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蒸氣壓 (英) : 蒸氣壓、揮發性以及蒸發
相關課程
- 我們知道
- 當物質處於液態的時候
- 它有足夠的動能
- 使分子之間相互流動
- 但是能量不足以
- 使分子
- 完全相互脫離
- 所以 例如這是某種液體
- 可能它們沿著這個方向運動
- 而這些分子朝這個方向
- 運動得稍微緩慢一些
- 所以它們就這樣流動
- 但是它們之間仍有作用力
- 這些力在不同的分子之間相互轉換
- 但是它們想要相互跟緊
- 它們之間有這樣的鍵
- 而且它們想要保持靠近
- 如果將分子平均動能升到足夠高
- 或者說 就是將溫度升到足夠高
- 克服熔化熱之後
- 那麽 突然之間
- 這些鍵的強度不足以
- 讓它們拉在一起
- 分子相互分開
- 物質就變成了氣態
- 然後 它們的動能很大
- 它們來回亂竄
- 它們的形狀就是其容器的形狀
- 但是這裡有些值得思考的有趣的事情
- 溫度就是平均分子動能
- 也就是說 其實
- 並不是所有的分子的
- 動能都是一樣的
- 假設就算是一樣的
- 這些分子可能量和這個分子碰撞
- 你可以把他們想象成台球
- 它們將所有的動量傳送給這個分子
- 現在 這個分子的動能非常大
- 而這些分子的動能相對小的很多
- 這個分子動能很大
- 這些分子動能相對小
- 動能分布上差異非常巨大
- 如果你考察表層原子
- 或者是表層分子
- 我關注的是表層分子
- 因爲它們是最早開始汽化的
- 或者… 我說得太早了
- 它們如果有足夠的動能
- 就可以離開物體表面
- 如果我畫出表面分子
- 的分布圖――
- 我在這裡畫一個小表格
- 所以在這個軸上
- 是動能
- 在這個軸上
- 這個只是一個相對濃度
- 這只是我的最佳估計值
- 但是你們應該可以理解這個意思
- 所以對應某個溫度
- 就有一個平均分子動能 對嘛？
- 這就是平均動能
- 每個部分的動能
- 都會在這個平均動能周圍分布
- 所以看起來就是這樣的：鍾形曲線\N【譯者注：鍾形曲線，又稱正態曲線】
- 你可以看統計學的影片
- 來了解正態分布
- 但是我覺得正態分布――
- 這個就應該是正態的
- 越往這邊 值就越小
- 所以在任何一個特定的時間裏
- 雖然平均值在這裡
- 也有一些分子
- 動能很小
- 它們運動得很慢 或者說…
- 哦 我們就說他們的運動速率很慢
- 在任意時刻
- 也有一些分子
- 動能非常大
- 可能就是因爲這些隨機碰撞
- 使這些分子從其他分子那裏獲取了動能
- 它的速率很大
- 或者至少是動量很大
- 所以問題就出現了
- 這些分子的速度夠大嘛？
- 它們有足夠的能量可以離開表面嘛？
- 所以有一些動能…
- 我在這裡畫出一個臨界值
- 如果表面的分子的
- 動能大於這個值
- 它就有足夠能量脫離這個物體
- 它就有足夠能量脫離這個物體
- 假如這裡有個兄弟
- 它有非常高的動能
- 但是它要想離開表面
- 它就需要一路碰撞經過
- 其他的液體分子才能出去
- 所以這是一個非常… 實際上 它可能無法溢出表面
- 所以我們主要關心的是表面分子
- 因爲他們就是那些
- 和外部壓力直接接觸的
- 比如說外圍的氣體
- 密度比液體小很多
- 也不一定
- 但就先這樣假設
- 這些家夥就是可以
- 溢出到外部空氣中的分子
- 如果我們假設它上面有空氣
- 所以在任一時刻
- 有一定比例的粒子
- 或者是分子可以溢出
- 那麽下一個問題是
- 這是否就意味著它們可以汽化
