>> الفيزياء: اعتماد ضغط بخار التشبع على درجة الحرارة. الغليان

السائل لا يتبخر فقط. يغلي عند درجة حرارة معينة.
ضغط البخار المشبع مقابل درجة الحرارة. حالة البخار المشبع ، كما تبين التجربة (تحدثنا عن هذا في الفقرة السابقة) ، توصف تقريبًا بمعادلة حالة الغاز المثالي (10.4) ، ويتم تحديد ضغطها بالصيغة

مع ارتفاع درجة الحرارة ، يرتفع الضغط. مثل لا يعتمد ضغط البخار المشبع على الحجم ، لذلك فهو يعتمد فقط على درجة الحرارة.
ومع ذلك ، الاعتماد ص ن ص.من عند تي، تجريبيًا ، ليس متناسبًا بشكل مباشر ، كما هو الحال في غاز مثالي بحجم ثابت. مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد ضغط البخار المشبع بشكل أسرع من ضغط الغاز المثالي ( شكل 11.1قسم من المنحنى AB). يصبح هذا واضحًا إذا رسمنا نظرات متساوية للغاز المثالي من خلال النقاط لكنو في(خطوط متقطعة). لماذا يحدث هذا؟

عندما يتم تسخين سائل في وعاء مغلق ، يتحول جزء من السائل إلى بخار. نتيجة لذلك ، وفقًا للصيغة (11.1) يزداد ضغط البخار المشبع ليس فقط بسبب زيادة درجة حرارة السائل ، ولكن أيضًا بسبب زيادة تركيز جزيئات (كثافة) البخار. بشكل أساسي ، يتم تحديد الزيادة في الضغط مع زيادة درجة الحرارة بدقة من خلال زيادة التركيز. يتمثل الاختلاف الرئيسي في سلوك الغاز المثالي والبخار المشبع في أنه عندما تتغير درجة حرارة البخار في وعاء مغلق (أو عندما يتغير الحجم عند درجة حرارة ثابتة) ، تتغير كتلة البخار. يتحول السائل جزئيًا إلى بخار ، أو على العكس من ذلك ، يتكثف البخار جزئيًا. لا شيء من هذا القبيل يحدث مع الغاز المثالي.
عندما يتبخر كل السائل ، يتوقف البخار عن التشبع عند مزيد من التسخين ، ويزداد ضغطه عند الحجم الثابت بالتناسب المباشر مع درجة الحرارة المطلقة (انظر الشكل. شكل 11.1قسم من المنحنى شمس).
. مع زيادة درجة حرارة السائل ، يزداد معدل التبخر. أخيرًا ، يبدأ السائل في الغليان. عند الغليان ، تتشكل فقاعات بخار سريعة النمو في جميع أنحاء حجم السائل ، والتي تطفو على السطح. تظل درجة غليان السائل ثابتة. وذلك لأن كل الطاقة التي يتم توفيرها للسائل يتم إنفاقها على تحويله إلى بخار. تحت أي ظروف يبدأ الغليان؟
الغازات المذابة موجودة دائمًا في السائل ، والتي يتم إطلاقها في قاع وجدران الوعاء ، وكذلك على جزيئات الغبار العالقة في السائل ، وهي مراكز التبخر. الأبخرة السائلة داخل الفقاعات مشبعة. مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد ضغط البخار ويزداد حجم الفقاعات. تحت تأثير قوة الطفو ، تطفو. إذا كانت الطبقات العليا من السائل ذات درجة حرارة منخفضة ، يتكثف البخار في الفقاعات في هذه الطبقات. ينخفض ​​الضغط بسرعة وتنهار الفقاعات. يكون الانهيار سريعًا لدرجة أن جدران الفقاعة ، عند اصطدامها ، تنتج شيئًا مثل الانفجار. العديد من هذه الانفجارات الدقيقة تخلق ضوضاء مميزة. عندما يسخن السائل بدرجة كافية ، تتوقف الفقاعات عن الانهيار وتطفو على السطح. سوف يغلي السائل. شاهد الغلاية على الموقد بعناية. ستجد أنه يكاد يتوقف عن إحداث ضوضاء قبل الغليان.
يفسر اعتماد ضغط بخار التشبع على درجة الحرارة سبب اعتماد نقطة غليان السائل على الضغط على سطحه. يمكن أن تنمو فقاعة بخار عندما يتجاوز ضغط البخار المشبع بداخلها قليلاً الضغط في السائل ، وهو مجموع ضغط الهواء على سطح السائل (الضغط الخارجي) والضغط الهيدروستاتيكي لعمود السائل.
دعونا ننتبه إلى حقيقة أن تبخر السائل يحدث في درجات حرارة أقل من نقطة الغليان ، وفقط من سطح السائل ؛ أثناء الغليان ، يحدث تكوين البخار في جميع أنحاء حجم السائل بأكمله.
يبدأ الغليان عند درجة حرارة يكون عندها ضغط بخار التشبع في الفقاعات مساويًا للضغط في السائل.
كلما زاد الضغط الخارجي ، زادت نقطة الغليان. لذلك ، في غلاية بخار عند ضغط يصل إلى 1.6 10 6 باسكال ، لا يغلي الماء حتى عند درجة حرارة 200 درجة مئوية. في المؤسسات الطبيةفي الأوعية محكمة الإغلاق - الأوتوكلاف ( شكل 11.2) غليان الماء يحدث أيضًا في ضغط دم مرتفع. لذلك ، فإن درجة غليان السائل أعلى بكثير من 100 درجة مئوية. تستخدم الأوتوكلاف للتعقيم الأدوات الجراحيةوإلخ.

والعكس صحيح تقليل الضغط الخارجي ، وبالتالي نخفض درجة الغليان. عن طريق ضخ الهواء وبخار الماء من القارورة ، يمكنك جعل الماء يغلي عند درجة حرارة الغرفة (شكل 11.3). عندما تتسلق الجبال ، ينخفض ​​الضغط الجوي ، وبالتالي تقل درجة الغليان. على ارتفاع 7134 م (قمة لينين في باميرس) ، يكون الضغط حوالي 4 10 4 باسكال (300 مم زئبق). يغلي الماء هناك عند درجة حرارة 70 درجة مئوية. من المستحيل طهي اللحوم في هذه الظروف.

كل سائل له نقطة غليانه الخاصة ، والتي تعتمد على ضغط بخاره المشبع. كلما زاد ضغط البخار المشبع ، انخفضت نقطة غليان السائل ، لأنه عند درجات الحرارة المنخفضة يصبح ضغط البخار المشبع مساويًا للضغط الجوي. على سبيل المثال ، عند نقطة غليان تبلغ 100 درجة مئوية ، يكون ضغط بخار الماء المشبع 101،325 باسكال (760 ملم زئبق) ، وبخار الزئبق 117 باسكال (0.88 ملم زئبق). يغلي الزئبق عند درجة حرارة 357 درجة مئوية ضغط عادي.
يغلي السائل عندما يصبح ضغط بخاره المشبع مساويًا للضغط داخل السائل.

???
1. لماذا تزيد درجة الغليان مع زيادة الضغط؟
2. لماذا من الضروري أن يزيد الغليان من ضغط البخار المشبع في الفقاعات وليس لزيادة ضغط الهواء الموجود فيها؟
3. كيف تجعل السائل يغلي عن طريق تبريد الوعاء؟ (هذا سؤال مخادع.)

جي يا مياكيشيف ، بي بي بوكوفتسيف ، إن إن سوتسكي ، الفيزياء للصف العاشر

محتوى الدرس ملخص الدرسدعم إطار عرض الدرس بأساليب متسارعة تقنيات تفاعلية ممارسة مهام وتمارين امتحان ذاتي ورش عمل ، تدريبات ، حالات ، أسئلة ، واجبات منزلية ، أسئلة مناقشة ، أسئلة بلاغية من الطلاب الرسوم التوضيحية مقاطع الصوت والفيديو والوسائط المتعددةصور ، صور رسومات ، جداول ، مخططات فكاهة ، نوادر ، نكت ، أمثال كاريكاتورية ، أقوال ، ألغاز كلمات متقاطعة ، اقتباسات الإضافات الملخصاترقائق المقالات لأوراق الغش الفضولي والكتب المدرسية الأساسية والإضافية معجم مصطلحات أخرى تحسين الكتب المدرسية والدروستصحيح الأخطاء في الكتاب المدرسيتحديث جزء في الكتاب المدرسي من عناصر الابتكار في الدرس واستبدال المعرفة القديمة بأخرى جديدة فقط للمعلمين دروس مثاليةخطة التقويم للسنة القواعد الارشاديةبرامج المناقشة دروس متكاملة

إذا كانت لديك تصحيحات أو اقتراحات لهذا الدرس ،

لتنظيم ضغط التبخر ، استخدم منظم KVP ، المثبت على خط الشفط في اتجاه مجرى التيار للمبخر (الشكل 6.13).

بالإضافة إلى وظيفته الرئيسية ، يوفر منظم ضغط التبخير الحماية في حالة حدوث انخفاض قوي في ضغط التبخر من أجل منع تجمد الماء المبرد في مسار التبادل الحراري لمبخرات مبردات الماء.

يعمل المنظم على النحو التالي: عندما يرتفع الضغط فوق الضغط المحدد ، يفتح المنظم ، وعندما ينخفض ​​الضغط عن القيمة المحددة ، يتم إغلاقه. إشارة التحكم هي فقط الضغط عند مدخل المنظم.

في التركيبات التي تحتوي على عدة مبخرات وتعمل بضغوط تبخر مختلفة ، يتم تثبيت المنظم بعد المبخر ، حيث يكون الضغط أعلى. لتجنب تكثف مادة التبريد أثناء التوقف ، يتم تركيب صمام عدم رجوع على خط الشفط بعد المبخر مباشرة بأدنى ضغط. في التركيبات ذات المبخرات المتوازية والضاغط المشترك ، يتم تثبيت منظم على خط الشفط للحفاظ على نفس الضغط في المبخرات.

بالإضافة إلى هذا النوع من المنظمين ، يتم تثبيت ضغط التبخر باستخدام أنظمة تحكم إلكترونية لغرف تبريد واحدة أو أكثر ، وخزائن ، وما إلى ذلك ، مما يوفر دقة عالية في الحفاظ على درجة الحرارة المحددة (± 0.5 كلفن) في نطاق واسع من سعة التبريد - من 10 إلى 100٪ من القيمة الاسمية.

8. منظمو الأداء.

تساعد وحدات التحكم في السعة (الشكل 6.14) قدرة تبريد الضاغط على التكيف مع التغير في الحمل الحراري على المبخر في التركيبات التي تحتوي على شحنة منخفضة جدًا من مادة التبريد. إنها تتجنب ضغط الشفط المنخفض والبدء غير المجدي.

مع انخفاض الحمل الحراري على المبخر ، ينخفض ​​ضغط الشفط ، مما يتسبب في حدوث فراغ في الدائرة ، مما يؤدي إلى خطر دخول الرطوبة إلى المنشأة. عندما ينخفض ​​ضغط الشفط عن القيمة المحددة ، يفتح المنظم ، مما يتسبب في انتقال كمية معينة من الغازات الساخنة من التفريغ إلى الشفط. نتيجة لذلك ، يزيد ضغط الشفط وتقل قدرة التبريد. يتفاعل المنظم فقط مع الضغط في خط الشفط ، أي عند الخروج منه.

9. بدء المنظمين.

تتيح منظمات البدء إمكانية تجنب تشغيل الضاغط وتشغيله عند قيم ضغط شفط عالية جدًا ، والتي تحدث بعد توقف طويل للماكينة أو بعد إزالة الجليد من المبخر.

ينتمي منظم البدء KVL إلى نوع منظمات الضغط الخانق "بعد نفسه". يحافظ على ضغط ثابت في خط الشفط بين المنظم والضاغط ويفرغ الضاغط عند بدء التشغيل.

يعمل ضغط مدخل المنظم على المنفاخ من الأسفل وعلى لوحة الصمام من الأعلى. نظرًا لأن المنطقة الفعالة من المنفاخ تعادل مساحة الفتحة ، يتم تحييد ضغط المدخل. يعمل ضغط المخرج (في علبة المرافق) على لوحة الصمام من الأسفل ، مما يبطل قوة شد الزنبرك القابل للتعديل. هاتان القوتان هما القوى المؤثرة للجهة المنظمة. عندما ينخفض ​​الضغط المنظم عند المنفذ (في علبة المرافق) ، يفتح الصمام ، ويمرر بخار مادة التبريد إلى الضاغط. ل وحدات التبريدقدرة عالية ، والتركيب المتوازي لوحدات التحكم في بدء التشغيل KVL ممكن. في هذه الحالة ، يتم اختيار المنظمين من نفس حالة انخفاض الضغط في كل خط أنابيب والأداء المكافئ.

يتم ضبط المنظم على القيم القصوى ، دون تجاوز القيم الموصى بها من قبل الشركة المصنعة للضاغط أو وحدة التكثيف. يتم الإعداد وفقًا لقراءات مقياس الضغط على خط الشفط للضاغط.

يتم تثبيت منظم البدء على خط الشفط بين المبخر والضاغط (الشكل 6.15).

في هذا المنظم ، من الممكن توصيل خط استخلاص البخار من خلال منفذ قياس الضغط على أنبوب المدخل بقطر تجويف 1/4 ". مع طريقة التنظيم هذه ، يتم استخراج البخار" بعد نفسه ".

يتم تحديد اختيار منظم البداية من خلال خمسة مؤشرات رئيسية:

نوع المبرد

أداء النظام،

ضغط تصميم الشفط ،

أقصى ضغط تصميم ،

انخفاض الضغط في المنظم.

يحدد الفرق بين التصميم والحد الأقصى لضغط الشفط التصميمي المدة التي سيفتح فيها الصمام. يعد انخفاض الضغط عبر المنظم عاملاً مهمًا ، حيث تؤثر خسائر الضغط في خط الشفط على أداء الماكينة. لذلك ، يجب الحفاظ على انخفاض الضغط عبر المنظم عند أدنى حد ممكن. عادة ، في أنظمة التبريد ذات درجة الحرارة المنخفضة ، يكون انخفاض الضغط 3 ... 7 كيلو باسكال. الحد الأقصى لانخفاض الضغط لمعظم أنظمة التبريد هو 14 كيلو باسكال.

عند الفتح الأقصى للصمام ، يوفر المنظم ، من ناحية ، أقصى أداء ، ومن ناحية أخرى ، يتسبب في خسائر كبيرة في الضغط ، مما يقلل من أداء النظام. لذلك ، يجب أن يظل انخفاض الضغط عبر المنظم منخفضًا قدر الإمكان.

