流体的pVT状态图,气液相变和临界现象PPT课件
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恒压线 恒温线
实际流体
★流体pV图恒温线上的水平线段是存在气液相变 化的特征
2.气液相变(gas-liquid phase transitions)
ijk－相平衡，气体凝结
趋势与液体挥发趋势
pijk－饱和蒸气的压力,
液体的饱和蒸气压
k、ijk
饱和液体
i、ijk
饱和蒸气
3.饱和蒸气与饱和液体性质随温度变化
和蒸气压随温度的变化
oc－水的液固平衡线；水的冰
点随压力的变化
p / Mpa 610.510-6 0.101325 59.8 110.4 156.0 193.5
t / ℃ 0.01
0.0025 -5.0 -10.0 -15.0 -20.0
水的相图
oa－水的气液平衡线；水的饱
和蒸气压随温度的变化； 水的沸点随压力的变化
State Diagrams and Phase Diagrams with Fluid and Solid Phase Included
1.pVT状态图(state diagrams)
1.pVT状态图(state diagrams)
1.pVT状态图(state diagrams)
1.pVT状态图
冰的熔化有一个特点：当它受到的压强增大时，熔点 将会降低，使零度以下的冰在冰刀的作用下熔化成水， 冰刀下面薄薄的一层水可以起到润滑作用。
每增加一个标准大气压，冰的熔点大约降低0.0075℃， 单靠压强不可能使零下20 ℃的冰融化，实验表明冰的 融化来还需要来自于冰刀与冰摩擦产生的热量。
水的相图（高压部分）
解：
E点：冰 D点：水+冰
E DC
B A点：水蒸汽 A B点：水蒸汽+水
C点：水
滑冰时总要穿冰鞋，你知道它的原理是什么吗？
滑冰时总要穿冰鞋，你知道它的原理是什么吗？ 冰刀与冰面的接触面积非常小。 人对地面的压力是一定的，穿上 冰鞋，冰面的受力面积减小了， 它受到的压强会大大地增大，一 个质量为50kg的人穿上冰鞋，他 对冰面的压强高达几百个标准大 气压。
压缩因子(compressibility factor)的定义：
Z def pV nRT
理想气体， Z=1； Z≠1，表明偏离理想气体。
V
V
Z nRT / p V id
物理意义：在一定的温度和压力下，实际气体
与理想气体体积之比
特点：
★ p→0，Z →1
★ p很大，Z >1，Z pT 0
★ p↑，低温
★两相平衡压力仅是温度的 函数，而与体积无关。
t / ℃ -10 -5 0.01 20 100
374 ℃
p* / Pa 285.7 421.0 610.5 2337.8 101325 22.0衡线；水的饱
和蒸气压随温度的变化； 水的沸点随压力的变化
ob－水的气固平衡线；冰的饱
Z
p T
0
→ Z
p T
0
★ p↑，高温 Z p 0 T
定义波义耳温度(Boyle temperature)TB ：
Z p
T , p0
0
波义耳温度是物质（气体）的一个特性。
当压强不高时，处于波义耳温度下的气体 最接近理想气体。
波义耳温度高，气体易液化。
1-4 包括流体相和固相 的pVT状态图和相图
比热：CV T Tc ; 0.109
也就是比热在临界点处趋向无穷大。如果让温度从 低温逐渐接近临界点，那么平衡的汽液两相的密度 差会呈现如下特点：
两相密度差： 液 气 (Tc T) , 0.326
和称为临界指数，它们是普适的常数。
超临界流体 ：温度压力略高于临界点的流体。
超临界流体的特点 ：
硫的相图
硫的相图
当硫从液态缓慢冷却时，首先析出的是什么；单斜硫
当快速冷却时，可能析出的是什么。
正交硫
和蒸气压随温度的变化； 水的沸点随压力的变化
ob－水的气固平衡线；冰的饱
和蒸气压随温度的变化
oc－水的液固平衡线；水的冰
