Nesteen kiehumispiste on alempi kuin. Miksi veden kiehumispiste on erilainen eri olosuhteissa? Kuinka kasvattaa kristallia
Höyrystyminen voi tapahtua paitsi haihtumisen seurauksena, myös kiehumisen aikana. Tarkastellaan keittämistä energian näkökulmasta.
Nesteeseen on aina liuennut jonkin verran ilmaa. Kun nestettä kuumennetaan, siihen liuenneen kaasun määrä vähenee, minkä seurauksena osa siitä vapautuu pienten kuplien muodossa astian pohjalle ja seinille sekä nesteeseen suspendoituneiden liukenemattomien kiinteiden hiukkasten päälle. Neste haihtuu näihin ilmakupliin. Ajan myötä niissä olevat höyryt kyllästyvät. Lisälämmityksen myötä paine kasvaa kylläistä höyryä kuplien sisällä ja niiden tilavuudessa. Kun kuplien sisällä oleva höyrynpaine tulee yhtä suureksi kuin ilmakehän paine, ne nousevat nesteen pinnalle Arkhimedesen kelluvan voiman vaikutuksesta, räjähtävät ja niistä tulee ulos höyryä. Höyrystymistä, joka tapahtuu samanaikaisesti sekä nesteen pinnalta että itse nesteen sisällä ilmakupliksi, kutsutaan kiehumiseksi. Lämpötilaa, jossa kylläisen höyryn paine kuplissa tulee yhtä suureksi kuin ulkoinen paine, kutsutaan kiehumispiste.
Koska samoissa lämpötiloissa eri nesteiden tyydyttyneiden höyryjen paineet ovat erilaisia, niin klo eri lämpötiloja ne ovat yhtä suuret kuin ilmanpaine. Tämä saa eri nesteet kiehumaan eri lämpötiloissa. Tämä ominaisuus nesteitä käytetään öljytuotteiden sublimointiin. Öljyä kuumennettaessa haihtuvat ensin arvokkaimmat, haihtuvat osat (bensiini), jotka näin erottuvat ”raskaista” jäännöksistä (öljyt, polttoöljy).
Siitä tosiasiasta, että kiehuminen tapahtuu, kun tyydyttyneiden höyryjen paine on yhtä suuri kuin nesteen ulkoinen paine, seuraa, että nesteen kiehumispiste riippuu ulkoisesta paineesta. Jos sitä nostetaan, neste kiehuu korkeammassa lämpötilassa, koska kylläinen höyry vaatii korkeamman lämpötilan tämän paineen saavuttamiseksi. Päinvastoin, alennetussa paineessa neste kiehuu alemmassa lämpötilassa. Tämä voidaan varmistaa kokemuksella. Kuumenna vesi pullossa kiehuvaksi ja poista alkoholilamppu (kuva 37, a). Vesi lakkaa kiehumasta. Suljettuamme pullon tulpalla alamme poistaa ilmaa ja vesihöyryä siitä pumpulla, mikä vähentää veden painetta, joka seurauksena on kiehuva, pakotettuaan se kiehumaan avoimessa pullossa pumppaamalla pulloon lisäämme veden painetta (kuva 37, b) . 1 atm vesi kiehuu 100°C:ssa ja n 10 atm- 180°C:ssa. Tätä riippuvuutta käytetään esimerkiksi autoklaaveissa, lääketieteessä sterilointiin, ruoanlaitossa elintarvikkeiden kypsennyksen nopeuttamiseksi.
Jotta neste alkaa kiehua, se on lämmitettävä kiehumislämpötilaan. Tätä varten sinun on annettava nesteeseen energiaa, esimerkiksi lämmön määrä Q = cm(t° - - t° 0). Keitettäessä nesteen lämpötila pysyy vakiona. Tämä johtuu siitä, että kiehumisen aikana raportoitu lämpömäärä ei kulu nestemolekyylien kineettisen energian lisäämiseen, vaan molekyylisidosten katkaisemiseen eli höyrystymiseen. Kondensoituessaan energian säilymislain mukaan höyryä vapautuu ympäristöön lämpömäärä, joka kului höyrystymiseen. Kondensaatio tapahtuu kiehumispisteessä, joka pysyy vakiona kondensaatioprosessin aikana. (Selitä miksi).
