潜热、蒸气压和升华临界点

Latent Heats, Vapor Pressure and Sublimation Critical Point

2020年4月17日Ankur Choudhary (noreply@blogger.com)AI 专业翻译

潜热

物质在发生状态变化时,会吸收或释放热量,这种热量被称为“转变热”。以1克0摄氏度的冰转化为1克0摄氏度的水为例(即熔化潜热),需要336焦耳的能量。这种潜热的释放发生在物质从高动能状态转变为低动能状态时(例如从水变为液态)。潜热在实际应用中有很多用途。例如,冰的融化会从皮肤吸收大量热量;而固态石蜡的凝固则会释放大量热量,从而给皮肤带来温暖感。

蒸气压

当一个封闭系统处于特定温度时,其蒸气压表示蒸气与非蒸气相(液体或固体)达到平衡时所施加的压力。平衡蒸气压是衡量液体蒸发速度的一个指标。当粒子从液体(或固体)中逸出时,液体往往会失去其原有的性质。某种物质的蒸气压反映了它在给定温度下蒸发的剧烈程度。蒸气压可以理解为存在于液体表面上的蒸气所产生的压力。

液体中的分子获取动能的方式是不均匀的,因此由于能量获取更多,有些分子移动得比其他分子更快。在气相(蒸汽相)中,那些具有足够能量来克服分子间吸引力的分子可以从表面逸出。这个过程被称为蒸发。

蒸汽状态下的分子具有比液态分子更大的平均动能,因此液体在蒸发过程中温度会下降。液体的蒸发速度受多种因素影响,包括温度、液体表面面积、液体上方的压力以及将液体拉向表面的作用力。

另一种凝结现象发生在气相中的液体分子相互碰撞时,它们将能量传递给其他分子,从而重新变为液态。随着气相中分子浓度的增加,气相中的凝结速率也会加快。在动态平衡条件下,蒸发速率和凝结速率是相等的。根据以下公式,液体的蒸气压与其绝对温度成正比。

计算克劳修斯-克拉珀龙方程:

log p2/p1 = (H(T2 – T1)) / (2.303 × RT1 × T2)

“Where...”
该分子的汽化热为 H;

在绝对温度 T1 和 T2 下的蒸汽压 p1 和 p2 可以用一个数值来表示。

随着液体温度的升高,液态分子会获得动能。随着分子数量的增加以及分子动能的提升,蒸气压也会随之增加。继续升高温度会使得蒸汽的密度增加,而液体的密度则降低。当两者密度相等时,就无法区分它们了。此时,液态就不再存在,达到了临界温度。在这个温度以上,就不再有液态了。

沸点

在沸点时,液体的蒸气压等于其所在环境的大气压。这个温度使得液体从液态转变为气态。液体的正常沸点可以通过计算其沸腾时的压力来确定(也称为“大气压沸点”或“海平面大气压下的沸点”)。当液体达到沸点时,所有吸收的热量都会转化为蒸汽,因此温度会保持不变,直到所有的液体都被蒸汽完全取代。正是“汽化潜热”使得这些热量得以释放。

熔点和冰点

历史上,熔点一直被用来定义固体转变为液体的温度。在熔化过程中释放的所有能量都转化为熔化潜热,这使得温度保持恒定。当达到熔点时,固态和液态会处于平衡状态共存。熔点也被认为是液体从液态转变为固态时的凝固点或结晶点。

混合液体的蒸气压

由于混合物溶液中每种成分的摩尔浓度都会影响该成分所施加的分压,因此可互溶的液体(液体与液体的混合物)会表现出成比例的分压。总蒸气压 P 可通过以下公式计算得出:

P = PA + PB = PoAXA + PoBXB

摩尔分数XA和XB分别代表组分XA和XB。纯组分A产生的蒸气压为A,而纯组分B产生的蒸气压为B。

PB代表A在液体混合物中产生的部分蒸气压,PA代表B在液体混合物中产生的部分蒸气压。多种液体可以不发生混合而共存,每种液体都独立地发挥其自身的蒸气压。因此,P就是这些蒸气压的总和。

P = PoA + PoB

升华临界点

当固体变成蒸汽时,它直接从固态转变为气态,而不会经过液态。升华现象发生在物质的三相点低于其吸热相变温度和压力时。在热力学中,三相点是指物质的三种相能够同时存在的压力或温度极限。这种相变过程是固体直接变成气体,而不需要先经过液态。冬季使用的干冰实际上是固态二氧化碳的气态形式,它在-78.5摄氏度(-109.3华氏度)的温度下会升华。你看到的雾是由干冰融化并升华后形成的纯净气体造成的。像二氧化碳这样的冷气体以及寒冷潮湿的空气是构成雾的主要成分。

升华技术具有许多优点,其中包括:
  1. 升华法最重要的优点之一在于它能够净化物质。
  2. 只有极少量的产品被损耗。
  3. 它不需要使用溶剂。
  4. 溶剂几乎完全从化合物中去除掉了。
  5. 对于重量小于100毫克的物质,最佳的纯化方法是升华法。
分子通过吸收热量而升华成蒸汽,这种热量足以克服分子间的吸引力。吸热是指通过释放能量来改变物质状态的过程。当熔化焓和汽化焓相加时,就可以计算出该物质的升华焓(或称升华热)。


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