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当过兵,搞过“三支两军”,参加全国第三次人口普查,自学建筑、制冷、设计、预算。忧国忧民,人生无所求,毛泽东时代忧毛泽东思想难实现,改革开放忧邓小平理论不落实。

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关于水的冰点的讨论  

2014-02-13 08:47:22|  分类: 工程技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 水的相图:

       众所周知,水有三种不同的聚集状态。在指定的温度、压力下可以互成平衡,即

1.gif

       在特定条件下还可以建立其2.gif的三相平衡体系。表1的实验数据表明了水在各种平衡条件下,温度和压力的对应关系。水的相图(图1)就是根据这些数据描绘而成的。

          表1 水的压力~温度平衡关系

温 度
(℃)
体系的水蒸气压力(kPa) 5.gif
(kPa)
3.gif
(kPa)
4.gif
(kPa)
-20
-15
-10
-5
0.00989
+20
+100
374
--
0.191
0.286
0.421
0.610
2.338
101.3
2.204x104
0.103
0.165
0.259
0.401
0.610
--
--
--
1.996/105
1.611/105
1.145/104
6.18/104
0.610

 

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        对流层高度的下界与地面相接,上界高度随地理纬度和季节而变化。它的高度因纬度而不同,在低纬度地区平均高度为17~18公里,在中纬度地区平均为10~12公里,极地平均为8~9公里,并且夏季高于冬季。

       下层又称扰动层或摩擦层。其范围一般是自地面到2公里高度。

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 在对流层内,按气流和天气现象分布的特点又可分为下层、中层和上层。

  对流层:

(1)下层:下层又称扰动层或摩擦层。其范围一般是自地面到2公里高度。随季节和昼夜的不同,下层的范围也有一些变动,一般是夏季高于冬季,白天高于夜间。在这层里气流受地面的摩擦作用的影响较大,湍流交换作用特别强盛,通常,随着高度的增加,风速增大,风向偏转。这层受地面热力作用的影响,气温亦有明显的日变化。由于本层的水汽、尘粒含量较多,因而,低云、雾、浮尘等出现频繁。

(2)中层:中层的底界在摩擦层顶,上层高度约为6公里。它受地面影响比摩擦层小得多,气流状况基本上可表征整个对流层空气运动的趋势。大气中的云和降水大都产生在这一层内。

(3)上层:上层的范围是从6公里高度伸展到对流层的顶部。这一层受地面的影响更小,气温常年都在0℃以下,水汽含量较少,各种云都由冰晶和过冷水滴组成。在中纬度和热带地区,这一层中常出现风速等于或大于28米/秒的强风带,即所谓的急流。

此外,在对流层和平流层之间,有一个厚度为数百米到1~2公里的过渡层,称为对流层顶。这一层的主要特征是,气温随高度而降低的情况有突然变化。其变化的情形有:温度随高度增加而降低很慢,或者几乎为等温。根据这一变化的起始高度确定对流层顶的位置。对流层顶的气温,在低纬地区平均约为-83℃,在高纬地区约为-53℃。对流层顶对垂直气流有很大的阻挡作用,上升的水汽、尘粒多聚集其下,使得那里的能见度往往较差。

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      1.两相线:图中三条曲线分别代表上述三种两相平衡状态,线上的点代表两相平衡的必要条件,即平衡时体系温度与压力的对应关系。在相图中表示体系(包含有各相)的总组成点称为"物系点",表示某一相的组成的点称为"相点",但两者常通称为"状态点"。

        OA 线是冰与水气两相平衡共存的曲线,它表示冰的饱和蒸气压与温度的对应关系,称为"升华曲线",由图可见,冰的饱和蒸气压是随温度的下降而下降。

       OC 线是(蒸)气与液(水)两相平衡线,它代表气~液平衡时,温度与蒸气压的对应关系,称为"蒸气压曲线"或"蒸发曲线"。显然,水的饱和 蒸气压是随温度的增高而增大, 点表示水的正常沸点,即在敞开容器中把水加热到 100℃ 时,水的蒸气压恰好等于外界的压力(6.gif),它就开始沸腾。在6.gif压力下液体开始沸腾的温度称其为"正常沸点"。

