Fysiikan kiehumispiste. Mikä määrittää kiehumispisteen. Alhaisten lämpötilojen saaminen

Ranskalainen kemisti F.M. Raoul löysi yhden perussäännöistä vuonna 1887. säännöllisyys, joka määrää jonkin verran pitoisuudesta, mutta ei liuenneen aineen luonteesta, liuosten ominaisuuksista.

Francois Marie Raoul(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 kaasumaista, joka koostuu samasta aineesta. Joten ilmakehän veden yläpuolella on aina vesihöyryä. Tämän höyryfaasin määrä ilmaistaan ​​osapaineella (kaasukonsentraatio), joka on yhtä suuri kuin kokonaismäärä, edellyttäen, että tämä kaasu täyttää kaasun kokonaistilavuuden.

Liuosten fysikaaliset ominaisuudet (liukoisuus, jäätymis- ja kiehumispisteet) johtuvat ensisijaisesti liuottimen kylläisen höyrynpaineen muutoksesta liuoksen yläpuolella. François Raoul havaitsi, että liuottimen kylläisen höyryn paine liuokseen nähden on aina alhaisempi kuin puhtaan liuottimen ja johti seuraavan suhteen:

p 0 on liuottimen osahöyrynpaine puhtaaseen liuottimeen verrattuna;

p i on liuotinhöyryn osapaine liuoksen päällä;

n i on liuenneen aineen mooliosuus.

Siten yksi ratkaisujen fysikaaliset ominaisuudet määräävistä perussäännöistä voidaan muotoilla seuraavasti:

kylläisen höyryn paineen suhteellinen laskuliuottimen määrä liuoksessa on yhtä suuri kuin liuenneen aineen mooliosuus.

Tämä tärkein laki selitti liuosten faasimuutosten lämpötilojen muutokset puhtaan liuottimen suhteen.

1. Jäätymispisteen muutos

Kiteytysolosuhteet ovat liuoksen yli olevan liuottimen kylläisen höyrynpaineen yhtäläisyys kiinteän liuottimen höyrynpaineen kanssa. Koska liuottimen höyrynpaine liuoksessa on aina alhaisempi kuin puhtaan liuottimen, saavutetaan tämä tasa-arvo aina liuottimen jäätymispistettä alemmassa lämpötilassa. Joten valtameren vesi alkaa jäätyä noin -2 ° C: n lämpötilassa.

Ero liuottimen kiteytyslämpötilan Tofr ja liuoksen kiteytymisen alkamislämpötilan Tfr välillä on kiteytyslämpötilan lasku. Sitten voimme muotoilla seuraavan seurauksen Raoultin laista:

laimeiden liuosten kiteytyslämpötilan alentaminen 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 tulisi jäätyä -1,86 0 C:n lämpötilassa.

Koska liuottimen kiteytyessä liuoksesta viimeksi mainitun pitoisuus kasvaa, liuoksilla ei ole tiettyä jäätymispistettä ja ne kiteytyvät tietyllä lämpötila-alueella.

1. Kiehumispisteen muutos

Neste kiehuu lämpötilassa, jossa tyydyttyneen höyryn kokonaispaine tulee yhtä suureksi kuin ulkoinen paine. Jos liuennut aine on haihtumaton (eli paineensa perusteella tyydyttyneitä höyryjä liuoksen yläpuolella voidaan jättää huomiotta), silloin kylläisen höyryn kokonaispaine liuoksessa on yhtä suuri kuin liuottimen osahöyryn paine. Tässä tapauksessa kylläisten höyryjen paine liuoksen päällä missä tahansa lämpötilassa on pienempi kuin puhtaan liuottimen päällä, ja sen ulkoisen paineen yhtäläisyys saavutetaan korkea lämpötila... Näin ollen haihtumattoman aineen T b liuoksen kiehumispiste on aina korkeampi kuin puhtaan liuottimen kiehumispiste samassa paineessa T b. 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- ebulioskooppinen vakio, vakio jokaiselle liuottimelle. Veden osalta E = 0,56 0, mikä tarkoittaa, että kaikkien yhden molaaristen vesiliuosten tulisi alkaa kiehua lämpötilassa 100,56 0 С normaalipaineessa.

Kiehuessaan neste alkaa intensiivisesti muuttua höyryksi, siihen muodostuu höyrykuplia, jotka nousevat pintaan. Kuumennettaessa höyryä ilmestyy aluksi vain nesteen pinnalle, sitten tämä prosessi alkaa koko tilavuuden ajan. Astioiden pohjalle ja seinille ilmestyy pieniä kuplia. Lämpötilan noustessa kuplien sisällä oleva paine kasvaa, ne lisääntyvät ja nousevat ylöspäin.

Kun lämpötila saavuttaa ns. kiehumispisteen, kuplien nopea muodostuminen alkaa, niitä on paljon, neste kiehuu. Muodostuu höyryä, jonka lämpötila pysyy vakiona, kunnes kaikki vesi on. Jos höyrystyminen tapahtuu normaaleissa olosuhteissa, 100 MPa:n standardipaineessa, sen lämpötila on 100 °C. Jos painetta nostetaan keinotekoisesti, voidaan tuottaa tulistettua höyryä. Tiedemiehet onnistuivat lämmittämään vesihöyryä 1227 ° C:n lämpötilaan, ja 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 eri nesteiden ja jopa metallien kiehumispisteet. Esimerkiksi vesi kiehuu 100 °C:ssa, 78,3 °C:ssa, eetteri 34,6 °C:ssa, kulta 2600 °C:ssa ja hopea 1950 °C:ssa. Nämä tiedot koskevat 100 MPa:n standardipainetta ja ne on laskettu merenpinnasta.

Kuinka muuttaa kiehumispistettä

Jos paine laskee, kiehumispiste laskee, vaikka koostumus pysyisi samana. Tämä tarkoittaa, että jos kiipeät 4000 metrin korkeuteen vuorelle vesikattilalla ja laitat sen tuleen, vesi kiehuu 85 °C:ssa, mikä vaatii paljon vähemmän polttopuita kuin alla.

Kotiäidit ovat kiinnostuneita vertailusta painekattilaan, jossa painetta lisätään keinotekoisesti. Myös veden kiehumispiste nousee, minkä ansiosta ruoka kypsyy paljon nopeammin. Nykyaikaisten painekattiloiden avulla voit muuttaa kiehumispistettä sujuvasti 115 - 130 ° C: sta ja enemmän.

Toinen veden kiehumispisteen salaisuus on sen koostumus. Kova vesi, joka sisältää erilaisia ​​suoloja, kiehuu kauemmin ja vaatii enemmän energiaa lämmetäkseen. Jos lisäät kaksi ruokalusikallista suolaa litraan vettä, sen kiehumispiste nousee 10 °C. Sama voidaan sanoa sokerista, 10% sokerisiirappi kiehuu 100,1 ° C: n lämpötilassa.

aineen tilat

Eikö olekin outo sanayhdistelmä? Tämä ei kuitenkaan ole hölynpölyä ollenkaan: ja raudan höyryä, ja kiinteää ilmaa on luonnossa, mutta ei normaaleissa olosuhteissa.

Mistä ehdoista puhumme? Aineen tilan määrää kaksi tekijää: lämpötila ja paine.

Elämämme tapahtuu suhteellisen vähän muuttuvissa olosuhteissa. Ilmanpaine vaihtelee muutaman prosentin sisällä noin yhdestä ilmakehästä; ilman lämpötila esimerkiksi Moskovan alueella on -30 - + 30 ° С; absoluuttisella lämpötila-asteikolla, jossa alin mahdollinen lämpötila on nolla (-273 ° С); tämä intervalli näyttää vähemmän vaikuttavalta: 240-300 K, mikä on myös vain ± 10 % keskiarvosta.

On aivan luonnollista, että olemme tottuneet näihin tavallisiin oloihin, ja siksi kun puhumme yksinkertaisia ​​totuuksia, kuten: "rauta on kiinteä aine, ilma on kaasu" jne., unohdamme lisätä: "normaaliolosuhteissa".

Jos lämmität rautaa, se ensin sulaa ja sitten haihtuu. Jos ilmaa jäähdytetään, se muuttuu ensin nesteeksi ja sitten kiinteytyy.

Vaikka lukija ei ole koskaan tavannut rautahöyryä ja kiinteää ilmaa, hän luultavasti helposti uskoo, että mitä tahansa ainetta lämpötilaa muuttamalla voidaan saada kiinteässä, nestemäisessä ja kaasumaisessa tilassa tai, kuten sanotaan, kiinteässä, nestemäisessä tai kaasumaiset faasit.

Tähän on helppo uskoa, koska jokainen tarkkailee yhtä ainetta, jota ilman elämä maapallolla olisi mahdotonta, sekä kaasuna että nesteenä ja kiinteänä aineena. Tässä on tietysti kysymys vedestä.

Missä olosuhteissa aineen muuttuminen tilasta toiseen tapahtuu?

Jos laskemme lämpömittarin kattilaan kaatavaan veteen, kytkemme sähköliesi päälle ja seuraamme lämpömittarin elohopeaa, näemme seuraavan: elohopean taso nousee melkein välittömästi. Jo 90, 95, lopulta 100 °C. Vesi kiehuu ja samalla elohopean nousu pysähtyy. Vesi on kiehunut useita minuutteja, mutta elohopean taso ei ole muuttunut. Ennen kuin kaikki vesi on kiehunut, lämpötila ei muutu (kuva 4.1).

Riisi. 4.1

Mihin lämpö menee, jos veden lämpötila ei muutu? Vastaus on ilmeinen. Veden muuntaminen höyryksi vaatii energiaa.

Verrataan gramman vettä ja gramman siitä muodostuvan höyryn energiaa. Höyrymolekyylit sijaitsevat kauempana toisistaan ​​kuin vesimolekyylit. On selvää, että tämän vuoksi veden potentiaalienergia eroaa höyryn potentiaalienergiasta.

Hiukkasten houkuttelemisen potentiaalinen energia vähenee niiden lähestyessä. Siksi höyryn energia on suurempi kuin veden energia, ja veden muuntaminen höyryksi vaatii energiaa. Sähköliesi välittää tämän ylimääräisen energian vedenkeittimessä kiehuvaan veteen.

Energia, joka tarvitaan veden muuntamiseen höyryksi; kutsutaan höyrystymislämmöksi. 1 g:n vettä muuttamiseksi höyryksi tarvitaan 539 kaloria (tämä luku on 100 °C:n lämpötilassa).

Jos 539 kaloria menee 1 grammaan, 18 * 539 = 9700 kaloria kuluu 1 mooliin vettä. Tämä määrä lämpöä on käytettävä molekyylien välisten sidosten katkaisemiseen.

Voit verrata tätä lukua työmäärään, joka tarvitaan molekyylin sisäisten sidosten katkaisemiseen. Jotta 1 mooli vesihöyryä jaetaan atomeiksi, tarvitaan noin 220 000 kaloria eli 25 kertaa enemmän energiaa. Tämä osoittaa suoraan molekyylejä toisiinsa sitovien voimien heikkouden verrattuna voimiin, jotka vetävät atomeja yhteen molekyyliksi.

Veden kiehumispiste on 100 °C; voisi luulla, että tämä on veden luontainen ominaisuus, että vesi, missä ja missä olosuhteissa se on, kiehuu aina 100 °C:ssa.

Mutta näin ei ole, ja vuoristokylien asukkaat tietävät tämän hyvin.

Elbruksen huipulla on turistitalo ja tieteellinen asema. Aloittelijat ihmettelevät joskus "kuinka vaikeaa on keittää muna kiehuvassa vedessä" tai "miksi kiehuva vesi ei pala". Näissä olosuhteissa heille kerrotaan, että vesi kiehuu Elbruksen huipulla jo 82 °C:ssa.

Mikä tässä on hätänä? Mikä fysikaalinen tekijä häiritsee kiehumisilmiötä? Mikä merkitys korkeudella merenpinnan yläpuolella on?

Tämä fysikaalinen tekijä on paine, joka vaikuttaa nesteen pintaan. Sinun ei tarvitse kiivetä vuoren huipulle tarkistaaksesi sanotun totuuden.

