Tačka ključanja tečnosti je niža od. Zašto je tačka ključanja vode različita u različitim uslovima? Kako uzgajati kristal
Do isparavanja može doći ne samo kao rezultat isparavanja, već i tokom ključanja. Razmotrimo ključanje sa energetske tačke gledišta.
U tečnosti uvek ima rastvorenog vazduha. Kada se tečnost zagrije, količina plina otopljenog u njoj se smanjuje, uslijed čega se dio oslobađa u obliku malih mjehurića na dnu i zidovima posude i na neotopljenim čvrstim česticama suspendiranim u tekućini. Tečnost isparava u ove vazdušne mehuriće. Vremenom, pare u njima postaju zasićene. Daljnjim zagrijavanjem tlak raste zasićena para unutar mehurića i njihov volumen. Kada pritisak pare unutar mjehurića postane jednak atmosferskom, oni se pod utjecajem Arhimedove sile uzgona izdižu na površinu tekućine, pucaju i iz njih izlazi para. Isparavanje koje se odvija istovremeno i sa površine tečnosti i unutar same tečnosti u mjehuriće zraka naziva se ključanje. Temperatura pri kojoj pritisak zasićene pare u mjehurićima postaje jednak vanjskom tlaku naziva se tačka ključanja.
Pošto su pri istim temperaturama pritisci zasićenih para različitih tečnosti različiti, onda pri različite temperature postaju jednaki atmosferskom pritisku. To uzrokuje da različite tekućine ključaju na različitim temperaturama. Ova nekretnina tečnosti se koriste u sublimaciji naftnih derivata. Kada se ulje zagrije, prvo ispare najvredniji, isparljivi dijelovi (benzin), koji se na taj način odvajaju od “teških” ostataka (ulja, lož ulja).
Iz činjenice da ključanje nastaje kada je pritisak zasićene pare jednak vanjskom pritisku na tečnost, proizilazi da tačka ključanja tečnosti zavisi od spoljašnjeg pritiska. Ako se poveća, tada tečnost ključa na višoj temperaturi, jer zasićena para zahteva višu temperaturu da bi se postigao ovaj pritisak. Naprotiv, pri smanjenom pritisku tečnost ključa na nižoj temperaturi. To se može potvrditi iskustvom. Zagrijte vodu u tikvici do ključanja i uklonite alkoholnu lampu (slika 37, a). Voda prestaje da ključa. Zatvarajući tikvicu čepom, počet ćemo pumpom uklanjati iz nje zrak i vodenu paru, čime ćemo pumpanjem zraka smanjiti pritisak na vodu, koja kao rezultat proključa u tikvicu ćemo povećati pritisak na vodu (slika 37, b) . 1 atm voda ključa na 100°C, a na 10 atm- na 180° C. Ova zavisnost se koristi, na primjer, u autoklavima, u medicini za sterilizaciju, u kuvanju za ubrzavanje kuvanja prehrambenih proizvoda.
Da bi tečnost počela da ključa, mora se zagrijati do temperature ključanja. Da biste to učinili, tekućini morate prenijeti energiju, na primjer, količinu topline Q = cm(t° do - t° 0). Prilikom ključanja temperatura tečnosti ostaje konstantna. To se dešava zato što se količina toplote prijavljena tokom ključanja ne troši na povećanje kinetičke energije molekula tečnosti, već na rad razbijanja molekularnih veza, odnosno na isparavanje. Prilikom kondenzacije, prema zakonu održanja energije, para se oslobađa okruženje količina toplote koja je utrošena na isparavanje. Kondenzacija se javlja na tački ključanja, koja ostaje konstantna tokom procesa kondenzacije. (Objasni zašto).
Kreirajmo jednačinu toplotnog bilansa za isparavanje i kondenzaciju. Para, uzeta na tački ključanja tečnosti, ulazi u vodu u kalorimetar kroz cijev A (slika 38, a), kondenzuje se u njoj, dajući joj količinu toplote koja se troši na njenu proizvodnju. Voda i kalorimetar primaju određenu količinu topline ne samo od kondenzacije pare, već i od tekućine koja se iz nje dobije. Podaci o fizičkim veličinama dati su u tabeli. 3.
Kondenzirajuća para dala je količinu toplote Q p = rm 3(Sl. 38, b). Tečnost dobijena od pare, nakon hlađenja od t° 3 do θ°, dala je određenu količinu toplote Q 3 = c 2 m 3 (t 3 ° - θ °).
