Skysčių virimo temperatūros priklausomybė nuo slėgio: išsamus vadovas

Įvadas

Skysčio virimo temperatūra yra esminis termodinaminis parametras, apibūdinantis medžiagos savybes. Jos žinojimas yra būtinas daugelyje inžinerijos sričių, pradedant chemijos pramone ir baigiant maisto gamyba. Šiame straipsnyje išnagrinėsime pagrindinius dėsnius ir formules, leidžiančias apskaičiuoti skysčio virimo temperatūrą, atsižvelgiant į įvairius faktorius, tokius kaip slėgis ir skysčio sudėtis. Taip pat aptarsime, kodėl vandens virimo temperatūra nėra pastovi ir kaip ją teisingai nustatyti skirtingomis sąlygomis.

Pagrindiniai terminai ir sąvokos

Prieš pradedant nagrinėti formules, svarbu susipažinti su pagrindiniais terminais:

• Virimas: Procesas, kurio metu skystis pereina į dujinę būseną.
• Virimo temperatūra: Temperatūra, kurioje skysčio garų slėgis tampa lygus aplinkos slėgiui.
• Garų slėgis: Slėgis, kurį sukuria skysčio garai uždaroje sistemoje.
• Normali virimo temperatūra: Virimo temperatūra esant standartiniam atmosferos slėgiui (101,325 kPa arba 1 atm).
• Absoliutus nulis: Žemiausia įmanoma temperatūra, kurioje sustoja bet koks atomų ir molekulių judėjimas ir nutrūksta šiluminis spinduliavimas.

Skysčio statika: slėgis skystyje

Slėgio kitimą skystyje aprašo hidrostatikos lygtis:

dp = -ρgdz

čia:

Taip pat skaitykite: Tyrimas apie vandens paviršiaus įtempimą

• dp - slėgio pokytis;
• ρ - skysčio tankis;
• g - laisvojo kritimo pagreitis;
• dz - aukščio pokytis.

Integravus šią lygtį, gaunamas pagrindinis hidrostatikos dėsnis:

p = ρgz + C

čia C yra integracijos konstanta. Šis dėsnis teigia, kad slėgis skystyje didėja proporcingai gyliui.

Skysčio tekėjimo lygtys

Skysčio tekėjimas gali būti aprašytas dviem pagrindiniais metodais: Lagranžo ir Oilerio.

• Lagranžo metodas: Stebimas atskirų skysčio dalelių judėjimas. Pagal Lagranžo metodą, dx, dy ir dz yra skysčio dalelių nueito kelio projekcijos atitinkamose ašyse, o greičio projekcijos šiose ašyse bus aprašomos diferencialinėmis lygtimis.
• Oilerio metodas: Stebimas skysčio savybių (slėgio, greičio, tankio) kitimas erdvės taškuose.

Bernoulli lygtis aprašo skysčio tekėjimą:

Taip pat skaitykite: Grafikas: virimo temperatūra vs. molekulinė masė

p + 1/2ρv^2 + ρgz = const

čia:

• p - slėgis;
• ρ - tankis;
• v - greitis;
• g - laisvojo kritimo pagreitis;
• z - aukštis.

Ši lygtis teigia, kad skysčio slėgio, kinetinės energijos ir potencinės energijos suma yra pastovi išilgai srovės linijos.

Virimo temperatūros priklausomybė nuo slėgio: Clausius-Clapeyron lygtis

Virimo temperatūra priklauso nuo aplinkos slėgio. Šią priklausomybę aprašo Clausius-Clapeyron lygtis:

dp/dT = ΔHvap / (TΔV)

Taip pat skaitykite: KMI ir nutukimas

čia:

• dp/dT - slėgio pokyčio priklausomybė nuo temperatūros;
• ΔHvap - garinimo entalpija (energija, reikalinga išgarinti vieną molį skysčio);
• T - absoliuti temperatūra (Kelvinais);
• ΔV - tūrio pokytis garinimo metu (garų tūris minus skysčio tūris).

Ši lygtis leidžia apskaičiuoti, kaip keičiasi virimo temperatūra, keičiantis slėgiui.

