第十章 蒸馏
第 页 1 第十章 蒸 馏
1.应用例l0-1中的安托万方程式计算纯苯及纯甲苯的饱和蒸气压，并绘出101.3akp下苯-甲苯系统的yxt图(此溶液可视为理想溶液)。
解：由安托万公式：237.220350.120689740.6lg0tpA
377.219943.134395334.6lg0tpB
和泡点方程000BABppppx露点方程)()(0000BABAppppppy，可得：
温 度
(℃) A的饱和蒸汽压
(akp) B的饱和蒸汽压
(akp) 液相组成
(x) 气相组成
(y)
80.1 101.3 39.0 1.00 1.00
83.0 110.7 43.0 0.86 0.94
86.0 121.0 47.6 0.73 0.87
89.0 132.2 52.5 0.61 0.80
92.0 144.1 57.8 0.50 0.72
95.0 156.8 63.6 0.40 0.63
98.0 170.4 69.8 0.31 0.53
101.0 184.9 76.4 0.23 0.42
104.0 200.3 83.6 0.15 0.30
107.0 216.6 91.3 0.08 0.17
110.6 237.6 101.2 0.00 0.00 第十章 蒸馏
第 页 2 P-T-x-y相图75859510511500.20.40.60.81x(y)t
2.由前题的yxt图对含苯50％(摩尔)的苯-甲苯混合液计算以下各项：
(1)溶液的泡点。
(2)将溶液在保持汽、液紧密接触的情况下升温至95℃时各相的组成及汽化分率。
(3)溶液全部汽化时的温度，全部汽化的瞬间汽、液相组成。
解：(1)查图得，含苯50％(摩尔)的苯-甲苯混合液的泡点为92℃。
(2)将溶液在保持汽、液紧密接触的情况下升温至95℃时，查图得，
40.0x，63.0y
1 第七章 流域产汇流计算
一、概念题
㈠填空题
1. 降雨，径流，蒸发
2. 地面径流量，地下径流量，场次洪水总量
3. 水平线分割法，斜线分割法
4. 气温，湿度，日照，风
5. 降雨使土壤含水量达到田间持水量
6. 土壤缺水量
7. 径流量
8. 地下
9. 地面
10. 前期降雨的补充量以及流域蒸散发消耗量
11. 第t+1天开始时的前期影响雨量，第t天开始时的前期影响雨量，m1t,aWP（流域蓄水容量）
12. 第t天的降雨量，蓄水的日消退系数，m1t,aWP（流域蓄水容量）
13. 降雨强度大于土壤下渗率
14. 地面
15. 小于等于
16. 初损，后损
17. 产流开始之前，产流以后
18. 降雨，前期流域蓄水量，雨强
19. 降雨，蒸发
20. 平均后渗率mm/h，次降雨量mm，次降雨地面径流深mm，初损量mm，后期不产流的雨量mm，后期产流历时h.
21. 流域汇流时间
22. 各水质点到达出口断面汇流时间相等的那些点的连线，相邻等流时线间的面积
23. 流域上的最远点的净雨流达出口的历时 2 24. mstTT
25. 部分
26. 全面
27. 全面
28. 等流时线法
29. 谢尔曼单位线法
30. 相等
31. Δt
32. 等流量线法，谢尔曼单位线法，瞬时单位线法
33. Tq+Ts-1
34. 暴雨中心位置，暴雨强度
35. 瞬时单位线u(0,t)的积分曲线
36. 降雨过程，流量过程
37. 减小
38. 增大
㈡选择题
1．[a] 2. [b] 3. [c] 4. [c] 5. [b] 6. [c]
7. [b] 8. [d] 9. [b] 10.[c] 11.[a] 12.[c]
13.[d] 14.[b] 15.[d] 16.[b] 17.[c] 18.[c]
19.[b] 20.[b] 21.[c] 22.[a] 23.[c] 24.[b]
