Küllastunud auru rõhu sõltuvus temperatuurist. Keetmine – teadmiste hüpermarket. Aurustumine Tahkete ainete aurustumine

aine olekud

Kas pole imelik sõnade kombinatsioon? See pole aga üldse jama: nii rauaaur kui ka tahke õhk on looduses olemas, kuid mitte tavatingimustes.

Millistest tingimustest me räägime? Aine oleku määravad kaks asjaolu: temperatuur ja rõhk.

Meie elu toimub suhteliselt vähe muutuvates tingimustes. Õhurõhk kõigub mõne protsendi piires umbes ühest atmosfäärist; õhutemperatuur, näiteks Moskva piirkonnas, on vahemikus -30 kuni + 30 ° С; absoluutses temperatuuriskaalas, kus madalaim võimalik temperatuur on null (-273 ° С); see intervall näeb välja vähem muljetavaldav: 240–300 K, mis on samuti ainult ± 10% keskmisest väärtusest.

On täiesti loomulik, et oleme nende tavatingimustega harjunud ja seetõttu, kui ütleme lihtsaid tõdesid nagu: "raud on tahke aine, õhk on gaas" jne, unustame lisada: "normaalsetes tingimustes".

Kui rauda soojendate, siis see kõigepealt sulab ja seejärel aurustub. Kui õhku jahutada, muutub see esmalt vedelikuks ja seejärel tahkub.

Isegi kui lugeja pole kunagi kohanud rauaauru ja tahket õhku, usub ta tõenäoliselt kergesti, et temperatuuri muutes võib ainet saada tahkes, vedelas ja gaasilises olekus või, nagu öeldakse, tahkes, vedelas või gaasilises olekus. faasid.

Sellesse on lihtne uskuda, sest igaüks vaatleks ühte ainet, ilma milleta oleks elu Maal võimatu nii gaasi kui vedeliku kui ka tahke ainena. See puudutab muidugi vett.

Millistel tingimustel toimuvad aine muundumised ühest olekust teise?

Kui langetada termomeetri veekeetjasse valatavasse vette, lülitada sisse elektripliit ja jälgida termomeetri elavhõbedat, näeme järgmist: peaaegu kohe hakkab elavhõbeda tase üles hiilima. Juba 90, 95, lõpuks 100 °C. Vesi keeb ja samal ajal elavhõbeda tõus peatub. Vesi on mitu minutit keenud, kuid elavhõbeda tase pole muutunud. Kuni kogu vesi pole ära keenud, temperatuur ei muutu (joonis 4.1).

Riis. 4.1

Millele läheb soojus, kui vee temperatuur ei muutu? Vastus on ilmne. Vee auruks muutmise protsess nõuab energiat.

Võrdleme grammi vee ja sellest moodustunud auru grammi energiat. Auru molekulid asuvad üksteisest kaugemal kui veemolekulid. On selge, et seetõttu erineb vee potentsiaalne energia auru potentsiaalsest energiast.

Osakeste ligitõmbamise potentsiaalne energia väheneb nende lähenemisega. Seetõttu on auru energia suurem kui vee energia ja vee auruks muutmine nõuab energiat. Selle energia ülejäägi edastab elektripliit veekeetjas keeva veega.

Vee auruks muutmiseks vajalik energia; nimetatakse aurustumissoojuseks. 1 g vee auruks muutmiseks on vaja 539 kalorit (see on temperatuuri 100 ° C arv).

Kui 1 g kohta läheb 539 kalorit, siis 1 mooli vee peale kulub 18 * 539 = 9700 kalorit. See kogus soojust tuleb kulutada molekulidevaheliste sidemete purustamiseks.

Saate seda arvu võrrelda molekulisiseste sidemete purustamiseks vajaliku töömahuga. 1 mooli veeauru aatomiteks jagamiseks kulub umbes 220 000 kalorit ehk 25 korda rohkem energiat. See tõestab otseselt molekule üksteisega siduvate jõudude nõrkust võrreldes jõududega, mis tõmbavad aatomeid molekuliks kokku.

