Skysčio virimo temperatūros priklausomybė nuo slėgio: išsamus vadovas

Įvadas

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. Vandens virimo temperatūra yra esminis parametras daugelyje procesų, vykstančių gamtoje, pramonėje ir laboratorijose. Ji glaudžiai susijusi su aplinkos slėgiu: kuo mažesnis slėgis, tuo žemesnė virimo temperatūra. Ši savybė ypač svarbi vakuumo sąlygomis, kur galima išgarinti medžiagas žemesnėje temperatūroje, išvengiant jų skilimo ar nepageidaujamų reakcijų. Šiame straipsnyje apžvelgsime 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.

Temperatūros skalės ir jų reikšmė

Temperatūra yra fizinis dydis, apibūdinantis kūno šiluminę būseną. Temperatūros skalės naudojamos temperatūrai matuoti ir palyginti. Skalės sudaromos remiantis nuo temperatūros priklausančiais kūno parametrais, tokiais kaip tūris, slėgis ar elektrinė varža. Dažniausiai nustatomi du pastovūs temperatūros atskaitos taškai, o tarpas tarp jų padalinamas į lygius intervalus - laipsnius.

Populiariausios temperatūros skalės:

• Celsijaus skalė: Atskaitos taškai - ledo tirpimo (0 °C) ir vandens virimo normaliame slėgyje (100 °C) temperatūros. Pagrindinis intervalas padalytas į 100 lygių dalių.
• Farenheito skalė: Naudojama JAV ir kai kuriose kitose šalyse. Ledo tirpimo temperatūra yra 32 °F, o vandens virimo - 212 °F.
• Kelvino skalė: Termodinaminė temperatūros skalė, kurios atskaitos taškas yra absoliutusis nulis (0 K), atitinkantis -273,15 °C. Kelvino skalė siejama su Celsijaus skale: T (K) = t (°C) + 273,15.

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

Taip pat skaitykite: Šviesos terapijos privalumai

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

Skysčio virimo temperatūros priklausomybė nuo slėgio: Clausius-Clapeyron lygtis

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

dp/dT = ΔHvap / (TΔV)

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:

Taip pat skaitykite: Praktinis temperatūros ir slėgio taikymas

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 (101325 Pa slėgyje), vandens virimo temperatūra yra 100 °C (373,15 K).

Priklausomybė nuo slėgio

Aukštai kalnuose, kur atmosferos slėgis yra mažesnis, vanduo verda žemesnėje temperatūroje. Pavyzdžiui, Everesto kalno viršūnė yra aukščiausias Žemės taškas (8849 metrai virš jūros lygio). Ten atmosferos slėgis yra žymiai mažesnis nei jūros lygyje, todėl vandens virimo temperatūra yra žemesnė - apie 68 °C.

Taip pat skaitykite: Techniniai aspektai: slėgio nuostoliai

Priklausomybė nuo priemaišų

Ištirpę druskos ar kiti priedai taip pat gali paveikti vandens virimo temperatūrą. Paprastai, ištirpę priedai padidina virimo temperatūrą. Šis reiškinys vadinamas virimo temperatūros pakilimu.

Drėgmė

Vandens virimo temperatūra šiek tiek priklauso nuo aplinkos drėgmės. Kuo didesnė drėgmė, tuo aukštesnė virimo temperatūra.

Indo medžiaga ir paviršius

Indo medžiaga ir paviršiaus šiurkštumas gali turėti įtakos virimo procesui, tačiau neturi įtakos pačiai virimo temperatūrai.