Kalorimetar i voda, zagrevajući se od t° 2 do θ° (slika 38, c), primili su količinu toplote
Q 1 = c 1 m 1 (θ° - t° 2); Q 2 = c 2 m 2 (θ° - t° 2).
Zasnovan na zakonu održanja i transformacije energije
Q p + Q 3 = Q 1 + Q 2,
Jedan od osnovnih zakona otkrio je francuski hemičar F. M. Raoul 1887. godine. obrazac koji određuje određena svojstva otopina koja ovise o koncentraciji, ali ne i o prirodi otopljene tvari.
Francois Marie Raoult(1830 - 1901) - francuski hemičar i fizičar, dopisni član Pariške akademije nauka (1890). Od 1867 - na Univerzitetu u Grenoblu (profesor od 1870). Dopisni član Petrogradske akademije nauka (1899).
Iznad bilo koje tekuće faze uvijek postoji određena (u zavisnosti od vanjskih uvjeta) količina plinovite faze koja se sastoji od iste tvari. Dakle, uvijek postoji vodena para iznad vode u atmosferi. Količina ove parne faze izražava se parcijalnim pritiskom (koncentracijom gasa) jednakim ukupnom, pod uslovom da gas zauzima ukupnu zapreminu gasa.
Fizička svojstva rastvora (topljivost, tačke smrzavanja i ključanja) su prvenstveno određena promenama pritiska zasićene pare rastvarača iznad rastvora. Francois Raoult je otkrio da je tlak zasićene pare rastvarača iznad otopine uvijek niži nego iznad čistog rastvarača i izveo sljedeću relaciju:
p 0 – parcijalni pritisak para rastvarača preko čistog rastvarača;
p i – parcijalni pritisak para rastvarača iznad rastvora;
n i je molni udio otopljene tvari.
Dakle, jedan od osnovnih zakona koji određuju fizička svojstva rješenja može se formulirati na sljedeći način:
relativno smanjenje pritiska zasićene pareotapala iznad otopine jednak je molskom udjelu otopljene tvari.
Ovaj najvažniji zakon je objasnio promjene u temperaturama faznog prijelaza za otopine u odnosu na čisto rastvarače.
Promjena temperature smrzavanja
Uslov za kristalizaciju je da je pritisak zasićene pare rastvarača iznad rastvora jednak pritisku pare iznad čvrstog rastvarača. Pošto je pritisak pare rastvarača iznad rastvora uvek niži nego iznad čistog rastvarača, ova jednakost će se uvek postići na temperaturi nižoj od tačke smrzavanja rastvarača. Dakle, okeanska voda počinje da se smrzava na temperaturi od oko -2°C.
Razlika između temperature kristalizacije otapala T 0 fr i temperature na kojoj otopina počinje kristalizirati T fr je smanjenje temperature kristalizacije. Tada možemo formulirati sljedeći zaključak iz Raoultovog zakona:
Smanjenje temperature kristalizacije razrijeđenih otopina ne ovisi o prirodi otopljene tvari i direktno je proporcionalno molalnoj koncentraciji otopine:
ovdje: m– molalnost rastvora; TO– krioskopska konstanta, konstanta za svaki rastvarač. Za vodu, K = 1,86 0, što znači da se svi jednomolarni vodeni rastvori moraju smrznuti na temperaturi od -1,86 0 C.
Budući da se koncentracija potonjeg povećava kako otapalo kristalizira iz otopine, otopine nemaju određenu tačku smrzavanja i kristaliziraju u određenom temperaturnom rasponu.
Promjena tačaka ključanja
Tečnost ključa na temperaturi na kojoj ukupni pritisak zasićene pare postaje jednak spoljašnjem pritisku. Ako je otopljena tvar nehlapljiva (to jest, njen tlak zasićene pare iznad otopine se može zanemariti), tada je ukupni tlak zasićene pare iznad otopine jednak parcijalnom tlaku pare otapala. U ovom slučaju, pritisak zasićene pare iznad rastvora na bilo kojoj temperaturi biće manji nego iznad čistog rastvarača, a jednakost njegovog spoljašnjeg pritiska će se postići na višoj temperaturi. Dakle, tačka ključanja rastvora neisparljive supstance Tb je uvek viša od tačke ključanja čistog rastvarača pri istom pritisku Tb. Otuda druga posledica Raoultovog zakona:
Povećanje točke ključanja razrijeđenih otopina nehlapljivih tvari ne ovisi o prirodi otopljene tvari i direktno je proporcionalno molalnoj koncentraciji otopine:
ovdje: m– molalnost rastvora; E– ebulioskopska konstanta, konstanta za svaki rastvarač. Za vodu, E = 0,56 0, što znači da svi jednomolarni vodeni rastvori treba da počnu da ključaju na temperaturi od 100,56 0 C pri standardnom pritisku.
