蒸汽(又称可凝性气体)

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    所谓蒸汽(又称可凝性气体),是相对于永久气体(或称非可凝性气体)而言的。对于任何一种气体,都存在有一个临界温度,在临界温度以上的气体,不能通过等温压缩发生液化,称为永久气体;而在临界温度以下的气体,靠单纯增加压力即能使其液化,便是蒸汽。


    空间中的蒸汽分子返回到液体内去的过程叫做凝结。蒸汽的凝结率W[kg/(m2·s)],即单位时间内在单位面积液面上凝结的蒸汽质量,可借助(20)式计算(23)
    式中α为凝结系数,pv为蒸汽的分压力。


    凝结的逆过程,即液体分子飞到空间变成蒸汽的现象,叫蒸发。单位时间通过单位面积液面蒸发的质量叫蒸发率Gv[kg/(m2·s)]在汽、液共存的条件下,蒸发和凝结现象同时存在,若蒸发率大于凝结率,则宏观上表现为液体的蒸发;若蒸发率小于凝结率,则宏观上表现为蒸汽的凝结;二者相等时,则处于饱和状态,此时空间蒸汽的压力称为对应平衡温度下的饱和蒸汽压ps。物质的饱和蒸汽压随着温度的升高而增大。液体的蒸发率与对应温度下的饱和蒸汽压间的关系为 (24)


    此式常用于蒸发镀膜中金属蒸发量的计算。
    一种蒸汽的实际压力pv与其对应温度下的饱和蒸汽压ps之比,称为蒸汽当时的饱和度。作为最常用的一项指标参数,常把空气中水蒸汽的饱和度定义为空气的相对温度,相对温度(%) = pvH20/psH20 × 100% (25)


    例如:工程中定义标准环境条件为温度20oC,相对湿度65%,大气压力101325Pa。已知水蒸汽在20oC时的饱和蒸汽压为2333Pa(17.5托),则可计算出标准环境条件下大气中水的分压力为0.65 × 2333 = 1516Pa(11.375托)。


    饱和蒸汽压的存在,是蒸汽有别于理想气体模型的根本之处,也是我们要将蒸汽的性质单独作为一节讨论的原因。在真空工程中,在蒸汽没有达到饱和之前,即饱和度<1时,我们可以使用前面介绍的理想气体定律和公式来描述蒸汽的性质;而蒸汽一旦达到饱和,情况却大不相同,如果我们对饱和蒸汽继续作等温压缩,蒸汽压力将不再升高而是维持饱和蒸汽压的值不变,即不再服从波义耳--马略特定律,为多余部分的蒸汽将凝聚为液态或固态;反之,在饱和蒸汽与其凝聚相(液态或固态)平衡共存的情况下,对蒸汽作等温膨胀,蒸汽的压力也不会降低,而是其凝聚相不断蒸发或升华来补充蒸汽,直至全部变成蒸汽为止。饱和蒸汽与其凝聚相间的这种等温相变,尤其是水蒸汽的存在,在真空工程中有着不容忽视的影响。


    从上面的分析可知;在相联通的真空系统中,如果某一处存在有挥发性较强的固体或液体,那么此处就相当于系统中的一个放气源,使该物质在系统中的分压力始终为对应温度下的饱和蒸汽压,这常常会限制系统极限真空度的提高;如果相联通的真空系统各部分温度不同,那么整个系统中蒸汽的分压力都将与最低温度所对应的饱和蒸汽压相等,多余的蒸汽物质最后都将凝聚在具有最低温度的表面上,这正是低温冷阱可以提高系统真空度的原理。


    饱和蒸汽受压缩时发生液化这一性质常给变容式真空泵的抽气带来困难,最突出的就是水蒸汽的抽除问题。以最常见的旋片泵为例:一个抽气周期包括进气腔膨胀吸气、隔离和排气腔压缩排气三步骤。如果吸入的气体中水蒸汽的比例较大,在水蒸汽和永久气体被压缩达到排气压力之前,水蒸汽的分压力已经达到饱和蒸汽压,那么继续压缩的过程中,就会有一部分水蒸汽发生液化而混入泵油中,无法排出泵外,并且回到膨胀腔后还会在低压下重新汽化成蒸汽,增大吸气侧的水蒸汽比例和压力,导致泵的抽气能力和极限真空的下降。若要保证水蒸汽能够全部排出泵外而不发生液化,那么吸入的水蒸汽分压力pv、永久气体分压力pp、对应泵温下的水蒸汽饱和蒸汽压A和泵的排气压力Pe间应满足如下关系:


pv / pv+ppps / pepv / ppps / pe-ps     (26)

    例如:取泵的排气压强pe =1.1×lO5Pa,泵温70oC时水的饱和蒸汽压声,ps=3.125×104Pa,则水蒸汽占吸入气体的比例必须小于ps / pe=28.3%。在抽气后期,尤其是空气湿度较大时,这一条件很难达到。因为此时被抽容器内的永久气体成份已经很少,但容器内表面凝结的水蒸汽却不断放出,所占比例就变得很大。解决这一问题的一个传统方法是加气镇,即向压缩腔内充入永久气体成份以降低水蒸汽所占的比例,使其在达到饱和前便被排出。


    水蒸汽的存在也会影响到压缩式真空计(麦氏计)的精确使用。测量读数时,如果测量管内经过压缩的气体中,水蒸汽的分压力尚低于当时饱和蒸汽压,那么读数表示的是水蒸汽和永久气体的全压力;若水蒸汽已经达到饱和发生液化,那么读数会比永久气体的分压力高一些,但无法得到准确的数据。为消除水蒸汽对测量的干扰,常在麦氏计前安一低温冷讲,这样测得的就只是永久气体的分压力。


    液体(或固体)在真空中蒸发(或升华)变成蒸汽时需要吸收热量,称为汽化热。物质的汽化热随着汽化温度的升高而略有降低。比如lmol水,在50oC汽化,汽化热为42780J,而在100oC汽化,汽化热为40680J。蔬菜真空保鲜工艺中,让蔬菜的一部分水份在真空中蒸发抽除,这些水蒸发时要从蔬菜体内吸取汽化热,从而使蔬菜在脱水同时降温,正是利用了水蒸发吸热的原理;这种现象有时也会给真空操作带来问题,比如在大型真空装置中积存一些水,抽真空后一部分水蒸发成蒸汽排除,而这部分水吸收汽化热使其余的水降温直至结冰,余下的水就只能以升华的方式缓慢蒸发,从而延长抽真空的时间。

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