تبدأ عملية التبخر المكثف للسائل عند درجة حرارة عندما يتجاوز ضغط بخار السائل الضغط الخارجي للغلاف الجوي للغاز فوق السائل. عند نقطة الغليان ، يحدث تكوين البخار في كتلة السائل بأكملها ويتدفق عند درجة حرارة ثابتة تقريبًا حتى الانتقال الكامل للسائل (مكون واحد) والبخار. من خلال خفض الضغط بشكل مصطنع ، من الممكن جعل السائل يغلي في درجات حرارة منخفضة ، وهو ما يستخدم على نطاق واسع في التكنولوجيا ، حيث يسهل العثور عليه مادة مناسبةللأجهزة. تحتوي تقنية التفريغ الحديثة تحت تصرفها على مضخات دوارة قوية قادرة على خلق فراغ لا يتجاوز فيه الضغط المتبقي 0.001 مم زئبق ، ومضخات الانتشار النفاث التي تخلق فراغًا يصل إلى 10 فولت - 7-10 فولت - 8 مم زئبق. فن.
يستخدم التقطير الفراغي للحصول على معادن عالية النقاء ؛ الزنك ، الكادميوم ، المغنيسيوم ، الكالسيوم ، إلخ. عادة ما تعمل في ضغوط أعلى بقليل من ضغط بخار المعدن المقطر عند نقطة انصهاره. بعد ذلك ، عن طريق تقطير المعدن السائل ، يتم الحصول على مكثف صلب ، مما يجعل من الممكن تطبيقه بشدة تصميم بسيطجهاز التقطير الموضح في الشكل. 24. الجهاز عبارة عن اسطوانة ، يوجد في الجزء السفلي منها وعاء به معدن مقطر سائل. تتكثف الأبخرة في الجزء العلوي من الأسطوانة على مركب خاص اسطوانة معدنية(مكثف) على شكل قشرة بلورية ، والتي ، بعد نهاية العملية ، يتم إزالتها مع المكثف. قبل تسخين المعدن ، يتم أولاً ضخ الهواء خارج الجهاز بمضخة تفريغ ، ومن ثم يتم استعادة الفراغ من حين لآخر ، والذي يتغير بسبب تسرب الهواء من الخارج من خلال تسريبات الجهاز. إذا كان الجهاز محكمًا بدرجة كافية ، فعندئذٍ أثناء عملية التقطير ، نظرًا لعدم إطلاق الغازات غير القابلة للتكثيف ، فإن التشغيل المستمر لمضخة التفريغ ليس ضروريًا.

الجهاز الموصوف بسيط للغاية ، فهو مصنوع من الفولاذ أو سبائك معدنية مقاومة للحرارة. ما هو مهم بشكل خاص ، يتم تبريد غلافه وجميع الأجزاء المانعة للتسرب بالماء ، أي أنها تعمل في درجة حرارة الغرفة ، مما يسمح باستخدام مواد مانعة للتسرب متطورة للغاية - المطاط ، والمعاجين الفراغية ، وما إلى ذلك. يسمح استخدام الفراغ بالتنظيف عن طريق التقطير عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا (700-900 درجة مئوية) مثل المعادن النشطة كيميائيًا والعادية جدًا مثل الكالسيوم والمغنيسيوم والباريوم ، والتي لا يمكن تقطيرها عند الضغط الجوي بسبب استحالة اختيار المواد للمعدات.
دعونا نفكر في ميزات عملية التبخر في الفراغ.
مخطط الحالة سائل - بخار مع انخفاض في الضغط له نفس خصائص الرسوم البيانية لـ الضغط الجوي، فقط خطوط السائل والبخار تتحرك إلى المنطقة ذات درجات الحرارة المنخفضة. ويترتب على ذلك أن كفاءة فصل المكونات أثناء تبخر محلولها في الفراغ هي نفسها تقريبًا عند الضغط الجوي ، ولكنها تتم في درجات حرارة منخفضة ؛ تكون درجة الحرارة أقل كلما كان الفراغ المطبق أعمق. تتمثل إحدى سمات عملية التفريغ في عدم احتباس قطرات السائل الصغيرة مع الأبخرة ، والتي يتم ملاحظتها دائمًا عند العمل تحت الضغط الجوي. أثناء الغليان السريع للسائل ، تؤدي الفقاعات المتفجرة للبخار المتصاعد من عمق السائل إلى تناثر الأبخرة التي تنقلها الأبخرة إلى المكثف وتلوث ناتج التقطير. في الفراغ (عميق بدرجة كافية) ، لا يحدث تناثر ، لأن عملية الغليان تختلف اختلافًا جوهريًا عن الغليان عند الضغط الجوي. في الفراغ ، يتكون البخار فقط على سطح السائل ، ولا تتشكل الفقاعات داخل السائل ، والسطح هادئ ، ولا يغلي ، وبالتالي لا يمكن أن تحدث البقع. لذلك ، ينتج عن التقطير الفراغي نواتج تقطير أنقى من التقطير الجوي.
دعونا نستخدم مثالاً لإظهار خصوصية عملية الغليان في الفراغ. دع في حالة واحدة الماء يغلي في وعاء بعمق طبقة 250 مم عند الضغط الجوي (760 مم زئبق). ثم البخار المنبعث من سطح الماء ، للتغلب على الضغط الخارجي ، يجب أن يكون له ضغط جوي (760 ملم زئبق) ، والذي يتطور عند درجة حرارة سطح الماء 100 درجة. يجب أن يكون لفقاعة البخار المتكونة في قاع الوعاء ضغط أعلى ، لأنه بالإضافة إلى ضغط الغلاف الجوي ، فإنها تحتاج إلى التغلب على الضغط الهيدروستاتيكي لعمود مائي يبلغ ارتفاعه 250 مم ، وهو ما يتوافق مع ضغط زائد قدره 18 ملم زئبق. فن. وبالتالي ، يجب أن يكون ضغط البخار المنطلق من قاع الوعاء 760 + 18 = 778 مم زئبق. الفن ، الذي يتوافق مع درجة حرارة الماء في قاع الإناء 100.6 درجة. يعتبر ارتفاع درجة حرارة الماء في القاع (0.6 درجة) حقيقيًا تمامًا ، وتستمر عملية الغليان بطريقة يتشكل فيها البخار في كتلة الطبقة بأكملها. يغلي الماء بقوة ويتناثر مع انكسار الفقاعات على السطح.
فكر الآن في غلي نفس الطبقة من الماء في فراغ 4.58 ملم زئبق. فن. بالنسبة للغليان ، يجب أن تكون درجة حرارة الطبقة السطحية للماء 0 درجة ، وعندها يكون ضغط البخار المشبع 4.58 مم زئبق. فن. يجب أن تتغلب الفقاعة التي تتشكل في الأسفل على الضغط الهيدروستاتيكي لعمود مائي يبلغ 250 مم ، وهو ما يتوافق مع ضغط يبلغ 18 مم زئبق. الفن ، ويبلغ ضغطها الإجمالي 4.58 + 18 = 22.58 ملم زئبق. فن. سيكون للماء ضغط بخار مشبع عند درجة حرارة ~ 23 درجة ، أي لكي تتشكل فقاعة بخار في قاع الوعاء ، من الضروري أن تكون درجة الحرارة 23 درجة في القاع. من المستحيل الحصول على مثل هذا الاختلاف بين درجات الحرارة بالقرب من القاع وعلى السطح ، حيث سيتم منع ذلك عن طريق التيارات الحرارية. وبالتالي ، لن تتكون الفقاعات في عمق الطبقة السائلة وسيتم التبخير فقط من سطح السائل.
تتمتع مصهورات المعادن بموصلية حرارية عالية ، مما يمنع ارتفاع درجة الحرارة الموضعية للسائل ، وبالتالي الغليان مع تكوين الفقاعات.
حتى يصبح الضغط في الجهاز صغيرًا جدًا ، يتم تبادل الجزيئات بين سطح السائل والبخار ويتم إنشاء توازن بخار سائل متنقل. يتدفق تيار الغاز التقليدي للبخار إلى المكثف ويتم تحديد نتائج عملية التقطير بواسطة مخطط حالة بخار السائل.
إذا كان الضغط في الجهاز منخفضًا جدًا بحيث يصبح متوسط ​​المسار الحر للجزيئات المزيد من الأحجامالجهاز ، طبيعة عملية التقطير تتغير جذريا.
في ظل هذه الظروف ، لا يوجد تبادل للجزيئات بين الأبخرة والسائل ، ولم يتم إنشاء توازن بخار سائل متنقل ، ولا يصف مخطط حالة بخار السائل عملية التبخر. شار غاز عادي بين المبخر والمكثف. يتشكل ، جزيئات البخار المنفصلة عن سطح السائل تتبع مسارًا مستقيمًا ، دون أن تصطدم بجزيئات أخرى ، تسقط على السطح البارد للمكثف وتبقى هناك - تتكثف ؛ عملية التبخر لا رجوع فيها تمامًا ولها طابع التبخر الجزيئي. يتم تحديد نتيجة التقطير من خلال معدل التبخر ، والذي يعتمد على نوع المادة المبخرة ودرجة الحرارة ويكون مستقلاً عن الضغط الخارجي في النظام ، إذا كان هذا الضغط منخفضًا بدرجة كافية. يمكن حساب معدل التبخر في ظل هذه الظروف باستخدام صيغة Langmuir:

إذا أخذنا معدل التبخر من كتلة مادة ما تتبخر في الثانية من سطح الوحدة ، معبرة عن ضغط البخار p في ملليمتر من الزئبق واستبدال قيم R و بقيمهما العددية ، نحصل على المعادلة (III ، 13 ) بشكل مختلف مناسب للحسابات العملية:

في عملية التبخر الجزيئي ، يمكن فصل المواد التي لها نفس ضغط البخار إذا كانت أوزانها الجزيئية مختلفة ، كما أثبتت التجارب على فصل النظائر.

17.10.2019

في الجزء الروسي ، تزدهر أعمال مجموعة هوفمان. تمكن شركاء مجموعة الشركات من زيادة حجم المبيعات في الاتحاد الروسي من سنة إلى أخرى ....

17.10.2019

البلاستيك مادة عملية ورخيصة. هذا يسبب لها تطبيق واسعفي إنتاج الأشياء. ومع ذلك ، فإنه أيضا له عيوب ...

17.10.2019

يستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ على نطاق واسع في مختلف مجالات الصناعة والبناء. يتم استخدام المعدن المدرفل ومنتجاته من قبل شركات بناء السفن و ...

17.10.2019

سلك الحياكة مواد البناءعلى شكل خيط رفيع ، يستخدم لتصنيع الفولاذ منخفض الكربون المدلفن ، يخضع ...

17.10.2019

ألواح الفلين مصنوعة من مواد طبيعية. لهذا الغرض ، يتم استخدام لحاء البلوط (ينمو بلوط الفلين في شمال إفريقيا وفي بعض مناطق الجنوب ...

17.10.2019

غالبًا ما يعزز النشاط الاقتصادي البشري عملية تآكل التربة الطبيعي. يتغير الارتياح تدريجياً ، ويتم إنشاء القنوات ، واتجاه النهر ، والخنادق تتغير ...

17.10.2019

قد تختلف وظائف التسمية. بعد وضع العلامات على المنتج ، تصبح مصدرًا للبيانات حول الشركة المصنعة والمنتجات ، وتستخدم كوسيلة للترويج و ...

يتضح من المنطق أعلاه أن درجة غليان السائل يجب أن تعتمد على الضغط الخارجي. تؤكد الملاحظات هذا.

كلما زاد الضغط الخارجي ، زادت نقطة الغليان. لذلك ، في غلاية بخار عند ضغط يصل إلى 1.6 10 6 باسكال ، لا يغلي الماء حتى عند درجة حرارة 200 درجة مئوية. في المؤسسات الطبية ، يحدث غليان الماء في أوعية محكمة الإغلاق - الأوتوكلاف (الشكل 6.11) أيضًا عند ضغط مرتفع. لذلك ، فإن نقطة الغليان أعلى بكثير من 100 درجة مئوية. تستخدم الأوتوكلاف لتعقيم الأدوات الجراحية والضمادات وما إلى ذلك.

على العكس من ذلك ، عن طريق تقليل الضغط الخارجي ، فإننا بذلك نخفض نقطة الغليان. تحت جرس مضخة الهواء ، يمكنك جعل الماء يغلي في درجة حرارة الغرفة (الشكل 6.12). عندما تتسلق الجبال ، ينخفض ​​الضغط الجوي ، وبالتالي تقل درجة الغليان. على ارتفاع 7134 م (قمة لينين في باميرس) ، يكون الضغط حوالي 4 10 4 باسكال (300 مم زئبق). يغلي الماء هناك عند درجة حرارة 70 درجة مئوية. من المستحيل طهي اللحوم على سبيل المثال في هذه الظروف.

يوضح الشكل 6.13 اعتماد نقطة غليان الماء على الضغط الخارجي. من السهل أن نرى أن هذا المنحنى هو أيضًا منحنى يعبر عن اعتماد ضغط بخار الماء المشبع على درجة الحرارة.

الفرق في درجات غليان السوائل

كل سائل له نقطة الغليان الخاصة به. يتم تحديد الفرق في نقاط غليان السوائل من خلال الاختلاف في ضغط أبخرتها المشبعة عند نفس درجة الحرارة. على سبيل المثال ، بخار الأثير الموجود بالفعل في درجة حرارة الغرفة له ضغط أكبر من نصف الضغط الجوي. لذلك ، لكي يصبح ضغط بخار الأثير مساويًا للغلاف الجوي ، هناك حاجة إلى زيادة طفيفة في درجة الحرارة (تصل إلى 35 درجة مئوية). في الزئبق ، الأبخرة المشبعة لها ضغط ضئيل للغاية في درجة حرارة الغرفة. يصبح ضغط بخار الزئبق مساوياً للغلاف الجوي فقط مع زيادة كبيرة في درجة الحرارة (تصل إلى 357 درجة مئوية). عند درجة الحرارة هذه ، إذا كان الضغط الخارجي 105 باسكال ، يغلي الزئبق.

يعتبر الاختلاف في نقاط غليان المواد مفيدًا بشكل كبير في التكنولوجيا ، على سبيل المثال ، في فصل المنتجات البترولية. عند تسخين الزيت ، تتبخر الأجزاء المتطايرة الأكثر قيمة (البنزين) أولاً وقبل كل شيء ، وبالتالي يمكن فصلها عن المخلفات "الثقيلة" (الزيوت وزيت الوقود).

يغلي السائل عندما يساوي ضغط البخار المشبع الضغط داخل السائل.

§ 6.6. حرارة التبخير

هل الطاقة مطلوبة لتحويل السائل إلى بخار؟ ربما نعم! أليس كذلك؟

لاحظنا (انظر الفقرة 1.6) أن تبخر السائل يترافق مع تبريده. للحفاظ على درجة حرارة السائل المتبخر دون تغيير ، يجب توفير الحرارة له من الخارج. بالطبع ، يمكن أن تنتقل الحرارة نفسها إلى سائل من الأجسام المحيطة. لذلك ، يتبخر الماء الموجود في الزجاج ، لكن درجة حرارة الماء ، التي تكون أقل إلى حد ما من درجة حرارة الهواء المحيط ، تظل دون تغيير. تنتقل الحرارة من الهواء إلى الماء حتى يتبخر كل الماء.

