Video 6-1 纯物质的热力学面及相图在线视频

首先 我们来介绍

纯物质的热力学面及相图

我们知道物质有不同的聚集态

实际上是有三种

这三种聚集态各是什么

这大家学过物理

应该是非常清楚的

固态 液态 还有气态

水对应的这三态是什么

是冰 水和蒸汽 或者说水蒸气

热力学面又是什么

热力学面就是以

可以测量的基本状态参数

压力 比容 温度为三维坐标的

来表示物质各种状态的曲面

我们来看一下

以水为例来看一下它的热力学面

既然是压力 温度 比容三个坐标

这一定是一个立体的

屏幕上显示出来了这个

热力学面 我们用颜色来表示的

我们刚才说了

水的三种聚集态有固相

有气相 还有液相

在我们的图上来表示

它首先是单相区

固 液 气

这个固相的温度要低一些

相对来说要低一些

就是我们的红色的这个面

这个曲面来表示的

然后气相它的温度相对来说

应该是最高的

所以是我们黄色的这个曲面

表示的是气相

液相应该介于固相和气相之间

所以是这个蓝色表示的

这三个面

这是我们单相区

从这个水的热力学面我们来看一下

我们冰的这个曲面它是红色的

它比液相 也就是水 液体的这个曲面

来看一下它的比容是大还是小

我们知道

冰的比容是比水的比容要大的

比如说我们冬天河流或者湖泊

冬天冻的时候冰是在上面冻的

而下面的水还是在流的

也就是说 尽管上面结了冰

但是冰下面的水里生物还可以生存的

这个实际上是大自然中

唯一的一种物质有这样的一个特点

它的固相的比容比液相的比容要大

这也是大自然对人类

以及所有的生物的一个恩赐

即使在严寒的冬天

冰面上已经结了厚厚的冰

但是水下的生物还是可以生存的

这是我们讲的单相区三个曲面

固 液 气

我们再来看两相区

我们来看这两相区

所谓的两相区就是说

固相和液相同时存在的区域

对于水这种物质而言

就是冰和液态水同时存在的区域

它在我们图上表示是什么

是这个红色的曲面与蓝色的曲面

交接的那个面 那个位置

然后还有一种两相区

是液相和气相同时存在的区域

它在我们图上是蓝色液相

与黄色的气相中间的这个绿色的曲面

所表示的是气液两相区

另外还有一种 气固共存的区域

它是红色的固相区和黄色的气相区

中间夹的这个深色的区域

这是固相和气相同时存在的两相区

也就是说热力学面上有三个单相区

有三个两相区

这是我们讲的面

接下来我们再来看线

这个线有什么线

有饱和线 有三相线

最后还有一个点

这个饱和线一共有三条

一个是饱和固线

它是固相区与固液两相区交界的这条线

我们叫做饱和固线

接下来是什么线 饱和液线

它是液相区与气液两相区

也就是这个蓝色跟绿色的

这两个曲面交接的这个线

叫做饱和液线

另外一个线是什么

饱和气线

它是气液两相区绿色的这个区域

和气相区黄色的区域交界的曲线

叫做饱和气线

这是我们三条饱和线

最后还有一个三相线

三相线是什么 是三相共存的

它是气液两相区与气固两相区的交界线

对于任何一种物质

它的三相线的压力和温度

是唯一确定的

对于我们水这种物质

它的三相线的温度是273.16K

这个大家最好能够记住

我们刚才介绍了这三条饱和线

还有一个三相线

另外还有一个点 就是临界点

我们用红色表示的这个临界点

临界点它有什么特点

我们从图上可以很直观地看出来

首先它是饱和液线与饱和气线的交点

这两条点上去交的那点

然后它是我们气液两相共存的

最高的压力和温度的那一点

还有一个重要的特点

在临界点等温线它是有个水平切线的

用数学表达式来表示

也就是压力对比容的偏导

在临界点的温度下

它是等于零的

而且这一点它是一个拐点

也就是压力对比容的二阶偏导

在临界温度下它是等于零的

