高中物理必备知识点：饱和汽和饱和汽压 7页

第 3 节 饱和汽与饱和汽压 目标导航 1．知道汽化及汽化的两种方式和其特点。[来源:Z*xx*k.Com] 2．理解饱和汽与饱和汽压，能从分子动理论的角度解释有关现象。 3．理解空气的绝对湿度和相对湿度，并能进行简单计算。 4．了解湿度计的原理。 诱思导学 1．汽化：物质从液态变成气态的过程叫做汽化。 汽化有两种方式：蒸发和沸腾。其比较如下表： 2．饱和汽与饱和汽压 （1）饱和汽：与液体处于动态平衡的蒸汽叫做饱和汽。没有达到饱和状态的蒸汽叫做未饱和汽。 （2）饱和汽压：在一定温度下，饱和汽的压强一定，叫做饱和汽压。未饱和汽的压强小于饱和汽压。 友情提示： A:饱和汽压只是指空气中这种液体蒸汽的分气压，与其他气体的压强无关。 B:饱和汽压与温度和物质种类有关。 3．空气的湿度 （1）空气的绝对湿度：用空气中所含水蒸气的压强来表示的湿度叫做空气的绝对湿度。 （2）空气的相对湿度：空气中水蒸气的压强（P1）与同一温度时水的饱和汽压(PS)的比值叫做空气的相 对湿度。即空气的相对湿度(B)为： B=(P1/PS)×100% 友情提示：空气的湿度是表示空气潮湿程度的物理量，但影响蒸发快慢以及影响人们对干爽与潮湿感受 的因素，不是空气中水蒸气的绝对数量，而是空气中水蒸气的压强与同一温度下水的饱和汽压的差距。所以 与绝对湿度相比，相对湿度能更有效的描述空气的潮湿程度。 4．湿度计[来源:学科网] 过去常用的湿度计有干湿泡湿度计和毛发湿度计，现代湿度计多使用传感器测量湿度。 典例探究[来源:学科网 ZXXK] 例 1 有甲、乙、丙三支相同的温度计，其中一支不准确，将甲放在空气中，乙放在密闭 的酒精瓶中，将丙放在开口的酒精瓶中，过一段时间，三支温度计的示数都是 22℃则 （ ） A．甲不准确 B．乙不准确 C．丙不准确 D．不能判定哪支不 准确[来源:学&科&网] 解析：蒸发吸热，液体本身的温度要降低，甲温度计上无液体不存在蒸发现象；乙放在 密闭的酒精瓶中，蒸发受阻不能进行，故温度计的示数与周围环境的温度相同，应准确；丙 在开口酒精瓶中，酒精蒸发吸热，酒精温度应降低，所以应低于 22℃，故丙不准确。 答案： C. 友情提示：蒸发吸热是我们在生活中经常利用的物理知识，你能举出它的一些实际应用吗？ 例 2 关于饱和汽，正确的说法是 （ ） A．在稳定情况下，密闭容器中如有某种液体存在，其中该液体的蒸汽一定是饱和的 B．密闭容器中有未饱和的水蒸气，向容器内注入足够量的空气，加大气压可使水汽饱和 C．随着液体的不断蒸发，当液化和汽化速率相等时液体和蒸汽达到的一种平衡状态叫动态平衡 D．对于某种液体来说，在温度升高时，由于单位时间内从液面汽化的分子数增多，所以其蒸汽饱和 所需要的压强增大 解析：在饱和状态下，液化和汽化达到动态平衡，即 达到稳定状态，所以 AC 正确；液体的饱和汽压与 其温度有关，即温度升高饱和汽压增大，所以 D 正确；饱和汽压是指液体蒸汽的分气压，与其他气体的压强 无关，所以 B 错误。 答案：ACD 友情提示：饱和状态是一种动态平衡状态，要注意用分子动理论的知识来理解它。 例 3 气温为 10℃时，测得空气的绝对湿度 p=800Pa，则此时的相对湿度为多少？如果绝对湿度不变， 气温升至 20℃，相对湿度又为多少？