Laittamalla lämmitettyä vettä kellon alle ja pumppaamalla tai pumppaamalla sieltä ilmaa ulos, voit varmistaa, että kiehumispiste nousee paineen noustessa ja laskee paineen laskiessa.

Vesi kiehuu 100 °C:ssa vain tietyssä paineessa - 760 mm Hg. Taide. (tai 1 atm).

Kiehumispiste vs. paine -käyrä on esitetty kuvassa. 4.2. Elbruksen huipulla paine on 0,5 atm, ja tämä paine vastaa 82 °C:n kiehumispistettä.

Riisi. 4.2

Mutta veden kiehuessa 10-15 mm Hg. Art., voit vilvoitella kuumalla säällä. Tässä paineessa kiehumispiste laskee 10-15 °C:seen.

Voit jopa saada "kiehuvaa vettä" pakkasveden lämpötilassa. Tätä varten sinun on vähennettävä paine 4,6 mm Hg:iin. Taide.

Mielenkiintoinen kuva voidaan havaita, jos asetat avoimen astian, jossa on vettä kellon alle ja pumppaat ilmaa ulos. Pumppaus saa veden kiehumaan, mutta keittäminen vaatii lämpöä. Sitä ei ole paikasta viedä, ja veden on luovuttava energiastaan. Kiehuvan veden lämpötila alkaa laskea, mutta pumppauksen jatkuessa myös paine laskee. Siksi kiehuminen ei pysähdy, vesi jatkaa jäähtymistä ja lopulta jäätyy.

Tällainen kylmän veden kiehuminen ei tapahdu vain ilmaa pumpattaessa. Esimerkiksi laivan potkurin pyöriessä paine metallipinnan lähellä nopeasti liikkuvassa vesikerroksessa laskee dramaattisesti ja tässä kerroksessa oleva vesi kiehuu, eli siihen ilmaantuu lukuisia höyryllä täytettyjä kuplia. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi (latinan sanasta cavitas - onkalo).

Alentamalla painetta laskemme kiehumispistettä. Ja lisäämällä sitä? Meidän kaltainen kaavio vastaa tähän kysymykseen. 15 atm:n paine voi viivyttää veden kiehumista, se alkaa vasta 200 °C:ssa ja 80 atm:n paine saa veden kiehumaan vain 300 °C:ssa.

Joten tietty ulkoinen paine vastaa tiettyä kiehumispistettä. Mutta tämä väite voidaan myös "käännellä" sanomalla näin: jokaisella veden kiehumispisteellä on oma erityinen paineensa. Tätä painetta kutsutaan höyrynpaineeksi.

Kiehumispiste vs. paine -käyrä on myös höyrynpaine vs. lämpötila -käyrä.

Kiehumispistekaavioon (tai höyrynpainekaavioon) piirretyt luvut osoittavat, että höyrynpaine muuttuu erittäin dramaattisesti lämpötilan mukaan. 0 °C:ssa (eli 273 K) höyrynpaine on 4,6 mm Hg. Art., 100 °C:ssa (373 K) se on 760 mm Hg. Art., eli kasvaa 165 kertaa. Kun lämpötila nousee puoleen (0 °C:sta, eli 273 K, 273 °C:seen, eli 546 K), höyrynpaine nousee 4,6 mm Hg:stä. Taide. lähes 60 atm, eli noin 10 000 kertaa.

Siksi päinvastoin kiehumispiste muuttuu melko hitaasti paineen myötä. Kun paine muuttuu puoleen 0,5 atm:sta 1 atm:iin, kiehumispiste nousee 82 °C:sta (355 K) 100 °C:seen (373 K) ja kun paine muuttuu puoleen 1 atm:sta 2 atm:iin - 100 °C:sta (373 K) - 120 °C (393 K).

Sama käyrä, jota nyt tarkastelemme, ohjaa myös höyryn tiivistymistä (paksutumista) veteen.

Höyry voidaan muuttaa vedeksi joko puristamalla tai jäähdyttämällä.

Sekä kiehumisen että kondensaation aikana piste ei liiku käyrän mukana, ennen kuin höyry on muuttunut vedeksi tai vesi höyryksi on valmis. Tämä voidaan myös muotoilla seuraavasti: käyrämme olosuhteissa ja vain näissä olosuhteissa nesteen ja höyryn rinnakkaiselo on mahdollista. Jos tämä ei tuota tai poista lämpöä, höyryn ja nesteen määrät suljetussa astiassa pysyvät ennallaan. Sellaisen höyryn ja nesteen sanotaan olevan tasapainossa, ja nesteen kanssa tasapainossa olevaa höyryä kutsutaan kylläiseksi.

Kiehumis- ja kondensaatiokäyrällä on, kuten näemme, toinen merkitys: se on nesteen ja höyryn tasapainon käyrä. Tasapainokäyrä jakaa kaaviokentän kahteen osaan. Vasemmalle ja ylös (k korkeita lämpötiloja ja alhaisemmat paineet) on alue, jossa höyryn tila on vakaa. Oikealle ja alas - nesteen vakaan tilan alue.

Höyry-neste-tasapainokäyrä eli kiehumispisteen käyrä paineen funktiona tai, joka on sama, höyrynpaine vs. lämpötila, on suunnilleen sama kaikille nesteille. Joissain tapauksissa muutos voi olla hieman terävämpää, toisissa hieman hitaampaa, mutta aina höyrynpaine kasvaa nopeasti lämpötilan noustessa.

Olemme käyttäneet sanoja "kaasu" ja "höyry" monta kertaa. Nämä kaksi sanaa ovat melko samanarvoisia. Voimme sanoa: vesikaasu on vesihöyryä, happikaasu on happinesteen höyryä. On kuitenkin olemassa tietty tapa käyttää näitä kahta sanaa. Koska olemme tottuneet tiettyyn suhteellisen pieneen lämpötila-alueeseen, käytämme yleensä sanaa "kaasu" niihin aineisiin, joiden höyrynpaine normaaleja lämpötiloja ilmakehän paineen yläpuolella. Päinvastoin puhumme höyrystä, kun aine on huoneenlämmössä ja ilmakehän paineessa vakaampi nesteen muodossa.

Keittäminen on nopea prosessi, ja kiehuvasta vedestä Lyhytaikainen ei jää jälkeäkään, se muuttuu höyryksi.

Mutta on toinenkin ilmiö veden tai muun nesteen muuttumisessa höyryksi - tämä on haihtuminen. Haihtumista tapahtuu missä tahansa lämpötilassa paineesta riippumatta, joka normaaliolosuhteissa on aina lähellä 760 mmHg. Taide. Haihdutus, toisin kuin keittäminen, on hyvin hidas prosessi. Kölnin pullo, jonka unohdimme sulkea, on tyhjä muutaman päivän kuluttua; enemmän aikaa o lautanen vesi seisoo, mutta ennemmin tai myöhemmin se myös kuivuu.

Ilmalla on tärkeä rooli haihdutusprosessissa. Se ei itsessään estä veden haihtumista. Heti kun avaamme nesteen pinnan, vesimolekyylit alkavat liikkua lähimpään ilmakerrokseen.

Tämän kerroksen höyryn tiheys kasvaa nopeasti; lyhyen ajan kuluttua höyrynpaine tulee yhtä suureksi kuin väliaineen lämpötilalle ominaista elastisuus. Tässä tapauksessa höyrynpaine on täsmälleen sama kuin ilman puuttuessa.

Höyryn kulkeutuminen ilmaan ei tietenkään tarkoita paineen nousua. Kokonaispaine vedenpinnan yläpuolella olevassa tilassa ei kasva, vain tämän paineen osuus, jonka höyry ottaa, kasvaa, ja vastaavasti höyryn syrjäyttämän ilman osuus pienenee.

Veden yläpuolella on ilmaan sekoittunutta höyryä, yläpuolella on ilmakerroksia ilman höyryä. Ne sekoittuvat väistämättä. Vesihöyry siirtyy jatkuvasti korkeampiin kerroksiin, ja sen tilalle ilmaa, joka ei sisällä vesimolekyylejä, pääsee alempaan kerrokseen. Siksi vettä lähinnä olevassa kerroksessa vapautuu aina paikkoja uusille vesimolekyyleille. Vesi haihtuu jatkuvasti pitäen vesihöyryn paineen pinnalla elastisuuden tasolla ja prosessia jatketaan, kunnes vesi on kokonaan haihtunut.

Aloitimme esimerkillä Kölnistä ja vedestä. On hyvin tunnettua, että ne haihtuvat eri nopeuksilla. Eetteri haihtuu poikkeuksellisen nopeasti, alkoholi melko nopeasti ja vesi paljon hitaammin. Ymmärrämme heti, mistä on kysymys, jos löydämme hakuteoksesta näiden nesteiden höyrynpaineen arvot esimerkiksi huoneenlämpötilassa. Nämä ovat numerot: eetteri - 437 mm Hg. Art., alkoholi - 44,5 mm Hg. Taide. ja vesi - 17,5 mm Hg. Taide.

Mitä suurempi elastisuus, sitä enemmän höyryä viereisessä ilmakerroksessa ja sitä nopeammin neste haihtuu. Tiedämme, että höyrynpaine kasvaa lämpötilan noustessa. On selvää, miksi haihtumisnopeus kasvaa kuumentaessa.

Haihtumisnopeuteen voidaan vaikuttaa toisella tavalla. Jos halutaan edistää haihtumista, on välttämätöntä poistaa nopeasti neste nesteestä eli nopeuttaa ilman sekoittumista. Siksi haihtuminen kiihtyy suuresti puhaltamalla nesteen yli. Vesi, vaikka sillä on suhteellisen alhainen höyrynpaine, katoaa melko nopeasti, jos lautanen asetetaan tuuleen.

Siksi on ymmärrettävää, miksi vedestä noussut uimari tuntee kylmän tuulen. Tuuli nopeuttaa ilman sekoittumista höyryn kanssa ja siten haihtumista, ja ihmiskeho joutuu luovuttamaan lämpöä haihtumista varten.

Ihmisen hyvinvointi riippuu siitä, onko ilmassa paljon vai vähän vesihöyryä. Sekä kuiva että kostea ilma ovat epämiellyttäviä. Kosteutta pidetään normaalina, kun se on 60 %. Tämä tarkoittaa, että vesihöyryn tiheys on 60 % kylläisen vesihöyryn tiheydestä samassa lämpötilassa.

Jos kosteaa ilmaa jäähdytetään, siinä olevan vesihöyryn paine tulee lopulta samaksi kuin höyrynpaine tässä lämpötilassa. Höyry kyllästyy ja kun lämpötila laskee edelleen, se tiivistyy vedeksi. Aamukaste, joka kosteuttaa ruohoa ja lehtiä, ilmestyy juuri tämän ilmiön vuoksi.

20 ° C:ssa kylläisen vesihöyryn tiheys on noin 0,00002 g / cm 3. Tunnemme olomme hyväksi, jos tästä luvusta 60 % on ilmassa olevaa vesihöyryä, mikä tarkoittaa vain hieman yli satatuhansosaa grammasta 1 cm 3:ssä.

Vaikka tämä luku on pieni, mutta huoneelle se johtaa vaikuttaviin määriin höyryä. On helppo laskea, että keskikokoiseen huoneeseen, jonka pinta-ala on 12 m 2 ja korkeus 3 m, noin kilogramma vettä voi "sopeutua" kylläisen höyryn muodossa.

Tämä tarkoittaa, että jos suljet tällaisen huoneen tiukasti ja laitat avoimen vesitynnyrin, litra vettä haihtuu tynnyrin tilavuudesta riippumatta.

On mielenkiintoista verrata tätä veden tulosta vastaaviin elohopean lukuihin. Samassa 20 ° C: n lämpötilassa elohopean kylläisen höyryn tiheys on 10 -8 g / cm 3.

Juuri keskusteltu huone ei sisällä enempää kuin 1 g elohopeahöyryä.

Muuten, elohopeahöyry on erittäin myrkyllistä, ja 1 g elohopeahöyryä voi vahingoittaa vakavasti kenen tahansa terveyttä. Kun työskentelet elohopean kanssa, sinun on varmistettava, ettei pieninkään elohopeapisara pääse roiskumaan.

Kuinka muuttaa kaasu nesteeksi? Kiehumiskaavio vastaa tähän kysymykseen. Voit muuttaa kaasun nesteeksi joko alentamalla lämpötilaa tai nostamalla painetta.

