為何當水的飽和蒸汽壓與大氣壓恰好相同時,水才會開始沸騰?
請描述原理,不要因為規定了A=B B=C 所以A=C這種。
我可以分別理解飽和氣壓和大氣壓。
100度沸點時,大氣壓不能維持水的液體形態,所以如果持續加熱水會全部變成氣體再升溫。
當環境氣壓升高,比如高壓鍋,此時有更高的氣壓來維持液態水,所有會有100度+的液態水。
關於飽和氣壓是,某一溫度時液態和氣態水的平衡狀態下,氣態水的分壓,也就是100%相對濕度。
當相對濕度不到100時,蒸發汽化大於凝結液化,不考慮表面吸附的話,液體總會蒸發乾凈。
以上理解應該都沒錯的話,那100度時的飽和水蒸氣壓力為什麼就正好等於大氣壓呢?無法想像物理情景。空氣中的水汽分壓等於總體大氣壓,是不是意味著空氣里只有水蒸氣沒有別的其他氣體?這與沸騰又有什麼關係呢?為什麼正好這個溫度會是沸點?沸點應該是與外界氣壓有關係的,為什麼會和水汽分壓正好相等?
因為100度的飽和氣壓是比較抽象的概念,大氣壓又是比較現實的,無法聯繫起來。
如果再加熱會怎麼樣?大氣壓、水汽分壓、液體水、氣體水分別會有什麼變化?
最好能從動態到平衡再到動態來描述一下。
其實很難用一句話概括題主的問題,讓我們慢慢來吧。
第一個問題:水為什麼會在100攝氏度才開始沸騰?
這是題主的原問題,也是很好回答的,正如 @許韋浩 回答的那樣,攝氏溫標的定義就是把一個標準大氣壓下水的沸點定義為100攝氏度。
我們可以假想一個裝了水的密閉容器,開始在一定溫度下,起初汽化過程佔優勢。隨著汽化的分子增多,空間中水蒸汽的濃度變大,會使分子返回液體中的凝結過程加劇。到一定程度時,雖然汽化和凝結都在進行,但汽化的分子數與凝結的分子數處於動態平衡之中,而空間中蒸汽的分子數目不再增加,這種動態平衡的狀態,我們稱之為飽和狀態。在這一狀態下的溫度稱為飽和溫度。由於處於這一狀態的蒸汽分子動能和分子總數不再改變,因此,壓力也確定不變,稱為飽和壓力。飽和溫度與飽和壓力是一一對應的。處於飽和狀態下的氣態蒸汽稱為干飽和蒸汽,簡稱飽和蒸汽。
以上摘自《工程熱力學》第六章:水蒸汽,第二節:汽化與飽和
第三個問題:外界壓力及溫度如何影響水的汽化過程?
首先要明確的一點是,汽化分為兩種,在表面上進行的是蒸發過程,在液體表面和內部同時進行的是沸騰過程。外界壓力主要影響前一種,即水的蒸發過程。對於靜置於大氣中的一杯水,其液體表面不斷有水汽化變為水蒸氣逃逸到空氣中,相反地,空氣中的水蒸氣也會不斷凝結液化返回水中,當這兩個過程達到平衡的時候,滿足大氣中水的分壓等於該溫度下的飽和蒸汽壓。比如說,在室溫為25℃的時候,查表可知,水的飽和蒸汽壓約為2kPa,那麼水在大氣中的分壓即為2kPa,這相當於相對濕度為100%時,每立方米大氣中有17.3g水蒸氣。
