Formula za odvisnost nasičene pare od temperature. Izhlapevanje tekočin

V tej lekciji bomo analizirali lastnosti nekoliko specifičnega plina - nasičena para. Opredelili bomo ta plin, navedli, v čem se bistveno razlikuje od idealni plini, o čemer smo razpravljali prej, in natančneje, kako se razlikuje odvisnost tlaka nasičenega plina. Tudi v tej lekciji bo obravnavan in opisan postopek, kot je vrenje.

Da bi razumeli razlike med nasičeno paro in idealnim plinom, si morate zamisliti dva poskusa.

Najprej vzamemo hermetično zaprto posodo z vodo in jo začnemo segrevati. Z naraščanjem temperature bodo molekule tekočine imele vedno več kinetična energija, in to je vse več molekule bodo lahko uhajale iz tekočine (glej sliko 2), zato se bo koncentracija hlapov in posledično njen tlak povečala. Torej, prva točka:

Nasičeni parni tlak je odvisen od temperature

riž. 2.

Vendar je ta situacija precej pričakovana in ni tako zanimiva kot naslednja. Če postavite tekočino z nasičeno paro pod premični bat in začnete spuščati ta bat, se bo koncentracija nasičene pare nedvomno povečala zaradi zmanjšanja prostornine. Čez nekaj časa pa se bo para premaknila s tekočino v novo dinamično ravnovesje s kondenzacijo odvečne količine pare in tlak se na koncu ne bo spremenil. Drugo stališče teorije nasičene pare:

Tlak nasičene pare ni odvisen od volumna

Zdaj je treba opozoriti, da je tlak nasičene pare odvisen od temperature, kot idealni plin, vendar je narava te odvisnosti nekoliko drugačna. Dejstvo je, da je, kot vemo iz osnovne enačbe MKT, tlak plina odvisen od temperature in koncentracije plina. In zato je nasičeni parni tlak nelinearno odvisen od temperature, dokler se koncentracija pare ne poveča, to je dokler vsa tekočina ne izhlapi. Spodnji graf (slika 3) prikazuje naravo odvisnosti tlaka nasičene pare od temperature,

riž. 3

Poleg tega prehod iz nelinearnega odseka v linearni pomeni točno točko izhlapevanja vse tekočine. Ker je tlak nasičenega plina odvisen le od temperature, je mogoče popolnoma nedvoumno določiti, kakšen bo tlak nasičene pare pri določeni temperaturi. Ta razmerja (kot tudi vrednosti gostote nasičene pare) so navedena v posebni tabeli.

Osredotočimo se zdaj na tako pomembno fizični proces kot vrenje. Že v osmem razredu je bilo vrenje opredeljeno kot proces uparjanja, ki je intenzivnejši od izhlapevanja. Zdaj bomo ta koncept nekoliko razširili.

Opredelitev. Vrenje- proces izhlapevanja, ki se pojavi v celotnem volumnu tekočine. Kakšen je mehanizem vrenja? Dejstvo je, da je v vodi vedno raztopljen zrak, s povišanjem temperature pa se njegova topnost zmanjša in nastanejo mikromehurčki. Ker dno in stene posode niso popolnoma gladke, se ti mehurčki oprimejo nepravilnosti znotraj plovilo. Zdaj odsek voda-zrak obstaja ne samo na površini vode, ampak tudi znotraj prostornine vode in molekule vode začnejo tvoriti mehurčke. Tako se znotraj mehurčkov pojavi nasičena para. Nato začnejo ti mehurčki lebdeti, se povečujejo v prostornini in vase sprejmejo več molekul vode ter počijo na površini in sproščajo nasičeno paro v okolje (slika 4).

riž. 4. Postopek vrenja ()

Pogoj za nastanek in vzpon teh mehurčkov je naslednja neenakost: tlak nasičene pare mora biti večji ali enak atmosferskemu tlaku.

Ker je torej nasičeni parni tlak odvisen od temperature, je vrelišče določeno s tlakom okolju: manjši kot je, pri nižji temperaturi zavre tekočina in obratno.

V naslednji lekciji si bomo začeli ogledovati lastnosti trdnih snovi.