Luodaan lämpötasapainoyhtälö höyrystymiselle ja kondensaatiolle. Nesteen kiehumispisteessä otettu höyry tulee kalorimetrissä olevaan veteen putken A kautta (kuva 38, a), tiivistyy siinä antaen sille tuotantoon kulutetun lämmön määrän. Vesi ja kalorimetri saavat osan lämpöä paitsi höyryn tiivistymisestä, myös siitä saadusta nesteestä. Fysikaalisten suureiden tiedot on esitetty taulukossa. 3.
Kondensoituva höyry luovutti lämpöä Q p = rm 3(Kuva 38, b). Höyrystä saatu neste, joka oli jäähtynyt t° 3:sta θ°:seen, luovutti osan lämpöä Q3 = c 2 m3 (t 3° - 8°).
Kalorimetri ja vesi, jotka kuumensivat t° 2:sta θ°:een (kuva 38, c), vastaanottivat lämpömäärän
Q1 = c 1 m1 (8° - t° 2); Q2 = c 2 m2 (θ° - t° 2).
Perustuu energian säilymisen ja muuntamisen lakiin
Q p + Q 3 = Q 1 + Q 2,
Ranskalainen kemisti F. M. Raoul löysi yhden perussäännöistä vuonna 1887. kuvio, joka määrittää liuosten tietyt ominaisuudet, jotka riippuvat pitoisuudesta, mutta eivät liuenneen aineen luonteesta.
Francois Marie Raoult(1830 - 1901) - Ranskalainen kemisti ja fyysikko, Pariisin tiedeakatemian vastaava jäsen (1890). Vuodesta 1867 - Grenoblen yliopistossa (professori vuodesta 1870). Pietarin tiedeakatemian kirjeenvaihtajajäsen (1899).
Minkä tahansa nestefaasin yläpuolella on aina tietty (ulkoisista olosuhteista riippuen) määrä kaasufaasia, joka koostuu samasta aineesta. Näin ollen ilmakehässä on aina vesihöyryä veden yläpuolella. Tämän höyryfaasin määrä ilmaistaan osapaineella (kaasukonsentraatio), joka on yhtä suuri kuin kokonaismäärä, edellyttäen, että kaasu täyttää kaasun kokonaistilavuuden.
Liuosten fysikaaliset ominaisuudet (liukoisuus, jäätymis- ja kiehumispisteet) määräytyvät ensisijaisesti liuoksen yläpuolella olevan liuottimen kylläisen höyrynpaineen muutoksilla. Francois Raoult havaitsi, että liuottimen kylläisen höyryn paine liuoksen yläpuolella on aina alhaisempi kuin puhtaan liuottimen yläpuolella ja johti seuraavan suhteen:
p 0 - osapaine liuotinhöyry yli puhtaan liuottimen;
p i – liuotinhöyryn osapaine liuoksen yläpuolella;
n i on liuenneen aineen mooliosuus.
Näin ollen yksi ratkaisujen fysikaalisia ominaisuuksia määrittävistä peruslaeista voidaan muotoilla seuraavasti:
tyydyttyneen höyryn paineen suhteellinen laskuliuottimen määrä liuoksen yläpuolella on yhtä suuri kuin liuenneen aineen mooliosuus.
Tämä tärkein laki selitti liuosten faasimuutoslämpötilojen muutokset suhteessa puhtaaseen liuottimeen.
Jäätymislämpötilojen muutos
Kiteytymisen ehto on, että liuottimen kylläisen höyryn paine liuoksen yläpuolella on yhtä suuri kuin kiinteän liuottimen yläpuolella oleva höyrynpaine. Koska liuottimen höyrynpaine liuoksen yläpuolella on aina alhaisempi kuin puhtaan liuottimen yläpuolella, tämä tasa-arvo saavutetaan aina liuottimen jäätymispistettä alemmassa lämpötilassa. Siten valtameren vesi alkaa jäätyä noin -2 °C:n lämpötilassa.
