ใครค้นพบว่าอุณหภูมิส่งผลต่อของเหลว ฟิสิกส์โมเลกุล ของเหลวเดือด ไอน้ำเย็นยิ่งยวดและของเหลวร้อนยวดยิ่ง

บ้าน ใครๆ ก็รู้ว่าจุดเดือดของน้ำอยู่ที่ปกติความดันบรรยากาศ (ประมาณ 760 mmHg) คือ 100 °C แต่ไม่ใช่ทุกคนที่รู้ว่าน้ำสามารถเดือดได้อุณหภูมิที่แตกต่างกัน

- จุดเดือดขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย หากตรงตามเงื่อนไขบางประการ น้ำสามารถเดือดได้ที่ +70 °C และ +130 °C และแม้กระทั่งที่ 300 °C! มาดูเหตุผลโดยละเอียดกันดีกว่า

อะไรเป็นตัวกำหนดจุดเดือดของน้ำ? การต้มน้ำในภาชนะเกิดขึ้นเมื่อใดกลไกบางอย่าง

- เมื่อของเหลวร้อนขึ้น ฟองอากาศจะปรากฏขึ้นบนผนังของภาชนะที่เทของเหลวลงไป มีไอน้ำอยู่ข้างในแต่ละฟอง ในตอนแรกอุณหภูมิของไอน้ำในฟองจะสูงกว่าน้ำอุ่นมาก แต่ความกดดันในช่วงเวลานี้กลับสูงกว่าในฟองสบู่ ไอน้ำในฟองจะถูกบีบอัดจนกระทั่งน้ำอุ่นขึ้น จากนั้นฟองสบู่ก็แตกออกภายใต้อิทธิพลของแรงกดดันภายนอก กระบวนการนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าอุณหภูมิของของเหลวและไอในฟองอากาศจะเท่ากัน ตอนนี้ลูกบอลไอน้ำสามารถลอยขึ้นสู่ผิวน้ำได้แล้ว น้ำเริ่มเดือด จากนั้นกระบวนการให้ความร้อนจะหยุดลง เนื่องจากความร้อนส่วนเกินจะถูกกำจัดออกด้วยไอน้ำสู่บรรยากาศ นี่คือสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ มาจำฟิสิกส์กัน: แรงดันน้ำประกอบด้วยน้ำหนักของของเหลวและความดันอากาศเหนือถังที่มีน้ำ ดังนั้น คุณสามารถเปลี่ยนจุดเดือดได้โดยการเปลี่ยนหนึ่งในสองพารามิเตอร์ (ความดันของเหลวในถังและความดันบรรยากาศ)

จุดเดือดของน้ำบนภูเขาคืออะไร? บนภูเขา จุดเดือดของของเหลวจะค่อยๆ ลดลง เนื่องจากความกดอากาศจะค่อยๆ ลดลงเมื่อปีนเขา เพื่อให้น้ำเดือด ความดันในฟองอากาศที่ปรากฏระหว่างกระบวนการทำความร้อนจะต้องเท่ากับความดันบรรยากาศ ดังนั้นเมื่อระดับความสูงบนภูเขาเพิ่มขึ้นทุกๆ 300 เมตร จุดเดือดของน้ำจะลดลงประมาณหนึ่งองศา น้ำเดือดประเภทนี้ไม่ร้อนเท่ากับของเหลวเดือดบนพื้นราบ บนระดับความสูง

จุดเดือด

จุดเดือดของน้ำในสุญญากาศคือเท่าไร? สุญญากาศคือสภาพแวดล้อมที่ทำให้บริสุทธิ์ซึ่งมีความดันต่ำกว่าความดันบรรยากาศอย่างมาก จุดเดือดของน้ำในสภาพแวดล้อมที่ทำให้บริสุทธิ์ยังขึ้นอยู่กับแรงดันตกค้างด้วย ที่ความดันสุญญากาศ 0.001 atm ของเหลวจะเดือดที่อุณหภูมิ 6.7 °C โดยทั่วไปความดันตกค้างจะอยู่ที่ประมาณ 0.004 atm ดังนั้นที่แรงดันนี้น้ำจึงเดือดที่อุณหภูมิ 30 °C เมื่อความดันเพิ่มขึ้นในสภาพแวดล้อมที่ทำให้บริสุทธิ์ จุดเดือดของของเหลวจะเพิ่มขึ้น

ทำไมน้ำถึงต้มที่อุณหภูมิสูงกว่าในภาชนะที่ปิดสนิท?