点随压力的变化
o (oa,ob,oc 三线的交点)－水的三相点
虚线－亚稳平衡线；oa线向低温方向的延长线；
过冷水的饱和蒸气压随温度变化的曲线
水的pVT图pV图相图
例：在一个带活塞的气缸内盛有120o C,101325Pa的 水蒸气，在恒定 101325Pa 压力下，将系统冷却，最 后达到 10o C时，系统的相态变化情况。
ob－水的气固平衡线；冰的饱
和蒸气压随温度的变化
oc－水的液固平衡线；水的冰
点随压力的变化
o (oa,ob,oc 三线的交点)－水的三相点
★如果系统中存在互相平衡的气液固三相，它的 温度与压力是唯一的， p=610.5Pa (4.579mmHg), t=0.01℃
水的相图
oa－水的气液平衡线；水的饱
的碰撞是完全弹性碰撞。
pV = nRT
当压力很低时，实际气体分子间距离很大， 相互作用可以忽略，近似为理想气体。
了解一下：上式是不考虑量子效应(quantum effect)的理想气 体的状态方程，在极低温下量子效应显著时不符合实际。
了解一下：
分子大小可以忽略是理想气体分子的一个重 要特征，作为比较：
流体的pVT状态图，气液相变和临界现象
对纯物质系统，有：
V V ( p,T, n) p p(V ,T, n)
1.流体的pVT 状态图(state diagrams of fluids)
理想气体(ideal or perfect gas)的微观特征： 气体分子本身大小可以略去不计， 分子在没有接触时相互没有作用，分子间
4.临界点(critical point)—气体与液体共存的极
限，气体与液体的差别消失
临界温度 Tc 临界压力 pc 临界体积 Vc
临界点
超临界流体
p V
T Tc
0
2 p
V
2
T Tc
0
且
3 p V 3
T Tc
0
临界点判据可以用热力学第二定律推导得到。
了解一下：临界性质
临界点附近，物质呈现很奇妙的特性，比如：保持 体系的体积为临界体积，而让温度逐渐从高温趋近 临界点，体系的比热会呈现如下特点：
(1)密度较高，能像一般液体溶剂那样溶解许多固体 物质或液体物质。
(2) 恒温下略微降低压力或恒压下略微升高温度，体 积将有较大增加，密度将有较大减少，那些被溶解 物质的溶解度相应地将显著下降而导致析出。
(3)虽然超临界流体的密度较高，粘度却较低，有利 于传质。
6.压缩因子图(compressibility factor chart)
和蒸气压随温度的变化
★两相平衡压力仅是温度的 函数，而与体积无关。
t / ℃ -30 -20 -15 -10 -5 0.01 p* / Pa 38.1 103.5 165.5 260.0 401.7 610.5
水的相图
oa－水的气液平衡线；水的饱
和蒸气压随温度的变化； 水的沸点随压力的变化
ob－水的气固平衡线；冰的饱
(temperature dependence of saturated vapor and liquid)
kci—双节线，气液共存
区的边界线
ck—饱和液体线， p*～V m(l)
ci —饱和蒸气线， p*～V m(g)
★随着温度升高，水平
线段逐渐缩短，V m(l)与V m(g)愈来愈接近，表示 液体与气体的差别愈来愈小
硬球流体：它与理想气体的差别仅仅是理想
气体分子可以看作是质点，而硬球流体分子
是一个球，其状态方程 ：
pV
nRT
1 2 3 (1 )3
分子本身体积 = nL d 3 ; d为硬球直径
V
6V
1.流体的pVT 状态图(state diagrams of fluids)
理想气体 pV = nRT
恒温面 恒压面
2.相图(phase diagrams)
★如果系统中存在互相平衡的两相(气液、气固、 液固)，两相共存区一定垂直于p-T平面，它们在 p-T面上的投影必定是p-T面的曲线，或者说纯 物质两相平衡压力仅依赖温度，与体积无关。