202第10章 蒸发测量 10.1概述 10.1.1定义 国际水文学术语表（WMO/UNESCO,1992）提到下列定义： 实际蒸发量：地表处于自然湿润状态时来自土壤和植物蒸发的水总量。 潜在蒸散量：在给定气候条件下，覆盖整个地面且供水充分的成片植被蒸发的最大水量的能力。因此，它包括在给定地区、给定时间间隔内的土壤蒸发和植被蒸腾，以深度表示。 蒸腾：植被的水分以水蒸气的形式传输进入大气中的过程。 应当指出，广泛使用的潜在蒸腾量概念并不包括所有可能的条件。潜在蒸腾量这一术语要求更加详细的说明以避免模糊。 10.1.2单位和标尺 蒸发率定义为单位时间内从单位表面面积蒸发的水量，可以表示为在单位时间内单位面积所蒸发的液态水的质量或容积，通常表示为单位时间内从全部面积上所蒸发的液态水的相当深度。时间单位一般为一天，深度单位可用mm也可用cm表示。根据仪器的精密程度，通常测量的准确度为0.10到0.01mm。 10.1.3气象要求 测量自由水面和地表的蒸发以及植被地表的蒸腾对于水文模拟、水文气象学及农业的研究是非常重要的，例如，水库及排灌系统的设计和运行。 第一编第1章描述了性能要求。日总量的极端范围从0到100mm（原文m可能为mm之误——校注），其分辨率为0.1mm。在置信度为95%时，其不确定度对于小于5mm的量应是±0.1mm，对于较大的数量应是±2%。已提出把1mm作为可达到的准确度。大体上，通常的仪器可以符合这些准确度要求，但安装和实际操作的困难可导致更大的误差（WMO，1976）。 影响物体或地表蒸发率的因子，主要可分为两组：气象因子和表面因子，两者皆可限制蒸发率。而气象因子本身，又可再分为能量变量和空气动力学变量。水从液态变为气态需要能量，而在自然界中这种能量主要由太阳辐射和地球辐射供给。空气动力变量，诸如地面风速及地面与低层大气间的水汽压差控制着蒸发的水汽的输送率。 区别表面有无自由水存在的状况是有用的。重要的因子包括水量、水的状态以及那些影响水汽向空气或通过物体表面向空气的输送过程的表面特性。例如，水汽输送到大气中的阻力取决于表面粗糙度；在干燥和半干燥地区，蒸发面的大小及形状也是极端重要的。植被蒸腾除已提到的气象及地面因子外，在很大程度上是由植物的特征和响应情况决定的。例如，包括气孔（叶中的孔）的数量和大小以及它们是开着的还是闭着的。气孔对水汽输送的阻力特征有日变化，但它也在很大程度上取决于土壤水分对根系的供给状况。 203根对土壤水分的供给和裸露土壤的蒸发取决于毛细管的补给，例如取决于土壤结构和成分。湖泊和水库的蒸发要受水体蓄热能力的影响。 10.1.4测量方法 目前，直接测量自然水面或地表的蒸发或蒸散还不现实。然而，已经提出了几种间接测量方法可提供可信的结果。 用蒸发器测量标准的饱和水面水分的损失，可分为蒸发表和小型或大型蒸发器。这些仪器既不直接测量自然水面的蒸发及实际的蒸散，也不测量潜在的蒸发。因此，所获得的观测是不能直接使用的，只有对此加以修正，才能得出湖面蒸发或自然表面实际的和可能的蒸散的可靠估计值。 蒸散器（蒸渗器）是一种置于地表以下，装满土壤并栽培植物的器皿或容器，对于研究自然条件下的多相水文循环，它是一种用于多种目的的仪器。蒸散（或裸露土壤的蒸发）的估计可通过测量和平衡容器的所有其它水的收支水分，即降水、地下水排出、土壤体积储水量的变化。通常，不考虑表面径流。如果保持野外土壤水分的容量，蒸散器也可用于估计土壤潜在的蒸发或覆盖植被的土壤的潜在蒸散。 对湖泊、水库以及小块土地或小的汇水区来说，蒸发的估计可通过水分收支、能量收支、空气动力学及其互补性途径完成。后一方法在10.5节中讨论。 还应强调，不同蒸发器或蒸渗器代表物理上的不同测量。为了表征湖泊的蒸发或实际的、潜在的蒸发（蒸散），对不同仪器的修正因子必然是不一样的。因此，应该对此类仪器及其安装情况叙述得非常仔细和精密，以便尽可能充分地了解具体的测量条件。 所有方法的详细情况可在（WMO，1994）中找到。 