水的临界点参数

它是一个确定的一个值

当然 任何纯物质临界点的

状态参数都是确定的

对于水临界点的压力和温度

大家最好能够记住

它的压力是22.129 MPa

温度是374.15℃

我们介绍了水的热力学面

然后还有它的线 还有这个点

这个热力学面它是一个立体的

用起来不是很方便

而且在我们热力学面上

它两相区比如说固液 还有气液

还有气固 这三个两相区它与压力

与温度的那个平面是垂直的

也就是说这三个两相区

投影在这个面上

既然它是垂直的 就可以变成一条线了

如果变成一条线

剩下的就是固相 液相和气相

所以就有了p-T相图

我们来看一下

首先这个三相线

投影到压力与温度的这个平面坐标上

它是一个点 三相点

然后我们再看临界点

当然就是一个点了

然后三相点和临界点之间

那个是什么

是气液两相区

但是由于它垂直于p-T平面

所以投影到上面也是一条曲线

是一条曲线

这条曲线的上面就是液相

然后曲线的右下方就是气相

而这个线我们把它叫做汽化线

然后固液两相共存的区域

投影到p-T平面上

它也是一条线 这个线是凝固线

凝固线的左侧就是我们的固相区

然后我们来看一下

我们的屏幕上显示了两种物质

左侧是水 右侧是一般的物质

我们来看一下这两种物质

也就是水和其他物质

它的凝固线的斜率是不一样的

水的凝固线的斜率是负的

为什么是负的

这是由于克拉贝龙方程决定的

实际上是由水本身的性质决定的

我们可以用克拉贝龙方程来解释它

克拉贝龙方程的由来

我们在第十章会介绍

在这儿我们直接把公式写出来

给大家来看一下

克拉贝龙方程

它实际上表示了压力与温度

就是dp/dT 在相变的条件下

它等于什么

它等于潜热除以温度

然后再乘以液相的比容

减去固相的比容

对于水这种物质

由于冰的比容是大于液相的比容

所以dp/dT

也就是这条凝固线的斜率它是负号

所以它的斜率是负的

这是我们用克拉贝龙方程

可以来解释这个现象

然后我们再来看

气固两相区投影到p-T平面上

它也是条线 这个线叫做升华线

对于临界点 温度高于临界点温度

压力高于临界点的压力

这个区域我们用蓝色的断线表示的

在这个区域它既不是液体

也不是气体 我们把它叫做流体

实际上它是超临界流体

它的性质既不同于液相

也不同于气相

我们学了热力学面 学了相图

我们利用这些知识

来解释一些生活中的一些现象

或者说问题

首先第一个 我们来看一下

北方冬天在外面晾衣服

它会经过液相吗

在北方 特别是农村的孩子

可能有这种生活体验

城市的孩子可能不需要

洗衣服 因为用洗衣机洗了

然后用烘干机衣服直接就干了

但是在相对落后一点的农村

北方冬天洗衣服的时候

拧一拧 然后就晾在院子里面

很快这衣服就冻得很硬了

但是 经过一段时间这衣服也就干了

这个问题也就是问你

在这寒冷的北方

冬天晾在院子里的洗的这衣服

衣服干了 这个它经过了液相吗

大家从生活体验来看

你是没有看见水的

冻得很硬的这个衣服

但是经过一段时间它自己就干了

你并没有看见水

怎么来解释它

我们就用我们刚才学过的这个知识

我们来看 这是水的p-T相图

首先冻的衣服它上面的水是固相的

是固相的

在冬天 空气中含有水蒸气

但是它的水蒸气的分压是很小的

衣服表面结了冰

那衣服它是冻的肯定是固相的

它的压力是高于空气中水蒸气的分压

所以水直接从固相变成了气相

也就是说在这个过程中没有经过液相

我们解释了生活中这样的一个现象

然后我们再来看一下

我们再来看第二个问题

有没有负三度的蒸汽

这个跟第一个问题

实际上本质上是一样的

问你有没有负三度的蒸汽

我们还是用我们的这个