水的相图
oa－水的气液平衡线；水的饱
和蒸气压随温度的变化； 水的沸点随压力的变化
实际流体
★流体pV图恒温线上的水平线段是存在气液相变 化的特征
2.气液相变(gas-liquid phase transitions)
ijk－相平衡，气体凝结
趋势与液体挥发趋势
pijk－饱和蒸气的压力,
液体的饱和蒸气压
k、ijk
饱和液体
i、ijk
饱和蒸气
3.饱和蒸气与饱和液体性质随温度变化
和蒸气压随温度的变化
oc－水的液固平衡线；水的冰
点随压力的变化
p / Mpa 610.510-6 0.101325 59.8 110.4 156.0 193.5
t / ℃ 0.01
0.0025 -5.0 -10.0 -15.0 -20.0
水的相图
oa－水的气液平衡线；水的饱
和蒸气压随温度的变化； 水的沸点随压力的变化
State Diagrams and Phase Diagrams with Fluid and Solid Phase Included
1.pVT状态图(state diagrams)
1.pVT状态图(state diagrams)
1.pVT状态图(state diagrams)
1.pVT状态图
冰的熔化有一个特点：当它受到的压强增大时，熔点 将会降低，使零度以下的冰在冰刀的作用下熔化成水， 冰刀下面薄薄的一层水可以起到润滑作用。
每增加一个标准大气压，冰的熔点大约降低0.0075℃， 单靠压强不可能使零下20 ℃的冰融化，实验表明冰的 融化来还需要来自于冰刀与冰摩擦产生的热量。
水的相图（高压部分）
解：
E点：冰 D点：水+冰
E DC
B A点：水蒸汽 A B点：水蒸汽+水
C点：水
滑冰时总要穿冰鞋，你知道它的原理是什么吗？
滑冰时总要穿冰鞋，你知道它的原理是什么吗？ 冰刀与冰面的接触面积非常小。 人对地面的压力是一定的，穿上 冰鞋，冰面的受力面积减小了， 它受到的压强会大大地增大，一 个质量为50kg的人穿上冰鞋，他 对冰面的压强高达几百个标准大 气压。
压缩因子(compressibility factor)的定义：
Z def pV nRT
理想气体， Z=1； Z≠1，表明偏离理想气体。
V
V
Z nRT / p V id
物理意义：在一定的温度和压力下，实际气体
与理想气体体积之比
特点：
★ p→0，Z →1
★ p很大，Z >1，Z pT 0
★ p↑，低温
★两相平衡压力仅是温度的 函数，而与体积无关。
t / ℃ -10 -5 0.01 20 100
374 ℃
p* / Pa 285.7 421.0 610.5 2337.8 101325 22.0衡线；水的饱
和蒸气压随温度的变化； 水的沸点随压力的变化
ob－水的气固平衡线；冰的饱
Z
p T
0
→ Z
p T
0
★ p↑，高温 Z p 0 T
定义波义耳温度(Boyle temperature)TB ：
Z p
T , p0
0
波义耳温度是物质（气体）的一个特性。
当压强不高时，处于波义耳温度下的气体 最接近理想气体。
波义耳温度高，气体易液化。
1-4 包括流体相和固相 的pVT状态图和相图
比热：CV T Tc ; 0.109
也就是比热在临界点处趋向无穷大。如果让温度从 低温逐渐接近临界点，那么平衡的汽液两相的密度 差会呈现如下特点：
两相密度差： 液 气 (Tc T) , 0.326
和称为临界指数，它们是普适的常数。
超临界流体 ：温度压力略高于临界点的流体。
超临界流体的特点 ：
硫的相图
硫的相图
当硫从液态缓慢冷却时，首先析出的是什么；单斜硫
当快速冷却时，可能析出的是什么。
正交硫
和蒸气压随温度的变化； 水的沸点随压力的变化
ob－水的气固平衡线；冰的饱
和蒸气压随温度的变化
oc－水的液固平衡线；水的冰
点随压力的变化
o (oa,ob,oc 三线的交点)－水的三相点
