Avhengighet av damptrykk av temperatur. Mettet damptrykk

Så langt har vi vurdert fenomenene fordampning og kondensasjon ved konstant temperatur. La oss nå se på effekten av temperatur. Det er lett å se at effekten av temperatur er veldig sterk. På en varm dag eller i nærheten av komfyren tørker alt mye raskere enn i kulden. Dette betyr at fordampningen av en varm væske er mer intens enn en kald. Dette er lett forklart. I en varm væske har flere molekyler nok fart til å overvinne kohesive krefter og bryte ut av væsken. Derfor, med en økning i temperaturen, sammen med en økning i væskens fordampningshastighet, øker også trykket til mettet damp.

En økning i damptrykket er lett å oppdage ved å bruke apparatet beskrevet i § 291. La oss senke kolben med eter ned i varmt vann. Vi vil se at trykkmåleren vil vise en kraftig trykkøkning. Etter å ha senket den samme kolben i kaldt vann, eller bedre i en blanding av snø og salt (§ 275), merker vi tvert imot en reduksjon i trykket.

Så metningsdamptrykket avhenger sterkt av temperaturen. I tabellen. 18 viser metningsdamptrykket til vann og kvikksølv ved forskjellige temperaturer. Legg merke til det ubetydelige damptrykket til kvikksølv ved romtemperatur. Husk at når du leser et barometer, blir dette trykket neglisjert.

Tabell 18. Mettet damptrykk av vann og kvikksølv ved ulike temperaturer (i mmHg)

Temperatur,			Temperatur,

Fra grafen over avhengigheten av trykket til mettet vanndamp av temperaturen (fig. 481), kan det sees at trykkøkningen som tilsvarer en økning i temperaturen ved å øke med temperaturen. Dette er forskjellen mellom mettet damp og gasser, hvis trykk ved oppvarming øker likt ved både lave og høye temperaturer (med 1/273 av trykket ved ). Denne forskjellen vil bli ganske forståelig hvis vi husker at når gasser varmes opp med et konstant volum, endres bare hastigheten til molekylene. Når væske-damp-systemet varmes opp, som vi har antydet, endres ikke bare hastigheten til molekylene, men også antallet per volumenhet, det vil si at ved høyere temperatur har vi en damp med høyere tetthet.

Figur 481. Avhengigheten av trykket til mettet vanndamp

293.1. Hvorfor gir et gasstermometer (§ 235) riktige målinger først når gassen er helt tørr?

293.2. Anta at det i et lukket kar, i tillegg til væske og damp, også er luft. Hvordan vil dette påvirke trykkendringen med økende temperatur?

293.3. Endringen i damptrykk i et lukket kar med økende temperatur er avbildet av grafen vist i fig. 482. Hvilken konklusjon kan man trekke om prosessene med fordampning inne i et kar?

Ris. 482. Å utøve 293,3

« Fysikk - klasse 10"

Hva tror du vil skje med mettet damp hvis volumet den opptar reduseres: for eksempel hvis du komprimerer dampen i likevekt med væsken i en sylinder under et stempel, og holder temperaturen på innholdet i sylinderen konstant?

Når dampen er komprimert, vil likevekten begynne å bli forstyrret. Damptettheten vil i første øyeblikk øke litt, og flere molekyler vil begynne å gå fra gass til væske enn fra væske til gass. Tross alt avhenger antall molekyler som forlater væsken per tidsenhet bare av temperaturen, og komprimeringen av dampen endrer ikke dette tallet. Prosessen fortsetter til den dynamiske likevekten og damptettheten igjen er etablert, og derfor vil ikke konsentrasjonen av molekylene ta deres tidligere verdier. Følgelig

konsentrasjonen av mettede dampmolekyler ved en konstant temperatur er ikke avhengig av volumet.

Siden trykket er proporsjonalt med konsentrasjonen av molekyler (p = nkT), følger det av denne definisjonen at trykket av mettet damp ikke er avhengig av volumet det opptar.

pH-trykk n par, der væsken er i likevekt med sin damp, kalles mettet damptrykk.