(已知 10℃时水汽的饱和汽压为 p1=1.228×103Pa，20℃时水汽的饱和汽 压为 p2=2.338×103Pa) 解析：10℃时水汽的饱和汽压为 p1=1.228×103Pa，由相对湿度公式得此时的相对湿度： 20℃时水汽的饱和汽压为 p2=2.338×103Pa，同理得相对湿度：[来源:学科网 ZXXK] 答案： 65.1% ； 34.2% 友情提示：由计算可知，绝对湿度不变时即空气中水汽密度不变，温度升高，它离饱和的程度越远，人 们感觉越干燥；掌握相对湿度的公式，体会相对湿度与绝对湿度的区别与联系。 课后问题与练习点击 1．解析：因为天气潮湿，空气中水蒸气的密度大，水蒸气接近饱和，蒸发变慢，所以衣服不容易晾干。 2．解析：液面上部的蒸汽达到饱和时，仍然有液体分子从液面飞出，但此时单位时间内从液面飞出的液体分 子和从蒸汽中回到液体的分子个数相同，所以从宏观上说，蒸汽的密度不再增加，蒸发停止。 3．解析：在饱和时，单位时间内从液面飞出的液体分子和从蒸汽中回到液体的分子个数相同，但温度降 低时，液体的分子平均动能减小，单位时间内从液面飞出的液体分子数少于从蒸汽中回到液体的分子个数， 所以蒸汽的分子密度减小，压强减小，直至达到新的平衡。4．解析：雾珠是在玻璃的内表面上，因为室内空 气的温度高，但室外的温度低，所以玻璃的内表面处的空气的温度较低，若温度降低使水蒸气达到饱和，便 会在玻璃上凝结成雾珠。 5．解析：查表可知 25℃时水蒸气的饱和汽压为 PS=3.2×103Pa 所以由相对湿度的公式得 B=(P1/PS)×100%= 3 3 3 10 3.2 10   ×100%=93.8% 即空气的相对湿度为 93.8% 6．解析：查表可知 30℃和 20℃时水蒸气的饱和汽压分别为 p1=4.2×103Pa ， p2=2.3×103Pa 所以空气的绝对湿度为 p= p1×60%=4.2×103×60%=2.5×103Pa 因为 P 大于 P2 ,所以空气中的水蒸气不会成为饱和汽。 基础训练 1 ． 下 列 说 法 中 正 确 的 是 ( ) A．冰在 0°C 时一定会熔化，因为 0°C 是冰的熔点 B．液体蒸发的快慢与液体温度的高低有关 C．0°C 的水，其内能也为零 D．冬天看到嘴里吐出“白气”，这是汽化现象 2 ． 关 于 液 体 蒸 发 和 沸 腾 的 比 较 ， 下 列 哪 句 话 是 错 误 的 （ ） A．蒸发和沸腾都属汽化现象 B．蒸发能在任何温度下发生，沸腾只在一定温度下发生 C．蒸发和沸腾在任何温度下都可以发生 D．蒸发和沸腾都要吸收热量 3 ． 关 于 饱 和 汽 及 饱 和 汽 压 的 正 确 结 论 是 ( ) A．密闭容器中某种蒸汽开始时若是饱和的，保持温度不变，增大容器的体积 ，蒸汽的压强一定会减小 B．对于同一种液体，饱和汽压随温度升高而增大 C．温度不变时，饱和汽压随饱和汽体积的增大而增大 D．相同温度下，各种液体的饱和汽压都相同 4．干湿泡湿度计上两支温度计的读数一定 （ ） A．相同 B．湿的比干的小 C．湿的比干的大 D．题给的条件不足，无法确定 5．两个托里拆利管倒立在水银槽中，甲管上端有空气，乙管上端是真空。现在把 两种液体分别导入这两 个管中，水银柱上端各略有少许未蒸发的液体。