4.1 第一节 液体的特性

《消防燃烧学》教案序号4.1课题第四章第一节液体的特性课时课型理论课一、教学目标及要求（一）教学目标【知识与技能】1.掌握液体挥发性及气液动态平衡的概念，理解液体蒸发速率取决于液体性质和温度；2.掌握液体的蒸发热（汽化热、摩尔蒸发热△HV）的概念及其与分子间引力的关系；3.掌握液体饱和蒸气压的概念及其影响因素，会识读蒸气压随温度变化的曲线（图4-1）；4.掌握液体沸点的概念及沸点与外界气压的关系；5.掌握液体饱和蒸气浓度的概念，会用道尔顿分压定律（式4-1）计算气体组分的体积百分比浓度（式4-2）；6.能根据表4-1部分液体的沸点和蒸发热数据，分析不同液体的蒸发难易。本节是《消防燃烧学》第四章"可燃液体的燃烧"中的第一节。第三章学习了可燃气体的燃烧，第四章开始学习可燃液体的燃烧。液体都有挥发性，在一定的温度条件下，液体都会由液态转变为气态。掌握液体的蒸发热、饱和蒸气压、沸点、饱和蒸气浓度等基本特性，是理解可燃液体火灾特性、判定液体火灾危险性的基础。对于消防救援人员而言，掌握液体特性有助于评估液体火灾危险性、正确处置液体火灾。【过程与方法】1.通过气液动态平衡过程的分析，理解液体蒸发的本质；2.通过蒸发热、饱和蒸气压、沸点等概念的层层递进讲解，建立液体特性的知识体系；3.通过图4-1蒸气压变化曲线的识读，理解温度对饱和蒸气压的影响；4.通过表4-1沸点和蒸发热数据的分析，比较不同液体的蒸发难易；5.通过式4-1道尔顿分压定律和式4-2体积百分比浓度的推导，掌握饱和蒸气浓度的计算。【情感、态度、价值观】通过本节学习，使学员认识液体特性和可燃液体火灾的密切关系，理解蒸发热、饱和蒸气压、沸点、饱和蒸气浓度等参数对评定液体火灾危险性的意义。结合液体燃料（汽油、酒精等）的日常使用，增强安全意识，培养消防救援人员分析可燃液体火灾危险性的专业素养。（二）教学要求1.识记液体蒸发热、饱和蒸气压、沸点、饱和蒸气浓度的概念；2.掌握液体蒸发速率与液体性质、温度的关系及气液动态平衡过程；3.掌握饱和蒸气压的影响因素及温度对蒸气压的影响规律（图4-1）；4.掌握沸点与外界气压的关系；5.掌握道尔顿分压定律（式4-1）及体积百分比浓度的计算（式4-2）。二、教学重点1.液体蒸发的本质及气液动态平衡过程；2.液体的蒸发热（汽化热、摩尔蒸发热△HV）；3.液体饱和蒸气压的概念及其影响因素；4.液体沸点的概念及与外界气压的关系；5.液体饱和蒸气浓度及道尔顿分压定律。三、教学难点1.气液动态平衡过程的理解；2.蒸发热、饱和蒸气压、沸点三者概念的联系与区别；3.道尔顿分压定律（式4-1）及体积百分比浓度的计算（式4-2）。四、教学方法与手段本节教学内容以液体特性为主，插图1张（图4-1几种液体在不同温度下蒸气压的变化曲线），数据表1个（表4-1部分液体的沸点和蒸发热），公式2个（式4-1道尔顿分压定律、式4-2体积百分比浓度）。教学应注重蒸发热、饱和蒸气压、沸点、饱和蒸气浓度等概念的分层讲解、图4-1曲线的识读和表4-1数据的分析。授课全过程使用PPT课件，将概念要点、图4-1、表4-1清晰展示；采用讲授法为主，结合图表演示和例题分析帮助学员理解。教学中注重理论联系实际：液体特性是评定可燃液体火灾危险性的基础。汽油、酒精、煤油等液体燃料的火灾危险性都与它们的蒸发热、饱和蒸气压、沸点密切相关。教学中应设置提问、讨论环节（如"为什么汽油比柴油更容易着火""为什么温度升高液体更容易蒸发""饱和蒸气压与沸点有什么关系"），启发学员思考，将液体特性知识应用于消防实践。