ในภาชนะที่ปิดสนิท จุดเดือดของของเหลวจะสัมพันธ์กับความดันภายในภาชนะ ในระหว่างกระบวนการให้ความร้อน ไอน้ำจะถูกปล่อยออกมา ซึ่งจะจับตัวเป็นหยดน้ำบนฝาและผนังของถัง ดังนั้นความดันภายในภาชนะจึงเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น ในหม้ออัดแรงดันความดันจะสูงถึง 1.04 atm ของเหลวจึงเดือดที่อุณหภูมิ 120 °C โดยปกติแล้ว ในภาชนะดังกล่าว ความดันสามารถควบคุมได้โดยใช้วาล์วในตัว และอุณหภูมิด้วย

เนื่องจากความดันไออิ่มตัวถูกกำหนดโดยอุณหภูมิโดยเฉพาะ และการเดือดของของเหลวจะเกิดขึ้นในขณะที่ความดันไออิ่มตัวของของเหลวนี้เท่ากับความดันภายนอก จุดเดือดจึงต้องขึ้นอยู่กับความดันภายนอก ด้วยความช่วยเหลือของการทดลอง มันเป็นเรื่องง่ายที่จะแสดงให้เห็นว่าเมื่อความดันภายนอกลดลง จุดเดือดจะลดลง และเมื่อความดันเพิ่มขึ้น มันจะเพิ่มขึ้น

การเดือดของของเหลวที่ความดันลดลงสามารถสาธิตได้โดยการทดลองต่อไปนี้ น้ำจากก๊อกเทลงในแก้วและใส่เทอร์โมมิเตอร์ลงไป วางแก้วน้ำไว้ใต้ฝาแก้วของชุดสุญญากาศและปั๊มเปิดอยู่ เมื่อแรงดันใต้ฝากระโปรงลดลงเพียงพอ น้ำในแก้วก็เริ่มเดือด เนื่องจากพลังงานถูกใช้ไปในการก่อตัวของไอน้ำ อุณหภูมิของน้ำในแก้วจึงเริ่มลดลงในขณะที่เดือด และเมื่อปั๊มทำงานได้ดี น้ำก็จะกลายเป็นน้ำแข็งในที่สุด

การต้มน้ำให้อุณหภูมิสูงจะดำเนินการในหม้อไอน้ำและหม้อนึ่งความดัน โครงสร้างของหม้อนึ่งความดันแสดงไว้ในรูปที่ 1 8.6 โดยที่ K คือวาล์วนิรภัย คือคันโยกกดวาล์ว M คือเกจวัดความดัน ที่ความดันมากกว่า 100 atm น้ำจะถูกทำให้ร้อนจนถึงอุณหภูมิสูงกว่า 300 °C

ตารางที่ 8.2. จุดเดือดของสารบางชนิด

จุดเดือดของของเหลวที่ความดันบรรยากาศปกติเรียกว่าจุดเดือด จากโต๊ะ 8.1 และ 8.2 เป็นที่ชัดเจนว่าความดันไออิ่มตัวของอีเทอร์ น้ำ และแอลกอฮอล์ที่จุดเดือดคือ 1.013 105 Pa (1 atm)

จากที่กล่าวไว้ข้างต้นว่าน้ำในเหมืองลึกควรเดือดที่อุณหภูมิสูงกว่า 100 °C และในพื้นที่ภูเขา - ต่ำกว่า 100 °C เนื่องจากจุดเดือดของน้ำขึ้นอยู่กับระดับความสูงเหนือระดับน้ำทะเล คุณสามารถระบุความสูงของน้ำเดือดที่อุณหภูมินี้ได้โดยใช้มาตรวัดเทอร์โมมิเตอร์ แทนอุณหภูมิ การกำหนดความสูงโดยใช้เทอร์โมมิเตอร์เรียกว่าไฮโซเมทรี

