熱學(xué)6固液體相變

1、第六章、第六章、固、液體性質(zhì)與相變固、液體性質(zhì)與相變 （ 2017-05-252017-05-25） 6.16.1、固、液體性質(zhì)簡介、固、液體性質(zhì)簡介 6.26.2、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡 6.36.3、氣、液相變氣、液相變 宏觀物質(zhì)由分子/原子組成, 分子在不停的做 熱運(yùn)動(dòng),有能量ek，分子與分子之間有相互 作用，對應(yīng)勢能ep ekep：氣體氣體 ekep：固體固體 ekep： 液體液體 6.16.1、固、液體性質(zhì)簡介、固、液體性質(zhì)簡介 凝聚態(tài)凝聚態(tài) 分子間的相互作用（結(jié)合），通過化學(xué)鍵來實(shí)現(xiàn)：離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵、范德瓦耳分子間的相互作用（結(jié)合），通過

2、化學(xué)鍵來實(shí)現(xiàn)：離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵、范德瓦耳 斯鍵、氫鍵等。斯鍵、氫鍵等。 6.16.1、固、液體性質(zhì)簡介、固、液體性質(zhì)簡介 6.1.16.1.1、固體、固體 晶體晶體 非晶體非晶體 單晶：有規(guī)則的幾何形狀，各向異性， 有固定熔點(diǎn)，例如冰鹽，石英，云母。 多晶：金屬晶體，各向同性，有固定熔點(diǎn) 沒有固定熔點(diǎn)，連續(xù)相變，各向同 性。例如，玻璃，瀝青，塑料等。 短程有序，短程有序， 長程無序長程無序 分子/原子組成晶體時(shí)，形成了整 齊的周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在宏觀 尺度上出現(xiàn)規(guī)則的周期性結(jié)構(gòu) 長程有序長程有序(long range -order) 6.16.1、固、液體性質(zhì)、固、液體性質(zhì) 6.1.1

3、6.1.1、固體、固體-晶體中的結(jié)合力和結(jié)合能晶體中的結(jié)合力和結(jié)合能 晶體每個(gè)格點(diǎn)（原子）有晶體每個(gè)格點(diǎn)（原子）有3 3個(gè)振動(dòng)自由度個(gè)振動(dòng)自由度 能量均分定理能量均分定理 每個(gè)振動(dòng)自由度平均熱運(yùn)動(dòng)能量每個(gè)振動(dòng)自由度平均熱運(yùn)動(dòng)能量k kb bt t 單質(zhì)晶體摩爾內(nèi)能：單質(zhì)晶體摩爾內(nèi)能：u = nu = na a 3k3kb bt = 3rtt = 3rt .kmol25j3r dt du c 11 單質(zhì)晶體摩爾熱容： 晶體分子晶體分子/ /原子熱運(yùn)動(dòng)：熱振動(dòng)原子熱運(yùn)動(dòng)：熱振動(dòng) 熱膨脹：很??！熱膨脹：很??！ 熱傳導(dǎo)：晶格波熱傳導(dǎo)：晶格波 自由電子（金屬）自由電子（金屬） 6.16.1、固、液體性質(zhì)

4、、固、液體性質(zhì) 6.1.26.1.2、液體、液體 性質(zhì)介于固、氣體之間：性質(zhì)介于固、氣體之間： 短程有序，長程無序短程有序，長程無序 液體分子的運(yùn)動(dòng)：（液體分子的運(yùn)動(dòng)：（1 1）平衡點(diǎn)附近作熱振動(dòng)；（）平衡點(diǎn)附近作熱振動(dòng)；（2 2）平衡點(diǎn)轉(zhuǎn)移。）平衡點(diǎn)轉(zhuǎn)移。 :液體分子的定居時(shí)間液體分子的定居時(shí)間 在平衡點(diǎn)停留時(shí)間在平衡點(diǎn)停留時(shí)間. . : “過冷過冷”：非晶態(tài)非晶態(tài)“固體固體” :0“過熱過熱”：氣體氣體 無統(tǒng)一完整理論無統(tǒng)一完整理論從兩頭（晶體、氣體）逼近從兩頭（晶體、氣體）逼近 液體液體沸點(diǎn)沸點(diǎn)氣體氣體液體液體凝結(jié)凝結(jié)固體固體 界面問題界面問題: 液體表面張力 分子之間太近表現(xiàn)為斥力，遠(yuǎn)