Vee keemistemperatuur on 100 ° C; võib arvata, et see on vee omane omadus, et vesi keeb alati 100 °C juures, kus ja millistes tingimustes see ka poleks.

Kuid see pole nii ja kõrgete mägikülade elanikud on sellest hästi teadlikud.

Elbruse tipu lähedal on turismimaja ja teadusjaam. Algajad imestavad mõnikord "kui raske on muna keevas vees keeta" või "miks keev vesi ei põle". Nendes tingimustes öeldakse neile, et vesi keeb Elbruse tipus juba 82 ° C juures.

Mis siin lahti on? Milline füüsikaline tegur segab keemisnähtust? Kui oluline on kõrgus?

See füüsikaline tegur on vedeliku pinnale mõjuv rõhk. Sa ei pea ronima mäe tippu, et kontrollida öeldu tõesust.

Asetades kellukese alla kuumutatud vett ja pumbates või pumbates sealt õhku välja, saad veenduda, et keemistemperatuur tõuseb rõhu tõustes ja langeb rõhu langedes.

Vesi keeb 100 ° C juures ainult teatud rõhul - 760 mm Hg. Art. (või 1 atm).

Keemispunkti ja rõhu kõver on näidatud joonisel fig. 4.2. Elbruse tipus on rõhk 0,5 atm ja see rõhk vastab keemistemperatuurile 82 ° C.

Riis. 4.2

Kuid 10-15 mm Hg keeva veega. Art., saate kuuma ilmaga end jahutada. Sellel rõhul langeb keemistemperatuur 10-15 ° C-ni.

Võite isegi saada "keeva vett" vee külmumistemperatuuril. Selleks peate vähendama rõhku 4,6 mm Hg-ni. Art.

Huvitavat pilti saab jälgida, kui asetada kellukese alla avatud anum veega ja pumbata õhk välja. Pumpamine paneb vee keema, kuid keetmine nõuab kuumust. Seda pole kuskilt võtta ja vesi peab oma energiast loobuma. Keeduvee temperatuur hakkab langema, kuid pumpamise jätkudes langeb ka rõhk. Seetõttu keemine ei peatu, vesi jätkab jahtumist ja lõpuks külmub.

Selline külma vee keetmine toimub mitte ainult õhu väljapumpamisel. Näiteks laeva sõukruvi pöörlemisel langeb rõhk metallpinna lähedal kiiresti liikuvas veekihis järsult ja selles kihis olev vesi keeb ehk sinna tekib arvukalt auruga täidetud mullikesi. Seda nähtust nimetatakse kavitatsiooniks (ladinakeelsest sõnast cavitas - õõnsus).

Rõhku langetades alandame keemistemperatuuri. Ja selle suurendamine? Sellele küsimusele vastab meiesugune graafik. Rõhk 15 atm võib vee keemist edasi lükata, see algab alles 200 ° C juures ja 80 atm rõhk paneb vee keema ainult 300 ° C juures.

Seega vastab teatud välisrõhk teatud keemistemperatuurile. Kuid selle väite võib ka "ümber pöörata", öeldes: igal vee keemistemperatuuril on oma spetsiifiline rõhk. Seda rõhku nimetatakse aururõhuks.

Keemistemperatuuri ja rõhu kõver on ka aururõhu ja temperatuuri kõver.

Keemistemperatuuri graafikule (või aururõhu graafikule) kantud numbrid näitavad, et aururõhk muutub temperatuuriga väga kiiresti. Temperatuuril 0 °C (st 273 K) on aururõhk 4,6 mm Hg. Art., 100 ° C (373 K) juures on see 760 mm Hg. Art., See tähendab, et suureneb 165 korda. Kui temperatuur tõuseb poole võrra (0 ° C-lt, st 273 K-ni, 273 ° C-ni, s.o 546 K-ni), tõuseb aururõhk 4,6 mm Hg-lt. Art. peaaegu kuni 60 atm, see tähendab umbes 10 000 korda.

