2.8　蒸發(fā)與凝結(jié)

液體表面的分子，得到足夠的動能之后就會克服其附近分子的吸引力，離開液體表面到空間中去，這個(gè)過程叫蒸發(fā)。蒸發(fā)是物質(zhì)由液相變氣相的過程。真空系統(tǒng)中的蒸氣除來自蒸發(fā)外，還來自升華。升華是物質(zhì)由固相直接變?yōu)闅庀嗟倪^程。與蒸發(fā)和升華相反，分子碰撞到表面后可以停留在表面上，這個(gè)過程叫做凝結(jié)。凝結(jié)是物質(zhì)由氣相變?yōu)橐合嗷蚬滔嗟倪^程。

2.8.1　蒸發(fā)率及凝結(jié)率

單位時(shí)間單位面積上蒸發(fā)（升華）的物質(zhì)質(zhì)量稱作蒸發(fā)（升華）率。蒸發(fā)率或升華率可以直接由氣體分子入射率公式導(dǎo)出，即

（2-61a）

式中　W——蒸發(fā)或升華率，kg/（m2·s）；

        pv——溫度T時(shí)的飽和蒸氣壓，Pa；

        M——摩爾質(zhì)量，kg/mol；

        T——蒸發(fā)或升華溫度，K。

凝結(jié)率是單位時(shí)間單位面積上凝結(jié)的物質(zhì)質(zhì)量，如果蒸發(fā)和凝結(jié)兩個(gè)過程處于動態(tài)平衡，那么蒸發(fā)率應(yīng)等于凝結(jié)率，這意味著用式（2-61a）同樣可以計(jì)算凝結(jié)率。

式（2-61a）是蒸發(fā)率的重要公式，它給出了蒸發(fā)率與蒸氣壓和溫度之間的關(guān)系。但這個(gè)方程的準(zhǔn)確程度還受下列因素的影響：

①氣相分子返回液相（固相）時(shí)，有一部分分子受到相界面的彈性反射，不能全部凝結(jié)。按照動態(tài)平衡的觀點(diǎn)，蒸發(fā)的分子數(shù)也要相應(yīng)地減少。故式（2-61a）需要乘上一個(gè)凝結(jié)系數(shù)αn，即

（2-61b）

各種金屬蒸氣的凝結(jié)系數(shù)αn值，見表2-18。

②蒸發(fā)物質(zhì)周圍的氣壓比其飽和蒸氣壓高時(shí)，使蒸發(fā)的分子不能迅速擴(kuò)散，妨礙蒸發(fā)過程的進(jìn)行，使蒸發(fā)率低于式（2-61a）的理論計(jì)算值。消除這種影響，一般認(rèn)為周圍的氣體壓力應(yīng)為10-2～10-6Pa。

③如果蒸發(fā)物質(zhì)處于尺寸狹窄的容器中，蒸發(fā)的分子與器壁碰撞后，返回到蒸發(fā)物質(zhì)表面的概率增大，使蒸發(fā)率降低。

④式（2-61a）所給出的蒸發(fā)率，是相當(dāng)于周圍氣體中的蒸氣分壓可以忽略時(shí)而得到的。如果在密閉真空容器中蒸發(fā)，隨著氣體中蒸氣分壓的增加，蒸發(fā)率隨之逐漸減小。如果容器中蒸發(fā)物質(zhì)分壓為pk，則式（2-61a）應(yīng)表示為

（2-61c）

當(dāng)pk=0時(shí)，表示蒸氣完全擴(kuò)散走了，蒸發(fā)率公式即為式（2-61a）。當(dāng)pv=pk時(shí)，蒸發(fā)率W=0，表示氣體已經(jīng)飽和，蒸發(fā)物質(zhì)不再蒸發(fā)了。

2.8.2　蒸氣壓

置于密閉容器中的溫度一定的液體會產(chǎn)生自然蒸發(fā)，直到蒸發(fā)的分子數(shù)與返回到液體的分子數(shù)達(dá)到動態(tài)平衡為止。此時(shí)，蒸氣分壓不再增加了，這種蒸氣稱為飽和蒸氣。而在此溫度下的蒸氣分壓，稱為飽和蒸氣壓。由克拉佩龍方程可以導(dǎo)出飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系式，即

（2-62）

式中　pv——溫度為T時(shí)的飽和蒸氣壓，Pa；

        A、B——常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定，其值見表2-19。

測定物質(zhì)的蒸氣壓有兩種方法，其一是直接測量蒸氣壓所產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)；其二是測量蒸發(fā)率，即測量物質(zhì)的質(zhì)量損失，然后，根據(jù)式（2-61a）計(jì)算蒸氣壓。

圖2-6、圖2-7和圖2-8給出了各種金屬的蒸氣壓與溫度的關(guān)系曲線。由圖可見，鎢的蒸氣壓最低。即使在2600K下，蒸氣壓僅為10-4Pa。水銀的蒸氣壓最高，室溫下亦達(dá)0.17Pa。

圖2-9所示為金屬和氧化物的蒸氣壓與溫度的關(guān)系曲線。

圖2-10給出了各種氣體和蒸氣的蒸氣壓與溫度的關(guān)系曲線。由圖可見，氣體中，氦的蒸氣壓最高。

表2-20給出了水和水銀的蒸氣壓。由表中可見，水銀在室溫下的蒸氣壓比液氮溫度下高10多個(gè)數(shù)量級。

真空系統(tǒng)中存在蒸氣，不僅影響系統(tǒng)所能達(dá)到的極限真空，而且還會影響真空設(shè)備的性能。如果在真空室中存在液體，液體在真空室中的時(shí)間越長，則所能獲得的真空度僅為液體所處溫度下的蒸氣壓值。若用機(jī)械泵抽含有水蒸氣的氣體時(shí)，當(dāng)氣體被壓縮時(shí)，其中的水蒸氣可達(dá)到飽和，變成水混在機(jī)械泵油中，破壞機(jī)械泵油的真空性能。為此，機(jī)械泵都使用氣鎮(zhèn)裝置，當(dāng)氣體處于壓縮階段時(shí)，通過氣鎮(zhèn)閥摻入泵腔中一定量的空氣，使水蒸氣壓未達(dá)到飽和之前便被排出泵腔外。如果被抽氣體含蒸氣很高，則需要在機(jī)械泵進(jìn)氣口安裝蒸氣捕集器。

在真空測量中，常常使用麥克勞真空計(jì)，在該真空計(jì)的壓縮階段，也會使蒸氣凝結(jié)。因而，在冶金、化工所使用的真空系統(tǒng)，由于蒸氣多，使用麥克勞真空計(jì)不能精確測量全壓力，測量結(jié)果是分壓力。生產(chǎn)廠商有時(shí)用麥克勞真空計(jì)測量機(jī)械泵、羅茨泵的極限壓力，得到的結(jié)果是分壓力，而不是全壓力，用此分壓力來表示真空泵的極限壓力是不正確的。

在真空技術(shù)中，可以利用蒸氣凝結(jié)原理制成真空設(shè)備，如冷阱、冷凍障板和低溫泵等。