
【化】 supersaturated vapour
过饱和蒸气(supersaturated vapor)指温度低于当前压力下饱和温度时仍保持气态的水蒸气状态,属于热力学亚稳态体系。这种现象的成因可追溯至吉布斯自由能理论——蒸气分子需克服表面张力形成液滴核才能凝结,当缺乏凝结核时系统维持非平衡态。
从实验观测看,威尔逊云室正是利用过饱和蒸气遇带电粒子形成凝结轨迹的原理,该现象由物理学家C.T.R. Wilson在1895年通过膨胀冷却法首次验证(参见剑桥大学卡文迪许实验室实验档案)。工业生产中,该状态被应用于雾化干燥技术,通过控制蒸气过饱和度实现纳米颗粒制备(《化工热力学基础》第三版,科学出版社)。
量子力学研究显示,过饱和蒸气的最大过冷度存在临界阈值,该参数可通过克拉佩龙方程推导:
$$
frac{dP}{dT} = frac{L}{T(v_g - v_l)}
$$
其中L为潜热,v_g和v_l分别为气相与液相摩尔体积。这一经典公式在《物理化学简明教程》中有详细阐述。
过饱和蒸气是指在一定温度下,其压强或密度超过该温度对应的饱和蒸气压或饱和密度,但仍未发生液化或凝华的蒸气状态。这种现象的形成和特性可通过以下方面解释:
过饱和蒸气是蒸气在缺乏凝结核时形成的亚稳态。例如,当蒸气压强超过同温度下平面液体的饱和蒸气压时,若环境中没有尘埃、带电粒子等凝结核,蒸气会暂时维持过饱和状态。
根据开尔文方程,小液滴的饱和蒸气压 ( P_r ) 与平面液体饱和蒸气压 ( P_0 ) 的关系为: $$ lnleft(frac{P_r}{P_0}right) = frac{2gamma V_m}{rRT} $$ 其中 ( gamma ) 为表面张力,( V_m ) 为摩尔体积,( r ) 为液滴半径。该公式解释了微小液滴需更高蒸气压才能稳定的现象。
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