したがって、飽和蒸気圧は液体の分子構造に依存します。

チケット番号は13番。 飽和および不飽和蒸気: 飽和蒸気圧力の温度依存性、沸騰、沸点の圧力依存性、蒸気等温線、臨界温度、物質の臨界状態、相対空気、露点、湿度計、乾湿計、液化ガスの生成、その特性そしてアプリケーション。

飽和蒸気は、液体と平衡状態にある蒸気です。 不飽和蒸気は、液体と平衡状態にない蒸気です。 湿度は空気中の水蒸気の量です。

飽和蒸気圧の温度依存性。

飽和蒸気では、温度が上昇すると分子の濃度が増加し、平均運動エネルギーも増加するため、温度の上昇に伴う飽和蒸気の圧力は、分子の濃度が一定の理想気体の圧力よりも速く増加します。

沸騰。 沸騰温度の圧力依存性。

液体の体積全体にわたって起こる蒸発のプロセスは沸騰と呼ばれます。 沸騰時の飽和水蒸気の圧力は、液体にかかる外部圧力に等しくなります。 常圧では水は100℃で沸騰します。 沸点は外部圧力に依存します。 外部圧力が減少または増加すると、液体の沸点が減少または増加します。

蒸気等温線。

臨界温度における等温線グラフは、図 2.26 に記号 Tcr で示されています。 その形式は誇張表現とは大きく異なります。 破線の曲線は 3 つのフェーズを分けています。 左上の領域は液相に対応し、曲線の右側と下部は不飽和蒸気（気体）の領域です。破線の曲線の下には液体の上の不飽和蒸気の領域があります（二相）中くらい）。 不飽和蒸気が臨界温度よりも低い温度で等温圧縮されると、分子の濃度が増加し、それに応じて圧力が飽和蒸気の圧力まで増加します。 さらに体積が減少すると、容器の底に液体が形成され、飽和蒸気と液体の間に動的平衡が確立されます。 飽和蒸気の圧力は変化せず、体積が減少すると、すべての圧力が変化します。 ほとんど蒸気が液体に変わります。 さらに圧縮して体積を減らすプロセスは、容器内のすべての気体が液体に変わると停止します。

空気の相対湿度。

ⱷ=р/р0 * 100%

特定の温度における水蒸気圧 p と飽和蒸気圧 p0 の比をパーセンテージで表したものを、相対空気湿度と呼びます。

露点。

これは蒸気が飽和する温度です。つまり、p=p0、ⱷ=100%

湿度計。

露点を測定するための装置です。 エーテルなどの蒸発しやすい液体を入れる金属製の容器です。 エーテルが蒸発すると湿度計の壁が冷え、露点に達すると研磨面に露滴が現れます。

別のタイプの湿度計である毛髪湿度計の作用は、湿度が高くなると脱脂した人間の毛髪が伸びる特性に基づいています。 この装置では、伸びた髪が装置の矢印に接続されており、空気の相対湿度をスケールで示します。

乾湿計。

これは、空気の相対湿度を測定するために使用できる装置です。 1 つの温度計は空気の温度を測定し、もう 1 つは水で湿らせた布の温度を測定します。 濡れた生地の表面から水が蒸発し、濡れた生地の温度が低下します。

ガスの液化には技術的および科学的意義があります。 空気液化は、空気を構成成分に分離する技術に使用されます。 この方法は次の事実に基づいています。 各種ガス空気を構成する、次の温度で沸騰します。 異なる温度。 沸点が最も低いのはヘリウム、ネオン、アルゴンです。 酸素はアルゴンよりもわずかに高い沸点を持っています。 したがって、ヘリウム、ネオン、窒素が最初に蒸発し、次にアルゴンと酸素が蒸発します。

液化ガスは技術分野で広く使用されています。 窒素は、土壌を肥やすために使用される窒素塩を得るために使用されます。 アルゴン、ネオン、その他の不活性ガスは、白熱電球やガス灯の充填に使用されます。 ほとんどのアプリケーション酸素がある。 アセチレンと混合すると、切断などに使用される非常に高温の炎が生成されます。 酸素の注入 (酸素ブラスト) は冶金プロセスを加速します。 枕から供給される酸素は鎮痛剤として作用します。 特に重要なのは、宇宙ロケットエンジンの酸化剤としての液体酸素の使用です。

液体水素は宇宙ロケットの燃料として使用されます。 たとえば、米国のサターン 5 ロケットに燃料を補給するには、90 トンの液体水素が必要です。

液体アンモニアは冷蔵庫、つまり生鮮食品を保管する巨大な倉庫で広く使用されています。 液化ガスの蒸発中に発生する冷却は、冷蔵庫で生鮮食品を輸送する際に使用されます。

