【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會(huì)”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個(gè)世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識(shí)，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計(jì)算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會(huì)再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。

第七章物態(tài)的變化

【山話||? 本系列專欄中的力單位達(dá)因等于10??牛頓；功的單位爾格等于10??焦耳；熱量的單位卡路里等于4.186焦耳。另外這套老教材中的力的單位常用公斤，如今是不允許的，力是不能使用公斤為單位的。】??

§7-12臨界溫度

【01】還在十九世紀(jì)初，科學(xué)家們就進(jìn)行了氣體液化的研究，他們從實(shí)驗(yàn)著手，用降低溫度加大壓強(qiáng)的方法來使氣態(tài)物質(zhì)變成液體。圖7·23所示的是英國科學(xué)家法拉第當(dāng)初用來液化氯的裝置。在曲管 A 端放進(jìn)干燥的氯的水化物，將管封閉，對它進(jìn)行加熱，就有氣態(tài)的氯放出；將曲管 B 端放在冷卻劑中，就可以得到液態(tài)的氯。在法拉第液化氯的實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，許多科學(xué)家都對液化氣體進(jìn)行了研究，他們幾乎液化了當(dāng)時(shí)所了解的各種氣體。但是氧、氮、氫、一氧化碳、一氧化氮和甲烷等六種氣體，即使在 3000 大氣壓和－110°C 的情況下，也還不能液化，于是人們以為這些氣體是永遠(yuǎn)不能液化的，而把它們稱作永久氣體。

【02】從實(shí)驗(yàn)中觀察到：當(dāng)封閉的容器內(nèi)貯有一定量的液體時(shí)，一部分液體就要蒸發(fā)，并在液體上面的空間出現(xiàn)飽和汽。汽的壓強(qiáng)跟密度和溫度有關(guān)。在同一溫度時(shí)，汽的密度通常要比液體的密度小得多。當(dāng)溫度上升時(shí)，液體的密度減小，而飽和汽壓和汽密度都增大。表7·8分別列出了不同溫度時(shí)，水與飽和水汽的密度。圖7·24表示同一數(shù)據(jù)的圖線。

【03】從表上可以看到，在每一溫度下可以有兩種狀態(tài)——?dú)鈶B(tài)和液態(tài)同時(shí)存在。例如，在 150℃ 時(shí)水的密度是 0.92 克/厘米3，汽的密度是 0.00254 克/厘米3。從表中還可以看到，溫度越高，液體的密度越小，而它的飽和汽的密度越大，因而它們之間的差別也越小。當(dāng)溫度達(dá)到 374°C 時(shí)，水和水汽的密度相等。也就是說，這時(shí)水和水汽已經(jīng)沒有區(qū)別了，水不再以兩種狀態(tài)存在，而只能以氣體狀態(tài)存在。

【04】液體的密度和它的飽和汽的密度相等時(shí)的狀態(tài)，叫做物質(zhì)的臨界狀態(tài)，這時(shí)的溫度叫臨界溫度，這時(shí)的壓強(qiáng)叫臨界壓強(qiáng)。從圖7·24(a)可以看到蒸汽和液體的密度逐漸接近。在圖7·24(b)中，字母 tK?表示臨界溫度。

【05】在實(shí)驗(yàn)室里，可以用圖7·25的裝置來觀察乙醚的臨界狀態(tài)。在一個(gè)堅(jiān)固的小玻璃管里裝上約占容積 2/5 的乙醚，將管里空氣驅(qū)逐干凈后，封上玻璃管，并將它懸掛在一個(gè)前面開著窗孔的小鐵箱里。對鐵箱加熱，使液體溫度升高。在開始時(shí)，管里液汽的分界面很清楚，成凹月形，溫度逐漸上升，液體體積漸漸增大使液面上升，凹月面漸漸拉平，同時(shí)汽的密度也在不斷地增大。當(dāng)溫度升高到某一程度時(shí)，分界面消失，表面張力等于零，這一溫度就是乙醚的臨界溫度。如果這時(shí)停止加熱，讓它漸漸地冷卻下來，乙醚的狀態(tài)將沿相反的過程進(jìn)行。當(dāng)溫度降到臨界溫度以下時(shí)，分界面又重新出現(xiàn)。圖7·26中(a)到(e)表示了乙醚在加熱和冷卻時(shí)液面的變化。

【06】臨界溫度的存在意味著什么呢？在溫度比臨界溫度高時(shí)，物質(zhì)處于什么狀態(tài)呢？

【07】門捷列夫在 1860 年首先指出了臨界溫度的存在，接著科學(xué)家恩德留斯又作出了解釋：當(dāng)溫度高于臨界溫度時(shí)，物質(zhì)只能處于氣態(tài)。這時(shí)物質(zhì)不可能有兩種狀態(tài)，因?yàn)榉肿拥臒徇\(yùn)動(dòng)很劇烈，速度很大，使分子不能相互接近而成液態(tài)。如果用壓力把在臨界溫度以上的氣態(tài)物質(zhì)的體積減小，它的壓強(qiáng)將增大，但是它不會(huì)變成飽和汽和液化。只有當(dāng)溫度降到臨界溫度以下，氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)才有可能轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w分子的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此氣體和液體兩種狀態(tài)才可能并存。

【08】了解臨界溫度以后，就能夠解釋上述六種氣體不能液化的原因了，原來這是因?yàn)楦鞣N物質(zhì)有不同的臨界溫度。水、氯、氨和二氧化碳等的臨界溫度較高，所以在室溫下，增加壓強(qiáng)就可以使它們液化。但是有一些物質(zhì)如氫、氮、氧與氦等的臨界溫度則很低。要使它們變成液體，必須先使它們的溫度冷卻到臨界溫度以下，然后用加大壓強(qiáng)或減小體積的方法使它們液化。這也就是說它們并不是永久氣體，只要使溫度下降到它們的臨界溫度以下，它們也是能被液化的。因此可以得到這樣的結(jié)論：所有的氣體都能夠被液化，但只是由于臨界溫度不同而液化的難易程度也不同。表7-9表示各種物質(zhì)的臨界溫度和臨界壓強(qiáng)。