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视频字幕

我们知道 当物质处于液态的时候 它有足够的动能 使分子之间相互流动 但是能量不足以 使分子 完全相互脱离 所以 例如这是某种液体 可能它们沿着这个方向运动 而这些分子朝这个方向 运动得稍微缓慢一些 所以它们就这样流动 但是它们之间仍有作用力 这些力在不同的分子之间相互转换 但是它们想要相互跟紧 它们之间有这样的键 而且它们想要保持靠近 如果将分子平均动能升到足够高 或者说 就是将温度升到足够高 克服熔化热之后 那么 突然之间 这些键的强度不足以 让它们拉在一起 分子相互分开 物质就变成了气态 然后 它们的动能很大 它们来回乱窜 它们的形状就是其容器的形状 但是这里有些值得思考的有趣的事情 温度就是平均分子动能 也就是说 其实 并不是所有的分子的 动能都是一样的 假设就算是一样的 这些分子可能和这个分子碰撞 你可以把他们想象成台球 它们将所有的动量传送给这个分子 现在 这个分子的动能非常大 而这些分子的动能相对小的很多 这个分子动能很大 这些分子动能相对小 动能分布上差异非常巨大 如果你考察表层原子 或者是表层分子 我关注的是表层分子 因为它们是最早开始汽化的 或者… 我说得太早了 它们如果有足够的动能 就可以离开物体表面 如果我画出表面分子 的分布图―― 我在这里画一个小表格 所以在这个轴上 是动能 在这个轴上 这个只是一个相对浓度 这只是我的最佳估计值 但是你们应该可以理解这个意思 所以对应某个温度 就有一个平均分子动能 对嘛? 这就是平均动能 每个部分的动能 都会在这个平均动能周围分布 所以看起来就是这样的:钟形曲线\N【译者注:钟形曲线,又称正态曲线】 你可以看统计学的视频 来了解正态分布 但是我觉得正态分布―― 这个就应该是正态的 越往这边 值就越小 所以在任何一个特定的时间里 虽然平均值在这里 也有一些分子 动能很小 它们运动得很慢 或者说… 哦 我们就说他们的运动速率很慢 在任意时刻 也有一些分子 动能非常大 可能就是因为这些随机碰撞 使这些分子从其他分子那里获取了动能 它的速率很大 或者至少是动量很大 所以问题就出现了 这些分子的速度够大嘛? 它们有足够的能量可以离开表面嘛? 所以有一些动能… 我在这里画出一个临界值 如果表面的分子的 动能大于这个值 它就有足够能量脱离这个物体 它就有足够能量脱离这个物体 假如这里有个兄弟 它有非常高的动能 但是它要想离开表面 它就需要一路碰撞经过 其他的液体分子才能出去 所以这是一个非常… 实际上 它可能无法溢出表面 所以我们主要关心的是表面分子 因为他们就是那些 和外部压力直接接触的 比如说外围的气体 密度比液体小很多 也不一定 但就先这样假设 这些家伙就是可以 溢出到外部空气中的分子 如果我们假设它上面有空气 所以在任一时刻 有一定比例的粒子 或者是分子可以溢出 那么下一个问题是 这是否就意味着它们可以汽化 或者是说它们可以变为气态? 没错 它们会的 所以在任一特定时刻 就有一些分子从表面溢出 这些分子… 这就是汽化 这个名词对你们来讲并不陌生 如果你把水暴露在空气中 它就会蒸发 即使外面的… 但愿如此 在那个地方 外面的温度低于沸点 或者说水的正常沸点 正常沸点是 在正常压力下(101.325kPa)的沸点 如果你将水暴露在空气中 随着时间的推移 它就会蒸发 这是由于有一些分子 有异常高的动能以至于可以逃离表面 它们确实逃离了 如果你的水壶或者锅放在空气中 或者 甚至是放在室外 有些水分子就会逃逸 然后风一吹 风一吹 这些分子就被吹跑了 然后更多的分子就会逃逸表面 风会把这些分子全部吹走 更多的分子逃逸 风吹啊吹 就都吹散了 所以随着时间推移 你就会发现 这个曾经有水的锅已经空了 现在的问题是 封闭系统会是什么样的情况?\N【译者注:封闭系统,即系统与环境之间\N通过界面只有能量传递,而无物质传递】 我们都做过这样一个实验 无论是不是特意做的 将东西放在外面 观察水的蒸发 如果在没有风可以吹散分子的 封闭系统中 会怎么样? 