Seetõttu, vastupidi, keemistemperatuur muutub rõhuga üsna aeglaselt. Kui rõhk muutub poole võrra 0,5 atm-lt 1 atm-ni, tõuseb keemistemperatuur 82 ° C-lt (355 K) 100 ° C-ni (373 K) ja kui rõhk muutub poole võrra 1 kuni 2 atm - 100 ° C-lt. C (373 K) kuni 120 °C (393 K).

Sama kõver, mida me praegu kaalume, kontrollib ka auru kondenseerumist (paksenemist) vette.

Auru saab muuta veeks kas kokkusurumise või jahutamise teel.

Nii keemise kui ka kondenseerumise ajal ei liigu punkt kõveraga enne, kui aur on veeks või vesi auruks muutunud. Selle võib sõnastada ka järgmiselt: meie kõvera tingimustes ja ainult nendes tingimustes on vedeliku ja auru kooseksisteerimine võimalik. Kui see ei anna ega eemalda soojust, jäävad auru ja vedeliku kogused suletud anumas muutumatuks. Väidetavalt on selline aur ja vedelik tasakaalus ning vedelikuga tasakaalus olevat auru nimetatakse küllastunud.

Keemis- ja kondenseerumiskõveral on, nagu näeme, teine ​​tähendus: see on vedeliku ja auru tasakaalu kõver. Tasakaalukõver jagab diagrammivälja kaheks osaks. Vasakul ja ülespoole (kõrgemate temperatuuride ja madalama rõhu suunas) on auru püsiva oleku piirkond. Paremale ja allapoole - vedeliku püsiva oleku ala.

Auru-vedeliku tasakaalukõver, st keemispunkti ja rõhu kõver või, mis on sama, aururõhu ja temperatuuri kõver, on kõigi vedelike puhul ligikaudu sama. Mõnel juhul võib muutus olla mõnevõrra teravam, teisel mõnevõrra aeglasem, kuid alati tõuseb aururõhk temperatuuri tõustes kiiresti.

Oleme korduvalt kasutanud sõnu "gaas" ja "aur". Need kaks sõna on üsna võrdsed. Võime öelda: veegaas on veeaur, hapnikugaas on hapniku vedeliku aur. Sellest hoolimata on teatud harjumus neid kahte sõna kasutada. Kuna oleme harjunud teatud suhteliselt väikese temperatuurivahemikuga, kasutame sõna "gaas" tavaliselt nende ainete kohta, mille aururõhk tavatemperatuuril on kõrgem kui atmosfäärirõhk. Vastupidi, aurust räägime siis, kui toatemperatuuril ja atmosfäärirõhul on aine vedeliku kujul stabiilsem.

Keetmine on kiire protsess ja keevast veest ei jää lühikese aja jooksul jälgegi, see muutub auruks.

Kuid on veel üks vee või muu vedeliku auruks muutumise nähtus - see on aurustumine. Aurustumine toimub igal temperatuuril sõltumata rõhust, mis tavatingimustes on alati 760 mm Hg lähedal. Art. Aurustumine, erinevalt keetmisest, on väga aeglane protsess. Odekolonni pudel, mille unustasime sulgeda, saab mõne päeva pärast tühjaks; rohkem aega o taldrik vesi seisab, kuid varem või hiljem on see ka kuiv.

Õhk mängib aurustumisprotsessis olulist rolli. Iseenesest ei takista see vee aurustumist. Niipea, kui avame vedeliku pinna, hakkavad veemolekulid liikuma lähimasse õhukihti.

Auru tihedus selles kihis suureneb kiiresti; lühikese aja pärast muutub aururõhk võrdseks keskkonna temperatuurile iseloomuliku elastsusega. Sel juhul on aururõhk täpselt sama, mis õhu puudumisel.

Auru pääsemine õhku ei tähenda muidugi rõhu tõusu. Kogurõhk veepinna kohal olevas ruumis ei suurene, suureneb ainult selle rõhu osakaal, mille aur võtab, ja vastavalt väheneb auru poolt väljatõrjutava õhu osakaal.

