过饱和蒸气，过热液体，毛细管凝结

7.2.3　过饱和蒸气，过热液体，毛细管凝结

1.过饱和蒸气

所谓过饱和蒸气，就是指按照相平衡的条件，应当凝结而未凝结的蒸气。过饱和蒸气之所以可能存在，是因为新生成的极微小的液滴(新相)的蒸气压大于平液面上的蒸气压，如图7-11所示。曲线0C和0'C'分别表示通常液体和微小液滴的饱和蒸气压曲线，若将压力为P的蒸气，恒压降温至t℃(A点)，蒸气对通常液体已达到饱和状态，但对微小液滴却未到达饱和状态，所以蒸气在A点不可能凝结出微小的液滴。可以看出：若蒸气的过饱和程度不高，对微小液滴还未达到饱和状态时，微小液滴既不可能产生，也不可能存在。例如在0℃附近，水蒸气有时要达到5倍于平衡蒸气压才开始自动凝结，其它蒸气如甲醇、乙醇及醋酸乙酯也有类似的情况。

图7-11　过饱和蒸气产生的示意图

当蒸气中有灰尘存在或容器内表面粗糙时，这些物质可以成为蒸气的凝结中心，使液滴核心易于生成及长大。当蒸气的过饱和程度较小时，蒸气就开始凝结。人工降雨的原理就是当云层中的水蒸气达到饱和或过饱和的状态时，在云层中用飞机喷撒微小的AgI等颗粒，此时AgI颗粒就成为水的凝结中心，使水滴(新相)生成时所需要的过饱和程度大大降低，云层中的水蒸气就容易凝结成水滴而落向大地。

2.过热液体

所谓过热液体是指按相平衡条件，应当沸腾而不沸腾的液体。过热液体之所以可能存在，是因为液体在沸腾时，不仅在液体表面上进行气化，而且在液体内部要自动生成极微小的气泡(新相)，但是由于凹液面的附加压力将使气泡难以形成，如图7-12所示，在101.325kPa，100℃的纯水中，在离液面h(0.02m)的深处，若能生成一个半径为10^－8m的小气泡，而且已知在100℃时纯水的表面张力为58.85×10^－3N·m－1，密度为958.1kg·m－3。由Kelvin公式可计算出小气泡内水蒸气的压力Pr=94.344kPa。由Palace公式可以算出，凹液面对小气泡的附加压力：

P_附=11774kPa

小气泡所受的静压力：

P_静=ρgh=0.188kPa

所以小气泡存在时，需要克服的压力为大气压力、静压力、附加压力之和，即：

P'=P_大气+P_静+P_附=11875.5kPa

通过上述计算可知：100℃时小气泡内的水蒸气压力为94.344kPa，远小于小气泡存在时需要克服的压力，所以小气泡是不可能存在的。若要使小气泡存在，必须继续加热，使小气泡内水蒸气压力等于或超过它应克服的压力时，小气泡才可能生成，液体才开始沸腾，此时液体的温度必然高于该液体的正常沸点。上述计算表明，凹液的附加压力是造成液体过热的主要原因，在科学实验或生产实际中，为了防止液体的过热现象，常在液体中投入一些素烧瓷片或毛细管等物质，因为这些多孔性物质的孔中储存有气体，这些气体可成为新相种子，因而绕过了产生极微小气泡的困难阶段，使液体的过热程度大大降低。

图7-12　产生过热液体示意图

3.毛细管凝结

在毛细管内，液体若能润湿管壁，则管内液面为凹形，在一定温度下，对于液面还未达到饱和的蒸气，而对于毛细管内的凹液面可能已经达到饱和或过饱和状态，蒸气将凝结成液体，这种现象称为毛细管凝结。根据毛细管凝结，从实验测得Pr=P_o值，可计算出多孔性物质的孔径大小。硅胶能吸附空气中的水蒸气，新闻印刷中粗糙的纸张对油墨的快速吸收，均可用毛细管凝结来解释。