五、教学过程设计首先，从液体的挥发性引入，说明液体蒸发与凝结达到气液动态平衡的过程；其次，讲解液体的蒸发热（汽化热、摩尔蒸发热）；再次，讲解液体饱和蒸气压的概念、影响因素及蒸气压随温度变化的曲线（图4-1）；第四，讲解液体的沸点及与外界气压的关系（表4-1）；第五，讲解液体饱和蒸气浓度及道尔顿分压定律（式4-1）、体积百分比浓度（式4-2）；最后，进行课堂小结和布置思考题。（一）引言同学们，上一章我们学习了可燃气体的燃烧。从这一章开始，我们学习可燃液体的燃烧。液体都有挥发性，在一定的温度条件下，液体都会由液态转变为气态。液体蒸发速率的快慢主要取决于液体的性质和温度。可燃液体（如汽油、酒精、煤油）都是通过蒸发产生蒸气，蒸气再与空气混合形成可燃混合气而燃烧的。因此，掌握液体的特性，是理解可燃液体火灾特性、评定液体火灾危险性的基础。先看气液动态平衡过程：将液体置于密闭的真空容器中，液体表面能量大的分子就会克服液面邻近分子的吸引力，脱离液面进入液面以上空间成为蒸气分子。进入空间的分子由于热运动，有一部分又可能撞到液体表面，被液面吸引而凝结。开始时，由于液面以上空间尚无蒸气分子，蒸发速率最大，凝结速率为零。随着蒸发过程的继续，蒸气分子浓度增加，凝结速率也增加，最后凝结速率和蒸发速率相等，液体（液相）和它的蒸气（气相）就会达到气液平衡状态。气液这种平衡是一种动态平衡，即液面分子仍在蒸发，蒸气分子仍在凝结，只是蒸发速率和凝结速率相等。（二）阐述、分析、推导【板书】第四章可燃液体的燃烧【板书】第一节液体的特性【讲解】液体都有挥发性，在一定的温度条件下，液体都会由液态转变为气态。液体蒸发速率的快慢主要取决于液体的性质和温度。【讲解】将液体置于密闭的真空容器中，液体表面能量大的分子就会克服液面邻近分子的吸引力，脱离液面进入液面以上空间成为蒸气分子。进入空间的分子由于热运动，有一部分又可能撞到液体表面，被液面吸引而凝结。【讲解】开始时，由于液面以上空间尚无蒸气分子，蒸发速率最大，凝结速率为零。随着蒸发过程的继续，蒸气分子浓度增加，凝结速率也增加，最后凝结速率和蒸发速率相等，液体（液相）和它的蒸气（气相）就会达到气液平衡状态。气液这种平衡是一种动态平衡，即液面分子仍在蒸发，蒸气分子仍在凝结，只是蒸发速率和凝结速率相等。【板书】一、蒸发热【讲解】在液体体系同外界环境没有热量交换的情况下，随着液体蒸发过程的进行，由于失掉了高能量分子而使液体分子的平均动能减小，液体温度逐渐降低。欲使液体保持原有温度，即维持液体分子的平均动能，必须从外界吸收热量。【讲解】这就是说，要使液体在恒温恒压下蒸发，必须从周围环境吸收热量。这种使液体在恒温恒压下汽化或蒸发所必须吸收的热量，被称为液体的汽化热或蒸发热。该蒸发热一方面消耗于增加液体分子动能以克服分子间引力而使分子逸出液面进入蒸气状态，它又消耗于汽化时体积膨胀所做的功。【讲解】显然，不同液体因分子间引力不同，其蒸发热势必不同，即使是同一液体，当质量不相等或温度不相同时，其蒸发热也不相同。因此常在一定温度压力下取1mol液体的蒸发热作比较，这时的蒸发热叫摩尔蒸发热，以△HV表示。【板书】摩尔蒸发热△HV：1mol液体在恒温恒压下汽化或蒸发所必须吸收的热量。一般来说，液体分子间引力越大，其蒸发热越大，液体越难蒸发。【提问】请同学们思考：为什么液体蒸发时要吸收热量？为什么不同液体蒸发难易不同？【讲解】液体蒸发时，失掉了高能量分子而使液体分子平均动能减小，温度降低，要使液体保持原温必须从外界吸收热量。不同液体分子间引力不同，分子间引力越大，蒸发热越大，液体越难蒸发。【板书】二、饱和蒸气压【讲解】在密闭条件中，在一定温度下，与液体或固体处于相平衡的蒸气所具有的压强称为饱和蒸气压，简称蒸气压。液体的饱和蒸气压仅与液体本身和温度有关，而与液体的数量及液面上的体积无关。