虚线－亚稳平衡线；oa线向低温方向的延长线；
过冷水的饱和蒸气压随温度变化的曲线
水的pVT图pV图相图
例：在一个带活塞的气缸内盛有120o C,101325Pa的 水蒸气，在恒定 101325Pa 压力下，将系统冷却，最 后达到 10o C时，系统的相态变化情况。
ob－水的气固平衡线；冰的饱
和蒸气压随温度的变化
oc－水的液固平衡线；水的冰
点随压力的变化
o (oa,ob,oc 三线的交点)－水的三相点
★如果系统中存在互相平衡的气液固三相，它的 温度与压力是唯一的， p=610.5Pa (4.579mmHg), t=0.01℃
水的相图
oa－水的气液平衡线；水的饱
的碰撞是完全弹性碰撞。
pV = nRT
当压力很低时，实际气体分子间距离很大， 相互作用可以忽略，近似为理想气体。
了解一下：上式是不考虑量子效应(quantum effect)的理想气 体的状态方程，在极低温下量子效应显著时不符合实际。
了解一下：
分子大小可以忽略是理想气体分子的一个重 要特征，作为比较：
流体的pVT状态图，气液相变和临界现象
对纯物质系统，有：
V V ( p,T, n) p p(V ,T, n)
1.流体的pVT 状态图(state diagrams of fluids)
理想气体(ideal or perfect gas)的微观特征： 气体分子本身大小可以略去不计， 分子在没有接触时相互没有作用，分子间
4.临界点(critical point)—气体与液体共存的极
限，气体与液体的差别消失
临界温度 Tc 临界压力 pc 临界体积 Vc
临界点
超临界流体
p V
T Tc
0
2 p
V
2
T Tc
0
且
3 p V 3
T Tc
0
临界点判据可以用热力学第二定律推导得到。
了解一下：临界性质
临界点附近，物质呈现很奇妙的特性，比如：保持 体系的体积为临界体积，而让温度逐渐从高温趋近 临界点，体系的比热会呈现如下特点：
(1)密度较高，能像一般液体溶剂那样溶解许多固体 物质或液体物质。
(2) 恒温下略微降低压力或恒压下略微升高温度，体 积将有较大增加，密度将有较大减少，那些被溶解 物质的溶解度相应地将显著下降而导致析出。
(3)虽然超临界流体的密度较高，粘度却较低，有利 于传质。
6.压缩因子图(compressibility factor chart)
和蒸气压随温度的变化
★两相平衡压力仅是温度的 函数，而与体积无关。
t / ℃ -30 -20 -15 -10 -5 0.01 p* / Pa 38.1 103.5 165.5 260.0 401.7 610.5
水的相图
oa－水的气液平衡线；水的饱
和蒸气压随温度的变化； 水的沸点随压力的变化
ob－水的气固平衡线；冰的饱
(temperature dependence of saturated vapor and liquid)
kci—双节线，气液共存
区的边界线
ck—饱和液体线， p*～V m(l)
ci —饱和蒸气线， p*～V m(g)
★随着温度升高，水平
线段逐渐缩短，V m(l)与V m(g)愈来愈接近，表示 液体与气体的差别愈来愈小
硬球流体：它与理想气体的差别仅仅是理想
气体分子可以看作是质点，而硬球流体分子
是一个球，其状态方程 ：
pV
nRT
1 2 3 (1 )3
分子本身体积 = nL d 3 ; d为硬球直径
V
6V
1.流体的pVT 状态图(state diagrams of fluids)
理想气体 pV = nRT
恒温面 恒压面
2.相图(phase diagrams)
★如果系统中存在互相平衡的两相(气液、气固、 液固)，两相共存区一定垂直于p-T平面，它们在 p-T面上的投影必定是p-T面的曲线，或者说纯 物质两相平衡压力仅依赖温度，与体积无关。
水的相图
oa－水的气液平衡线；水的饱
和蒸气压随温度的变化； 水的沸点随压力的变化