我想了一下,結論可能是沒有直接關係。應該是水自身壓力和溫度達到了飽和狀態的時候,開始發生相變,然後導致沸騰的發生,而並非外界壓力怎樣變化直接導致了水的沸騰。當然,具體的沸騰機理並非熱力學的討論範疇之內,但我傾向於是水自身的參數變化導致的沸騰,否則就無法解釋為何在99攝氏度的時候,飽和蒸汽壓接近於一個大氣壓的時候,水不發生沸騰,而只是強烈地蒸發了。最後這一點,可能才是題主想問的,恐有紕漏,歡迎討論,最後附一張水的相圖吧:
0618更:222Mperson的觀點是對的,沸騰是一個動力學問題,不是單純地可以用熱力學知識如水的三相圖來解釋的,這裡附一張沸騰曲線圖供參考:
這裡展示了一個燒水的過程,橫軸是鍋的溫度與水沸點溫度的差值,縱軸是熱傳導速率,不同的階段代表了沸騰的不同過程,先後經歷了泡核沸騰、過渡沸騰及膜式沸騰三個階段,再多我就不知道啦~
首答能得這麼多贊,我很開心啊。至少破10了。
本次修改優化了部分術語,符號以及語言。
以下是原答案。
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簡單說一下,詳細推導請看後文。沸騰即液體內部產生大量氣泡。(忽略水壓,張力等干擾因素,一般情況下這些力的影響都很小)
:水的飽和蒸汽壓
:氣泡內部壓強
:外界氣壓(即大氣壓)
氣泡產生的條件:
(氣泡內部壓強小於等於飽和蒸汽壓)
(氣泡內部壓強大於等於外界氣壓)
兩個不等式聯立可以得出,(外界氣壓小於等於飽和蒸氣壓時),液體內部會產生大量氣泡。
由於在浮力作用,氣泡上升至液體表面並爆裂,也即沸騰。
以下是具體的推導過程。
對於這個問題,當年我學物理競賽時,曾與基友產生了激烈的討論,最後終於想通了。
首先,需要明確的是,蒸發一般是發生在液體表面平靜的汽化過程,而沸騰是發生在液體內部的劇烈汽化。
飽和蒸汽壓:當某種物質同時以氣態和液態的形式存在於密閉空間中,分子熱運動達到平衡時,該物質的氣壓。因為的分子熱運動的劇烈程度會隨溫度變化,所以飽和蒸汽壓亦會隨之變化。
分子熱運動的平衡狀態:在相同時間內,有A數量的氣體分子運動到液體中(因為氣體分子總是做無規則運動),同時有數量A的液體分子蒸發離開液面。該物質的氣態分子數量與液態分子數量保持不變的動態平衡。
根據以上定義,我們不難推出,當(該氣體的氣壓大於飽和蒸汽壓)時,液化速率大於汽化速率。小於時,則相反。(如果有其他氣體存在的情況下,僅考慮該氣體)
接下來進入正題。
我們知道,在100攝氏度時,外界大氣壓的數值正好等於水的飽和蒸汽壓的數值,但我們知道大氣是混合氣體,水蒸氣僅佔0~4%。根據道爾頓分壓定律,可以算出水蒸氣產生的氣壓遠小於此時水的飽和蒸氣壓的。在這種情況下,液體表面的水分子會不斷蒸發。當然,這種情況也只限於表面。
之前說過,沸騰是發生在液體內部的劇烈汽化過程。液體內部是密閉的,即不存在其他氣體(就算有也很少),可以認為液體內部產生的氣泡中的氣體是純凈的水蒸氣,液體與液泡之間的汽化與液化,可以理解為一個動態平衡的過程。
因為幾乎不存在完全純凈的水,水中的經常存在小氣泡(因為氣泡極小,張力不可忽略)依附於雜質上。