1800-luvulla paineen nostaminen nähtiin helpommin kuin lämpötilan alentaminen. Tämän vuosisadan alussa suuri englantilainen fyysikko Michael Farad onnistui puristamaan kaasut höyrynpaineen arvoihin ja muuttamaan tällä tavalla monet kaasut nesteiksi (kloori, hiilidioksidi jne.).

Jotkut kaasut - vety, typpi, happi - eivät kuitenkaan sopineet nesteytymiseen millään tavalla. Huolimatta siitä, kuinka paljon painetta nostettiin, ne eivät muuttuneet nesteeksi. Voidaan ajatella, että happi ja muut kaasut eivät voi olla nestemäisiä. Ne laskettiin todellisiin tai pysyviin kaasuihin.

Itse asiassa epäonnistumiset johtuivat yhden tärkeän seikan ymmärtämättömyydestä.

Harkitse nestettä ja höyryä tasapainossa ja mieti, mitä niille tapahtuu kiehumispisteen noustessa ja tietysti vastaavassa paineen nousussa. Toisin sanoen kuvittele, että kiehumiskaavion piste liikkuu ylöspäin käyrää pitkin. On selvää, että neste laajenee lämpötilan noustessa ja sen tiheys pienenee. Mitä tulee höyryyn, kiehumispisteen nousuun? tietysti se edistää sen laajenemista, mutta kuten olemme jo todenneet, kylläinen höyrynpaine kasvaa paljon nopeammin kuin kiehumispiste. Siksi höyryn tiheys ei vähene, vaan päinvastoin kasvaa nopeasti kiehumispisteen noustessa.

Koska nesteen tiheys pienenee ja höyryn tiheys kasvaa, niin "ylöspäin" liikkuessamme kiehumiskäyrää pitkin pääsemme väistämättä pisteeseen, jossa nesteen ja höyryn tiheydet ovat yhtä suuret (kuva 4.3).

Riisi. 4.3

Tässä merkittävässä kohdassa, jota kutsutaan kriittiseksi pisteeksi, kiehumiskäyrä päättyy. Koska kaikki kaasun ja nesteen väliset erot liittyvät tiheyseroon, niin kriittisessä pisteessä nesteen ja kaasun ominaisuudet muuttuvat samoiksi. Jokaisella aineella on oma kriittinen lämpötilansa ja oma kriittinen paineensa. Joten veden kriittinen piste vastaa lämpötilaa 374 ° C ja painetta 218,5 atm.

Jos puristat kaasua, jonka lämpötila on kriittisen lämpötilan alapuolella, sen puristusprosessia edustaa kiehumiskäyrän ylittävä nuoli (kuva 4.4). Tämä tarkoittaa, että kaasu alkaa kondensoitua nesteeksi sillä hetkellä, kun saavutetaan paine, joka on yhtä suuri kuin höyrynpaine (nuolen ja kiehumiskäyrän leikkauspiste). Jos astiamme olisi läpinäkyvä, näkisimme sillä hetkellä nestekerroksen muodostumisen alkavan astian pohjalle. Vakiopaineessa nestekerros kasvaa, kunnes lopulta kaikki kaasu muuttuu nesteeksi. Lisäpuristus vaatii painetta nostamaan.

Riisi. 4.4

Tilanne on täysin erilainen, kun puristetaan kaasua, jonka lämpötila on kriittistä korkeampi. Puristusprosessi voidaan jälleen kuvata nuolena, joka kulkee alhaalta ylös. Mutta nyt tämä nuoli ei ylitä kiehumiskäyrää. Tämä tarkoittaa, että puristettuna höyry ei tiivisty, vaan se vain tiivistyy jatkuvasti.

Kriittistä lämpötilaa korkeammassa lämpötilassa rajapinnalla erotetun nesteen ja kaasun olemassaolo on mahdotonta: Mihin tahansa tiheyteen puristettuna männän alle sijoittuu homogeeninen aine, ja on vaikea sanoa, milloin se voidaan kutsua. kaasu, ja milloin sitä voidaan kutsua nesteeksi.

Kriittisen pisteen olemassaolo osoittaa, että nestemäisen ja kaasumaisen tilan välillä ei ole perustavaa laatua olevaa eroa. Ensi silmäyksellä saattaa tuntua, että tällaista perustavanlaatuista eroa ei ole olemassa vain kriittisen lämpötilan yläpuolella. Näin ei kuitenkaan ole. Kriittisen pisteen olemassaolo osoittaa nesteen - aivan todellisen nesteen, joka voidaan kaataa lasiin - mahdollisuuden siirtyä kaasumaiseen tilaan ilman kiehumisen vaikutelmaa.

Tämä muunnospolku on esitetty kuvassa. 4.4 Tunnettu neste on merkitty ristillä. Jos lasket painetta hieman (nuoli alas), se kiehuu, se kiehuu, vaikka lämpötilaa nostetaan hieman (nuoli oikealle). Mutta toimimme täysin eri tavalla, Puristamme nesteen erittäin voimakkaasti, kriittisen paineen yläpuolelle. Nesteen tilaa kuvaava piste menee pystysuunnassa ylöspäin. Sitten lämmitämme nestettä - tätä prosessia edustaa vaakasuora viiva. Nyt, kun olemme löytäneet itsemme kriittisen lämpötilan oikealta puolelta, laskemme painetta alkuperäiseen. Jos lämpötilaa nyt laskee, niin saat todellista höyryä, jota tästä nesteestä voisi saada yksinkertaisemmalla ja lyhyemmällä tavalla.

Siten on aina mahdollista muuttamalla painetta ja lämpötilaa kriittisen pisteen ohituksella saada höyryä siirtämällä sitä jatkuvasti nesteestä tai nesteestä höyrystä. Tämä jatkuva muutos ei vaadi keittämistä tai kondensaatiota.

Varhaiset yritykset nesteyttää kaasuja, kuten happea, typpeä ja vetyä, ja siksi epäonnistuivat, koska kriittisen lämpötilan olemassaolosta ei tiedetty. Näillä kaasuilla on erittäin alhaiset kriittiset lämpötilat: typpi -147 °C, happi -119 °C, vety -240 °C tai 33 K. Helium on ennätyksen haltija, sen kriittinen lämpötila on 4,3 K. neste on mahdollista vain yhdellä tavalla - on tarpeen laskea niiden lämpötila määritetyn lämpötilan alapuolelle.

Merkittävä lämpötilan aleneminen voidaan saavuttaa useilla tavoilla. Mutta kaikkien menetelmien idea on sama: keho, jota haluamme jäähdyttää, on pakotettava kuluttamaan sisäistä energiaansa.

Miten tämä voidaan tehdä? Yksi tapa on saada neste kiehumaan tuomatta lämpöä ulkopuolelta. Tätä varten, kuten tiedämme, on tarpeen vähentää painetta - vähentää se höyrynpaineen arvoon. Kiehumiseen kulutettu lämpö otetaan nesteestä sekä nesteen ja höyryn lämpötilasta ja sen mukana höyrynpaine laskee. Siksi, jotta kiehuminen ei pysähdy ja tapahtuisi nopeammin, ilmaa on pumpattava astiasta jatkuvasti nesteen kanssa.

Kuitenkin lämpötilan pudotus tämän prosessin aikana saavuttaa rajan: höyrynpaine muuttuu lopulta täysin merkityksettömäksi, eivätkä voimakkaimmatkaan tyhjennyspumput pysty luomaan vaadittua painetta.

Lämpötilan alentamisen jatkamiseksi on mahdollista jäähdyttämällä kaasua saadulla nesteellä muuttaa se nesteeksi, jolla on alhaisempi kiehumispiste.

Nyt pumppausprosessi voidaan toistaa toisella aineella ja siten saada alhaisemmat lämpötilat. Tarvittaessa tätä "kaskadi" menetelmää alhaisten lämpötilojen saavuttamiseksi voidaan pidentää.

Juuri näin he tekivät viime vuosisadan lopussa; kaasujen nesteyttäminen suoritettiin vaiheittain: eteeni, happi, typpi, vety muutettiin peräkkäin nestemäisiksi - aineet, joiden kiehumispisteet olivat -103, -183, -196 ja -253 °C. Nestemäisellä vedyllä saat alhaisimman kiehuvan nesteen - heliumin (-269 ° C). "Vasen" naapuri auttoi saamaan "oikean" naapurin.

Kaskadijäähdytysmenetelmä on lähes sata vuotta vanha. Vuonna 1877 nestemäistä ilmaa saatiin tällä menetelmällä.

Vuosina 1884-1885. ensimmäistä kertaa nestemäistä vetyä. Lopulta, kaksikymmentä vuotta myöhemmin, viimeinen linnoitus valloitettiin: vuonna 1908 Kamerling-Onnes Leidenin kaupungissa Hollannissa muutti heliumin nesteeksi - aineeksi, jolla on alhaisin kriittinen lämpötila. Tämän tärkeän tieteellisen saavutuksen 70-vuotisjuhlaa vietettiin äskettäin.

Leidenin laboratorio oli useiden vuosien ajan ainoa "matalien lämpötilojen" laboratorio. Nyt kaikissa maissa on kymmeniä tällaisia ​​laboratorioita, puhumattakaan tehtaista, jotka tuottavat nestemäistä ilmaa, typpeä, happea ja heliumia teknisiin tarkoituksiin.

Kaskadimenetelmää alhaisten lämpötilojen saamiseksi käytetään nykyään harvoin. Teknisissä asennuksissa lämpötilan alentamiseksi käytetään toista menetelmää kaasun sisäisen energian alentamiseksi: ne pakottavat kaasun laajenemaan nopeasti ja suorittamaan työtä sisäisen energian vaikutuksesta.

Jos esim. useaan ilmakehään puristettua ilmaa laitetaan laajentimeen, niin männän siirron tai turbiinin pyörittämisen jälkeen ilma jäähtyy niin voimakkaasti, että se muuttuu nesteeksi. Jos hiilidioksidi vapautuu nopeasti sylinteristä, se jäähtyy niin jyrkästi, että se muuttuu "jääksi" lennossa.

Nestekaasuja käytetään laajasti tekniikassa. Nestemäistä happea käytetään räjähdysteknologiassa suihkumoottoreiden polttoaineseoksen komponenttina.

Ilman nesteyttämistä käytetään tekniikassa ilman muodostavien kaasujen erottamiseen.

Tekniikan eri aloilla vaaditaan työskentelyä nestemäisen ilman lämpötilassa. Mutta monissa fysikaalisissa tutkimuksissa tämä lämpötila ei ole tarpeeksi alhainen. Todellakin, jos muunnamme Celsius-asteet absoluuttiseksi asteikoksi, niin näemme, että nestemäisen ilman lämpötila on noin 1/3 huoneenlämpötilasta. Fysiikan kannalta paljon kiinnostavampia ovat "vedyn" lämpötilat, eli luokkaa 14-20 K olevat lämpötilat ja erityisesti "helium" lämpötilat. Alin lämpötila nestemäistä heliumia pumpattaessa on 0,7 K.

Fyysikot ovat onnistuneet pääsemään paljon lähemmäs absoluuttista nollaa. Tällä hetkellä on saatu lämpötiloja, jotka ylittävät absoluuttisen nollan vain muutamalla asteen tuhannesosalla. Kuitenkin nämä erittäin matalat lämpötilat saatu muilla tavoilla kuin edellä kuvatut.

V viime vuodet matalan lämpötilan fysiikka on synnyttänyt erityisen teollisuudenalan, joka valmistaa laitteita, jotka mahdollistavat suurten määrien ylläpitämisen absoluuttista nollaa lähellä olevissa lämpötiloissa; on kehitetty voimakaapeleita, joiden virtakiskot toimivat alle 10 K lämpötiloissa.

Kun kiehumispiste ylitetään, höyryn tulee tiivistyä ja muuttua nesteeksi. Mutta,; osoittautuu, että jos höyry ei joudu kosketuksiin nesteen kanssa ja jos höyry on erittäin puhdasta, on mahdollista saada alijäähtynyttä tai "ylikyllästettyä höyryä - höyryä, jonka olisi pitänyt muuttua nesteeksi kauan sitten."

