相变图

我们到目前为止研究的相变 都是在恒定的压强环境下的 特别是 过去几个视频中我们研究的 关于水的相变的问题 都是在大气压强下发生的 或者说在海平面的大气压强下 或者说1atm下（1atm=1个大气压强） 因此―― 我一会儿会解释这个图线 我们都知道在宇宙中 压强不总是恒定的 它绝不会 永远恒定在1atm 1atm被定义为 地球海平面的压强 显然 不同地方的压强会很不一样 例如当你去到比地球更小或更大的行星 或者到了大气层更厚的星球 或者在涉及气体、液体或固体的 各种应用题中 那么我在这里画了一个图 我写一下 相图 相图有很多的类型 这个可能是你在化学课上 或标准化考试中最常见到的类型 它所记录的是 物质随着温度和压强 发生的状态变化 这是水的相图 说明一下 这条坐标轴表示压强 而x轴表示温度 在任意给定的点 相图都能够告诉你 此时水是不是固态 那这儿是固态 或者是这儿的液态 或者是气态 例如 如果现在是0℃ 假设0℃在这儿 如果现在温度0℃ 压强1atm 在图上哪儿？ 0℃ 1atm 刚好是这个点 刚好是固态和液态的边界点 1atm压强下的边界点 对吧？ 这条线代表1atm的状况 这与我们一直以来的观念相吻合 水在0℃结冰 冰在0℃融化 如果我们增大压强 会怎么样？ 呐 冰会在更低的温度下融化 对吧？ 如果压强增加 假设――我不知道这是多少 这可能是10atm 海平面大气压的10倍 然后忽然地 固体变成液体的温度 这里的变化是从固态到液态… 这个相变的温度会下降 类似地 如果我们降低压强 如果我们在丹佛 这城市海拔一英里 气压比海平面的低 因为我们头顶上方的大气少了 然后忽然 凝固点就上升了 水的冰点升到1℃以上 这里画的不完全成比例 但大致就是 冰的结冰速度和温度 在丹佛会比较高 比死海或死谷底部 或其它低于海平面的地方要高 这个转变是发生在 气体和其它相态之间 我们很熟悉的是… 这里是1atm 记住 这是水的相图 这是水的相图 在1atm下 这是我们常看见的 我在这儿画条线吧 因此1atm 0℃就是 固态水 或者说冰 变成液态水的地方 顺着这里 温度不断上升 到了这里 这里是… 因为我们压强是1atm 这里是100℃ 这个1atm下的点就是 液态水汽化 或者说水蒸发 也就是水沸腾的地方 上面几种说法都是合理的 但低压时又会怎么样？ 让我们再去丹佛做个小小旅行 丹佛的压强是这么多 没那么夸张 只是为了看得清楚 换个更好的 我们看珠穆朗玛峰 珠峰 压强非常低 我们已经说了 当压强降低 凝聚点(熔点)升高 同时沸点降低 因此要煮沸什么东西 在珠峰顶上 远比在珠峰脚下容易 也远比在死谷或死海的最低点容易 直观点解释就是 如果我有一种液体 一些处于液态的分子 它们紧挨彼此 但它们有足够的动能 可以相对运动 因此它们相对滑动 或者说它们像是在相互摩擦 它们没有直接蒸发的原因之一是 它们没有直接跳出来是因为 它们上方有空气 有气压 气体压强 我们在学理想气体状态方程的时候学过 这是一些气体分子 它们的压强 本质上是来自它们的温度 和它们的动能 它们呆在这里 反弹 它们阻止了这些更重的分子 上升 它们阻止了液体分子彼此分离 从而变成气体 因此压强越大 这些家伙逸出的难度就越大 另一方面 如果是在真空中 如果这发生在月球表面上 月球上没有这些气体分子 那么只要一个小小的碰撞 虽然它仍旧受到这里的一点点引力 它们仍然相互吸引 但只要一次小小的撞击 因为在月球表面 没有大气压强 这个家伙就能够逸出液面 直接变成气体 因此降低压强的时候 液体变成气体 甚至固体变成气体 就会容易得多 你可能会说 Sal 那真是个奇怪的概念 固体变成气体 如果压强足够低 这就会出现 我是说 假设这是… 实际上这里可能没有东西 这里可能已经接近真空状态了 你可以由冰… 如果你带着冰在月球上 你处于合适的温度下―― 这可能是摄氏度零下某个温度 我不知道确切的温度是多少 在月球上你携带的冰 会直接由固态变成气态 