这时，两个水银柱的高度相同。问哪一个管中的液体的饱和 汽压值较大？请说明理由。 6．饱和汽的密度怎样随温度而变化？饱和汽的压强怎样随温度而变化？为什么这样变化？ 7．解释下面的现象：密闭容器中装有少量液态乙醚，当容器的温度升高时，液态乙醚逐渐减少；容器升 高到一定温度时，液态乙醚消失；容器冷却时，容器中又出现液态乙醚。 8．把密闭室中的温度升高，室内的水蒸气是否会减少，人们在室中为什么会感到干燥？ 9．某食堂的厨房内，温度是 30°C，绝对湿度是 P1=2.1×103 帕，而这时室外温度是 19°C，绝对湿度是 P2=1.3×103 帕。那么，厨房内外空气的相对湿度相差多少？在厨房内感觉潮湿 ，还是在厨房外感觉潮湿？ （30°C 时水的饱和汽压为 P3=4.2×103 帕，19°C 时水的饱和汽压为 P4=2.2×103 帕） 多维链接 1． 不烫手的“开水” “开水”常常与“烫手”联系在一起，这是由于在通常情况下开水的温度高达 100℃，远比 皮肤的温度高。但是，当你在高山上烧水时，明明看到水沸腾了，却不一定烫手。在海拔 3km 的高原，水的沸点为 91℃；在海拔 6km 的山上，水的沸点为 80℃；而在海拔 8848m 的珠穆朗 玛峰，水的沸点只有 72℃。在几万米的高空，水的沸点居然会低到 11～18℃，那里“开水”的 温度，比地面上冷水的温度还要低。因此，在高山会出现许多怪现象：“开水”不烫手、鸡蛋 煮不熟、“开水”不消毒。 探究思考：（1）水的沸点随高度的升高而降低，请你针对这一变化情况，提出一种 猜想。 （2）按你的猜想推理，在比地面低得多的矿井底部，水的 沸点将会怎样变化？ （3）想一想，生活中什么餐具利用了这一道理。 ２．“饮水小鸭” 有一种中国的儿童玩具，谁见了都觉得奇怪。它的名字叫“饮水小鸭”。 把这小鸭放在一杯水前面，小鸭就会俯下身去把嘴浸到杯里，“喝”完一口 水，又直立起来。可是直立一会儿，又会慢慢俯下身去，等到鸭嘴够到了 水，“喝”了一口，又会直立起来。这种玩具是“不花钱”的发动机的一个典型。它的活动的 机构是很巧妙的， 请看图 9.3-1 和图 9.3-2，小鸭的“身体”是一根玻璃管，管的上端是一个小球，做成鸭头的样子，连着扁嘴。管 的下端连一个较大的玻璃球，也是密封的。球里面装有液体，玻璃管下端浸没在液面下。 要使小鸭能够活动，必须用水打湿鸭头。鸭头打湿以后，有一段时间小鸭还能保持直立的姿势，因为下 端的玻璃球和里面的液体比鸭头重。现在看它会发生什么变化？我们看到液体开始沿着玻璃管上升（图 9.3-2）。 当液面升到玻璃管上口的时候，上部就变得比下部重，于是小鸭就嘴向前把身子俯到杯子上。当小鸭的身子 俯到水平位置的时候，下端玻璃管的开口就会露出液面来，玻璃管里的液体也就流回下端的大玻璃球。于是 小鸭的“尾部”又变得比头部重，使小鸭恢复直立的位置。现在我们明白了这个问题的力学方面的原理：液体 的升降改变了重力的分布情况，简单地说，就是改变了重心。可是使液体上升的，又是什么力呢？ 小鸭内部的液体是醚。醚在室温里很容易蒸发，而醚的饱和蒸汽所产生的压力又会随温度的改变而剧烈 改变。在小鸭直立着的时候，可以看出有两个独立的醚蒸汽区域：一个在头部，一个在尾部。鸭子的头部有 一种奇妙的性能：只要用水把它打湿，那里的温度就会变得比周围温度稍微低一些。