Reference

1. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z. Molekularna fizika. Termodinamika. - M.: Bustard, 2010.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10. razred. - M.: Ilexa, 2005.
3. Kasjanov V.A. Fizika 10. razred. - M.: Bustard, 2010.

1. Physics.ru ().
2. Chemport.ru ().
3. Narod.ru ().

domača naloga

1. Stran 74: št. 546-550. Fizika. Problemska knjiga. 10-11 razredi. Rymkevich A.P. - M .: Bustard, 2013. ()
2. Zakaj plezalci ne morejo skuhati jajc na višini?
3. Katere načine si lahko omislite za hlajenje vročega čaja? Utemeljite jih z vidika fizike.
4. Zakaj morate zmanjšati tlak plina na gorilniku, ko voda zavre?
5. *Kako doseči segrevanje vode nad sto stopinj Celzija?

Ker je nasičena para eden od sestavnih delov termodinamično ravnotežnega sistema snovi, ki je homogena po sestavi, vendar različnih faznih deležih, razumevanje vpliva posameznih fizikalnih dejavnikov na velikost tlaka, ki ga ustvarja, omogoča uporabo tega znanja pri praktične dejavnosti, na primer pri določanju stopnje izgorelosti nekaterih tekočin v primeru požara itd.

Odvisnost nasičenega parnega tlaka od temperature

Tlak nasičene pare postaja večji z naraščanjem temperature. V tem primeru sprememba vrednosti ni neposredno sorazmerna, ampak se zgodi veliko hitreje. To je posledica dejstva, da se z naraščajočo temperaturo gibanje molekul med seboj pospeši in jim je lažje premagati sile medsebojna privlačnost in preidejo v drugo fazo, tj. število molekul v tekočem stanju upada, v plinastem pa narašča, dokler se vsa tekočina ne spremeni v paro. Ta naraščajoči pritisk povzroči, da se pokrov v ponvi dvigne ali ko voda začne vreti.

Odvisnost nasičenega parnega tlaka od drugih dejavnikov

Na količino tlaka nasičene pare vpliva tudi količina plinasto stanje molekule, saj njihovo število določa maso pare, ki nastane v zaprti posodi. Ta vrednost ni konstantna, saj z razliko v temperaturi med dnom posode in pokrovom, ki ga pokriva, nenehno potekata dva medsebojno nasprotna procesa - uparjanje in kondenzacija.

Ker so za vsako snov pri določeni temperaturi znani indikatorji prehoda določenega števila molekul iz ene faze stanja snovi v drugo, je možno spreminjati vrednost nasičenega parnega tlaka s spreminjanjem prostornine plovilo. Torej bo enaka prostornina vode, na primer 0,5 litra, ustvarila različne pritiske v petlitrskem kanistru in kotličku.

Odločilni faktor za določanje referenčna vrednost nasičen parni tlak pri konstantnem volumnu in postopnem naraščanju temperature je molekularna struktura same tekočine, ki se segreva. Tako so indikatorji za aceton, alkohol in navadna voda se bodo med seboj bistveno razlikovale.

Da bi videli proces vrenja tekočine, je potrebno ne le spraviti tlak nasičene pare na določene meje, ampak tudi to vrednost povezati z zunanjim atmosferskim tlakom, saj je proces vrenja možen le, če je zunanji tlak višji od tlak v posodi.

In kaj se bo zgodilo z nasičeno paro, če zmanjšamo prostornino, ki jo zavzema? Na primer, če stisnete paro, ki je v ravnovesju s tekočino v valju pod batom, pri čemer ohranjate konstantno temperaturo vsebine valja.

Ko je para stisnjena, se začne ravnotežje rušiti. Sprva se bo gostota pare nekoliko povečala in iz plina v tekočino se bo začelo premikati večje število molekul kot iz tekočine v plin. Navsezadnje je število molekul, ki zapustijo tekočino na časovno enoto, odvisno le od temperature, stiskanje pare pa tega števila ne spremeni. Proces se nadaljuje, dokler se ponovno ne vzpostavi dinamično ravnovesje in parna gostota, zato koncentracija njegovih molekul prevzame svojo prejšnjo vrednost. zato koncentracija molekul nasičene pare pri stalni temperaturi ni odvisna od njene prostornine.