       OB 线是固(冰)与液(水)两相平衡线,它表示冰的熔点随外压变化关系,故称之为冰的"熔化曲线"。熔化的逆过程就是凝固,因此它又表示水的凝固点随外压变化关系,故也可称为水的"凝固点曲线"。该线甚陡,略向左倾,斜率呈负值,意味着外压剧增,冰的熔点仅略有降低,大约是每增加1个6.gif,下降 0.0075℃ 。水的这种行为是反常的,因为大多数物质的熔点随压力增加而稍有升高。

      在单组分体系中,当体系状态点落在某曲线上,则意味体系处于两相共存状态,即 Ф =2,f = 1。这说明温度和压力,只有一个可以自由变动,另一个随前一个而定。关于两相线的分析以及斜率的定量计算将在"克拉贝龙方程式"讨论。

       必须指出,OC 线不能向上无限延伸,只能到水的临界点即 374℃ 与 22.3×103kPa 为止,因为在临界温度以上,气、液处于连续状态。如果特别小心,OC 线能向下延伸如虚线 OD 所示,它代表未结冰的过冷水与水蒸气共存,是一种不稳定的状态,称为"亚稳状态"。OD 线在 OA 线之上,表示过冷水的蒸气压比同温度下处于稳定状态的冰蒸气压大,其稳定性较低,稍受扰动或投入晶种将有冰析出。OA 线在理论上可向左下方延伸到绝对零点附近,但向右上方不得越过交点 O ,因为事实上不存在升温时该熔化而不熔化的过热冰。OB 线向左上方延伸可达二千个6.gif压力左右,若再向上,会出现多种晶型的冰,称为"同质多晶现象",情况较复杂,后面将简单提及。

       2.单相面:自图1,三条两相线将坐标分成三个区域;每个区域代表一个单相区,其中 AOC 为气相区,AOB 为固相区,BOC 为液相区。它们都满足 Ф =1,f = 2,说明这些区域内 T、p均可在一定范围内自由变动而不会引起新相形成或旧相消失。换句话说要同时指定 T、p 两个变量才能确定体系的一个状态。另外从图中亦可推断,由一个相变为另一相未必非得穿过平衡线;如蒸气处于状态点 M 经等温压缩到 N 点,再等压降温至 h,最后等温降压到 P 点,就能成功地使蒸气不穿过平衡线而转变到液体水。

       3.三相点:三条两相线的交点 O 是水蒸气、水、冰三相平衡共存的点,称为"三相点"。在三相点上 Ф =3,f =0,故体系的温度、压力皆恒定,不能变动。否则会破坏三相平衡。三相点的压力 p = 0.61kPa ,温度 T = 0.00989℃,这一温度已被规定为 273.16K,而且作为国际绝对温标的参考点。值得强调,三相点温度不同于通常所说的水的冰点,后者是指敞露于空气中的冰~水两相平衡时的温度,在这种情况下,冰~水已被空气中的组分(CO2、N2、O2 等)所饱和,已变成多组分体系。正由于其它组分溶入致使原来单组分体系水的冰点下降约 0.00242℃;其次,因压力从 0.61kPa 增大到 101.325kPa,根据克拉贝龙方程式计算其相应冰点温度又将降低 0.00747℃,这两种效应之和即 0.00989℃ ≈ 0.01℃(或 273.16K )就使得水的冰点从原来的三相点处即 0.00989℃ 下降到通常的 0℃(或 273.15K)。

       图1为低压下相图,有一个三相点,而在高压下水可能出现同质多晶现象,因此在水的相图上就不止存在一个三相点(图2),不过这些三相点不出现蒸气相罢了。水在高压下共有六种不同结晶形式的冰,即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ(普通冰以Ⅰ表示,冰Ⅳ不稳定),表2列出高压下水各三相点的温度和压力。

 