工業や医療などで使われるガスは、液化した方が同じ体積に多くの物質が含まれているため輸送が容易になります。

蒸発中、分子が液体から蒸気に変化すると同時に、その逆のプロセスも起こります。 液体の表面上をランダムに移動すると、液体から離れた分子の一部が再び液体に戻ります。

飽和蒸気圧。

温度が一定に保たれている飽和蒸気が圧縮されると、まず平衡が崩れ始めます。蒸気の密度が増加し、その結果、液体から気体へよりも多くの分子が気体から液体へ移動するようになります。 これは、新しいボリューム内の蒸気濃度が、所定の温度での飽和蒸気の濃度と同じになるまで続きます (そして平衡が回復します)。 これは、単位時間当たりに液体から出る分子の数が温度のみに依存するという事実によって説明されます。

したがって、一定温度における飽和水蒸気の分子の濃度はその体積に依存しません。

気体の圧力はその分子の濃度に比例するため、飽和蒸気の圧力はそれが占める体積には依存しません。 プレッシャー p0、液体がその蒸気と平衡にあるとき、と呼ばれます。 飽和蒸気圧.

飽和蒸気を圧縮すると、そのほとんどが液体の状態になります。 液体は、同じ質量の蒸気よりも体積が小さくなります。 その結果、蒸気の密度は変わらないものの、体積は減少します。

飽和蒸気圧の温度依存性。

理想気体の場合はこれが当てはまります 線形依存性一定体積における圧力と温度の関係。 圧力を加えた飽和蒸気に適用した場合 p0この依存関係は次の等式で表されます。

ｐ ０ ＝ｎｋＴ。

飽和蒸気圧は体積に依存しないため、温度のみに依存します。

実験的に決定された依存性 p0(T)依存とは異なります（ p 0 =nkT) 理想気体の場合。

温度が上昇すると、飽和蒸気の圧力は理想気体の圧力よりも速く増加します (曲線の部分) AB図中）。 これは、点を通る等深線を描くと特に明白になります。 あ(破線)。 これは、液体が加熱されるとその一部が水蒸気になり、水蒸気の密度が増加するために起こります。 したがって、式によると ( p 0 =nkT）、飽和蒸気圧は、液体の温度の上昇だけでなく、蒸気の分子の濃度（密度）の増加によっても増加します。 理想気体と飽和蒸気の挙動の主な違いは、（密閉容器内で）一定体積での温度変化に伴う蒸気の質量の変化、または一定温度での体積の変化に伴う蒸気の質量の変化です。 理想気体ではこのようなことは起こりません (理想気体の分子動力学理論では、気体から液体への相転移は規定されていません)。

すべての液体が蒸発した後、蒸気の挙動は理想気体の挙動に対応します (セクション 太陽上の図の曲線）。

不飽和蒸気。

液体の蒸気を含む空間内でこの液体のさらなる蒸発が発生する可能性がある場合、この空間内の蒸気は 不飽和。

液体と平衡状態にない蒸気は不飽和と呼ばれます。

不飽和蒸気は、単純な圧縮によって液体に変換できます。 この変化が始まると、液体と平衡状態にある蒸気は飽和します。

これまで、一定温度での蒸発と凝縮の現象について考えてきました。 次に、温度の影響を見てみましょう。 温度の影響が非常に大きいことが分かります。 暑い日やストーブの近くでは、寒いときよりもはるかに速くすべてが乾きます。 これは、温かい液体の蒸発が冷たい液体の蒸発よりも激しいことを意味します。 これは簡単に説明できます。 温かい液体では、より多くの分子が凝集力に打ち勝って液体から逃げるのに十分な速度を持っています。 したがって、温度が上昇すると、液体の蒸発速度が増加し、飽和蒸気圧も増加します。

蒸気圧の増加は、§ 291 で説明されている装置を使用して簡単に検出できます。エーテルの入ったフラスコを温水に下げてみましょう。 圧力計が圧力の急激な増加を示していることがわかります。 同じフラスコを下に下げると、 冷水さらに良いのは、雪と塩の混合物(§ 275)に入ると、逆に圧力が低下することに注意します。

したがって、飽和蒸気圧は温度に大きく依存します。 テーブル内 図 18 は、さまざまな温度における水と水銀の飽和蒸気圧を示しています。 室温における水銀の蒸気圧は無視できるほど小さいことに注目してみましょう。 気圧計を読み取るとき、この圧力は無視されることを覚えておいてください。

表 18. さまざまな温度における水と水銀の飽和蒸気圧 (mm Hg)

温度、			温度、

水の飽和蒸気圧の温度依存性のグラフ (図 481) から、 による温度の上昇に対応する圧力増加が温度とともに増加することが明らかです。 これは飽和蒸気とガスの差であり、加熱するとその圧力は低温でも高温でも等しく増加します（時の圧力の1/273）。 この違いは、ガスを一定の体積で加熱すると、分子の速度のみが変化することを覚えておくと非常に理解できるでしょう。 液体と蒸気の系が加熱されると、これまでに示したように、分子の速度だけでなく、単位体積あたりの分子の数も変化します。つまり、温度が高くなると、蒸気の密度が高くなります。

図 481. 水の飽和蒸気圧の依存性

293.1. ガス温度計 (§ 235) は、ガスが完全に乾燥している場合にのみ正しい測定値を示すのはなぜですか?