Ker je tlak sorazmeren s koncentracijo molekul (str = nkT), potem iz te definicije sledi, da tlak nasičene pare ni odvisenot prostornine, ki jo zaseda.

Tlak pare, pri katerem je tekočina v ravnovesju s svojo paro, se imenuje nasičen parni tlak.

• Nenasičena para.

Besede smo večkrat uporabili plin in paro. Med plinom in paro ni bistvene razlike. Če pa lahko plin pri stalni temperaturi s preprostim stiskanjem spremenimo v tekočino, potem ga imenujemo para ali natančneje, nenasičena para.

• Odvisnost nasičenega parnega tlaka od temperature.

Stanje nasičene pare je, kot pravijo izkušnje, približno opisano z enačbo stanja idealnega plina, njen tlak pa je določen s formulo

Ko se temperatura poveča, se tlak poveča. Ker d Tlak nasičenkoličina pare ni odvisna od prostornine,odvisno je samona temperaturo.

Vendar pa je ta odvisnost usta), Eksperimentalno ugotovljena ni premosorazmerna, tako kot pri idealnem plinu pri stalni prostornini. Z naraščajočo temperaturo se tlak nasičenih hlapov povečuje hitreje kot tlak idealnega plina (slika 30, del krivulje). AB). To postane še posebej očitno, če skozi točko narišemo izohoro A(črtkana črta) Zakaj se to zgodi?

Ko tekočino segrevamo v zaprti posodi, se del tekočine spremeni v paro. Kot rezultat, po formuli
pritisk nasičena para ne raste samo zaradi dviga temperature tekočine, temveč tudi zaradi povečane koncentracija molekul (gostota nost) par . V bistvu je povečanje tlaka z naraščajočo temperaturo določeno ravno s povečanjem koncentracije. Glavna razlika v obnašanju idealnega plina in nasičene pare je, da ko se temperatura pare v zaprti posodi spremeni (ali ko se prostornina spremeni z konstantna temperatura) se masa pare spremeni. Tekočina se delno spremeni v hlape ali, nasprotno, hlapi delno kondenzirajo. Ko vsa tekočina izhlapi, bo para pri nadaljnjem segrevanju prenehala biti nasičena in njen tlak pri stalni prostornini se bo povečal premosorazmerno z absolutno temperaturo (glej sliko 30, razdelek sonce).

V tej lekciji bomo analizirali lastnosti nekoliko specifičnega plina - nasičene pare. Opredelili bomo ta plin, navedli, kako se bistveno razlikuje od idealnih plinov, ki smo jih obravnavali prej, in natančneje, kako se razlikuje odvisnost tlaka nasičenega plina. Tudi v tej lekciji bo obravnavan in opisan postopek, kot je vrenje.

Da bi razumeli razlike med nasičeno paro in idealnim plinom, si morate zamisliti dva poskusa.

Najprej vzamemo hermetično zaprto posodo z vodo in jo začnemo segrevati. Z višanjem temperature bodo imele molekule tekočine vedno več kinetične energije in vse več molekul bo lahko uhajalo iz tekočine (glej sliko 2), zato se bo koncentracija hlapov in posledično njen tlak povečevala. Torej, prva točka:

Nasičeni parni tlak je odvisen od temperature

riž. 2.

Vendar je ta situacija precej pričakovana in ni tako zanimiva kot naslednja. Če postavite tekočino z nasičeno paro pod premični bat in začnete spuščati ta bat, se bo koncentracija nasičene pare nedvomno povečala zaradi zmanjšanja prostornine. Čez nekaj časa pa se bo para premaknila s tekočino v novo dinamično ravnovesje s kondenzacijo odvečne količine pare in tlak se na koncu ne bo spremenil. Drugo stališče teorije nasičene pare:

Tlak nasičene pare ni odvisen od volumna

Zdaj je treba opozoriti, da je tlak nasičene pare odvisen od temperature, kot idealni plin, vendar je narava te odvisnosti nekoliko drugačna. Dejstvo je, da je, kot vemo iz osnovne enačbe MKT, tlak plina odvisen od temperature in koncentracije plina. In zato je nasičeni parni tlak nelinearno odvisen od temperature, dokler se koncentracija pare ne poveča, to je dokler vsa tekočina ne izhlapi. Spodnji graf (slika 3) prikazuje naravo odvisnosti tlaka nasičene pare od temperature,

riž. 3

Poleg tega prehod iz nelinearnega odseka v linearni pomeni točno točko izhlapevanja vse tekočine. Ker je tlak nasičenega plina odvisen le od temperature, je mogoče popolnoma nedvoumno določiti, kakšen bo tlak nasičene pare pri določeni temperaturi. Ta razmerja (kot tudi vrednosti gostote nasičene pare) so navedena v posebni tabeli.

Osredotočimo se zdaj na tako pomemben fizični proces, kot je vrenje. Že v osmem razredu je bilo vrenje opredeljeno kot proces uparjanja, ki je intenzivnejši od izhlapevanja. Zdaj bomo ta koncept nekoliko razširili.

Opredelitev. Vrenje- proces izhlapevanja, ki se pojavi v celotnem volumnu tekočine. Kakšen je mehanizem vrenja? Dejstvo je, da je v vodi vedno raztopljen zrak, s povišanjem temperature pa se njegova topnost zmanjša in nastanejo mikromehurčki. Ker dno in stene posode niso popolnoma gladke, se ti mehurčki oprimejo neravnih površin na notranji strani posode. Zdaj odsek voda-zrak obstaja ne le na površini vode, ampak tudi znotraj prostornine vode in molekule vode začnejo tvoriti mehurčke. Tako se znotraj mehurčkov pojavi nasičena para. Nato začnejo ti mehurčki lebdeti, se povečujejo v prostornini in vase sprejmejo več molekul vode ter počijo na površini in sproščajo nasičeno paro v okolje (slika 4).

riž. 4. Postopek vrenja ()

Pogoj za nastanek in vzpon teh mehurčkov je naslednja neenakost: tlak nasičene pare mora biti večji ali enak atmosferskemu tlaku.

Ker je torej tlak nasičene pare odvisen od temperature, je vrelišče določeno s tlakom okolice: nižji kot je, nižja je temperatura, pri kateri tekočina vre, in obratno.

V naslednji lekciji si bomo začeli ogledovati lastnosti trdnih snovi.

Reference

1. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z. Molekularna fizika. Termodinamika. - M.: Bustard, 2010.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10. razred. - M.: Ilexa, 2005.
3. Kasjanov V.A. Fizika 10. razred. - M.: Bustard, 2010.

1. Physics.ru ().
2. Chemport.ru ().
3. Narod.ru ().

domača naloga

1. Stran 74: št. 546-550. Fizika. Problemska knjiga. 10-11 razredi. Rymkevich A.P. - M .: Bustard, 2013. ()
2. Zakaj plezalci ne morejo skuhati jajc na višini?
3. Katere načine si lahko omislite za hlajenje vročega čaja? Utemeljite jih z vidika fizike.
4. Zakaj morate zmanjšati tlak plina na gorilniku, ko voda zavre?
5. *Kako doseči segrevanje vode nad sto stopinj Celzija?

« Fizika - 10. razred"

Kaj misliš, da se bo zgodilo z nasičeno paro, če se prostornina, ki jo zavzema, zmanjša: na primer, če se para v ravnotežju s tekočino v valju pod batom stisne in ohranja temperaturo vsebine valja konstantno?

Ko je para stisnjena, se začne ravnotežje rušiti. V prvem trenutku se bo parna gostota nekoliko povečala in iz plina v tekočino se bo začelo premikati večje število molekul kot iz tekočine v plin. Navsezadnje je število molekul, ki zapustijo tekočino na časovno enoto, odvisno le od temperature, stiskanje pare pa tega števila ne spremeni. Proces se nadaljuje, dokler se ponovno ne vzpostavita dinamično ravnovesje in parna gostota, zato koncentracija njegovih molekul prevzame prejšnje vrednosti. torej

koncentracija molekul nasičene pare pri stalni temperaturi ni odvisna od njegove prostornine.

