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. 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.
Hidrostatinis slėgis
Skysčio stulpelio sukuriamas slėgis priklauso nuo skysčio tankio, laisvojo kritimo pagreičio ir aukščio. Matematiškai tai išreiškiama diferencialine lygtimi:
dp = ρgdz
kur:
Taip pat skaitykite: Kraujo judėjimo iššūkiai
- 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 idealiojo skysčio tekėjimą:
Taip pat skaitykite: Viskas apie vandens tankio pokyčius
p + (1/2)ρv^2 + ρgz = const
kur:
- 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: Kaip temperatūra veikia garų tankį?
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.
Šiluminis spinduliavimas ir emisijos geba
Kiekvienas kūnas, kurio temperatūra aukštesnė kaip 0 K, spinduliuoja energiją. Gamtoje labiausiai paplitęs spinduliavimas, kurį sužadina medžiagos dalelių šiluminiai virpesiai. Šitaip sukeltas elektromagnetinis spinduliavimas vadinamas šiluminiu, arba temperatūriniu. Įvairiais kitais būdais sužadintas spinduliavimas vadinamas liuminescenciniu (katodinė liuminescencija, fotoliuminescencija, cheminė liuminescencija ir kt.).
Šiluminio spinduliavimo spektrą apibūdina: spinduliuojančio kūno emisijos geba (spektrinis energijos spinduliavimo tankis) Ev,T ir absorbcijos geba Av,T.
Emisijos geba, tai sąryšis tarp temperatūros ir spinduliavimo pasiskirstymo pagal dažnį arba bangos ilgį - spektrinis energijos spinduliavimo tankis arba emisijos geba.
Absorcijos geba, priklauso nuo nagrinėjamojo kūno temperatūros, krintančio spinduliavimo dažnio.
Pilnutinė emisijos geba, tai kurią išspinduliuoja kūno paviršiaus ploto vienetas visais dažniais nuo 0 iki ∞.
Kirhofo dėsnis: bet kurio kūno emisijos ir absorbcijos gebų Ev,T ir Av,T santykis nepriklauso nuo kūno prigimties, o priklauso tik nuo spinduliuojamų bangų dažnio ir spinduliuojančio kūno temperatūros. Pažymėkime absoliučiai juodo kūno emisijos gebą ev,T, o jo absorbcijos gebą av,T.
Bandymo metu nustatyta, kad toje pačioje temperatūroje, skirtingas kūno paviršius išspinduliuoja nevienodą energijos kiekį. Taip pat nustatėme, kad Juodo kūno Spinduliavimo energijos tankis yra didesnis nei Blizgaus.
Puslaidininkių fizika ir temperatūra
Puslaidininkių fizika nagrinėja puslaidininkių savybes ir juose vykstančius reiškinius, kurianti modelius tiems reiškiniams tirti. Svarbiausios tyrimų sritys - puslaidininkių draudžiamosios energijos juostos ir laidumo bei valentinės juostų struktūra, krūvininkų tipai ir jų judrio, tankio, elektrinio laidumo priklausomybė nuo temperatūros, apšvietos, elektrinio ir magnetinio lauko, slėgio, šviesos sugertis ir emisija puslaidininkiuose, puslaidininkių cheminė sudėtis ir kita.
Puslaidininkių savybę - elektrinio laidžio didėjimą kylant temperatūrai - 1833 pastebėjo M. Faraday.
Jei puslaidininkis nevienalytis, jo elektrinį laidį lemia potencialo barjerai arba susidaro pratekėjimo kanalai. Įtakos puslaidininkių savybėms turi jų paviršiuje vykstanti kristalinės sandaros relaksacija ir rekonstrukcija, priemaišos ir struktūros defektai bei dirbtinai jame (bei jo paviršiuje) sudaryti nanodariniai; kristalo defektų sandara nustatoma paramagnetinio elektronų rezonanso metodu, o aktyvacijos energijos - iš šviesos sugerties bei emisijos spektrų arba terminės aktyvacijos.
Medžiagų tankis ir temperatūra
Medžiagų tankis priklauso nuo temperatūros. Vandens tankis 20°C temperatūroje lygus 0,9982 g/ml, o 4°C temperatūroje - 1 g/ml.
Šiluminė inercija
Šiluminė inercija - tai namo sienų reakcija į aplinkos temperatūros pokyčius, perduodant tuos pokyčius namo vidui. Sienos, kurios dėl pasirinktų blokų į lauko temperatūros pokyčius reaguoja lėčiau, iš lėto kaupia šilumą ir iš lėto ją atiduoda. Dėl to pastato viduje yra labiau pastovi temperatūra ir geresnis komfortas gyventojams. Blokai, kurie į minėtus pokyčius reaguoja lėčiau turi aiškų privalumą.
tags: #tankio #priklausomybe #nuo #temperaturos