Ero liuottimen kiteytyslämpötilan Tofr ja lämpötilan, jossa liuos alkaa kiteytyä Tfr, välillä on kiteytyslämpötilan lasku. Sitten voimme muotoilla seuraavan seurauksen Raoultin laista:
Laimeiden liuosten kiteytyslämpötilan lasku ei riipu liuenneen aineen luonteesta ja on suoraan verrannollinen liuoksen moolipitoisuuteen:
Tässä: m– liuoksen molaalisuus; TO– kryoskooppinen vakio, vakio jokaiselle liuottimelle. Veden osalta K = 1,86 0, mikä tarkoittaa, että kaikkien yksimolaaristen vesiliuosten on jäätyttävä -1,86 0 C:n lämpötilassa.
Koska jälkimmäisen pitoisuus kasvaa liuottimen kiteytyessä liuoksesta, liuoksilla ei ole erityistä jäätymispistettä ja ne kiteytyvät tietyllä lämpötila-alueella.
Muutos kiehumispisteissä
Neste kiehuu lämpötilassa, jossa tyydyttyneen höyryn kokonaispaine tulee yhtä suureksi kuin ulkoinen paine. Jos liuennut aine on haihtumaton (eli sen kylläisen höyryn paine liuoksen yläpuolella voidaan jättää huomiotta), silloin liuoksen yläpuolella oleva tyydyttyneen höyryn kokonaispaine on yhtä suuri kuin liuottimen osahöyryn paine. Tässä tapauksessa kylläisen höyryn paine liuoksen yläpuolella missä tahansa lämpötilassa on pienempi kuin puhtaan liuottimen yläpuolella, ja sen ulkoinen paine saavutetaan korkeammassa lämpötilassa. Näin ollen haihtumattoman aineen Tb liuoksen kiehumispiste on aina korkeampi kuin puhtaan liuottimen kiehumispiste samassa paineessa Tb. Tästä johtuu Raoultin lain toinen seuraus:
Haihtumattomien aineiden laimeiden liuosten kiehumispisteen nousu ei riipu liuenneen aineen luonteesta ja on suoraan verrannollinen liuoksen moolipitoisuuteen:
Tässä: m– liuoksen molaalisuus; E– ebullioskooppinen vakio, vakio jokaiselle liuottimelle. Veden osalta E = 0,56 0, mikä tarkoittaa, että kaikkien yksimolaaristen vesiliuosten tulisi alkaa kiehua 100,56 0 C:n lämpötilassa normaalipaineessa.
Kiehuessaan neste alkaa intensiivisesti muuttua höyryksi ja siihen muodostuu höyrykuplia, jotka nousevat pintaan. Kuumennettaessa höyryä ilmestyy ensin vain nesteen pinnalle, sitten tämä prosessi alkaa koko tilavuuden ajan. Pannun pohjalle ja seinille ilmestyy pieniä kuplia. Lämpötilan noustessa kuplien sisällä oleva paine kasvaa, niiden koko kasvaa ja nousee ylöspäin.
Kun lämpötila saavuttaa ns. kiehumispisteen, kuplien nopea muodostuminen alkaa, niitä on paljon, ja neste alkaa kiehua. Muodostuu höyryä, jonka lämpötila pysyy vakiona, kunnes kaikki vesi on läsnä. Jos höyrystyminen tapahtuu normaaleissa olosuhteissa, 100 mPa:n standardipaineessa, sen lämpötila on 100 °C. Jos lisäät painetta keinotekoisesti, voit saada tulistettua höyryä. Tutkijat onnistuivat lämmittämään vesihöyryä 1227 ° C:n lämpötilaan edelleen lämmittämällä, ionien dissosiaatio muuttaa höyryn plasmaksi.
Tietyllä koostumuksella ja vakiopaineella minkä tahansa nesteen kiehumispiste on vakio. Oppikirjoissa ja käsikirjoissa voit nähdä taulukoita, jotka osoittavat erilaisten nesteiden ja jopa metallien kiehumispisteen. Esimerkiksi vesi kiehuu lämpötilassa 100°C, 78,3°C, eetteri 34,6°C, kulta 2600°C ja hopea 1950°C. Nämä tiedot koskevat 100 mPa:n standardipainetta, se on laskettu merenpinnan tasolla.