Ker je tlak sorazmeren s koncentracijo molekul (p = nkT), iz te definicije sledi, da tlak nasičene pare ni odvisen od prostornine, ki jo zaseda.

pH tlak n paro, v kateri je tekočina v ravnovesju s svojo paro, se imenuje tlak nasičene pare.

Ko je nasičena para stisnjena, vse večina gre v tekoče stanje. Tekočina določene mase zavzema manjšo prostornino kot para enake mase. Posledično se zmanjša prostornina pare, medtem ko njena gostota ostane nespremenjena.

Plinski zakoni za nasičeno paro ne veljajo (pri vsaki prostornini pri stalni temperaturi je tlak nasičene pare enak). Hkrati je stanje nasičene pare precej natančno opisano z enačbo Mendeleev-Clapeyron.

Nenasičena para

>Če se para postopoma stisne pri stalni temperaturi, vendar se ne spremeni v tekočino, se taka para imenuje nenasičen.

Ko se prostornina zmanjšuje (slika 11.1), se tlak nenasičenih hlapov poveča (odsek 1-2) na enak način, kot se tlak spremeni, ko se prostornina idealnega plina zmanjša. Pri določeni prostornini postane para nasičena, z nadaljnjim stiskanjem pa se spremeni v tekočino (odsek 2-3). V tem primeru bo nad tekočino že nasičena para.

Takoj, ko se vsa para spremeni v tekočino, bo nadaljnje zmanjšanje prostornine povzročilo močno povečanje tlaka (tekočina je rahlo stisljiva).

Vendar se para ne spremeni v tekočino pri nobeni temperaturi. Če je temperatura nad določeno vrednostjo, potem ne glede na to, koliko stisnemo plin, se ne bo nikoli spremenil v tekočino.

> Najvišja temperatura, pri kateri se para še lahko spremeni v tekočino, se imenuje kritična temperatura.

Vsaka snov ima svojo kritično temperaturo, za helij T cr = 4 K, za dušik T cr = 126 K.

Agregatno stanje pri temperaturi nad kritično temperaturo imenujemo plin; pri temperaturi pod kritično, ko se para lahko spremeni v tekočino, - trajekt.

Lastnosti nasičene in nenasičene pare so različne.

Odvisnost nasičenega parnega tlaka od temperature.

Stanje nasičene pare, kot kažejo izkušnje, je približno opisano z enačbo stanja idealnega plina (10.4), njen tlak pa je določen s formulo

Rn. n = nkT. (11.1)

Ko se temperatura poveča, se tlak poveča

Ker nasičeni parni tlak ni odvisen od prostornine, je torej odvisen samo od temperature.

Vendar pa je odvisnost od pH tlaka. n na temperaturo T, ugotovljen eksperimentalno, ni neposredno sorazmeren, kot v idealnem plinu pri konstantnem volumnu. Z naraščanjem temperature se tlak realne nasičene pare povečuje hitreje kot tlak idealnega plina (slika 11.2, odsek krivulje AB). To postane očitno, če narišemo izohore idealnega plina skozi točki A in B (črtkani črti). Zakaj se to dogaja?

Ko tekočino segrevamo v zaprti posodi, se del tekočine spremeni v paro. Posledično se v skladu s formulo (11.1) tlak nasičene pare poveča ne le zaradi povečanja temperature tekočine, temveč tudi zaradi povečanja koncentracije molekul (gostote) pare.

V bistvu je povečanje tlaka z naraščajočo temperaturo določeno ravno s povečanjem koncentracije. Glavna razlika v obnašanju idealnega plina in nasičene pare je, da ko se spremeni temperatura pare v zaprti posodi (ali ko se spremeni prostornina pri konstantni temperaturi), se spremeni masa pare.

Zakaj so sestavljene tabele za odvisnost tlaka nasičene pare od temperature, vendar ni tabel za odvisnost tlaka plina od temperature?

Tekočina se delno spremeni v hlape ali, nasprotno, hlapi delno kondenzirajo. Z idealen plin nič takega se ne zgodi.

Ko vsa tekočina izhlapi, bo para pri nadaljnjem segrevanju prenehala biti nasičena in njen tlak pri konstantnem volumnu se bo premosorazmerno povečal absolutna temperatura(glej sliko 11.2, odsek krivulje BC).

