧升了
- 水的冰點升到1℃以上
- 這裡畫的不完全成比例
- 但大致就是
- 冰的結冰速度和溫度
- 在丹佛會比較高
- 比死海或死谷底部
- 或其它低於海平面的地方要高
- 這個轉變是發生在
- 氣體和其它相態之間
- 我們很熟悉的是… 這裡是1atm
- 記住 這是水的相圖
- 這是水的相圖 在1atm下
- 這是我們常看見的
- 我在這兒畫條線吧
- 因此1atm 0℃就是
- 固態水 或者說冰 變成液態水的地方
- 順著這裡
- 溫度不斷擧升
- 到了這裡 這裡是…
- 因爲我們壓力是1atm
- 這裡是100℃
- 這個1atm下的點就是
- 液態水汽化 或者說水蒸發
- 也就是水沸騰的地方
- 上面幾種說法都是合理的
- 但低壓時又會怎麽樣？
- 讓我們再去丹佛做個小小旅行
- 丹佛的壓力是這麽多
- 沒那麽誇張
- 只是爲了看得清楚
- 換個更好的 我們看珠穆朗瑪峰
- 珠峰 壓力非常低
- 我們已經說了 當壓力降低
- 凝聚點(熔點)升高
- 同時沸點降低
- 因此要煮沸什麽東西
- 在珠峰頂上
- 遠比在珠峰腳下容易
- 也遠比在死谷或死海的最低點容易
- 直觀點解釋就是
- 如果我有一種液體
- 一些處於液態的分子
- 它們緊挨彼此
- 但它們有足夠的動能
- 可以相對運動
- 因此它們相對滑動
- 或者說它們像是在相互摩擦
- 它們沒有直接蒸發的原因之一是
- 它們沒有直接跳出來是因爲
- 它們上方有空氣
- 有氣壓
- 氣體壓力
- 我們在學理想氣體物態方程的時候學過
- 這是一些氣體分子
- 它們的壓力
- 本質上是來自它們的溫度
- 和它們的動能
- 它們呆在這裡 反彈
- 它們阻止了這些更重的分子
- 擧升
- 它們阻止了液體分子彼此隔離
- 從而變成氣體
- 因此壓力越大
- 這些家夥逸出的難度就越大
- 另一方面 如果是在真空中
- 如果這發生在月球表面上
- 月球上沒有這些氣體分子
- 那麽只要一個小小的碰撞
- 雖然它仍舊受到這裡的一點點引力
- 它們仍然相互吸引
- 但只要一次小小的撞擊
- 因爲在月球表面
- 沒有大氣壓力
- 這個家夥就能夠逸出液面
- 直接變成氣體
- 因此降低壓力的時候
- 液體變成氣體
- 甚至固體變成氣體 就會容易得多
- 你可能會說 Sal 那真是個奇怪的概念 固體變成氣體
- 如果壓力足夠低 這就會出現
- 我是說 假設這是…
- 實際上這裡可能沒有東西
- 這裡可能已經接近真空狀態了
- 你可以由冰…
- 如果你帶著冰在月球上
- 你處於合適的溫度下――
- 這可能是攝氏度零下某個溫度
- 我不知道確切的溫度是多少
- 在月球上你攜帶的冰
- 會直接由固態變成氣態
- 因爲這裡是高度的真空狀態
- 這些分子會想 嘿
- 這有那麽多的空間等著我去充實
- 一旦它們有些許的碰撞
- 它們就將逸出而變成氣體
- 你可能會說 噢 Sal
- 那是個特殊的現象
- 那只發生在月亮上
- 爲了推翻這種看法
- 我畫出了二氧化碳的相圖
- 它環繞在你的身周
- 我們說話的時候你正在呼出它
- 你房中的植物應該正在吸收它
- 但在1atm下 二氧化碳(CO2)
- 跟水有一個很大的不同
- 這是1atm下的二氧化碳
- 一看就知道 這個圖畫得
- 完全不成比例
- 1atm到5atm的距離
- 跟5atm到73atm的不應該相同
- 同樣地 這裡畫得也不成比例
- 這裡的距離應該遠比這邊大
- 如果我真要按比例來畫
- 我得把這個圖延長很多
- 或者畫一個對數圖什麽的
- 但不管怎麽說 我們來看二氧化碳
- 這是二氧化碳固體 這是氣體
- 這裡是液態二氧化碳
- 在1atm下…
- 假設你住在海平面上
- 例如你在新奧爾良
- 我猜那可能還略低於海平面