Ylikyllästetty höyry on erittäin epävakaa. Joskus avaruuteen heitetty tärinä tai jyvän höyry riittää viivästyneen kondensaation alkamiseen.

Kokemus osoittaa, että pienten vieraiden hiukkasten joutuminen höyryyn helpottaa suuresti höyrymolekyylien kondensaatiota. Vesihöyryn ylikyllästystä ei tapahdu pölyisessä ilmassa. Kondensoituminen voi johtua savupursuista. Loppujen lopuksi savu koostuu pienistä kiinteistä hiukkasista. Höyryyn joutuessaan nämä hiukkaset keräävät molekyylejä ympärilleen ja niistä tulee kondensaatiokeskuksia.

Joten vaikka höyry on epävakaa, se voi esiintyä lämpötila-alueella, joka on mukautettu nesteen "elämään".

Onko mahdollista, että neste "eläisi" höyryalueella samoissa olosuhteissa? Toisin sanoen, onko mahdollista ylikuumentaa nestettä?

Osoittautuu, että voit. Tätä varten on varmistettava, että nesteen molekyylit eivät irtoa sen pinnasta. Radikaalinen ratkaisu on poistaa vapaa pinta, eli laittaa neste astiaan, jossa kiinteät seinämät puristavat sen joka puolelta. Tällä tavalla on mahdollista saavuttaa usean asteen suuruusluokkaa oleva tulistus eli siirtää nesteiden tilaa kuvaava piste oikealle kiehumiskäyrästä (kuva 4.4).

Ylikuumeneminen on nesteen siirtymistä höyryalueelle, joten nesteen ylikuumeneminen voidaan saavuttaa sekä tuottamalla lämpöä että alentamalla painetta.

Viimeinen tapa saavuttaa uskomattomia tuloksia. Vesi tai muu neste, joka on huolellisesti vapautettu liuenneista kaasuista (tämä ei ole helppo tehdä), laitetaan astiaan, jossa mäntä ulottuu nesteen pintaan. Astia ja mäntä on kasteltava nesteellä. Jos nyt vedät mäntää itseäsi kohti, vesi, joka on tarttunut männän pohjaan, seuraa sitä. Mutta vesikerros, joka on tarttunut mäntään, vetää seuraavan vesikerroksen mukanaan, tämä kerros vetää alla olevaa, minkä seurauksena neste venyy.

Lopulta vesipatsas räjähtää (vesipatsas, ei vesi, joka irtoaa männästä), mutta tämä tapahtuu, kun voima pinta-alayksikköä kohti saavuttaa kymmeniä kiloja. Toisin sanoen nesteeseen syntyy kymmenien ilmakehän alipaine.

Jopa alhaisissa positiivisissa paineissa aineen höyrytila ​​on vakaa. Ja neste voidaan tuoda alipaine... Lisää silmiinpistävä esimerkki"ylikuumenemista" ei voi kuvitella.

Ei ole olemassa kiinteää runkoa, joka kestäisi lämpötilan nousua niin paljon kuin haluat. Ennemmin tai myöhemmin kiinteä pala muuttuu nesteeksi; oikein, joissain tapauksissa emme pääse sulamispisteeseen - kemiallista hajoamista voi tapahtua.

Lämpötilan noustessa molekyylit liikkuvat yhä intensiivisemmin. Lopulta tulee hetki, jolloin on mahdotonta ylläpitää järjestystä "voimakkaasti" huojuneiden "molekyylien kesken. Kiinteä aine sulaa. Volframilla on korkein sulamispiste: 3380 ° С. On myös matalassa sulavia metalleja. Elohopea, kuten hyvin tiedetään , sulaa jo -39 °C:n lämpötilassa. Orgaanisilla aineilla ei ole korkeita sulamispisteitä Naftaleeni sulaa 80 °C:ssa, tolueeni -94,5 °C:ssa.

Kappaleen sulamispisteen mittaaminen ei ole ollenkaan vaikeaa, varsinkin jos se sulaa tavallisella lämpömittarilla mitatulla lämpötila-alueella. Sulavaa kehoa ei tarvitse seurata silmin. Riittää, kun katsot lämpömittarin elohopeapylvästä. Kunnes sulaminen alkaa, kehon lämpötila nousee (kuva 4.5). Kun sulaminen alkaa, lämpötilan nousu pysähtyy ja lämpötila pysyy muuttumattomana, kunnes sulatusprosessi on valmis.

Riisi. 4.5

Aivan kuten nesteen muuntaminen höyryksi, kiinteän aineen muuntaminen nesteeksi vaatii lämpöä. Tätä varten tarvittavaa lämpöä kutsutaan piileväksi sulamislämmöksi. Esimerkiksi yhden kilon jäätä sulattaminen vaatii 80 kcal.

Jää on yksi kappaleista, joilla on korkea sulamislämpö. Jään sulattaminen vaatii esimerkiksi 10 kertaa enemmän energiaa kuin saman lyijymassan sulattaminen. Tietenkin puhumme itse sulamisesta, emme sano tässä, että ennen lyijyn sulamisen alkamista se on lämmitettävä + 327 ° C:seen. Suuresta jään sulamislämmöstä johtuen lumen sulaminen hidastuu. Kuvittele, että sulamislämpö olisi 10 kertaa pienempi. Silloin kevättulvat johtaisivat joka vuosi käsittämättömiin katastrofeihin.

Joten jään sulamislämpö on suuri, mutta se on myös pieni verrattuna ominaishöyrystyslämpöön 540 kcal / kg (seitsemän kertaa vähemmän). Tämä ero on kuitenkin täysin luonnollinen. Nestettä höyryksi muuttaessamme molekyylit täytyy repiä irti toisistaan, ja sulattaessa meidän on vain tuhottava järjestys molekyylien sijoittelussa jättäen ne lähes samalle etäisyydelle. On selvää, että toisessa tapauksessa tarvitaan vähemmän työtä.

Tietyn sulamispisteen läsnäolo on tärkeä merkki kiteisistä aineista. Tästä syystä ne voidaan helposti erottaa muista kiinteistä aineista, joita kutsutaan amorfisiksi tai lasiksi. Laseja löytyy sekä epäorgaanisista että orgaanisista aineista. Ikkunalasit valmistetaan yleensä natrium- ja kalsiumsilikaateista; orgaaninen lasi asetetaan usein pöydälle (se kutsutaan myös pleksilasiksi).

Amorfisilla aineilla, toisin kuin kiteillä, ei ole erityistä sulamispistettä. Lasi ei sula, vaan pehmenee. Kuumennettaessa lasipala muuttuu ensin pehmeäksi kovasta, sitä voidaan helposti taivuttaa tai venyttää; korkeammassa lämpötilassa kappale alkaa muuttaa muotoaan oman painovoimansa vaikutuksesta. Lämpeneessään paksu, viskoosi lasimassa saa sen astian muodon, jossa se sijaitsee. Tämä massa on aluksi paksu, kuten hunaja, sitten - kuin smetana, ja lopulta siitä tulee melkein sama matalaviskositeettinen neste kuin vesi. Kaikella halullamme emme voi osoittaa tässä tiettyä lämpötilaa kiinteän aineen muuttumiselle nesteeksi. Syyt tähän ovat lasin rakenteen ja kidekappaleiden rakenteen välisessä perustavanlaatuisessa erossa. Kuten edellä mainittiin, amorfisten kappaleiden atomit ovat satunnaisesti järjestettyjä. Lasit muistuttavat rakenteeltaan nesteitä, jo kiinteässä lasissa molekyylit ovat satunnaisesti sijoittuneet. Tämä tarkoittaa, että lasin lämpötilan nousu vain lisää sen molekyylien värähtelyaluetta ja antaa niille vähitellen yhä suuremman liikkumisvapauden. Siksi lasi pehmenee vähitellen eikä osoita terävää siirtymää "kiinteäksi" - "nesteeksi", joka on ominaista siirtymiselle molekyylien järjestelystä tiukassa järjestyksessä satunnaiseen järjestelyyn.

Kun puhuttiin kiehumiskäyrästä, sanoimme, että neste ja höyry voivat, vaikkakin epävakaassa tilassa, elää vierailla alueilla - höyry voidaan alijäähdyttää ja siirtää kiehumiskäyrän vasemmalle puolelle, neste voidaan tulikuumentaa ja vetää tämän käyrän oikealla puolella.

Ovatko analogiset ilmiöt mahdollisia kiteen tapauksessa nesteen kanssa? Osoittautuu, että analogia on epätäydellinen.

Jos kidettä kuumennetaan, se alkaa sulaa sulamispisteessään. Kiteen ylikuumentaminen ei ole mahdollista. Päinvastoin, nestettä jäähdyttämällä on mahdollista, jos ryhdytään joihinkin toimenpiteisiin, sulamispiste "liukuttamaan" suhteellisen helposti. Joissakin nesteissä on mahdollista saavuttaa suuri hypotermia. On jopa nesteitä, jotka on helppo superjäähdyttää ja vaikea saada kiteytymään. Kun tällainen neste jäähtyy, se muuttuu yhä viskoosimmaksi ja lopulta jähmettyy kiteytymättä. Tämä on lasia.

Vesi voidaan myös alijäähdyttää. Sumupisarat eivät välttämättä jääty edes kovissa pakkasissa. Jos aineen kide - siemen - heitetään alijäähdytettyyn nesteeseen, kiteytyminen alkaa välittömästi.

Lopuksi, monissa tapauksissa viivästynyt kiteytyminen voi alkaa ravistelusta tai muista satunnaisista tapahtumista. Tiedetään esimerkiksi, että kiteistä glyseriiniä saatiin ensin kuljetuksen aikana rautatie... Pitkän seisomisen jälkeen lasit voivat alkaa kiteytyä (devitrifioitua tai "murtua", kuten tekniikassa sanotaan).

Melkein mikä tahansa aine voi tuottaa kiteitä tietyissä olosuhteissa. Kiteitä voidaan saada tietyn aineen liuoksesta tai sulatuksesta sekä sen höyryistä (esimerkiksi mustat timantinmuotoiset jodikiteet putoavat helposti höyrystään normaalipaineessa ilman välivaiheen siirtymistä nestemäiseen tilaan) .

Aloita ruokasuolan tai sokerin liuottaminen veteen. Huoneenlämmössä (20 ° C) pystyt liuottamaan vain 70 g suolaa viisteiseen lasiin. Muut suolan lisäykset eivät liukene ja laskeutuvat pohjalle sedimenttina. Liuosta, jossa liukenemista ei enää tapahdu, kutsutaan kylläiseksi. Jos muutat lämpötilaa, myös aineen liukoisuusaste muuttuu. On hyvin tunnettua, että kuuma vesi liuottaa useimmat aineet paljon helpommin kuin kylmä vesi.

Kuvittele nyt - että olet valmistanut kylläisen liuoksen esimerkiksi sokerista 30 °C:n lämpötilassa ja alat jäähdyttää sitä 20 °C:seen. 30 °C:ssa pystyit liuottamaan 223 g sokeria 100 g:aan vettä ja 205 g liuottamaan 20 °C:ssa. Sitten, kun se jäähdytettiin 30 °C:sta 20 °C:seen, 18 g osoittautuu "ylimääräiseksi" ja, kuten he sanovat, putoavat ratkaisusta. Joten yksi mahdollisista tavoista saada kiteitä on jäähdyttää kylläistä liuosta.

Voit tehdä sen toisin. Valmista kyllästetty suolaliuos ja jätä se avoimeen lasiin. Jonkin ajan kuluttua huomaat kiteiden ulkonäön. Miksi ne muodostuivat? Tarkka tarkkailu osoittaa, että samanaikaisesti kiteiden muodostumisen kanssa tapahtui toinen muutos - veden määrä väheni. Vesi haihtui ja "ylimääräinen" aine ilmestyi liuokseen. Joten toinen mahdollinen tapa muodostaa kiteitä on liuoksen haihduttaminen.

Miten liuoksesta muodostuu kiteitä?

Sanoimme, että kiteet "pudota ulos" liuoksesta; Onko tämä välttämätöntä ymmärtää niin, että viikkoon ei ollut kristallia ja se ilmestyi yhtäkkiä kerralla? Ei, näin ei ole: kiteet kasvavat. Kasvun alkuhetkiä ei tietenkään voida havaita silmällä. Aluksi harvat liuenneen aineen satunnaisesti liikkuvista molekyyleistä tai atomeista kerääntyvät suunnilleen siinä järjestyksessä, joka tarvitaan muodostamaan kidehila. Tällaista atomi- tai molekyyliryhmää kutsutaan ytimeksi.