對於一個穩定的氣泡而言,任何時刻,()氣泡內部汽壓必定小於或等於其飽和蒸氣壓(如果大於,液化速率大於汽化速率,氣體分子減少,氣泡逐漸變小,直至(
)。如果小於,汽化速率大於液化速率,氣體分子增多,氣泡逐漸膨脹,直至(
))
隨著溫度升高,水蒸氣的飽和蒸汽壓也隨之升高,因為,水分子會不斷汽化,並在氣泡中累積,氣泡內部氣壓不斷增大,以達到氣泡內部分子熱運動的平衡(張力在這個過程中的作用會越來越小)。
當溫度上升至100攝氏度時,奇蹟發生了。水的飽和蒸汽壓基本等於外界大氣壓(,其實是略大於),同時因為分子熱運動總是趨於達到動態平衡,氣泡內部氣壓等於水的飽和蒸汽壓(
)。結合兩個不等式可以推出,(
)氣泡內部氣壓基本等於外界大氣壓(其實是略大於),此時氣泡開始劇烈膨脹並且劇烈汽化(因為膨脹導致內部壓強降低,內部壓強降低導致汽化,汽化導致膨脹,形成了一種正反饋)。
氣泡在浮力作用下會不斷上升,直至水面,爆裂,最後釋放出水蒸氣。
這是我第一次回答,希望題主能夠滿意,我寫了將近一個小時。注意區分概念不要糾纏到一起
100度水氣化是熱力學相變、相平衡
沸騰是動力學過程依賴於熱源、溫差等等,搜索「沸騰曲線」
想想水浴加熱怎麼回事,有助於理解沸騰和相變的區別。
題主所提問題的關鍵在於,如何區分蒸發和沸騰兩種物理過程。為了從簡考慮,如無說明,均只考慮純水未溶解空氣成分的情況。
一,蒸發過程實際上是液態水與空氣接觸界面上,水分子逸出和凝結過程的競爭,而此過程與氣態水分壓有關,和氣體總壓關係不大。
二,沸騰過程則完全不同,與蒸發過程最重要區別在於,沸騰過程發生在液體內部,因此其實相變的反應面是液態水/氣態水。形成氣態水氣泡的過程是一個動力學過程,只有氣泡內的壓力不小於其動力學阻力才能長大,這個動力學阻力等於該氣泡所在位置的靜壓力+表面張力,靜壓力則等於大氣壓強+靜水壓,對於大多數沸騰過程而言,可以忽略靜水壓和表面張力的影響,而可以近似認為沸騰過程中,氣泡維持的條件是氣泡壓力等於大氣壓。因此發生氣泡界面上的相變過程,則應以該壓力為條件,由於氣泡壓力完全由氣態水提供,所以氣泡相當於飽和水蒸汽,而此壓力下的飽和溫度條件就是沸點。
本回答建立在題主對「飽和蒸汽壓」的概念和表面張力的概念都已理解的基礎上。
一般液體內都已溶解有一些氣體,姑且稱為氣體a,會依附在容器壁上或在液體內部。
研究小氣泡的力學平衡。水蒸氣會由於蒸發進入氣泡,所以內部有「氣體a的壓強」加上「水蒸氣壓強」,外部有水壓,以及表面張力帶來的壓強。
溫度升高——&>飽和蒸汽壓增大——&>為了維持平衡,氣泡膨脹,增大體積。
但是,當飽和蒸汽壓等於外界壓強時,無論怎麼增大體積都無法維持平衡,體積劇烈膨脹,氣泡飛快上浮,形成沸騰
不過你可能有疑問,氣泡在水中時,所謂「外界壓強」是此處水壓,並不是外界大氣壓。
回答是,1.水深1米處,水壓不到大氣壓1/10。2.氣泡終會上浮。
