標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的純凈的水蒸氣存在嗎？

張廣宏++張江寧

【摘要】水可以處在不同的狀態(tài)，其壓強(qiáng)和溫度應(yīng)和實(shí)際數(shù)據(jù)吻合，滿足水的三相圖的數(shù)據(jù)要求。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的水蒸氣是不存在的。習(xí)題中涉及不正確的數(shù)據(jù)應(yīng)該刪除，或加以適當(dāng)修改，使問題嚴(yán)謹(jǐn)而科學(xué)。

【關(guān)鍵詞】水蒸氣 ?標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) ?三相圖

【中圖分類號】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）32-0173-01

一個(gè)問題：

（2004年理科綜合能力測試（浙江卷）16題）若以 μ表示水的摩爾質(zhì)量，υ為在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水蒸氣的摩爾體積， ρ為在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水蒸氣的密度，NA為阿伏加德羅常數(shù)，m、Δ分別表示每個(gè)水分子的質(zhì)量和體積，下面是四個(gè)關(guān)系式：

①NA= ?②ρ=③m=④Δ=

其中

A.①和②都是正確的; B.①和③都是正確的;

C.②和④都是正確的; D.①和④都是正確的。

此題非常經(jīng)典，已經(jīng)成為許多老師和學(xué)生在3-3模塊學(xué)習(xí)復(fù)習(xí)的必做題，據(jù)此為藍(lán)本又衍生出許多類似的問題。

有人認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水可以是液態(tài)，那么上方自然會(huì)存在水蒸氣。本話題根本無需討論。其實(shí)原題中所談?wù)摰膶ο蟾郊恿艘粋€(gè)很重要的描述：“標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水蒸氣的摩爾體積”。氣體的摩爾體積可以是純凈氣體，也可以是混合氣體。但是水蒸氣的摩爾體積則明確其對象是純凈物質(zhì)。為了更好地說清問題，筆者從三個(gè)層次來說明。（1）水蒸氣的摩爾體積應(yīng)該是指純凈的1摩爾水蒸氣的體積;（2）水蒸氣可以是飽和蒸汽也可以是不飽和蒸汽;（3）無論是否飽和，純凈的水蒸氣的狀態(tài)不可能處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

（1）水蒸氣的體積應(yīng)該理解為純凈氣體的體積，若水蒸氣僅僅是某種混合氣體的一個(gè)成分，根據(jù)道爾頓分壓定律，混合氣體的總壓強(qiáng)應(yīng)等于各個(gè)成分氣體的分壓強(qiáng)之和。但是不可以說成混合氣體總體積是各個(gè)組成成分的氣體的體積之和。所以我們有理由相信，題干中所謂水蒸氣的體積是指純凈的水蒸氣的體積，否則無法將水蒸氣與干燥空氣的體積相區(qū)分。有人認(rèn)為混合氣體的體積可以理解成每種成分的氣體都達(dá)到原壓強(qiáng)所對應(yīng)的體積之和，說法雖然與物理事實(shí)不相吻合，但可以勉強(qiáng)接受。但此時(shí)的成分體積也是指純凈氣體的體積，與筆者的說法是一致的。（2）為得到純凈的水蒸氣，我們不妨設(shè)想取半杯水，上方抽成真空，足夠長時(shí)間后，由于水的蒸發(fā)，水面上方將得到水蒸汽的飽和氣體。得到我們需要的純凈的水蒸汽。取部分飽和水蒸氣進(jìn)行等溫膨脹，可以得到不飽和水蒸氣。即純凈的水蒸氣，無論是否飽和，我們都可以得到。

（3）那么純凈水蒸氣可以存在于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下嗎？所謂標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，是指同時(shí)滿足溫度為0℃，壓強(qiáng)為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的這兩個(gè)條件的狀態(tài)。若將該氣體視作為理想氣體，則其摩爾體積應(yīng)該為22.4L。為厘清問題，我們不妨結(jié)合水的三相圖來研究。一般的水的三相圖可以參見圖1。其三相點(diǎn)附近的放大圖像可以參見圖2。在圖1中，添加p=1.01×105Pa的輔助線，容易發(fā)現(xiàn)處于氣相的水蒸氣的溫度范圍，顯然，此時(shí)氣相的水蒸氣的最小溫度在至少100℃。100℃的外界壓強(qiáng)即為此時(shí)水的飽和蒸汽壓，這是1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的沸騰條件，處于氣相狀態(tài)的水蒸氣的壓強(qiáng)在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)的溫度大于100℃。即選定了壓強(qiáng)為1個(gè)準(zhǔn)大氣壓，水蒸氣不肯能達(dá)到0℃。

同樣的道理，在圖2添加t=0℃的輔助線（讀者可以自行添加），氣相的水蒸氣對應(yīng)的壓強(qiáng)有一個(gè)最大值，最大值約為610Pa，遠(yuǎn)小于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)。即選定了0℃，壓強(qiáng)就不能達(dá)到1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

綜合以上分析，水蒸氣的壓強(qiáng)、溫度相互制約，不能同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的要求，即不存在所謂標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的水蒸氣。

題干表述的主要問題在于處于氣態(tài)的物體，它的溫度、壓強(qiáng)需滿足一定的關(guān)系才能保證其處于氣態(tài)狀態(tài)。當(dāng)然物質(zhì)的狀態(tài)是液態(tài)或是固態(tài)，壓強(qiáng)和溫度也是存在限制。為實(shí)現(xiàn)命題者的考查意圖，只需將題干中的有關(guān)水蒸氣的限制條件減少，使其自洽即可，或者干脆將水換成氧氣等可以存在于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體。可以參見以下修改。

改正后的參考題目：若以 μ表示水的摩爾質(zhì)量，υ表示在某狀態(tài)下水蒸氣的摩爾體積， ρ表示在該狀態(tài)下水蒸氣的密度，NA為阿伏加德羅常數(shù)，m、Δ分別表示每個(gè)水分子的質(zhì)量和體積，下面是四個(gè)關(guān)系式

①NA= ?②ρ=③m=④Δ=

其中

A.①和②都是正確的; B.①和③都是正確的;

C.②和④都是正確的; ? ? D.①和④都是正確的。

基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判，提出問題的解決方案，是科學(xué)思維的內(nèi)在要求之一。筆者的分析也算是教師在物理教學(xué)活動(dòng)中“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的一種表現(xiàn)吧。最后筆者建議各位老師在選用該題時(shí)，簡單加以修改，使之嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)。