للحفاظ على غليان الماء (أو أي سائل آخر) ، يجب أيضًا تزويده بالحرارة باستمرار ، على سبيل المثال ، عن طريق تسخينه بموقد. في هذه الحالة ، لا ترتفع درجة حرارة الماء والوعاء ، ولكن تتشكل كمية معينة من البخار كل ثانية.

وبالتالي ، من أجل تحويل السائل إلى بخار عن طريق التبخر أو الغليان ، يلزم تدفق الحرارة. كمية الحرارة المطلوبة لتحويل كتلة معينة من السائل إلى بخار عند نفس درجة الحرارة تسمى حرارة تبخر ذلك السائل.

ما هي الطاقة التي يزود بها الجسم؟ بادئ ذي بدء ، لزيادة طاقتها الداخلية أثناء الانتقال من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية: بعد كل شيء ، في هذه الحالة ، يزداد حجم المادة من حجم السائل إلى حجم البخار المشبع. وبالتالي ، فإن متوسط ​​المسافة بين الجزيئات يزيد ، ومن ثم طاقتها الكامنة.

بالإضافة إلى ذلك ، عندما يزداد حجم مادة ما ، يتم العمل ضد قوى الضغط الخارجي. عادة ما يكون هذا الجزء من حرارة التبخر في درجة حرارة الغرفة نسبة مئوية قليلة من إجمالي حرارة التبخر.

تعتمد حرارة التبخر على نوع السائل وكتلته ودرجة حرارته. يتميز اعتماد حرارة التبخر على نوع السائل بقيمة تسمى الحرارة النوعية للتبخر.

الحرارة النوعية لتبخير سائل معين هي نسبة حرارة تبخر السائل إلى كتلته:

(6.6.1)

أين ص- الحرارة النوعية لتبخير السائل ؛ ر- كتلة السائل س نهي حرارة التبخر. وحدة SI للحرارة النوعية للتبخير هي الجول لكل كيلوغرام (J / kg).

الحرارة النوعية لتبخير الماء عالية جدا: 2.256 10 6 جول / كغ عند درجة حرارة 100 درجة مئوية. بالنسبة للسوائل الأخرى (الكحول ، الأثير ، الزئبق ، الكيروسين ، إلخ) ، تكون الحرارة النوعية للتبخير أقل بـ 3-10 مرات.

حالات المادة

بخار الحديد والهواء الصلب

أليس هو مزيج غريب من الكلمات؟ ومع ذلك ، هذا ليس هراء على الإطلاق: كل من بخار الحديد والهواء الصلب موجودان في الطبيعة ، ولكن ليس في الظروف العادية.

ما هي الشروط التي نتحدث عنها؟ يتم تحديد حالة المادة من خلال حالتين: درجة الحرارة والضغط.

تحدث حياتنا في ظروف متغيرة قليلة نسبيًا. يتقلب ضغط الهواء في حدود نسبة مئوية قليلة حول جو واحد ؛ درجة حرارة الهواء ، على سبيل المثال ، في منطقة موسكو تقع في نطاق من -30 إلى + 30 درجة مئوية ؛ في مقياس درجة الحرارة المطلقة ، حيث يتم أخذ أدنى درجة حرارة ممكنة (-273 درجة مئوية) على أنها صفر ؛ سيبدو هذا الفاصل الزمني أقل إثارة للإعجاب: 240-300 كلفن ، وهو أيضًا ± 10٪ فقط من متوسط ​​القيمة.

من الطبيعي تمامًا أننا اعتدنا على هذه الظروف العادية ، وبالتالي عندما نقول حقائق بسيطة مثل: "الحديد مادة صلبة ، والهواء غاز" ، وما إلى ذلك ، فإننا ننسى أن نضيف: "في ظل الظروف العادية".

إذا تم تسخين الحديد ، فإنه يذوب أولاً ثم يتبخر. إذا تم تبريد الهواء ، فسوف يتحول أولاً إلى سائل ، ثم يتجمد.

حتى لو لم يلتق القارئ أبدًا ببخار الحديد والهواء الصلب ، فمن المحتمل أن يعتقد بسهولة أن أي مادة ، من خلال تغيير درجة الحرارة ، يمكن الحصول عليها في حالات صلبة وسائلة وغازية ، أو ، كما يقولون ، في الحالة الصلبة والسائلة أو مراحل غازية.

من السهل الإيمان بهذا لأن مادة واحدة ، بدونها ستكون الحياة على الأرض مستحيلة ، لاحظها الجميع في شكل غاز ، وكسائل ، وفي شكل جسم صلب. نحن بالطبع نتحدث عن الماء.

ما هي الشروط التي بموجبها تتغير المادة من حالة إلى أخرى؟

الغليان

إذا قمنا بخفض الترمومتر في الماء الذي يتم سكبه في الغلاية ، وقمنا بتشغيل الموقد الكهربائي ومراقبة الزئبق في مقياس الحرارة ، فسنرى ما يلي: على الفور تقريبًا سيرتفع مستوى الزئبق. إنها بالفعل 90 ، 95 ، أخيرًا 100 درجة مئوية. يغلي الماء ، وفي نفس الوقت يتوقف ارتفاع الزئبق. كان الماء يغلي لعدة دقائق ، لكن مستوى الزئبق لا يتغير. حتى يغلي كل الماء ، لن تتغير درجة الحرارة (الشكل 4.1).

أرز. 4.1

أين تذهب الحرارة إذا لم تتغير درجة حرارة الماء؟ الجواب واضح. تتطلب عملية تحويل الماء إلى بخار طاقة.

لنقارن بين طاقة جرام من الماء وجرام من البخار المتكون منه. جزيئات البخار متباعدة أكثر من جزيئات الماء. من الواضح أنه بسبب هذا ، فإن الطاقة الكامنة للمياه ستختلف عنها الطاقة الكامنةزوج.

تتناقص الطاقة الكامنة للجسيمات المنجذبة كلما اقتربت من بعضها البعض. لذلك ، فإن طاقة البخار أكبر من طاقة الماء ، وتحويل الماء إلى بخار يتطلب طاقة. يتم توصيل هذه الطاقة الزائدة عن طريق موقد كهربائي إلى الماء المغلي في غلاية.

الطاقة اللازمة لتحويل الماء إلى بخار ؛ تسمى حرارة التبخر. يتطلب الأمر 539 سعرة حرارية لتحويل 1 جرام من الماء إلى بخار (هذا هو الرقم لدرجة حرارة 100 درجة مئوية).

إذا ذهب 539 كال إلى 1 غرام ، فسيتم إنفاق 18 * 539 = 9700 كال على 1 مول من الماء. يجب إنفاق هذه الكمية من الحرارة لكسر الروابط بين الجزيئات.

يمكنك مقارنة هذا الرقم مع مقدار العمل المطلوب لكسر الروابط داخل الجزيئية. من أجل تقسيم مول واحد من بخار الماء إلى ذرات ، يلزم حوالي 220 ألف سعر حراري ، أي 25 مرة طاقة أكثر. هذا يثبت بشكل مباشر ضعف القوى التي تربط الجزيئات ببعضها البعض ، مقارنة بالقوى التي تجمع الذرات معًا في جزيء.

درجة حرارة الغليان مقابل الضغط

نقطة غليان الماء 100 درجة مئوية ؛ قد يعتقد المرء أن هذه خاصية متأصلة في الماء ، وأن الماء ، في أي مكان وتحت أي ظروف ، سوف يغلي دائمًا عند 100 درجة مئوية.

لكن الأمر ليس كذلك ، وسكان القرى الجبلية العالية يدركون ذلك جيدًا.

بالقرب من قمة Elbrus يوجد منزل للسياح ومحطة علمية. يتساءل المبتدئون أحيانًا "مدى صعوبة سلق بيضة في الماء المغلي" أو "لماذا لا يحترق الماء المغلي". في ظل هذه الظروف ، قيل لهم أن الماء يغلي في الجزء العلوي من إلبروس بالفعل عند 82 درجة مئوية.

ما الأمر هنا؟ ما العامل الفيزيائي الذي يتعارض مع ظاهرة الغليان؟ ما هي أهمية الارتفاع؟

هذا العامل الفيزيائي هو الضغط الذي يؤثر على سطح السائل. لا تحتاج إلى الصعود إلى قمة الجبل للتحقق من صحة ما قيل.

من خلال وضع الماء الساخن تحت الجرس وضخ الهواء داخله أو خارجه ، يمكن للمرء أن يقتنع بأن نقطة الغليان ترتفع مع زيادة الضغط وتنخفض مع انخفاض الضغط.

يغلي الماء عند 100 درجة مئوية فقط عند ضغط معين - 760 ملم زئبق. فن. (أو 1 أجهزة الصراف الآلي).

يظهر في الشكل نقطة الغليان مقابل منحنى الضغط. 4.2 في الجزء العلوي من Elbrus ، يكون الضغط 0.5 ضغط جوي ، وهذا الضغط يتوافق مع نقطة غليان تبلغ 82 درجة مئوية.

أرز. 4.2

لكن الماء يغلي عند 10-15 ملم زئبق. الفن ، يمكنك الانتعاش في الطقس الحار. عند هذا الضغط ، تنخفض درجة الغليان إلى 10-15 درجة مئوية.

يمكنك حتى الحصول على "الماء المغلي" ، الذي له درجة حرارة الماء المتجمد. للقيام بذلك ، سيكون عليك تقليل الضغط إلى 4.6 ملم زئبق. فن.

يمكن ملاحظة صورة مثيرة للاهتمام إذا قمت بوضع وعاء مفتوح بالماء تحت الجرس وضخ الهواء. سيجعل الضخ الماء يغلي ، لكن الغليان يتطلب حرارة. لا يوجد مكان يأخذها منه ، وسيتعين على الماء أن يتخلى عن طاقته. ستبدأ درجة حرارة الماء المغلي في الانخفاض ، ولكن مع استمرار الضخ ، سيظل الضغط كذلك. لذلك ، لن يتوقف الغليان ، وسيستمر الماء في البرودة ويتجمد في النهاية.

هذا الغليان ماء باردلا يحدث فقط عند ضخ الهواء. على سبيل المثال ، عندما تدور مروحة السفينة ، يتحرك الضغط بسرعة سطح معدنيتنخفض طبقة الماء بشدة ويغلي الماء في هذه الطبقة ، أي تظهر فيها فقاعات عديدة مليئة بالبخار. هذه الظاهرة تسمى التجويف (من الكلمة اللاتينية cavitas - تجويف).

عن طريق خفض الضغط ، نخفض نقطة الغليان. ماذا عن زيادته؟ رسم بياني مثلنا يجيب على هذا السؤال. ضغط 15 ضغط جوي يمكن أن يؤخر غليان الماء ، سيبدأ فقط عند 200 درجة مئوية ، وضغط 80 ضغط جوي يجعل الماء يغلي فقط عند 300 درجة مئوية.

لذلك ، فإن ضغطًا خارجيًا معينًا يتوافق مع نقطة غليان معينة. ولكن يمكن أيضًا "قلب" هذا البيان ، قائلاً: كل نقطة غليان من الماء تتوافق مع ضغطها الخاص. هذا الضغط يسمى ضغط البخار.

المنحنى الذي يصور نقطة الغليان كدالة للضغط هو أيضًا منحنى ضغط البخار كدالة لدرجة الحرارة.

توضح الأشكال المرسومة على الرسم البياني لنقطة الغليان (أو الرسم البياني لضغط البخار) أن ضغط البخار يتغير بسرعة كبيرة مع درجة الحرارة. عند 0 درجة مئوية (أي 273 كلفن) ، يكون ضغط البخار 4.6 ملم زئبق. الفن ، عند 100 درجة مئوية (373 كلفن) يساوي 760 ملم زئبق. الفن ، أي يزيد بمقدار 165 مرة. عندما تتضاعف درجة الحرارة (من 0 درجة مئوية ، أي 273 كلفن ، إلى 273 درجة مئوية ، أي 546 كلفن) ، يزداد ضغط البخار من 4.6 ملم زئبق. فن. ما يصل إلى ما يقرب من 60 ضغطًا جويًا ، أي حوالي 10000 مرة.

لذلك ، على العكس من ذلك ، تتغير نقطة الغليان ببطء مع الضغط. عندما يتضاعف الضغط من 0.5 ضغط جوي إلى 1 ضغط جوي ، تزداد نقطة الغليان من 82 درجة مئوية (355 كلفن) إلى 100 درجة مئوية (373 كلفن) وعندما يتضاعف الضغط من 1 إلى 2 ضغط جوي ، من 100 درجة مئوية (373 كلفن) K) إلى 120 درجة مئوية (393 كلفن).

يتحكم نفس المنحنى الذي نفكر فيه الآن في تكثيف (سماكة) البخار في الماء.

يمكن تحويل البخار إلى ماء عن طريق الضغط أو التبريد.

أثناء الغليان وأثناء التكثيف ، لن تتحرك النقطة بعيدًا عن المنحنى حتى اكتمال تحويل البخار إلى ماء أو الماء إلى بخار. يمكن أيضًا صياغة هذا على النحو التالي: في ظل ظروف منحنىنا ، وفقط في ظل هذه الظروف ، يكون تعايش السائل والبخار ممكنًا. إذا لم يتم إضافة أو إزالة أي حرارة في نفس الوقت ، فإن كميات البخار والسائل في وعاء مغلق ستبقى دون تغيير. يُقال إن هذا البخار والسائل في حالة توازن ، ويقال إن البخار في حالة توازن مع سائله مشبع.

منحنى الغليان والتكثيف ، كما نرى ، له معنى آخر: إنه منحنى توازن السائل والبخار. يقسم منحنى التوازن مجال الرسم التخطيطي إلى قسمين. إلى اليسار وإلى الأعلى (باتجاه درجات حرارة أعلى وضغط أقل) توجد منطقة الحالة الثابتة للبخار. إلى اليمين والأسفل - منطقة الحالة المستقرة للسائل.

منحنى توازن البخار والسائل ، أي اعتماد نقطة الغليان على الضغط أو ، ما هو نفسه ، ضغط البخار على درجة الحرارة ، هو نفسه تقريبًا لجميع السوائل. في بعض الحالات ، قد يكون التغيير أكثر حدة إلى حد ما ، وفي حالات أخرى يكون أبطأ نوعًا ما ، ولكن دائمًا ما يزداد ضغط البخار بسرعة مع زيادة درجة الحرارة.

لقد استخدمنا كلمتي "غاز" و "بخار" عدة مرات. هاتان الكلمتان متماثلتان إلى حد كبير. يمكننا القول: غاز الماء هو بخار الماء ، غاز الأكسجين هو بخار سائل الأكسجين. ومع ذلك ، فقد تطورت بعض العادة في استخدام هاتين الكلمتين. نظرًا لأننا معتادون على نطاق معين لدرجات الحرارة الصغيرة نسبيًا ، فإننا عادةً ما نطبق كلمة "غاز" على تلك المواد التي يكون ضغط بخارها في درجات الحرارة العادية أعلى من الضغط الجوي. على العكس من ذلك ، نتحدث عن بخار عندما تكون المادة ، في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي ، أكثر ثباتًا في شكل سائل.

