>>Fyzika: Závislost tlaku nasycených par na teplotě. Vařící

Kapalina se jen tak nevypaří. Při určité teplotě se vaří.
Tlak nasycených par versus teplota. Stav syté páry, jak ukazuje zkušenost (o tom jsme mluvili v předchozím odstavci), je přibližně popsán stavovou rovnicí ideálního plynu (10.4) a její tlak je určen vzorcem

Jak teplota stoupá, tlak stoupá. Tak jako Tlak nasycených par nezávisí na objemu, závisí tedy pouze na teplotě.
Nicméně závislost r n.p. z T, nalezený experimentálně, není přímo úměrný, jako v ideálním plynu při konstantním objemu. S rostoucí teplotou roste tlak skutečné nasycené páry rychleji než tlak ideálního plynu ( obr.11.1, úsek křivky AB). To se stane zřejmým, když body nakreslíme izochory ideálního plynu ALE a V(Přerušované čáry). Proč se tohle děje?

Při zahřívání kapaliny v uzavřené nádobě se část kapaliny promění v páru. Výsledkem je, že podle vzorce (11.1) tlak nasycených par se zvyšuje nejen v důsledku zvýšení teploty kapaliny, ale také v důsledku zvýšení koncentrace molekul (hustoty) par. V zásadě je nárůst tlaku s rostoucí teplotou určen právě nárůstem koncentrace. Hlavní rozdíl v chování ideálního plynu a syté páry je ten, že při změně teploty páry v uzavřené nádobě (nebo při změně objemu při konstantní teplotě) se změní hmotnost páry. Kapalina se částečně mění v páru, nebo naopak pára částečně kondenzuje. S ideálním plynem se nic takového neděje.
Když se všechna kapalina odpaří, pára přestane být při dalším zahřívání nasycená a její tlak při konstantním objemu vzroste přímo úměrně s absolutní teplotou (viz obr. obr.11.1, úsek křivky slunce).
. S rostoucí teplotou kapaliny se zvyšuje rychlost odpařování. Nakonec se tekutina začne vařit. Při varu se v celém objemu kapaliny tvoří rychle rostoucí bublinky páry, které vyplouvají na povrch. Bod varu kapaliny zůstává konstantní. Je to proto, že veškerá energie dodaná do kapaliny je vynaložena na její přeměnu na páru. Za jakých podmínek začíná var?
V kapalině jsou vždy přítomny rozpuštěné plyny, které se uvolňují na dně a stěnách nádoby a dále na prachové částice suspendované v kapalině, které jsou centry odpařování. Kapalné páry uvnitř bublin jsou nasycené. S rostoucí teplotou se zvyšuje tlak par a bubliny se zvětšují. Působením vztlakové síly se vznášejí nahoru. Pokud mají horní vrstvy kapaliny nižší teplotu, pak pára kondenzuje v těchto vrstvách v bublinách. Tlak rychle klesá a bubliny kolabují. Kolaps je tak rychlý, že se stěny bubliny srazí a způsobí něco jako výbuch. Mnoho z těchto mikrovýbuchů vytváří charakteristický šum. Když se tekutina dostatečně zahřeje, bublinky se přestanou srážet a vyplavou na povrch. Tekutina se bude vařit. Pozorně sledujte konvici na sporáku. Zjistíte, že před varem téměř přestane vydávat hluk.
Závislost tlaku nasycených par na teplotě vysvětluje, proč bod varu kapaliny závisí na tlaku na jejím povrchu. Bublina páry může růst, když tlak nasycené páry uvnitř ní mírně převyšuje tlak v kapalině, který je součtem tlaku vzduchu na povrchu kapaliny (vnější tlak) a hydrostatického tlaku sloupce kapaliny.
Věnujme pozornost tomu, že k odpařování kapaliny dochází při teplotách nižších než je bod varu, a to pouze z povrchu kapaliny, při varu dochází k tvorbě páry v celém objemu kapaliny.
Vaření začíná při teplotě, při které se tlak nasycených par v bublinkách rovná tlaku v kapalině.
Čím větší je vnější tlak, tím vyšší je bod varu. Takže v parním kotli při tlaku dosahujícím 1,6 10 6 Pa voda nevře ani při teplotě 200°C. V lékařské ústavy v hermeticky uzavřených nádobách - autoklávech ( obr.11.2) k varu vody dochází i při vysoký krevní tlak. Proto je bod varu kapaliny mnohem vyšší než 100 °C. Ke sterilizaci se používají autoklávy chirurgické nástroje atd.

A naopak, snížením vnějšího tlaku snížíme tím bod varu. Odčerpáním vzduchu a vodní páry z baňky můžete přivést vodu k varu při pokojová teplota (obr.11.3). Jak stoupáte do hor, atmosférický tlak klesá, takže bod varu klesá. V nadmořské výšce 7134 m (vrchol Lenina v Pamíru) je tlak přibližně 4 10 4 Pa ​​​​ (300 mm Hg). Voda se tam vaří asi 70°C. Za těchto podmínek není možné vařit maso.

Každá kapalina má svůj vlastní bod varu, který závisí na tlaku její nasycené páry. Čím vyšší je tlak nasycených par, tím nižší je bod varu kapaliny, protože při nižších teplotách se tlak nasycených par rovná atmosférickému tlaku. Například při teplotě varu 100 °C je tlak nasycené vodní páry 101 325 Pa (760 mm Hg) a páry rtuti pouze 117 Pa (0,88 mm Hg). Rtuť vře při 357 °C při normální tlak.
Kapalina se vaří, když se tlak nasycených par rovná tlaku uvnitř kapaliny.

???
1. Proč se s rostoucím tlakem zvyšuje bod varu?
2. Proč je pro var nezbytné zvýšit tlak nasycené páry v bublinách, a ne zvýšit tlak vzduchu v nich přítomného?
3. Jak přivést kapalinu k varu ochlazením nádoby? (Toto je záludná otázka.)

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Physics Grade 10

Obsah lekce shrnutí lekce podpora rámcová lekce prezentace akcelerační metody interaktivní technologie Praxe úkoly a cvičení sebezkouška workshopy, školení, případy, questy domácí úkoly diskuze otázky řečnické otázky studentů Ilustrace audio, videoklipy a multimédia fotografie, obrázky, grafika, tabulky, schémata humor, anekdoty, vtipy, komiksová podobenství, rčení, křížovky, citáty Doplňky abstraktyčlánky čipy pro zvídavé cheat sheets učebnice základní a doplňkový slovníček pojmů ostatní Zkvalitnění učebnic a lekcíopravovat chyby v učebnici aktualizace fragmentu v učebnici prvky inovace v lekci nahrazující zastaralé znalosti novými Pouze pro učitele perfektní lekce kalendářní plán na rok pokyny diskusní pořady Integrované lekce

Pokud máte opravy nebo návrhy k této lekci,

K regulaci odpařovacího tlaku slouží regulátor KVP, který je instalován na sacím potrubí za výparníkem (obr. 6.13).

Regulátor vypařovacího tlaku kromě své hlavní funkce poskytuje ochranu při silném poklesu vypařovacího tlaku, aby nedocházelo k zamrzání chlazené vody v teplosměnné cestě výparníků vodních chladičů.

Regulátor funguje následovně: při zvýšení tlaku nad nastavený tlak regulátor otevře a při poklesu tlaku pod nastavenou hodnotu se uzavře. Řídicím signálem je pouze tlak na vstupu do regulátoru.

V instalacích s několika výparníky a provozovaných při různých tlacích vypařování se regulátor instaluje za výparník, ve kterém je nejvyšší tlak. Aby se zabránilo kondenzaci chladiva během zastavení, je na sacím potrubí namontován zpětný ventil bezprostředně za výparníkem s minimálním tlakem. V instalacích s paralelními výparníky a společným kompresorem je na sacím potrubí instalován regulátor pro udržení stejného tlaku ve výparnících.

Kromě tohoto typu regulátoru je tlak vypařování stabilizován pomocí elektronických řídicích systémů pro jednu nebo více chladicích komor, skříní atd., což zajišťuje vysokou přesnost udržování nastavené teploty (± 0,5 K) v širokém rozsahu chladicího výkonu - od 10 do 100 % nominální hodnoty .

8. Regulátory výkonu.

Regulátory výkonu (obr. 6.14) pomáhají chladicímu výkonu kompresoru přizpůsobit se změně tepelného zatížení výparníku v instalacích s velmi nízkou náplní chladiva. Zabraňují nízkému sacímu tlaku a zbytečným startům.

S klesajícím tepelným zatížením výparníku klesá sací tlak, což způsobuje podtlak v okruhu, což vede k nebezpečí pronikání vlhkosti do instalace. Při poklesu sacího tlaku pod nastavenou hodnotu se regulátor otevře a způsobí průchod určitého objemu horkých plynů z výtlaku do sání. V důsledku toho se zvyšuje sací tlak a snižuje se chladicí výkon. Regulátor reaguje pouze na tlak v sacím potrubí, tzn. u východu z něj.

9. Spouštěcí regulátory.

Spouštěcí regulátory zabraňují chodu a spouštění kompresoru při příliš vysokých hodnotách sacího tlaku, ke kterému dochází po dlouhém zastavení stroje nebo po odmrazení výparníku.

Startovací regulátor KVL patří k typu regulátorů škrtícího tlaku „za sebe“. Udržuje konstantní tlak v sacím potrubí mezi regulátorem a kompresorem a odlehčuje kompresor při spuštění.

Vstupní tlak regulátoru působí zespodu na vlnovec a shora na desku ventilu. Protože efektivní plocha měchu je ekvivalentní ploše otvoru, vstupní tlak je neutralizován. Výstupní tlak (v klikové skříni) působí na ventilovou desku zespodu a působí proti napínací síle nastavitelné pružiny. Tyto dvě síly jsou působícími silami regulátoru. Když se regulovaný tlak na výstupu (v klikové skříni) sníží, ventil se otevře a páry chladiva projdou do kompresoru. Pro chladicí jednotky vysoká kapacita je možná paralelní montáž spouštěcích ovladačů KVL. V tomto případě jsou regulátory vybrány z podmínky stejné tlakové ztráty v každém potrubí a ekvivalentního výkonu.

Regulátor je seřízen na maximální hodnoty, aniž by však byly překročeny hodnoty doporučené výrobcem pro kompresor nebo kondenzační jednotku. Nastavení se provádí podle údajů na tlakoměru na sacím potrubí kompresoru.

Startovací regulátor je instalován na sacím potrubí mezi výparníkem a kompresorem (obr. 6.15).

U tohoto regulátoru je možné napojit odsávací potrubí přes manometrický výstup na přívodní potrubí o průměru 1/4" vrtání. Při tomto způsobu regulace se odsávání páry provádí „za sebou“.

Výběr spouštěcího regulátoru je určen pěti hlavními ukazateli:

Typ chladiva

výkon systému,

návrhový tlak sání,

Maximální konstrukční tlak,

pokles tlaku v regulátoru.

Rozdíl mezi návrhovým a maximálním návrhovým sacím tlakem určuje, jak dlouho se ventil otevře. Pokles tlaku na regulátoru je důležitým faktorem, protože tlakové ztráty v sacím potrubí ovlivňují výkon stroje. Proto musí být pokles tlaku na regulátoru udržován na minimu. Typicky je u nízkoteplotních chladicích systémů pokles tlaku 3...7 kPa. Maximální tlaková ztráta u většiny chladicích systémů je 14 kPa.

Při maximálním otevření ventilu regulátor na jedné straně poskytuje maximální výkon a na druhé straně způsobuje velké tlakové ztráty, které snižují výkon systému. Proto musí být pokles tlaku na regulátoru co nejnižší.