Supaprastinta Clausius-Clapeyron lygtis

Jei darome prielaidą, kad garai yra idealiosios dujos ir skysčio tūris yra daug mažesnis už garų tūrį, Clausius-Clapeyron lygtis supaprastėja:

ln(p2/p1) = - (ΔHvap/R) * (1/T2 - 1/T1)

čia:

• p1 ir p2 - slėgiai;
• T1 ir T2 - atitinkamos virimo temperatūros (Kelvinais);
• ΔHvap - garinimo entalpija;
• R - idealiųjų dujų konstanta (8.314 J/(mol·K)).

Ši lygtis leidžia apskaičiuoti virimo temperatūrą esant kitokiam slėgiui, jei žinoma virimo temperatūra esant vienam slėgiui ir garinimo entalpija.

Vandens virimo temperatūra: praktiniai aspektai

Vandens virimo temperatūra yra plačiai naudojamas orientyras. Daugelis mano, kad vanduo verda 100°C temperatūroje. Tačiau tai tiesa tik esant standartiniam atmosferos slėgiui.

• Priklausomybė nuo slėgio: Aukštai kalnuose, kur atmosferos slėgis yra mažesnis, vanduo verda žemesnėje temperatūroje. Pavyzdžiui, Everesto viršūnėje vanduo gali virti apie 68°C temperatūroje.
• Priklausomybė nuo priemaišų: Ištirpę druskos ar kiti priedai taip pat gali paveikti vandens virimo temperatūrą. Paprastai, ištirpę priedai padidina virimo temperatūrą.

Temperatūros matavimo vienetai

Svarbu atskirti skirtingus temperatūros matavimo vienetus:

• Celsijaus (°C): 0°C yra vandens užšalimo temperatūra, o 100°C yra vandens virimo temperatūra (esant standartiniam slėgiui).
• Farenheito (°F): Vanduo užšąla 32°F temperatūroje, o verda 212°F temperatūroje.
• Kelvinas (K): SI sistemos temperatūros matavimo vienetas. 0 K yra absoliutus nulis.

Norint konvertuoti temperatūrą iš vieno vieneto į kitą, naudojamos šios formulės:

• °F = (°C * 9/5) + 32
• °C = (°F - 32) * 5/9
• K = °C + 273.15

Skysčių mišinių virimo temperatūra

Skysčių mišinių virimo temperatūra yra sudėtingesnė, nes ji priklauso nuo kiekvieno komponento garų slėgio ir koncentracijos mišinyje. Raoult'o dėsnis aprašo idealiųjų skysčių mišinių garų slėgį:

p_i = x_i * p_i^*

čia:

• p_i - komponento i garų slėgis virš mišinio;
• x_i - komponento i molinė frakcija mišinyje;
• p_i^* - gryno komponento i garų slėgis.

Mišinio virimo temperatūra yra ta, kurioje bendras garų slėgis virš mišinio yra lygus aplinkos slėgiui.

Barometrinė formulė

Barometrinė formulė nusako atmosferos slėgio kaitos vertikalia kryptimi priklausomybę nuo aukščio ir oro temperatūros:

p2 = p1 * exp(-µg(z2-z1)/(RT))

čia:

• p2 - slėgis aukštyje z2,
• p1 - slėgis aukštyje z1,
• µ - oro molinė masė,
• g - laisvojo kritimo pagreitis,
• R - molinė dujų konstanta,
• T - oro sluoksnio vidutinė temperatūra (drėgnoje atmosferoje - sluoksnio virtualioji temperatūra).

Žinant slėgį viename aukštyje, aukščių skirtumą ir oro sluoksnio vidutinę temperatūrą pagal barometrinę formulę, galima apskaičiuoti slėgį kitame aukštyje. Dažniausiai šiuo būdu vietovės atmosferos slėgis perskaičiuojamas į jūros lygio slėgį. Tai daroma norint palyginti ir analizuoti atmosferos slėgio lauką didelėje teritorijoje, kurios aukštis nevienodas. Žinant slėgį dviejų lygių aukštyje ir tarp jų esančio oro sluoksnio vidutinę temperatūrą, galima nustatyti aukščių skirtumą (barometrinė niveliacija).

