化學原理啟迪419
Zuhair Murad Couture Fall/Winter 2012/13 FULL SHOW
1.
說明物質的相，最便利的方法，是用溫度和壓力的函數所描繪的數線。舉例來說，水的相圖能指出水在特定溫度和壓力下的相。
2.
我們必須瞭解，相圖描述某個純物質在封閉系統下所處的環境條件和產生的事件（產生的各種相）。在這個圓柱汽缸中，物質無法溢出去，汽缸內也沒有任何容許空氣存在的空間（只有固態或液態水）。
3.
為了解釋如何解讀水的相圖，我們將在不同壓力對水進行加熱實驗。
4.
實驗1 Experiment
1：壓力是1大氣壓1atm。實驗一開始在汽缸內裝滿冰，溫度調控在－20℃，並且活塞將1大氣壓的壓力直接轉嫁在汽缸內的冰上。
因為溫度低於0℃時，冰的蒸汽壓是低於1atm，而1atm是外在環境施加在活塞上的恆定壓力，這種情況下，汽缸內沒有任何的蒸汽。
對汽缸持續加熱，冰還是維持原狀，直到溫度達到0℃，這時冰才因為外加的能量變成液態水。0℃是水的標準熔點。
當所有的固態冰都變成液態水，持續加熱將使得溫度再次上升。至此，汽缸內只有液態水， 沒有任何蒸汽；因為在0℃與100℃（未達100℃）之間，液態水的蒸汽壓低於1atm，1atm是外在環境施加在活塞上的壓力。
繼續加熱直到液體的溫度達到100℃。在100℃，液態水的蒸汽壓是1atm，此時水進入沸騰狀態，液態水變為蒸汽。
100℃是水的標準沸點，液態水變為蒸汽之後，繼續加熱汽缸，蒸汽的溫度也跟著上升，此時，汽缸內只有水蒸氣。
5.
實驗2 Experiment
2：壓力是2.0 torr。（1atm＝760torr）實驗一開始，溫度為－20℃，圓柱狀汽缸內只有冰，經由活塞施加在冰上的壓力是2.0
torr。持續加熱後，溫度上升到－10℃。經由昇華程序，冰直接變為蒸汽。
當冰的蒸汽壓等於外在壓力，就會昇華sublimation。在這個實驗，外在壓力是2.0
torr，在如此的反應條件下，沒有任何液態水。
因為液態水的蒸汽壓大於2.0
torr，所以，在2.0
torr，液體無法存在；如果液態水，在這麼低的壓力下，被放入汽缸中，它會立刻蒸發。
6.
實驗3 Experiment
3：壓力是4.588 torr。同樣地，實驗一開始，溫度為－20℃，圓柱狀汽缸內只有冰，經由活塞施加在冰上的壓力是4.588
torr。
所以，在0.0098℃、4.588 torr條件下，水的三相同時存在。事實上，只有在此條件下，水的三相才會同時存在。
7.
實驗4 Experiment 4：壓力是225 atm。實驗一開始，汽缸內的液體溫度為300℃，經由活塞施加在液態水上的壓力是225atm，因為外在壓力非常高，在300℃下液態水可以存在。
隨著溫度增加，前面三個實驗沒有看過的現象發生了，液體逐漸變成氣體的過程，歷經一個中間流體區域intermediate
fluid region，這個中間流體區域，不是原本的液態水，也不是蒸汽。
8.
上述現象跟低溫低壓下水的表現不一樣，在100℃和1atm條件下，只要溫度維持100℃恆定不變，水便從液態變成氣態；在300℃與225
atm條件下，水的行為反常，因為這樣的環境條件超越水的臨界點critical
point。
9.
臨界溫度critical temperature的定義，臨界溫度是一個溫度標準，高於臨界溫度，無論用什麼壓力，都無法使物質從氣態變成液態。
10.
臨界壓力critical pressure，是在臨界溫度液化物質所需的壓力。臨界溫度和臨界壓力的交集點為臨界點。水的臨界點是374℃和218atm。
11.
特別留意，在這張數線圖，水的液態與氣態的分界點，終止於臨界點（右上方），超過臨界點後，物質從液態的相，變成氣態的相，過程會經歷一個中間流體區域
。
n 翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》；圖片來源／Forums.sailinganarchy.com、 2012books.lardbucket.org
沒有留言:
張貼留言