Proces intenzivního odpařování kapaliny začíná při teplotě, kdy tlak par kapaliny převyšuje vnější tlak plynné atmosféry nad kapalinou. Při bodu varu dochází k tvorbě páry v celé hmotě kapaliny a proudí při téměř konstantní teplotě až do úplného přechodu kapaliny (jednosložkové) a páry. Umělým snížením tlaku je možné přivést kapalinu k varu při nižších teplotách, což se v technologii široce používá, protože je snazší najít vhodný materiál pro hardware. Moderní vakuová technika má k dispozici výkonné rotační vývěvy schopné vytvořit vakuum, při kterém zbytkový tlak nepřesahuje 0,001 mmHg, a proudové difúzní vývěvy, které vytvoří vakuum až 10v-7-10v-8 mmHg. Umění.
K získání vysoce čistých kovů se používá vakuová destilace; Zn, Cd, Mg, Ca atd. Obvykle pracují při tlacích mírně vyšších, než je tlak par destilovaného kovu při jeho bodu tání. Poté se destilací tekutého kovu získá pevný kondenzát, který umožňuje aplikovat velmi jednoduchý design destilační přístroj znázorněný na obr. 24. Zařízení je válec, v jehož spodní části je nádoba s tekutým destilovaným kovem. Páry se srážejí v horní části válce na speciálním kompozitu kovový válec(kondenzátor) ve formě krystalické krusty, která se po ukončení procesu odstraní spolu s kondenzátorem. Před zahřátím kovu se nejprve pomocí vakuové pumpy odčerpá vzduch ze zařízení a poté se čas od času obnoví vakuum, které se mění v důsledku úniku vzduchu zvenčí netěsností zařízení. Pokud je aparatura dostatečně hermetická, pak během destilačního procesu, protože se neuvolňují nekondenzovatelné plyny, není nutný stálý provoz vývěvy.

Popisované zařízení je extrémně jednoduché, je vyrobeno z oceli nebo žáruvzdorných kovových slitin. Co je zvláště důležité, jeho kryt a všechny těsnící - těsnící části jsou chlazeny vodou, tj. pracují při pokojové teplotě, což umožňuje použití velmi pokročilých tmelů - gumy, vakuové tmely atd. Použití vakua umožňuje čištění destilací při relativně nízké teploty (700 -900 °) takové chemicky aktivní a velmi agresivní kovy jako vápník, hořčík, baryum, jejichž destilace za atmosférického tlaku není proveditelná z důvodu nemožnosti výběru materiálu pro zařízení.
Podívejme se na vlastnosti procesu odpařování ve vakuu.
Stavový diagram kapalina - pára s klesajícím tlakem má stejný charakter jako diagramy pro atmosférický tlak, pouze čáry kapaliny a páry se pohybují do oblasti nižších teplot. Z toho vyplývá, že účinnost separace složek při odpařování jejich roztoku ve vakuu je přibližně stejná jako při atmosférickém tlaku, ale provádí se při nižších teplotách; teplota je tím nižší, čím hlubší je aplikované vakuum. Charakteristickým rysem vakuového provozu je absence strhávání malých kapiček kapaliny spolu s párami, což je vždy pozorováno při provozu za atmosférického tlaku. Při rychlém varu kapaliny praskající bubliny páry stoupající z hloubky kapaliny dávají rozstřiky, které jsou parami unášeny do kondenzátoru a znečišťují destilát. Ve vakuu (dostatečně hlubokém) nedochází k rozstřiku, protože proces varu se zásadně liší od varu za atmosférického tlaku. Ve vakuu dochází k tvorbě páry pouze na povrchu kapaliny, bubliny se uvnitř kapaliny netvoří, hladina je klidná, nevaří, nemůže tedy dojít k rozstřiku. Proto vakuová destilace produkuje čistší destilát než atmosférická destilace.
Ukážeme si na příkladu zvláštnost procesu varu ve vakuu. V jednom případě necháme vodu v nádobě s tloušťkou vrstvy 250 mm vařit při atmosférickém tlaku (760 mm Hg). Pak pára uvolněná z hladiny vody, aby překonala vnější tlak, musí mít atmosférický tlak (760 mm Hg), který se vyvíjí při povrchové teplotě vody 100 °. Parní bublina vytvořená na dně nádoby musí mít vyšší tlak, protože kromě tlaku atmosféry potřebuje překonat hydrostatický tlak vodního sloupce vysokého 250 mm, což odpovídá přetlaku 18 mm Hg. Umění. Pára vypouštěná ze dna nádoby tedy musí mít tlak 760 + 18 = 778 mm Hg. Art., která odpovídá teplotě vody na dně nádoby 100,6 °. Takové malé přehřátí vody u dna (0,6°) je zcela reálné a proces varu probíhá tak, že se tvoří pára v celé hmotě vrstvy. Voda prudce vře a šplouchá, jak bublinky praskají na povrchu.
Nyní zvažte vaření stejné vrstvy vody ve vakuu 4,58 mm Hg. Umění. Pro var musí mít povrchová vrstva vody teplotu 0°, při které je tlak nasycených par 4,58 mm Hg. Umění. Bublina, která se tvoří na dně, musí překonat hydrostatický tlak vodního sloupce 250 mm, což odpovídá tlaku 18 mm Hg. Art., a mají celkový tlak 4,58 + 18 = 22,58 mm Hg. Umění. Voda bude mít takový tlak nasycených par při teplotě ~ 23 °, tj. aby se na dně nádoby vytvořila bublina páry, je nutné mít na dně teplotu 23 °. Není možné dosáhnout takového rozdílu mezi teplotami u dna a na povrchu, protože tomu bude zabráněno konvekčními proudy. V důsledku toho se v hloubce vrstvy kapaliny nebudou tvořit bubliny a odpařování bude probíhat pouze z povrchu kapaliny.
Kovové taveniny mají vysokou tepelnou vodivost, která zabraňuje místnímu přehřátí kapaliny a následně varu s tvorbou bublin.
Dokud se tlak v zařízení nezmenší, dochází k výměně molekul mezi povrchem kapaliny a páry a je ustavena pohyblivá rovnováha kapalina-pára. Konvenční plynný proud páry proudí do kondenzátoru a výsledky destilačního procesu jsou určeny diagramem stavu kapalina-pára.
Pokud je tlak v přístroji tak nízký, že se střední volná dráha molekul stane více velikostí zařízení se povaha destilačního procesu radikálně mění.
Za těchto podmínek nedochází k výměně molekul mezi párami a kapalinou, není ustavena pohyblivá rovnováha kapalina-pára a diagram stavu kapalina-pára nepopisuje proces odpařování. Obyčejný odlučovač plynu mezi výparníkem a kondenzátorem. Ten se tvoří, molekuly páry oddělené od povrchu kapaliny sledují přímou dráhu, aniž by se srazily s jinými molekulami, dopadají na studený povrch kondenzátoru a tam zůstávají - kondenzují; proces vypařování je zcela nevratný a má charakter molekulárního vypařování. Výsledek destilace je určen rychlostí odpařování, která závisí na druhu odpařované látky a teplotě a je nezávislá na vnějším tlaku v systému, pokud je tento tlak dostatečně nízký. Rychlost odpařování za těchto podmínek lze vypočítat pomocí Langmuirova vzorce:

Vezmeme-li jako rychlost vypařování hmotnost látky vypařující se za sekundu z jednotkového povrchu, vyjadřující tlak par p v milimetrech rtuťový sloupec a nahrazením veličin R a π jejich číselnými hodnotami získáme rovnici (III, 13) v jiném tvaru, vhodném pro praktické výpočty:

Při molekulárním vypařování lze oddělit látky se stejným tlakem par, pokud jsou jejich molekulové hmotnosti různé, jak dokazují experimenty na separaci izotopů.

17.10.2019

V ruském segmentu podnikání skupiny Hoffmann vzkvétá. Partnerům skupiny společností se daří rok od roku zvyšovat objemy prodeje v Ruské federaci....

17.10.2019

Plast je praktický a levný materiál. To ji způsobuje široké uplatnění při výrobě věcí. Má to však i nevýhody...

17.10.2019

Nerezová ocel je široce používána v různých oblastech průmyslu a stavebnictví. Válcovaný kov a výrobky z něj používají loďařské podniky a ...

17.10.2019

Pletací drát je konstrukční materiál ve formě tenkého závitu, k jehož výrobě se používá válcovaná nízkouhlíková ocel, podrobená...

17.10.2019

Korkové panely jsou vyrobeny z přírodního materiálu. K tomu se používá dubová kůra (korkový dub roste v severní Africe a v některých oblastech jižní ...

17.10.2019

Lidská ekonomická činnost často podporuje proces přirozené eroze půdy. Postupně se mění reliéf, vytvářejí se kanály, mění se směr řeky, příkopy ...

17.10.2019

Funkce štítků se mohou lišit. Po označení na výrobku se stávají zdrojem údajů o výrobci a výrobcích, jsou využívány jako prostředek propagace a...

Z výše uvedené úvahy je zřejmé, že bod varu kapaliny musí záviset na vnějším tlaku. Pozorování to potvrzují.

Čím větší je vnější tlak, tím vyšší je bod varu. Takže v parním kotli při tlaku dosahujícím 1,6 10 6 Pa voda nevře ani při teplotě 200 °C. Ve zdravotnických zařízeních dochází při zvýšeném tlaku také k varu vody v hermeticky uzavřených nádobách - autoklávech (obr. 6.11). Proto je bod varu mnohem vyšší než 100 °C. Autoklávy se používají ke sterilizaci chirurgických nástrojů, obvazů atd.

Naopak snížením vnějšího tlaku tím snížíme bod varu. Pod zvonem vzduchového čerpadla můžete nechat vařit vodu o pokojové teplotě (obr. 6.12). Jak stoupáte do hor, atmosférický tlak klesá, takže bod varu klesá. V nadmořské výšce 7134 m (vrchol Lenina v Pamíru) je tlak přibližně 4 10 4 Pa ​​​​ (300 mm Hg). Voda se tam vaří asi 70°C. V těchto podmínkách je nemožné vařit například maso.

Obrázek 6.13 ukazuje závislost bodu varu vody na vnějším tlaku. Snadno je vidět, že tato křivka je zároveň křivkou vyjadřující závislost tlaku nasycené vodní páry na teplotě.

Rozdíl v bodech varu kapalin

Každá kapalina má svůj vlastní bod varu. Rozdíl v bodech varu kapalin je určen rozdílem tlaku jejich nasycených par při stejné teplotě. Například éterové páry již při pokojové teplotě mají tlak vyšší než poloviční atmosférický tlak. Proto, aby se tlak par éteru rovnal atmosférickému, je zapotřebí mírné zvýšení teploty (až 35 ° C). Ve rtuti mají nasycené páry při pokojové teplotě velmi zanedbatelný tlak. Tlak par rtuti se rovná atmosférickému pouze s výrazným zvýšením teploty (až na 357 ° C). Právě při této teplotě, pokud je vnější tlak 105 Pa, rtuť vře.

Rozdíl v bodech varu látek má velké využití v technologii, například při separaci ropných produktů. Při zahřívání oleje se odpařují především jeho nejcennější těkavé části (benzín), které se tak mohou oddělit od „těžkých“ zbytků (oleje, topný olej).

Kapalina se vaří, když se tlak nasycených par rovná tlaku uvnitř kapaliny.

§ 6.6. Výparné teplo

Je potřeba energie k přeměně kapaliny na páru? Pravděpodobně ano! Není to ono?