Vandens paviršiaus įtempimo koeficiento priklausomybė nuo temperatūros

Paviršiaus įtempimo koeficientas lygus darbui, kurį reikia atlikti skysčio paviršiaus plotui padidinti ploto vienetu. Paviršiaus įtempimo koeficientą galime žymėti santykiu: σ=.Molekulinių jėgų sukeltas reiškinys, kuomet skystis kapiliare pakyla dėl paviršiaus įtempio.

Paviršiaus įtempimo koeficientą galima rasti matuojant jėgą, kurią reikia panaudoti atplėšiant nuo jo paviršiaus labai ploną itin tiksliai nustatytų matmenų metalinės vielos žiedą. Kol žiedas neliečia skysčio, tai jį veikiančią sunkio jėgą kompensuoja pakabos reakcijos jėga. Žiedui palietus skystį atsiranda papildoma jėga, kuri pagal formulę yra tiesiai proporcinga lietimosi su skysčiu linijos ilgiui. Plono žiedo, kurio spindulys yra r, lietimosi su skysčiu dviejų kontūrų ilgiai yra praktiškai vienodi, todėl =2∗2. Darbe naudojamo žiedo skersmuo 2r = 19.65 mm. Taigi, išmatavę žiedo atplėšimo nuo skysčio jėgą F, jo paviršiaus įtempimo koeficientą apskaičiuojame pagal formulę =4.

Atliekant eksperimentą:

1. Žiedas šilkiniu siūlu yra pritvirtintas prie dinamometro.
2. Laboratorinę platforma pakelkite tiek, kad žiedas panirtų į vandenį 1-2 cm gylį. Stenkitės šią eksperimento dalį atlikti kuo tolydžiau, kad išvengtumėte dideles paklaidas galinčių sukelti stendo vibracijų.
3. Kaskart pakoreguokite dinamometro priekinę rankenėlę, kad dinamometro svirtis laikytųsi pusiausvyros padėtyje. Matavimą baikite kuomet žiedas atitrūksta nuo vandens ir užregistruokite dinamometru išmatuotą jėgą. Tikslesniam jėgos nustatymui jėgą matuokite kelis kartus.
4. Pakartokite 2-8 punktus. Atlikite tyrimus temperatūrų ruože nuo kambario temperatūros iki 70°C keičiant temperatūrą po 5°C ir nubraižykite vandens paviršiaus įtempimo koeficiento, apskaičiuoto pagal formulę, priklausomybę nuo temperatūros. Pateikite darbo išvadas.

CO2 dujų slėgio priklausomybė nuo temperatūros ir užpildymo kiekio

CO2 dujų slėgis priklauso nuo temperatūros ir užpildymo kiekio. 100% užpildytas balionas yra kai vienam litrui įvaroma o,67kg.

Štai grafikas CO2 dujų slėgio priklausomybė nuo temperatūros ir užpildymo kiekio. Raudoni skaičiai: vertikaliai - slėgis atmosferomis, horizontaliai - kg vienam indo litrui, ant kreivių - temperatūra celsijus laipsniais.

Nuo žmogaus klaidų niekas nėra apsaugotas. Tame tarpe gali suklyst ir " CO2 pilstytojas" ar jo svarstyklės gali sugest ir t.t.

Tankio priklausomybė nuo temperatūros

Medžiagų tankis priklauso nuo temperatūros. Vandens tankis 20o C lygus 0,9982 g/ml. C lygus 1 g/ml.

Pavyzdžiai ir uždaviniai

• Aliuminio plokštelė sveria 40,5 g, jos tūris 15 cm3. Apskaičiuokite aliuminio tankį.
• Kiek svers 2 cm3 aukso plokštelė, jei aukso tankis yra 19,3 g/cm3?
• Inde yra 5 dm3 gyvsidabrio. Jo tankis 13,55 g/cm3. Raskite gyvsidabrio masę.
• Raskite 7 g magnio tūrį, jei magnio tankis 1,74 g/cm3.
• Turime dvi dviejų metalų plokšteles, kurių tūris po 2 cm3. Vieno metalo tankis - 7,87 g/cm3, kito - 19,3 g/cm3? Kiek svers šie metalai? Kokie tai metalai?

tags: #mases #priklausomybe #nuo #temperaturas