高中物理竞赛热学讲义——物态变化.doc

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物态变化
一、物态变化
1、物态变化的特征
自然界中的许多物质都是以固、液、气三种状态存在着的，它们在一定的条件（温度、压强）下既可以互相转变，也可以平衡共存。不同物态之间的相互变化又称为相变。物质固、液、气三态之间的转化有以下两个特征：
（1）物态变化时体积变化；
（2）物态变化时总伴随吸放一定的热量。
2、熔解与凝固
物质由固态转变为液态的过程叫熔解，由液态转变为固态的过程叫凝固。
对于晶体来说，熔解是在一定的温度下进行的，该温度叫做这种晶体的熔点。晶体在熔解的过程中要吸收热量，但温度保持在其熔点不变，直至全部熔解为止。非晶体无一定的熔点。非晶体在熔解或凝固过程中，温度不停地上升或下降。
对于大多数晶体，熔解时体积增大，但也有少数的晶体，如冰、锑、铋、灰铸铁在熔解时体积反而缩小。
晶体的熔点与晶体的种类有关。晶体中掺杂质(指和这种晶体不同的别种元素)后，熔点一般要降低。对于同一种晶体，其熔点与压强有关。熔解时体积增大的物质，其熔点随压强的增加而增大；熔解时体积减小的物质，其熔点随压强的增大而减小。
晶体在熔解时，要吸收热量。单位质量的某种物质，由固态熔解为液态时，所吸收的热量叫做该物质的熔解热。单位是J／kg，用λ表示。
3、汽化和液化
物质由液态转变为气态的过程叫汽化；由气态转变为液态的过程叫液化。液体的汽化有蒸发和沸腾两种。蒸发是发生在液体表面的汽化过程，它在任何温度下都可以进行。沸腾是在整个液体内部发生的汽化过程，它只有在沸点下才能进行。
从微观上看，蒸发就是液体分子从液面跑出来的过程。分子从液面跑出时，需要克服液体表面层中分子的引力做功，所以只有那些热运动动能较大的分子可以跑出来。如果不吸收热量，就会使液体中剩余分子的平均动能减小，温度降低。即蒸发时液体温度降低，从周围物体吸收热量，因而蒸发有致冷作用。另一方面蒸气分子还会不断地返回液体中去，凝结成液体。因此液体分子蒸发的数量，是液体分子跑出液面的数量，减去蒸气分子进入液面的数量。
对于液面敞开的情况，影响蒸发快慢的因素，主要是以下三种：①液面的表面积越大，蒸发越快；②温度越高，液体分子的平均动能越大，能够跑出液面的分子数越多，蒸发就越快；③液面上通风情况好，可以使跑出液面的分子减少返回液面的机会，因而蒸发越快。在液面敞开的情况下，液体会不断蒸发，直到液体全部转变为蒸气为止。当然影响蒸发速度的因素还有：液面上蒸汽压强大小、液体本身的性质等等。
在密闭的容器中，随着蒸发的不断进行，容器内蒸气的密度不断增大，这时返回液体中的蒸气的分子数也不断增多，直到单位时间内跑出液面的分子数与返回液面的分子数相等时，宏观上蒸发现象就停止了。这时液面上的蒸气与液体保持动态平衡，此时的蒸气叫做饱和蒸气，它的压强叫饱和蒸气压。液体汽化时，未达到动态平衡的蒸汽叫未饱和蒸汽。未饱和蒸汽近似遵循理想气体状态方程。
饱和蒸气压的大小与液体的种类有关，在相同的温度下，容易蒸发的液体的饱和蒸气压大，不易蒸发的液体的饱和蒸气压小。对于同一种液体，饱和蒸气压随温度的升高而增大。如图是水的饱和汽压强与温度的关系图象。由图可以看出，饱和汽压强与温度并不是线性关系，尤其在温度较高时，饱和汽的压强增大得很快，其压强与温度的关系并不遵循理想气体的状态方程。另外，在温度不变的条件下，饱和汽的压强与体积无关。
饱和蒸气压的大小还与液面的形状有关，对于凹液面，分子逸出液面所需做的功比平液面时大，单位时间逸出凹液面的分子数比平液面时少，所以饱和蒸气压比平液面时小。反之，对于凸液面，饱和蒸气压比平液面时大。这种差别只有在液、气分界面的曲率半径很小时，如小液滴或小气泡，才会显示出来。饱和蒸气压的数值与液面上蒸气的体积无关，与该体积中有无其他气体无关。
综上，饱和蒸气有以下性质：
①在同一温度下，不同液体的饱和汽压一般不同；
②一定液体的饱和汽压随温度的升高而迅速升高，只要密闭容器中仍然有液体存在；
③温度一定时，同种液体的饱和汽压与饱和汽的体积无关。例：100℃时饱和水汽压是76厘米汞高。
在一定压强下，加热液体当达到一定温度时，液体内部和器壁上涌现出大量气泡，整个液体上下翻滚剧烈汽化，这种现象叫做沸腾，相应的温度叫做沸点。对于同种液体，沸点与液面上的压强有关，压强越大，沸点越高。沸点还与液体的种类有关，在同一压强下，不同液体的沸点不同。
考察液体内部一气泡，泡内压强是空气的分压和液体饱和蒸气压之和；泡外压强是外界压强与液体静压强之和，通常液体静压强与外界压强相比可以忽略。故气泡的平衡条件为：

当温度升高时，增大，气泡可通过胀大，实现与的新平衡。当温度升高至时，有，这时气泡怎样胀大也不能平衡，。