Vakuumo taikymas virimo temperatūros sumažinimui

Vakuumas - tai erdvė, kurioje slėgis yra žymiai mažesnis už atmosferos slėgį. Vakuumo technologijos plačiai naudojamos įvairiose srityse:

• Maisto pramonėje: Vakuumo sąlygomis galima džiovinti vaisius ir daržoves žemoje temperatūroje, išsaugant maistines medžiagas ir skonį.
• Farmacijoje: Vakuumo džiovinimas naudojamas gaminant termiškai jautrius vaistus.
• Chemijos pramonėje: Vakuumas naudojamas distiliuojant aukštai verdančius skysčius, taip pat reaguojant su medžiagomis, kurios ore oksiduojasi. Leidžia atskirti skysčius, kurių virimo temperatūros yra labai aukštos arba kurie skyla aukštoje temperatūroje.
• Moksliniuose tyrimuose: Vakuumas būtinas daugeliui eksperimentų, ypač paviršiaus moksle ir medžiagų tyrimuose.

Vandens virimas žemesnėje nei 100 °C temperatūroje

Kaip jau minėta, vanduo gali virti žemesnėje nei 100 °C temperatūroje, sumažinus slėgį. Šis reiškinys naudojamas liofilizacijoje (džiovinimas šaldant): Produktas užšaldomas, o po to vanduo pašalinamas sublimacijos būdu (iš kietos būsenos tiesiogiai į dujinę), esant žemam slėgiui.

Ledo susidarymas esant aukštesnei nei 0 °C temperatūrai

Nors skamba paradoksaliai, ledas gali susidaryti, kai oro temperatūra yra aukštesnė už užšalimo temperatūrą. Tai įmanoma dėl spinduliavimo šaldymo. Jei oras virš vandens yra labai sausas, vanduo garuoja, o garuojant vanduo atima šilumą iš likusio skysčio, jį atvėsindamas. Be to, vanduo lėtai skleidžia šilumą į dangų. Jei atmosfera virš vandens yra labai šalta (pvz., giedrą naktį), šilumos energija iš vandens pereina į šaltą aplinką. Šie du mechanizmai kartu gali sumažinti vandens temperatūrą iki 0 °C, net jei aplinkinio oro temperatūra yra aukštesnė. Šis reiškinys buvo naudojamas dykumų gyventojų ištisas kartas, kad pasigamintų ledo be elektros energijos.

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.

Tirpalo virimo temperatūros nustatymo metodai vakuumo sąlygomis

Yra keletas metodų, kuriais galima nustatyti tirpalo virimo temperatūrą vakuumo sąlygomis:

• Distiliavimas vakuumo sąlygomis: Skystis kaitinamas vakuumo sąlygomis, kol jis pradeda virti. Garai kondensuojasi atskirai ir surenkami. Virimo temperatūra fiksuojama termometru.
• Ebulliometriniai metodai: Pagrįsti virimo temperatūros matavimu, siekiant nustatyti tirpalo savybes, tokias kaip molekulinė masė. Ebulliometrai yra specializuoti prietaisai, skirti tiksliai matuoti virimo temperatūrą esant įvairiems slėgiams.
• Termogravimetrinė analizė (TGA): Matuoja medžiagos masės pokyčius, kai ji kaitinama arba vėsinama kontroliuojamoje aplinkoje. TGA gali būti naudojama nustatyti virimo temperatūrą vakuumo sąlygomis, stebint masės mažėjimą dėl garavimo.
• Diferencinė skenavimo kalorimetrija (DSC): Matuoja šilumos srautą, reikalingą palaikyti medžiagos ir etalono temperatūrą vienodą, kai jie kaitinami arba vėsinami.

Įranga, reikalinga virimo temperatūrai nustatyti vakuumo sąlygomis

• Vakuumo sistema: Aukštos kokybės vakuumo siurblys ir sandari sistema yra būtini norint pasiekti reikiamą slėgį.
• Slėgio matavimas: Tikslus slėgio matavimas yra labai svarbus. Tam naudojami įvairūs manometrai ir vakuumetrai.
• Temperatūros kontrolė: Tiksli temperatūros kontrolė užtikrina, kad virimo temperatūra būtų nustatyta teisingai.
• Termometrai ir davikliai: Aukštos kokybės termometrai ir temperatūros davikliai yra būtini tiksliems matavimams.
• Indo medžiagos: Indo medžiagos turi būti inertiškos ir atsparios korozijai, kad nebūtų teršiami mėginiai.