Vee kohal on õhuga segunenud aur, ülal ilma auruta õhukihid. Need segunevad paratamatult. Veeaur liigub pidevalt kõrgematesse kihtidesse ja selle asemel siseneb alumisse kihti õhk, mis ei sisalda veemolekule. Seetõttu tehakse veele lähimas kihis kohad uutele veemolekulidele alati vabaks. Vesi aurustub pidevalt, säilitades veeauru surve pinnal elastsusega võrdseks ja protsess jätkub, kuni vesi on täielikult aurustunud.

Alustasime odekolonni ja vee näitega. On hästi teada, et need aurustuvad erineva kiirusega. Eeter aurustub erakordselt kiiresti, alkohol üsna kiiresti ja vesi palju aeglasemalt. Saame kohe aru, milles asi, kui leiame teatmeraamatust nende vedelike aururõhu väärtused, näiteks toatemperatuuril. Need on numbrid: eeter - 437 mm Hg. Art., alkohol - 44,5 mm Hg. Art. ja vesi - 17,5 mm Hg. Art.

Mida suurem on elastsus, seda rohkem auru on külgnevas õhukihis ja seda kiiremini vedelik aurustub. Teame, et aururõhk tõuseb temperatuuri tõustes. On selge, miks aurustumiskiirus kuumutamisel suureneb.

Aurustumise kiirust saab mõjutada muul viisil. Kui tahame aurustumisele kaasa aidata, on vaja vedelikust aur kiiresti eemaldada ehk õhu segunemist kiirendada. Seetõttu kiirendab aurustumist oluliselt vedeliku kohale puhumine. Kuigi vesi on suhteliselt madala aururõhuga, kaob taldrik tuule kätte üsna kiiresti.

Seetõttu on mõistetav, miks veest välja tulnud ujuja tuules külma tunneb. Tuul kiirendab õhu segunemist auruga ja seetõttu kiirendab ka aurustumist ning inimkeha on sunnitud aurustumiseks soojust loovutama.

Inimese heaolu oleneb sellest, kas õhus on palju või vähe veeauru. Ja kuiv ja märg õhk ebameeldiv. Niiskust peetakse normaalseks, kui see on 60%. See tähendab, et veeauru tihedus on 60% küllastunud veeauru tihedusest samal temperatuuril.

Kui niiske õhk jahutatakse, siis lõpuks muutub veeauru rõhk selles võrdseks aururõhuga sellel temperatuuril. Aur küllastub ja kui temperatuur veelgi langeb, hakkab see veeks kondenseeruma. Hommikune kaste, mis niisutab muru ja lehti, tekib just tänu sellele nähtusele.

20 ° C juures on küllastunud veeauru tihedus umbes 0,00002 g / cm 3. Tunneme end hästi, kui 60% sellest arvust moodustab õhus leiduv veeaur, mis tähendab vaid veidi rohkem kui sajatuhandik grammi 1 cm 3 kohta.

Kuigi see näitaja on väike, toob see ruumi jaoks kaasa muljetavaldava koguse auru. Lihtne on arvutada, et keskmise suurusega ruumi, mille pindala on 12 m 2 ja kõrgus 3 m, võib umbes kilogramm vett "mahtuda" küllastunud auru kujul.

See tähendab, et kui sulgeda selline ruum tihedalt ja panna lahtine tünn vett, siis liiter vett aurustub, olenemata tünni mahutavusest.

Huvitav on võrrelda seda vee tulemust elavhõbeda vastavate näitajatega. Samal temperatuuril 20 ° C on elavhõbeda küllastunud auru tihedus 10–8 g / cm 3.

Äsja arutatud ruum ei mahuta rohkem kui 1 g elavhõbedaauru.

Muide, elavhõbedaaur on väga mürgine ja 1 g elavhõbedaauru võib tõsiselt kahjustada iga inimese tervist. Elavhõbedaga töötades peate tagama, et isegi väikseim elavhõbedatilk ei valguks maha.

