可乐实验--continued


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送交者: tidan 于 2010-12-24, 16:38:52:

(科普帖 好久没翻书了 受JFF的鼓励 欢迎砸砖)
读相图

从常识来想象相变,从气体到液体,从液体到固体应该都是密度变大(浓缩 more condesed)而且放热的过程。放热就是我们说的潜热, 这应该是毫无疑问的。但是否密度变化就值得商榷了。这需要看你的实际经验。如果没有经验,最好看一下相图。尽管大多数纯物质从液体到固体的相变都会密度变大,但一个熟悉的例子,而且是特殊的例子就是水。冰山一角,大部分还在水里呢。

相图有很多种。这里只说一种,压力与温度相图(P-T phase diagram)。从P-T phase diagram,我们可以定性推测相变过程的体积。但这需要一定的物理知识。下面介绍一个公式,暂且不要考虑怎样推导而来的,能用就成:_)
这就是Clausius-Clapeyron relation:
dP/dT =L/(T*delta_V)
http://en.wikipedia.org/wiki/Clausius%E2%80%93Clapeyron_relation
p是压力,T是温度,L是潜热(latent heat), delta_V是相变前后的体积差。dP/dT对应的是P-T phase diagram上曲线的斜率(slope).
在某特定的P与T下,从气体到液体,从液体到固体应该都是放热的过程, 物质失去热量,L应该是负值。由于T是正值,等式右边的符号就由相变前后的体积差delta_V决定了。而斜率dP/dT是可以从图读出的来的,如果斜率大于0,delta_V必为负值,物质体积减小密度增大,如果斜率小于0,delta_V必为正值,物质体积增大小密度减小。
还是让我们看看相图吧。

实线所示是wiki给出的最常见的相图(暂不看虚线)。如图所示,红蓝线下为气相,红绿线上为固相,夹在蓝绿线之间的是液相。红绿蓝线本身代表二相同存的临界曲线(可以这样理解,在这个曲线上的每个点上相变都能平衡的发生,一旦水平后垂直的过了这个点,就是单相了).三条线交与三相点,那里气液固三相共存。

再回到Clausius-Clapeyron relation,很显然三条曲线的slope都是正值,显然符合"从气体到液体,从液体到固体, 物质体积增大小密度减小"的结论。

现在可以看虚线了。虚线是水的液-固线。尽管水的其他相变,气-固,气-液都算"正常",但液-固线却异常,其斜率是负值,也就是说水结冰体积会增大。

对比一下氧气的相图:




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