Klaidų šaltiniai ir jų mažinimas

Nustatant tirpalo virimo temperatūrą vakuumo sąlygomis, gali atsirasti įvairių klaidų:

• Slėgio netikslumai: Netikslus slėgio matavimas gali lemti klaidingus virimo temperatūros rezultatus. Reguliariai kalibruokite slėgio matavimo prietaisus.
• Temperatūros gradientas: Temperatūros gradientas mėginyje gali lemti netikslius matavimus. Užtikrinkite vienodą temperatūros pasiskirstymą.
• Oro nutekėjimas: Oro nutekėjimas į vakuumo sistemą gali padidinti slėgį ir paveikti virimo temperatūrą. Reguliariai tikrinkite ir sandarinkite sistemą.
• Mėginio užteršimas: Mėginio užteršimas gali pakeisti jo virimo temperatūrą.

Hidrostatikos pagrindai

Pagrindinis hidrostatikos dėsnis

Slėgio pokytis skystyje priklauso nuo gylio. Šią priklausomybę aprašo hidrostatikos lygtis:

dp = -ρgdz

čia:

• 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. Naudodamiesi pagrindiniu hidrostatikos dėsniu, bet kuriems dviem pusiausviro skysčio taškams, jei z1≠z2≠z3 ir p1≠p2≠p3 galima parašyti z+p/ρg=const. , o iš čia galime parašyti kad z1+p1/ρg=z2+p2/ρg.

Paskalio dėsnis

Paskalio dėsnis teigia, kad bet koks slėgio pakitimas viename pusiausviro skysčio taške vienodai persiduoda ir į kitus taškus. Paskalio dėsnio principu veikia kai kurios hidraulinės mašinos, pavyzdžiui hidraulinis presas, keltuvas, akumuliatorius bei multiplikatorius.

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.

Bernulio lygtis

Bernulio lygtis aprašo energijos tvermės dėsnį idealiam skysčiui:

p + (ρv^2)/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.

Skysčio savybės

Skysčio sąvoka

Skystis tai medžia-ga,kuri pusiausvyros būvyje nesugeba priešintis tangentiniams ir tempimo tempimams. Skysčiai dalinami į dvi grupes:

1. Lašeliniai skysčiai.
2. Dujos.

Riba tarp dujų ir skysčių nusakoma greičiu ir slėgiu. Kai v>10m/s arba p>10Mpa,tai naudoti skysčių mech. dėsnių negalima ir reikia naudoti aerodi-namikos dėsnius. Yra du esminiai skirtumai:

1. Lašelinių skysčių tūris yra fiksuotas ir mažai priklauso nuo slėgio ir temperatūros.
2. Lašelinis skystis patal-pintas inde formuoja laisvą paviršių. Šių savybių neturi dujos.

Tankis

Skysčio tankiu vadinama skysčio tūrio vieneto masė. Tankis yra pagrindinė skysčio charakteristika.

ρ=m/V.(kg/m3)

Pagal techninę matavimo vienetų sistemą,pagrindine sskysčių charakteristika laikoma skysčio masės tūrio vieneto svorio jėga

γ=G /V (N/m3)

G - tūrio V užimančio svorio jėga, išreikšta niutonais, m - tą tūrį užimančio skysčio masė,išreikšta kilogramais.

Suspaudžiamumas

Suspaudžia-mumas - tai skysčio sugebėjimas priešintis tūrio pakitimui veikiant išorinėms jėgoms.

β=dV/Vdp, (m2/N)

dV-absoliutus tūrio pokytis, kintant slėgiui dp.

Temperatūrinis išsiplėtimas

Temperatūrinio išsiplėtimo koeficientu yra laikomas nykstamai mažas santykinis tūrio pokytis dV/V, kintant temperatūrai nykstamai mažu dydžiu dT:

βr = dV/VdT, [1/K]

tags: #slegio #priklausomybe #nuo #turio