Kuidas muuta gaas vedelikuks? Sellele küsimusele vastab keemise graafik. Gaasi saab muuta vedelikuks kas temperatuuri langetades või rõhku tõstes.

19. sajandil peeti rõhu tõstmist kergemaks ülesandeks kui temperatuuri langetamist. Selle sajandi alguses suutis suur inglise füüsik Michael Farad suruda gaasid aururõhu väärtusteni ja muuta sel viisil paljud gaasid vedelikuks (kloor, süsinikdioksiid jne).

Mõned gaasid – vesinik, lämmastik, hapnik – ei andnud aga kuidagi vedeldamiseks. Ükskõik kui palju rõhku tõsteti, ei muutunud need vedelikuks. Võib arvata, et hapnik ja muud gaasid ei saa olla vedelad. Need loeti tõeliste ehk püsivate gaaside hulka.

Tegelikult põhjustas ebaõnnestumised ühe olulise asjaolu mittemõistmine.

Vaatleme vedelikku ja auru tasakaalus ning mõelge, mis juhtub nendega keemistemperatuuri tõusuga ja loomulikult ka vastava rõhu tõusuga. Teisisõnu kujutage ette, et keemisgraafiku punkt liigub piki kõverat ülespoole. On selge, et vedelik paisub temperatuuri tõustes ja selle tihedus väheneb. Mis puutub auru, siis keemistemperatuuri tõus? loomulikult soodustab see selle paisumist, kuid nagu me juba ütlesime, kasvab küllastunud aururõhk palju kiiremini kui keemistemperatuur. Seetõttu aurutihedus ei vähene, vaid, vastupidi, suureneb keemistemperatuuri tõustes kiiresti.

Kuna vedeliku tihedus väheneb ja auru tihedus suureneb, siis mööda keemiskõverat "üles" liikudes jõuame paratamatult punkti, kus vedeliku ja auru tihedused muutuvad võrdseks (joonis 4.3).

Riis. 4.3

Selles tähelepanuväärses punktis, mida nimetatakse kriitiliseks punktiks, keemiskõver lõpeb. Kuna kõik gaasi ja vedeliku erinevused on seotud tiheduse erinevusega, siis kriitilises punktis muutuvad vedeliku ja gaasi omadused samaks. Igal ainel on oma kriitiline temperatuur ja oma kriitiline rõhk. Niisiis, vee puhul vastab kriitiline punkt temperatuurile 374 ° C ja rõhule 218,5 atm.

Kui surute kokku gaasi, mille temperatuur on alla kriitilise väärtuse, siis selle kokkusurumisprotsess on kujutatud keemiskõverat ristuva noolega (joonis 4.4). See tähendab, et aururõhuga võrdse rõhu saavutamise hetkel (noole ja keemiskõvera lõikepunkt) hakkab gaas kondenseeruma vedelikuks. Kui meie anum oleks läbipaistev, siis sel hetkel näeksime anuma põhjas vedelikukihi moodustumise algust. Pideva rõhu korral kasvab vedelikukiht, kuni lõpuks muutub kogu gaas vedelikuks. Edasine kokkusurumine nõuab rõhu suurendamist.

Riis. 4.4

Hoopis teistsugune on olukord gaasi kokkusurumisel, mille temperatuur on kriitilisest kõrgem. Tihendusprotsessi saab jällegi kujutada noolena, mis liigub alt üles. Aga nüüd see nool keemiskõverat ei ületa. See tähendab, et kokkusurumise ajal aur ei kondenseeru, vaid kondenseerub ainult pidevalt.

Kriitilisest temperatuurist kõrgematel temperatuuridel on liidesega eraldatud vedeliku ja gaasi olemasolu võimatu: mis tahes tiheduseni kokkusurumisel paikneb kolvi all homogeenne aine ja on raske öelda, millal seda saab nimetada. gaas ja millal seda võib nimetada vedelikuks.