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าจุดเดือดของสารละลายจะสูงกว่าจุดเดือดของตัวทำละลายบริสุทธิ์เสมอ และจะเพิ่มขึ้นตามความเข้มข้นของสารละลายที่เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิของไอเหนือพื้นผิวของสารละลายเดือดจะเท่ากับจุดเดือดของตัวทำละลายบริสุทธิ์ ดังนั้น เพื่อหาจุดเดือดของของเหลวบริสุทธิ์ ควรวางเทอร์โมมิเตอร์ไว้ในของเหลว แต่วางไว้ในไอเหนือพื้นผิวของของเหลวที่กำลังเดือดจะดีกว่า

กระบวนการเดือดมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับการมีก๊าซละลายในของเหลว หากก๊าซที่ละลายในนั้นถูกกำจัดออกจากของเหลว เช่น โดยการต้มเป็นเวลานาน ของเหลวนี้สามารถให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดของมันอย่างมาก ของเหลวดังกล่าวเรียกว่าความร้อนยวดยิ่ง ในกรณีที่ไม่มีฟองก๊าซ การก่อตัวของฟองไอเล็กๆ ซึ่งอาจกลายเป็นศูนย์กลางของการกลายเป็นไอ จะถูกป้องกันโดยแรงดันลาปลาซซึ่งมีสูงที่รัศมีเล็กของฟอง สิ่งนี้จะอธิบายถึงความร้อนสูงเกินไปของของเหลว เมื่อเดือดจะเกิดการเดือดอย่างรุนแรง

ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิจุดเดือดกับความดัน

จุดเดือดของน้ำคือ 100 °C; อาจคิดว่านี่เป็นคุณสมบัติโดยธรรมชาติของน้ำ น้ำไม่ว่าจะอยู่ที่ไหนและภายใต้สภาวะใดก็ตาม น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิ 100 ° C เสมอ

แต่กลับไม่เป็นเช่นนั้น และชาวบ้านในหมู่บ้านบนภูเขาสูงต่างตระหนักดีถึงเรื่องนี้

ใกล้จุดสูงสุดของ Elbrus มีบ้านสำหรับนักท่องเที่ยวและสถานีวิทยาศาสตร์ ผู้เริ่มต้นบางครั้งอาจประหลาดใจที่ “การต้มไข่ในน้ำเดือดนั้นยากแค่ไหน” หรือ “ทำไมน้ำเดือดถึงไม่ไหม้” ในกรณีเหล่านี้ พวกเขาแจ้งว่าน้ำเดือดที่ยอดเอลบรุสแล้วที่อุณหภูมิ 82 °C

เกิดอะไรขึ้น? ปัจจัยทางกายภาพใดที่รบกวนปรากฏการณ์การเดือด? ความสูงเหนือระดับน้ำทะเลมีความสำคัญอย่างไร?

ปัจจัยทางกายภาพนี้คือความดันที่กระทำต่อพื้นผิวของของเหลว คุณไม่จำเป็นต้องปีนขึ้นไปบนยอดเขาเพื่อตรวจสอบความจริงของสิ่งที่พูดไป

การวางน้ำอุ่นไว้ใต้กระดิ่งแล้วสูบหรือสูบลมออกจากที่นั่น คุณจะมั่นใจได้ว่าจุดเดือดจะเพิ่มขึ้นเมื่อความดันเพิ่มขึ้นและลดลงเมื่อความดันลดลง

น้ำเดือดที่ 100 °C ที่ความดันที่แน่นอนเท่านั้น - 760 มม. ปรอท

จุดเดือดเทียบกับเส้นโค้งความดันแสดงไว้ในรูปที่ 1 98. ที่ด้านบนของ Elbrus ความดันอยู่ที่ 0.5 atm และความดันนี้สอดคล้องกับจุดเดือดที่ 82 °C