Zaznamenali jsme (viz § 6.1), že vypařování kapaliny je doprovázeno jejím ochlazením. Aby teplota odpařující se kapaliny zůstala nezměněna, musí se do ní dodávat teplo zvenčí. Samotné teplo lze samozřejmě předávat kapalině z okolních těles. Voda ve skle se tedy vypaří, ale teplota vody, která je o něco nižší než teplota okolního vzduchu, zůstane nezměněna. Teplo se přenáší ze vzduchu do vody, dokud se všechna voda nevypaří.

Aby voda (nebo jakákoliv jiná kapalina) zůstala ve varu, musí se jí také nepřetržitě dodávat teplo, například ohřevem hořákem. V tomto případě teplota vody a nádoby nestoupá, ale každou vteřinu se tvoří určité množství páry.

K přeměně kapaliny na páru odpařováním nebo varem je tedy zapotřebí příliv tepla. Množství tepla potřebné k přeměně dané hmoty kapaliny na páru při stejné teplotě se nazývá výparné teplo této kapaliny.

K čemu slouží energie dodaná tělu? Za prvé, aby se zvýšila vnitřní energie při přechodu z kapalného do plynného skupenství: v tomto případě se objem látky zvětšuje z objemu kapaliny na objem nasycené páry. V důsledku toho se zvyšuje průměrná vzdálenost mezi molekulami a tím i jejich potenciální energie.

Navíc, když se objem látky zvětší, pracuje se proti silám vnějšího tlaku. Tato část výparného tepla při pokojové teplotě je obvykle několik procent celkového výparného tepla.

Výparné teplo závisí na druhu kapaliny, její hmotnosti a teplotě. Závislost výparného tepla na typu kapaliny je charakterizována hodnotou zvanou měrné výparné teplo.

Měrné výparné teplo dané kapaliny je poměr výparného tepla kapaliny k její hmotnosti:

(6.6.1)

kde r- měrné skupenské teplo vypařování kapaliny; t- hmotnost kapaliny; Q n je jeho výparné teplo. Jednotkou SI pro specifické výparné teplo je joule na kilogram (J/kg).

Měrné výparné teplo vody je velmi vysoké: 2,256 10 6 J/kg při teplotě 100 °C. U ostatních kapalin (líh, éter, rtuť, petrolej atd.) je měrné skupenské teplo vypařování 3-10x menší.

stavy hmoty

Páry železa a pevný vzduch

Není to zvláštní spojení slov? To však vůbec není nesmysl: jak pára železa, tak pevný vzduch v přírodě existují, ale ne za běžných podmínek.

O jakých podmínkách mluvíme? Stav hmoty je určen dvěma okolnostmi: teplotou a tlakem.

Náš život se odehrává v relativně málo se měnících podmínkách. Tlak vzduchu kolísá v rozmezí několika procent kolem jedné atmosféry; teplota vzduchu, řekněme, v oblasti Moskvy leží v rozmezí od -30 do + 30 ° C; v absolutní teplotní stupnici, ve které je nejnižší možná teplota (-273 °C) brána jako nula; tento interval bude vypadat méně působivě: 240-300 K, což je také pouze ±10 % průměrné hodnoty.

Je zcela přirozené, že jsme na tyto běžné podmínky zvyklí, a proto, když říkáme jednoduché pravdy typu: „železo je pevné těleso, vzduch je plyn“ atd., zapomínáme dodat: „za normálních podmínek“.

Pokud se železo zahřeje, nejprve se roztaví a poté se odpaří. Pokud se vzduch ochladí, změní se nejprve na kapalinu a poté ztuhne.

I když se čtenář nikdy nesetkal s parami železa a pevným vzduchem, pravděpodobně snadno uvěří, že jakoukoli látku lze změnou teploty získat v pevném, kapalném a plynném skupenství, nebo, jak se říká, v pevném, kapalném nebo plynné fáze.

Je snadné tomu uvěřit, protože jednu látku, bez které by byl život na Zemi nemožný, každý pozoroval jak ve formě plynu, tak jako kapaliny a ve formě pevného tělesa. Mluvíme samozřejmě o vodě.

Jaké jsou podmínky, za kterých se látka mění z jednoho skupenství do druhého?

Vařící

Pokud ponoříme teploměr do vody, která se nalévá do konvice, zapneme elektrický sporák a sledujeme rtuť teploměru, uvidíme následující: téměř okamžitě se hladina rtuti vyšplhá nahoru. Už je 90, 95, konečně 100°C. Voda se vaří a zároveň se zastaví vzestup rtuti. Voda se vaří již mnoho minut, ale hladina rtuti se nemění. Dokud se všechna voda nevyvaří, teplota se nezmění (obr. 4.1).

Rýže. 4.1

Kam jde teplo, když se teplota vody nemění? Odpověď je zřejmá. Proces přeměny vody na páru vyžaduje energii.

Porovnejme energii gramu vody a gramu z ní vzniklé páry. Molekuly páry jsou od sebe dále než molekuly vody. Je jasné, že kvůli tomu se potenciální energie vody bude lišit od potenciální energie pár.

Potenciální energie přitahovaných částic klesá, jak se k sobě přibližují. Proto je energie páry větší než energie vody a přeměna vody na páru vyžaduje energii. Tento přebytek energie sděluje elektrický sporák vroucí vodě v konvici.

Energie potřebná k přeměně vody na páru; nazývané výparné teplo. K přeměně 1 g vody na páru je potřeba 539 kalorií (to je údaj pro teplotu 100 °C).

Pokud 539 cal přejde na 1 g, pak 18 * 539 \u003d 9700 cal bude vynaloženo na 1 mol vody. Toto množství tepla musí být vynaloženo na rozbití mezimolekulárních vazeb.

Toto číslo můžete porovnat s množstvím práce potřebné k přerušení intramolekulárních vazeb. K rozdělení 1 molu vodní páry na atomy je potřeba asi 220 000 kalorií, tedy 25krát více energie. To přímo dokazuje slabost sil, které vážou molekuly k sobě, ve srovnání se silami, které přitahují atomy k sobě do molekuly.

Teplota varu versus tlak

Bod varu vody je 100°C; někdo by si mohl myslet, že je to přirozená vlastnost vody, že voda, ať je kdekoli a za jakých podmínek, bude vždy vřít při 100 °C.

Ale není tomu tak a obyvatelé vysokohorských vesnic si toho jsou dobře vědomi.

Nedaleko vrcholu Elbrus se nachází dům pro turisty a vědecká stanice. Začátečníci se někdy diví, „jak těžké je uvařit vejce ve vroucí vodě“ nebo „proč se vařící voda nepřipálí“. Za těchto podmínek jim bylo řečeno, že voda na vrcholu Elbrusu vře již při 82 °C.

o co tady jde? Jaký fyzikální faktor zasahuje do jevu varu? Jaký je význam nadmořské výšky?

Tímto fyzikálním faktorem je tlak působící na povrch kapaliny. Nemusíte vylézt na vrchol hory, abyste si ověřili platnost toho, co bylo řečeno.

Umístěním ohřáté vody pod zvon a čerpáním vzduchu do něj nebo z něj se lze přesvědčit, že bod varu stoupá s rostoucím tlakem a klesá s klesajícím tlakem.

Voda vře při 100°C pouze při určitém tlaku - 760 mm Hg. Umění. (nebo 1 atm).

Křivka bodu varu versus tlak je znázorněna na Obr. 4.2. Na vrcholu Elbrusu je tlak 0,5 atm a tento tlak odpovídá bodu varu 82 ° C.

Rýže. 4.2

Ale voda vroucí při 10-15 mm Hg. Art., můžete se osvěžit v horkém počasí. Při tomto tlaku klesne bod varu na 10-15°C.

Můžete dokonce získat "vařící vodu", která má teplotu mrazivé vody. K tomu budete muset snížit tlak na 4,6 mm Hg. Umění.

Zajímavý obrázek lze pozorovat, pokud pod zvon postavíte otevřenou nádobu s vodou a odčerpáte vzduch. Čerpání způsobí, že se voda vaří, ale vaření vyžaduje teplo. Není odkud ji brát a voda se bude muset vzdát své energie. Teplota vařící vody začne klesat, ale jak bude čerpání pokračovat, bude se snižovat i tlak. Vaření se tedy nezastaví, voda se bude dále ochlazovat a případně zmrznout.

Takový var studená voda dochází nejen při čerpání vzduchu. Například, když se lodní šroub otáčí, tlak se rychle pohybuje kovový povrch vrstva vody silně klesá a voda v této vrstvě se vaří, t. j. objevují se v ní četné bubliny naplněné párou. Tento jev se nazývá kavitace (z latinského slova cavitas – dutina).

Snížením tlaku snížíme bod varu. Co to zvýšit? Na tuto otázku odpovídá graf jako ten náš. Tlak 15 atm dokáže zpozdit var vody, začne až při 200°C a tlak 80 atm způsobí, že se voda začne vařit pouze při 300°C.

Takže určitý vnější tlak odpovídá určitému bodu varu. Ale toto tvrzení lze také „převrátit“: každý bod varu vody odpovídá jejímu specifickému tlaku. Tento tlak se nazývá tlak páry.

Křivka znázorňující bod varu jako funkci tlaku je také křivkou tlaku par v závislosti na teplotě.

Čísla vynesená do grafu bodu varu (nebo grafu tlaku par) ukazují, že tlak par se velmi rychle mění s teplotou. Při 0 °C (tj. 273 K) je tlak par 4,6 mm Hg. Art., při 100 ° C (373 K) se rovná 760 mm Hg. Art., tj. zvyšuje se 165krát. Když se teplota zdvojnásobí (z 0 °C, tj. 273 K, na 273 °C, tj. 546 K), tlak par se zvýší z 4,6 mm Hg. Umění. až téměř 60 atm, tedy asi 10 000krát.

Proto se naopak bod varu mění s tlakem spíše pomalu. Když se tlak zdvojnásobí z 0,5 atm na 1 atm, bod varu se zvýší z 82 °C (355 K) na 100 °C (373 K) a když se tlak zdvojnásobí z 1 na 2 atm, ze 100 °C (373). K) až 120 °C (393 K).

Stejná křivka, kterou nyní uvažujeme, řídí také kondenzaci (zahušťování) páry na vodu.

Páru lze přeměnit na vodu buď kompresí, nebo chlazením.

Jak během varu, tak během kondenzace se bod nepohne z křivky, dokud není dokončena přeměna páry na vodu nebo vody na páru. To lze formulovat i takto: za podmínek naší křivky a pouze za těchto podmínek je možná koexistence kapaliny a páry. Pokud se současně nepřidává ani neodvádí žádné teplo, pak množství páry a kapaliny v uzavřené nádobě zůstane nezměněno. Říká se, že taková pára a kapalina jsou v rovnováze a pára v rovnováze se svou kapalinou je považována za nasycenou.

Křivka varu a kondenzace, jak vidíme, má ještě jeden význam: je to rovnovážná křivka kapaliny a páry. Rovnovážná křivka rozděluje pole diagramu na dvě části. Vlevo a nahoru (směrem k vyšším teplotám a nižším tlakům) je oblast ustáleného stavu páry. Vpravo a dolů - oblast stabilního stavu kapaliny.

Rovnovážná křivka pára-kapalina, tedy závislost bodu varu na tlaku nebo, co je stejné, tlaku páry na teplotě, je pro všechny kapaliny přibližně stejná. V některých případech může být změna poněkud prudší, v jiných - poněkud pomalejší, ale vždy se tlak par rychle zvyšuje s rostoucí teplotou.