图1  水的相图关于水的冰点的讨论 - 白若宏 - 白若宏的博客

图5-3 水在高压下的相图 (t5-3.jpg)

图2   水在高压下的相图

       至此我们已明了相图中点、线、面之意义,于是可借助相图(图1)来分析指定物系当外界条件改变时相变化的情况。例如,101.325kPa,-40℃ 的冰(即 Q 点),当恒压升温,最终达到 250℃(即 J 点)。其中物系点先沿着 QJ 线移动,此时先在单一固相区内,由相律可知 f * = 1,故温度可不断上升。当抵达 G 点,即固~液两相线时,冰开始熔化,冰点不变 f * = 0,直到冰全部变成液态水。继续升温,状态点进入液态水的相区又恢复 f * = 1,故可右移升温至 F 点,它位于水的蒸发曲线上,故水开始汽化,沸点不变即 f * = 0,直到液态水全部变成水蒸气。继续升温右移,f * = 1 即进入水的气相区,最后到终点 J

         表2  水在各三相点时的温度和压力

T(℃) P(kPa)
(Ⅰ)、水、气
水、Ⅰ、Ⅲ
水、Ⅲ、Ⅴ
水、Ⅴ、Ⅵ
水、Ⅵ、Ⅶ
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ
+0.0099
-22.0
-17.0
+0.16
+51.6
-34.7
-24.3
0.610
2.073×105
3.459×105
6.252×105
2.195×106
2.127×105
3.440×105

 

       青海湖1988年水位3193.59米,湖面积为4282平方公里,到了2000年,通过遥感卫星数据分析,青海湖的面积是4256.04多平方公里。现湖水容积739亿立方米,最长约104公里,最宽约62公里,最大水深31.4米,湖水平均矿化度12.32克/升,含盐量1.25%。

       青海湖的水温随季节而变化。夏季湖水温度有明显的正温层现象,8月份最高达22.3℃,平均为16℃;水的下层温度较低,平均水温为9.5℃,最低为6℃。秋季因湖区多风而发生湖水搅动,使水温分层温度现象基本消失,冬季湖面结冰,湖水温度出现逆温层现象,1月份,冰下湖水上层温度-0.9℃(青海湖冬季气压不足690hPa,这个水温扣除盐水的冰点温度,受气压影响的温度仅0.15℃,也可以确认,小于标准大气压的条件,对冰点影响很小),底层水温3.3℃。春季解冻后,湖水表层水温又开始上升,逐渐又恢复到夏、季的水温。