Når mettet damp komprimeres, går mer og mer av den over i flytende tilstand. En væske med en gitt masse opptar et mindre volum enn en damp med samme masse. Som et resultat avtar volumet av damp ved konstant tetthet.

Gasslover for mettet damp er urettferdige (for ethvert volum ved konstant temperatur er trykket til mettet damp det samme). Samtidig er tilstanden til mettet damp ganske nøyaktig beskrevet av Mendeleev-Clapeyron-ligningen.

umettet damp

> Hvis dampen gradvis komprimeres ved en konstant temperatur, og dens transformasjon til en væske ikke skjer, kalles en slik damp umettet.

Ved reduksjon i volum (fig. 11.1) øker trykket av umettet damp (avsnitt 1-2), akkurat som trykket endres med en reduksjon i volumet til en ideell gass. Ved et visst volum blir dampen mettet, og med ytterligere kompresjon blir den til en væske (avsnitt 2-3). I dette tilfellet vil mettet damp allerede være over væsken.

Så snart all dampen blir til en væske, vil en ytterligere reduksjon i volum forårsake en kraftig trykkøkning (væske er inkompressibel).

Damp blir imidlertid ikke til væske ved noen temperatur. Hvis temperaturen er over en viss verdi, så uansett hvordan vi komprimerer gassen, vil den aldri bli til en væske.

>Maksimal temperatur der en damp fortsatt kan bli til en væske kalles kritisk temperatur.

Hvert stoff har sin egen kritiske temperatur, for helium T cr = 4 K, for nitrogen T cr = 126 K.

Tilstanden til materie ved en temperatur over den kritiske temperaturen kalles gass; ved en temperatur under den kritiske, når dampen har mulighet til å bli til en væske, - ferje.

Egenskapene til mettet og umettet damp er forskjellige.

Avhengighet av trykket til mettet damp av temperaturen.

Tilstanden til mettet damp, som erfaring viser, er omtrent beskrevet av tilstandsligningen til en ideell gass (10,4), og trykket bestemmes av formelen

r n. n = nkT. (11.1)

Når temperaturen stiger, stiger trykket

Siden trykket av mettet damp ikke avhenger av volum, avhenger det derfor bare av temperaturen.

Men avhengigheten av trykket pH. n på temperaturen T, funnet eksperimentelt, er ikke direkte proporsjonal, som i en ideell gass ved konstant volum. Med økende temperatur øker trykket til en ekte mettet damp raskere enn trykket til en ideell gass (fig. 11.2, utsnitt av kurven AB). Dette blir tydelig hvis vi trekker isokorene til en ideell gass gjennom punktene A og B (stiplede linjer). Hvorfor skjer dette?

Når en væske varmes opp i et lukket kar, blir en del av væsken til damp. Som et resultat, i henhold til formel (11.1), øker det mettede damptrykket ikke bare på grunn av en økning i temperaturen til væsken, men også på grunn av en økning i konsentrasjonen av molekyler (tetthet) av dampen.

I utgangspunktet bestemmes trykkøkningen med økende temperatur nøyaktig av økningen i konsentrasjon. Hovedforskjellen i oppførselen til en ideell gass og mettet damp er at når temperaturen på dampen i et lukket kar endres (eller når volumet endres ved en konstant temperatur), endres massen til dampen.

Hvorfor er tabeller over mettet damptrykk mot temperatur og ingen tabeller over gasstrykk mot temperatur?

Væsken blir delvis til damp, eller omvendt kondenserer dampen delvis. Ingenting slikt skjer med en ideell gass.

Når all væsken fordamper, vil dampen ved ytterligere oppvarming slutte å være mettet og dens trykk ved konstant volum vil øke i direkte proporsjon med den absolutte temperaturen (se fig. 11.2, utsnitt av BC-kurven).

Kokende.