所以說:液體飽和蒸汽壓等於或超過液體上方氣壓時,液體就會沸騰。設想室溫下有一個恆容的密閉容器,裡面只有水,沒有空氣等其它任何物質,那麼此時的狀態應是液體水與水蒸汽處於動態平衡,在三相圖中表現為氣液線與T=298K(室溫25度)溫度線的交點處,且水蒸汽的壓力即為室溫下水的飽和蒸汽壓。
有了以上的基本假設後,我們可以操作了。
設想對容器加熱,假設溫度升高了1度,那麼水的狀態將沿著三相圖中的氣液線向上稍微移動,注意是沿著氣液線向上移動,此時仍是液態水與蒸汽處於兩相動態平衡。
那麼,加熱的過程發生了什麼呢?部分液體水吸收熱量變為了氣態。
如果持續對容器加熱,水將持續吸熱,不停的由液態轉化為氣態,狀態一直沿著氣液線向上移動。
當溫度升到某個溫度T時,氣相的壓力即飽和蒸汽壓恰好等於大氣壓1atm,規定此時T=100攝氏度。
由於我們題設中的容器為恆容密閉容器,此時儘管加熱到了100度,水的狀態依然是氣液兩相動態平衡,即使加熱到101度,亦是如此,並不沸騰。
我們再考慮另外一種情形,假設此時容器中水的溫度為100度,氣液兩相平衡,兩相的化學勢相等,氣相壓力為1atm。容器突然由恆容密閉容器變為恆壓密閉容器(外壓恆定為1 atm),繼續對容器加熱,液體水吸收熱量,溫度升高,化學勢降低,氣態水也吸收熱量,溫度升高,化學勢也降低,但降低的量比液體水降低的量大。也就是說,繼續加熱後液體的化學勢大於氣態的化學勢,那麼液體水將全部變為氣態,沒有殘餘。表現為,在100度時對水加熱會沸騰。
之前複習總結了些相關內容,貼出來大家一起討論討論
強烈反對高票物競同學答案。水沸騰時不一定會產生氣泡。這個在許多學科里有提到。產生氣泡不是因為水沸騰。
我認為是這樣的。水在一百攝氏度時沸騰。在加熱過程中水氣化,蒸氣增多使上方飽和蒸汽壓不斷上升,沸騰時水繼續氣化。飽和蒸汽壓繼續增大,最大和外界壓力相等。
如果大於外界壓力,水蒸氣會擴散至大氣中去,反之若不擴散,飽和蒸汽壓會繼續上升這就是高壓鍋。上述說明敞口容器沸騰會導致飽和蒸汽壓等於外界壓力。
那麼飽和蒸汽壓和外界壓力相同是是否一定沸騰呢,我認為是這樣的,液體上方飽和蒸汽壓等於外界壓力時為了維持這個壓力,液體必須不斷的蒸發,不管什麼辦法只要能維持這個氣液平衡就行,目前來看只能升溫,也不一定要整體的溫度很高。局部很高也行,所以有過冷,過熱一說。但是即使就局部而言也是在一定溫度下發生了大量的氣化,我覺得可以稱之為沸騰。
蒸汽壓是指一定溫度下,液體和它的蒸汽處於平衡態時的蒸汽所具有的壓力,而在蒸汽壓等於外壓的時候,汽化不僅在液面進行,而且也在液體內部進行,結果就使大量的氣泡從液體內部湧出來而沸騰
飽和蒸汽壓是當前溫度下氣體揮發的能力,也就是氣體能夠達到的最大壓強。100℃的水,蒸汽能產生約101kPa的壓強,如果外壓只有101kPa,那麼水在加熱時,溫度不斷上升,我們知道飽和蒸汽壓與溫度正相關,那麼當水的飽和蒸汽壓等於外壓時,或略大於外壓時,水蒸氣就不受外壓的束縛,力學上水蒸氣壓強稍大於外壓,這將導致水大量氣化,直到溫度下降到略低於100℃,最終的結果是穩定在100℃。如果體系是封閉的,如高壓鍋,溫度升高時,高壓鍋內氣相的壓強會增大,這部分壓強加上外壓101kPa等於總外壓,如果飽和蒸汽壓大於總外壓,水就會沸騰,所以高壓鍋中水的沸點會升高。