Kokemus osoittaa, että alkiot muodostuvat useammin, kun liuoksessa on vieraita pieniä pölyhiukkasia. Kiteytyminen alkaa nopeimmin ja helpoimmin, kun pieni siemenkide asetetaan kyllästettyyn liuokseen. Tässä tapauksessa kiinteän aineen vapautuminen liuoksesta ei koostu uusien kiteiden muodostumisesta, vaan siemenen kasvusta.

Alkion kasvu ei tietenkään eroa siemenen kasvusta. Siemenen käytön tarkoitus on, että se "vetää" vapautuneen aineen päälleen ja estää siten samanaikaisen siemenen muodostumisen. suuri numero alkiot. Jos muodostuu paljon ytimiä, ne häiritsevät toisiaan kasvun aikana eivätkä anna meidän saada suuria kiteitä.

Miten liuoksesta vapautuneet atomien tai molekyylien osat jakautuvat alkion pinnalle?

Kokemus osoittaa, että alkion tai siemenen kasvu muodostuu ikään kuin pintojen siirtymisestä keskenään yhdensuuntaisesti kasvoja vastaan ​​kohtisuorassa suunnassa. Tällöin pintojen väliset kulmat pysyvät vakioina (tiedämme jo, että kulmien pysyvyys on kiteen tärkein hilarakenteesta johtuva ominaisuus).

Kuvassa 4.6 esittää kolmen saman aineen kiteen ääriviivat niiden kasvun aikana. Samanlaisia ​​kuvia voi katsella mikroskoopilla. Vasemmalla näytetyssä tapauksessa kasvojen lukumäärä säilyy kasvun aikana. Keskimmäinen piirros antaa esimerkin uusien kasvojen ilmestymisestä (oikea yläkulma) ja katoamisesta uudelleen.

Riisi. 4.6

On erittäin tärkeää huomata, että kasvojen kasvunopeus, eli niiden liikkeen nopeus yhdensuuntaisesti itsensä kanssa, ei ole sama eri kasvoilla. Samaan aikaan nopeimmin liikkuvat kasvot, esimerkiksi keskimmäisen piirustuksen vasen alapuoli, "kasvavat" (katoavat). Päinvastoin, hitaasti kasvavat reunat osoittautuvat leveimmiksi, kuten sanotaan, kehittyneimmiksi.

Tämä näkyy erityisen selvästi viimeisessä kuvassa. Muodoton fragmentti saa saman muodon kuin muut kiteet juuri kasvunopeuden anisotropian vuoksi. Melko selvät puolet kehittyvät muiden kustannuksella voimakkaammin ja antavat kiteelle muodon, joka on ominaista tämän aineen kaikille näytteille.

Erittäin kauniita siirtymämuotoja havaitaan, kun pallo otetaan siemeneksi ja liuosta vuorotellen jäähdytetään ja lämmitetään hieman. Kuumennettaessa liuos muuttuu tyydyttymättömäksi ja siemen liukenee osittain. Jäähdytys johtaa liuoksen kyllästymiseen ja siementen kasvuun. Mutta molekyylit asettuvat eri tavalla, ikään kuin antaisivat etusijalle joitain paikkoja. Aine siirtyy siten pallon paikasta toiseen.

Ensinnäkin pallon pinnalle ilmestyy pieniä ympyrän muotoisia kasvoja. Ympyrät kasvavat vähitellen ja, koskettaen toisiaan, sulautuvat suoria reunoja pitkin. Pallo muuttuu monitahoiseksi. Sitten jotkut kasvot ohittavat toiset, osa kasvoista kasvaa umpeen ja kristalli saa tyypillisen muotonsa (kuva 4.7).

Riisi. 4.7

Tarkasteltaessa kiteiden kasvua kasvun pääpiirre on silmiinpistävä - kasvojen rinnakkainen siirtyminen. Osoittautuu, että vapautunut aine rakentaa kasvot kerroksittain: ennen kuin yksi kerros on valmis, seuraava ei ala rakentaa.

Kuvassa 4.8 esittää atomien "keskeneräistä" pakkaamista. Missä kirjaimilla osoitetuista asennoista uusi atomi pysyy tiukimpana, kun se on kiinnitetty kiteen? Epäilemättä A:ssa, koska täällä hän kokee naapureiden vetovoiman kolmelta puolelta, kun taas B:ssä - kahdelta ja C:ssä - vain yhdeltä puolelta. Siksi ensin valmistetaan sarake, sitten koko taso ja vasta sitten alkaa uuden tason asettaminen.

Riisi. 4.8

Useissa tapauksissa kiteitä muodostuu sulasta massasta - sulasta. Luonnossa tätä tapahtuu valtavassa mittakaavassa: basaltteja, graniitteja ja monia muita kiviä on syntynyt tulisesta magmasta.

Aloitetaan lämmittämään jotain kiteistä ainetta, esimerkiksi kivisuolaa. Vuorisuolakiteet muuttuvat 804 °C:seen asti vähän: ne laajenevat vain hieman ja aine pysyy kiinteänä. Ainetta sisältävään säiliöön asetettu lämpötilamittari näyttää jatkuvaa lämpötilan nousua kuumennettaessa. 804 °C:ssa löydämme heti kaksi uutta, toisiinsa liittyvää ilmiötä: aine alkaa sulaa ja lämpötilan nousu pysähtyy. Kunnes kaikki aine muuttuu nesteeksi; lämpötila ei muutu; lämpötilan nousu edelleen on jo nesteen kuumenemista. Kaikilla kiteisillä aineilla on tietty sulamispiste. Jää sulaa 0 °C:ssa, rauta 1527 °C:ssa, elohopea -39 °C:ssa jne.

Kuten jo tiedämme, jokaisessa kiteessä aineen atomit tai molekyylit muodostavat järjestetyn pakkauksen Г ja suorittavat pieniä värähtelyjä keskiasemiensa ympärillä. Kun keho lämpenee, värähtelevien hiukkasten nopeus kasvaa värähtelyalueen mukana. Tämä hiukkasnopeuden lisääntyminen lämpötilan noustessa on yksi luonnon peruslaeista, joka koskee ainetta missä tahansa tilassa - kiinteässä, nestemäisessä tai kaasumaisessa.

Kun kiteen tietty, riittävän korkea lämpötila saavutetaan, sen hiukkasten värähtelyt muuttuvat niin energisiksi, että hiukkasten tarkka järjestely tulee mahdottomaksi - kide sulaa. Sulamisen alkaessa syötettyä lämpöä ei enää kuluteta hiukkasnopeuden lisäämiseen, vaan kidehilan tuhoamiseen. Siksi lämpötilan nousu keskeytyy. Myöhempi kuumennus lisää nestehiukkasten nopeutta.

Kun kyseessä on kiteytyminen meitä kiinnostavasta sulatuksesta, yllä olevat ilmiöt havaitaan päinvastaisessa järjestyksessä: nesteen jäähtyessä sen hiukkaset hidastavat kaoottista liikettään; kun tietty, riittävän alhainen lämpötila saavutetaan, hiukkasten nopeus on jo niin alhainen, että osa niistä alkaa vetovoimien vaikutuksesta kiinnittyä toisiinsa muodostaen kiteisiä ytimiä. Kunnes koko aine kiteytyy, lämpötila pysyy vakiona. Tämä lämpötila on yleensä sama kuin sulamispiste.

Jos et ryhdy erityistoimenpiteisiin, kiteytyminen sulasta alkaa välittömästi monissa paikoissa. Kiteet kasvavat niille ominaisten säännöllisten monitahojen muodossa täsmälleen samalla tavalla kuin kuvailimme sen edellä. Vapaa kasvu ei kuitenkaan kestä kauan: lisääntyessään kiteet törmäävät toisiinsa, kosketuskohdissa kasvu pysähtyy ja kovettunut kappale saa rakeisen rakenteen. Jokainen rake on erillinen kide, joka ei saanut oikeaa muotoaan.

Riippuen monista olosuhteista ja ennen kaikkea jäähtymisnopeudesta, kiinteässä aineessa voi olla enemmän tai vähemmän karkeita rakeita: mitä hitaampi jäähtyminen, sitä karkeampia rakeita. Kidekappaleiden raekoot vaihtelevat senttimetrin miljoonasosasta useisiin millimetreihin. Useimmissa tapauksissa rakeista kiderakennetta voidaan tarkkailla mikroskoopilla. Kiinteillä aineilla on yleensä juuri tällainen hienokiteinen rakenne.

Metallien kiinteytysprosessi kiinnostaa suuresti tekniikkaa. Valun ja metallin muotteihin jähmettymisen aikana tapahtuvat tapahtumat ovat fyysikot tutkineet erittäin yksityiskohtaisesti.

Suurin osa puumaisista monokiteistä, joita kutsutaan dendriiteiksi, kasvavat jähmettymisen aikana. Muissa tapauksissa dendriitit ovat suunnattu sattumanvaraisesti, toisissa tapauksissa - yhdensuuntaisesti toistensa kanssa.

Kuvassa 4.9 näyttää yhden dendriitin kasvuvaiheet. Tällä käyttäytymisellä dendriitti voi kasvaa yli ennen kuin se kohtaa toisen samanlaisen. Silloin emme löydä dendriittejä valusta. Tapahtumat voivat kehittyä toisella tavalla: dendriitit voivat kohdata ja kasvaa toisiinsa (yhden oksia toisen oksien välissä) ollessaan vielä "nuoria".

Riisi. 4.9

Siten voi syntyä valukappaleita, joiden rakeissa (näkyy kuvassa 2.22) on eniten erilainen rakenne... Ja metallien ominaisuudet riippuvat merkittävästi tämän rakenteen luonteesta. Metallin käyttäytymistä jähmettymisen aikana voidaan hallita muuttamalla jäähdytysnopeutta ja lämmönpoistojärjestelmää.

Puhutaanpa nyt suuren yksittäiskiteen kasvattamisesta. On selvää, että on ryhdyttävä toimenpiteisiin sen varmistamiseksi, että kristalli kasvaa yhdestä paikasta. Ja jos useat kiteet ovat jo alkaneet kasvaa, on joka tapauksessa varmistettava, että kasvuolosuhteet ovat suotuisat vain yhdelle niistä.

Esimerkiksi tässä on, kuinka he tekevät sen kasvattaessaan matalassa lämpötilassa sulavien metallien kiteitä. Metalli sulatetaan vedetystä lasikoeputkesta. Pystysuoran lieriömäisen uunin sisällä olevaan kierteeseen ripustettu koeputki lasketaan hitaasti alas. Vedetty pää poistuu vähitellen uunista ja jäähtyy. Kiteytys alkaa. Aluksi muodostuu useita kiteitä, mutta ne, jotka kasvavat sivuttain, osuvat koeputken seinämään ja niiden kasvu hidastuu. Suotuisissa olosuhteissa ilmaantuu vain se kide, joka kasvaa pitkin koeputken akselia, eli syvälle sulatteeseen. Kun koeputkea lasketaan alas, uudet sulan osat, jotka putoavat matalan lämpötilan alueelle, "syöttävät" tätä yksikidettä. Siksi kaikista kiteistä hän yksin selviää; kun putki lasketaan alas, se jatkaa kasvuaan akseliaan pitkin. Lopulta kaikki sula metalli jähmettyy yhdeksi kiteeksi.

Sama ajatus on tulenkestävien rubiinikiteiden viljelyn taustalla. Aineen hieno jauhe kaadetaan virtana liekin läpi. Jauheet sulavat samaan aikaan; pieniä pisaroita putoaa tulenkestävälle telineelle hyvin pieni alue muodostaen monia kiteitä. Kun pisarat putoavat edelleen alustalle, kaikki kiteet kasvavat, mutta taas vain se, joka on edullisimmassa asemassa putoavien pisaroiden "vastaanottamiseksi".

Mitä varten suuret kiteet ovat?