Kriitilise punkti olemasolu näitab, et vedelal ja gaasilisel olekul pole põhimõttelist erinevust. Esmapilgul võib tunduda, et sellist põhimõttelist erinevust pole ainult kriitilisest kõrgemate temperatuuride puhul. See aga nii ei ole. Kriitilise punkti olemasolu näitab, et vedelik – see täiesti reaalne vedelik, mida saab klaasi valada – võib sattuda gaasilisse olekusse ilma keemiseta.

See teisendustee on näidatud joonisel fig. 4.4. Tuntud vedelik on tähistatud ristiga. Kui rõhku veidi langetada (nool alla), läheb keema, keeb ka siis, kui temperatuuri veidi tõsta (nool paremale). Kuid me tegutseme täiesti erinevalt, surume vedelikku väga tugevalt kokku, kuni rõhuni üle kriitilise. Vedeliku olekut tähistav punkt liigub vertikaalselt ülespoole. Seejärel soojendame vedelikku - seda protsessi tähistab horisontaalne joon. Nüüd, kui oleme leidnud end kriitilisest temperatuurist paremal, alandame rõhku esialgsele. Kui nüüd temperatuuri alandada, siis saab päris auru, mida sellest vedelikust saaks lihtsamalt ja lühemalt.

Seega on alati võimalik rõhku ja temperatuuri muutes kriitilisest punktist mööda minnes saada auru pidevalt vedelikust või vedelikust aurust üle kandes. See pidev üleminek ei nõua keetmist ega kondenseerumist.

Varased katsed veeldada gaase nagu hapnik, lämmastik, vesinik ja seetõttu ebaõnnestusid, kuna kriitilise temperatuuri olemasolust polnud teada. Nendel gaasidel on väga madal kriitiline temperatuur: lämmastik -147 °C, hapnik -119 °C, vesinik -240 °C ehk 33 K. Heelium on rekordiomanik, selle kriitiline temperatuur on 4,3 K. vedelik on võimalik ainult ühel viisil - nende temperatuuri on vaja langetada alla näidatud.

On võimalik saavutada oluline temperatuuri langus erinevaid viise... Kuid kõigi meetodite idee on sama: on vaja sundida keha, mida tahame jahutada, kulutama oma sisemist energiat.

Kuidas seda teha? Üks võimalus on panna vedelik keema ilma väljast soojust sisse toomata. Selleks, nagu me teame, on vaja rõhku alandada - vähendada seda aururõhu väärtuseni. Keemisel kuluv soojus võetakse vedelikust ning vedeliku ja auru temperatuurist ning koos sellega aururõhk langeb. Seetõttu, et keetmine ei peatuks ja toimuks kiiremini, tuleb anumast pidevalt vedelikuga õhku välja pumbata.

Temperatuurilangus selle protsessi käigus jõuab aga piirini: aururõhk muutub lõpuks täiesti tähtsusetuks ja ka kõige tugevamad evakuatsioonipumbad ei suuda vajalikku rõhku tekitada.

Temperatuuri alandamise jätkamiseks on võimalik saadud vedelikuga gaasi jahutades muuta see madalama keemistemperatuuriga vedelikuks.

Nüüd saab pumpamist korrata teise ainega ja seeläbi saavutada madalamaid temperatuure. Vajadusel selline "kaskaadi" saamise meetod madalad temperatuurid saab pikendada.

See on täpselt see, mida nad tegid eelmise sajandi lõpus; Gaasid veeldati etapiviisiliselt: etüleen, hapnik, lämmastik ja vesinik muudeti järjest vedelaks - aineteks keemistemperatuuriga -103, -183, -196 ja -253 °C. Vedela vesinikuga saate madalaima keemistemperatuuriga vedeliku - heeliumi (-269 ° C). "Vasakpoolne" naaber aitas saada "õiget" naabrit.

Kaskaadjahutusmeetod on peaaegu sada aastat vana. 1877. aastal saadi sel meetodil vedelat õhku.