แต่ด้วยน้ำเดือดที่ 10–15 มม. ปรอท คุณสามารถทำให้ตัวเองสดชื่นได้ อากาศร้อน- ที่ความดันนี้ จุดเดือดจะลดลงเหลือ 10–15 °C

คุณยังสามารถรับ "น้ำเดือด" ซึ่งมีอุณหภูมิเท่ากับน้ำเยือกแข็งได้อีกด้วย ในการทำเช่นนี้คุณจะต้องลดความดันลงเหลือ 4.6 มม. ปรอท

ภาพที่น่าสนใจสามารถสังเกตได้หากคุณวางภาชนะเปิดที่มีน้ำไว้ใต้ระฆังแล้วสูบลมออก การสูบน้ำจะทำให้น้ำเดือด แต่การต้มต้องใช้ความร้อน ไม่มีที่ไหนที่จะเอามันไปได้ และน้ำจะต้องสูญเสียพลังงานไป อุณหภูมิของน้ำเดือดจะเริ่มลดลง แต่เมื่อปั๊มต่อไป ความดันก็จะลดลงเช่นกัน ดังนั้นการเดือดจะไม่หยุด น้ำจะยังคงเย็นลงและกลายเป็นน้ำแข็งในที่สุด

เดือดขนาดนั้น น้ำเย็นเกิดขึ้นไม่เพียงแต่เมื่อมีการสูบลมเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เมื่อใบพัดของเรือหมุน ความดันในชั้นน้ำที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วใกล้กับพื้นผิวโลหะจะลดลงอย่างมาก และน้ำในชั้นนี้จะเดือด กล่าวคือ มีฟองอากาศที่เต็มไปด้วยไอน้ำจำนวนมากปรากฏอยู่ในนั้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า cavitation (จากคำภาษาละติน cavitas - โพรง)

โดยการลดความดัน เราจะลดจุดเดือดลง แล้วเพิ่มขึ้นมั้ย? กราฟแบบของเราตอบคำถามนี้ ความดัน 15 atm อาจทำให้น้ำเดือดช้าลง โดยจะเริ่มที่อุณหภูมิ 200 °C เท่านั้น และความดัน 80 atm จะทำให้น้ำเดือดที่อุณหภูมิ 300 °C เท่านั้น

ดังนั้นความดันภายนอกบางอย่างจึงสอดคล้องกับจุดเดือดที่แน่นอน แต่ข้อความนี้สามารถ "พลิกกลับ" ได้โดยพูดว่า: จุดเดือดของน้ำแต่ละจุดสอดคล้องกับแรงดันเฉพาะของมันเอง ความดันนี้เรียกว่าความดันไอ

เส้นโค้งที่แสดงจุดเดือดในรูปฟังก์ชันของความดัน ยังเป็นเส้นโค้งของความดันไอที่เป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิอีกด้วย

ตัวเลขที่แสดงบนกราฟจุดเดือด (หรือบนกราฟความดันไอ) แสดงให้เห็นว่าความดันไอเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วตามอุณหภูมิ ที่ 0 °C (เช่น 273 K) ความดันไอคือ 4.6 มม.ปรอท ที่ 100 °C (373 K) คือ 760 มม. กล่าวคือ เพิ่มขึ้น 165 เท่า เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า (จาก 0 °C เช่น 273 K ถึง 273 °C หรือ 546 K) ความดันไอจะเพิ่มขึ้นจาก 4.6 mm Hg เป็นเกือบ 60 atm กล่าวคือ ประมาณ 10,000 ครั้ง

ดังนั้นในทางกลับกันจุดเดือดจะเปลี่ยนไปตามความดันค่อนข้างช้า เมื่อความดันเปลี่ยนแปลงครึ่งหนึ่ง - จาก 0.5 atm เป็น 1 atm จุดเดือดจะเพิ่มขึ้นจาก 82 °C (เช่น 355 K) เป็น 100 °C (เช่น 373 K) และเมื่อเพิ่มเป็นสองเท่าจาก 1 atm เป็น 2 atm – จาก 100 °C (เช่น 373 K) ถึง 120 °C (เช่น 393 K)