10.2蒸发表 10.2.1仪器类型 蒸发表是一种测量潮湿、多孔表面水分损耗的仪器，潮湿的表面可以是多孔陶瓷的球、圆柱体或平板，也可以是装置了滤纸的圆盘并使其吸水达到水湿透状态。利文斯通（Livingstone）蒸发表有一个直径约5cm的陶瓷球体作为蒸发元件，并通过一玻璃或金属管与储水瓶相连。作用于储水瓶中水面的大气压使球体维护水湿透。贝拉尼（Bellani）蒸发表由一个其顶部固定有着釉陶瓷漏斗的陶瓷盘组成。一个起储水作用并作为测量装置的滴定管将水引入。毕歇（Piche）蒸发表有一个与带有倒置刻度的圆柱管下端相连通的滤纸盘作为蒸发元件，圆柱管的另一端是封闭的，可由此管向滤纸盘供水。连续测量保留在刻度管内的水量，便可得出在任何给定时间内由于蒸发所失去的水量。 10.2.2蒸发表的测量 尽管常常认为蒸发表可以得出植物表面蒸发的相对测量值，但实际上这种测量值与自然表面蒸发不存在任何简单的关系。 精心按标准化遮蔽安置的毕歇蒸发表的读数，已用来成功地得出估算所需的空气动力 204学项、风函数和饱和水汽压差值的乘数，后者是由例如彭曼（Penman）的联合方法并取它们之间的相关关系之后而得出的。 当有可能从经验上得出用蒸发表测出的水分消耗与自然表面水分损耗的关系时，可以预料，对各类型表面和不同气候条件下均会得出不同的关系式。所以尽管蒸发表对小规模调查似乎仍有用处，它们的优点是体积小，价格低，需水少，密集的网可以在小面积上安置作小气象研究用，但在水资源调查中不会推荐使用蒸发表，除非没有其它数据可用。 10.2.3蒸发表的误差来源 蒸发表测量中最主要的问题之一是要保持蒸发表面清洁。脏的表面将会以类似于干湿表的湿球受玷污的方式而显著影响蒸发率。 进而蒸发表的暴露状况差异对蒸发测量的影响通常很显著，这尤其适用于当仪器被遮蔽时，影响蒸发表面周围经受的空气的运动状况。 10.3蒸发器和蒸发池 蒸发器和蒸发池的形状和尺寸各不相同，其安置方式也不尽相同。在现用的各种蒸发器中，美国A级蒸发器、俄罗斯GGI-3000蒸发器及俄罗斯20m2蒸发池将在以下三节中予以详述。这些仪器现在已广泛用作标准站网蒸发器，并已在不同气候条件下，很宽的纬度和海拔高度范围内对它们的性能进行了研究。尽管此类资料决定于复杂的气候带，以及与决定蒸发的一些气象要素有关，但只要仔细遵从标准的结构并按说明进行安装，此类蒸发器的数据甚为稳定。 俄罗斯20m2蒸发池已被采纳推荐选作国际参考标准蒸发器。 10.3.1美国A级蒸发器 美国A级蒸发器为圆桶形，深25.4cm，直径120.7cm。蒸发器底部高出地面3－5cm，由一个有开口框架的木平台支撑，使得蒸发器下部的空气流通，在雨季可保持蒸发器的底部位于地上水面以上，并可以毫无困难地检查蒸发器的底。蒸发器是用0.8mm厚的白铁、铜或蒙乃尔合金（一种镍、铜、铁、锰的合金——译注）制成，一般都不上漆。在蒸发器内，注水到上缘以下5cm处（即通常所说的标准面）。 水面用钩形水位计或定点水位计测量。钩形水位计，有一个可移动的刻度尺和配有一个钩的游标。水位计调整正确时，钩的尖端与水面接触。大型蒸发器内有一个直径为10cm、深30cm的静水管，在底部有一小孔可用来阻止器内可能有的水面波动，观测时起到支撑钩形水位计的作用。当水位计显示器内水面降到低于标准面2.5cm以下时，蒸发器应加水。 10.3.2俄罗斯GGI-3000蒸发器 俄罗斯GGI-3000蒸发器呈圆桶形，表面面积为3000cm2，深度为60cm。蒸发器的底部呈圆锥形。蒸发器安装在土壤中，其上缘高出地面7.5cm。在蒸发器的中央有一金属指标管，在进行蒸发测量时，在这个指标管上放一个容积量筒。这个量筒有一个阀门，打开阀门可使量筒的水面与蒸发器的水面高度相同，然后关闭阀门并精确测量量筒内的水容 205积。从量筒内水的容积以及量筒口径大小，确定金属指标管以上水面的高度。