Prilikom ključanja tekućina se počinje intenzivno pretvarati u paru, a u njoj se stvaraju mjehurići pare i dižu se na površinu. Kada se zagrije, para se prvo pojavljuje samo na površini tekućine, a zatim ovaj proces počinje u cijelom volumenu. Na dnu i zidovima posude pojavljuju se mali mjehurići. Kako temperatura raste, pritisak unutar mjehurića raste, oni se povećavaju i dižu se prema gore.
Kada temperatura dostigne takozvanu tačku ključanja, počinje brzo stvaranje mehurića, ima ih mnogo, a tečnost počinje da ključa. Nastaje para, čija temperatura ostaje konstantna sve dok sva voda ne bude prisutna. Ako se isparavanje dogodi u normalnim uslovima, pri standardnom pritisku od 100 mPa, njegova temperatura je 100°C. Ako umjetno povećate pritisak, možete dobiti pregrijana para. Naučnici su uspjeli zagrijati vodenu paru na temperaturu od 1227 °C uz daljnje zagrijavanje, disocijacija iona pretvara paru u plazmu.
Pri datom sastavu i konstantnom pritisku, tačka ključanja bilo koje tečnosti je konstantna. U udžbenicima i priručnicima možete vidjeti tablice koje pokazuju tačku ključanja raznih tekućina, pa čak i metala. Na primjer, voda ključa na temperaturi od 100°C, na 78,3°C, etar na 34,6°C, zlato na 2600°C, a srebro na 1950°C. Ovaj podatak je za standardni pritisak od 100 mPa, izračunat je na nivou mora.
Kako promijeniti tačku ključanja
Ako se pritisak smanji, temperatura ključanja se smanjuje, čak i ako sastav ostane isti. To znači da ako se popnete na planinu visoku 4000 metara sa loncem vode i stavite je na vatru, voda će ključati na 85°C, a za to će biti potrebno mnogo manje drva za ogrev nego ispod.
Domaćice će biti zainteresirane za poređenje s ekspres loncu, u kojem se tlak umjetno povećava. Istovremeno se povećava i tačka ključanja vode, zbog čega se hrana kuha mnogo brže. Moderni ekspres lonci vam omogućavaju nesmetanu promjenu temperature ključanja od 115 do 130°C ili više.
Još jedna tajna tačke ključanja vode leži u njenom sastavu. Tvrdi vodi, koja sadrži različite soli, potrebno je duže da proključa i zahtijeva više energije za zagrijavanje. Ako u litar vode dodate dvije supene kašike soli, njena tačka ključanja će se povećati za 10°C. Isto se može reći i za šećer, 10% šećerni sirup ključa na temperaturi od 100,1°C.
Kipuće- ovo je isparavanje koje se dešava istovremeno i sa površine i kroz čitavu zapreminu tečnosti. Sastoji se od toga da brojni mjehurići isplivaju i pucaju, uzrokujući karakteristično kiptanje.
Kao što pokazuje iskustvo, ključanje tečnosti pri datom spoljašnjem pritisku počinje na dobro definisanoj temperaturi koja se ne menja tokom procesa ključanja i može se desiti samo kada se energija dovodi spolja kao rezultat razmene toplote (slika 1. ):
gdje je L specifična toplina isparavanja na tački ključanja.
Mehanizam ključanja: tečnost uvijek sadrži otopljeni plin, čiji se stepen rastvaranja smanjuje s povećanjem temperature. Osim toga, na zidovima posude postoji adsorbirani plin. Kada se tečnost zagreje odozdo (slika 2), gas počinje da se oslobađa u obliku mehurića na zidovima posude. Tečnost isparava u ove mehuriće. Stoga, osim zraka, sadrže i zasićenu paru, čiji pritisak brzo raste s povećanjem temperature, a mjehurići rastu u volumenu, a posljedično se povećavaju i Arhimedove sile koje djeluju na njih. Kada sila uzgona postane veća od gravitacije mehurića, on počinje da pluta. Ali dok se tečnost ne zagreje ravnomerno, kako se uzdiže, zapremina mjehurića se smanjuje (pritisak zasićene pare opada sa smanjenjem temperature) i, prije nego što dođu do slobodne površine, mjehurići nestaju (kolapse) (slika 2, a), što zato čujemo karakterističnu buku prije ključanja. Kada se temperatura tečnosti izjednači, zapremina mjehurića će se povećavati kako se diže, jer se pritisak zasićene pare ne mijenja, a vanjski pritisak na mjehur, koji je zbir hidrostatskog pritiska tečnosti iznad mjehurića a atmosferski pritisak se smanjuje. Mjehur dospijeva na slobodnu površinu tečnosti, puca i izlazi zasićena para (slika 2, b) - tečnost ključa. Pritisak zasićene pare u mjehurićima je skoro jednak vanjskom pritisku.