Når temperaturen på væsken øker, øker fordampningshastigheten. Til slutt begynner væsken å koke. Ved koking dannes det raskt voksende dampbobler gjennom hele væskevolumet, som flyter til overflaten.

Koking- Dette er prosessen med fordampning som skjer gjennom hele væskevolumet ved kokepunktet.

Under hvilke forhold begynner kokingen?

Hvordan blir varmen tilført væsken brukt under koking fra molekylær-kinetisk teoris synspunkt?

Kokepunktet til en væske forblir konstant. Dette er fordi all energien som tilføres væsken brukes på å gjøre den om til damp.

Væsken inneholder alltid oppløste gasser som frigjøres på bunnen og veggene av karet, samt på støvpartikler suspendert i væsken, som er sentrene for fordampning. Væskedampene inne i boblene er mettet. Når temperaturen øker, øker damptrykket og boblene øker i størrelse. Under påvirkning av den flytende kraften flyter de opp. Hvis de øvre lagene av væsken har en lavere temperatur, kondenserer damp i disse lagene i boblene. Trykket synker raskt og boblene kollapser. Sammenbruddet er så raskt at veggene i boblen, kolliderer, produserer noe som en eksplosjon. Mange av disse mikroeksplosjonene skaper en karakteristisk støy. Når væsken varmes opp nok, slutter boblene å kollapse og flyter til overflaten. Væsken vil koke.

Avhengigheten av metningsdamptrykk av temperatur forklarer hvorfor kokepunktet til en væske avhenger av trykket på overflaten. En dampboble kan vokse når trykket til den mettede dampen inne i den litt overstiger trykket i væsken, som er summen av lufttrykket på overflaten av væsken (ytre trykk) og det hydrostatiske trykket i væskekolonnen.

La oss være oppmerksomme på det faktum at fordampning av en væske også skjer ved temperaturer lavere enn kokepunktet, men bare fra overflaten av væsken, mens det ved koking skjer dampdannelse gjennom hele væskevolumet.

Kokingen begynner ved en temperatur hvor metningsdamptrykket i boblene utjevnes og blir litt større enn trykket i væsken.

Jo større ytre trykk, jo høyere kokepunkt.

Så i en dampkjele ved et trykk som når 1,6 10 6 Pa, koker ikke vann selv ved en temperatur på 200 °C. I medisinske institusjoner i hermetisk forseglede kar - autoklaver (fig. 11.3), koker vann også ved forhøyet trykk. Derfor er væskens kokepunkt mye høyere enn 100 °C. Autoklaver brukes for eksempel til å sterilisere kirurgiske instrumenter, øke hastigheten på matlagingen (trykkkoker), konservere mat og utføre kjemiske reaksjoner.

Omvendt, ved å redusere det ytre trykket, senker vi dermed kokepunktet.

Ved å pumpe ut luft og vanndamp fra kolben kan du få vannet til å koke i romtemperatur. Når du klatrer i fjell, synker atmosfærisk trykk, slik at kokepunktet synker. I en høyde på 7134 m (Lenin-toppen i Pamirs) er trykket omtrent 4 10 4 Pa (300 mm Hg). Vann koker der ved ca 70°C. Det er umulig å tilberede kjøtt under disse forholdene.

Hver væske har sitt eget kokepunkt, som avhenger av væskens egenskaper. Ved samme temperatur er metningsdamptrykket til forskjellige væsker forskjellig.

For eksempel, ved en temperatur på 100 ° C, er trykket til mettet vanndamp 101 325 Pa (760 mm Hg), og kvikksølvdamp er bare 117 Pa (0,88 mm Hg). Siden koking skjer ved samme temperatur der det mettede damptrykket er lik det ytre trykket, koker vann ved 100 ° C, men kvikksølv gjør det ikke. Kvikksølv koker ved 357°C ved normalt trykk.