Kuinka muuttaa kiehumispistettä
Jos paine laskee, kiehumispiste laskee, vaikka koostumus pysyisi samana. Tämä tarkoittaa, että jos kiipeät 4000 metriä korkealle vuorelle vesikattilan kanssa ja laitat sen tuleen, vesi kiehuu 85°C:ssa ja polttopuuta tarvitaan paljon vähemmän kuin alapuolella.
Kotiäidit ovat kiinnostuneita vertailusta painekattilaan, jossa painetta lisätään keinotekoisesti. Samaan aikaan myös veden kiehumispiste nousee, minkä ansiosta ruoka kypsyy paljon nopeammin. Nykyaikaisilla painekattiloilla voit muuttaa kiehumislämpötilaa sujuvasti 115:stä 130 °C:seen tai enemmän.
Toinen veden kiehumispisteen salaisuus on sen koostumuksessa. Kova vesi, joka sisältää erilaisia suoloja, kiehuu kauemmin ja vaatii enemmän energiaa lämmittämiseen. Jos lisäät kaksi ruokalusikallista suolaa litraan vettä, sen kiehumispiste nousee 10°C. Sama voidaan sanoa sokerista, 10% sokerisiirappia kiehuu 100,1°C:n lämpötilassa.
Kiehuva- tämä on höyrystyminen, joka tapahtuu samanaikaisesti sekä pinnasta että nesteen koko tilavuudessa. Se koostuu siitä, että lukuisat kuplat kelluvat ja puhkeavat aiheuttaen tyypillisen kuohumisen.
Kokemus osoittaa, että nesteen kiehuminen tietyssä ulkoisessa paineessa alkaa tarkasti määritellyssä lämpötilassa, joka ei muutu kiehumisprosessin aikana ja voi tapahtua vain, kun energiaa syötetään ulkopuolelta lämmönvaihdon seurauksena (kuva 1). ):
jossa L on ominaishöyrystyslämpö kiehumispisteessä.
Kiehumismekanismi: neste sisältää aina liuennutta kaasua, jonka liukenemisaste laskee lämpötilan noustessa. Lisäksi astian seinillä on adsorboitunutta kaasua. Kun nestettä kuumennetaan alhaalta (kuva 2), kaasua alkaa vapautua kuplien muodossa astian seinillä. Neste haihtuu näihin kupliin. Siksi ne sisältävät ilman lisäksi kylläistä höyryä, jonka paine nousee nopeasti lämpötilan noustessa ja kuplien tilavuus kasvaa, ja näin ollen niihin vaikuttavat Arkhimedes-voimat kasvavat. Kun kelluva voima tulee suuremmaksi kuin kuplan painovoima, se alkaa kellua. Mutta kunnes neste on tasaisesti lämmennyt, sen noustessa kuplan tilavuus pienenee (tyydyttyneen höyryn paine laskee lämpötilan alenemisen myötä) ja ennen kuin ne saavuttavat vapaan pinnan, kuplat katoavat (kutistuvat) (kuva 2, a), mikä Siksi kuulemme tyypillisen äänen ennen kiehumista. Kun nesteen lämpötila tasoittuu, kuplan tilavuus kasvaa sen noustessa, koska kylläisen höyryn paine ei muutu, ja kuplan ulkoinen paine, joka on kuplan yläpuolella olevan nesteen hydrostaattisen paineen summa. ja ilmanpaine laskee. Kupla saavuttaa nesteen vapaan pinnan, räjähtää ja kylläinen höyry tulee ulos (kuva 2, b) - neste kiehuu. Kyllästetyn höyryn paine kuplissa on lähes sama kuin ulkoinen paine.
Lämpötilaa, jossa nesteen kylläisen höyryn paine on yhtä suuri kuin sen vapaalla pinnalla oleva ulkoinen paine, kutsutaan kiehumispiste nesteitä.
Koska kylläisen höyryn paine kasvaa lämpötilan noustessa, ja kiehumisen aikana sen on oltava yhtä suuri kuin ulkoinen paine, niin ulkoisen paineen kasvaessa kiehumispiste nousee.