- --那是我長大的地方
- 如果你能把你家冷凍機失溫到
- -80℃
- 實際上二氧化碳會凝固
- 你可能跟它不太熟
- 但至少你應該去過一些…
- --我不知道煙霧機用的是否還是它
- 用以舞台上營造視覺效果
- 它就是乾冰
- 它就是凝固的二氧化碳
- 如果你在海平面的大氣壓下
- 一旦你升溫到
- -78.5℃以上
- 它就昇華成爲氣體了
- 這個過程
- 固體直接變成氣體 叫作昇華
- 這就是爲什麽乾冰
- 你看到它的時候 你看不到液態的
- 或者說你在標準壓力下看不見
- 我就從來沒見過液態的二氧化碳
- 事實上 要得到二氧化碳液體
- 壓力必須升到5atm以上
- 因此你要把壓力
- 升到海平面的5倍
- 在地球的自然條件下
- 你是無法看見的
- 你可能可以在木星或者土星上看到
- 那兒有超大的壓力
- 這是由於重力
- 和頭頂的大氣的緣故
- 液態二氧化碳 你可能會在…
- --我不知道木星是否真的有碳
- 但你很可能在其它龐大的
- 氣態巨行星上看到
- 但在地球上 這個過程就被稱爲昇華
- 一個很利索的詞
- 或 昇華
- 直接從固態變成氣態
- 這個過程是你通過乾冰見到過的
- 現在 這裡還有幾個有趣的點
- 你可能已經留意到了
- 這個點被稱爲三相點
- 因爲在這裡
- ――對於二氧化碳來說
- 5atm和-56℃下
- 二氧化碳處於
- 固態 液態和氣態之間的平衡
- 它可能三者都有
- 只要輕微改變
- 壓力或者溫度其中之一
- 它就會朝一個相態轉化
- 類似地 水的三相點在這裡
- 它的壓力遠比常壓低
- 這裡是0.611kPa 或寫成611Pa
- 也就是5/1000atm
- 因此如果壓力降到5/1000atm
- 只要溫度略高於0℃
- 就達到了水的三相點
- 在此狀態下水可以表現爲任意一種相態
- 只要你輕微改變溫度或壓力
- 圖上另外一個有趣的點
- 在這裡
- 這叫臨界頂點
- 聽起來很重要
- 臨界頂點
- 在這個點
- 如果你升高溫度
- 或是升高電壓力
- 你就會得到超臨界流體
- 聽起來很令人興奮
- 那麽在這個地方 你得到的是超臨界流體
- 那麽超高溫和超高電壓下
- 溫度高得它要變成氣體
- 但是壓力又太大
- 讓它又只能變成流體
- 因此它是兩者的結合體
- 事實上 對於水來說
- 超臨界水常被用作溶劑
- 這是因爲 你可以想像一下
- 它有點像液態水
- 可以溶解物質
- 同時溫度如此高
- 它可以擴散進入固體
- 它可以從你想清潔的任何東西上
- 溶下任何物質
- 或者以某種方式溶解鹽類
- 這就是超臨界流體
- 是個很好玩的東西 不管怎麽說
- 我只是想讓你們對相圖有個了解
- 之前的所有例子都是在恒壓下
- 然後改變溫度
- 但你也可以換種方式來做
- 如果現在是100℃ 然後我從…
- 還是假設在110℃吧
- 在海平面
- 顯然是氣體狀態
- 這是110℃的水
- 是水氣
- 但如果我要增加壓力
- 我一直增加壓力
- 我挖個洞 或者我潛入大洋
- 水氣將會冷凝成水
- 或者說它將冷凝成液體
- 如果我在這個溫度下做實驗
- 當我增大壓力的時候
- 我們將看到昇華的反過程
- 我記得我好像把這個詞寫在哪兒了
- 我找找看在哪兒
- 哦 不 我沒有 我沒寫下來
- 顯然它類似冷凝
- 但這個詞我一下子想不起來了
- 這個詞是形容冷凝
- 或者落到一起的（凝華--譯者注）
- 不管怎麽說 我忘了這個詞怎麽說了
- 但它會直接由氣體變成固體
- 相圖看上去很簡潔
- 但是它們包含了關於不同物質的大量信息
- 它們能告訴你
- 壓力和溫度變化的時候的相變
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