所以我们来画一画 就是这样的 比如一个封闭系统 嗯… 不一定是水 但是这里有些液体 液体上方的空气带来一定的气压 假设是大气压强 不一定非要这样的 所以就有空气 而且空气也有动能 因此 当然 水分子也有 一些分子开始汽化 一些水分子 分布在这里 它们有足够的能量可以逃逸 所以他们就开始 和空气分子混合 对嘛? 这时有趣的事情发生了 这就是有分子在液态的 动能的分布 那么也有 分子在气态时的动能分布 分子在气态时的动能分布 就像不同的物体 相互碰撞 然后得到或者失去动能一样 同样的事情也发生在这里 所以这个分子可能动能很大 但是他撞到别人 失去了动能 他就会回到原来的位置上 所以这有些分子 我用另一种蓝色画一下 还有一些水… 或者无论是哪种液体 ――就会从气态 回到液态 所以情况是 总会有汽化 同时也总会有冷凝 因为动能的分布 一直都是这样的 在任一时刻 在液体上方的蒸气中 一些蒸气分子失去动能 就会变回液态 有些处在液体表面的分子得到动能 通过随机碰撞或者其他途径 变成气态 液体继续汽化 直到达到了某种平衡 当达到平衡之后 这里就产生了气压 产生了气压 这种气压是由 蒸气粒子产生的 这个压力就叫做饱和蒸气压 我要确保你们都明白这件事儿 这个蒸气压是由… 而它是在某个特定温度下对给定分子 产生的 对吗? 每一种分子 或者说每一种物质 在不同的温度条件下 都有不同的蒸气压 明显的 不同的物质 也有不同的蒸气压 对于一个特定的温度下的一种特定分子 蒸气压就是 在液-气两相平衡时 气相分子所产生的压力 平衡条件也就是汽化的分子 和液化的分子一样多 我们之前说过 压力越大 就越难以发生汽化 对吗? 我们已经在物质相态中学到 如果在超高压和100°C下 而且该物质为水 那么水就会处于液态 所以蒸气会产生压力 而且不会停止 这取决于这种液体有多想汽化 但它会一直汽化 直到它达到了―― 我觉得你可以把它 看作密度 但是我不想这样诠释 直到它 转化成这种相态的分子数目 和转化成这种相态的分子数目相等 这就是蒸气压的直观概念 或者是当有不同的待汽化的分子时 汽化的情况 为什么分子会蒸发? 可能是由于它有很高的动能 所以这可能在高温下 也可能是它们的分子间作用力小 对嘛? 可能是很独立的分子 很明显 稀有气体的 分子间作用力非常小 但是总体来讲 大多数的碳氢化合物、汽油、甲烷 这些东西 它们很容易汽化 因为他们的分子间作用力非常小 例如 比水的小 或者可能是它们的分子比较轻 你可以参考一下物理学课程 但是动能 它是质量和速度的函数 所以如果你的质量很大 速度很小 也可以有非常大的动能 所以如果质量很小 却有同样的动能 那么速度一定很大 你可以看看有关动能的视频课程 但是汽化的物质中 很多的分子―― 我用别的颜色画一下 非常易汽化的物质中 很多的分子 都要变成气态 才能达到平衡 我用一样的颜色画出来 所以汽化了的分子 产生的压力 就要更高 才能达到平衡状态 因此它的饱和蒸气压很高 另一方面 如果温度很低 或者分子间作用力非常强 或者是分子质量很大 这时候它的 蒸汽压就会很低 例如 铁的蒸气压就非常低 因为它基本不汽化―― 让我想想别的 二氧化碳(CO2) 它的蒸汽压相对高 大部分的二氧化碳 都会蒸发掉 我不应该用这个例子 因为二氧化碳 是从液态直接变成固态的 但是你应该明白这个意思了 如果某种物质有很高的蒸气压 非常容易汽化 我们就说 它有很强的挥发性 你可能以前听过这个词 强挥发性 嗯 例如 汽油有比较强的―― 它比水更容易挥发 这就是它汽化的原因 它的蒸气压也很高 因为如果你将它放入 一个密封的容器里 在同样温度和 同样气压下 汽油更容易变成气态 所以 与水相比 汽油的气相要 产生更强的压力来压住 分子汽化的自然倾向 当蒸气压 和大气压力相等的时候 有趣的事情就发生咯 现在 有一个封闭容器 这里的大气压强 一定 那么现在 我们假设大气的 