因为这里是高度的真空状态 这些分子会想 嘿 这有那么多的空间等着我去充实 一旦它们有些许的碰撞 它们就将逸出而变成气体 你可能会说 噢 Sal 那是个特殊的现象 那只发生在月亮上 为了推翻这种看法 我画出了二氧化碳的相图 它环绕在你的身周 我们说话的时候你正在呼出它 你房中的植物应该正在吸收它 但在1atm下 二氧化碳(CO2) 跟水有一个很大的不同 这是1atm下的二氧化碳 一看就知道 这个图画得 完全不成比例 1atm到5atm的距离 跟5atm到73atm的不应该相同 同样地 这里画得也不成比例 这里的距离应该远比这边大 如果我真要按比例来画 我得把这个图延长很多 或者画一个对数图什么的 但不管怎么说 我们来看二氧化碳 这是二氧化碳固体 这是气体 这里是液态二氧化碳 在1atm下… 假设你住在海平面上 例如你在新奥尔良 我猜那可能还略低于海平面 --那是我长大的地方 如果你能把你家冰箱降温到 -80℃ 实际上二氧化碳会凝固 你可能跟它不太熟 但至少你应该去过一些… --我不知道烟雾机用的是否还是它 用以舞台上营造视觉效果 它就是干冰 它就是凝固的二氧化碳 如果你在海平面的大气压下 一旦你升温到 -78.5℃以上 它就升华成为气体了 这个过程 固体直接变成气体 叫作升华 这就是为什么干冰 你看到它的时候 你看不到液态的 或者说你在标准压强下看不见 我就从来没见过液态的二氧化碳 事实上 要得到二氧化碳液体 压强必须升到5atm以上 因此你要把压强 升到海平面的5倍 在地球的自然条件下 你是无法看见的 你可能可以在木星或者土星上看到 那儿有超大的压强 这是由于重力 和头顶的大气的缘故 液态二氧化碳 你可能会在… --我不知道木星是否真的有碳 但你很可能在其它庞大的 气态巨行星上看到 但在地球上 这个过程就被称为升华 一个很利索的词 或 升华 直接从固态变成气态 这个过程是你通过干冰见到过的 现在 这里还有几个有趣的点 你可能已经留意到了 这个点被称为三相点 因为在这里 ――对于二氧化碳来说 5atm和-56℃下 二氧化碳处于 固态 液态和气态之间的平衡 它可能三者都有 只要轻微改变 压强或者温度其中之一 它就会朝一个相态转化 类似地 水的三相点在这里 它的压强远比常压低 这里是0.611kPa 或写成611Pa 也就是5/1000atm 因此如果压强降到5/1000atm 只要温度略高于0℃ 就达到了水的三相点 在此状态下水可以表现为任意一种相态 只要你轻微改变温度或压强 图上另外一个有趣的点 在这里 这叫临界点 听起来很重要 临界点 在这个点 如果你升高温度 或是升高压强 你就会得到超临界流体 听起来很令人兴奋 那么在这个地方 你得到的是超临界流体 那么超高温和超高压下 温度高得它要变成气体 但是压强又太大 让它又只能变成流体 因此它是两者的结合体 事实上 对于水来说 超临界水常被用作溶剂 这是因为 你可以想像一下 它有点像液态水 可以溶解物质 同时温度如此高 它可以扩散进入固体 它可以从你想清洁的任何东西上 溶下任何物质 或者以某种方式溶解盐类 这就是超临界流体 是个很好玩的东西 不管怎么说 我只是想让你们对相图有个了解 之前的所有例子都是在恒压下 然后改变温度 但你也可以换种方式来做 如果现在是100℃ 然后我从… 还是假设在110℃吧 在海平面 显然是气体状态 这是110℃的水 是水蒸气 但如果我要增加压强 我一直增加压强 我挖个洞 或者我潜入大洋 水蒸气将会冷凝成水 或者说它将冷凝成液体 如果我在这个温度下做实验 当我增大压强的时候 我们将看到升华的反过程 我记得我好像把这个词写在哪儿了 我找找看在哪儿 哦 不 我没有 我没写下来 显然它类似冷凝 但这个词我一下子想不起来了 这个词是形容冷凝 或者落到一起的（凝华--译者注） 不管怎么说 我忘了这个词怎么说了 但它会直接由气体变成固体 相图看上去很简洁 但是它们包含了关于不同物质的大量信息 它们能告诉你 压强和温度变化的时候的相变