- 或者是說它們可以變爲氣態？
- 沒錯 它們會的
- 所以在任一特定時刻
- 就有一些分子從表面溢出
- 這些分子… 這就是汽化
- 這個名詞對你們來講並不陌生
- 如果你把水暴露在空氣中
- 它就會蒸發 即使外面的…
- 但願如此 在那個地方
- 外面的溫度低於沸點
- 或者說水的正常沸點
- 正常沸點是
- 在正常壓力下(101.325kPa)的沸點
- 如果你將水暴露在空氣中
- 隨著時間的推移 它就會蒸發
- 這是由於有一些分子
- 有異常高的動能以至於可以逃離表面
- 它們確實逃離了
- 如果你的水壺或者鍋放在空氣中
- 或者 甚至是放在室外
- 有些水分子就會逃逸
- 然後風一吹
- 風一吹
- 這些分子就被吹跑了
- 然後更多的分子就會逃逸表面
- 風會把這些分子全部吹走
- 更多的分子逃逸
- 風吹啊吹 就都吹散了
- 所以隨著時間推移 你就會發現
- 這個曾經有水的鍋已經空了
- 現在的問題是
- 封閉係統會是什麽樣的情況？\N【譯者注：封閉係統，即係統與環境之間\N通過界面只有能量傳遞，而無物質傳遞】
- 我們都做過這樣一個實驗
- 無論是不是特意做的
- 將東西放在外面
- 觀察水的蒸發
- 如果在沒有風可以吹散分子的
- 封閉係統中 會怎麽樣？
- 所以我們來畫一畫 就是這樣的
- 比如一個封閉係統
- 嗯… 不一定是水
- 但是這裡有些液體
- 液體上方的空氣帶來一定的氣壓
- 假設是大氣壓力
- 不一定非要這樣的 所以就有空氣
- 而且空氣也有動能
- 因此 當然 水分子也有
- 一些分子開始汽化
- 一些水分子
- 分布在這裡
- 它們有足夠的能量可以逃逸
- 所以他們就開始
- 和空氣分子混合 對嘛？
- 這時有趣的事情發生了
- 這就是有分子在液態的
- 動能的分布
- 那麽也有
- 分子在氣態時的動能分布
- 分子在氣態時的動能分布
- 就像不同的物體
- 相互碰撞
- 然後得到或者失去動能一樣
- 同樣的事情也發生在這裡
- 所以這個分子可能動能很大
- 但是他撞到別人 失去了動能
- 他就會回到原來的位置上
- 所以這有些分子
- 我用另一種藍色畫一下
- 還有一些水…
- 或者無論是哪種液體
- ――就會從氣態
- 回到液態
- 所以情況是
- 總會有汽化
- 同時也總會有冷凝
- 因爲動能的分布
- 一直都是這樣的
- 在任一時刻
- 在液體上方的蒸氣中
- 一些蒸氣分子失去動能
- 就會變回液態
- 有些處在液體表面的分子得到動能
- 通過隨機碰撞或者其他途徑
- 變成氣態
- 液體繼續汽化
- 直到達到了某種平衡
- 當達到平衡之後
- 這裡就産生了氣壓
- 産生了氣壓
- 這種氣壓是由
- 蒸氣粒子産生的
- 這個壓力就叫做飽和汽壓
- 我要確保你們都明白這件事兒
- 這個汽壓是由…
- 而它是在某個特定溫度下對給定分子
- 産生的 對嗎？
- 每一種分子 或者說每一種物質
- 在不同的溫度條件下
- 都有不同的汽壓
- 明顯的 不同的物質
- 也有不同的汽壓
- 對於一個特定的溫度下的一種特定分子
- 汽壓就是
- 在液-氣兩相平衡時
- 氣相分子所産生的壓力
- 平衡條件也就是汽化的分子
- 和液化的分子一樣多
- 我們之前說過
- 壓力越大
- 就越難以發生汽化 對嗎？
- 我們已經在物質相態中學到
- 如果在超高電壓和100°C下
- 而且該物質爲水
- 那麽水就會處於液態
- 所以蒸氣會産生壓力
- 而且不會停止
- 這取決於這種液體有多想汽化
- 但它會一直汽化
- 直到它達到了――
- 我覺得你可以把它 看作密度