Teollisuus ja tiede tarvitsevat usein suuria yksittäiskiteitä. Hyvin tärkeä teknologiaa varten on Rochelle-suolan ja kvartsin kiteitä, joilla on merkittävä ominaisuus muuttaa mekaaniset vaikutukset (esimerkiksi paine) sähköjännitteeksi.

Optinen teollisuus tarvitsee suuria kalsiittikiteitä, vuorisuolaa, fluoriittia jne.

Kelloteollisuus tarvitsee rubiinien, safiirien ja joidenkin muiden jalokivien kiteitä. Tosiasia on, että tavallisen kellon yksittäiset liikkuvat osat aiheuttavat jopa 20 000 tärinää tunnissa. Näin suuri kuormitus asettaa epätavallisen korkeat vaatimukset akselin kärkien ja laakereiden laadulle. Hankaus on pienin, kun rubiini tai safiiri on 0,07-0,15 mm:n akselin kärjen laakeri. Näiden aineiden keinokiteet ovat erittäin kestäviä ja kuluvat hyvin vähän teräksen vaikutuksesta. On huomionarvoista, että tekokivet ovat parempia kuin samat luonnonkivet.

Teollisuuden kannalta tärkeintä on kuitenkin puolijohteiden - piin ja germaniumin - yksittäiskiteiden kasvatus.

Jos muutat painetta, myös sulamispiste muuttuu. Tapasimme saman kaavan, kun puhuimme keittämisestä. Mitä suurempi paine; mitä korkeampi kiehumispiste. Tämä pätee yleensä myös sulatukseen. On kuitenkin olemassa pieni määrä aineita, jotka käyttäytyvät epänormaalisti: niiden sulamispiste laskee paineen noustessa.

Tosiasia on, että suurin osa kiinteistä aineista on tiheämpiä kuin nesteet. Poikkeuksia tähän sääntöön ovat vain ne aineet, joiden sulamispiste muuttuu paineen muutoksen myötä ei aivan tavallisesti, esimerkiksi vesi. Jää on vettä kevyempää ja jään sulamispiste laskee paineen noustessa.

Kompressio edistää tiheämmän tilan muodostumista. Jos kiinteä aine on tiheämpää kuin neste, puristus edistää jähmettymistä ja häiritsee sulamista. Mutta jos sulamista vaikeuttaa puristus, niin tämä tarkoittaa, että aine pysyy kiinteänä, kun taas aikaisemmin tässä lämpötilassa se olisi jo sulanut, eli paineen noustessa sulamislämpötila nousee. Poikkeavassa tapauksessa neste on kiinteää ainetta tiheämpää ja paine edistää nesteen muodostumista eli alentaa sulamispistettä.

Paineen vaikutus sulamispisteeseen on paljon pienempi kuin kiehumisen. Paineen nousu yli 100 kgf / cm 2 alentaa jään sulamispistettä 1 ° C: lla.

Miksi luistimet liukuvat vain jäällä, mutta eivät yhtä sileällä parketilla? Ilmeisesti ainoa selitys on veden muodostuminen, joka voitelee harjanteen. Ymmärtääksesi syntyneen ristiriidan, sinun on muistettava seuraava: tylsät luistimet liukuvat jäällä erittäin huonosti. Luistimet tulee teroittaa niin, että ne leikkaavat jään. Tällöin vain harjanteen reunan kärki painaa jäätä. Jään paine yltää kymmeniin tuhansiin ilmakehoihin, jää sulaa edelleen.

Kun sanomme "aine haihtuu", sillä tarkoitetaan yleensä nesteen haihtumista. Mutta myös kiinteät aineet voivat haihtua. Joskus kiinteiden aineiden haihtumista kutsutaan sublimaatioksi.

Haihtuva kiinteä aine on esimerkiksi naftaleeni. Naftaleeni sulaa 80 °C:ssa ja haihtuu huoneenlämpötilassa. Tämä naftaleenin ominaisuus mahdollistaa sen käytön koiden hävittämiseen.

Koipalloilla peitetty turkki on kyllästetty koipalloilla ja luo tunnelman, jota koit eivät kestä. Mikä tahansa hajuton kiinteä aine sublimoituu suuressa määrin. Loppujen lopuksi hajun synnyttävät molekyylit, jotka ovat irronneet aineesta ja saavuttaneet nenämme. Useampia on kuitenkin tapauksia, joissa aine sublimoituu vähäisessä määrin, joskus niin paljon, ettei sitä voida havaita kovin perusteellisillakaan tutkimuksilla. Periaatteessa mikä tahansa kiinteä aine (mikä tahansa, myös rauta tai kupari) haihtuu. Jos emme havaitse sublimaatiota, tämä tarkoittaa vain, että kyllästävän höyryn tiheys on erittäin merkityksetön.

Voidaan nähdä, että monet aineet, joilla on pistävä haju huoneenlämmössä, menettävät sen matalissa lämpötiloissa.

Kiinteän aineen kanssa tasapainossa olevan kylläisen höyryn tiheys kasvaa nopeasti lämpötilan noustessa. Havainnollistimme tätä käyttäytymistä kuvassa 2 esitetyllä jääkäyrällä. 4.10. Totta, jää ei haise...

Riisi. 4.10

Useimmissa tapauksissa on mahdotonta lisätä merkittävästi kiinteän aineen kylläisen höyryn tiheyttä yksinkertaisesta syystä - aine sulaa aikaisemmin.

Myös jää haihtuu. Tämän tietävät hyvin kotiäidit, jotka hengailevat kuivaamaan kosteita liinavaatteita pakkasella. "Vesi ensin jäätyy, sitten jää haihtuu, ja liinavaatteet osoittautuvat kuiviksi.

Joten on olemassa olosuhteita, joissa höyry, neste ja kide voivat esiintyä pareittain tasapainossa. Voivatko kaikki kolme tilaa olla tasapainossa? Tällainen piste paine-lämpötilakaaviossa on olemassa, sitä kutsutaan kolminkertaiseksi. Missä hän sijaitsee?

Jos laitat veden kelluvalla jäällä suljettuun astiaan nollaasteeseen, vesi (ja "jää") alkaa virrata vapaaseen tilaan. Höyrynpaineessa 4,6 mm Hg. Taide. haihtuminen pysähtyy ja kyllästyminen alkaa. Nyt kolme faasia - jää, vesi ja höyry - ovat tasapainossa. Tämä on kolmoispiste.

Eri tilojen välinen suhde näkyy selkeästi ja selkeästi kuvan 1 vesikaaviosta. 4.11

Riisi. 4.11

Tällainen kaavio voidaan rakentaa mille tahansa vartalolle.

Kuvan käyrät ovat meille tuttuja - nämä ovat tasapainokäyriä jään ja höyryn, jään ja veden, veden ja höyryn välillä. Pysty, kuten tavallista, on paine, vaaka on lämpötila.

Kolme käyrää leikkaavat kolmoispisteessä ja jakavat kaavion kolmeen alueeseen - jään, veden ja vesihöyryn asuintiloihin.

Tilakaavio on ytimekäs viite. Sen tarkoituksena on vastata kysymykseen, mikä kehon tila on vakaa sellaisessa ja sellaisessa paineessa ja sellaisessa ja sellaisessa lämpötilassa.

Jos vesi tai höyry asetetaan "vasemman alueen" olosuhteisiin, niistä tulee jäätä. Jos nestettä tai kiinteää ainetta johdetaan "ala-alueelle", saadaan höyryä. "Oikealla alueella" höyry tiivistyy ja jää sulaa.

Vaiheiden olemassaolon kaavion avulla voit välittömästi vastata, mitä aineelle tapahtuu, kun sitä kuumennetaan tai puristetaan. Lämmitys vakiopaineella on esitetty kaaviossa vaakaviivalla. Tätä linjaa pitkin piste liikkuu vasemmalta oikealle kuvaaen kehon tilaa.

Kuvassa on kaksi tällaista linjaa, joista toinen lämmittää normaalipaineessa. Viiva on kolmoispisteen yläpuolella. Siksi se ylittää ensin sulamiskäyrän ja sitten piirustuksen ulkopuolella haihtumiskäyrän. Normaalipaineessa oleva jää sulaa 0 °C:ssa ja tuloksena oleva vesi kiehuu 100 °C:ssa.

Tilanne on erilainen jäällä, joka on lämmitetty erittäin alhaisella paineella, vaikkapa alle 5 mm Hg. Taide. Lämmitysprosessia edustaa kolmoispisteen alapuolella oleva viiva. Tämä viiva ei ylitä sulamis- ja kiehumiskäyrää. Näin alhaisessa paineessa lämmitys johtaa jään suoraan muuttumiseen höyryksi.

Kuvassa 4.12 samassa kaaviossa näkyy, mikä mielenkiintoinen ilmiö syntyy, kun vesihöyryä puristetaan kuvassa ristillä merkityssä tilassa. Höyry muuttuu ensin jääksi ja sitten sulaa. Kuvan avulla voit heti kertoa, millä paineella kide alkaa kasvaa ja milloin sulaminen tapahtuu.

Riisi. 4.12

Kaikkien aineiden tilakaaviot ovat samanlaisia. Arkipäivän näkökulmasta suuria eroja syntyy siitä, että kolmoispisteen sijainti kaaviossa voi olla hyvinkin erilainen eri aineilla.

Olemmehan olemassa lähellä "normaalia oloa", eli ensisijaisesti paineessa, joka on lähellä yhtä ilmakehää. Se, miten aineen kolmoispiste sijaitsee suhteessa normaalipaineviivaan, on meille erittäin tärkeää.

Jos kolmoispisteen paine on pienempi kuin ilmakehän paine, niin meille, "normaaleissa" olosuhteissa, aine viittaa sulamiseen. Kun lämpötila nousee, se ensin muuttuu nesteeksi ja sitten kiehuu.

Päinvastaisessa tapauksessa - kun paine kolmoispisteessä on korkeampi kuin ilmakehän - emme näe nestettä kuumennettaessa, kiinteä aine muuttuu suoraan höyryksi. Näin "kuivajää" käyttäytyy, mikä on erittäin kätevää jäätelönmyyjille. Jäätelöbrikettejä voidaan siirtää "kuivajään" paloilla ilman pelkoa, että jäätelö kastuu. "Kuivajää" on kiinteää hiilidioksidia CO2. Tämän aineen kolmoispiste on 73 atm. Siksi, kun kiinteää CO 2:ta kuumennetaan, sen tilaa kuvaava piste liikkuu vaakasuunnassa leikkaaen vain kiinteän aineen haihtumiskäyrän (kuten tavallista jäätä noin 5 mm Hg:n paineessa. Taide.).

Olemme jo kertoneet lukijalle, kuinka yksi lämpötilaaste Kelvin-asteikolla määritetään tai, kuten SI-järjestelmä nyt vaatii, yksi kelvin. Kyse oli kuitenkin lämpötilan määrittämisen periaatteesta. Kaikilla metrologian laitoksilla ei ole ihanteellisia kaasulämpömittareita. Siksi lämpötila-asteikko on rakennettu käyttämällä luonnon kiinteitä tasapainopisteitä välillä eri osavaltiot aineet.

Veden kolmoispisteellä on tässä erityinen rooli. Kelvin määritellään nyt 273,16:nneksi osaksi veden kolmoispisteen termodynaamisesta lämpötilasta. Hapen kolmoispisteeksi otetaan 54,361 K. Kullan jähmettymislämpötilaksi oletetaan 1337,58 K. Näiden vertailupisteiden avulla voit kalibroida tarkasti minkä tahansa lämpömittarin.

Mattamusta pehmeä grafiitti, jolla kirjoitamme, ja kiiltävä läpinäkyvä, kova, lasia leikkaava timantti on rakennettu samoista hiiliatomeista. Miksi näiden kahden saman koostumuksen aineen ominaisuudet ovat niin erilaisia?

Muista kerrosgrafiitin hila, jonka jokaisella atomilla on kolme lähintä naapuria, ja timantin hila, jonka atomilla on neljä lähintä naapuria. Tämä esimerkki osoittaa selvästi, että kiteiden ominaisuudet määräytyvät keskinäinen järjestely atomeja. Tulenkestävät upokkaat on valmistettu grafiitista, joka kestää jopa kahdesta kolmeen tuhatta astetta lämpötiloja ja timanttipalovammoja yli 700 °C:n lämpötiloissa; timantin tiheys on 3,5 ja grafiitin tiheys on 2,3; grafiitti johtaa sähkövirtaa, timantti ei jne.