เส้นโค้งเดียวกับที่เรากำลังพิจารณาอยู่นั้นยังควบคุมการควบแน่น (การควบแน่น) ของไอน้ำลงไปในน้ำด้วย

ไอน้ำสามารถเปลี่ยนเป็นน้ำได้โดยการบีบอัดหรือทำให้เย็นลง

ทั้งขณะเดือดและระหว่างควบแน่น จุดจะไม่เคลื่อนออกจากเส้นโค้งจนกว่าการแปลงไอน้ำเป็นน้ำหรือน้ำเป็นไอน้ำเสร็จสมบูรณ์ นอกจากนี้ยังสามารถกำหนดสูตรได้ด้วยวิธีนี้: ภายใต้เงื่อนไขของเส้นโค้งของเราและภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้เท่านั้น การอยู่ร่วมกันของของเหลวและไอก็เป็นไปได้ หากไม่ได้เพิ่มหรือขจัดความร้อน ปริมาณไอน้ำและของเหลวในภาชนะปิดจะยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ไอและของเหลวดังกล่าวกล่าวกันว่าอยู่ในสมดุล และไอที่อยู่ในสมดุลกับของเหลวนั้นเรียกว่าอิ่มตัว

กราฟการเดือดและการควบแน่น ดังที่เราเห็นมีความหมายอีกอย่างหนึ่ง นั่นคือกราฟสมดุลของของเหลวและไอ เส้นโค้งสมดุลแบ่งเขตข้อมูลไดอะแกรมออกเป็นสองส่วน ซ้ายและขึ้น (ถึง อุณหภูมิสูงและแรงกดดันที่ต่ำกว่า) มีบริเวณที่มีสถานะไอน้ำคงที่ ทางด้านขวาและล่างคือบริเวณสถานะคงที่ของของเหลว

กราฟสมดุลไอ-ของเหลว เช่น เส้นโค้งของจุดเดือดเทียบกับความดัน หรือที่เท่ากันคือ ความดันไอเทียบกับอุณหภูมิ จะเท่ากันโดยประมาณสำหรับของเหลวทุกชนิด ในบางกรณีการเปลี่ยนแปลงอาจจะค่อนข้างฉับพลันกว่า ในบางกรณีการเปลี่ยนแปลงอาจช้ากว่า แต่ความดันไอจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเสมอเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

เราใช้คำว่า "แก๊ส" และ "ไอน้ำ" ไปแล้วหลายครั้ง สองคำนี้ค่อนข้างจะพอๆ กัน เราสามารถพูดได้ว่า ก๊าซน้ำคือไอน้ำ ก๊าซออกซิเจนคือไอของเหลวออกซิเจน อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้สองคำนี้ นิสัยบางอย่างได้พัฒนาขึ้น เนื่องจากเราคุ้นเคยกับช่วงอุณหภูมิที่ค่อนข้างเล็ก เราจึงมักจะใช้คำว่า "ก๊าซ" กับสารที่มีความดันไอ อุณหภูมิปกติเหนือความกดอากาศ ในทางตรงกันข้าม เราพูดถึงไอเมื่อที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ สารจะมีเสถียรภาพมากขึ้นในรูปของของเหลว

ถึง ทฤษฎีควอนตัมอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ D. Buck, G. Bethe, W. Riezler (เคมบริดจ์) “ สู่ทฤษฎีควอนตัมของอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์” และบันทึกการแปลซึ่งมีอยู่ด้านล่าง: ถึงทฤษฎีควอนตัมของอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์การเคลื่อนไหวของกรามล่าง ในขนาดใหญ่

เกี่ยวกับทฤษฎีควอนตัมของอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ ด้านล่างนี้คือการแปลบันทึกที่เขียนโดยนักฟิสิกส์ชื่อดังและตีพิมพ์ใน Natur-wissenschaften บรรณาธิการของนิตยสาร "ตกเป็นเหยื่อของชื่อใหญ่" และโดยไม่ต้องคำนึงถึงเนื้อหาของสิ่งที่เขียนจึงส่งเนื้อหาที่เป็นผลลัพธ์ไปที่