Aastatel 1884-1885. esimest korda saadi vedel vesinik. Lõpuks, kakskümmend aastat hiljem, vallutati viimane kindlus: 1908. aastal muutis Kamerling Onnes Hollandis Leideni linnas heeliumi vedelikuks – madalaima kriitilise temperatuuriga aineks. Hiljuti tähistati selle olulise teadussaavutuse 70. aastapäeva.

Leideni labor oli aastaid ainus "madala temperatuuriga" labor. Nüüd on kõigis riikides selliseid laboreid kümneid, rääkimata tehastest, mis toodavad vedelat õhku, lämmastikku, hapnikku ja heeliumi tehniliseks otstarbeks.

Kaskaadmeetodit madalate temperatuuride saamiseks kasutatakse nüüd harva. V tehnilised paigaldised temperatuuri alandamiseks kasutatakse gaasi siseenergia alandamiseks teist meetodit: need sunnivad gaasi kiiresti paisuma ja siseenergia tõttu tööd tegema.

Kui panna näiteks mitme atmosfäärini kokkusurutud õhk ekspanderisse, siis kolvi liigutamise või turbiini pööramise töö tegemisel jahtub õhk nii järsult, et muutub vedelikuks. Süsinikdioksiid, kui see silindrist kiiresti vabaneb, jahtub nii järsult, et muutub lennult "jääks".

Vedelgaase kasutatakse tehnoloogias laialdaselt. Vedelat hapnikku kasutatakse plahvatusohtlikus tehnoloogias, reaktiivmootorite kütusesegu komponendina.

Õhu veeldamist kasutatakse tehnoloogias õhku moodustavate gaaside eraldamiseks.

V erinevad valdkonnad tehnikud peavad töötama vedela õhu temperatuuril. Kuid paljude füüsikaliste uuringute jaoks ei ole see temperatuur piisavalt madal. Tõepoolest, kui teisendame Celsiuse kraadid absoluutskaalale, siis näeme, et vedela õhu temperatuur on ligikaudu 1/3 toatemperatuurist. Füüsika jaoks on palju huvitavamad "vesiniku" temperatuurid, see tähendab temperatuurid suurusjärgus 14-20 K ja eriti "heeliumi" temperatuur. Madalaim vedela heeliumi pumpamisel saadav temperatuur on 0,7 K.

Füüsikutel on õnnestunud absoluutsele nullile palju lähemale jõuda. Praeguseks on saadud temperatuure, mis ületavad absoluutset nulli vaid mõne tuhandiku kraadi võrra. Need ülimadalad temperatuurid saadakse aga viisil, mis ei sarnane ülalkirjeldatule.

V viimased aastad madala temperatuuri füüsikast on tekkinud spetsiaalne tööstusharu, mis tegeleb seadmete tootmisega, mis võimaldab hoida suuri mahtusid absoluutse nulli lähedasel temperatuuril; arenenud toitekaablid mille siinid töötavad temperatuuril alla 10 K.

Keemistemperatuuri ületamisel peab aur kondenseeruma ja muutuma vedelikuks. Aga,; selgub, et kui aur ei puutu vedelikuga kokku ja kui aur on väga puhas, siis on võimalik saada ülejahutatud ehk "üleküllastunud auru - auru, mis oleks pidanud juba ammu vedelikuks saama.

Üleküllastunud aur on väga ebastabiilne. Mõnikord piisab hilinenud kondenseerumise alguseks põrutusest või kosmosesse paisatud tera aurust.

Kogemused näitavad, et aurumolekulide kondenseerumist hõlbustab oluliselt väikeste võõrosakeste viimine auru. Veeauru üleküllastumist tolmuses õhus ei toimu. Kondensaadi teket võivad põhjustada suitsupahvakud. Suits koosneb ju väikestest tahketest osakestest. Auru sattudes koguvad need osakesed enda ümber molekule ja muutuvad kondensatsioonikeskusteks.

