2.8　蒸发与凝结

液体表面的分子，得到足够的动能之后就会克服其附近分子的吸引力，离开液体表面到空间中去，这个过程叫蒸发。蒸发是物质由液相变气相的过程。真空系统中的蒸气除来自蒸发外，还来自升华。升华是物质由固相直接变为气相的过程。与蒸发和升华相反，分子碰撞到表面后可以停留在表面上，这个过程叫做凝结。凝结是物质由气相变为液相或固相的过程。

2.8.1　蒸发率及凝结率

单位时间单位面积上蒸发（升华）的物质质量称作蒸发（升华）率。蒸发率或升华率可以直接由气体分子入射率公式导出，即

（2-61a）

式中　W——蒸发或升华率，kg/（m2·s）；

        pv——温度T时的饱和蒸气压，Pa；

        M——摩尔质量，kg/mol；

        T——蒸发或升华温度，K。

凝结率是单位时间单位面积上凝结的物质质量，如果蒸发和凝结两个过程处于动态平衡，那么蒸发率应等于凝结率，这意味着用式（2-61a）同样可以计算凝结率。

式（2-61a）是蒸发率的重要公式，它给出了蒸发率与蒸气压和温度之间的关系。但这个方程的准确程度还受下列因素的影响：

①气相分子返回液相（固相）时，有一部分分子受到相界面的弹性反射，不能全部凝结。按照动态平衡的观点，蒸发的分子数也要相应地减少。故式（2-61a）需要乘上一个凝结系数αn，即

（2-61b）

各种金属蒸气的凝结系数αn值，见表2-18。

②蒸发物质周围的气压比其饱和蒸气压高时，使蒸发的分子不能迅速扩散，妨碍蒸发过程的进行，使蒸发率低于式（2-61a）的理论计算值。消除这种影响，一般认为周围的气体压力应为10-2～10-6Pa。

③如果蒸发物质处于尺寸狭窄的容器中，蒸发的分子与器壁碰撞后，返回到蒸发物质表面的概率增大，使蒸发率降低。

④式（2-61a）所给出的蒸发率，是相当于周围气体中的蒸气分压可以忽略时而得到的。如果在密闭真空容器中蒸发，随着气体中蒸气分压的增加，蒸发率随之逐渐减小。如果容器中蒸发物质分压为pk，则式（2-61a）应表示为

（2-61c）

当pk=0时，表示蒸气完全扩散走了，蒸发率公式即为式（2-61a）。当pv=pk时，蒸发率W=0，表示气体已经饱和，蒸发物质不再蒸发了。

2.8.2　蒸气压

置于密闭容器中的温度一定的液体会产生自然蒸发，直到蒸发的分子数与返回到液体的分子数达到动态平衡为止。此时，蒸气分压不再增加了，这种蒸气称为饱和蒸气。而在此温度下的蒸气分压，称为饱和蒸气压。由克拉佩龙方程可以导出饱和蒸气压与温度的关系式，即

（2-62）

式中　pv——温度为T时的饱和蒸气压，Pa；

        A、B——常数，由实验确定，其值见表2-19。

测定物质的蒸气压有两种方法，其一是直接测量蒸气压所产生的机械效应；其二是测量蒸发率，即测量物质的质量损失，然后，根据式（2-61a）计算蒸气压。

图2-6、图2-7和图2-8给出了各种金属的蒸气压与温度的关系曲线。由图可见，钨的蒸气压最低。即使在2600K下，蒸气压仅为10-4Pa。水银的蒸气压最高，室温下亦达0.17Pa。

图2-9所示为金属和氧化物的蒸气压与温度的关系曲线。

图2-10给出了各种气体和蒸气的蒸气压与温度的关系曲线。由图可见，气体中，氦的蒸气压最高。

表2-20给出了水和水银的蒸气压。由表中可见，水银在室温下的蒸气压比液氮温度下高10多个数量级。

真空系统中存在蒸气，不仅影响系统所能达到的极限真空，而且还会影响真空设备的性能。如果在真空室中存在液体，液体在真空室中的时间越长，则所能获得的真空度仅为液体所处温度下的蒸气压值。若用机械泵抽含有水蒸气的气体时，当气体被压缩时，其中的水蒸气可达到饱和，变成水混在机械泵油中，破坏机械泵油的真空性能。为此，机械泵都使用气镇装置，当气体处于压缩阶段时，通过气镇阀掺入泵腔中一定量的空气，使水蒸气压未达到饱和之前便被排出泵腔外。如果被抽气体含蒸气很高，则需要在机械泵进气口安装蒸气捕集器。

在真空测量中，常常使用麦克劳真空计，在该真空计的压缩阶段，也会使蒸气凝结。因而，在冶金、化工所使用的真空系统，由于蒸气多，使用麦克劳真空计不能精确测量全压力，测量结果是分压力。生产厂商有时用麦克劳真空计测量机械泵、罗茨泵的极限压力，得到的结果是分压力，而不是全压力，用此分压力来表示真空泵的极限压力是不正确的。

在真空技术中，可以利用蒸气凝结原理制成真空设备，如冷阱、冷冻障板和低温泵等。