结构推理 能否通过对密闭容器中的液体加热而使它沸腾?为什么?
【正确答案】利用能统一描述气体、液体和气-液共存的图可以很清楚地做出分析. 在图(a)中,K点称为临界点,通过临界点的实线为临界等温线.还有一条虚线通过临界点,其中临界点以左的虚线称为液体沸腾曲线,因为在这条虚线上的各点都满足沸腾条件,也就是说处于这条虚线上的各点液体的压强恰好等于液体的温度所对应的饱和蒸气压.显然液体沸腾曲线上的各点都是液体,它们都能够分别和它所处温度的饱和蒸气平衡共存. 临界点以右的虚线称为气体冷凝曲线.因为在这条虚线上的各点的气体都是不同温度下的饱和蒸气.如果对气体进行等温压缩,则从此点开始有液体出现.以临界点为中心可以把整个p-V图分为3个区域: ①气-液共存区也就是液体沸腾曲线和气体冷凝曲线所围成的区域,以“g-L”表示. ②液体区域即图中以一系列水平横向虚线所表示的区域,在图中以“l”表示, ③气体区域即图中的空白区,以“g”表示. 现在分下列几种情况讨论密闭容器中液体沸腾的情况.注意到密闭容器可以分为两种: (1)若容器的体积是可以变化的,例如在汽缸中的液体.显然对汽缸徐徐加热时气体的压强是不变的,所以在p-V图上可以以一条等压线表示其状态的变化.现在图的(a)中的气一液共存区中画一条等压线,它从液体区域出发沿水平直线行进.先与液体沸腾曲线相交,这时液体开始沸腾,汽缸吸收多少热量就相应有多少液体被汽化,同时汽缸也扩大多少体积.这样的过程对应于沿气-液共存区中那条等压线变化,直到等压线和气体冷凝曲线相交.相交 时液体已经全部变为气体了,这时它仍然是饱和蒸气.如继续等压加热,它继续 沿水平直线向右变化而进入气体区域.这时的气体已经不再是饱和蒸气,而是普通蒸气了. (2)若容器的体积是不可以变化的,这是等体过程,在p一V图上可以以一 条条竖直直线表示,如图 (b)所示.现在分下列几种情况讨论: ①汽缸内全部是液体,也就是说它的初始状态处于上题的液体区域中,然后对系统徐徐加热.在状态图上表示,就是从这点出发竖直向上作直线,如图中从a出发的虚线所示,其中箭头表示状态变化趋向,显然它进不了气-液共存区,因而不会发生沸腾. ②汽缸内装的是部分液体和部分蒸气.只要温度不变,经过足够长时间以后必然会达到气-液共存的平衡态.设这时的系统的状态处于图 (b)中的某一点b. b点位于气-液共存区域中,并且其压强和a点压强相等,而且由b点表示的系统的总体积小于该系统的临界体积.然后从b点开始对系统做等体积的徐徐加热.它仍然是沿一条竖直向上的直线变化,如图(b)中的从b出发的虚线所示.我们看到,这条虚线穿出气-液共存区后进入液体区域,说明它变为液体. ③汽缸内仍然是部分液体部分蒸气,系统处于其压强和a点压强相等的c点,由c点表示的系统的总体积大于该系统的临界体积.其等体变化过程如图中从c点出发作竖直向上的虚线所示.显然最后它能够穿出气-液共存区而进入气体区域. 从②和③可以看到,只要加热过程按照准静态变化,则汽缸内的液体能够在一系列的温度下沸腾,直到它全部沸腾光.因为在任何一个温度下,它的压强总是等于该温度所对应的饱和蒸气压,也就是说它始终满足沸腾条件.
【答案解析】