与金属指标管相连的指针，指示蒸发器内水面应该加（或减）到的高度。水面要保持在不低于指针尖5mm，不高于指针尖10mm。在邻近GGI-3000蒸发器的地方通常安装一个GGI-3000雨量筒，它有一个面积为3000cm2的收集器。 10.3.3俄罗斯20m2蒸发池 这种蒸发池的水面面积为20m2，直径约5m，底部为平底圆桶形，深2m，它是用4－5mm厚的铁板焊接而成，安置在土中且其上缘高出地表7.5cm。蒸发池的内表面及暴露的外表面均被漆成白色。蒸发池装备有一加水容器和一个带有一指示管的静水器。在测量蒸发池的水面时，在指示管上放上一个容积量筒。在静水器内部的指示管附近有一个小杆，其端点有一指针，用来指示水面要调整到的高度。水面高度将始终保持不低于指示针尖5mm以下，或不高于指示针尖10mm以上。在加水的容器边上附有一带有刻度的玻璃管，用以指示加到蒸发池的水量，并对容积量筒的测量结果进行粗略检验。 10.3.4蒸发器和蒸发池的测量 通过观测蒸发器或大型蒸发池内自由水面的高度变化来测量蒸发。这些测量可通过上述描述的美国A级蒸发器和俄罗斯GGI-3000蒸发器及蒸发池（原文无此词，似应加上——校注）分别完成。 现在正在使用的自记蒸发器，有好几种类型。通过从储水罐将水倒入蒸发器，或者当降水发生时从蒸发器内放水来保持蒸发器的水面的高度不变，同时将加入的水量或放掉的水量记录下来。在某些蒸发器或蒸发池内，借助于在静水管内的浮子操纵一个记录器也可连续记录水面高度。 蒸发器对蒸发的测量，构成估算所关注的自然表面蒸发和蒸散引起的水分损耗的几种方法的基础。通过蒸发器进行的测量之所以有优点，在于这些测量是所有气象变量影响的结果，而且任何时段均可获得仪器的数据。因此，在观测站网通常采用蒸发器在日常工作的基础上获得日常蒸发的数据。 10.3.5蒸发器和蒸发池的安装 蒸发器和大型蒸发池的安装主要有三种方式： （a）低于地面，蒸发池的主体安置于地面以下，蒸发表面与周围地面处于或接近同一高度； （b）地面以上，整个蒸发器和蒸发面处于稍高于地面的位置； （c）装置在湖泊或其它水体中的锚系浮标平台上。 蒸发站应位于相当平坦的地方，并避开树、建筑物、灌木或仪器百叶箱等障碍物，这些障碍物距蒸发器的距离，应大于它们高出蒸发器高度的5倍。对于成群障碍物，此距离应增至10倍。蒸发站占地要足够大，以保证读数不受农作物或其它不同区域的喷灌漂散或上风边缘效应的影响。此类效应可以延伸至100m，要用栅栏把蒸发站围起来，以保护 206仪器并防止动物侵扰水面，但这种栅栏不能影响蒸发器上风的结构。 蒸发站的地面覆盖，应尽可能接近周围地区一般的自然覆盖。经常修剪蒸发站的草坪及杂草等，以使它们保持低于蒸发器边缘的高度（7.5cm）。低于7.5cm的草高对于A级蒸发器也是适用的。无论如何也不能将蒸发器装置在混凝土板上或柏油地上或碎石层上。这种类型的蒸发器不应被挡住阳光。 10.3.6蒸发器和蒸发池的误差来源 蒸发器的安装方式既会带来方便之处，也会导致测量误差。 设在地面以上的蒸发器，价格不贵且易于安装及维护。它们比埋人土中的大型蒸发器清洁，因为灰尘等污物不会从周围大量溅人或吹入。这种蒸发器安置之后，其出现的任何漏水能比较容易地发现与纠正。但蒸发的水量要比埋人土中的大，主要是由于蒸发器的器壁受到额外的辐射能。使用隔热蒸发器可大大消除这种不利的侧壁的影响，但这样会增加材料成本，这将会妨碍其作为标准结构的指导作用，也会改变10.3节中提及的稳定的关系。 把蒸发器理入地中，有助于减少不良边界影响。诸如侧壁上的辐射和大气与蒸发器本身之间的热交换。但其不利之处在于：（a）导致蒸发器内会聚集更多的杂物，难以消除；（b）渗漏不易检测与纠正；（c）邻近蒸发器的植被高度影响更大。此外，在蒸发器与土壤之间存在明显的热交换。这取决于很多因素，其中包括土壤类型、含水量及植被覆盖情况。 