Avhengighet av trykket til mettet damp av temperaturen. Tilstanden til mettet damp er tilnærmet beskrevet av tilstandsligningen til en ideell gass (3.4), og dens trykk bestemmes omtrentlig av formelen

Når temperaturen stiger, stiger trykket. Siden metningsdamptrykket ikke er avhengig av volum, avhenger det derfor kun av temperatur.

Imidlertid er denne avhengigheten funnet eksperimentelt ikke direkte proporsjonal, som i en ideell gass ved konstant volum. Med økende temperatur øker trykket av mettet damp raskere enn trykket til en ideell gass (fig. 52, utsnitt av kurven AB).

Dette skjer av følgende grunn. Når en væske varmes opp med damp i et lukket kar, blir en del av væsken til damp. Som et resultat, i henhold til formel (5.1), øker damptrykket ikke bare på grunn av en økning i temperatur, men også på grunn av en økning i konsentrasjonen av molekyler (tetthet) av dampen. Hovedforskjellen i oppførselen til en ideell gass og mettet damp er at når temperaturen på dampen i et lukket kar endres (eller når volumet endres ved en konstant temperatur), endres massen til dampen. Væsken blir delvis til damp eller omvendt kondenserer dampen delvis. Ingenting slikt skjer med en ideell gass.

Når all væsken fordamper, vil dampen, ved ytterligere oppvarming, slutte å være mettet og dens trykk ved konstant volum vil øke i direkte proporsjon med den absolutte temperaturen (seksjon BC i figur 52).

Kokende. Avhengigheten av metningsdamptrykk av temperatur forklarer hvorfor kokepunktet til en væske avhenger av trykket. Ved koking dannes det raskt voksende dampbobler i hele væskevolumet, som flyter til overflaten. Det er klart at en dampboble kan vokse når trykket til den mettede dampen inne i den litt overstiger trykket i væsken, som er summen av lufttrykket på overflaten av væsken (ytre trykk) og det hydrostatiske trykket i væskekolonnen .

Koking begynner ved en temperatur der metningsdamptrykket i boblene er lik trykket i væsken.

Jo større ytre trykk, jo høyere kokepunkt. Således, ved et trykk i en dampkjele som når Pa, koker ikke vann selv ved en temperatur på 200°C. I medisinske institusjoner forekommer også kokende vann i hermetisk lukkede kar - autoklaver (fig. 53) ved forhøyet trykk. Derfor er kokepunktet mye høyere enn 100°C. Autoklaver brukes til å sterilisere kirurgiske instrumenter, bandasjer, etc.

Omvendt, ved å redusere trykket, senker vi dermed kokepunktet. Ved å pumpe ut luft og vanndamp fra kolben kan du få vannet til å koke ved romtemperatur (fig. 54). Når du klatrer i fjell, synker atmosfærisk trykk. Derfor synker kokepunktet. På det høye

7134 m (Lenin-toppen i Pamirs) er trykket omtrent lik Pa (300 mm Hg). Kokepunktet for vann der er omtrent 70 °C. Det er umulig å tilberede for eksempel kjøtt under disse forholdene.

Forskjellen i kokepunktene til væsker bestemmes av forskjellen i trykket til deres mettede damper. Jo høyere det mettede damptrykket er, desto lavere er kokepunktet for den tilsvarende væsken, siden det mettede damptrykket ved lavere temperaturer blir lik atmosfærisk trykk. For eksempel, ved 100 ° C, er trykket til mettet vanndamp (760 mm Hg), og kvikksølvdampen er bare 117 Pa (0,88 mm Hg). Kvikksølv koker ved 357°C ved normalt trykk.

kritisk temperatur. Med en økning i temperaturen, samtidig med en økning i trykket av mettet damp, øker dens tetthet også. Tettheten til en væske i likevekt med dampen, tvert imot, avtar på grunn av utvidelsen av væsken når den varmes opp. Hvis vi i en figur tegner kurver for avhengigheten av tettheten til en væske og dens damp av temperaturen, vil kurven for væsken gå ned, og for damp vil den gå opp (fig. 55).