Tämä ominaisuus tuottaa erilaisia ​​kiteitä ei ole vain hiilen hallussa. Melkein jokaista kemiallinen alkuaine, eikä vain elementti, vaan mikä tahansa Kemiallinen aine, voi esiintyä useana lajikkeena. On kuusi erilaista jäätä, yhdeksän erilaista rikkiä, neljä erilaista rautaa.

Kun keskustelimme tilakaaviosta, emme puhuneet eri tyyppejä kiteitä ja maalattu yksi kiinteä alue. Ja tämä alue hyvin monille aineille on jaettu osiin, joista jokainen vastaa tiettyä kiinteän aineen "tyyppiä" tai, kuten sanotaan, tiettyä kiinteää faasia (tiettyä kiteistä modifikaatiota).

Jokaisella kiteisellä faasilla on oma stabiilin tilan alue, jota rajoittaa tietty paine- ja lämpötila-alue. Yhden kiteisen lajin muuttumisen lait toiseksi ovat samat kuin sulamisen ja haihtumisen lait.

Jokaiselle paineelle voit määrittää lämpötilan, jossa molemmat kiteet elävät rauhallisesti rinnakkain. Jos lämpötilaa nostetaan, yhden lajin kide muuttuu toisen tyyppiseksi kiteeksi. Jos lämpötilaa lasketaan, tapahtuu käänteinen muunnos.

Jotta punainen rikki muuttuisi keltaisiksi normaalipaineessa, lämpötila on alle 110 ° C. Tämän lämpötilan yläpuolella, sulamispisteeseen asti, punaiselle rikille luontainen atomijärjestely on vakaa. Lämpötila laskee, - atomien värähtelyt vähenevät ja 110 ° С: sta alkaen luonto löytää kätevämmän atomijärjestelyn. Yksi kide muuttuu toiseksi.

Kuusi erilaista jäätä kukaan ei keksinyt nimeä. Joten he sanovat: jää yksi, jää kaksi, ...., jää seitsemän. Entä seitsemän, jos lajikkeita on vain kuusi? Asia on siinä, että jää neljää ei havaittu toistuvien kokeiden aikana.

Jos puristat vettä noin nollan lämpötilassa, niin noin 2000 atm:n paineessa muodostuu jää viisi ja noin 6000 atm:n paineessa jää kuusi.

Jää kaksi ja jää kolme ovat vakaita alle nollan lämpötiloissa.

Ice seitsemän on kuuma jää; se tapahtuu puristettaessa kuuma vesi noin 20 000 atm paineeseen asti.

Kaikki jää, paitsi tavallinen jää, on vettä raskaampaa. Normaaliolosuhteissa tuotettu jää käyttäytyy epänormaalisti; päinvastoin muissa kuin normaaleissa olosuhteissa valmistettu jää käyttäytyy normaalisti.

Sanomme, että jokaisella kidemodifikaatiolla on tietty olemassaoloalue. Mutta jos on, kuinka grafiitti ja timantti ovat olemassa samoissa olosuhteissa?

Tällainen "laittomuus" on hyvin yleistä kristallimaailmassa. Kiteiden kyky elää "muukalaisissa" olosuhteissa on melkein sääntö. Jos joudutaan turvautumaan erilaisiin temppuihin höyryn tai nesteen siirtämiseksi vieraille olemassaolon alueille, niin kidettä päinvastoin ei melkein koskaan voida pakottaa pysymään luonnon sille myöntämien rajojen sisällä.

Kiteiden ylikuumeneminen ja ylijäähtyminen selittyy vaikeudella muuttaa tilaus toiseksi äärimmäisen tiiviissä olosuhteissa. Keltaisen rikin pitäisi muuttua punaiseksi 95,5 °C:ssa. Enemmän tai vähemmän nopealla lämmityksellä "ohitamme" tämän muunnospisteen ja nostamme lämpötilan rikin sulamispisteeseen 113 °C:ssa.

Helpoin tapa havaita todellinen muunnoslämpötila on, kun kiteet joutuvat kosketuksiin. Jos ne ovat tiiviisti päällekkäin ja lämpötila pidetään 96 °C:ssa, punainen syö keltaisen ja 95 °C:ssa keltainen imee punaisen. Toisin kuin "kide-neste"-siirtymässä, "kide-kide"-muunnokset yleensä viivästyvät sekä alijäähdytyksen että ylikuumenemisen aikana.

Joissakin tapauksissa kyse on sellaisista aineen olomuodoista, joiden oletetaan elävän täysin eri lämpötiloissa.

Valkoisen tinan tulee muuttua harmaaksi, kun lämpötila laskee + 13 °C:seen. Yleensä käsittelemme valkoista peltiä ja tiedämme, ettei sille tehdä mitään talvella. Se kestää täydellisesti 20-30 asteen hypotermian. Kuitenkin olosuhteissa ankara talvi valkoinen tina muuttuu harmaaksi. Tietämättömyys tästä tosiasiasta oli yksi niistä olosuhteista, jotka pilasi Scottin tutkimusmatkan etelänavalle (1912). Nestemäinen polttoaine retkikunnan ottama, oli tinalla juotetuissa astioissa. Äärimmäisessä kylmässä valkoinen tina muuttui harmaaksi jauheeksi - astiat olivat juottamattomia; ja polttoaine valui ulos. Ei ole turhaa, että harmaiden täplien ilmaantumista valkoiselle tinalle kutsutaan tinaruttoksi.

Aivan kuten rikin tapauksessa, valkoinen tina voidaan muuttaa harmaaksi lämpötilassa hieman alle 13 ° C; jos vain pieni jyvä harmaasta lajikkeesta putoaa tinaesineen päälle.

Saman aineen useiden lajikkeiden olemassaolo ja niiden keskinäisten muunnosten viivästyminen ovat tekniikan kannalta erittäin tärkeitä.

Huoneenlämmössä rautaatomit muodostavat kehokeskeisen kuutiohilan, jossa atomit sijoittuvat kuution kärkeen ja keskelle. Jokaisella atomilla on 8 naapuria. Korkeissa lämpötiloissa rautaatomit muodostavat tiheämmän "pakkauksen" - jokaisella atomilla on 12 naapuria. Rauta 8 naapurilla on pehmeää, rauta 12 naapurilla on kovaa. Osoittautuu, että voit saada toisen tyypin rautaa huoneenlämmössä. Tätä menetelmää - karkaisua - käytetään laajalti metallurgiassa.

Sammutus tapahtuu yksinkertaisesti - metalliesine kuumennetaan ja sitten heitetään veteen tai öljyyn. Jäähtyminen tapahtuu niin nopeasti, että korkeissa lämpötiloissa stabiilin rakenteen muutos ei ehdi tapahtua. Siten korkean lämpötilan rakenne tulee olemaan olemassa loputtomiin sille epätavallisissa olosuhteissa: uudelleenkiteytyminen vakaaksi rakenteeksi etenee niin hitaasti, että se on käytännössä näkymätön.

Emme olleet täysin tarkkoja puhuessamme raudan kovettumisesta. Teräs on karkaistu, eli rautaa sisältää prosentin hiiltä. Erittäin pienten hiilen epäpuhtauksien läsnäolo viivästyttää kovan raudan muuttumista pehmeäksi raudaksi ja mahdollistaa sammutuksen. Mitä tulee täysin puhtaaseen rautaan, sitä ei ole mahdollista sammuttaa - rakenteen muutoksella on aikaa tapahtua jopa terävimmällä jäähdytyksellä.

Tilakaavion tyypistä riippuen paineen tai lämpötilan muutoksesta saadaan aikaan yksi tai toinen muunnos.

Monet kiteen muunnokset kiteiksi havaitaan pelkällä paineen muutoksella. Tällä tavalla saatiin mustaa fosforia.

Riisi. 4.13

Grafiitti oli mahdollista muuttaa timantiksi vain käyttämällä samanaikaisesti sekä korkeaa lämpötilaa että korkeaa painetta. Kuvassa 4.13 esittää kaavion hiilen tilasta. Alle kymmenen tuhannen ilmakehän paineissa ja alle 4000 K lämpötiloissa grafiitti on stabiili muunnos. Siten timantti elää "muukalaisissa" olosuhteissa, joten se voidaan helposti muuttaa grafiitiksi. Mutta käytännön kiinnostusta edustaa käänteistä ongelmaa. Grafiittia ei voida muuttaa timantiksi pelkällä painetta lisäämällä. Faasinmuutos kiinteässä tilassa on ilmeisesti liian hidasta. Tilakaavion ulkonäkö viittaa siihen oikea ratkaisu: lisää painetta ja lämmitä samanaikaisesti. Sitten saadaan (kaavion oikea kulma) sulaa hiiltä. Jäähdyttämällä sitä korkealla paineella meidän on päästävä timantin alueelle.

Tällaisen prosessin käytännön mahdollisuus todistettiin vuonna 1955, ja nyt ongelman katsotaan olevan teknisesti ratkaistu.

Jos alennat kehon lämpötilaa, se ennemmin tai myöhemmin kovettuu ja saa kiteisen rakenteen. Tässä tapauksessa ei ole väliä millä paineella jäähdytys tapahtuu. Tämä seikka vaikuttaa täysin luonnolliselta ja ymmärrettävältä niiden fysiikan lakien kannalta, jotka olemme jo tavanneet. Todellakin, alentamalla lämpötilaa, vähennämme lämpöliikkeen intensiteettiä. Kun molekyylien liike muuttuu niin heikoksi, että se ei enää häiritse niiden välisiä vuorovaikutusvoimia, molekyylit asettuvat siististi järjestykseen - ne muodostavat kiteen. Jatkuva jäähdytys vie molekyyleiltä kaiken niiden liikkeen energian, ja absoluuttisessa nollapisteessä aineen pitäisi olla lepäävien molekyylien muodossa, jotka on järjestetty säännölliseen hilaan.

Kokemus osoittaa, että kaikki aineet käyttäytyvät tällä tavalla. Kaikki, paitsi yksi asia: helium on sellainen "friikki".

Olemme jo antaneet lukijalle joitain tietoja heliumista. Helium on kriittisen lämpötilansa ennätys. Minkään aineen kriittinen lämpötila ei ole alle 4,3 K. Tämä ennätys ei kuitenkaan sinänsä tarkoita mitään yllättävää. Toinen asia on silmiinpistävä: jäähdyttämällä heliumia kriittisen lämpötilan alapuolelle, saavutettuaan melkein absoluuttisen nollan, emme saa kiinteää heliumia. Helium pysyy nesteenä jopa absoluuttisessa nollapisteessä.

Heliumin käyttäytyminen on täysin käsittämätöntä hahmottelemiemme liikelakien kannalta ja on yksi merkkejä tällaisten yleismaailmallisilta vaikuttaneiden luonnonlakien rajallisesta soveltuvuudesta.

Jos keho on nestemäinen, sen atomit ovat liikkeessä. Mutta kun keho oli jäähdytetty absoluuttiseen nollaan, otimme siitä pois kaiken liikkeen energian. Meidän on myönnettävä, että heliumilla on sellainen liikeenergia, jota ei voida ottaa pois. Tämä johtopäätös on ristiriidassa tähän mennessä käsitellyn mekaniikkamme kanssa. Tämän tutkimamme mekaniikan mukaan kehon liike voidaan aina hidastaa täydelliseen pysähtymiseen, jolloin se ottaa kaiken liike-energian pois; samalla tavalla on mahdollista pysäyttää molekyylien liike ottamalla niistä energiaa, kun ne törmäävät jäähdytetyn astian seinämiin. Heliumille tämä mekaniikka ei selvästikään sovellu.

Heliumin "outo" käyttäytyminen on osoitus erittäin tärkeästä tosiasiasta. Ensin kohtasimme mahdottomuuden soveltaa mekaniikan peruslakeja atomien maailmassa, jotka perustettiin suoraan tutkimalla näkyvän liikkeen liikettä. elimet, - lait se näytti olevan fysiikan horjumaton perusta.