Slova „plyn“ a „pára“ jsme použili mnohokrát. Tato dvě slova jsou v podstatě stejná. Můžeme říci: vodní plyn je vodní pára, plynný kyslík je pára kyslíkové kapaliny. Přesto se v používání těchto dvou slov vyvinul určitý zvyk. Protože jsme zvyklí na určitý relativně malý teplotní rozsah, slovo „plyn“ obvykle používáme pro ty látky, jejichž tlak par je za běžných teplot vyšší než atmosférický tlak. Naopak o páře mluvíme tehdy, když je při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku látka stabilnější ve formě kapaliny.

Vypařování

Vaření je rychlý proces a během krátké doby není po vařící vodě ani stopy, přemění se v páru.

Existuje ale ještě jeden jev přeměny vody nebo jiné kapaliny na páru – tím je vypařování. K odpařování dochází při jakékoli teplotě, bez ohledu na tlak, který se za normálních podmínek vždy blíží 760 mm Hg. Umění. Odpařování je na rozdíl od varu velmi pomalý proces. Láhev kolínské, kterou jsme zapomněli uzavřít, bude za pár dní prázdná; více času o talířek s vodou bude stát, ale dříve nebo později se ukáže, že je suchý.

Vzduch hraje důležitou roli v procesu odpařování. Sám o sobě nebrání odpařování vody. Jakmile otevřeme povrch kapaliny, začnou se molekuly vody přesouvat do nejbližší vrstvy vzduchu.

Hustota páry v této vrstvě se rychle zvýší; po krátké době se tlak par vyrovná elasticitě charakteristiky teploty média. V tomto případě bude tlak par přesně stejný jako v nepřítomnosti vzduchu.

Přechod par ve vzduch samozřejmě neznamená zvýšení tlaku. Celkový tlak v prostoru nad vodní hladinou se nezvyšuje, zvyšuje se pouze podíl na tomto tlaku, který přebírá pára, a tím se snižuje podíl vzduchu, který je párou vytlačen.

Nad vodou je pára smíchaná se vzduchem, nahoře jsou vrstvy vzduchu bez páry. Nevyhnutelně se budou míchat. Vodní pára se bude plynule přesouvat do vyšších vrstev a na její místo bude do spodní vrstvy proudit vzduch, který molekuly vody neobsahuje. Proto se ve vrstvě nejblíže vodě vždy uvolní místa pro nové molekuly vody. Voda se bude neustále vypařovat, přičemž tlak vodní páry na povrchu se bude rovnat elasticitě a proces bude pokračovat, dokud se voda zcela neodpaří.

Začali jsme příkladem kolínské vody a vody. Je dobře známo, že se odpařují různou rychlostí. Éter se odpařuje výjimečně rychle, alkohol spíše rychle a voda mnohem pomaleji. Okamžitě pochopíme, o co jde, pokud v referenční knize najdeme hodnoty tlaku par těchto kapalin, řekněme, při pokojové teplotě. Zde jsou čísla: éter - 437 mm Hg. Art., alkohol - 44,5 mm Hg. Umění. a voda - 17,5 mm Hg. Umění.

Čím větší je elasticita, tím více páry je v přilehlé vrstvě vzduchu a tím rychleji se kapalina odpařuje. Víme, že tlak par se zvyšuje s teplotou. Je jasné, proč se s ohřevem zvyšuje rychlost odpařování.

Rychlost odpařování lze ovlivnit i jiným způsobem. Chceme-li pomoci odpařování, musíme rychle odstranit páru z kapaliny, t.j. urychlit promíchání vzduchu. Proto se vypařování velmi urychluje foukáním kapaliny. Voda, i když má relativně malý tlak par, zmizí poměrně rychle, pokud je talířek umístěn ve větru.

Je proto pochopitelné, proč plavci, který vyleze z vody, je ve větru zima. Vítr urychluje mísení vzduchu s párou, a tím urychluje vypařování a teplo pro vypařování je nuceno odevzdávat lidské tělo.

Pohoda člověka závisí na tom, zda je ve vzduchu hodně nebo málo vodní páry. Nepříjemný je suchý i vlhký vzduch. Vlhkost se považuje za normální, když je 60%. To znamená, že hustota vodní páry je 60 % hustoty nasycené vodní páry při stejné teplotě.

Pokud se vlhký vzduch ochladí, pak se tlak vodní páry v něm nakonec bude rovnat tlaku páry při této teplotě. Pára se nasytí a při dalším poklesu teploty začne kondenzovat na vodu. Právě kvůli tomuto jevu se objevuje ranní rosa, zvlhčující trávu a listí.

Při 20 °C je hustota nasycené vodní páry asi 0,00002 g/cm3. Budeme se cítit dobře, když vzduch bude obsahovat 60 % tohoto počtu vodních par – což znamená jen něco málo přes sto tisícin gramu na 1 cm 3 .

I když je toto číslo malé, povede to k působivému množství páry v místnosti. Je snadné spočítat, že do středně velké místnosti o ploše 12 m 2 a výšce 3 m se „vejde“ asi kilogram vody ve formě syté páry.

Takže pokud takovou místnost pevně uzavřete a postavíte otevřený sud s vodou, odpaří se litr vody, bez ohledu na kapacitu sudu.

Je zajímavé porovnat tento výsledek pro vodu s odpovídajícími hodnotami pro rtuť. Při stejné teplotě 20°C je hustota nasycených par rtuti 10-8 g/cm3.

Do místnosti, o které jsme právě hovořili, se nevejde více než 1 g rtuťových par.

Mimochodem, rtuťové páry jsou velmi toxické a 1 g rtuťových par může vážně poškodit zdraví jakékoli osoby. Při práci se rtutí je třeba dbát na to, aby se ani sebemenší kapka rtuti nevylila.

Kritická teplota

Jak přeměnit plyn na kapalinu? Na tuto otázku odpovídá graf varu. Plyn můžete proměnit v kapalinu buď snížením teploty nebo zvýšením tlaku.

V 19. století se zdálo zvýšení tlaku jednodušší než snížení teploty. Na počátku tohoto století se skvělému anglickému fyzikovi Michaelu Faradovi podařilo stlačit plyny na hodnoty tlaku par a přeměnit tak mnoho plynů (chlór, oxid uhličitý atd.) na kapalinu.

Některé plyny – vodík, dusík, kyslík – se však ke zkapalnění nehodily. Bez ohledu na to, jak moc byl tlak zvýšený, neproměnily se v kapalinu. Někdo si mohl myslet, že kyslík a další plyny nemohou být kapalné. Byly klasifikovány jako pravé nebo trvalé plyny.

Ve skutečnosti byly neúspěchy způsobeny nepochopením jedné důležité okolnosti.

Uvažujme kapalinu a páru v rovnováze a uvažujme, co se s nimi stane, když se zvýší bod varu a samozřejmě, jak se odpovídajícím způsobem zvýší tlak. Jinými slovy, představte si, že se bod na grafu varu pohybuje nahoru po křivce. Je zřejmé, že kapalina se vzrůstající teplotou expanduje a její hustota klesá. Co se týče páry, zvýšení bodu varu? samozřejmě přispívá k jeho expanzi, ale jak jsme již řekli, tlak nasycených par stoupá mnohem rychleji než bod varu. Hustota par tedy neklesá, ale naopak rychle roste s rostoucím bodem varu.

Protože hustota kapaliny klesá a hustota páry se zvyšuje, pak pohybem "nahoru" po křivce varu nevyhnutelně dosáhneme bodu, ve kterém se hustoty kapaliny a páry vyrovnají (obr. 4.3).

Rýže. 4.3

V tomto pozoruhodném bodě, který se nazývá kritický bod, křivka varu končí. Protože všechny rozdíly mezi plynem a kapalinou jsou způsobeny rozdílem v hustotě, v kritickém bodě se vlastnosti kapaliny a plynu stávají stejnými. Každá látka má svou vlastní kritickou teplotu a svůj vlastní kritický tlak. Pro vodu tedy kritický bod odpovídá teplotě 374 °C a tlaku 218,5 atm.

Pokud stlačíte plyn, jehož teplota je pod kritickou teplotou, bude proces jeho stlačování znázorněn šipkou protínající křivku varu (obr. 4.4). To znamená, že v okamžiku dosažení tlaku rovného tlaku par (průsečík šipky s křivkou varu) začne plyn kondenzovat do kapaliny. Pokud by naše nádoba byla průhledná, pak bychom v tuto chvíli viděli začátek tvorby kapalné vrstvy na dně nádoby. Při konstantním tlaku bude vrstva kapaliny narůstat, až se nakonec všechen plyn změní v kapalinu. Další komprese bude vyžadovat zvýšení tlaku.

Rýže. 4.4

Zcela jiná situace je při stlačování plynu, jehož teplota je vyšší než kritická. Proces komprese lze opět znázornit jako šipku směřující zdola nahoru. Ale nyní tato šipka neprotíná křivku varu. To znamená, že během stlačování pára nebude kondenzovat, ale bude pouze nepřetržitě kondenzovat.

Při teplotě nad kritickou teplotou je existence kapaliny a plynu oddělených rozhraním nemožná: Při stlačení na jakoukoli hustotu bude pod pístem homogenní látka a je těžké říci, kdy ji lze nazvat plyn a kdy jej lze nazvat kapalinou.

Přítomnost kritického bodu ukazuje, že mezi kapalným a plynným skupenstvím není žádný zásadní rozdíl. Na první pohled by se mohlo zdát, že až tak zásadní rozdíl není jen kdy mluvíme teploty nad kritickou. To však není tento případ. Existence kritického bodu ukazuje na možnost přeměny kapaliny - skutečné kapaliny, kterou lze nalít do sklenice - do plynného stavu bez jakéhokoli zdání varu.

Tato transformační cesta je znázorněna na Obr. 4.4. Známá kapalina je označena křížkem. Pokud trochu snížíte tlak (šipka dolů), bude se vařit a bude se vařit, pokud trochu zvýšíte teplotu (šipka doprava). My ale uděláme něco úplně jiného, ​​kapalinu stlačíme velmi silně, na tlak nad kritickou hodnotu. Bod představující stav kapaliny půjde svisle nahoru. Poté kapalinu zahřejeme - tento proces je znázorněn vodorovnou čarou. Nyní, když jsme se ocitli napravo od kritické teploty, snížíme tlak na počáteční. Pokud nyní snížíme teplotu, pak můžeme získat tu nejskutečnější páru, která by se dala z této kapaliny získat jednodušším a kratším způsobem.

Vždy je tedy možné, změnou tlaku a teploty obejít kritický bod, získat páru kontinuálním přechodem z kapaliny nebo kapaliny z páry. Takový kontinuální přechod nevyžaduje vaření nebo kondenzaci.

První pokusy o zkapalnění plynů, jako je kyslík, dusík, vodík, byly proto neúspěšné, protože nebyla známa existence kritické teploty. Tyto plyny mají velmi nízké kritické teploty: dusík má -147 °C, kyslík -119 °C, vodík -240 °C nebo 33 K. Rekordmanem je helium, jeho kritická teplota je 4,3 K. Přeměňte tyto plyny na kapaliny lze provést pouze jedním způsobem - je nutné snížit jejich teplotu pod stanovenou.

Získání nízkých teplot

Výrazného snížení teploty lze dosáhnout různými způsoby. Myšlenka všech metod je ale stejná: tělo, které chceme ochladit, musíme donutit vydat svou vnitřní energii.

Jak to udělat? Jedním ze způsobů je přivést kapalinu k varu bez dodávání tepla zvenčí. K tomu, jak víme, je potřeba snížit tlak – snížit ho na hodnotu tlaku par. Teplo vynaložené na var se převezme z kapaliny a teploty kapaliny a páry a s tím bude klesat i tlak par. Proto, aby se var nezastavil a probíhal rychleji, je třeba z nádoby s kapalinou průběžně odčerpávat vzduch.

