43固液相变与固气相变.docx

§4.3固液相变与固气相变
4．3．1、固液相变
①熔解物质从固态变成液态，叫做熔解。
对于晶体来说，熔解就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。
对于大多数晶体，熔解时体积增大，但还有少数的晶体，如冰、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，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，要吸收的热量，单位质量的某种物质，由固态熔解为液态时，所吸收的热量叫做物质的熔解热，记为λ，因此对质量为m的物体全部熔解所需吸收的热量
Q=λm。
②凝固物质由液相变为固相称为凝固。其中晶体的熔液凝固时形成晶体，这个过程又称为结晶。结晶的过程是无规那么排列的粒子形成空间点阵的过程，在此期间，固、液两态平衡共存，温度保持不变。
在结晶过程中，单位质量的物质对外释放的热量称为凝固热。它与该物质在同温度下的熔解热相同。
4．3．2、固气相变
物质从固态直接变为气态的过程叫做升华。从气态直接转变为固态的过程叫凝华。常温常压下，干冰、硫、磷等有显著的升华现象。大气中水蒸气分压低于4.6mmHg，气温降到0℃以下，水蒸气便直接凝华成冰晶为结霜。
升华时粒子直接由点阵结构变为气体分子，一方面要克服粒子间的作用力做功，同时还要克服外界压强作功。使单位质量的物质升华时所吸收的热力做功，同时还要克服外界压强做功。使单位质量的物质升华时所吸收的热量称为升华热，它等于汽化热与熔解热之和，即。
例：冰、水和水蒸气在一密闭容器内(容器内没有任何其他物质)，如能三态平衡共存，那么系统的温度和压强必定分别是℃和。现有冰、水和水蒸气各1g处于上述平衡状态。假设保持总体积不变而对此系统缓慢加热，输入的热量Q=0.255kJ。试估算系统再到达平衡后，冰、水和水蒸气的质量。此条件下冰的升华热；水的汽化热。
分析:。比较与Q的大小关系，判断出冰不能全部熔化，物态变化过程中始终是三态共存且接近平衡，所以系统的温度和压强均不变。
解:估算在题给温度和压强条件下水蒸气的密度，M是水蒸气的摩尔质量，代入数据，得。
同样条件下水的密度,。水的三个状态在质量相同条件下，水蒸气的体积远大于水和冰的体积之和。又冰熔化成水时体积变化不大。在总体积不变的条件下，完全可以认为这系统的物态变化中水蒸气的体积不变，也就是系统再次平衡时水蒸气的质量是1g。这样，系统的物态变化几乎完全是冰熔化为水的过程。
设再次平衡后冰、水、水蒸气的质量分别是x、y、z，那么有
z=1gx+y=2g
将Q、数值代入得x=0.25g,y=1.75g。
例：两个同样的圆柱形绝热量热器，高度均为h=75cm。第一个量热器1/3局部装有水，它是预先注入量热器内的水冷却而形成的：第二个量热器内1/3局部是温度=10℃的水。将第二个量热器内的水倒入第一个量热器内时，结果它们占量热器的2/3。而当第一个量热器内的温度稳定后，它们的高度增加了△t=0.5cm。冰的密度，冰的熔解热=340kJ/kg，冰的比热，水的比热。求在第一个量热器内冰的初温。
解:如果建立热平衡后，量热器内物体的高度增加了，这意味着有局部水结冰了(结冰时水的体积增大)，然后可以确信，并不是所有的水都结冰了，否那么它的体积就要增大到倍，而所占量热器的高度要增加，其实按题意△t只有0.5cm，于是可以作出结论，在量热器内稳定温度等于0℃。
利用这个条件，列出热平衡方程
①
式中是冰的初温，而△m是结冰的水的质量。
前面已指出，在结冰时体积增大到倍，这意味着
②
式中S是量热器的横截面积，从②式中得出△m代入①式，并利用关系式得到。
由此得
即
代入数据得=-54.6℃
说明处理物态变化问题，确定最终的终态究竟处于什么状态十分重要，对此题，就可能存在有三种不同的终态：a、只有冰；b、冰和水的混合物；c、只有水。当然如能用定性分析的方法先确定末状态那么可使解题变得较为简捷。