5、了表現(xiàn)為引力，再遠(yuǎn)就沒有相互作 用了。液體分子之間有一引力作用半徑r0 分子作用球分子作用球 6.16.1、固、液體性質(zhì)、固、液體性質(zhì) 6.1.26.1.2、液體、液體 6.16.1、固、液體性質(zhì)、固、液體性質(zhì) 6.1.26.1.2、液體、液體 失重情況下看表面張力更加的迷人！失重情況下看表面張力更加的迷人！ )0(,)( 00 ctt o 液、氣體接觸處液、氣體接觸處自由表面自由表面 lf表面張力：表面張力： 表面張力系數(shù)等于增加單位液體面積所增加的液體表面自由能表面張力系數(shù)等于增加單位液體面積所增加的液體表面自由能 表面張力系數(shù)表面張力系數(shù) ) 11 ( 21 rr p附加壓強(qiáng)的附加壓強(qiáng)的

6、laplacelaplace公式：公式： rr p 42 2 肥皂泡：肥皂泡： r p 2 凹球面：凹球面： lf2 6.16.1、固、液體性質(zhì)、固、液體性質(zhì) 6.1.26.1.2、液體、液體 表面現(xiàn)象表面現(xiàn)象：（：（液液- -固體接觸處）固體接觸處）“濕潤濕潤毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象 2 潤濕：潤濕： 2 不潤濕：不潤濕： 0完全潤濕：完全潤濕： 完全不潤濕：完全不潤濕： pkpk 6.16.1、固、液體性質(zhì)、固、液體性質(zhì) 6.1.26.1.2、液體、液體 毛細(xì)現(xiàn)象（毛細(xì)現(xiàn)象（毛細(xì)管插入液體） 若管壁若管壁 能被液體潤濕，則管內(nèi)液面呈凹曲能被液體潤濕，則管內(nèi)液面呈凹曲 面，且比管外液面高。面，且比管

7、外液面高。 若管壁不能被液體潤濕，則管內(nèi)液面呈凸曲若管壁不能被液體潤濕，則管內(nèi)液面呈凸曲 面，且比管外液面低。面，且比管外液面低。 gr h 2 例1、某液體表面張力系數(shù)為7.6x10 (-4) n/m，用一個(gè) 滴管口內(nèi)徑為1.3mm的滴管緩慢下滴液體，問落下的液 滴質(zhì)量幾何？ 例2、太空中，宇航員在空間站內(nèi)釋放了兩個(gè)水滴，半 徑為r1,r2(r1r2), 宇航員用一個(gè)非常細(xì)的吸管連接兩 個(gè)水滴，請問會(huì)發(fā)生什么？ 例3、某密度材料和水完全不潤濕。做成圓盤，厚t， 半徑r。把它輕放在水上。（1）半徑r大易下沉還是半徑 小易下沉；（2）臨界半徑為多少？ 第六章、第六章、固、液體性質(zhì)與相變固、液體性

8、質(zhì)與相變 （ 2010-06-13c2010-06-13c） 6.1、固、液體性質(zhì)簡介 6.26.2、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡 6.3、氣、液相變 6.4、固、液相變與固、氣相變 6.26.2、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡 6.2.16.2.1、相與相變、相與相變 6.2.26.2.2、單元系一級(jí)相變、單元系一級(jí)相變 物態(tài)物態(tài)：大量微觀粒子在一定溫度和壓強(qiáng)下聚集為一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。物態(tài)按宏觀特 征分為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)；物態(tài)按微觀結(jié)構(gòu)分為結(jié)晶、離子態(tài)、超導(dǎo)態(tài)等。 相相：物理性質(zhì)均勻，且有明確界面與其它部分分隔開來且有明確界面與其它