要做到这一点也不困难， 只要把鸭头的表面用善于吸水又容易让水分蒸发的多孔材料来做就行了。水分急剧蒸发的时候，鸭头上的温 度会变得比下面玻璃管和大玻璃球里的温度低。这又转过来会使头部那个小玻璃球里的饱和蒸汽冷凝，压力 也就随着降低。于是下部那个大玻璃球里的比较大的压力就会挤压液体，使它顺着玻璃管上升。重心位置移 动了，小鸭就慢慢俯下身子一直到水平的位置。在这个位置里，有两个过程各自独立地进行着。第一，小鸭 的嘴浸了一下水，这样就又把自己头上的棉套子打湿 。第二，上下两部分的饱和蒸汽混合了，压力也变得一 样了（由于吸收了周围空气的热量，蒸汽的温度略有上升），同时玻璃管里的液体，也在本身的重力作用下流 入下端的大玻璃球。于是小鸭又直立了起来。 这个玩具会不断地自动活动下去，只要让它头上的棉套子继续被打湿，而周围空气的湿度又不太大，能 够保证正常的蒸发，也就是保证头部的温度能够相对地降低。这样看来，小鸭头部的水不断蒸发所吸取的周 围空气的热量，就是使这种奇妙的小鸭能够活动的原动力。这种小鸭是“不花钱”的发动机的一个极其明显的 例子，但它并不是什么“永动机”。 思考探究 1、饮水小鸭中的液体为什么要用醚呢？这里用了醚的什么性质？ 2、看了上面的讲解，你明白饮水小鸭的原理了吗？你难道不想自己做一个饮水小鸭吗？ 3．太空中古怪的沸腾 液体 沸腾是地球上司空见惯的现象，但它却是一个十分复杂的物理过程。当装有液体的容器被加热后， 由于重力的影响，液体中比较热的部分上升，而比较冷的部分则下降──这就是“对流”。浮力使气泡急速上升， 因此产生剧烈的“沸腾”。那么太空中的沸腾又是怎样的呢？ 实际上，物理学家一直被地球上沸腾液体的复杂行为所困惑。而弄清沸腾的机理对工程技术人员是 很重要的，这不仅仅关系到咖啡壶，更关系到宇宙飞船中 的动力和空调系统的设计。 一个由密歇根大学和美国国家航空航天局的研究人 员组成的科学家小组决定弄清这些问题。从 1992 到 l996 年，在航天飞机所进行的 5 次飞行使命中，他们使用液体 氟里昂进行了一系列的沸腾实验。在实验中，他们发现了 液体在地球与太空轨道上沸腾时所发生的一些令人迷惑 的不同之处。例如在太空中，液体在无 重力条件下沸腾时 不是生成了上万的升腾的小气泡，而是产生一个在液体中 起伏的巨大的气泡，且不断夺下其他的小气泡。多亏了美 国航空航天局对这一过程的录像，现在我们在地球上就可 以观察到液体这种令人迷惑的古怪的沸腾行为了。如图 9.3-3 所示： 弗朗西斯·基亚拉蒙特博士说：“想想看，在这些实验 以前，世界上有谁看到过太空中的沸腾呢？这真是不可思 议！”基亚拉蒙特是美国航空航天局负责液体沸腾实验的 科学家，他说这一系列太空沸腾实验已被研究人员视为 “经典”了。 这些录像的确十分有趣，但是科学家研究沸腾问题的热情绝不仅仅是出于简单的好奇。因为一旦了解了 液体在太空中是怎样沸腾的，科学家就可以制造出更有效的太空 图 9.3-3 舱制冷系统，例如国际太空站上使用的就是利用氨在液态和气态间转化的空调系统。太空中的沸腾知识 也将在某一天被用来制造太空站上的发电站，它用太阳光使液体沸腾产生蒸汽，然后通过推动涡轮机产生电 力，这样的研究同样也将在地球上得到应用。因为失重环境给科学家打开了一个观察沸腾现象的崭新窗口， 他们可以借此更好地理解沸腾这个基本的物理现象。 “沸腾现象是如此复杂，以至于我们对它的大部分理解是基于经验，而不是建立在基本的物理方程之上 的。”基亚拉蒙特说，“可是，在失重的太空轨道上，沸腾远比在地球上简单。失重环境使对流和浮力的影响 消失，这个差异可以解释为什么地球上的沸腾液体的行为与太空中如此不同。它为想解决棘手物理问题的科 学家提供了有力的工具。比如说，如果你试图研究地球这样一个复杂的生态系统，你就需要先研究一个变量 少一些的比地球简单的对象。对我们来说，太空就可以将研究的问题简化。” 当液体在太空中被加热时，由于没有重力的作用，液体中比较热的部分不再上升，而是紧靠着加热器的 表面停留并被继续变热，而远离加热器的区域则相对较冷。因为只有一小部分液体被加热，因此它会更快地 沸腾。但是，由蒸汽形成的气泡不会冲出液面，而是结合成一个在液体内部晃动的巨大的气泡。虽然这些现 象用现有的理论就可以预测，但要想真正了解整个过程的细节，并寻找未预测到的现象，则需要进行真实的 实验。 实验的负责人赫尔曼·默特被人们视为微重力沸腾实验之父，正是他发明了记录在录像带上的实验。 他说：“我们对许 多问题还没有很好地理解。”默特和其他科学家曾利用“下降塔”进行无重力沸腾的早期研究， 即通过让高塔上的样品自由下落来实现几秒钟的零重力条件。这些早期实验为设计在航天飞机中进行的实验 提供了指南，但这匆忙的一瞥实在不能与在航天飞机上长达几分钟的观察相比。 这些早期研究的一项重要成果就是制造实验用的沸腾室的方法，它使科学家可以看清加热器的表面 以及在那里与加热器接触的液体。默特解释说：“这种相互作用就发生在加热器的固体与液体的接触面上，因 为液体表面折射的影响，从下面是无法看清楚的。”所以默特用石英制作了一个底面平滑、坚硬透明的沸腾室， 然后又给石英覆盖上一层厚度不到 400 埃的极薄的金层。这样它既能够让可见光自由穿过，又能像一大块金 子一样导电。 默特与合作者使用这种装置得到了一些非常有趣的发现。例如，随着实验温度的不同，那个巨大的 气泡有时漂浮在液体的中心，有时则附着在与加热器相邻的表面。当出现后一种情况时，气泡将有效地将液 体与加热器隔离起来，使液体不再进一步沸腾并导致加热器的温度急速升高。而确切地了解发生这种情形的 条件，对设计太空舱系统中依靠沸腾工作的装置是至关重要的。默特说：“如果比较好地理解了这个现象，我 们就能做出最佳的设计。假如还有一些不确定的因素，那就应该继续设计出更好的实验去弄清楚它。” 今天，科学家们还在继续进行这项基础实验以了解更多的知识。随着科学家对液体沸腾现象更深入的了 解，工程师将会对制冷和动力系统的设计进行改进以便更好地服务于人类，这不只包括在太空中工作的人， 而且也包括生活在地球上的人。 思考探究：对常见现象的研究可以使我们获得很多的知识，而这些知识有可能应用在尖端科技领域中。 那就请同学们保持你的好奇心吧，好好想想周围的一些哪怕司空见惯的现象，有可能你会改变人类的生活！ 4．课本 P51“说一说” 提示：向外抽气后，瓶中的气压降低，水的沸点降低，当气压降低到使得沸点达到 80℃，水就会沸 腾。 5．课本 P52“说一说” 提示：由图可知在 100℃时，水的饱和汽压等于一个大气压，所以水的沸点就是水的饱和汽压等于外界 压强时的温度。