Ved en viss temperatur, kalt den kritiske temperaturen, smelter begge kurvene sammen, det vil si at væskens tetthet blir lik tettheten til dampen.

Den kritiske temperaturen er temperaturen der forskjellene i fysiske egenskaper mellom væsken og dens mettede damp forsvinner.

Ved den kritiske temperaturen blir tettheten (og trykket) til mettet damp maksimal, og tettheten til væsken i likevekt med damp blir minimum. Den spesifikke fordampningsvarmen avtar med økende temperatur og blir null ved den kritiske temperaturen.

Hvert stoff har sin egen kritiske temperatur. For eksempel den kritiske temperaturen til vann, mens flytende karbonmonoksid (IV)

Siden mettet damp er en av komponentene i et termodynamisk likevektssystem av et stoff som er homogent i sammensetning, men forskjellig i fasefraksjoner, gjør forståelsen av påvirkningen av individuelle fysiske faktorer på størrelsen på trykket det skaper det mulig å bruke denne kunnskapen i praktiske aktiviteter, for eksempel ved å bestemme utbrenningsraten for visse væsker i tilfelle brann osv.

Mettet damptrykk kontra temperatur

Metningsdamptrykket blir større når temperaturen øker. I dette tilfellet er endringen i verdiene ikke direkte proporsjonal, men skjer mye raskere. Dette skyldes det faktum at med en økning i temperaturen akselererer bevegelsen av molekyler i forhold til hverandre, og det er lettere for dem å overvinne kreftene til gjensidig tiltrekning og gå over i en annen fase, dvs. antall molekyler i flytende tilstand avtar, og i gassform øker det til hele væsken blir til damp. Dette økende trykket får lokket til å løfte seg i kjelen eller når vannet begynner å koke.

Avhengighet av metningsdamptrykk av andre faktorer

Mengden mettet damptrykk påvirkes også av antall molekyler som har gått over i gassform, siden antallet bestemmer massen av den resulterende dampen i et lukket kar. Denne verdien er ikke konstant, siden med en temperaturforskjell mellom bunnen av karet og lokket som lukker det, oppstår det hele tiden to gjensidig motsatte prosesser - fordamping og kondensering.

Siden det for hvert stoff ved en viss temperatur er kjente indikatorer på overgangen til et visst antall molekyler fra en fase av materietilstanden til en annen, er det mulig å endre metningsdamptrykket ved å endre volumet av karet. Så det samme volumet vann, for eksempel 0,5 liter, vil skape forskjellige trykk i en fem-liters beholder og en vannkoker.

Den avgjørende faktoren for å bestemme referanseverdien for metningsdamptrykk ved et konstant volum og en gradvis økning i temperatur er molekylstrukturen til selve væsken, som utsettes for oppvarming. Så indikatorene for aceton, alkohol og vanlig vann vil avvike betydelig fra hverandre.

For å se kokeprosessen til en væske, er det nødvendig ikke bare å bringe det mettede damptrykket til visse grenser, men også å korrelere denne verdien med det ytre atmosfæriske trykket, siden kokeprosessen bare er mulig når trykket utenfor er høyere enn trykket inne i karet.

I denne leksjonen vil vi analysere egenskapene til en noe spesifikk gass - mettet damp. Vi vil definere denne gassen, påpeke hvordan den fundamentalt skiller seg fra de ideelle gassene vi vurderte tidligere, og mer spesifikt hvordan avhengigheten av trykket til en mettet gass er forskjellig. Også i denne leksjonen vil en slik prosess som koking bli vurdert og beskrevet.

For å forstå forskjellene mellom mettet damp og en ideell gass, må du forestille deg to eksperimenter.

Først, la oss ta et hermetisk forseglet kar med vann og begynne å varme det opp. Når temperaturen øker, vil væskemolekylene ha en økende kinetisk energi, og et økende antall molekyler vil kunne unnslippe væsken (se fig. 2), derfor vil dampkonsentrasjonen øke og følgelig dens trykk. Så den første posisjonen:

Mettet damptrykk avhenger av temperaturen

Ris. 2.