9、部分分隔開來的部分。單相系為整個(gè)系統(tǒng)各 處性質(zhì)均勻；復(fù)相系為系統(tǒng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上不同的各自均勻的部分組成。 組元組元：系統(tǒng)中所含的一種化學(xué)成分。有單元二相系、二元單相系等。例如，水和水蒸 氣為單元二相系；水和酒精混合物為二元單相系。 相變相變：不同相之間的轉(zhuǎn)變。例如，固液，固氣，液氣 一級(jí)相變一級(jí)相變：（a）系統(tǒng)體積有顯著變化； （b）有相變潛熱。 相變潛熱相變潛熱：單位質(zhì)量的物質(zhì)從一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑴囟鹊牧硪粋€(gè)相的過程中，所吸收或放 出的熱量。例如，結(jié)晶與熔解（熱），凝結(jié)與氣化（熱） 6.26.2、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡 6.2.36.2.3、復(fù)相平衡與相平衡

10、條件、復(fù)相平衡與相平衡條件 單元系固、液、氣三相可相互轉(zhuǎn)變，單元系固、液、氣三相可相互轉(zhuǎn)變，一定條件一定條件下兩、甚至三相可平衡共存。下兩、甚至三相可平衡共存。 一個(gè)大氣壓、一個(gè)大氣壓、9090攝氏度下，攝氏度下，h h2 2o o固、液態(tài)固、液態(tài)不能共存；氣、液態(tài)可共存。不能共存；氣、液態(tài)可共存。 0 22221111 sssss孤立系統(tǒng)平衡條件：孤立系統(tǒng)平衡條件： )( ),;( ),;( 2211 2211 2211 21 2 2 2 2 2 2 2 2 222 1 1 1 1 1 1 1 1 111 constsss constuuu constvvv const s s u u v

11、vt s s u u v vt 考慮一單元兩相系統(tǒng)：考慮一單元兩相系統(tǒng)： 0 0 0 22221111 22221111 21 uuuuu vvvvv 對于虛擬轉(zhuǎn)變，孤立系統(tǒng)對于虛擬轉(zhuǎn)變，孤立系統(tǒng) 兩相物理量增量滿足：兩相物理量增量滿足： 6.26.2、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡 6.2.36.2.3、復(fù)相平衡與相平衡條件、復(fù)相平衡與相平衡條件 0 22221111 sssss孤立系統(tǒng)平衡條件：孤立系統(tǒng)平衡條件： t pdvdu t qd ds 0 0 0 22221111 22221111 21 uuuuu vvvvv 0)() 11 ( )( 1 2 2 1

12、 1 11 21 11 2 212 2 21 21 v t p t p u ttt vvp t uu ss 0 )( , 2 212 2 21 212121 t vvp t uu sspptt 6.26.2、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡 0 )()( , 2 21 2 212 2 21 212121 tt vvp t uu sspptt pvtsu 定義定義化學(xué)勢：化學(xué)勢： : : 21 21 21 pp tt 熱平衡熱平衡 相平衡相平衡 力學(xué)平衡力學(xué)平衡 0)(0)( 1212211 sss相變方向相變方向： 相變通常在相變通常在 等溫、等壓等溫、等壓 條件下發(fā)

13、生。條件下發(fā)生。 6.26.2、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡 ),(),(),( ),( ptv p pts t ptu pvtsupt化學(xué)勢：化學(xué)勢： ),(),( ),(),( ),(),( ptpt ptpt ptpt sg sl lg 升華曲線： 熔解曲線： 汽化曲線： 相平衡曲線：相平衡曲線： ),( , pt slg 熱力學(xué)熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn) )()(pttortpp 6.2.46.2.4、相圖、相圖 6.26.2、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡 相變曲線的斜率相變曲線的斜率 )()( )( 1212 12 vvt l vvt

14、sst dt dp 6.2.5、克拉珀龍（、克拉珀龍（clapeyron）方程：）方程： 摩爾潛熱摩爾潛熱 第六章、第六章、固、液體性質(zhì)與相變固、液體性質(zhì)與相變 （ 2010-06-13c2010-06-13c） 6.1、固、液體性質(zhì)簡介 6.26.2、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡 6.36.3、氣、液相變氣、液相變 6.36.3、氣、液相變、氣、液相變 6.3.16.3.1、蒸發(fā)與沸騰、蒸發(fā)與沸騰汽化汽化 由液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，包含蒸發(fā)與沸騰。蒸發(fā)發(fā)生在液體表面蒸發(fā)發(fā)生在液體表面，在任何溫度 下都可以進(jìn)行；沸騰發(fā)生在液體內(nèi)部沸騰發(fā)生在液體內(nèi)部，對應(yīng)沸點(diǎn)。 飽和蒸汽壓