【讲解】在相同温度下，液体分子之间的引力强，则液体分子难以克服引力而变为蒸气，蒸气压就低；反之，液体分子间引力弱，则蒸气压就高。对同一液体来说，升高温度，液体分子中能量大的数目增多，能克服液体表面引力变为蒸气的分子数目也就多，蒸气压就大；反之，若降低温度，则蒸气压就小。【讲解】图4-1介绍了几种液体在不同温度下蒸气压的变化曲线。从图4-1可以看出：纵轴为饱和蒸气压P饱（mmHg），刻度有500、760、1000、1500；横轴为热力学温度T（K），刻度有273、323、373。图中有四条曲线，从左至右依次为乙醚、丙酮、乙醇、水。各曲线均呈现随温度升高蒸气压快速上升的趋势，且在相同温度下，乙醚的蒸气压最高，水的蒸气压最低。这说明在相同温度下，不同液体的饱和蒸气压不同，分子间引力弱的液体蒸气压高，越容易蒸发。【板书】三、液体的沸点【讲解】液体的沸点是指液体的饱和蒸气压与外界压力相等时的温度。在此温度时，汽化在整个液体中进行，称为沸腾；而在低于此温度时的汽化，则仅限于在液面上进行。这是在沸点以下和达到沸点时液体汽化的区别。【讲解】显然，液体沸点同外界气压密切相关。外界气压升高，液体的沸点也升高；外界气压降低，液体的沸点也降低。【讲解】从表4-1可以看出：同一类烃（如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、己烷、辛烷、癸烷），随着碳原子数增加，分子量增大，分子间引力增大，沸点逐渐升高，蒸发热也逐渐增大。分子间引力越大，蒸发热越大，沸点越高，液体越难蒸发。【提问】请同学们思考：为什么沸点随外界气压变化而变化？饱和蒸气压与沸点有什么关系？【讲解】沸点是饱和蒸气压与外界压力相等时的温度，故外界气压升高，需更高温度才能使饱和蒸气压与之相等，沸点升高；外界气压降低，沸点降低。当液体饱和蒸气压等于外界压力时即达到沸点开始沸腾，所以沸点实质是饱和蒸气压达到外界压力时的温度。【板书】四、液体饱和蒸气浓度【讲解】在空气中的蒸气有饱和不饱和之分。不饱和蒸气压是蒸发与凝聚未达到平衡时的蒸气压，其大小是不断变化的，其变化范围从零到饱和蒸气压。饱和蒸气压是液体的蒸发和蒸气的凝聚达到平衡时的蒸气压，其大小在一定温度下是一定的，饱和蒸气的浓度也是一定的。【讲解】根据道尔顿的分压定律，在混合气体中，各气体的压力分数，体积分数和摩尔分数是相等的。即：【板书】式（4-1）Pi/P=Vi/V=ni/n【讲解】式中：Pi—气体组分i的分压力（Pa）；Vi—气体组分i的分体积（m3）；ni—气体组分i的物质的量（mol）；P—混合气体的总压力（Pa）；V—混合气体的总体积（m3）；n—混合气体的总物质的量（mol）。【讲解】所以，气体组分的体积百分比浓度等于：【板书】式（4-2）Ai=Vi/V×100%=Pi/P×100%【讲解】式中：Ai—气体组分i的体积百分比浓度（%）；Vi—气体组分i的分体积（m3）；V—混合气体的总体积（m3）；Pi—气体组分i的分压力（Pa）；P—混合气体的总压力（Pa）。【板书】【思考题】【板书】1．可燃性液体主要有哪些特性，分别举例说明，并说明这些特性各由什么参数来评定？通过本次课，学员掌握了液体都有挥发性，液体蒸发与凝结达到气液动态平衡的过程；掌握了液体的蒸发热（汽化热、摩尔蒸发热△HV）的概念及分子间引力越大蒸发热越大、液体越难蒸发的规律；掌握了液体饱和蒸气压的概念，其仅与液体本身和温度有关，且温度升高蒸气压增大（图4-1）；掌握了液体沸点是指饱和蒸气压与外界压力相等时的温度，沸点随外界气压升高而升高（表4-1）；掌握了液体饱和蒸气浓度的概念及道尔顿分压定律（式4-1）、体积百分比浓度（式4-2）。重点要求掌握蒸发热、饱和蒸气压、沸点、饱和蒸气浓