تبخر

الغليان عملية سريعة ، وفي وقت قصير لا يوجد أثر للماء المغلي ، بل يتحول إلى بخار.

ولكن هناك ظاهرة أخرى لتحويل الماء أو غيره من السوائل إلى بخار - هذا هو التبخر. يحدث التبخر في أي درجة حرارة ، بغض النظر عن الضغط ، والذي يكون دائمًا قريبًا من 760 مم زئبق في الظروف العادية. فن. التبخر ، على عكس الغليان ، عملية بطيئة للغاية. زجاجة الكولونيا التي نسينا إغلاقها ستفرغ في غضون أيام قليلة ؛ مزيد من الوقت o سيقف الصحن بالماء ، لكن عاجلاً أم آجلاً سيصبح جافًا.

يلعب الهواء دورًا مهمًا في عملية التبخر. في حد ذاته ، لا يمنع الماء من التبخر. بمجرد أن نفتح سطح السائل ، ستبدأ جزيئات الماء في التحرك إلى أقرب طبقة من الهواء.

ستزداد كثافة البخار في هذه الطبقة بسرعة ؛ بعد وقت قصير ، سيصبح ضغط البخار مساوياً لمرونة درجة حرارة الوسط. في هذه الحالة ، سيكون ضغط البخار هو نفسه تمامًا كما هو الحال في حالة عدم وجود الهواء.

لا يعني انتقال البخار إلى الهواء ، بالطبع ، زيادة الضغط. لا يزداد الضغط الكلي في الفراغ فوق سطح الماء ، بل تزداد فقط الحصة في هذا الضغط الذي يتخذه البخار ، وبالتالي تنخفض نسبة الهواء الذي يتم إزاحته بالبخار.

يوجد فوق الماء بخار ممزوج بالهواء ، وفوقه توجد طبقات من الهواء بدون بخار. سوف يختلطون حتما. سيتحرك بخار الماء باستمرار إلى طبقات أعلى ، وفي مكانه ، سيتدفق الهواء إلى الطبقة السفلية التي لا تحتوي على جزيئات الماء. لذلك ، في الطبقة الأقرب إلى الماء ، سيتم دائمًا توفير الأماكن لجزيئات الماء الجديدة. سوف يتبخر الماء باستمرار ، مع الحفاظ على ضغط بخار الماء على السطح مساويًا للمرونة ، وستستمر العملية حتى يتبخر الماء تمامًا.

بدأنا بمثال ماء الكولونيا. من المعروف أنها تتبخر بمعدلات مختلفة. الأثير يتبخر بسرعة استثنائية ، والكحول سريع إلى حد ما ، والماء أبطأ بكثير. سنفهم على الفور ما هو الأمر إذا وجدنا في الكتاب المرجعي قيم ضغط بخار هذه السوائل ، على سبيل المثال ، في درجة حرارة الغرفة. ها هي الأرقام: الأثير - 437 ملم زئبق. الفن ، الكحول - 44.5 ملم زئبق. فن. والماء - 17.5 ملم زئبق. فن.

كلما زادت المرونة ، زاد البخار في الطبقة المجاورة للهواء وكلما زادت سرعة تبخر السائل. نعلم أن ضغط البخار يزداد مع زيادة درجة الحرارة. من الواضح سبب زيادة معدل التبخر مع التسخين.

يمكن أيضًا أن يتأثر معدل التبخر بطريقة أخرى. إذا أردنا المساعدة في التبخر ، يجب أن نزيل البخار بسرعة من السائل ، أي تسريع اختلاط الهواء. هذا هو السبب في أن التبخر يتسارع بشكل كبير عن طريق نفخ السائل. على الرغم من أن الماء يحتوي على ضغط بخار صغير نسبيًا ، إلا أنه سيختفي سريعًا إذا تم وضع الصحن في مهب الريح.

لذلك من المفهوم لماذا يشعر السباح الذي يخرج من الماء بالبرودة في الريح. تسرع الرياح اختلاط الهواء بالبخار ، وبالتالي تسرع التبخر ، وتضطر حرارة التبخر للتخلي عن جسم الإنسان.

تعتمد رفاهية الشخص على ما إذا كان هناك الكثير أو القليل من بخار الماء في الهواء. كل من الهواء الجاف والرطب غير سارة. تعتبر الرطوبة طبيعية عندما تكون 60٪. وهذا يعني أن كثافة بخار الماء تبلغ 60٪ من كثافة بخار الماء المشبع عند نفس درجة الحرارة.

إذا تم تبريد الهواء الرطب ، فسيكون ضغط بخار الماء فيه مساويًا لضغط البخار عند درجة الحرارة هذه. سيصبح البخار مشبعًا ، ومع انخفاض درجة الحرارة أكثر ، سيبدأ في التكاثف في الماء. يظهر ندى الصباح ، ترطيب العشب والأوراق ، فقط بسبب هذه الظاهرة.

عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ، تبلغ كثافة بخار الماء المشبع حوالي 0.00002 جم / سم 3. سنشعر بالرضا إذا احتوى الهواء على 60٪ من هذا العدد من بخار الماء - وهو ما يعني فقط أكثر بقليل من مائة ألف من الجرام في 1 سم 3.

على الرغم من أن هذا الرقم صغير ، إلا أنه سيؤدي إلى كميات هائلة من البخار للغرفة. من السهل حساب أنه في غرفة متوسطة الحجم بمساحة 12 م 2 وارتفاع 3 أمتار ، يمكن أن "يصلح" حوالي كيلوغرام من الماء على شكل بخار مشبع.

لذلك ، إذا أغلقت هذه الغرفة بإحكام ووضعت برميل ماء مفتوحًا ، فسيتبخر لتر من الماء ، بغض النظر عن سعة البرميل.

من المثير للاهتمام مقارنة هذه النتيجة للمياه بالأرقام المقابلة للزئبق. عند نفس درجة الحرارة البالغة 20 درجة مئوية ، تكون كثافة بخار الزئبق المشبع 10-8 جم / سم 3.

في الغرفة التي ناقشناها للتو ، لن يصلح أكثر من 1 غرام من بخار الزئبق.

بالمناسبة ، يعتبر بخار الزئبق شديد السمية ، ويمكن أن يؤدي غرام واحد من بخار الزئبق إلى إلحاق أضرار جسيمة بصحة أي شخص. عند العمل بالزئبق ، يجب توخي الحذر حتى لا تتسرب حتى أصغر قطرة من الزئبق.

حرارة حرجة

كيف تحول الغاز إلى سائل؟ الرسم البياني الغليان يجيب على هذا السؤال. يمكنك تحويل الغاز إلى سائل إما عن طريق خفض درجة الحرارة أو زيادة الضغط.

في القرن التاسع عشر ، بدا رفع الضغط أسهل من خفض درجة الحرارة. في بداية هذا القرن ، تمكن الفيزيائي الإنجليزي العظيم مايكل فارادا من ضغط الغازات إلى قيم ضغط البخار وبهذه الطريقة تحول العديد من الغازات (الكلور وثاني أكسيد الكربون وما إلى ذلك) إلى سائل.

ومع ذلك ، فإن بعض الغازات - الهيدروجين والنيتروجين والأكسجين - لا تصلح للإسالة. بغض النظر عن مقدار الضغط الذي زاد ، لم يتحولوا إلى سائل. قد يعتقد المرء أن الأكسجين والغازات الأخرى لا يمكن أن تكون سائلة. تم تصنيفها على أنها غازات حقيقية أو دائمة.

في الواقع ، كانت الإخفاقات ناتجة عن سوء فهم لظرف مهم واحد.

ضع في اعتبارك سائلًا وبخارًا في حالة توازن وفكر في ما يحدث لهما مع ارتفاع نقطة الغليان ، وبالطبع مع ارتفاع الضغط وفقًا لذلك. بمعنى آخر ، تخيل أن نقطة على الرسم البياني المغلي تتحرك لأعلى على طول المنحنى. من الواضح أن السائل يتمدد مع زيادة درجة الحرارة وتقل كثافته. أما بالنسبة للبخار ، فيزداد درجة الغليان؟ بالطبع ، يساهم في توسعها ، لكن كما قلنا سابقًا ، يرتفع ضغط بخار التشبع أسرع بكثير من نقطة الغليان. لذلك ، لا تنخفض كثافة البخار ، بل على العكس تزداد بسرعة مع زيادة نقطة الغليان.

نظرًا لأن كثافة السائل تنخفض وتزداد كثافة البخار ، ثم نتحرك "لأعلى" على طول منحنى الغليان ، سنصل حتمًا إلى النقطة التي تتساوى فيها كثافة السائل والبخار (الشكل 4.3).

أرز. 4.3

عند هذه النقطة الرائعة ، والتي تسمى النقطة الحرجة ، ينتهي منحنى الغليان. نظرًا لأن جميع الاختلافات بين الغاز والسائل ترجع إلى الاختلاف في الكثافة ، عند النقطة الحرجة تصبح خصائص السائل والغاز هي نفسها. كل مادة لها درجة حرارتها الحرجة وضغطها الحرج. وهكذا ، بالنسبة للماء ، فإن النقطة الحرجة تقابل درجة حرارة 374 درجة مئوية وضغط 218.5 ضغط جوي.

إذا ضغطت غازًا تكون درجة حرارته أقل من درجة الحرارة الحرجة ، فسيتم تصوير عملية ضغطه بواسطة سهم يعبر منحنى الغليان (الشكل 4.4). هذا يعني أنه في لحظة الوصول إلى ضغط مساوٍ لضغط البخار (نقطة تقاطع السهم مع منحنى الغليان) ، سيبدأ الغاز بالتكثف في سائل. إذا كان إناءنا شفافًا ، فسنرى في هذه اللحظة بداية تكوين طبقة سائلة في قاع الوعاء. عند الضغط المستمر ، تنمو طبقة السائل حتى يتحول الغاز كله في النهاية إلى سائل. سيتطلب المزيد من الضغط زيادة الضغط.

أرز. 4.4

يختلف الوضع تمامًا عند ضغط الغاز ، حيث تكون درجة حرارته أعلى من درجة الحرارة الحرجة. يمكن وصف عملية الضغط مرة أخرى كسهم ينتقل من أسفل إلى أعلى. لكن هذا السهم الآن لا يتقاطع مع منحنى الغليان. هذا يعني أنه أثناء الضغط ، لن يتكثف البخار ، بل سيتكثف باستمرار فقط.

عند درجة حرارة أعلى من درجة الحرارة الحرجة ، يكون من المستحيل وجود سائل وغاز مفصولين بواجهة: عند الضغط على أي كثافة ، ستكون مادة متجانسة تحت المكبس ، ومن الصعب تحديد متى يمكن تسميتها بـ الغاز ومتى يمكن أن يطلق عليه سائل.

يظهر وجود نقطة حرجة أنه لا يوجد فرق جوهري بين الحالة السائلة والغازية. للوهلة الأولى ، قد يبدو أنه لا يوجد مثل هذا الاختلاف الأساسي إلا عندما نحن نتكلمدرجات حرارة أعلى من الحرجة. هذا، ومع ذلك، ليس هذا هو الحال. يشير وجود نقطة حرجة إلى إمكانية تحول سائل - سائل حقيقي يمكن سكبه في كوب - إلى حالة غازية دون أي مظهر من مظاهر الغليان.

يظهر مسار التحول هذا في الشكل. 4.4 السائل المعروف مميز بصليب. إذا خفضت الضغط قليلاً (السهم لأسفل) ، فسوف يغلي ، وسيغلي إذا رفعت درجة الحرارة قليلاً (السهم إلى اليمين). لكننا سنفعل شيئًا مختلفًا تمامًا ، سنضغط السائل بقوة شديدة ، إلى ضغط أعلى من الضغط الحرج. النقطة التي تمثل حالة السائل ستذهب رأسيًا لأعلى. ثم نقوم بتسخين السائل - هذه العملية تصور بخط أفقي. الآن ، بعد أن وجدنا أنفسنا على يمين درجة الحرارة الحرجة ، سنخفض الضغط إلى الدرجة الأولى. إذا قللنا الآن درجة الحرارة ، فيمكننا الحصول على البخار الأكثر واقعية ، والذي يمكن الحصول عليه من هذا السائل بطريقة أبسط وأقصر.

وبالتالي ، من الممكن دائمًا ، عن طريق تغيير الضغط ودرجة الحرارة لتجاوز النقطة الحرجة ، الحصول على البخار عن طريق الانتقال المستمر من السائل أو السائل من البخار. مثل هذا الانتقال المستمر لا يتطلب الغليان أو التكثيف.

المحاولات المبكرة لتسييل الغازات مثل الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين لم تنجح بسبب عدم معرفة وجود درجة حرارة حرجة. تحتوي هذه الغازات على درجات حرارة حرجة منخفضة للغاية: النيتروجين -147 درجة مئوية ، والأكسجين -119 درجة مئوية ، والهيدروجين -240 درجة مئوية ، أو 33 كلفن ، وحامل السجل هو الهيليوم ، ودرجة حرارته الحرجة 4.3 كلفن. لا يمكن عمل السائل إلا بطريقة واحدة - من الضروري تقليل درجة حرارته إلى ما دون الدرجة المحددة.

الحصول على درجات حرارة منخفضة

يمكن تحقيق انخفاض كبير في درجة الحرارة بطرق مختلفة. لكن فكرة جميع الأساليب هي نفسها: يجب أن نجبر الجسم الذي نريد تبريده على إنفاق طاقته الداخلية.

كيف افعلها؟ إحدى الطرق هي جعل السائل يغلي دون إمداد الحرارة من الخارج. للقيام بذلك ، كما نعلم ، من الضروري تقليل الضغط - لتقليله إلى قيمة ضغط البخار. سيتم استعارة الحرارة المستهلكة للغليان من السائل ودرجة حرارة السائل والبخار ، ومعها سينخفض ​​ضغط البخار. لذلك ، حتى لا يتوقف الغليان ويحدث بشكل أسرع ، يجب ضخ الهواء باستمرار خارج الوعاء مع السائل.

ومع ذلك ، هناك حد لانخفاض درجة الحرارة أثناء هذه العملية: يصبح ضغط البخار في النهاية غير مهم تمامًا ، وحتى أقوى مضخات الضخ لا يمكنها إنشاء الضغط المطلوب.

من أجل الاستمرار في خفض درجة الحرارة ، من الممكن ، عن طريق تبريد الغاز بالسائل الناتج ، تحويله إلى سائل بدرجة غليان منخفضة.

الآن يمكن تكرار عملية الضخ مع المادة الثانية وبالتالي يمكن الحصول على درجات حرارة منخفضة. إذا لزم الأمر ، يمكن تمديد طريقة "التسلسل" هذه للحصول على درجات حرارة منخفضة.

وهذا بالضبط ما فعلوه في نهاية القرن الماضي. تم إجراء تسييل الغازات على مراحل: تم تحويل الإيثيلين والأكسجين والنيتروجين والهيدروجين والمواد ذات نقاط الغليان -103 و -183 و -196 و -253 درجة مئوية ، على التوالي إلى سائل. بوجود الهيدروجين السائل ، يمكنك أيضًا الحصول على أقل سائل غليان - الهيليوم (-269 درجة مئوية). ساعد الجار على "اليسار" في جعل الجار على "اليمين".