沸騰與相圖沒那麼多聯繫,相圖只表示相平衡狀態,但沸騰是個力學平衡,前者用化學勢衡量,後者用壓強衡量。
當相對濕度不達到百分之一百時,會持續蒸發,這點不能苟同。氣液兩相的平衡與濕度聯繫不大,相平衡的理論吉布斯已經解釋得很清楚,化學勢相等就達到相平衡,不相等時,會向化學勢更低的狀態轉化。
個人認為有必要先清楚沸騰究竟是怎麼回事~
對比來說、一個小液滴(足夠小)和一鍋水都達到了各自的沸點(克克方程、外界壓力等於蒸汽壓)、那麼鍋里的水會沸騰、但小液滴不會~沸騰是由於表面張力造成了生成小氣泡時的蒸汽壓大於外界壓、隨著氣泡長大、張力迅速減小、長大後氣泡麵溫度高於了對應外壓下的沸點、氣化加速直到再度接近平衡、於是有了沸騰的現象~~可以說、沸騰是一種後過熱的產物~
那麼為什麼一鍋水不能像那小液滴一樣均勻氣化呢?~事實上是可以的、只要保證受熱均勻、且加熱功率等於只進行沸點下均勻氣化的消耗功率、就不會出現沸騰現象~但是這個功率通常很小、且難以正好相等、那麼稍大一點則多餘的需沸騰來釋放、稍小一點則達不到沸點、放棄治療~~
總之、沸騰和蒸汽壓等於環境壓力並不是完全可以劃等號的、這樣至少就忽略了一種特殊的到達了沸點(壓力相等)但不沸騰的特殊情況~
想想都覺得液體的存在真是令人髮指……從根本上的嘗試也是有的、比如量子化學裡算水的沸點也是醉了、有種去算液氦的說……個人感覺都是yy……
當液面沒有空氣的時候,就出現沸騰。此時飽和蒸汽壓等於大氣壓,不論海拔高度都一樣。
鍋爐水要除氧處理,就是水在某個真空下沸一騰,使水面空氣趕跑,從而水中的各種被溶解的氣體就跑出來了。
道爾頓分壓定律與亨利定律,微觀上的機理都一樣。
因為100攝氏度的定義就是一個大氣壓下水的沸點……
看選修3-3第九章想到這個問題
於是決定根據理解嘗試寫一個簡潔一些的回答。
可能會有不太對的地方。
首先,需要知道飽和氣壓、沸騰等的定義。
然後理解氣泡在水中穩定存在(大小不變)的條件是 氣泡內壓強=水的飽和氣壓(氣泡內為飽和汽,氣體和液體之間達到了動態平衡)。
觀察圖9.3-3可知水的飽和氣壓(Ps)與溫度(t)變化呈正相關。如溫度升高,水的飽和氣壓也升高,於是 氣泡內壓強<水的飽和氣壓(這時氣泡內的氣體又成了未飽和氣,以後又要向趨向於平衡狀態變化)。
對於氣泡內的氣體 汽化速率>液化速率(汽化吸熱,然後趨於平衡狀態),氣泡體積因此變大,氣泡所受浮力變大,氣泡浮出水面釋放水蒸氣(大氣壓=氣泡內壓強),即沸騰。這時大氣壓=氣泡內壓強=水的飽和氣壓。
如果加熱到60℃時,水蒸氣分壓力=飽和蒸氣壓,這個時候水會沸騰嗎?
如果不會,那為什麼?
這麼理解吧:
在小於100攝氏度的情況下,水也會發生氣化。
但是氣化只能發生在水和空氣接觸的表面,不能在內部再「擠出」一個氣相來,也就是不能產生氣泡。
為什麼呢?