Pokles teploty během tohoto procesu má však své omezení: tlak par se nakonec stane zcela nevýznamným a ani ta nejsilnější čerpací čerpadla nedokážou vytvořit požadovaný tlak.

Aby se teplota dále snižovala, je možné ochlazením plynu výslednou kapalinou přeměnit plyn na kapalinu s nižším bodem varu.

Nyní lze proces čerpání opakovat s druhou látkou a tak lze dosáhnout nižších teplot. Je-li to nutné, lze tuto "kaskádovou" metodu pro získání nízkých teplot rozšířit.

Přesně to udělali na konci minulého století; zkapalňování plynů probíhalo ve stupních: etylen, kyslík, dusík, vodík, látky s teplotami varu -103, -183, -196 a -253°C byly postupně převedeny na kapalinu. S kapalným vodíkem můžete také získat kapalinu s nejnižší teplotou varu - helium (-269 ° C). Soused „vlevo“ pomohl dostat souseda „zprava“.

Metoda kaskádového chlazení je stará téměř sto let. V roce 1877 byl tímto způsobem získán kapalný vzduch.

V letech 1884-1885. poprvé byl vyroben kapalný vodík. Konečně, po dalších dvaceti letech, byla dobyta poslední pevnost: v roce 1908 přeměnil Kamerling-Onnes ve městě Leiden v Holandsku helium na kapalinu - látku s nejnižší kritickou teplotou. Nedávno bylo oslaveno 70. výročí tohoto významného vědeckého počinu.

Po mnoho let byla Leidenská laboratoř jedinou „nízkoteplotní“ laboratoří. Nyní ve všech zemích existují desítky takových laboratoří, nemluvě o závodech, které pro technické účely produkují kapalný vzduch, dusík, kyslík a helium.

Kaskádová metoda pro získání nízkých teplot se nyní používá zřídka. V technické instalace ke snížení teploty se používá další metoda ke snížení vnitřní energie plynu: nutí plyn k rychlé expanzi a konají práci na úkor vnitřní energie.

Pokud se například vzduch stlačený na několik atmosfér vloží do expandéru, pak při práci na pohybu pístu nebo otáčení turbíny se vzduch ochladí tak prudce, že se změní na kapalinu. Oxid uhličitý, pokud se rychle uvolní z válce, se ochladí tak prudce, že se za chodu změní v „led“.

Kapalné plyny jsou široce používány ve strojírenství. Kapalný kyslík se používá ve výbušné technice jako složka palivové směsi v proudových motorech.

Zkapalňování vzduchu se používá ve strojírenství k oddělení plynů, které tvoří vzduch.

V různých oblastech techniky se vyžaduje pracovat při teplotě kapalného vzduchu. Ale pro mnoho fyzikálních studií není tato teplota dostatečně nízká. Pokud převedeme stupně Celsia do absolutního měřítka, uvidíme, že teplota kapalného vzduchu je asi 1/3 pokojové teploty. Mnohem zajímavější pro fyziku jsou teploty "vodíku", tj. teploty řádově 14-20 K, a zejména teploty "helia". Nejnižší teplota získaná při odčerpávání kapalného helia je 0,7 K.

Fyzikům se podařilo přiblížit se k absolutní nule mnohem blíže. V současnosti byly dosaženy teploty přesahující absolutní nulu jen o několik tisícin stupně. Tyto ultranízké teploty se však získávají způsoby, které nejsou podobné těm, které jsme popsali výše.

V minulé roky fyzika nízkých teplot dala vzniknout speciálnímu průmyslovému odvětví zabývajícím se výrobou zařízení, která umožňují udržovat velké objemy při teplotě blízké absolutní nule; byly vyvinuty silové kabely, jejichž přípojnice pracují při teplotě nižší než 10 K.

Podchlazená pára a přehřátá kapalina

Při přechodu bodu varu musí pára kondenzovat, přeměnit se v kapalinu. Nicméně,; Ukazuje se, že pokud pára nepřijde do kontaktu s kapalinou a pokud je pára velmi čistá, pak je možné získat podchlazenou nebo přesycenou páru - páru, která se měla stát kapalinou již dávno.

Přesycená pára je velmi nestabilní. Někdy stačí tlak nebo zrnko páry vyvržené do vesmíru ke spuštění opožděné kondenzace.

Zkušenosti ukazují, že kondenzace molekul páry je značně usnadněna vnášením malých cizích částic do páry. V prašném vzduchu nedochází k přesycení vodní párou. Může způsobit kondenzaci s obláčky kouře. Kouř se totiž skládá z malých pevných částic. Když se tyto částice dostanou do páry, shromažďují kolem sebe molekuly a stávají se centry kondenzace.

Takže, i když je pára nestabilní, může existovat v teplotním rozsahu přizpůsobeném pro "životnost" kapaliny.

Může kapalina „žít“ v oblasti páry za stejných podmínek? Jinými slovy, je možné přehřát kapalinu?

Ukazuje se, že můžete. K tomu je nutné zajistit, aby se molekuly kapaliny neodtrhly od jejího povrchu. Radikálním řešením je odstranění volného povrchu, tedy umístění kapaliny do nádoby, kde by byla ze všech stran stlačena pevnými stěnami. Tímto způsobem lze dosáhnout přehřátí v řádu několika stupňů, tj. posunout bod zobrazující stav kapalin vpravo od křivky varu (obr. 4.4).

Přehřátí je přesun kapaliny do oblasti páry, takže přehřátí kapaliny lze dosáhnout jak dodáním tepla, tak snížením tlaku.

Poslední způsob, jak můžete dosáhnout úžasných výsledků. Voda nebo jiná kapalina, pečlivě zbavená rozpuštěných plynů (není to snadné), je umístěna v nádobě s pístem, který dosahuje na povrch kapaliny. Nádoba a píst musí být navlhčeny kapalinou. Pokud nyní píst přitáhnete k sobě, bude jej následovat voda přilepená ke spodní části pístu. Ale vrstva vody, ulpívající na pístu, stáhne další vrstvu vody, tato vrstva stáhne spodní, v důsledku toho se kapalina natáhne.

Nakonec se sloupec vody zlomí (z pístu se odtrhne sloupec vody a ne voda), ale to se stane, když síla na jednotku plochy dosáhne desítek kilogramů. Jinými slovy, v kapalině vzniká podtlak v řádu desítek atmosfér.

I při nízkých kladných tlacích je stav páry látky stabilní. Kapalina může být uvedena do podtlaku. Nápadnější příklad „přehřívání“ si ani neumíte představit.

Tání

Neexistuje takové pevné těleso, které by odolávalo zvýšení teploty tak, jak je potřeba. Pevný kus se dříve nebo později změní v kapalinu; správně, v některých případech se k bodu tání nedostaneme - může dojít k chemickému rozkladu.

Jak teplota stoupá, molekuly se pohybují stále rychleji. Konečně nastává okamžik, kdy udržení pořádku "mezi vysoce "houpajícími" molekulami se stává nemožným. Pevné těleso taje. Wolfram má nejvyšší bod tání: 3380 °C. Zlato taje při 1063 °C, železo při 1539 °C. , existují kovy s nízkou teplotou tání.Rtuť, jak známo, taje již při teplotě -39 °C. Organické látky nemají vysoké body tání.Naftalen taje při 80 °C, toluen - při -94,5 °C.

Změřit bod tání tělesa není vůbec těžké, zvláště pokud taje v rozmezí teplot, které se měří běžným teploměrem. Není vůbec nutné sledovat tající tělo očima. Stačí se podívat na rtuťový sloupec teploměru. Dokud nezačne tání, tělesná teplota stoupá (obr. 4.5). Jakmile začne tavení, nárůst teploty se zastaví a teplota zůstane nezměněna, dokud nebude proces tavení dokončen.

Rýže. 4.5

Stejně jako přeměna kapaliny v páru, přeměna pevné látky v kapalinu vyžaduje teplo. Teplo potřebné k tomu se nazývá latentní teplo tání. Například rozpuštění jednoho kilogramu ledu vyžaduje 80 kcal.

Led je jedno z těles s vysokým teplem tání. Tání ledu vyžaduje například 10krát více energie než tání stejné hmoty olova. Samozřejmě mluvíme o samotném tavení, neříkáme zde, že než začne tavení olova, musí se zahřát na + 327 °C. Vlivem vysokého tepla tajícího ledu se tání sněhu zpomaluje. Představte si, že by teplo tání bylo 10krát menší. Jarní povodně by pak každoročně přinášely nepředstavitelné katastrofy.

Teplo tání ledu je tedy velké, ale také malé ve srovnání s měrným výparným teplem 540 kcal/kg (sedmkrát méně). Tento rozdíl je však zcela přirozený. Při přeměně kapaliny na páru musíme molekuly odtrhnout jednu od druhé a při tavení stačí zničit pořadí v uspořádání molekul a ponechat je téměř ve stejných vzdálenostech. Je jasné, že v druhém případě je potřeba méně práce.

Přítomnost určitého bodu tání je důležitou vlastností krystalických látek. Právě na tomto základě je lze snadno odlišit od jiných pevných látek, nazývaných amorfní nebo skla. Skla se nacházejí mezi anorganickými i organickými látkami. Okenní tabule se obvykle vyrábějí z křemičitanů sodných a vápenatých; na lavicečasto kladou organické sklo (také se mu říká plexisklo).

Amorfní látky na rozdíl od krystalů nemají přesně stanovenou teplotu tání. Sklo netaje, ale měkne. Při zahřátí kus skla nejprve změkne z tvrdého, lze jej snadno ohýbat nebo natahovat; při vyšší teplotě začne díl vlivem vlastní gravitace měnit svůj tvar. Hustá viskózní hmota skla při zahřívání nabývá tvaru nádoby, ve které leží. Tato hmota je nejprve hustá jako med, pak jako zakysaná smetana a nakonec se z ní stane kapalina s nízkou viskozitou jako voda. Při vší touze zde nemůžeme uvést konkrétní teplotu pro přechod pevné látky na kapalinu. Důvody pro to spočívají v zásadním rozdílu mezi strukturou skla a strukturou krystalických těles. Jak bylo uvedeno výše, atomy v amorfní tělesa uspořádané náhodně. Sklenice svou strukturou připomínají kapaliny, i v pevném skle jsou molekuly uspořádány náhodně. To znamená, že zvýšení teploty skla pouze zvětšuje rozsah vibrací jeho molekul a dává jim postupně větší a větší volnost pohybu. Sklo proto měkne postupně a nevykazuje ostrý přechod „pevný“ – „tekutý“, který je charakteristický pro přechod od uspořádání molekul v přísném pořadí k náhodnému uspořádání.

Pokud jde o křivku varu, řekli jsme, že kapalina a pára mohou, i když v nestabilním stavu, žít v cizích oblastech - pára může být podchlazena a přenesena doleva od křivky varu, kapalina může být přehřátá a tažena doprava této křivky.

Jsou podobné jevy možné v případě krystalu s kapalinou? Ukazuje se, že analogie zde není úplná.

Pokud krystal zahřejete, začne tát při svém bodu tání. Krystal se nemůže přehřát. Naopak ochlazením kapaliny je možné při určitých opatřeních teplotu tání poměrně snadno „proklouznout“. U některých kapalin lze dosáhnout velkého podchlazení. Existují dokonce kapaliny, které lze snadno přechladit, ale obtížně krystalizovat. Jak se taková kapalina ochlazuje, stává se stále viskóznější a nakonec tuhne, aniž by krystalizovala. Takové je sklo.