يبلغ عمر طريقة التبريد التعاقبي ما يقرب من مائة عام. في عام 1877 تم الحصول على الهواء السائل بهذه الطريقة.

في 1884-1885. تم إنتاج الهيدروجين السائل لأول مرة. أخيرًا ، بعد عشرين عامًا أخرى ، تم الاستيلاء على القلعة الأخيرة: في عام 1908 ، حولت Kamerling-Onnes في مدينة Leiden في هولندا الهيليوم إلى سائل - مادة ذات أدنى درجة حرارة حرجة. وقد تم مؤخراً الاحتفال بالذكرى السبعين لهذا الإنجاز العلمي الهام.

لسنوات عديدة كان مختبر ليدن هو المختبر الوحيد "ذو درجة الحرارة المنخفضة". يوجد الآن في جميع البلدان العشرات من هذه المعامل ، ناهيك عن النباتات التي تنتج الهواء السائل والنيتروجين والأكسجين والهيليوم للأغراض الفنية.

نادرًا ما يتم استخدام طريقة التعاقب للحصول على درجات حرارة منخفضة. في التركيبات الفنيةلخفض درجة الحرارة ، يتم استخدام طريقة أخرى لخفض الطاقة الداخلية للغاز: تجبر الغاز على التمدد بسرعة وتعمل على حساب الطاقة الداخلية.

على سبيل المثال ، إذا تم وضع الهواء المضغوط في عدة أجواء في موسع ، فعند تنفيذ عمل تحريك المكبس أو تدوير التوربين ، سيبرد الهواء بحدة لدرجة أنه سيتحول إلى سائل. يبرد ثاني أكسيد الكربون ، إذا تم إطلاقه بسرعة من الأسطوانة ، بشكل حاد لدرجة أنه يتحول إلى "جليد" أثناء الطيران.

تستخدم الغازات السائلة على نطاق واسع في الهندسة. يستخدم الأكسجين السائل في تكنولوجيا التفجير كعنصر من مكونات خليط الوقود في المحركات النفاثة.

تُستخدم إسالة الهواء في الهندسة لفصل الغازات التي يتكون منها الهواء.

في مختلف مجالات التكنولوجيا ، يجب العمل في درجة حرارة الهواء السائل. لكن بالنسبة للعديد من الدراسات الفيزيائية ، فإن درجة الحرارة هذه ليست منخفضة بما يكفي. في الواقع ، إذا قمنا بترجمة الدرجات المئوية إلى مقياس مطلق ، فسنرى أن درجة حرارة الهواء السائل تبلغ حوالي ثلث درجة حرارة الغرفة. الأكثر إثارة للاهتمام بالنسبة للفيزياء هي درجات حرارة "الهيدروجين" ، أي درجات حرارة تتراوح بين 14-20 كلفن ، وخاصة درجات حرارة "الهيليوم". أدنى درجة حرارة يتم الحصول عليها عند ضخ الهيليوم السائل هي 0.7 كلفن.

تمكن الفيزيائيون من الاقتراب من الصفر المطلق. في الوقت الحاضر ، تم الحصول على درجات حرارة تتجاوز الصفر المطلق ببضعة آلاف من الدرجة. ومع ذلك ، يتم الحصول على درجات الحرارة شديدة الانخفاض بطرق لا تشبه تلك التي وصفناها أعلاه.

في السنوات الاخيرةأدت فيزياء درجات الحرارة المنخفضة إلى ظهور فرع خاص من الصناعة يعمل في إنتاج المعدات التي تجعل من الممكن الاحتفاظ بأحجام كبيرة عند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق ؛ تم تطوير كبلات الطاقة التي تعمل قضبان التوصيل الخاصة بها عند درجة حرارة أقل من 10 كلفن.

بخار مفرط التبريد والسائل شديد السخونة

عند انتقال نقطة الغليان ، يجب أن يتكثف البخار ويتحول إلى سائل. لكن،؛ اتضح أنه إذا لم يتلامس البخار مع السائل ، وإذا كان البخار نقيًا جدًا ، فمن الممكن الحصول على بخار فائق التبريد أو فائق التشبع - وهو بخار يجب أن يصبح سائلًا منذ فترة طويلة.

البخار المفرط غير مستقر للغاية. أحيانًا تكون دفعة أو حبة بخار ملقاة في الفضاء كافية لبدء التكثيف المتأخر.

تظهر التجربة أن تكثيف جزيئات البخار يتم تسهيله بشكل كبير عن طريق إدخال جزيئات غريبة صغيرة في البخار. في الهواء المغبر ، لا يحدث فرط لبخار الماء. يمكن أن يسبب التكثف مع نفث الدخان. بعد كل شيء ، يتكون الدخان من جزيئات صلبة صغيرة. عند دخولها البخار ، تجمع هذه الجسيمات الجزيئات حول نفسها وتصبح مراكز تكثيف.

لذلك ، على الرغم من عدم استقرار البخار ، إلا أنه يمكن أن يوجد في نطاق درجة الحرارة المتكيف مع "عمر" السائل.

هل يمكن لسائل ما أن "يعيش" في منطقة البخار تحت نفس الظروف؟ بمعنى آخر ، هل من الممكن تسخين سائل؟

اتضح أنك تستطيع. للقيام بذلك ، من الضروري التأكد من أن جزيئات السائل لا تنفصل عن سطحه. العلاج الجذري هو القضاء على السطح الحر ، أي وضع السائل في وعاء حيث يتم ضغطه من جميع الجوانب بواسطة الجدران الصلبة. بهذه الطريقة ، من الممكن تحقيق ارتفاع في درجة الحرارة بمقدار عدة درجات ، أي تحريك النقطة التي تصور حالة السوائل إلى يمين منحنى الغليان (الشكل 4.4).

السخونة الزائدة هي تحول السائل إلى منطقة بخار ، لذلك يمكن تحقيق ارتفاع درجة حرارة السائل عن طريق توفير الحرارة وتقليل الضغط.

الطريقة الأخيرة التي يمكنك من خلالها تحقيق نتائج مذهلة. يتم وضع الماء أو سائل آخر ، تم تحريره بعناية من الغازات المذابة (ليس من السهل القيام بذلك) ، في وعاء به مكبس يصل إلى سطح السائل. يجب ترطيب الوعاء والمكبس بالسائل. إذا قمت الآن بسحب المكبس نحوك ، فسوف يتبعه الماء الملتصق بقاع المكبس. لكن طبقة الماء الملتصقة بالمكبس ستسحب الطبقة التالية من الماء ، وهذه الطبقة ستسحب الطبقة السفلية ، ونتيجة لذلك سوف يتمدد السائل.

في النهاية ، عمود الماء سينكسر (عمود الماء ، وليس الماء ، هو الذي سيخرج من المكبس) ، لكن هذا سيحدث عندما تصل القوة لكل وحدة مساحة إلى عشرات الكيلوجرامات. بمعنى آخر ، يتم إنشاء ضغط سلبي لعشرات من الغلاف الجوي في السائل.

حتى في الضغوط الإيجابية المنخفضة ، تكون حالة بخار المادة مستقرة. يمكن إحضار السائل إلى ضغط سلبي. لا يمكنك تخيل مثال أكثر وضوحا على "ارتفاع درجة الحرارة".

ذوبان

لا يوجد مثل هذا الجسم الصلب الذي يقاوم ارتفاع درجة الحرارة بقدر ما هو ضروري. عاجلاً أم آجلاً ، تتحول قطعة صلبة إلى سائل ؛ صحيح ، في بعض الحالات لن نكون قادرين على الوصول إلى نقطة الانصهار - يمكن أن يحدث التحلل الكيميائي.

مع ارتفاع درجة الحرارة ، تتحرك الجزيئات بشكل أسرع وأسرع. أخيرًا ، تأتي لحظة يصبح فيها الحفاظ على النظام "بين الجزيئات" شديدة التأرجح "أمرًا مستحيلًا. يذوب الجسم الصلب. وللتنغستن أعلى نقطة انصهار: 3380 درجة مئوية يذوب الذهب عند 1063 درجة مئوية ، والحديد عند 1539 درجة مئوية. ، هناك أيضًا معادن قابلة للانصهار. الزئبق ، كما هو معروف ، يذوب بالفعل عند درجة حرارة -39 درجة مئوية.لا تحتوي المواد العضوية على نقاط انصهار عالية. يذوب النفثالين عند 80 درجة مئوية ، والتولوين - عند -94.5 درجة مئوية.

ليس من الصعب على الإطلاق قياس درجة انصهار الجسم ، خاصة إذا انصهرت في نطاق درجة الحرارة التي يتم قياسها بميزان حرارة عادي. ليس من الضروري على الإطلاق متابعة ذوبان الجسم بعينيك. يكفي إلقاء نظرة على عمود الزئبق في مقياس الحرارة. حتى يبدأ الذوبان ، ترتفع درجة حرارة الجسم (الشكل 4.5). بمجرد أن يبدأ الذوبان ، يتوقف ارتفاع درجة الحرارة وستظل درجة الحرارة دون تغيير حتى اكتمال عملية الذوبان.

أرز. 4.5

مثل تحول السائل إلى بخار ، فإن تحويل المادة الصلبة إلى سائل يتطلب حرارة. تسمى الحرارة المطلوبة لهذا بالحرارة الكامنة للانصهار. على سبيل المثال ، يتطلب إذابة كيلوغرام واحد من الثلج 80 سعرة حرارية.

الجليد هو أحد الأجسام ذات درجة حرارة عالية من الانصهار. يتطلب ذوبان الجليد ، على سبيل المثال ، طاقة 10 مرات أكثر من ذوبان نفس كتلة الرصاص. بالطبع ، نحن نتحدث عن الذوبان نفسه ، ولا نقول هنا أنه قبل أن يبدأ ذوبان الرصاص ، يجب تسخينه إلى + 327 درجة مئوية. بسبب الحرارة العالية لذوبان الجليد ، يتباطأ ذوبان الجليد. تخيل أن حرارة الذوبان ستكون أقل بعشر مرات. عندئذ ستجلب فيضانات الربيع كوارث لا يمكن تصورها كل عام.

لذا ، فإن حرارة ذوبان الجليد كبيرة ، ولكنها أيضًا صغيرة عند مقارنتها بالحرارة النوعية للتبخر البالغة 540 كيلو كالوري / كجم (أقل بسبع مرات). ومع ذلك ، فإن هذا الاختلاف طبيعي تمامًا. عند تحويل سائل إلى بخار ، يجب علينا تمزيق الجزيئات إحداهما من الأخرى ، وعند الذوبان ، علينا فقط تدمير الترتيب في ترتيب الجزيئات ، وتركها على نفس المسافات تقريبًا. من الواضح أنه يلزم عمل أقل في الحالة الثانية.

يعد وجود نقطة انصهار معينة سمة مهمة للمواد البلورية. وعلى هذا الأساس يسهل تمييزها عن المواد الصلبة الأخرى التي تسمى غير متبلورة أو زجاج. تم العثور على النظارات بين كل من المواد العضوية وغير العضوية. تصنع ألواح النوافذ عادة من سيليكات الصوديوم والكالسيوم ؛ على ال طاولة مكتبغالبًا ما يتم وضع الزجاج العضوي (ويسمى أيضًا زجاج شبكي).

المواد غير المتبلورة ، على عكس البلورات ، ليس لها نقطة انصهار محددة. الزجاج لا يذوب بل يلين. عند تسخينها ، تصبح قطعة الزجاج أولاً طرية من الصلابة ، ويمكن ثنيها أو شدها بسهولة ؛ عند درجة حرارة أعلى ، تبدأ القطعة في تغيير شكلها تحت تأثير جاذبيتها. أثناء تسخينها ، تأخذ الكتلة اللزجة السميكة للزجاج شكل الوعاء الذي تكمن فيه. تكون هذه الكتلة في البداية سميكة ، مثل العسل ، ثم مثل القشدة الحامضة ، وأخيراً ، تصبح سائلة منخفضة اللزوجة مثل الماء. مع كل رغبتنا ، لا يمكننا أن نشير هنا إلى درجة حرارة معينة لانتقال مادة صلبة إلى سائل. تكمن أسباب ذلك في الاختلاف الأساسي بين بنية الزجاج وهيكل الأجسام البلورية. كما ذكر أعلاه ، فإن الذرات في أجسام غير متبلورةرتبت بشكل عشوائي. النظارات في بنيتها تشبه السوائل ، وحتى في الزجاج الصلب ، يتم ترتيب الجزيئات عشوائيًا. هذا يعني أن زيادة درجة حرارة الزجاج لا تؤدي إلا إلى زيادة نطاق اهتزازات جزيئاته ، مما يمنحها تدريجيًا المزيد والمزيد من حرية الحركة. لذلك ، يلين الزجاج تدريجيًا ولا يظهر انتقالًا حادًا "صلبًا" - "سائل" ، وهو ما يميز الانتقال من ترتيب الجزيئات بترتيب صارم إلى ترتيب عشوائي.

عندما يتعلق الأمر بمنحنى الغليان ، قلنا أن السائل والبخار يمكن أن يعيشوا في مناطق أجنبية ، وإن كانا في حالة غير مستقرة - يمكن تبريد البخار بشكل فائق ونقله إلى يسار منحنى الغليان ، ويمكن تسخين السائل بشكل زائد وسحبه إلى اليمين من هذا المنحنى.

هل الظواهر المماثلة ممكنة في حالة البلورة بسائل؟ اتضح أن القياس هنا غير كامل.

إذا قمت بتسخين البلورة ، فسوف تبدأ في الذوبان عند نقطة الانصهار. لا يمكن أن ترتفع درجة حرارة البلورة. على العكس من ذلك ، من خلال تبريد السائل ، من الممكن ، إذا تم اتخاذ تدابير معينة ، "الانزلاق" من نقطة الانصهار بسهولة نسبية. في بعض السوائل ، يمكن تحقيق مبردات فرعية كبيرة. حتى أن هناك سوائل يسهل تبريدها الفائق ، لكن يصعب تبلورها. عندما يبرد هذا السائل ، يصبح لزجًا أكثر فأكثر ويتصلب في النهاية دون أن يتبلور. هذا هو الزجاج.

يمكنك أيضًا إعادة تبريد الماء. قد لا تتجمد قطرات الضباب حتى عندما صقيع شديد. إذا تم إلقاء بلورة من مادة ، أو بذرة ، في سائل فائق التبريد ، فسيبدأ التبلور على الفور.

أخيرًا ، في كثير من الحالات ، قد يبدأ التبلور المتأخر عن طريق اهتزاز أو أحداث عشوائية أخرى. من المعروف ، على سبيل المثال ، أنه تم الحصول على الجلسرين البلوري لأول مرة أثناء النقل من خلاله سكة حديدية. قد تبدأ النظارات بعد فترة طويلة في التبلور (نزع المزج ، أو "الانهيار" ، كما يقولون في التكنولوجيا).