漂浮的蒸发器要比在岸上安置于地面以上或地平面上的蒸发器更接近于湖面的蒸发，尽管漂浮蒸发器的储热特性与湖泊不同。然而漂浮蒸发器也受它所在的特定湖泊的影响，它并不一定是湖面蒸发的良好指示器。观测上的困难是显然的，特别是溅落经常使得数据不可靠。安装和运行这样的蒸发器，费用也是昂贵的。 在所有的安装方式中，最重要的一点是蒸发器桶体应由防腐蚀材料制成，其所有接口要做到使发生渗漏的可能性减至最小。 大雨及强风可能使蒸发器内的水溅出，致使测量无效。 蒸发器内的水面高度很重要。如果蒸发器内的水太满，就可能有10%（或更多）降雨溅出，造成估计蒸发量过高。若蒸发器内的水面太低，由于边缘的过分荫蔽及屏障，可导致蒸发率降低（在温带地区，若水面高度在标准高度5cm以下时，每降低1cm将会导致蒸发率降低约2.5%）。如果使水的深度变得非常浅，则由于增强了水表加热而使得蒸发率增大。 最合理的措施是通过自动方法在每次读数时调整水面，或者采取措施当水面达到上限标记时就取出水，而当水面达到下限标记时就添加水，使水面限制在允许的高度范围内。 10.3.7蒸发器和蒸发池的维护 至少每月要进行一次检查，特别要注意检查有无漏水。应根据需要经常清洗蒸发器，以保持其不存有污物、沉积物、泡沫及油膜。建议在水中加适量硫酸铜或其它一些合适的
第七章 薄膜的形成
薄膜结构和性能的差异与薄膜形成过程中的许多因素密切相关。因此，在讨论薄膜结构和性能之前，先研究薄膜的形成问题。虽然薄膜的制备方法有许多种类，薄膜形成的机制各不相同，但是在许多方面，还是具有其共性特点。在本章中，我们以真空蒸发薄膜的形成为例进行重点讨论。
§7-l 凝结过程
薄膜的形成一般分为凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程。凝结过程是薄膜形成的第一阶段。
凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气相原子、离子或分子入射到基体表面之后，从气相到吸附相，再到凝结相的一个相变过程。
一、吸附过程
一个气相原子入射到基体表面上，能否被吸附，是物理吸附还是化学吸附，是一个比较复杂的问题。
固体表面与体内在晶体结构上一个重大差异就是原子或分子间的结合化学键中断。原子或分子在固体表面形成的这种中断键称为不饱和键或悬挂键。这种键具有吸引外来原子或分子的能力。入射到基体表面的气相原子被这种悬挂键吸引住的现象称为吸附。如果吸附仅仅是由原子电偶极矩之间的范德华力起作用称为物理吸附；若吸附是由化学键结合力起作用则称为化学吸附。
固体表面的这种特殊状态使它具有一种过量的能量称为表面自由能。吸附现象使表面自由能减小。伴随吸附现象的发生而释放的一定的能量称为吸附能。将吸附在固体表面上的气相原子除掉称为解吸，除掉被吸附气相原子的能量称为解吸能。因为从蒸发源入射到基体表面的气相原子都有一定的能量。它们到达基片表面之后可能发生三种现象；
（1）与基体表面原子进行能量交换被吸附；
（2）吸附后气相原子仍有较大的解吸能，在基体表面作短暂停留后再解吸蒸发（再蒸发或二次蒸发）；
（3）与基体表面不进行能量交换，入射到基体表面上立即反射回去。
用真空蒸发法制备薄膜时，入射到基体表面上的气相原子中的绝大多数都与基体表面原子进行能量交换形成吸附。
将吸附过程用能量关系表示时可由图7-1说明。当入射到基体表面的气相原子动能较小时，处于物理吸附状态，其吸附能用Qp表示。当这种气相原子动能较大但小于或等于Ea时则可产生化学吸附。达到完全化学吸附，这种气相原子所具有的动能必须达到吸附能Ed的数量。Ed与Ea的差值Qe称为化学吸附热，Ea称为激活能。由此可以看出，化学吸附是一种激活过程。因为Qc大于Qp，所以只有动能较大的气相原子才能和基体表面产生化学吸附。当这种气相原子具有的动能大于Ed时，它将不被基体表面吸附，通过再蒸发或解吸而转变为气相。因此Ed又称为解吸能。