压强比较高 在很大程度上 可以束缚这些分子 可能有些大气分子 从这里进来 可能有些气体分子 跑出来了一点 但是外部大气仍然束缚着这些分子 因为外部的大气压 比蒸气压高 当然 这里的压力 也就是液态分子表面的压力 是不同部分的压力的组合 是不同部分的压力的组合 一部分来自一些进入的大气分子 还有一部分是蒸气压 但是一旦蒸气压 和大气压相等 那么用同样大小的力 可以将这些分子压出―― 你可以把它看做单位面积上的力―― 然后这些分子就开始散开 也可以将大气分子压回去 所以这里就有了一个空隙 也就是说出现了真空 我不想用真空这一个词 但是鉴于分子已经跑掉了 这里越来越多的分子 也开始跑出来 这时候 就达到了 物质的沸点 这时蒸气压 等于大气压 为了理解这一现象的本质 我们来看看水的蒸气压 这就是水 H2O 我应该用黑色来写 你看 在760―― 也就是在常压下 我们用托作为单位 它只是个不同的单位 ――760Torr 等于一个大气压(101.325kPa) 差不多 这里差不多了 也就是一个大气压 所以在常压下 水在100°C时的蒸汽压 ――水的蒸气温度是100°C 我想应该换一种说法 100°C时 现在蒸气压为760Torr 也就是大气压 或者说在海平面的常压 所以在100°C的时候 蒸气压等于大气压 或者说是海平面大气压 然后水就会沸腾 这一点我们都很清楚 如果温度降低一点 水的蒸汽压 就会 比大气压力低 对嘛? 看这里 应该是300左右 然后会发生什么? 如果你将压力降低到足够低 如果你将容器中的空气抽走 或者其他方法 这样你将气压降低到 和这个蒸气压相等 这样 水就会再次沸腾 从相图中我们知道 你可以使某种物质 在较低的温度下沸腾 如果你降低气压 因为你将气压 降低到了 这种物质的蒸气压 这有个对比的图 很有趣的 我们可以看到 随着温度的升高 蒸气压呈指数形式上升 这是因为 想想 我们之前画的分布图 这是在动能一定的情况下 如果动能增加 这时的分布就会变成这样 温度增加 那么就有很多很多… 这个关系不是线性的 就有很多的粒子 可以逃逸 很多的粒子有足够的动能可以汽化 你会发现 随着温度的升高 蒸气压指数上升 我们来看另一个图 你可能会说 喂 哪儿有指数式上升? 因为这是个对数图 你可以看看比例 这个图中的线性递增相当于指数式递增 所以从0.1升高到10 相同的距离 实际上是增加了10倍 所以你看不到对数那样递增 但对于不同的物质情况也不同 丙烷(C3H8) 在一个特定的―― 我们先拿一个正常点的温度 假设20°C 在20°C时 丙烷的蒸气压最高 相当于一个大气压 那么丙烷会汽化 实际上是丙烷会在20°C沸腾 它完全沸腾 然后变为气态 因为它的蒸气压远远高于 大气压 当然前提是我们在海平面上 你可以用这方法来研究不同的分子 下一个是一氯甲烷(CH3Cl) 它的蒸气压稍微低一点 但它依然易挥发 20°C时 它绝对会沸腾 变为气态 当然也是在海平面上 因为海平面在这里 嗯… 在海平面上 如果你想要保持―― 海平面的压力是这个―― 如果你想… 比如说 一氯甲烷 如果你想让一氯甲烷 保持在液态 或者是液-气平衡 而不沸腾 你至少要在这个附近 ――这是多少? 不沸腾要让温度在25°C以下 即使在25°C以下 丙烷仍然是气态 因为它的蒸气压比较高 然后 当然 例如 我们来看丁烷(C4H10) 我记得丁烷经常被用作打火机的油 因为在0°C左右 丁烷就处于液态了 可以说 在打火机里… 哦 它是液态的 他们可能加了压 所以打火机里的压力 可能比较高 可能是在2个大气压左右 所以在室温下 丁烷是液态 谁知道呢? 我也不了解打火机里的压力是多少 这是个很有趣的图 这里有一串 不同的蒸气压 你会发现 在常压下 不同温度下 哪个物质最可能是气态或者液态 然后你会发现 在不同的温度下 哪些物质更容易挥发 你需要增加 或者降低多少压强 才能使其蒸发 或者沸腾 无论如何 希望这些对你有用 蒸气压是 我们每天都能接触到的东西 下个视频见