Vodu můžete také znovu ochladit. Kapky mlhy nemusí zamrznout, i když silné mrazy. Pokud je krystal látky, semeno, vhozen do podchlazené kapaliny, pak okamžitě začne krystalizace.

Konečně, v mnoha případech může být opožděná krystalizace iniciována třepáním nebo jinými náhodnými událostmi. Je například známo, že krystalický glycerol byl poprvé získán během přepravy železnice. Brýle po dlouhém stání mohou začít krystalizovat (devitrifikovat, nebo "spadnout", jak se říká v technologii).

Jak vypěstovat krystal

Téměř každá látka může za určitých podmínek poskytnout krystaly. Krystaly lze získat z roztoku nebo taveniny dané látky i z její páry (např. černé krystaly jodu ve tvaru kosočtverce se snadno vysrážejí z její páry za normálního tlaku bez přechodného přechodu do kapalného skupenství).

Začněte ve vodě rozpouštět kuchyňskou sůl nebo cukr. Při pokojové teplotě (20°C) budete moci ve fasetované sklenici rozpustit pouze 70 g soli. Další přídavky soli se nerozpustí a usadí se na dně ve formě sedimentu. Roztok, ve kterém nedochází k dalšímu rozpouštění, se nazývá nasycený. .Pokud změníte teplotu, změní se i stupeň rozpustnosti látky. Každý dobře ví, že horká voda rozpouští většinu látek mnohem snadněji než voda studená.

Představte si nyní – že jste si připravili nasycený roztok řekněme cukru o teplotě 30 °C a začali jej chladit na 20 °C. Při 30°C jste dokázali ve 100g vody rozpustit 223g cukru, při 20°C se rozpustí 205g. Po ochlazení z 30 na 20°C bude „navíc“ 18g a jako říkají, vypadne z řešení. Jedním z možných způsobů získání krystalů je tedy ochlazení nasyceného roztoku.

Můžete to udělat jinak. Připravíme si nasycený solný roztok a necháme v otevřené sklenici. Po chvíli najdete vzhled krystalů. Proč vznikly? Pečlivé pozorování ukáže, že současně s tvorbou krystalů došlo k další změně - množství vody se snížilo. Voda se odpařila a v roztoku se objevila látka „navíc“. Takže další možný způsob tvorba krystalů je odpařováním roztoku.

Jak vznikají krystaly z roztoku?

Řekli jsme, že krystaly „vypadnou“ z roztoku; Je nutné to chápat tak, že týden nebyl žádný krystal a v jednom okamžiku se najednou objevil? Ne, není tomu tak: krystaly rostou. Okem samozřejmě nelze detekovat úplně počáteční okamžiky růstu. Nejprve se několik náhodně se pohybujících molekul nebo atomů rozpuštěné látky shromáždí v přibližném pořadí potřebném k vytvoření krystalové mřížky. Taková skupina atomů nebo molekul se nazývá jádro.

Zkušenosti ukazují, že zárodky se častěji tvoří v přítomnosti jakýchkoli cizích drobných prachových částic v roztoku. Nejrychlejší a nejsnadnější krystalizace začíná, když je malý zárodečný krystal umístěn do nasyceného roztoku. V tomto případě nebude izolace pevné látky z roztoku spočívat ve vytvoření nových krystalů, ale v růstu semene.

Růst embrya se samozřejmě neliší od růstu semene. Smysl použití semínka je v tom, že na sebe „stahuje“ uvolněnou látku a zabraňuje tak současné tvorbě velký počet embrya. Pokud se vytvoří mnoho jader, pak se budou během růstu vzájemně rušit a neumožní nám získat velké krystaly.

Jak jsou části atomů nebo molekul uvolněné z roztoku distribuovány na povrchu jádra?

Zkušenosti ukazují, že růst jádra nebo semene spočívá v pohybu ploch rovnoběžných se sebou ve směru kolmém k ploše. V tomto případě zůstávají úhly mezi plochami konstantní (již víme, že stálost úhlů je nejdůležitější vlastností krystalu, což vyplývá z jeho mřížkové struktury).

Na Obr. 4.6 jsou uvedeny obrysy tří krystalů stejné látky, které se vyskytují při jejich růstu. Podobné vzory lze pozorovat pod mikroskopem. V případě zobrazeném vlevo je počet ploch během růstu zachován. Prostřední kresba uvádí příklad, kdy se objeví nová tvář (vpravo nahoře) a zase zmizí.

Rýže. 4.6

Je velmi důležité poznamenat, že rychlost růstu tváří, tj. rychlost jejich pohybu rovnoběžně s nimi, není u různých tváří stejná. V tomto případě přesně ty obličeje, které se pohybují nejrychleji, například levý dolní obličej u střední postavy, „přerostou“ (zmizí). Naopak pomalu rostoucí tváře jsou nejširší, jak se říká, nejrozvinutější.

To je zvláště patrné na posledním obrázku. Beztvarý fragment získává stejný tvar jako ostatní krystaly právě kvůli anizotropii rychlosti růstu. Dobře definované fasety se vyvíjejí na úkor ostatních nejsilněji a dávají krystalu formu charakteristickou pro všechny vzorky této látky.

Velmi krásné přechodné formy jsou pozorovány, když se kulička vezme jako semeno a roztok se střídavě mírně ochladí a zahřeje. Při zahřívání se roztok stane nenasyceným a semeno se částečně rozpustí. Chlazení vede k nasycení roztoku a růstu semene. Ale molekuly se usazují jiným způsobem, jako by dávaly přednost určitým místům. Hmota se tak přenáší z jednoho místa koule na druhé.

Nejprve se na povrchu koule objeví malé kruhové tváře. Kruhy se postupně zvětšují a navzájem se dotýkají a splývají podél rovných hran. Míč se promění v mnohostěn. Pak některé plochy předběhnou jiné, některé plochy přerostou a krystal získá svůj charakteristický tvar (obr. 4.7).

Rýže. 4.7

Při pozorování růstu krystalů je nápadný hlavní rys růstu - paralelní pohyb tváří. Ukazuje se, že uvolněná látka vytváří obličej ve vrstvách: dokud není dokončena jedna vrstva, nezačne se budovat další.

Na Obr. 4.8 ukazuje "nedokončené" balení atomů. Ve které z poloh označených písmeny bude nový atom nejpevněji držen, připojený ke krystalu? Není pochyb o tom v A, protože zde zažívá přitažlivost sousedů ze tří stran, zatímco v B - ze dvou a v C - pouze z jedné strany. Nejprve se tedy dokončuje sloup, poté celá rovina a teprve poté začíná pokládka nové roviny.

Rýže. 4.8

V řadě případů se krystaly tvoří z roztavené hmoty - z taveniny. V přírodě se to děje v obrovském měřítku: čediče, žuly a mnoho dalších hornin vznikly z ohnivého magmatu.

Začněme zahřívat nějakou krystalickou látku, například kamennou sůl. Do 804 °C se krystaly kamenné soli změní jen málo: expandují jen nepatrně a látka zůstává pevná. Teploměr umístěný v nádobě s látkou vykazuje při zahřívání kontinuální nárůst teploty. Při 804 °C okamžitě objevíme dva nové, vzájemně propojené jevy: látka začne tát a nárůst teploty se zastaví. Dokud se všechna hmota nepromění v kapalinu,; teplota se nezmění; další zvýšení teploty již ohřívá kapalinu. Všechny krystalické látky mají určitou teplotu tání. Led taje při 0°C, železo taje při 1527°C, rtuť taje při -39°C atd.

Jak již víme, v každém krystalu atomy nebo molekuly látky tvoří uspořádaný obal G a vytvářejí malé vibrace kolem svých průměrných poloh. Jak se těleso zahřívá, rychlost kmitajících částic roste spolu s amplitudou kmitů. Toto zvyšování rychlosti částic s rostoucí teplotou je jedním ze základních přírodních zákonů, který platí pro hmotu v jakémkoli skupenství – pevném, kapalném i plynném.

Při dosažení určité, dostatečně vysoké teploty krystalu, se vibrace jeho částic stanou natolik energetické, že přesné uspořádání částic znemožní - krystal taje. S počátkem tání se již dodané teplo nevyužívá ke zvýšení rychlosti částic, ale ke zničení krystalové mřížky. Proto je nárůst teploty pozastaven. Následné zahřívání znamená zvýšení rychlosti částic kapaliny.

V případě krystalizace z taveniny, která nás zajímá, jsou výše uvedené jevy pozorovány v opačném pořadí: jak se kapalina ochlazuje, její částice zpomalují svůj chaotický pohyb; při dosažení určité, dostatečně nízké teploty, je rychlost částic již tak nízká, že některé z nich se působením přitažlivých sil začnou k sobě připojovat a tvoří krystalická jádra. Dokud veškerá látka nevykrystalizuje, teplota zůstává konstantní. Tato teplota je obecně stejná jako teplota tání.

Pokud nebudou přijata zvláštní opatření, začne krystalizace z taveniny na mnoha místech okamžitě. Krystaly budou růst ve formě pravidelných mnohostěnů, které jsou pro ně charakteristické přesně stejným způsobem, jak jsme popsali výše. Volný růst však netrvá dlouho: krystaly rostou, narážejí do sebe, v místech dotyku se růst zastaví a ztuhlé těleso získává zrnitou strukturu. Každé zrnko je samostatný krystal, který nezískal správnou formu.

V závislosti na mnoha podmínkách a především na rychlosti ochlazování může mít pevné těleso více či méně velká zrna: čím pomalejší ochlazování, tím větší jsou zrna. Velikosti zrn krystalických těles se pohybují od miliontiny centimetru do několika milimetrů. Ve většině případů lze zrnitou krystalickou strukturu pozorovat pod mikroskopem. Pevné látky mají většinou právě takovou jemnozrnnou strukturu.

Pro technologii je proces tuhnutí kovů velmi zajímavý. Děje, ke kterým dochází při odlévání a při tuhnutí kovu ve formách, fyzikové studovali velmi podrobně.

Z větší části při tuhnutí rostou stromovité monokrystaly, které se nazývají dendrity. V jiných případech jsou dendrity orientovány náhodně, v jiných případech jsou vzájemně rovnoběžné.

Na Obr. 4.9 ukazuje fáze růstu jednoho dendritu. Díky tomuto chování může dendrit přerůst dříve, než se setká s jiným podobným. Dendrity pak v odlitku nenajdeme. Události se také mohou vyvíjet jinak: dendrity se mohou setkávat a prorůstat do sebe (větve jednoho v mezerách mezi větvemi druhého), dokud jsou ještě „mladé“.

Rýže. 4.9

Tímto způsobem mohou vznikat odlitky, jejichž zrn (znázorněná na obr. 2.22) má nejvíce odlišná struktura. A vlastnosti kovů výrazně závisí na povaze této struktury. Je možné řídit chování kovu během tuhnutí změnou rychlosti chlazení a systému odvodu tepla.

Nyní si povíme, jak vypěstovat velký monokrystal. Je jasné, že je třeba přijmout opatření, která zajistí, že krystal roste z jednoho místa. A pokud již několik krystalů začalo růst, pak je v každém případě nutné zajistit, aby podmínky růstu byly příznivé pouze pro jeden z nich.

