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vaporizationofcarbon
简介
在高温下固态碳转变为气态碳分子Cn的过程。又称为挥发(volatilization)。蒸发产物随蒸发温度及碳的种类而变化。
碳蒸气的组成 以纯净石墨为例，低于1200K蒸发气中只有C1 ;1300～1600K，有C1、C2、C3，以C1为最多;1700～3500K，有C1～C5，以C1～C3为主;3500℃以上，有C1～C7，以C3为最多，C6、C7含量甚微。不同温度下的碳蒸气的组成(Cn的分压)见表1。
表1 碳蒸气组成(Cn的平衡分压，kPa)
|
温度 T/K |
总压∑Cn | C1 | C2 | C3 |
| 1700 | 9.25×10-12 | 1.31×10-12 | 1.64×10-14 | 7.93×10-12 |
| 1800 | 2.02×10-10 | 2.33×10-16 | 4.23×10-13 | 1.73×10-10 |
| 1900 | 3.12×10-9 | 2.79×10-10 | 7.64×10-12 | 2.76×10-9 |
| 2000 | 3.69×10-8 | 2.11×10-9 | 1.04×10-10 | 3.31×10-8 |
| 2200 | 2.58×10-6 | 1.38×10-7 | 0.21×10-9 | 2.36×10-6 |
| 2400 | 8.63×10-5 | 3.76×10-6 | 3.82×10-7 | 8.21×10-5 |
| 2600 | 1.69×10-3 | 5.66×10-5 | 8.94×10-6 | 1.62×10-3 |
| 2800 | 2.16×10-2 | 6.03×10-4 | 1.32×10-4 | 2.10×10-2 |
| 3000 | 1.92×10-1 | 4.67×10-3 | 1.32×10-3 | 1.86×10-1 |
蒸气压 石墨表面的蒸气压，直到2000K也极低，小于10-4Pa，几乎可忽略。温度为T(K)时，C1，C2，C3蒸气中的分压p(Pa)可按下式计算：
logP=A-(B/T)+CT+DlogT
A、B、C、D为常数，见表2。
表2 蒸气压方程中的常数
| Cn | A | B | C | D |
| C1 | 46.813182 | 40986.66 | 1.55119×103 | -10.59350 |
| C2 | 25.392892 | 45208.60 | 0.09799×103 | -3.01924 |
| C3 | 24.243651 | 42848.50 | 0.00088×103 | -2.23269 |
当量蒸气压 把碳蒸气中一个碳分子Cn，当成n个碳分子C1，可以得到假想的完全由单原子分子组成的蒸气。这种蒸气的压力称为单原子分子的当量蒸气压(Peq)。分子Cn的压力用Pn表示。
用当量蒸气压可计算石墨的当量蒸发热。当量蒸气压大于实际的气压，如T=2000K，前者为1.016×10-4 Pa，后者为3.69×10-5。
蒸发速率 单位面积上，单位时间内，固态碳由蒸发引起的重量减少之量。在真空中(10-1～10-2Pa)，纯净致密的石墨，其蒸发率符合下式：
logW=9.072-38650/T
式中W为蒸发减重，g/(cm2·s)。
几种工业牌号石墨的蒸发速率见图。
石墨的蒸发速率V与温度T的关系图
1—ΓЗ石墨; 2—ΓМЗ
在2000℃以下时，石墨在真空中的蒸发速率微不足道，但温度增高，蒸发速率增长极快，在2500℃下为116g/(m2·h)，在3000℃下即增至54kg/(m2·h)。
蒸发热 在蒸发过程中所吸收的热量。蒸气压很低，处于高温下的碳蒸气服从理想气体定律。蒸发热(△HV)可以通过克劳修斯—克拉珀龙方程(Clausius-Clapeyron equation)，由蒸气压与温度的关系求得。R为气体常数。
△HV=-R[d(lnP)/d(1/T)]
根据不同温度T(K)下蒸气压的数据，由上式得到：
△HV=α+βT+γT2，J/mol
式中α、β、γ为常数，见表3。不同温度下的蒸发热见表4。
表3 蒸发热方程中的常数
| Cn | α | β | γ |
| C1 | 785264 | -88.128 | 0.029719 |
| C2 | 866073 | -25.117 | 0.0018770 |
| C3 | 820872 | -18.574 | 0.00001686 |
表4 Cn的蒸发热△Hn(kJ/mol)
| Cn | 1000K | 2000K | 3000K | 4000K |
| C1 | 726.8 | 728.1 | 788.4 | 908.1 |
| C2 | 842.8 | 823.5 | 807.6 | 795.5 |
| C3 | 802.2 | 783.8 | 764.9 | 746.9 |
石墨在特定温度下的蒸发热△H(T)，根据该温度下平衡蒸气的组成来计算。在平衡蒸气中Cn所占的分子分率为fn (T)，蒸发热为△Hn(T)
石墨平衡蒸气中C1、C2、C3的分子分率在3000K下分别为0.024、0.006、0.96(由分压得到)，由表4给出的△Hn得3000K下石墨蒸发热为765.7kJ/mol。