因為此時水的飽和蒸氣壓小於1atm。
這意味著,如果水的內部產生了氣泡,就算不考慮表面張力的影響,氣泡內的水蒸汽的壓力應該是等於水的飽和蒸氣壓,也就是說小於1atm。
現在水可是和大氣接觸的呀,因此水面以下的壓力肯定不會小於1atm。
所以這個氣泡是「擠不出來」滴。
到了100攝氏度,也就是「沸點」。
這時候氣泡內的氣壓可以達到1atm了,也就是和液面上的壓力一樣了。
這時候考慮到各種隨機因素的波動,就會在液面下咕嘟咕嘟的冒泡了,也就是「沸騰」。
當然,還有「過熱現象」。
看這個問題吧:為何會出現過熱現象,而且 過熱現象 的定義里要強調用內壁非常光滑的容器加熱呢? - 化學
不過感覺都沒完全點透的樣子
這是內部大量氣化的前提,恰好我們也是這樣定義沸騰的。
水分子不斷隨機運動,分子動能存在一個分布,平均分子動能由溫度表示。總會有一部分分子動能足夠大,離開液體表面形成氣體。氣體分壓(濃度)增大,分子碰撞幾率增加,重新形成液體,平衡時液面上方氣體分壓達到飽和蒸氣壓。
隨著溫度升高,動能大的分子佔比增加,液態分子變成變為氣態的概率增加,這就需要更高的氣體分子濃度來平衡,於是飽和蒸氣壓增大。
當飽和蒸氣壓等於外界壓力時,液面上方完全由氣態水分子佔據。此時若繼續提供能量,因為分壓已經等於總壓,氣態分子濃度無法繼續增加,變為氣體的分子數就會超過回到液體的分子數。由於加熱提供的能量被這些分子帶走,液體溫度無法繼續上升。這個溫度就是所謂沸點。
總結:飽和蒸氣壓等於大氣壓時,液體溫度無法繼續上升,加熱的能量只被用於氣化而沒有用於升溫。
而沸騰現象,則如其他答主所說,是一個動力學過程,其劇烈程度與加熱功率有關。
題主認為飽和蒸氣壓不應該達到總壓,那是因為你沒有考慮到這是一個開放系統,液體表面確實應該全是水蒸氣,只是由於擴散,水分子往上運動過程中遇到空氣分子,溫度和分壓降低,重新凝結為液態,形成我們能看到的水汽。在一個完全封閉的容器中(高壓鍋並不完全封閉),如水熱釜,液體溫度和氣壓會不斷增大,而不存在沸點。
大家說都很好,只是為了解釋為何沸點時飽和氣壓正好等於外界氣壓,我試圖想像了一個模型,大家看是不是合理。
假設一個類似活塞的理想封閉容器,是完全隔熱的,活塞保證容器內外壓力相等,也就是一個標準大氣壓。令容器內裝滿液體水,沒有其他氣體。
1首先讓容器內的水達到沸點,由於沸騰要吸熱,在沒有熱交換的情況下,將會保持為沸點溫度的液態水。
2此時,給予液態水一些熱能,比如微波之內的。會有一部分比例水變為氣態。此時,沒有後續的熱交換,兩者比例保持不變,氣態水在上層,液態水在下層。液態水和氣態水動態平衡,氣態水的氣壓就是沸點時的飽和蒸汽壓。根據這個理想容器的設定,這時氣態水的氣壓等於外界大氣壓。
3在後續給予熱量過程中,氣態和液態的比例變化,而由於飽和蒸汽壓等於外界氣壓不變,對應的溫度也不變,也說明了相變完成之後,溫度才會繼續隨著熱能增加而升高。
4最終全部變成氣態水,壓強依然是外界氣壓。繼續給予能量,此時沒有氣相液相平衡,也就不存在飽和蒸汽壓,水蒸氣溫度上升,容器內壓力依然是外界氣壓,而溫度上升後飽和蒸汽壓也增加,此時容器內的氣壓小於飽和蒸汽壓。不過因為沒有液相水的存在了,此時的飽和蒸汽壓也沒有意義。至少在這個模型里是沒有意義的,因為不會出現更高的氣壓。
5反證一下,假設沸點時的飽和蒸汽壓不是『恰好』等於,而是低於外界氣壓,在這模型里會發生什麼?以上1和2沒有問題,3中當氣態水開始出現時,容器內氣壓等於外界氣壓大於飽和蒸汽壓,水的液化大於汽化,氣態水又變為液態水,液化放熱,熱量被吸收產生新的氣態水。看似是動態平衡,但是注意若是動態平衡,容器內氣壓應該是是飽和蒸汽壓,與外界氣壓相等。與假設相悖。
6同理,假設沸點時的飽和蒸汽壓是『大於『外界氣壓,3中當氣態水開始出現時,容器內氣壓等於外界氣壓大於飽和蒸汽壓,水的汽化大於液化,液態水不斷變成氣態水,汽化吸熱,容器內溫度低於沸點,再次回到平衡。
表述比較差,見諒,請各位專家多指正~
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