水蒸气的p-T相图来解释

冬天的时候 空气的温度零下三度

甚至零下十度

这个空气中水蒸气的温度

实际上也是这个温度

它为什么可以存在负三度

甚至负五度的水蒸气 为什么可以存在

因为它在空气中所占的份额很小

它的分压很低

所以它可以成气态 变成蒸汽态

我们的图上也是这个蓝色线的下方

右下方就是呈气态的温度很低

零下的蒸汽

我们再来看第三个问题

有没有五百度的水 五百度的水

这有没有

我们也回到水的p-T相图上去

水在p-T相图上它所处的区域

应该是我们的红色线以及绿色线

还有我们的蓝色虚线

所围成的区域里面

既然是温度五百度

那应该是靠高温的这边

高温应该贴近于哪儿

贴近于临界点

我们说温度压力高于临界点温度

高于临界点压力的时候

它是超临界的流体

如果说你知道了临界点的温度

水的温度一定是低于它的

也就是说没有超过临界点温度的水的

而临界点的温度又是多少

我们前面介绍过

水的临界点的温度是374.15℃

所以说有没有五百度的水

我们再来看第四个问题

这个题可能稍微难一点

相对于前面那三道题

对一个密闭容器里面

水的气液混合物进行加热

它是否一定是全变成了蒸汽

我们如果说没有学过这个

热力学这个面或者相图

我们会想这个气液混合物进行加热

加热它就变成蒸汽

后面肯定全变成蒸汽了

那我们今天学了

我们看它是否一定是这样

我们回到我们的热力学面上来看

气液混合物

那它一定是在气液共存的两相区

也就是我们的这个绿色的区域

然后我们再来看一下

比如说我们现在加热之前

它所处的状态点是在A点

然后接下来对它进行加热

这个加热是怎样的一个过程

一个密闭的一个容器

那在这加热的过程中

什么东西不变

这个容器的容积是不变的

也就是说在这个过程中比容是不变的

那就是个定比容的加热

对它进行加热

比如说我们这a点对它进行加热

它怎么变

就要沿着垂直于比容这个坐标

然后沿着绿色这个曲面往上走

沿着这个绿色的曲面往上走

那我们把它一直加热

加热到足够高的温度 它变成了什么

从图上来看变成了什么

变成了液相

实际上也就是说

如果落在这个区域 对它进行加热

它最后变成是液相的

然后你再看看

终态会不会有其他的状态

那我们再来看一下 如果在b点

我们对它进行加热

那也是一个等容的加热

也是沿着这个垂直于比容的这个横坐标

沿着这个绿色的曲面向上变化

然后加入的热量足够大

它跑到哪个区域了

我们来看一眼 它最后跑到什么地方了

跑到黄色的区域

这个区域是什么 是气相的

也就是说如果是在b点

你对它进行加热 它终态完全是蒸汽

而如果在a点 还是这个等容加热

但它最终变成的是什么 是液态

实际上这分界点在什么地方

在临界点的下方

如果处于 从图上你可以很直观地看到

如果一开始

它的其中的液相比较多

你最终加热到变成的是水

而在临界点的右侧

也就是比容比临界点

对应下来比容大

加热最终的状态是气相

所以我们刚才那个问题它是不一定的

根据这个气液混合物的比容的不同

而最终有两种状态

一种是全变成液 一种是全变成气

下面我们把这一小节的内容

做一个小结

首先是热力学面

它有三个单相区 还有三个两相区

然后里面有饱和液线 饱和气线

还有饱和固线 还有一个三相线

然后还有一个临界点

对于临界点的压力和温度

水的临界点的压力和温度

大家一定要非常清楚

一定要非常清楚它的压力是多少

温度是多少 这一定要很清楚

最后一个是p-T相图

也就是说热气学面投影到压力 温度

这个平面上之后

它变成了一个平面图

平面图上有三条实线

还有两个虚线把这个区域分成了

固相 液相 气相

还有超临界的流体

对于这些内容

希望大家能够熟练地掌握