15、飽和蒸汽壓：氣液兩相平衡時(shí)蒸汽的壓強(qiáng)。 （1）飽和蒸汽壓與蒸汽體積無關(guān)； （2）飽和蒸汽壓隨溫度升高而增加； （3）飽和蒸汽壓與物質(zhì)種類有關(guān)； （4）飽和蒸汽壓與液面彎曲情況有關(guān)。 經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)(液面敞開系統(tǒng))： （1）液面大，蒸發(fā)快；（2）溫度高，蒸發(fā)快； （3）通風(fēng)好，蒸發(fā)快；（4）下雨天，蒸發(fā)慢； （5）液體最終完全蒸發(fā)。 一、蒸發(fā)一、蒸發(fā) 封閉容器中封閉容器中：處于氣液兩相平衡時(shí)的蒸汽單位時(shí)間跑出液面的分子數(shù)等于 返回液體的分子數(shù)飽和蒸汽飽和蒸汽 6.36.3、氣、液相變、氣、液相變 6.3.16.3.1、蒸發(fā)與沸騰、蒸發(fā)與沸騰汽化汽化 二、沸騰二、沸騰 沸騰條件沸騰條件： 沸騰前， ，隨

16、著t升高，飽和蒸汽壓升高， 體積增大。當(dāng)飽和增氣壓增到相等時(shí)，氣泡平衡被打破， 靠浮力上升破裂，放出里面的飽和蒸汽。 蒸發(fā)與沸騰的比較蒸發(fā)與沸騰的比較： （1）沸騰在沸點(diǎn)進(jìn)行，蒸發(fā)在任何溫度下都可進(jìn)行； （2）蒸發(fā)在液體表面進(jìn)行，沸騰在整個(gè)液體進(jìn)行。 封閉系統(tǒng)無沸騰封閉系統(tǒng)無沸騰 過熱液體、暴沸過熱液體、暴沸 由液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，包含蒸發(fā)與沸騰。蒸發(fā)發(fā)生在液體表面蒸發(fā)發(fā)生在液體表面，在任何溫度 下都可以進(jìn)行；沸騰發(fā)生在液體內(nèi)部沸騰發(fā)生在液體內(nèi)部，對應(yīng)沸點(diǎn)。 經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)(液面敞開系統(tǒng)) ： （1）：液體沸騰時(shí)對應(yīng)的狀態(tài)的溫度； （2）劇烈翻騰。（3）整個(gè)液體中進(jìn)行 6.36.3、氣、液相變、氣、液相

17、變 6.3.26.3.2、，沸點(diǎn)與壓強(qiáng)的關(guān)系，沸點(diǎn)與壓強(qiáng)的關(guān)系 )( lg v vvt l dt dp eq.clapeyron 2 rt pl dt dp v rtpvg lg vv 氣相壓強(qiáng)與溫度的依賴關(guān)系氣相壓強(qiáng)與溫度的依賴關(guān)系 相圖，汽化曲線：飽和相圖，汽化曲線：飽和 蒸汽壓與溫度的關(guān)系。蒸汽壓與溫度的關(guān)系。 飽和蒸汽壓飽和蒸汽壓 汽化熱 rt l const v epp ./28 )( : 2 atmk l vvt dp dt oh v lg 第六章、第六章、固、液體性質(zhì)與相變固、液體性質(zhì)與相變 （ 2010-06-13c2010-06-13c） 6.1、固、液體性質(zhì)簡介 6.26.2、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡、單元系一級(jí)相變特征與復(fù)相平衡 6.36.3、氣、液相變氣、液相變 )( eq.clapeyron sl m vvt l dt dp 熔解熱熔解熱 kelvin15.273pointmeltingice,1 2 tohatmp atmkelvin l vvt dp dt m sl /00756. 0 )( atmk dp dt /00752. 0 6.4.16.4.1、 kgjlkgmvkgmv msl /1077.331,/100908. 1,/1000021. 1