293.2. 密閉容器の中には液体と蒸気に加えて空気も存在すると仮定します。 これは温度の上昇に伴う圧力の変化にどのような影響を与えるでしょうか?

293.3. 温度の上昇に伴う密閉容器内の蒸気圧の変化は、図に示すグラフで表されます。 482.容器内の蒸発プロセスに関してどのような結論を導き出すことができますか?

米。 482. 演習用 293.3

分子動力学理論により、物質が気体、液体、固体の状態になり得る理由を理解できるだけでなく、物質がある状態から別の状態への遷移プロセスを説明することもできます。

蒸発と凝縮。開いた容器内の水またはその他の液体の量は徐々に減少します。 液体の蒸発が発生します。そのメカニズムは物理学のコースで説明しました VIIクラス。 カオス的な運動中に、一部の分子はこれほど大きな分子を獲得します。 運動エネルギー他の分子からの引力に打ち勝ち、液体から離れます。

蒸発と同時に、逆のプロセス、つまり無秩序に動く蒸気分子の一部が液体に移行することが起こります。 このプロセスは凝縮と呼ばれます。 容器が開いていると、液体から出た分子が容器に戻らない可能性があります。

液体。 このような場合、蒸発は凝縮によって補われず、液体の量が減少します。 容器上の空気の流れが生成した蒸気を運び去ると、蒸気分子が液体に戻る機会が少なくなるため、液体はより速く蒸発します。

飽和蒸気。液体の入った容器がしっかりと密閉されていれば、液体の損失はすぐに止まります。 一定の温度では、液体と蒸気の系は熱平衡状態に達し、必要なだけ長くその状態に留まります。

液体が容器に注がれて密閉された後の最初の瞬間、液体は蒸発し、液体上の蒸気密度が増加します。 しかし同時に、液体に戻る分子の数も増加します。 蒸気の密度が高くなるほど、より多くの蒸気分子が液体に戻ります。 その結果、一定温度の密閉容器内では、液体と蒸気の間の動的（移動）平衡が最終的に確立されます。 液体の表面から離れる分子の数は、同時に液体に戻る蒸気分子の数に等しくなります。 凝縮は蒸発プロセスと同時に発生し、両方のプロセスは平均して互いに補い合います。

液体と動的平衡にある蒸気を飽和蒸気といいます。 この名前は、特定の温度で特定の体積に大量の蒸気が存在できないことを強調しています。

液体の入った容器から空気が事前にポンプで排出されている場合、飽和蒸気のみが液体の表面上に存在します。

飽和蒸気圧。たとえば、ピストンの下のシリンダー内の液体と平衡状態で蒸気を圧縮し、シリンダーの内容物の温度を一定に保つことによって、飽和蒸気が占める体積が減少すると、飽和蒸気はどうなるでしょうか?

蒸気が圧縮されると、平衡が崩れ始めます。 最初は、蒸気の密度がわずかに増加し、液体から気体よりも多くの分子が気体から液体に移動し始めます。 これは平衡と密度が再び確立されるまで続き、したがって分子の濃度は到達しません。 前回の値。 したがって、飽和蒸気分子の濃度は、一定温度では体積に依存しません。

式によれば、圧力は濃度に比例するため、飽和蒸気の濃度（または密度）が体積から独立していることから、飽和蒸気の圧力はそれが占める体積から独立していることがわかります。

液体がその蒸気と平衡にあるときの体積に依存しない蒸気圧は、飽和蒸気圧と呼ばれます。

飽和蒸気が圧縮されると、その多くが液体状態になります。 特定の質量の液体は、同じ質量の蒸気よりも占める体積が小さくなります。 その結果、蒸気の密度は変わらないものの、体積は減少します。

「ガス」と「蒸気」という言葉を何度も使いました。 ガスと蒸気の間に基本的な違いはなく、これらの言葉は一般に同等です。 しかし、私たちは特定の比較的狭い温度範囲に慣れています。 環境。 「気体」という言葉は通常、常温での飽和蒸気圧が大気よりも高い物質（二酸化炭素など）を指します。 逆に、室温で飽和蒸気圧が大気圧より低く、物質が液体状態 (水蒸気など) の方が安定している場合、蒸気と呼びます。