Vrenje.

Ko se temperatura tekočine poveča, se hitrost izhlapevanja poveča. Končno začne tekočina vreti. Pri vrenju se po vsej prostornini tekočine tvorijo hitro rastoči parni mehurčki, ki priplavajo na površje.

Vrenje je proces izhlapevanja, ki poteka v celotnem volumnu tekočine pri vrelišču.

Pod kakšnimi pogoji se začne vrenje?

Za kaj se porabi toplota, dovedena tekočini med vrenjem, z vidika molekularne kinetične teorije?

Vrelišče tekočine ostane konstantno. To se zgodi, ker se vsa energija, dovedena tekočini, porabi za njeno pretvorbo v paro.

Tekočina vedno vsebuje raztopljene pline, ki se sproščajo na dnu in stenah posode, pa tudi na delcih prahu, suspendiranih v tekočini, ki so središča uparjanja. Hlapi tekočine v mehurčkih so nasičeni. Z naraščanjem temperature se tlak nasičenih hlapov poveča in mehurčki se povečajo. Pod vplivom vzgonske sile lebdijo navzgor. Če imajo zgornje plasti tekočine več nizka temperatura, potem v teh plasteh pride do kondenzacije pare v mehurčkih. Tlak hitro pade in mehurčki se sesedejo. Kolaps se zgodi tako hitro, da stene mehurčka trčijo in povzročijo nekaj podobnega eksploziji. Mnoge takšne mikroeksplozije ustvarjajo značilen hrup. Ko se tekočina dovolj segreje, se mehurčki nehajo sesedati in priplavajo na površje. Tekočina bo zavrela.

Odvisnost tlaka nasičene pare od temperature pojasnjuje, zakaj je vrelišče tekočine odvisno od tlaka na njeni površini. Parni mehurček lahko naraste, ko tlak nasičene pare v njem nekoliko preseže tlak v tekočini, ki je vsota zračnega tlaka na površini tekočine (zunanji tlak) in hidrostatični tlak stolpec tekočine.

Bodimo pozorni na to, da do izhlapevanja tekočine pride pri temperaturah pod vreliščem, vendar le s površine tekočine, med vrenjem pa nastane para po vsej prostornini tekočine.

Vretje se začne pri temperaturi, pri kateri se tlak nasičene pare v mehurčkih izenači in postane nekoliko večji od tlaka v tekočini.

Večji kot je zunanji tlak, višje je vrelišče.

Tako v parnem kotlu pri tlaku, ki doseže 1,6 10 6 Pa, voda ne vre niti pri temperaturi 200 ° C. V zdravstvenih ustanovah v hermetično zaprtih posodah - avtoklavih (slika 11.3) pride do vrele vode tudi pri visok krvni tlak. Zato je vrelišče tekočine bistveno višje od 100 °C. Avtoklavi se uporabljajo na primer za sterilizacijo kirurških instrumentov, pospešitev priprave hrane (lonec na pritisk), konzerviranje hrane in izvajanje kemičnih reakcij.

In obratno, z zmanjšanjem zunanjega tlaka s tem znižamo vrelišče.

S črpanjem zraka in vodne pare iz bučke lahko povzročite, da voda zavre pri sobni temperaturi. Pri vzpenjanju v gore se atmosferski tlak zmanjša, zato se vrelišče zniža. Na nadmorski višini 7134 m (Leninov vrh v Pamirju) je tlak približno 4 10 4 Pa ​​​​(300 mm Hg). Voda tam vre pri približno 70 °C. V teh pogojih ni mogoče kuhati mesa.

Vsaka tekočina ima svoje vrelišče, ki je odvisno od lastnosti tekočine. Pri isti temperaturi je tlak nasičene pare različnih tekočin različen.

Na primer, pri temperaturi 100 °C je tlak nasičene vodne pare 101.325 Pa (760 mm Hg), živosrebrove pare pa samo 117 Pa (0,88 mm Hg). Ker do vrelišča pride pri isti temperaturi, pri kateri je tlak nasičene pare enak zunanjemu tlaku, voda vre pri 100 °C, živo srebro pa ne. Živo srebro vre pri temperaturi 357 °C pri normalnem tlaku.