كيف تنمو بلورة

يمكن لأي مادة تقريبًا أن تعطي بلورات في ظل ظروف معينة. يمكن الحصول على البلورات من محلول أو ذوبان مادة معينة ، وكذلك من بخارها (على سبيل المثال ، بلورات اليود السوداء على شكل الماس تترسب بسهولة من بخارها عند الضغط العادي دون انتقال وسيط إلى الحالة السائلة).

ابدأ بإذابة ملح الطعام أو السكر في الماء. في درجة حرارة الغرفة (20 درجة مئوية) ، ستكون قادرًا على إذابة 70 جرامًا فقط من الملح في كوب زجاجي متعدد الأوجه. إضافات أخرى من الملح لن تذوب وستستقر في القاع على شكل رواسب. الحل الذي لا يحدث فيه مزيد من الانحلال يسمى مشبع. إذا قمت بتغيير درجة الحرارة ، فإن درجة ذوبان المادة ستتغير أيضًا. يدرك الجميع جيدًا أن الماء الساخن يذيب معظم المواد بسهولة أكبر من الماء البارد.

تخيل الآن - أنك قد أعددت محلولًا مشبعًا ، على سبيل المثال ، من السكر عند درجة حرارة 30 درجة مئوية وتبدأ في تبريده إلى 20 درجة مئوية. عند 30 درجة مئوية ، كنت قادرًا على إذابة 223 جم من السكر في 100 جم من الماء ، عند 20 درجة مئوية ، يذوب 205 جم. وبعد ذلك ، عند التبريد من 30 إلى 20 درجة مئوية ، سيكون 18 جم "إضافيًا" ، كما يقولون ، سوف تسقط من الحل. لذا ، فإن إحدى الطرق الممكنة للحصول على البلورات هي تبريد المحلول المشبع.

يمكنك القيام بذلك بشكل مختلف. تحضير محلول ملح مشبع وتركه في كوب مفتوح. بعد فترة سوف تجد مظهر البلورات. لماذا تشكلوا؟ ستظهر الملاحظة الدقيقة أنه في وقت واحد مع تكوين البلورات ، حدث تغيير آخر - انخفضت كمية الماء. تبخر الماء وظهرت المادة "الزائدة" في المحلول. هكذا شيء آخر طريقة محتملةتشكيل البلورات هو تبخر المحلول.

كيف تتشكل البلورات من المحلول؟

قلنا أن بلورات الحل "تسقط". هل من الضروري أن نفهم هذا بطريقة لم يكن هناك بلورة لمدة أسبوع ، وفي لحظة واحدة ظهرت فجأة مرة واحدة؟ لا ، هذا ليس هو الحال: البلورات تنمو. لا يمكن بالطبع اكتشاف اللحظات الأولى للنمو بالعين. في البداية ، يتجمع عدد قليل من الجزيئات أو الذرات المتحركة عشوائيًا من المادة المذابة بالترتيب التقريبي اللازم لتشكيل الشبكة البلورية. تسمى هذه المجموعة من الذرات أو الجزيئات بالنواة.

تظهر التجربة أن النوى تتشكل غالبًا في وجود أي جزيئات غبار دقيقة دخيلة في المحلول. يبدأ التبلور الأسرع والأسهل عندما يتم وضع بلورة بذرة صغيرة في محلول مشبع. في هذه الحالة ، لن يتكون عزل مادة صلبة من المحلول في تكوين بلورات جديدة ، ولكن في نمو البذرة.

بطبيعة الحال ، لا يختلف نمو الجنين عن نمو البذرة. معنى استخدام البذرة هو أنها "تسحب" المادة المحررة على نفسها وبالتالي تمنع التكوين المتزامن لعدد كبير من النوى. إذا تم تشكيل العديد من النوى ، فسوف تتداخل مع بعضها البعض أثناء النمو ولن تسمح لنا بالحصول على بلورات كبيرة.

كيف يتم إطلاق أجزاء من الذرات أو الجزيئات من المحلول موزعة على سطح النواة؟

تُظهر التجربة أن نمو النواة أو البذرة يتكون ، كما كان ، من تحريك الوجوه الموازية لأنفسها في اتجاه عمودي على الوجه. في هذه الحالة ، تظل الزوايا بين الوجوه ثابتة (نعلم بالفعل أن ثبات الزوايا هو أهم ميزة للبلورة ، والتي تنبع من هيكلها الشبكي).

على التين. 4.6 يتم إعطاء الخطوط العريضة لثلاث بلورات من نفس المادة التي تحدث أثناء نموها. يمكن ملاحظة أنماط مماثلة تحت المجهر. في الحالة الموضحة على اليسار ، يتم حفظ عدد الوجوه أثناء النمو. يعطي الرسم الأوسط مثالاً لظهور وجه جديد (أعلى اليمين) ويختفي مرة أخرى.

أرز. 4.6

من المهم جدًا ملاحظة أن معدل نمو الوجوه ، أي سرعة حركتها الموازية لأنفسها ، يختلف باختلاف الوجوه. في هذه الحالة ، بالضبط تلك الوجوه التي تتحرك بشكل أسرع ، على سبيل المثال ، الوجه الأيسر السفلي في الشكل الأوسط ، "زيادة النمو" (تختفي). على العكس من ذلك ، فإن الوجوه التي تنمو ببطء هي الأوسع ، كما يقولون ، الأكثر تطوراً.

هذا واضح بشكل خاص في الشكل الأخير. يكتسب الجزء عديم الشكل نفس الشكل مثل البلورات الأخرى على وجه التحديد بسبب تباين معدل النمو. تتطور الأوجه المحددة جيدًا على حساب الآخرين بقوة وتعطي الكريستال شكلاً مميزًا لجميع عينات هذه المادة.

تُلاحظ أشكال انتقالية جميلة جدًا عندما تؤخذ الكرة كبذرة ، ويتم تبريد المحلول وتسخينه بالتناوب. عند تسخينها ، يصبح المحلول غير مشبع ، وتذوب البذور جزئيًا. يؤدي التبريد إلى تشبع المحلول ونمو البذور. لكن الجزيئات تستقر بطريقة مختلفة ، وكأنها تعطي الأفضلية لأماكن معينة. وهكذا يتم نقل المادة من مكان على الكرة إلى مكان آخر.

أولاً ، تظهر الوجوه الصغيرة على شكل دائرة على سطح الكرة. تزداد الدوائر تدريجيًا ، وتتلامس مع بعضها البعض ، وتندمج على طول الحواف المستقيمة. الكرة تتحول إلى متعدد السطوح. ثم تتفوق بعض الوجوه على البعض الآخر ، وتزداد بعض الوجوه ، ويكتسب البلور شكله المميز (الشكل 4.7).

أرز. 4.7

عند مراقبة نمو البلورات ، فإن السمة الرئيسية للنمو مدهشة - الحركة الموازية للوجوه. اتضح أن المادة المحررة تبني الوجه في طبقات: حتى تكتمل إحدى الطبقات ، لا تبدأ الطبقة التالية في التكوّن.

على التين. يوضح الشكل 4.8 التعبئة "غير المكتملة" للذرات. في أي من المواضع المشار إليها بالأحرف ستكون الذرة الجديدة أكثر ثباتًا وملتصقة بالبلورة؟ لا شك في A ، لأنه هنا يختبر جاذبية الجيران من ثلاثة جوانب ، بينما في B - من جانبين ، وفي C - من جانب واحد فقط. لذلك ، يتم إكمال العمود أولاً ، ثم المستوى بأكمله ، وعندها فقط يبدأ وضع مستوى جديد.

أرز. 4.8

في عدد من الحالات ، تتشكل البلورات من كتلة منصهرة - من ذوبان. في الطبيعة ، يحدث هذا على نطاق هائل: نشأت البازلت والجرانيت والعديد من الصخور الأخرى من الصهارة النارية.

لنبدأ في تسخين بعض المواد البلورية ، مثل الملح الصخري. حتى 804 درجة مئوية ، ستتغير بلورات الملح الصخري قليلاً: فهي تتمدد قليلاً فقط ، وتبقى المادة صلبة. يُظهر مقياس درجة الحرارة الموضوع في وعاء به مادة زيادة مستمرة في درجة الحرارة عند تسخينه. عند 804 درجة مئوية ، سنكتشف على الفور ظاهرتين جديدتين مترابطتين: ستبدأ المادة في الذوبان ، وسيتوقف ارتفاع درجة الحرارة. حتى تتحول كل المادة إلى سائل ؛ لن تتغير درجة الحرارة ؛ يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تسخين السائل بالفعل. جميع المواد البلورية لها نقطة انصهار معينة. يذوب الجليد عند 0 درجة مئوية ، ويذوب الحديد عند 1527 درجة مئوية ، ويذوب الزئبق عند -39 درجة مئوية ، إلخ.

كما نعلم بالفعل ، في كل بلورة ، تشكل الذرات أو الجزيئات من مادة ما حزمة G مرتبة وتؤدي اهتزازات صغيرة حول مواضعها المتوسطة. مع ارتفاع درجة حرارة الجسم ، تزداد سرعة الجسيمات المتذبذبة جنبًا إلى جنب مع سعة التذبذبات. هذه الزيادة في سرعة الجسيمات مع زيادة درجة الحرارة هي أحد القوانين الأساسية للطبيعة ، والتي تنطبق على المادة في أي حالة - صلبة أو سائلة أو غازية.

عندما يتم الوصول إلى درجة حرارة معينة من البلورة ، تصبح اهتزازات جزيئاتها نشطة للغاية بحيث يصبح الترتيب الدقيق للجسيمات مستحيلًا - تذوب البلورة. مع بداية الذوبان ، لم يعد يتم استخدام الحرارة المزودة لزيادة سرعة الجسيمات ، ولكن لتدمير الشبكة البلورية. لذلك ، يتم تعليق ارتفاع درجة الحرارة. التسخين اللاحق هو زيادة في سرعة الجزيئات السائلة.

في حالة التبلور من الذوبان الذي يهمنا ، يتم ملاحظة الظواهر المذكورة أعلاه بترتيب عكسي: عندما يبرد السائل ، تبطئ جزيئاته حركتها الفوضوية ؛ عندما يتم الوصول إلى درجة حرارة معينة منخفضة بما فيه الكفاية ، تكون سرعة الجسيمات منخفضة جدًا بالفعل بحيث يبدأ بعضها ، تحت تأثير قوى الجذب ، في الالتصاق ببعضها البعض ، وتشكيل نوى بلورية. حتى تتبلور كل المادة ، تظل درجة الحرارة ثابتة. درجة الحرارة هذه هي نفس درجة الانصهار بشكل عام.

إذا لم يتم اتخاذ تدابير خاصة ، فسيبدأ التبلور من الذوبان على الفور في العديد من الأماكن. ستنمو البلورات على شكل أشكال متعددة السطوح منتظمة مميزة لها بنفس الطريقة التي وصفناها أعلاه. ومع ذلك ، فإن النمو الحر لا يدوم طويلاً: النمو ، تتصادم البلورات مع بعضها البعض ، ويتوقف النمو عند نقاط التلامس ، ويكتسب الجسم المتصلب بنية حبيبية. كل حبة بلورة منفصلة ، والتي فشلت في اتخاذ شكلها الصحيح.

اعتمادًا على العديد من الظروف ، وقبل كل شيء على معدل التبريد ، قد يحتوي الجسم الصلب على حبيبات كبيرة أو أكثر: كلما كان التبريد أبطأ ، زادت الحبوب. تتراوح أحجام حبيبات الأجسام البلورية من جزء من المليون من السنتيمتر إلى عدة مليمترات. في معظم الحالات ، يمكن ملاحظة التركيب البلوري الحبيبي تحت المجهر. عادة ما تحتوي المواد الصلبة على مثل هذه البنية الدقيقة الحبيبات.

بالنسبة للتكنولوجيا ، فإن عملية تصلب المعادن ذات أهمية كبيرة. تمت دراسة الأحداث التي تحدث أثناء الصب وأثناء تصلب المعدن في القوالب من قبل علماء الفيزياء بتفصيل كبير.

بالنسبة للجزء الأكبر ، أثناء التصلب ، تنمو بلورات مفردة تشبه الأشجار ، تسمى التشعبات. في حالات أخرى ، يتم توجيه التشعبات بشكل عشوائي ، وفي حالات أخرى ، تكون متوازية مع بعضها البعض.

على التين. يوضح 4.9 مراحل نمو التغصنات الواحدة. مع هذا السلوك ، يمكن أن ينمو التغصن قبل أن يلتقي بسلوك آخر مشابه. ثم لن نجد التشعبات في الصب. يمكن أن تتطور الأحداث أيضًا بشكل مختلف: يمكن أن تلتقي التشعبات وتنمو مع بعضها البعض (فروع أحدها في الفجوات بين فروع الآخر) بينما لا تزال "شابة".

أرز. 4.9

وبهذه الطريقة ، قد تنشأ المسبوكات التي تمتلك حبيباتها (كما هو موضح في الشكل 2.22) أكبر عدد من الحبيبات هيكل مختلف. وتعتمد خصائص المعادن بشكل كبير على طبيعة هذا الهيكل. من الممكن التحكم في سلوك المعدن أثناء التصلب عن طريق تغيير معدل التبريد ونظام إزالة الحرارة.

الآن دعنا نتحدث عن كيفية زراعة بلورة واحدة كبيرة. من الواضح أنه يجب اتخاذ تدابير لضمان نمو البلورة من مكان واحد. وإذا بدأت بالفعل عدة بلورات في النمو ، فمن الضروري على أي حال التأكد من أن ظروف النمو مواتية لواحد منها فقط.

هنا ، على سبيل المثال ، كيفية المضي قدمًا عند زراعة بلورات من معادن منخفضة الذوبان. يتم صهر المعدن في أنبوب اختبار زجاجي بنهاية مسحوبة. يُنزل ببطء أنبوب اختبار معلق بخيط داخل فرن أسطواني عمودي. النهاية المسحوبة تخرج تدريجياً من الفرن وتبرد. يبدأ التبلور. في البداية ، تتشكل عدة بلورات ، ولكن تلك التي تنمو جانبًا ترتكز على جدار أنبوب الاختبار ويتباطأ نموها. فقط البلورة التي تنمو على طول محور أنبوب الاختبار ، أي في عمق الذوبان ، ستكون في ظروف مواتية. عندما يتم خفض أنبوب الاختبار ، فإن الأجزاء الجديدة من المصهور ، التي تسقط في منطقة درجات الحرارة المنخفضة ، سوف "تغذي" هذه البلورة المفردة. لذلك ، من بين كل البلورات ، هو وحده يعيش ؛ أثناء إنزال الأنبوب ، يستمر في النمو على طول محوره. في النهاية ، يتصلب كل المعدن المنصهر على شكل بلورة واحدة.