- 但是我不想這樣诠釋
- 直到它
- 轉化成這種相態的分子數目
- 和轉化成這種相態的分子數目相等
- 這就是汽壓的直觀概念
- 或者是當有不同的待汽化的分子時
- 汽化的情況
- 爲什麽分子會蒸發？
- 可能是由於它有很高的動能
- 所以這可能在高溫下
- 也可能是它們的分子間作用力小 對嘛？
- 可能是很獨立的分子
- 很明顯 稀有氣體的
- 分子間作用力非常小
- 但是總體來講 大多數的碳氫化合物、汽油、甲烷
- 這些東西
- 它們很容易汽化
- 因爲他們的分子間作用力非常小
- 例如 比水的小
- 或者可能是它們的分子比較輕
- 你可以參考一下物理學課程
- 但是動能
- 它是質量和速度的函數
- 所以如果你的質量很大
- 速度很小
- 也可以有非常大的動能
- 所以如果質量很小
- 卻有同樣的動能
- 那麽速度一定很大
- 你可以看看有關動能的影片課程
- 但是汽化的物質中
- 很多的分子――
- 我用別的顏色畫一下
- 非常易汽化的物質中
- 很多的分子
- 都要變成氣態
- 才能達到平衡
- 我用一樣的顏色畫出來
- 所以汽化了的分子
- 産生的壓力
- 就要更高
- 才能達到平衡狀態
- 因此它的飽和汽壓很高
- 另一方面
- 如果溫度很低
- 或者分子間作用力非常強
- 或者是分子質量很大
- 這時候它的 蒸汽壓就會很低
- 例如 鐵的汽壓就非常低
- 因爲它基本不汽化――
- 讓我想想別的
- 二氧化碳(CO2)
- 它的蒸汽壓相對高
- 大部分的二氧化碳
- 都會蒸發掉
- 我不應該用這個例子
- 因爲二氧化碳
- 是從液態直接變成固態的
- 但是你應該明白這個意思了
- 如果某種物質有很高的汽壓
- 非常容易汽化
- 我們就說 它有很強的揮發性
- 你可能以前聽過這個詞
- 強揮發性
- 嗯 例如 汽油有比較強的――
- 它比水更容易揮發
- 這就是它汽化的原因
- 它的汽壓也很高
- 因爲如果你將它放入 一個密封的容器裏
- 在同樣溫度和
- 同樣氣壓下
- 汽油更容易變成氣態
- 所以 與水相比
- 汽油的氣相要
- 産生更強的壓力來壓住
- 分子汽化的自然傾向
- 當汽壓
- 和大氣壓力相等的時候
- 有趣的事情就發生咯
- 現在 有一個封閉容器
- 這裡的大氣壓力
- 一定
- 那麽現在
- 我們假設大氣的
- 壓力比較高
- 在很大程度上 可以束縛這些分子
- 可能有些大氣分子
- 從這裡進來
- 可能有些氣體分子
- 跑出來了一點
- 但是外部大氣仍然束縛著這些分子
- 因爲外部的大氣壓
- 比汽壓高
- 當然 這裡的壓力
- 也就是液態分子表面的壓力
- 是不同部分的壓力的組合
- 是不同部分的壓力的組合
- 一部分來自一些進入的大氣分子
- 還有一部分是汽壓
- 但是一旦汽壓
- 和大氣壓相等
- 那麽用同樣大小的力
- 可以將這些分子壓出――
- 你可以把它看做單位面積上的力――
- 然後這些分子就開始散開
- 也可以將大氣分子壓回去
- 所以這裡就有了一個空隙
- 也就是說出現了真空
- 我不想用真空這一個詞
- 但是鑒於分子已經跑掉了
- 這裡越來越多的分子 也開始跑出來
- 這時候 就達到了
- 物質的沸點
- 這時汽壓
- 等於大氣壓
- 爲了理解這一現象的本質
- 我們來看看水的汽壓
- 這就是水 H2O
- 我應該用黑色來寫
- 你看 在760――
- 也就是在常壓下 我們用托作爲單位
- 它只是個不同的單位
- ――760Torr 等於一個大氣壓(101.325kPa)
- 差不多
- 這裡差不多了
- 也就是一個大氣壓