Imidlertid er denne bestemmelsen ganske forventet og ikke så interessant som den følgende. Hvis du plasserer en væske med dens mettede damp under et bevegelig stempel og begynner å senke dette stempelet, vil utvilsomt konsentrasjonen av mettet damp øke på grunn av en reduksjon i volum. Men etter en tid vil dampen bevege seg med væsken til en ny dynamisk likevekt ved å kondensere en overflødig mengde damp, og trykket vil ikke endre seg til slutt. Den andre posisjonen til teorien om mettet damp:

Mettet damptrykk er ikke avhengig av volumet

Nå skal det bemerkes at det mettede damptrykket, selv om det avhenger av temperaturen, som en ideell gass, men arten av denne avhengigheten er noe annerledes. Faktum er at, som vi vet fra den grunnleggende ligningen til MKT, avhenger gasstrykket av både temperatur og gasskonsentrasjon. Og derfor avhenger trykket av mettet damp ikke-lineært av temperaturen til dampkonsentrasjonen øker, det vil si til all væsken har fordampet. Grafen nedenfor (fig. 3) viser arten av avhengigheten av mettet damptrykk på temperaturen,

Ris. 3

dessuten betyr overgangen fra en ikke-lineær seksjon til en lineær bare punktet for fordampning av hele væsken. Siden trykket til en mettet gass kun avhenger av temperatur, er det mulig å helt entydig bestemme hva det mettede damptrykket vil være ved en gitt temperatur. Disse forholdene (så vel som verdiene for tettheten til mettet damp) er oppført i en spesiell tabell.

La oss nå rette oppmerksomheten mot en så viktig fysisk prosess som koking. I åttende klasse ble koking allerede definert som en fordampningsprosess mer intens enn fordampning. Nå skal vi utvide dette konseptet noe.

Definisjon. Kokende- fordampningsprosessen som skjer gjennom hele væskevolumet. Hva er kokemekanismen? Faktum er at det alltid er oppløst luft i vann, og som et resultat av en temperaturøkning, reduseres løseligheten, og det dannes mikrobobler. Siden bunnen og veggene i karet ikke er helt glatte, klamrer disse boblene seg til uregelmessighetene på innsiden av karet. Nå eksisterer vann-luftseksjonen ikke bare på overflaten av vannet, men også inne i volumet av vann, og vannmolekyler begynner å passere inn i boblene. Dermed vises mettet damp inne i boblene. Videre begynner disse boblene å flyte, øke i volum og ta flere vannmolekyler inn i seg selv, og briste nær overflaten og frigjøre mettet damp til miljøet (fig. 4).

Ris. 4. Kokeprosess ()

Betingelsen for dannelse og oppstigning av disse boblene er følgende ulikhet: det mettede damptrykket må være større enn eller lik atmosfærisk trykk.

Dermed, siden trykket av mettet damp avhenger av temperaturen, bestemmes kokepunktet av trykket i miljøet: Jo lavere det er, jo lavere er temperaturen som væsken koker ved, og omvendt.

I neste leksjon vil vi begynne å vurdere egenskapene til stive kropper.

Bibliografi

Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z. Molekylær fysikk. Termodynamikk. - M.: Bustard, 2010.
Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Fysikk klasse 10. - M.: Ileksa, 2005.
Kasyanov V.A. Fysikk klasse 10. - M.: Bustard, 2010.

Physics.ru ().
Chemport.ru ().
Narod.ru ().

Hjemmelekser

Side 74: nr. 546-550. Fysikk. Oppgavebok. 10-11 klassetrinn. Rymkevich A.P. - M.: Bustard, 2013. ()
Hvorfor kan ikke klatrere koke egg i høyden?
Hva er noen måter du kan avkjøle varm te? Begrunn dem i form av fysikk.
Hvorfor skal gasstrykket på brenneren reduseres etter kokende vann?
* Hvordan kan vann varmes opp over hundre grader celsius?