飽和蒸気圧が体積から独立していることは、液体と平衡状態にある蒸気の等温圧縮に関する数多くの実験で確立されています。 大量の物質を気体状態にします。 等温圧縮が進むと、密度と圧力が増加します (図 51 の AB 等温線のセクション)。 圧力に達すると、蒸気の凝縮が始まります。 その後、飽和蒸気を圧縮すると、蒸気がすべて液体になるまで圧力は変化しません（図51の直線BC）。 この後、圧縮中の圧力は急激に増加し始めます (液体はわずかに圧縮性があるため、曲線のセグメント)。

図 51 に示す曲線は、実ガスの等温線と呼ばれます。

このレッスンでは、やや特殊なガスである飽和蒸気の特性を分析します。 この気体を定義し、以前に検討した理想気体と基本的にどのように異なるのか、さらに具体的には、飽和気体の圧力依存性がどのように異なるのかを示します。 このレッスンでは、煮沸などのプロセスについても説明します。

飽和蒸気と理想気体の違いを理解するには、2 つの実験を想像する必要があります。

まず、密閉容器に水を入れて加熱してみましょう。 温度が上昇すると、液体分子の運動エネルギーがますます大きくなり、より多くの分子が液体から脱出できるようになります（図2を参照）。そのため、蒸気の濃度が増加し、その結果、蒸気の圧力が増加します。 したがって、最初のポイントは次のとおりです。

飽和蒸気圧は温度に依存します

イチジク。 2.

ただし、この状況は十分に予想されており、次の状況ほど興味深いものではありません。 飽和蒸気を含む液体を可動ピストンの下に置き、このピストンを下げ始めると、間違いなく、体積の減少により飽和蒸気の濃度が増加します。 しかし、しばらくすると、蒸気は液体とともに移動し、過剰量の蒸気が凝縮して新しい動的平衡状態になり、最終的に圧力は変化しなくなります。 飽和蒸気理論の第 2 の立場:

飽和蒸気圧は体積に依存しない

ここで、飽和蒸気の圧力は理想気体と同様に温度に依存しますが、この依存性の性質は多少異なることに注意してください。 実際のところ、基本的な MKT 方程式からわかるように、ガス圧力は温度とガス濃度の両方に依存します。 したがって、飽和蒸気圧は、蒸気濃度が増加するまで、つまりすべての液体が蒸発するまで、温度に非線形に依存します。 以下のグラフ (図 3) は、飽和蒸気圧の温度依存性の性質を示しています。

米。 3

さらに、非線形セクションから線形セクションへの移行は、正確にはすべての液体の蒸発点を意味します。 飽和ガスの圧力は温度にのみ依存するため、特定の温度での飽和蒸気の圧力を完全に明確に決定することができます。 これらの比率（および飽和蒸気密度の値）は特別なテーブルに入力されます。

ここで、沸騰のような重要な物理的プロセスに注目してみましょう。 中学 2 年生では、沸騰は蒸発よりも激しい蒸発のプロセスとしてすでに定義されていました。 ここで、この概念を少し拡張してみます。

意味。 沸騰- 液体の全体積全体で起こる蒸発のプロセス。 沸騰のメカニズムは何ですか？ 実際には、水中には常に空気が溶けており、温度が上昇すると溶解度が低下し、マイクロバブルが形成されます。 容器の底や壁は完全に滑らかではないため、これらの泡は容器の内側の凹凸のある表面に付着します。 現在、水と空気のセクションは水の表面だけでなく、水の体積の内部にも存在し、水分子は泡を形成し始めます。 したがって、気泡の中に飽和水蒸気が現れます。 次に、これらの泡は浮上し始め、体積が増加して内部にさらに多くの水分子を取り込み、表面で破裂して飽和水蒸気を環境中に放出します（図4）。

米。 4.煮る工程（）

これらの気泡の形成と上昇の条件は次の不等式です。飽和蒸気圧は大気圧以上でなければなりません。

したがって、飽和蒸気圧は温度に依存するため、沸点は周囲圧力によって決まります。沸点が低いほど、液体が沸騰する温度は低くなり、逆も同様です。

次のレッスンでは、固体の特性を見ていきます。

参考文献

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宿題

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2. なぜ登山者は高地で卵をゆでてはいけないのでしょうか？
3. 頭を冷やすにはどのような方法が考えられますか? 熱いお茶? 物理学の観点からそれらを正当化します。
4. 水が沸騰した後、バーナーのガス圧力を下げる必要があるのはなぜですか?
5. *どうすれば摂氏100度以上の水を加熱できるのでしょうか？