- 所以在常壓下
- 水在100°C時的蒸汽壓
- ――水的蒸氣溫度是100°C
- 我想應該換一種說法
- 100°C時
- 現在汽壓爲760Torr
- 也就是大氣壓
- 或者說在海平面的常壓
- 所以在100°C的時候
- 汽壓等於大氣壓
- 或者說是海平面大氣壓
- 然後水就會沸騰
- 這一點我們都很清楚
- 如果溫度降低一點
- 水的蒸汽壓 就會
- 比大氣壓力低 對嘛？
- 看這裡 應該是300左右
- 然後會發生什麽？
- 如果你將壓力降低到足夠低
- 如果你將容器中的空氣抽走
- 或者其他方法
- 這樣你將氣壓降低到
- 和這個汽壓相等
- 這樣 水就會再次沸騰
- 從相圖中我們知道
- 你可以使某種物質
- 在較低的溫度下沸騰
- 如果你降低氣壓
- 因爲你將氣壓
- 降低到了
- 這種物質的汽壓
- 這有個對比的圖
- 很有趣的
- 我們可以看到 隨著溫度的升高
- 汽壓呈指數形式擧升
- 這是因爲 想想
- 我們之前畫的分布圖
- 這是在動能一定的情況下
- 如果動能增加
- 這時的分布就會變成這樣
- 溫度增加
- 那麽就有很多很多…
- 這個關係不是線性的
- 就有很多的粒子
- 可以逃逸
- 很多的粒子有足夠的動能可以汽化
- 你會發現 隨著溫度的升高
- 汽壓指數擧升
- 我們來看另一個圖
- 你可能會說 喂 哪兒有指數式擧升？
- 因爲這是個對數圖
- 你可以看看比例
- 這個圖中的線性遞增相當於指數式遞增
- 所以從0.1升高到10
- 相同的距離
- 實際上是增加了10倍
- 所以你看不到對數那樣遞增
- 但對於不同的物質情況也不同
- 丙烷(C3H8) 在一個特定的――
- 我們先拿一個正常點的溫度
- 假設20°C
- 在20°C時
- 丙烷的汽壓最高
- 相當於一個大氣壓
- 那麽丙烷會汽化
- 實際上是丙烷會在20°C沸騰
- 它完全沸騰
- 然後變爲氣態
- 因爲它的汽壓遠遠高於
- 大氣壓
- 當然前提是我們在海平面上
- 你可以用這方法來研究不同的分子
- 下一個是一氯甲烷(CH3Cl)
- 它的汽壓稍微低一點
- 但它依然易揮發
- 20°C時
- 它絕對會沸騰
- 變爲氣態
- 當然也是在海平面上
- 因爲海平面在這裡
- 嗯… 在海平面上
- 如果你想要保持――
- 海平面的壓力是這個――
- 如果你想…
- 比如說 一氯甲烷
- 如果你想讓一氯甲烷
- 保持在液態
- 或者是液-氣平衡
- 而不沸騰
- 你至少要在這個附近 ――這是多少？
- 不沸騰要讓溫度在25°C以下
- 即使在25°C以下
- 丙烷仍然是氣態
- 因爲它的汽壓比較高
- 然後 當然
- 例如 我們來看丁烷(C4H10)
- 我記得丁烷經常被用作打火機的油
- 因爲在0°C左右
- 丁烷就處於液態了
- 可以說 在打火機裏…
- 哦 它是液態的
- 他們可能加了壓
- 所以打火機裏的壓力
- 可能比較高
- 可能是在2個大氣壓左右
- 所以在室溫下
- 丁烷是液態
- 誰知道呢？ 我也不了解打火機裏的壓力是多少
- 這是個很有趣的圖
- 這裡有一串
- 不同的汽壓
- 你會發現 在常壓下
- 不同溫度下
- 哪個物質最可能是氣態或者液態
- 然後你會發現 在不同的溫度下
- 哪些物質更容易揮發
- 你需要增加
- 或者降低多少壓力
- 才能使其蒸發 或者沸騰
- 無論如何 希望這些對你有用
- 汽壓是
- 我們每天都能接觸到的東西
- 下個影片見
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