الفكرة نفسها تكمن وراء نمو بلورات الياقوت المقاومة للصهر. يتم رش مسحوق ناعم من خلال اللهب. في نفس الوقت تذوب المساحيق. تسقط القطرات الصغيرة على دعامة مقاومة للحرارة في منطقة صغيرة جدًا ، مكونة العديد من البلورات. مع سقوط القطرات أكثر على الحامل ، تنمو كل البلورات ، ولكن مرة أخرى ، تنمو البلورات التي هي في أفضل وضع "لاستقبال" القطرات المتساقطة.

ما هي البلورات الكبيرة؟

غالبًا ما تحتاج الصناعة والعلوم إلى بلورات مفردة كبيرة. أهمية عظيمةبالنسبة للتكنولوجيا ، لديهم بلورات من ملح روشيل وكوارتز ، والتي لها خاصية رائعة لتحويل الإجراءات الميكانيكية (على سبيل المثال ، الضغط) إلى جهد كهربائي.

تحتاج الصناعة البصرية إلى بلورات كبيرة من الكالسيت ، ملح الصخور ، الفلوريت ، إلخ.

تحتاج صناعة الساعات إلى بلورات الياقوت والياقوت وبعض الأحجار الكريمة الأخرى. الحقيقة هي أن الأجزاء المتحركة الفردية للساعات العادية تُحدث ما يصل إلى 20000 اهتزاز في الساعة. يضع مثل هذا الحمل العالي متطلبات عالية بشكل غير عادي على جودة أطراف المحاور والمحامل. سيكون التآكل هو الأصغر عندما يعمل الياقوت أو الياقوت كمحمل لطرف محور بقطر 0.07-0.15 مم. البلورات الاصطناعية من هذه المواد متينة للغاية ولا تتآكل كثيرًا بالفولاذ. إنه لأمر رائع ذلك أحجار اصطناعيةوبالتالي فهي أفضل من نفس الأحجار الطبيعية.

ومع ذلك ، فإن نمو بلورات مفردة من أشباه الموصلات - السليكون والجرمانيوم - له أهمية قصوى بالنسبة للصناعة.

تأثير الضغط على نقطة الانصهار

إذا تم تغيير الضغط ، ستتغير نقطة الانصهار أيضًا. التقينا بنفس الانتظام عندما تحدثنا عن الغليان. لمزيد من الضغط كلما ارتفعت درجة الغليان. كقاعدة عامة ، هذا ينطبق أيضًا على الذوبان. ومع ذلك ، هناك عدد قليل من المواد التي تتصرف بشكل غير طبيعي: تقل درجة انصهارها مع زيادة الضغط.

الحقيقة هي أن الغالبية العظمى من المواد الصلبة أكثر كثافة من سوائلها. الاستثناء من هذا dravil هو على وجه التحديد تلك المواد التي لا تتغير نقطة انصهارها بشكل طبيعي مع تغيير في الضغط ، على سبيل المثال ، الماء. الجليد أخف من الماء ، وتقل درجة انصهار الجليد مع زيادة الضغط.

يعزز الضغط تشكيل حالة أكثر كثافة. إذا كانت المادة الصلبة أكثر كثافة من السائل ، فإن الضغط يساعد على التصلب ويمنع الذوبان. ولكن إذا كان الانضغاط يعيق الانصهار ، فهذا يعني أن المادة تظل صلبة ، بينما في وقت سابق عند درجة الحرارة هذه كانت ستذوب بالفعل ، أي مع زيادة الضغط ، تزداد نقطة الانصهار. في حالة غير طبيعيةالسائل أكثر كثافة من المادة الصلبة ، والضغط يساعد في تكوين السائل ، أي يخفض نقطة الانصهار.

تأثير الضغط على نقطة الانصهار أقل بكثير من تأثير الغليان. تؤدي زيادة الضغط بأكثر من 100 كجم / سم 2 إلى خفض درجة انصهار الجليد بمقدار 1 درجة مئوية.

لماذا تنزلق الزلاجات على الجليد فقط ، ولكن ليس على الباركيه الأملس بنفس القدر؟ على ما يبدو ، فإن التفسير الوحيد هو تكوين الماء الذي يشحم التزلج. لفهم التناقض الذي نشأ ، علينا أن نتذكر ما يلي: الزلاجات غير الحادة تنزلق بشكل سيء للغاية على الجليد. يجب شحذ الزلاجات لقطع الجليد. في هذه الحالة ، فقط طرف حافة الحافة يضغط على الجليد. يصل الضغط على الجليد إلى عشرات الآلاف من الغلاف الجوي ، ولا يزال الجليد يذوب.

تبخر المواد الصلبة

عندما يقولون "تتبخر مادة ما" ، فإنهم يعنون عادة أن السائل يتبخر. لكن المواد الصلبة يمكن أن تتبخر أيضًا. في بعض الأحيان يسمى تبخر المواد الصلبة التسامي.

المادة الصلبة المتبخرة هي النفثالين ، على سبيل المثال. يذوب النفثالين عند 80 درجة مئوية ويتبخر في درجة حرارة الغرفة. إنها خاصية النفثالين التي تسمح باستخدامه لإبادة العث.

معطف من الفرو مغطى بالنفثالين مشبع ببخار النفثالين ويخلق جوًا لا يستطيع العث تحمله. أي رائحة صلبة تسامي إلى حد كبير. بعد كل شيء ، تتشكل الرائحة من جزيئات انفصلت عن المادة ووصلت إلى أنفنا. ومع ذلك ، هناك حالات أكثر تكرارًا حيث يتم تسامي المادة إلى درجة غير مهمة ، وأحيانًا إلى درجة لا يمكن اكتشافها حتى عن طريق البحث الدقيق للغاية. من حيث المبدأ ، تتبخر أي مادة صلبة (على وجه التحديد ، حتى الحديد أو النحاس). إذا لم نكتشف التسامي ، فهذا يعني فقط أن كثافة بخار التشبع منخفضة جدًا.

يمكن ملاحظة أن عددًا من المواد التي لها رائحة نفاذة في درجة حرارة الغرفة تفقدها عند درجة حرارة منخفضة.

تزداد كثافة البخار المشبع في حالة توازن مع مادة صلبة بسرعة مع زيادة درجة الحرارة. أوضحنا هذا السلوك بمنحنى الجليد الموضح في الشكل. 4.10. صحيح أن الجليد لا يشم ...

أرز. 4.10

في معظم الحالات ، من المستحيل زيادة كثافة البخار المشبع للمادة الصلبة لسبب بسيط - المادة سوف تذوب في وقت مبكر.

يتبخر الجليد أيضًا. هذا معروف جيدًا لربات البيوت اللائي يعلقن ملابس مبللة ليجف في الطقس البارد ، يتجمد الماء أولاً ، ثم يتبخر الجليد ، ويتحول الغسيل إلى جاف.

النقطة الثلاثية

لذلك ، هناك ظروف يمكن أن يتواجد فيها البخار والسائل والبلور في أزواج في حالة توازن. هل يمكن أن تكون جميع الحالات الثلاث في حالة توازن؟ توجد مثل هذه النقطة على الرسم البياني للضغط ودرجة الحرارة ، وتسمى ثلاثية. أين هي؟

إذا وضعت الماء مع الجليد الطافي في وعاء مغلق عند درجة صفر ، فحينئذٍ مساحة فارغةستبدأ أبخرة الماء (و "الجليد") في التدفق. عند ضغط بخار يبلغ 4.6 ملم زئبق. فن. سيتوقف التبخر وسيبدأ التشبع. الآن ستكون المراحل الثلاث - الجليد والماء والبخار - في حالة توازن. هذه هي النقطة الثلاثية.

تظهر العلاقة بين الحالات المختلفة بوضوح ووضوح في الرسم البياني للمياه الموضح في الشكل. 4.11.

أرز. 4.11

يمكن إنشاء مثل هذا الرسم البياني لأي شخص.

المنحنيات في الشكل مألوفة لنا - هذه هي منحنيات التوازن بين الجليد والبخار والجليد والماء والماء والبخار. كالعادة ، يتم رسم الضغط عموديًا ، ويتم رسم درجة الحرارة أفقيًا.

تتقاطع المنحنيات الثلاثة عند النقطة الثلاثية وتقسم الرسم البياني إلى ثلاث مناطق - المساحات المعيشية للجليد والماء وبخار الماء.

مخطط الحالة هو مرجع موجز. والغرض منه هو الإجابة على السؤال عن حالة الجسم المستقرة عند هذا الضغط وكذا وكذا وكذا درجة الحرارة.

إذا تم وضع الماء أو البخار في ظروف "المنطقة اليسرى" ، فسوف يتحولان إلى جليد. إذا تم إدخال سائل أو جسم صلب في "المنطقة السفلية" ، فسيتم الحصول على البخار. في "المنطقة الصحيحة" سوف يتكثف البخار ويذوب الجليد.

يتيح لك الرسم التخطيطي لوجود المراحل الإجابة على الفور عما يحدث للمادة عند تسخينها أو عند ضغطها. يظهر التسخين عند ضغط ثابت كخط أفقي في الرسم التخطيطي. تتحرك نقطة على طول هذا الخط من اليسار إلى اليمين ، وتمثل حالة الجسم.

يوضح الشكل خطين من هذا القبيل ، أحدهما يتم تسخينه عند الضغط العادي. يقع الخط فوق النقطة الثلاثية. لذلك ، سوف تعبر أولاً منحنى الذوبان ، ثم خارج الرسم ، منحنى التبخر. سوف يذوب الثلج عند الضغط العادي عند درجة حرارة 0 درجة مئوية ، وسيغلي الماء الناتج عند 100 درجة مئوية.

سيكون الوضع مختلفًا بالنسبة للثلج المسخن عند ضغط منخفض جدًا ، على سبيل المثال أقل بقليل من 5 مم زئبق. فن. يتم تمثيل عملية التسخين بخط أسفل النقطة الثلاثية. لا تتقاطع منحنيات الذوبان والغليان مع هذا الخط. عند مثل هذا الضغط الخفيف ، سيؤدي التسخين إلى انتقال مباشر للجليد إلى بخار.

على التين. 4.12 ، يوضح نفس الرسم البياني ما هي ظاهرة مثيرة للاهتمام ستحدث عندما يتم ضغط بخار الماء في الحالة المميزة بصليب في الشكل. سيتحول البخار أولاً إلى جليد ثم يذوب. يتيح لك الشكل معرفة الضغط الذي سيبدأ فيه نمو البلورة ومتى سيحدث الانصهار على الفور.

أرز. 4.12

مخططات الحالة لجميع المواد متشابهة مع بعضها البعض. كبيرة ، من وجهة النظر اليومية ، تنشأ اختلافات بسبب حقيقة أن موقع النقطة الثلاثية على الرسم التخطيطي يمكن أن يكون مختلفًا تمامًا بالنسبة للمواد المختلفة.

بعد كل شيء ، نحن نعيش بالقرب من "الظروف العادية" ، أي في المقام الأول عند ضغط قريب من جو واحد. إن كيفية تحديد النقطة الثلاثية للمادة بالنسبة إلى خط الضغط الطبيعي أمر مهم جدًا بالنسبة لنا.

إذا كان الضغط عند النقطة الثلاثية أقل من الضغط الجوي ، فعندئذٍ بالنسبة لنا ، عندما نعيش في ظروف "طبيعية" ، فإن المادة تذوب. عندما ترتفع درجة الحرارة ، يتحول أولاً إلى سائل ، ثم يغلي.

في الحالة المعاكسة - عندما يكون الضغط عند النقطة الثلاثية أعلى من الضغط الجوي - لن نرى سائلًا عند تسخينه ، ستتحول المادة الصلبة مباشرة إلى بخار. هذه هي الطريقة التي يتصرف بها "الثلج الجاف" ، وهو أمر مناسب جدًا لبائعي الآيس كريم. يمكن نقل قوالب الآيس كريم بقطع من "الثلج الجاف" ولا تخافوا من أن يصبح الآيس كريم رطبًا. "الجليد الجاف" هو ثاني أكسيد الكربون الصلب. النقطة الثلاثية لهذه المادة تقع عند 73 ضغط جوي. لذلك ، عند تسخين ثاني أكسيد الكربون الصلب ، تتحرك النقطة التي تمثل حالته أفقيًا ، متقاطعة فقط منحنى تبخر المادة الصلبة (نفس الشيء بالنسبة لـ جليد عاديعند ضغط حوالي 5 ملم زئبق. فن.).

لقد أخبرنا القارئ بالفعل كيف يتم تحديد درجة حرارة واحدة على مقياس كلفن ، أو ، كما يتطلب نظام SI الآن ، كلفن واحد. ومع ذلك ، كان الأمر يتعلق بمبدأ تحديد درجة الحرارة. لا تمتلك جميع معاهد المترولوجيا موازين حرارة غازية مثالية. لذلك ، تم بناء مقياس درجة الحرارة بمساعدة نقاط التوازن التي تحددها الطبيعة بين حالات المادة المختلفة.

تلعب النقطة الثلاثية للمياه دورًا خاصًا في هذا. يتم تحديد درجة كلفن الآن على أنها 273.16 من درجة الحرارة الديناميكية الحرارية للنقطة الثلاثية للماء. تؤخذ النقطة الثلاثية للأكسجين تساوي 54.361 كلفن. تم ضبط درجة حرارة تصلب الذهب على 1337.58 كلفن باستخدام هذه النقاط المرجعية ، يمكن معايرة أي مقياس حرارة بدقة.

نفس الذرات ، لكن ... بلورات مختلفة

الجرافيت الناعم الأسود غير اللامع الذي نكتب به والماس اللامع والشفاف والقاسي والقطع الزجاجي مبني من ذرات الكربون نفسها. لماذا تختلف خصائص هاتين المادتين المتماثلتين؟

تذكر شبكة الجرافيت ذات الطبقات ، التي تحتوي كل ذرة منها على ثلاثة أقرب جيران ، وشبكة الماس التي تحتوي ذرتها على أربعة جيران أقرب. يوضح هذا المثال بوضوح أن خصائص البلورات يتم تحديدها من خلال الترتيب المتبادل للذرات. يستخدم الجرافيت في صنع بوتقات حرارية يمكنها تحمل درجات حرارة تصل إلى ألفين إلى ثلاثة آلاف درجة ، وحروق الماس عند درجات حرارة أعلى من 700 درجة مئوية ؛ كثافة الماس 3.5 ، وكثافة الجرافيت 2.3 ؛ يجري الجرافيت كهرباء، الماس - لا يؤدي ، إلخ.

ليس الكربون وحده هو الذي يمتلك هذه الميزة في إنتاج بلورات مختلفة. يمكن أن يوجد كل عنصر كيميائي تقريبًا ، وليس فقط العنصر ، ولكن أي مادة كيميائية ، في عدة أنواع. ستة أنواع من الجليد ، وتسعة أنواع من الكبريت ، وأربعة أنواع من الحديد معروفة.

عند مناقشة مخطط الدولة ، لم نتحدث عنه أنواع مختلفةبلورات ورسم مساحة واحدة من المادة الصلبة. وهذه المنطقة الخاصة بالعديد من المواد مقسمة إلى أقسام ، كل منها يتوافق مع "درجة" معينة من الجسم الصلب أو ، كما يقولون ، مرحلة صلبة معينة (تعديل بلوري معين).