Zde je například uvedeno, jak postupují při pěstování krystalů kovů s nízkou teplotou tání. Kov se taví ve skleněné zkumavce s taženým koncem. Zkumavka zavěšená na závitu uvnitř vertikální válcové pece se pomalu spouští dolů. Tažený konec postupně opouští pec a ochlazuje se. Začíná krystalizace. Nejprve se vytvoří několik krystalů, ale ty, které rostou bokem, se opírají o stěnu zkumavky a jejich růst se zpomaluje. V příznivých podmínkách bude pouze krystal, který roste podél osy zkumavky, tedy hluboko do taveniny. Když je zkumavka spuštěna dolů, nové části taveniny, spadající do oblasti nízkých teplot, budou "krmit" tento monokrystal. Proto ze všech krystalů přežije jen on; jak je trubka spouštěna, pokračuje v růstu podél své osy. Nakonec veškerý roztavený kov ztuhne ve formě monokrystalu.

Stejná myšlenka je základem růstu žáruvzdorných rubínových krystalů. Jemný prášek látky se stříká plamenem. Současně se prášky roztaví; drobné kapky dopadají na žáruvzdornou podložku o velmi malé ploše a tvoří mnoho krystalů. Jak kapky padají dále na stojan, rostou všechny krystaly, ale opět roste jen ten, který je v nejvýhodnější poloze pro "přijímání" padajících kapek.

K čemu jsou velké krystaly?

Průmysl a věda často potřebují velké monokrystaly. Velká důležitost pro technologii mají krystaly Rochelleovy soli a křemene, které mají pozoruhodnou vlastnost převádět mechanické akce (například tlak) na elektrické napětí.

Optický průmysl potřebuje velké krystaly kalcitu, kamenné soli, fluoritu atd.

Hodinářský průmysl potřebuje krystaly rubínů, safírů a některých dalších drahých kamenů. Jednotlivé pohyblivé části běžných hodinek totiž dělají až 20 000 vibrací za hodinu. Takto vysoké zatížení klade nezvykle vysoké nároky na kvalitu hrotů náprav a ložisek. Oděr bude nejmenší, když rubín nebo safír slouží jako ložisko pro hrot osy o průměru 0,07-0,15 mm. Umělé krystaly těchto látek jsou velmi odolné a jsou velmi málo obroušeny ocelí. To je skvělé umělé kameny jsou tedy lepší než stejné přírodní kameny.

Největší význam pro průmysl má však růst monokrystalů polovodičů – křemíku a germania.

Vliv tlaku na bod tání

Pokud se změní tlak, změní se i bod tání. Se stejnou pravidelností jsme se setkávali, když jsme mluvili o varu. Čím větší tlak; tím vyšší je bod varu. Zpravidla to platí i pro tavení. Existuje však malý počet látek, které se chovají anomálně: jejich bod tání klesá s rostoucím tlakem.

Faktem je, že naprostá většina pevných látek je hustší než jejich kapaliny. Výjimkou tohoto dravilu jsou právě ty látky, jejichž bod tání se se změnou tlaku zcela běžně nemění, například voda. Led je lehčí než voda a teplota tání ledu klesá se zvyšujícím se tlakem.

Komprese podporuje tvorbu hustšího stavu. Pokud je pevná látka hustší než kapalina, pak stlačení napomáhá ztuhnutí a zabraňuje tání. Pokud je však tavení brzděno kompresí, pak to znamená, že látka zůstává pevná, zatímco dříve při této teplotě by se již roztavila, tj. s rostoucím tlakem se teplota tání zvyšuje. V abnormální případ kapalina je hustší než pevná látka a tlak napomáhá tvorbě kapaliny, tj. snižuje bod tání.

Vliv tlaku na bod tání je mnohem menší než účinek varu. Zvýšení tlaku o více než 100 kgf / cm 2 snižuje bod tání ledu o 1 °C.

Proč brusle kloužou jen po ledě, ale ne po stejně hladkých parketách? Jediným vysvětlením je zřejmě tvorba vody, která brusle maže. Abychom pochopili vzniklý rozpor, musíme si zapamatovat následující: tupé brusle kloužou po ledu velmi špatně. Pro řezání ledu je potřeba brusle nabrousit. V tomto případě tlačí na led pouze špička hrany hřebene. Tlak na ledu dosahuje desítek tisíc atmosfér, led stále taje.

Odpařování pevných látek

Když říkají „látka se vypařuje“, obvykle tím myslí, že se odpařuje kapalina. Ale i pevné látky se mohou odpařovat. Někdy se odpařování pevných látek nazývá sublimace.

Odpařující se pevnou látkou je například naftalen. Naftalen taje při 80 °C a odpařuje se při pokojové teplotě. Právě tato vlastnost naftalenu umožňuje jeho použití k hubení molů.

Kožich pokrytý naftalenem je nasycen párami naftalenu a vytváří atmosféru, kterou moli nesnesou. Jakákoli vonící pevná látka do značné míry sublimuje. Vůni totiž vytvářejí molekuly, které se od látky odtrhly a dostaly se až k našemu nosu. Častější jsou však případy, kdy je látka sublimována v nepatrné míře, někdy v míře, kterou nelze odhalit ani velmi pečlivým výzkumem. V zásadě se vypařuje jakákoli pevná látka (přesně jakákoli, dokonce i železo nebo měď). Pokud sublimace nedetekujeme, znamená to pouze, že hustota nasycené páry je velmi nízká.

Je vidět, že řada látek, které mají při pokojové teplotě pronikavý zápach, jej při nízké teplotě ztrácí.

Hustota nasycené páry v rovnováze s pevnou látkou rychle roste s rostoucí teplotou. Toto chování jsme ilustrovali křivkou pro led znázorněnou na obr. 4.10. Pravda, led nevoní...

Rýže. 4.10

Ve většině případů je nemožné výrazně zvýšit hustotu nasycené páry pevné látky z jednoduchého důvodu - látka dříve taje.

Led se také odpařuje. Dobře to znají hospodyňky, které věší mokré prádlo, aby se usušilo v chladném počasí.Voda nejprve zamrzne a poté se odpaří led a prádlo se ukáže jako suché.

trojitý bod

Existují tedy podmínky, za kterých pára, kapalina a krystal mohou existovat ve dvojicích v rovnováze. Mohou být všechny tři stavy v rovnováze? Takový bod na diagramu tlak-teplota existuje, nazývá se trojitý. Kde je?

Pokud umístíte vodu s plovoucím ledem do uzavřené nádoby na nula stupňů, pak v volný prostor začnou proudit vodní (a „ledové“) páry. Při tlaku par 4,6 mm Hg. Umění. Odpařování se zastaví a začne saturace. Nyní budou tři fáze – led, voda a pára – v rovnováze. Toto je trojitý bod.

Vztah mezi různými skupenstvími je jasně a jasně znázorněn na diagramu pro vodu na obr. 4.11.

Rýže. 4.11

Takový diagram lze zkonstruovat pro jakékoli těleso.

Křivky na obrázku jsou nám známé - jedná se o rovnovážné křivky mezi ledem a párou, ledem a vodou, vodou a párou. Jako obvykle je tlak vynášen svisle a teplota vodorovně.

Tři křivky se protínají v trojitém bodě a rozdělují diagram na tři oblasti - životní prostory ledu, vody a vodní páry.

Stavový diagram je stručný odkaz. Jeho účelem je odpovědět na otázku, jaký stav tělesa je stabilní při takovém a takovém tlaku a takové a takové teplotě.

Pokud je voda nebo pára umístěna v podmínkách "levé oblasti", stanou se ledem. Pokud se do "spodní oblasti" zavede kapalina nebo pevné těleso, získá se pára. Ve „správné oblasti“ bude pára kondenzovat a led taje.

Diagram existence fází umožňuje okamžitě odpovědět, co se stane s látkou při zahřátí nebo při stlačení. Zahřívání při konstantním tlaku je v diagramu znázorněno vodorovnou čarou. Po této čáře se zleva doprava pohybuje tečka, která představuje stav těla.

Na obrázku jsou dvě takové čáry, jedna z nich se zahřívá za normálního tlaku. Přímka leží nad trojným bodem. Proto protne nejprve křivku tání a poté, mimo výkres, křivku odpařování. Led za normálního tlaku taje při 0 °C a výsledná voda se vaří při 100 °C.

Jiná situace bude u ledu zahřátého při velmi nízkém tlaku, řekněme těsně pod 5 mm Hg. Umění. Proces ohřevu je znázorněn čárou pod trojným bodem. Křivky tání a varu se s touto čarou neprotínají. Při tak mírném tlaku zahřívání povede k přímému přechodu ledu na páru.

Na Obr. 4.12 stejný diagram ukazuje, k jakému zajímavému jevu dojde při stlačení vodní páry ve stavu označeném na obrázku křížkem. Pára se nejprve změní na led a poté se rozpustí. Obrázek umožňuje okamžitě říci, při jakém tlaku začne růst krystalu a kdy dojde k roztavení.

Rýže. 4.12

Stavové diagramy všech látek jsou si navzájem podobné. Velké, z každodenního hlediska rozdíly vznikají v důsledku skutečnosti, že umístění trojného bodu na diagramu může být pro různé látky velmi odlišné.

Žijeme přece blízko „normálních podmínek“, tedy primárně při tlaku blízkém jedné atmosféře. Je pro nás velmi důležité, jak se trojný bod hmoty nachází ve vztahu k přímce normálního tlaku.

Pokud je tlak v trojném bodě menší než atmosférický, pak pro nás, žijící v „normálních“ podmínkách, látka taje. Když teplota stoupne, nejprve se změní na kapalinu a pak se vaří.

V opačném případě - když je tlak v trojném bodě vyšší než atmosférický - kapalinu při zahřátí neuvidíme, pevná látka se přímo změní v páru. Takto se chová „suchý led“, což prodavačům zmrzliny velmi vyhovuje. Bloky zmrzliny lze posouvat kousky "suchého ledu" a nebát se, že zmrzlina zvlhne. „Suchý led“ je pevný oxid uhličitý CO 2 . Trojný bod této látky leží na 73 atm. Při zahřívání pevného CO 2 se tedy bod představující jeho stav pohybuje vodorovně a protíná pouze křivku vypařování pevné látky (stejně jako u obyčejný led při tlaku asi 5 mm Hg. Umění.).

Již jsme čtenáři řekli, jak se určuje jeden stupeň teploty na Kelvinově stupnici nebo, jak nyní systém SI vyžaduje, jeden kelvin. Šlo však o princip určování teploty. Ne všechny metrologické ústavy mají ideální plynové teploměry. Proto je teplotní stupnice sestavena pomocí rovnovážných bodů, které jsou pevně dané přírodou mezi různými skupenstvími hmoty.

Zvláštní roli v tom hraje trojný bod vody. Stupeň Kelvina je nyní definován jako 273,16 termodynamické teploty trojného bodu vody. Trojný bod kyslíku se rovná 54,361 K. Teplota tuhnutí zlata je nastavena na 1337,58 K. Pomocí těchto referenčních bodů lze přesně zkalibrovat jakýkoli teploměr.

Stejné atomy, ale ... různé krystaly

Matný černý měkký grafit, se kterým píšeme, a briliantový, průhledný, tvrdý diamant řezající sklo jsou vyrobeny ze stejných atomů uhlíku. Proč jsou vlastnosti těchto dvou stejných látek tak odlišné?

Vzpomeňme na mřížku vrstveného grafitu, jejíž každý atom má tři nejbližší sousedy, a mřížku diamantu, jejíž atom má čtyři nejbližší sousedy. Tento příklad jasně ukazuje, že vlastnosti krystalů jsou dány vzájemným uspořádáním atomů. Z grafitu se vyrábějí žáruvzdorné kelímky, které vydrží teploty do dvou až tří tisíc stupňů a diamant hoří při teplotách nad 700 °C; hustota diamantu je 3,5 a hustota grafitu 2,3; grafit vede elektřina, diamant - nevede atp.