Sitä tosiasiaa, että absoluuttisessa nollapisteessä helium "kieltäytyy" kiteytymästä, ei voi millään tavalla sovittaa yhteen tähän mennessä tutkimamme mekaniikka kanssa. Ensimmäistä kertaa kohtaamamme ristiriita - atomimaailman tottelemattomuus mekaniikan laeille - on vain ensimmäinen lenkki yhä terävämpien ja terävämpien ristiriitojen ketjussa fysiikan alalla.

Nämä ristiriidat johtavat tarpeeseen tarkistaa mekaniikan perusteita. atominen maailma... Tämä tarkistus on erittäin syvällinen ja johtaa muutokseen koko ymmärryksemme luonnosta.

Tarve muuttaa atomimaailman mekaniikkaa radikaalisti ei tarkoita sitä, että meidän tutkimillemme mekaniikan laeille pitäisi tehdä loppu. Olisi epäreilua pakottaa lukija tutkimaan tarpeettomia asioita. Vanha mekaniikka pätee täysin suurten runkojen maailmassa. Tämäkin riittää käsittelemään vastaavia fysiikan lukuja täydellä kunnioituksella. On kuitenkin myös tärkeää, että monet "vanhan" mekaniikan lait siirtyvät "uuteen" mekaniikkaan. Tämä sisältää erityisesti energian säilymisen lain.

"Ei-irrotettavan" energian läsnäolo absoluuttisessa nollapisteessä ei ole heliumin erityinen ominaisuus. Osoittautuu; Kaikilla aineilla on "nolla" energiaa.

Vain heliumissa tämä energia riittää estämään atomeja muodostamasta säännöllistä kidehilaa.

Älä ajattele, että helium ei voi olla kiteisessä tilassa. Heliumin kiteyttämiseksi on tarpeen vain nostaa paine noin 25 atm:iin. Korkeammassa paineessa suoritettu jäähdytys johtaa kiinteän kiteisen heliumin muodostumiseen, jolla on täysin normaalit ominaisuudet. Helium muodostaa kasvokeskeisen kuutiohilan.

Kuvassa 4.14 näyttää kaavion heliumin tilasta. Se eroaa jyrkästi kaikkien muiden aineiden kaavioista kolmoispisteen puuttuessa. Sulamis- ja kiehumiskäyrät eivät leikkaa toisiaan.

Riisi. 4.14

Ja vielä yksi ominaisuus sisältää tämän ainutlaatuisen tilakaavion: heliumnesteitä on kaksi erilaista Mitä eroa on - opit vähän myöhemmin.

Erilaisten herkullisten ruokien valmistamiseksi tarvitaan usein vettä, ja jos se kuumennetaan, se ennemmin tai myöhemmin kiehuu. Jokainen koulutettu henkilö samalla hän tietää, että vesi alkaa kiehua sadan celsiusasteen lämpötilassa, ja edelleen lämmitettäessä sen lämpötila ei muutu. Tämä on veden ominaisuus, jota käytetään ruoanlaitossa. Kaikki eivät kuitenkaan tiedä, että näin ei aina ole. Vesi voi kiehua eri lämpötiloissa riippuen olosuhteista, joissa se sijaitsee. Yritetään selvittää, mistä veden kiehumispiste riippuu ja miten sitä tulisi käyttää.

Kuumennettaessa veden lämpötila lähestyy kiehumispistettä ja koko tilavuuteen muodostuu lukuisia kuplia, joiden sisällä on vesihöyryä. Höyryn tiheys on pienempi kuin veden tiheys, joten kupliin vaikuttava Archimedes-voima nostaa ne pintaan. Tässä tapauksessa kuplien tilavuus joko kasvaa tai pienenee, joten kiehuva vesi lähettää tunnusomaisia ​​ääniä. Päästyessään pinnalle vesihöyrykuplat puhkeavat, minkä vuoksi kiehuva vesi riehuu voimakkaasti vapauttaen vesihöyryä.

Kiehumispiste riippuu nimenomaisesti veden pintaan kohdistuvasta paineesta, mikä selittyy kuplissa olevan kylläisen höyryn paineen riippuvuudella lämpötilasta. Tässä tapauksessa kuplien sisällä olevan höyryn määrä ja tämän myötä niiden tilavuus kasvavat, kunnes kylläisen höyryn paine ylittää veden paineen. Tämä paine on veden hydrostaattisen paineen, joka johtuu maan vetovoimasta ja ulkoisesta ilmakehän paineesta, summa. Siksi veden kiehumispiste nousee ilmakehän paineen noustessa ja laskee laskeessaan. Vain normaalin ilmanpaineen ollessa 760 mm Hg. (1 atm.) Vesi kiehuu 100 0 C:ssa. Alla on esitetty käyrä veden kiehumispisteen riippuvuudesta ilmanpaineesta:

Kaaviosta voidaan nähdä, että jos ilmanpainetta nostetaan 1,45 atm:iin, niin vesi kiehuu jo lämpötilassa 110 0 С. Ilmanpaineella 2,0 atm. vesi kiehuu 120 0 С ja niin edelleen. Veden kiehumispisteen nostamista voidaan käyttää nopeuttamaan ja parantamaan kuumien ruokien kypsennysprosessia. Tätä varten keksittiin painekattilat - kattilat, joissa on erityinen hermeettisesti suljettu kansi, jotka on varustettu erityisillä venttiileillä kiehumislämpötilan säätämiseksi. Tiiviydestä johtuen niiden paine nousee 2-3 atm:iin, mikä varmistaa veden kiehumispisteen 120-130 0 С lämpötilan. Siksi sinun on oltava mahdollisimman varovainen, jotta et polta.

Päinvastainen vaikutus havaitaan, jos ilmanpaine laskee. Tässä tapauksessa myös kiehumispiste laskee, mikä tapahtuu korkeuden kasvaessa merenpinnan yläpuolella:

Keskimäärin 300 m nousulla veden kiehumispiste laskee 1 0 C ja laskee vuoristossa melko korkealle 80 0 C, mikä voi aiheuttaa vaikeuksia ruoanlaitossa.

Jos painetta alennetaan edelleen esimerkiksi pumppaamalla ilmaa astiasta vedellä, niin ilmanpaineella 0,03 atm. vesi kiehuu huoneenlämmössä, ja tämä on melko epätavallista, koska veden tavallinen kiehumispiste on 100 0 C.

1.1 Kiehuminen on fysikaalinen ilmiö

Kiehuminen - nesteen intensiivinen siirtyminen höyryksi, mikä johtuu höyrykuplien muodostumisesta ja kasvusta koko nesteen tilavuudessa tietyssä lämpötilassa. Kiehuminen voi tapahtua vain tietyssä lämpötilassa ja paineessa.

Nesteeseen on aina liuennut kaasua, jonka liukenemisaste laskee lämpötilan noustessa. Kun nestettä kuumennetaan alhaalta, kaasua alkaa kehittyä kuplien muodossa astian seinillä. Nämä ovat höyrystymiskeskuksia. Neste haihtuu näihin kupliin. Siksi ne sisältävät ilman lisäksi kylläistä höyryä, jonka paine kasvaa nopeasti lämpötilan noustessa ja kuplien tilavuus kasvaa, ja siksi niihin vaikuttavat Arkhimedes-voimat kasvavat. Kun kelluvuusvoima on suurempi kuin kuplan painovoima, se alkaa kellua. Mutta kunnes neste kuumenee tasaisesti noustessa, kuplan tilavuus pienenee, kun se tulee vähemmän kuumennettuihin kerroksiin (kyllästetty höyrynpaine laskee lämpötilan laskun myötä), siinä oleva höyry tiivistyy, kondensaation aikana vapautuva lämpö kiihdyttää nesteen kuumennus koko tilavuuden ajan. Ja ennen kuin ne saavuttavat vapaan pinnan, kuplat katoavat (romahtavat), minkä vuoksi 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 paineen summa. ja ilmanpaine laskee. Kupla saavuttaa nesteen vapaan pinnan, räjähtää ja kylläinen höyry tulee ulos - neste kiehuu. Höyrykuplan sisällä oleva paine on kylläisen höyryn paineen, hydrostaattisen ja Laplacen paineen (kapillaari) summa. Jos jälkimmäinen voidaan jättää huomiotta, kiehumisen ehto on kylläisen höyrynpaineen ja ilmakehän paineen yhtäläisyys.

Näin ollen, jotta neste kiehuisi, seuraavien ehtojen on täytyttävä:

1. Höyrystymiskeskusten läsnäolo
2. Jatkuva lämmönsyöttö. (Q = Lm)
3. Ilmakehän ja hydrostaattisen paineen summan yhtäläisyys tyydyttyneen höyryn kokonaispaineeseen.

1.2 Nesteen kiehumispisteeseen vaikuttavat tekijät

• Kiehuva aine ja ilmanpaine

Veden kiehumispiste on 100 °C; voisi luulla, että tämä on veden luontainen ominaisuus, että vesi, missä ja missä olosuhteissa se on, kiehuu aina 100 °C:ssa.

Mutta näin ei ole, ja vuoristokylien asukkaat tietävät tämän hyvin.

Elbruksen huipulla on turistitalo ja tieteellinen asema. Aloittelijat ihmettelevät joskus "kuinka vaikeaa on keittää muna kiehuvassa vedessä" tai "miksi kiehuva vesi ei pala". Näissä olosuhteissa heille kerrotaan, että vesi kiehuu Elbruksen huipulla jo 82 °C:ssa.

Fysikaalinen tekijä, joka vaikuttaa kiehumispisteeseen, on nesteen pintaan vaikuttava paine.

Laittamalla lämmitettyä vettä kellon alle ja pumppaamalla tai pumppaamalla sieltä ilmaa ulos, voit varmistaa, että kiehumispiste nousee paineen noustessa ja laskee paineen laskiessa.

Joten tietty ulkoinen paine vastaa tiettyä kiehumispistettä. Mutta tämä väite voidaan myös "käännellä" sanomalla näin: jokaisella veden kiehumispisteellä on oma erityinen paineensa.

Ilmanpaineen noustessa kiehumispiste kohoaa keskimäärin 1 ° C paineen muutoksella 26 mm. rt. Taide.

• Aineen keittäminen, jossa on epäpuhtauksia

Yleensä kiehumispiste normaalissa ilmanpaineessa annetaan yhdeksi kemiallisesti puhtaiden aineiden pääominaisuuksista. Entä jos lisäämme sokeria tai suolaa nesteeseen?

Neste kiehuu lämpötilassa, jossa tyydyttyneen höyryn kokonaispaine tulee yhtä suureksi kuin ulkoinen paine. Jos liuotetaan haihtumatonta ainetta, esim. Koska sen kylläisen höyryn paine liuokseen voidaan jättää huomiotta, kuplien paine on nesteseoksen kunkin komponentin kylläisen höyryn paineen summa. Р 1 + Р 2 = Р atm Kunkin osapaineen osuus riippuu lämpötilasta ja aineen määrästä. Haihtumattoman aineen liukeneessa pinnalla on vähemmän liuotinmolekyylejä (puhdas neste), jotka voivat haihtua - osan tilasta vievät epäpuhtausmolekyylit (liuennut aine). Silloin kylläisten höyryjen paine liuoksen päällä missä tahansa lämpötilassa on pienempi kuin puhtaan liuottimen päällä ja sen ulkoisen paineen yhtäläisyys saavutetaan korkeammassa lämpötilassa. Näin ollen haihtumattoman aineen liuoksen kiehumispiste on aina korkeampi kuin puhtaan nesteen kiehumispiste samassa paineessa. Haihtumattomat epäpuhtaudet lisäävät kiehumispistettä.

Siten kiehumispiste riippuu epäpuhtauksien läsnäolosta, joka yleensä nousee epäpuhtauksien pitoisuuden kasvaessa.

• Erilaisten aineiden keittäminen

Jokaisella nesteellä on oma kiehumispisteensä. Se riippuu molekyylien välisistä vetovoimista (kaasut ovat pienempiä kuin nesteitä ja kiinteitä aineita, ja nesteet ovat vähemmän kuin kiinteitä aineita). Mitä nopeammin aineen höyrykyllästyminen tapahtuu (aineen höyrynpaine = ympäristön paine), sitä nopeammin se kiehuu. Joten esimerkiksi: t kiehuva etyylialkoholi = 78,3 noin C; t rautapaalit = 3200 noin C; t kiehuva typpi = -195,3 o C.