Kiehumispiste riippuu myös epäpuhtauksien läsnäolosta, joka yleensä nousee epäpuhtauksien pitoisuuden kasvaessa.
Jos vapautat nesteen ensin siihen liuenneesta kaasusta, se voi ylikuumentua, ts. kuumenna kiehumispisteen yläpuolelle. Tämä on nesteen epävakaa tila. Pienet iskut riittävät ja neste kiehuu, ja sen lämpötila laskee välittömästi kiehumispisteeseen.
Koska kyllästyshöyryn paine määräytyy yksiselitteisesti lämpötilan perusteella ja nesteen kiehuminen tapahtuu sillä hetkellä, kun tämän nesteen kyllästyshöyryn paine on yhtä suuri kuin ulkoinen paine, kiehumispisteen tulee riippua ulkoisesta paineesta. Kokeiden avulla on helppo osoittaa, että ulkoisen paineen laskiessa kiehumispiste laskee ja paineen noustessa kasvaa.
Nesteen kiehuminen alennetussa paineessa voidaan osoittaa käyttämällä seuraavaa koetta. Vesi hanasta kaadetaan lasiin ja lämpömittari lasketaan siihen. Tyhjiöyksikön lasikannen alle laitetaan lasi vettä ja pumppu käynnistetään. Kun paine konepellin alla laskee riittävästi, lasissa oleva vesi alkaa kiehua. Koska energiaa kuluu höyryn muodostukseen, lasissa olevan veden lämpötila alkaa laskea kiehuessaan, ja kun pumppu toimii hyvin, vesi lopulta jäätyy.
Veden lämmitys korkeita lämpötiloja suoritetaan kattiloissa ja autoklaaveissa. Autoklaavin rakenne on esitetty kuvassa. 8.6, jossa K on varoventtiili, on vipu, joka painaa venttiiliä, M on painemittari. Yli 100 atm:n paineissa vesi kuumennetaan yli 300 °C:een.
Taulukko 8.2. Joidenkin aineiden kiehumispisteet
Nesteen kiehumispiste normaalissa ilmakehän paine kutsutaan kiehumispisteeksi. Pöydältä 8.1 ja 8.2 on selvää, että eetterin, veden ja alkoholin kyllästyshöyryn paine kiehumispisteessä on 1,013 105 Pa (1 atm).
Yllä olevasta seuraa, että syvissä kaivoksissa veden tulisi kiehua yli 100 °C:n lämpötilassa ja vuoristoisilla alueilla - alle 100 °C. Koska veden kiehumispiste riippuu korkeudesta merenpinnan yläpuolella, lämpömittarin asteikolla lämpötilan sijaan voit ilmoittaa korkeuden, jolla vesi kiehuu tässä lämpötilassa. Korkeuden määrittämistä tällaisella lämpömittarilla kutsutaan hypsometriaksi.
Kokemus osoittaa, että liuoksen kiehumispiste on aina korkeampi kuin puhtaan liuottimen kiehumispiste, ja se nousee liuoksen pitoisuuden kasvaessa. Kiehuvan liuoksen pinnan yläpuolella olevan höyryn lämpötila on kuitenkin yhtä suuri kuin puhtaan liuottimen kiehumispiste. Siksi puhtaan nesteen kiehumispisteen määrittämiseksi on parempi sijoittaa lämpömittari ei nesteeseen, vaan höyryyn kiehuvan nesteen pinnan yläpuolelle.
Kiehumisprosessi liittyy läheisesti liuenneen kaasun läsnäoloon nesteessä. Jos siihen liuennut kaasu poistetaan nesteestä esimerkiksi pitkäaikaisella keittämisellä, tämä neste voidaan lämmittää merkittävästi sen kiehumispistettä korkeampaan lämpötilaan. Tällaista nestettä kutsutaan tulistukseksi. Kaasukuplien puuttuessa pienten höyrykuplien muodostuminen, joista voisi muodostua höyrystymiskeskuksia, estyy Laplacen paineella, joka on korkea kuplan pienellä säteellä. Tämä selittää nesteen ylikuumenemisen. Kun se kiehuu, kiehuminen tapahtuu erittäin rajusti.