Není to pouze uhlík, který má tuto vlastnost vytvářet různé krystaly. Téměř každý chemický prvek, a nejen prvek, ale jakákoli chemická látka, může existovat v několika variantách. Je známo šest druhů ledu, devět druhů síry, čtyři druhy železa.

Při projednávání stavového diagramu jsme nemluvili o odlišné typy krystaly a nakreslili jednu oblast pevné látky. A tato oblast je pro velmi mnoho látek rozdělena do sekcí, z nichž každá odpovídá určité "třídě" pevného tělesa nebo, jak se říká, určité pevné fázi (určité krystalické modifikaci).

Každá krystalická fáze má svou vlastní oblast stabilního stavu, omezenou určitým rozsahem tlaků a teplot. Zákony přeměny jedné krystalické odrůdy na jinou jsou stejné jako zákony tání a vypařování.

Pro každý tlak můžete určit teplotu, při které budou oba typy krystalů pokojně koexistovat. Pokud se teplota zvýší, krystal jednoho druhu se změní na krystal druhého druhu. Pokud se teplota sníží, dojde k obrácené transformaci.

Aby červená síra za normálního tlaku zežloutla, je potřeba teplota pod 110 °C. Nad touto teplotou až do bodu tání je uspořádání atomů charakteristické pro červenou síru stabilní. Teplota klesá, vibrace atomů se snižují a počínaje 110 ° C najde příroda vhodnější uspořádání atomů. Dochází k přeměně jednoho krystalu v druhý.

šest jiný led nikdo nepřišel na jméno. Tak se říká: led jedna, led dva, ...., led sedm. Co třeba sedm, když existuje jen šest odrůd? Faktem je, že led čtyři nebyl během opakovaných experimentů detekován.

Je-li voda stlačena při teplotě kolem nuly, pak se při tlaku kolem 2000 atm vytvoří led pět a při tlaku okolo 6000 atm se vytvoří led šest.

Led dva a led tři jsou stabilní při teplotách pod nulou stupňů.

Led sedm - horký led; pochází z komprese horká voda až do tlaků cca 20 000 atm.

Všechen led, kromě obyčejného ledu, je těžší než voda. Led vyrobený za normálních podmínek se chová anomálně; naopak led získaný za podmínek odlišných od normy se chová normálně.

Říkáme, že každá krystalická modifikace je charakterizována určitou oblastí existence. Ale pokud ano, jak existuje grafit a diamant za stejných podmínek?

Takové „bezpráví“ ve světě krystalů je velmi běžné. Schopnost žít v „cizích“ podmínkách je pro krystaly téměř pravidlem. Jestliže se k přenosu páry nebo kapaliny do cizích oblastí existence musí uchýlit k různým trikům, pak krystal naopak nemůže být téměř nikdy nucen zůstat v hranicích, které mu příroda určila.

Přehřátí a podchlazení krystalů se vysvětluje obtížností přeměny jednoho řádu na jiný za podmínek extrémního nahromadění. Žlutá síra by měla zčervenat při 95,5 °C. Víceméně rychlým ohřevem tento transformační bod "přeskočíme" a teplotu dovedeme až na bod tání síry 113°C.

Skutečnou transformační teplotu lze nejsnáze zjistit, když se krystaly dostanou do kontaktu. Pokud jsou těsně umístěny jedna na druhé a udržovány při 96 °C, pak žlutá bude pohlcena červenou a při 95 °C žlutá absorbuje červenou. Na rozdíl od přechodu „krystal-kapalina“ jsou transformace „krystal-krystal“ obvykle zpožděny jak při přechlazení, tak při přehřívání.

V některých případech máme co do činění s takovými stavy hmoty, které by měly žít při úplně jiných teplotách.

Bílý cín by měl zešednout, když teplota klesne na +13°C. Obvykle řešíme bílý plech a víme, že v zimě se s ním nic nedělá. Dokonale odolává podchlazení 20-30 stupňů. V těžkých zimních podmínkách se však bílý cín změní na šedý. Neznalost této skutečnosti byla jednou z okolností, které zhatily Scottovu výpravu Jižní pól(1912). Kapalné palivo odebrané expedicí bylo v nádobách pájených cínem. Ve velkých mrazech se bílý cín proměnil v šedý prášek - nádoby byly nepájené; a palivo se rozlilo. Není divu, že vzhled šedých skvrn na bílém cínu se nazývá cínový mor.

Stejně jako v případě síry lze bílý cín změnit na šedý při teplotě těsně pod 13 ° C; kdyby na cínový předmět padlo jen nepatrné zrnko šedé variety.

Pro techniku ​​má velký význam existence více variet téže látky a zpoždění jejich vzájemných přeměn.

Atomy železa tvoří při pokojové teplotě tělesně centrovanou kubickou mřížku, ve které atomy zaujímají pozice ve vrcholech a ve středu krychle. Každý atom má 8 sousedů. Atomy železa tvoří při vysokých teplotách hustší „obal“ – každý atom má 12 sousedů. Železo s 8 sousedy je měkké, železo s 12 sousedy je tvrdé. Ukazuje se, že je možné získat železo druhého typu při pokojové teplotě. Tato metoda - kalení - je široce používána v metalurgii.

Kalení se provádí velmi jednoduše - kovový předmět se rozžhaví a poté vhodí do vody nebo oleje. Chlazení probíhá tak rychle, že přeměna struktury, která je stabilní při vysoké teplotě, nestihne nastat. Vysokoteplotní struktura tedy bude existovat neomezeně dlouho za podmínek pro ni neobvyklých: rekrystalizace do stabilní struktury probíhá tak pomalu, že je prakticky nepostřehnutelná.

Když mluvíme o kalení železa, nebyli jsme úplně přesní. Ocel je temperovaná, tj. železo obsahující zlomky procent uhlíku. Přítomnost velmi malých uhlíkových nečistot zpomaluje přeměnu tvrdého železa na měkké a umožňuje kalení. Pokud jde o zcela čisté železo, není možné jej vytvrdit - proměna struktury má čas nastat i při nejprudším ochlazení.

V závislosti na typu stavového diagramu se změnou tlaku nebo teploty dosáhne určitých transformací.

Mnoho přeměn krystalu na krystal je pozorováno se změnou samotného tlaku. Tímto způsobem byl získán černý fosfor.

Rýže. 4.13

Grafit bylo možné přeměnit na diamant pouze použitím obou vysoká teplota a velký tlak. Na Obr. 4.13 ukazuje stavový diagram uhlíku. Při tlacích pod deset tisíc atmosfér a při teplotách pod 4000 K je grafit stabilní modifikací. Diamant tedy žije v „cizích“ podmínkách, takže se dá snadno přeměnit na grafit. Ale opačný problém je praktický. Přeměnu grafitu na diamant není možné provést pouze zvýšením tlaku. Fázová přeměna v pevném stavu zřejmě probíhá příliš pomalu. Vzhled stavového diagramu naznačuje správné řešení: zvyšte tlak a současně teplo. Pak dostaneme (pravý roh diagramu) roztavený uhlík. Ochlazování vysoký tlak, musíme se dostat do oblasti diamantu.

Praktická možnost takového procesu byla prokázána v roce 1955 a v současnosti je problém považován za technicky vyřešený.

Úžasná kapalina

Pokud snížíte tělesnou teplotu, tak dříve nebo později ztvrdne a získá krystalickou strukturu. Nezáleží na tom, při jakém tlaku k ochlazení dochází. Tato okolnost se z hlediska fyzikálních zákonů, se kterými jsme se již seznámili, jeví jako zcela přirozená a pochopitelná. Snížením teploty totiž snížíme intenzitu tepelného pohybu. Když pohyb molekul zeslábne natolik, že již nezasahuje do interakčních sil mezi nimi, molekuly se seřadí v úhledném pořadí – vytvoří krystal. Další ochlazování odebere molekulám veškerou energii jejich pohybu a v absolutní nule musí látka existovat ve formě molekul v klidu uspořádaných do pravidelné mřížky.

Zkušenosti ukazují, že se tak chovají všechny látky. Všechny, až na jediné: takovým „podivínem“ je helium.

Některé informace o heliu jsme čtenáři již poskytli. Hélium drží rekord ve své kritické teplotě. Žádná látka nemá kritickou teplotu nižší než 4,3 K. Tento rekord však sám o sobě neznamená nic překvapivého. Další věc je zarážející: ochlazením hélia pod kritickou teplotu, dosahující téměř absolutní nuly, nezískáme pevné helium. Helium zůstává kapalné i při absolutní nule.

Chování helia je z hlediska pohybových zákonů, které jsme nastínili, zcela nevysvětlitelné a je jedním ze znaků omezené platnosti takových přírodních zákonů, které se zdály být univerzální.

Pokud je těleso kapalné, pak jsou jeho atomy v pohybu. Ale když jsme tělo zchladili na absolutní nulu, odebrali jsme mu veškerou energii pohybu. Musíme přiznat, že helium má takovou energii pohybu, kterou nelze odebrat. Tento závěr je neslučitelný s mechanikou, kterou jsme se doposud zabývali. Podle této mechaniky, kterou jsme studovali, lze pohyb tělesa vždy zpomalit až do úplného zastavení odebráním veškeré jeho kinetické energie; stejně tak je možné zastavit pohyb molekul odebráním jejich energie při srážce se stěnami chlazené nádoby. Pro helium taková mechanika zjevně není vhodná.

"Podivné" chování helia je známkou velmi důležité skutečnosti. Poprvé jsme se setkali s nemožností aplikovat ve světě atomů základní zákony mechaniky, stanovené přímým studiem pohybu viditelných orgány, zákony, který se zdál být neotřesitelným základem fyziky.

Skutečnost, že helium „odmítá“ krystalizovat v absolutní nule, nelze nijak sladit s mechanikou, kterou jsme dosud studovali. Rozpor, se kterým jsme se setkali poprvé – neposlušnost světa atomů zákonům mechaniky – je pouze prvním článkem v řetězu ještě ostřejších a ostřejších rozporů ve fyzice.

Tyto rozpory vedou k potřebě revidovat základy mechaniky atomového světa. Tato revize je velmi hluboká a vede ke změně celého našeho chápání přírody.

Potřeba radikální revize mechaniky atomového světa neznamená, že bychom měli skoncovat se zákony mechaniky, které jsme studovali. Bylo by nefér nutit čtenáře učit se nepotřebné věci. Stará mechanika plně platí ve světě velkých těles. Už to stačí k tomu, abychom s příslušnými kapitolami fyziky zacházeli s plným respektem. Je však také důležité, že řada zákonů „staré“ mechaniky přechází do mechaniky „nové“. Patří sem zejména zákon zachování energie.

Přítomnost „neodstranitelné“ energie při absolutní nule není zvláštní vlastností helia. Ukázalo se; „nulová“ energie je přítomna ve všech látkách.

Pouze v heliu tato energie stačí k tomu, aby atomy nemohly vytvořit správnou krystalovou mřížku.

Není nutné si myslet, že helium nemůže být v krystalickém stavu. Pro krystalizaci helia je potřeba pouze zvýšit tlak asi na 25 atm. Chlazení prováděné za vyššího tlaku povede k vytvoření pevného krystalického helia se zcela běžnými vlastnostmi. Helium tvoří plošně centrovanou krychlovou mřížku.

Na Obr. 4.14 ukazuje schéma stavu helia. Ostře se liší od diagramů všech ostatních látek v nepřítomnosti trojného bodu. Křivky tání a varu se nekříží.

Rýže. 4.14

A tento unikátní stavový diagram má ještě jednu vlastnost: existují dvě různé heliové kapaliny Jaký je jejich rozdíl - se dozvíte o něco později.