كل مرحلة بلورية لها منطقتها الخاصة من الحالة المستقرة ، مقيدة بنطاق معين من الضغوط ودرجات الحرارة. قوانين تحويل نوع بلوري إلى آخر هي نفس قوانين الذوبان والتبخر.

لكل ضغط ، يمكنك تحديد درجة الحرارة التي يتعايش فيها كلا النوعين من البلورات بسلام. إذا زادت درجة الحرارة ، ستتحول بلورة من نوع واحد إلى بلورة من النوع الثاني. إذا تم تخفيض درجة الحرارة ، سيحدث التحول العكسي.

لكي يتحول الكبريت الأحمر إلى اللون الأصفر عند الضغط الطبيعي ، يجب أن تكون درجة الحرارة أقل من 110 درجة مئوية. فوق هذه الدرجة ، وحتى نقطة الانصهار ، يكون ترتيب الذرات المميزة للكبريت الأحمر مستقرًا. تنخفض درجة الحرارة ، وتقل اهتزازات الذرات ، وبدءًا من 110 درجة مئوية ، تجد الطبيعة ترتيبًا أكثر ملاءمة للذرات. هناك تحول من بلورة إلى أخرى.

ستة جليد مختلفلم يخترع أحد اسمًا. هكذا يقولون: جليد واحد ، ثلج اثنان ، .... ، ثلج سبعة. ماذا عن سبعة ، إذا كان هناك ستة أصناف فقط؟ الحقيقة هي أن الجليد أربعة لم يتم اكتشافه خلال التجارب المتكررة.

إذا تم ضغط الماء عند درجة حرارة حوالي الصفر ، فعند ضغط حوالي 2000 ضغط جوي من الجليد يتكون خمسة ، وعند ضغط حوالي 6000 ضغط جوي من الجليد يتكون ستة.

الجليد الثاني والثلج الثالث مستقران عند درجات حرارة أقل من الصفر.

سبعة الجليد - الجليد الساخن. يأتي من الضغط ماء ساخنحتى ضغوط تصل إلى حوالي 20000 جهاز صراف آلي.

كل الجليد ، باستثناء الجليد العادي ، أثقل من الماء. يتصرف الجليد الناتج في الظروف العادية بشكل غير طبيعي ؛ على العكس من ذلك ، فإن الجليد الذي يتم الحصول عليه في ظل ظروف مختلفة عن المعتاد يتصرف بشكل طبيعي.

نقول أن كل تعديل بلوري يتميز بمنطقة معينة من الوجود. ولكن إذا كان الأمر كذلك ، فكيف يوجد الجرافيت والماس في نفس الظروف؟

مثل هذا "الفوضى" في عالم البلورات شائع جدًا. تكاد تكون القدرة على العيش في ظروف "أجنبية" بالنسبة للبلورات هي القاعدة. إذا كان من أجل نقل بخار أو سائل إلى مناطق وجود غريبة ، يتعين على المرء أن يلجأ إلى حيل مختلفة ، فعندئذٍ لا يمكن إجبار البلورة ، على العكس من ذلك ، على البقاء ضمن الحدود التي تخصصها لها الطبيعة.

يتم تفسير ارتفاع درجة حرارة البلورات والتبريد الفائق من خلال صعوبة تحويل طلب إلى آخر في ظل ظروف الازدحام الشديد. يجب أن يتحول الكبريت الأصفر إلى اللون الأحمر عند 95.5 درجة مئوية. مع التسخين السريع إلى حد ما أو أقل ، سوف "نتخطى" نقطة التحول هذه ونرفع درجة الحرارة إلى درجة انصهار الكبريت 113 درجة مئوية.

من الأسهل اكتشاف درجة حرارة التحول الحقيقية عندما تتلامس البلورات. إذا تم وضعهما عن قرب فوق الآخر وتم الاحتفاظ بهما عند 96 درجة مئوية ، فإن اللون الأصفر سوف يأكل باللون الأحمر ، وعند 95 درجة مئوية سوف يمتص اللون الأصفر اللون الأحمر. على عكس التحول "البلوري السائل" ، عادة ما تتأخر التحولات "البلورية البلورية" أثناء التبريد الفائق والسخونة الزائدة.

في بعض الحالات ، نتعامل مع مثل هذه الحالات من المادة ، والتي من المفترض أن تعيش في درجات حرارة مختلفة تمامًا.

يجب أن يتحول لون القصدير الأبيض إلى اللون الرمادي عندما تنخفض درجة الحرارة إلى +13 درجة مئوية. عادة ما نتعامل مع القصدير الأبيض ونعلم أنه لا شيء يتم التعامل معه في الشتاء. إنه يتحمل تمامًا انخفاض حرارة الجسم من 20 إلى 30 درجة. ومع ذلك ، في ظروف الشتاء القاسية ، يتحول القصدير الأبيض إلى اللون الرمادي. كان الجهل بهذه الحقيقة أحد الظروف التي أفسدت حملة سكوت الاستكشافية القطب الجنوبي(1912). كان الوقود السائل المأخوذ من البعثة في سفن محشوة بالقصدير. في نزلات البرد الشديدة ، يتحول القصدير الأبيض إلى مسحوق رمادي - كانت الأوعية غير ملحومة ؛ وانسكب الوقود. لا عجب أن ظهور بقع رمادية على القصدير الأبيض يسمى طاعون القصدير.

تمامًا كما في حالة الكبريت ، يمكن تحويل القصدير الأبيض إلى اللون الرمادي عند درجة حرارة تقل قليلاً عن 13 درجة مئوية ؛ إذا سقطت حبة صغيرة من الصنف الرمادي على جسم بيوتر.

إن وجود عدة أنواع من نفس المادة والتأخير في تحولاتها المتبادلة لهما أهمية كبيرة بالنسبة للتكنولوجيا.

في درجة حرارة الغرفة ، تشكل ذرات الحديد شبكة مكعبة محورها الجسم ، حيث تحتل الذرات مواقع في الرؤوس وفي وسط المكعب. كل ذرة لديها 8 جيران. في درجات الحرارة المرتفعة ، تشكل ذرات الحديد "عبوة" أكثر كثافة - كل ذرة لها 12 مجاورة. الحديد مع 8 جيران ناعم ، والحديد مع 12 جارًا صعب. اتضح أنه من الممكن الحصول على الحديد من النوع الثاني في درجة حرارة الغرفة. تستخدم هذه الطريقة - التصلب - على نطاق واسع في علم المعادن.

يتم إجراء التصلب بكل بساطة - يكون الجسم المعدني شديد السخونة ، ثم يتم إلقاؤه في الماء أو الزيت. يحدث التبريد بسرعة كبيرة بحيث لا يوجد وقت لحدوث تحول الهيكل ، الذي يكون مستقرًا عند درجة حرارة عالية. وبالتالي ، فإن البنية ذات درجة الحرارة المرتفعة ستظل موجودة إلى أجل غير مسمى في ظل ظروف غير معتادة بالنسبة لها: تتم إعادة التبلور إلى هيكل مستقر ببطء شديد بحيث يصبح غير محسوس من الناحية العملية.

عند الحديث عن تصلب الحديد ، لم نكن دقيقين تمامًا. يتم تقسية الصلب ، أي يحتوي الحديد على أجزاء من نسبة مئوية من الكربون. يؤخر وجود شوائب كربونية صغيرة جدًا تحول الحديد الصلب إلى ناعم ويسمح بالتصلب. أما بالنسبة للحديد النقي تمامًا ، فلا يمكن تقويته - فالتحول في الهيكل له وقت حتى يحدث حتى مع التبريد المفاجئ.

اعتمادًا على نوع مخطط الحالة ، عن طريق تغيير الضغط أو درجة الحرارة ، يتم تحقيق بعض التحولات.

يتم ملاحظة العديد من التحولات من الكريستال إلى البلورات مع تغير الضغط وحده. وبهذه الطريقة تم الحصول على الفوسفور الأسود.

أرز. 4.13

كان من الممكن تحويل الجرافيت إلى الماس فقط باستخدام كل من درجات الحرارة العالية والضغط العالي في نفس الوقت. على التين. يوضح الشكل 4.13 مخطط حالة الكربون. عند ضغوط أقل من عشرة آلاف من الغلاف الجوي وعند درجات حرارة أقل من 4000 كلفن ، يعد الجرافيت تعديلًا مستقرًا. وهكذا ، يعيش الماس في ظروف "غريبة" ، لذلك يمكن بسهولة تحويله إلى جرافيت. لكن المشكلة العكسية ذات فائدة عملية. لا يمكن تحويل الجرافيت إلى الماس إلا بزيادة الضغط. يبدو أن تحول الطور في الحالة الصلبة يسير ببطء شديد. يشير ظهور مخطط الحالة إلى الحل الصحيح: زيادة الضغط والحرارة في نفس الوقت. ثم نحصل على (الزاوية اليمنى من الرسم البياني) الكربون المصهور. تبريده ضغط مرتفع، علينا الوصول إلى منطقة الماس.

تم إثبات الإمكانية العملية لمثل هذه العملية في عام 1955 ، وفي الوقت الحالي تعتبر المشكلة قد تم حلها تقنيًا.

سائل مذهل

إذا خفضت درجة حرارة الجسم ، فسوف تتصلب عاجلاً أم آجلاً وتكتسب بنية بلورية. لا يهم ضغط التبريد الذي يحدث. يبدو هذا الظرف طبيعيًا ومفهومًا تمامًا من وجهة نظر قوانين الفيزياء التي تعرفنا عليها بالفعل. في الواقع ، من خلال خفض درجة الحرارة ، نقوم بتقليل شدة الحركة الحرارية. عندما تصبح حركة الجزيئات ضعيفة لدرجة أنها لم تعد تتداخل مع قوى التفاعل بينها ، تصطف الجزيئات بترتيب منظم - إنها تشكل بلورة. مزيد من التبريد سوف يزيل كل طاقة حركتها من الجزيئات ، وعند الصفر المطلق يجب أن توجد المادة في شكل جزيئات في حالة سكون مرتبة في شبكة منتظمة.

تظهر التجربة أن جميع المواد تتصرف بهذه الطريقة. الكل ، باستثناء واحد وفقط: مثل هذا "غريب الأطوار" هو الهيليوم.

لقد قدمنا ​​بالفعل للقارئ بعض المعلومات حول الهيليوم. يحمل الهيليوم الرقم القياسي في درجة حرارته الحرجة. لا توجد مادة تحتوي على درجة حرارة حرجة أقل من 4.3 كلفن ، ومع ذلك ، فإن هذا السجل في حد ذاته لا يعني أي شيء يثير الدهشة. شيء آخر مذهل: بتبريد الهيليوم تحت درجة الحرارة الحرجة ، والوصول إلى الصفر المطلق تقريبًا ، لن نحصل على الهيليوم الصلب. يبقى الهيليوم سائلاً حتى عند الصفر المطلق.

إن سلوك الهليوم لا يمكن تفسيره تمامًا من وجهة نظر قوانين الحركة التي حددناها وهي إحدى علامات الصلاحية المحدودة لقوانين الطبيعة هذه ، والتي بدت كونية.

إذا كان الجسم سائلاً ، فإن ذراته تتحرك. لكن بعد كل شيء ، بعد أن قمنا بتبريد الجسم إلى الصفر المطلق ، أخذنا منه كل طاقة الحركة. علينا أن نعترف بأن للهيليوم طاقة حركة لا يمكن التخلص منها. هذا الاستنتاج لا يتوافق مع الآليات التي تعاملنا معها حتى الآن. وفقًا لهذه الميكانيكا التي درسناها ، يمكن دائمًا إبطاء حركة الجسم إلى نقطة توقف كاملة عن طريق التخلص من كل طاقته الحركية ؛ بالطريقة نفسها ، من الممكن إيقاف حركة الجزيئات بسحب طاقتها عندما تصطدم بجدران وعاء مبرد. بالنسبة للهيليوم ، من الواضح أن هذه الميكانيكا غير مناسبة.

يعتبر السلوك "الغريب" للهيليوم مؤشرًا على حقيقة ذات أهمية كبيرة. لقد التقينا أولاً باستحالة تطبيق القوانين الأساسية للميكانيكا في عالم الذرات ، والتي تم إنشاؤها من خلال الدراسة المباشرة لحركة الأجسام المرئية ، وهي القوانين التي بدت أنها الأساس الثابت للفيزياء.

حقيقة أن الهيليوم "يرفض" التبلور عند الصفر المطلق لا يمكن التوفيق بينها بأي شكل من الأشكال مع الآليات التي درسناها حتى الآن. التناقض الذي التقينا به لأول مرة - عصيان عالم الذرات لقوانين الميكانيكا - ليس سوى الحلقة الأولى في سلسلة التناقضات الأكثر حدة والأكثر حدة في الفيزياء.

أدت هذه التناقضات إلى الحاجة إلى مراجعة أسس ميكانيكا العالم الذري. هذا التنقيح عميق للغاية ويؤدي إلى تغيير في فهمنا الكامل للطبيعة.

إن الحاجة إلى مراجعة جذرية لميكانيكا العالم الذري لا تعني أنه يجب علينا وضع حد لقوانين الميكانيكا التي درسناها. سيكون من غير العدل إجبار القارئ على تعلم أشياء غير ضرورية. الميكانيكا القديمة صالحة تمامًا في عالم الأجسام الكبيرة. هذا يكفي بالفعل للتعامل مع فصول الفيزياء ذات الصلة باحترام كامل. ومع ذلك ، من المهم أيضًا أن يتم تمرير عدد من قوانين الميكانيكا "القديمة" إلى الميكانيكا "الجديدة". وهذا يشمل ، على وجه الخصوص ، قانون الحفاظ على الطاقة.

إن وجود طاقة "غير قابلة للإزالة" عند الصفر المطلق ليس خاصية خاصة للهيليوم. يتحول؛ الطاقة "صفر" موجودة في جميع المواد.

تكفي هذه الطاقة في الهيليوم فقط لمنع الذرات من تكوين الشبكة البلورية الصحيحة.

ليس من الضروري الاعتقاد بأن الهيليوم لا يمكن أن يكون في حالة بلورية. من أجل بلورة الهيليوم ، من الضروري فقط زيادة الضغط إلى حوالي 25 ضغط جوي. سيؤدي التبريد الذي يتم إجراؤه عند ضغط أعلى إلى تكوين هيليوم بلوري صلب بخصائص عادية تمامًا. يشكل الهيليوم شبكة شعرية مكعبة الوجه.

على التين. يوضح الشكل 4.14 مخططًا لحالة الهيليوم. وهو يختلف بشكل حاد عن الرسوم البيانية لجميع المواد الأخرى في حالة عدم وجود نقطة ثلاثية. لا تتقاطع منحنيات الذوبان والغليان.

أرز. 4.14

ومخطط الحالة الفريد هذا له ميزة أخرى: هناك نوعان من سائلي الهيليوم المختلفين ما الفرق بينهما - سوف تتعلم بعد ذلك بقليل.