Įvadas
Šiame straipsnyje nagrinėjama sudėtinga vandens paviršiaus įtempimo ir virimo temperatūros priklausomybė nuo temperatūros. Straipsnyje remiamasi įvairiais moksliniais tyrimais ir teoriniais modeliais, siekiant pateikti išsamų ir suprantamą paaiškinimą pradedantiesiems ir profesionalams. Aptarsime pagrindines sąvokas, tokias kaip paviršiaus įtempimas, molekulinės jėgos ir virimo temperatūra, taip pat pagrindinius dėsnius ir formules, kuriais remiantis galima apskaičiuoti skysčio virimo temperatūrą, atsižvelgiant į įvairius veiksnius, tokius kaip slėgis ir skysčio sudėtis. Aptarsime, kodėl vandens virimo temperatūra nėra pastovi ir kaip ją teisingai nustatyti skirtingomis sąlygomis.
Paviršiaus įtempimas ir temperatūra
Paviršiaus įtempimas yra reiškinys, atsirandantis dėl molekulinių jėgų, veikiančių skysčio paviršiuje. Šis koeficientas lygus darbui, kurį reikia atlikti skysčio paviršiaus plotui padidinti ploto vienetu. Paviršiaus įtempimo koeficientą galime žymėti santykiu: σ=. Skysčio molekulės viduje yra traukiamos į visas puses, o paviršiaus molekulės yra traukiamos tik į skysčio vidų, sukuriant įtempimą paviršiuje. Šis įtempimas lemia, kad skystis elgiasi tarsi padengtas elastine plėvele. Temperatūrai kylant, molekulių kinetinė energija didėja, o tai susilpnina tarpmolekulines jėgas. Dėl to paviršiaus įtempimas mažėja.
Paviršiaus įtempimo matavimo metodai
Paviršiaus įtempimo koeficientą galima nustatyti įvairiais metodais, įskaitant žiedo metodą.
Žiedo metodas
Žiedo metodas yra vienas iš būdų nustatyti paviršiaus įtempimo koeficientą. Šio metodo esmė - matuoti jėgą, reikalingą atplėšti ploną žiedą nuo skysčio paviršiaus. Kai 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 =4.3.
Eksperimento eiga:
Taip pat skaitykite: Grafikas: virimo temperatūra vs. molekulinė masė
- Žiedas šilkiniu siūlu yra pritvirtintas prie dinamometro.
- 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.
- 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.
- 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 (4) formulę, priklausomybę nuo temperatūros. Pateikite darbo išvadas.
Kapiliarumas
Molekulinių jėgų sukeltas reiškinys, kuomet skystis kapiliare pakyla dėl paviršiaus įtempio.
Virimo temperatūra ir temperatūra
Skysčio virimo temperatūra yra vienas iš pagrindinių termodinaminių parametrų, apibūdinančių medžiagos savybes. Jos žinojimas yra būtinas daugelyje inžinerijos sričių, pradedant chemijos pramone ir baigiant maisto gamyba. Virimas yra 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 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. 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:
Taip pat skaitykite: Kaip slėgis veikia skysčių virimo temperatūrą?
- 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. Aukštai kalnuose, kur atmosferos slėgis yra mažesnis, vanduo verda žemesnėje temperatūroje. Pavyzdžiui, Everesto viršūnėje vanduo gali virti apie 68°C temperatūroje. 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
Baromètrinė fòrmulė nusako atmosferos slėgio kaitos vertikalia kryptimi priklausomybę nuo aukščio ir oro temperatūros. ; 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).
CO2 slėgio priklausomybė nuo temperatūros
CO2 dujų slėgis taip pat priklauso nuo temperatūros ir užpildymo kiekio. 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.
Svarbu atkreipti dėmesį, kad 100% užpildytas balionas yra kai vienam litrui įvaroma o,67kg.
Praktiniai pastebėjimai
- Esant aukštesnei temperatūrai, CO2 balione slėgis gali pakilti. Pavyzdžiui, vasarą palikus šautuvą su CO2 balionu automobilyje, slėgis gali pakilti iki 150 bar.
- Šaudant CO2 ginklu, balionėlis gali atvėsti, todėl sumažėja slėgis ir šūvių galingumas.
- Šildant CO2 balionėlį, slėgis jame didėja, tačiau tai gali būti pavojinga.
Medžiagų tankio priklausomybė nuo temperatūros
Medžiagų tankis priklauso nuo temperatūros. Vandens tankis 20o C lygus 0,9982 g/ml. C lygus 1 g/ml.
Pavyzdžiai
Aliuminio plokštelė sveria 40,5 g, jos tūris 15 cm3. Mokinys rado aliuminio svarelį ir pamatavo jo tūrį. cm3, tankis - 2,7 g/cm3.
tags: #mases #priklausomybe #nuo #temperaturos