盐水浓度与冰点对照表

温度(℃) 盐度(w%) 温度(℃) 盐度(w%) 温度(℃) 盐度(w%) 温度(℃) 盐度(w%) 温度(℃) 盐度(w%)
-0.60 0.10 -3.31 5.40 -7.15 10.70 -11.97 16.00 -18.15 21.30
-0.12 0.20 -3.37 5.50 -7.23 10.80 -12.07 16.10 -18.28 21.40
-0.17 0.30 -3.44 5.60 -7.32 10.90 -12.18 16.20 -18.41 21.50
-0.23 0.40 -3.51 5.70 -7.40 11.00 -12.28 16.30 -18.54 21.60
-0.28 0.50 -3.58 5.80 -7.48 11.10 -12.38 16.40 -18.68 21.70
-0.35 0.60 -3.64 5.90 -7.56 11.20 -12.49 16.50 -18.81 21.80
-0.41 0.70 -3.71 6.00 -7.64 11.30 -12.59 16.60 -18.94 21.90
-0.47 0.80 -3.78 6.10 -7.73 11.40 -12.70 16.70 -19.08 22.00
-0.53 0.90 -3.82 6.20 -7.81 11.50 12.81 16.80 -19.22 22.10
-0.59 1.00 -3.91 6.30 -7.89 11.60 -12.91 16.90 -19.36 22.20
-0.65 1.10 -3.98 6.40 -7.98 11.70 -13.01 17.00 -19.49 22.30
-0.70 1.20 -4.05 6.50 -8.06 11.80 -13.13 17.10 -19.63 22.40
-0.76 1.30 -4.12 6.60 -8.15 11.90 -13.24 17.20 -19.77 22.50
-0.82 1.40 -4.18 6.70 -8.23 12.00 -13.33 17.30 -20.80 23.20
-0.88 1.50 -4.25 6.80 -8.32 12.10 -13.45 17.40    
-0.94 1.60 -4.32 6.90 -8.40 12.20 -13.56 17.50    
-1.00 1.70 -4.39 7.00 -8.49 12.30 -13.67 17.60 据卢焕章  
-1.06 1.80 -4.46 7.10 -8.57 12.40 -13.78 17.70    
-1.12 1.90 -4.53 7.20 -8.66 12.50 -13.90 17.80    
-1.18 2.00 -4.60 7.30 -8.75 12.60 -14.01 17.90    
-1.24 2.10 -4.67 7.40 -8.84 12.70 -14.12 18.00    
-1.30 2.20 -4.74 7.50 -8.92 12.80 -14.23 18.10    
-1.36 2.30 -4.81 7.60 -9.01 12.90 -14.35 18.20    
-1.42 2.40 -4.88 7.70 -9.10 13.00 -14.46 18.30    
-1.48 2.50 -4.96 7.80 -9.19 13.10 -14.57 18.40    
-1.54 2.60 -5.03 7.90 -9.28 13.20 -14.69 18.50    
-1.60 2.70 -5.10 8.00 -9.37 13.30 -14.81 18.60    
-1.66 2.80 -5.17 8.10 -9.46 13.40 -14.92 18.70    
-1.73 2.90 -5.24 8.20 -9.55 13.50 -15.04 18.80    
-1.79 3.00 -5.32 8.30 -9.64 13.60 -15.16 18.90    
-1.83 3.10 -5.33 8.40 -9.74 13.70 -15.27 19.00    
-1.91 3.20 -5.46 8.50 -9.83 13.80 -15.39 19.10    
-1.97 3.30 -5.54 8.60 -9.92 13.90 -15.51 19.20    
-2.01 3.40 -5.61 8.70 -10.01 14.00 -15.63 19.30    
-2.09 3.50 -5.68 8.80 -10.10 14.10 -15.75 19.40    
-2.15 3.60 -5.76 8.90 -10.20 14.20 -15.87 19.50    
-2.22 3.70 -5.83 9.00 -10.30 14.30 -15.99 19.60    
-2.28 3.80 -5.91 9.10 -10.39 14.40 -16.11 19.70    
-2.35 3.90 -5.98 9.20 -10.49 14.50 -16.24 19.80    
-2.41 4.00 -6.06 9.30 -10.58 14.60 -16.36 19.90    
-2.47 4.10 -6.14 9.40 -10.68 14.70 -16.48 20.00    
-2.54 4.20 -6.21 9.50 -10.77 14.80 -16.61 20.10    
-2.60 4.30 -6.29 9.60 -10.87 14.90 -16.73 20.20    
-2.66 4.40 -6.37 9.70 -10.97 15.00 -16.86 20.30    
-2.73 4.50 -6.44 9.80 -11.07 15.10 -16.98 20.40    
-2.79 4.60 -6.52 9.90 -11.17 15.20 -17.11 20.50    
-2.85 4.70 -6.60 10.00 -11.26 15.30 -17.24 20.60    
-2.92 4.80 -6.68 10.10 -11.36 15.40 -17.37 20.70    
-2.99 4.90 -6.78 10.20 -11.46 15.50 -17.49 20.80    
-3.05 5.00 -6.83 10.30 -11.56 15.60 -17.62 20.90    
-3.12 5.10 -6.91 10.40 -11.66 15.70 -17.75 21.00    
-3.18 5.20 -6.99 10.50 -11.77 15.80 -17.88 21.10    
-3.25 5.30 -7.07 10.60 -11.87 15.90 -18.01 21.20    

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         上表是一个教学用表,其中的变化过程与变化条件并不确切。  

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