Temperatura pri kojoj je pritisak zasićene pare tečnosti jednak spoljašnjem pritisku na njenoj slobodnoj površini naziva se tačka ključanja tečnosti.
Pošto pritisak zasićene pare raste sa povećanjem temperature, a tokom ključanja mora biti jednak spoljašnjem pritisku, onda se sa povećanjem spoljašnjeg pritiska povećava tačka ključanja.
Tačka ključanja također ovisi o prisutnosti nečistoća, koja se obično povećava sa povećanjem koncentracije nečistoća.
Ako prvo oslobodite tekućinu od plina otopljenog u njoj, onda se može pregrijati, tj. toplote iznad tačke ključanja. Ovo je nestabilno stanje tečnosti. Dovoljni su mali udari i tečnost proključa, a njena temperatura odmah pada na tačku ključanja.
Pošto je pritisak pare zasićenja jedinstveno određen temperaturom, a ključanje tečnosti se dešava u trenutku kada je pritisak pare zasićenja te tečnosti jednak spoljašnjem pritisku, tačka ključanja mora zavisiti od spoljašnjeg pritiska. Uz pomoć eksperimenata lako je pokazati da kada se vanjski pritisak smanji, tačka ključanja se smanjuje, a kada se pritisak poveća, ona raste.
Vrenje tekućine pri sniženom tlaku može se demonstrirati korištenjem sljedećeg eksperimenta. Voda iz slavine se sipa u čašu i u nju se spušta termometar. Ispod staklenog poklopca vakuumske jedinice stavlja se čaša vode i pumpa se uključuje. Kada pritisak ispod haube dovoljno padne, voda u čaši počinje da ključa. Pošto se energija troši na stvaranje pare, temperatura vode u čaši počinje da opada kako ključa, a kada pumpa dobro radi, voda se konačno smrzava.
Grijanje vode do visoke temperature izvode se u kotlovima i autoklavima. Struktura autoklava prikazana je na sl. 8.6, gde je K sigurnosni ventil, je poluga koja pritiska ventil, M je manometar. Pri pritiscima većim od 100 atm voda se zagrijava do temperature iznad 300 °C.
Tabela 8.2. Tačke ključanja nekih supstanci
Tačka ključanja tečnosti je normalna atmosferski pritisak naziva se tačka ključanja. Sa stola 8.1 i 8.2 jasno je da je pritisak pare zasićenja za etar, vodu i alkohol na tački ključanja 1,013 105 Pa (1 atm).
Iz navedenog proizilazi da u dubokim rudnicima voda treba da ključa na temperaturi iznad 100 °C, au planinskim područjima - ispod 100 °C. Budući da tačka ključanja vode zavisi od nadmorske visine, na skali termometra, umjesto temperature, možete označiti visinu na kojoj voda ključa na ovoj temperaturi. Određivanje visine pomoću takvog termometra naziva se hipsometrija.
Iskustvo pokazuje da je tačka ključanja rastvora uvek viša od tačke ključanja čistog rastvarača i da raste sa povećanjem koncentracije rastvora. Međutim, temperatura pare iznad površine ključanja jednaka je tački ključanja čistog rastvarača. Stoga je za određivanje točke ključanja čiste tekućine bolje postaviti termometar ne u tekućinu, već u paru iznad površine kipuće tekućine.
Proces ključanja je usko povezan sa prisustvom rastvorenog gasa u tečnosti. Ako se plin otopljen u njoj ukloni iz tekućine, na primjer, produženim ključanjem, tada se ta tekućina može zagrijati na temperaturu znatno veću od njene točke ključanja. Takva tečnost se naziva pregrijana. U nedostatku mjehurića plina, stvaranje sićušnih mjehurića pare, koji bi mogli postati centri isparavanja, sprječava Laplaceov pritisak, koji je visok na malom polumjeru mjehurića. Ovo objašnjava pregrijavanje tečnosti. Kada proključa, ključanje se dešava veoma burno.