Ehkki aur on ebastabiilne, võib see esineda temperatuurivahemikus, mis on kohandatud vedeliku "eluea" jaoks.

Kuid kas vedelik võib aurupiirkonnas samadel tingimustel "elada"? Teisisõnu, kas vedelikku on võimalik üle kuumutada?

Selgub, et saate. Selleks on vaja tagada, et vedeliku molekulid ei eralduks selle pinnalt. Radikaalne abinõu on vaba pinna kõrvaldamine, st vedeliku asetamine anumasse, kus see oleks igast küljest tugevate seintega kokku surutud. Nii on võimalik saavutada mitmekraadine ülekuumenemine ehk nihutada vedelike olekut kujutav punkt keemiskõverast paremale (joonis 4.4).

Ülekuumenemine on vedeliku nihkumine aurupiirkonda, seetõttu on vedeliku ülekuumenemist võimalik saavutada nii soojuse andmise kui ka rõhu vähendamise kaudu.

Viimane viis hämmastavate tulemuste saavutamiseks. Vesi või muu vedelik, mis on lahustunud gaasidest põhjalikult vabastatud (seda pole lihtne teha), asetatakse anumasse, mille kolb ulatub vedeliku pinnale. Anum ja kolb peavad olema vedelikuga niisutatud. Kui nüüd kolvi enda poole tõmmata, siis vesi, mis on kolvi põhja külge kleepunud, järgib seda. Kuid kolvi haarav veekiht tõmbab endaga kaasa järgmise veekihi, see kiht tõmbab alla olevat, mille tulemusena vedelik venib.

Lõpuks lõhkeb veesammas (kolvi küljest murdub lahti veesammas, mitte vesi), kuid see juhtub siis, kui jõud pindalaühiku kohta jõuab kümnete kilogrammideni. Teisisõnu tekib vedelikus kümnete atmosfääride suurune alarõhk.

Isegi madalatel positiivsetel rõhkudel on aine aurune olek stabiilne. Ja vedeliku saab viia alarõhku. Rohkem ilmekas näide"ülekuumenemist" ei saa ette kujutada.

Pole olemas kindlat keha, mis taluks temperatuuri tõusu nii palju kui soovite. Varem või hiljem muutub tahke tükk vedelikuks; õige, mõnel juhul ei jõua me sulamistemperatuurini – võib toimuda keemiline lagunemine.

Temperatuuri tõustes liiguvad molekulid järjest intensiivsemalt. Lõpuks saabub hetk, mil muutub võimatuks hoida korda "tugevalt" kõikuvate "molekulide vahel. Tahke aine sulab. Volframil on kõrgeim sulamistemperatuur: 3380 ° C. Kuld sulab 1063 ° C juures, raud - 1539 ° C juures. leidub ka madala sulamistemperatuuriga metalle Elavhõbe, nagu teada, sulab juba temperatuuril -39 ° C Orgaanilistel ainetel ei ole kõrge sulamistemperatuuri Naftaleen sulab 80 ° C juures, tolueen - 94,5 ° C juures.

Keha sulamistemperatuuri mõõtmine pole sugugi keeruline, eriti kui see sulab temperatuurivahemikus, mida mõõdetakse tavalise termomeetriga. Sulavale kehale pole sugugi vaja silmadega järgneda. Piisab, kui vaadata termomeetri elavhõbedasammast. Kuni sulamise alguseni kehatemperatuur tõuseb (joon. 4.5). Kui sulamine algab, peatub temperatuuri tõus ja temperatuur jääb muutumatuks kuni sulamisprotsessi lõpuni.

Riis. 4.5

Nii nagu vedeliku auruks muutmine, nõuab ka tahke aine vedelikuks muutmine soojust. Selleks vajalikku soojust nimetatakse varjatud sulamissoojuseks. Näiteks ühe kilogrammi jää sulatamiseks kulub 80 kcal.

Jää on üks kõrge sulamissoojusega kehadest. Jää sulatamine nõuab näiteks 10 korda rohkem energiat kui sama massi plii sulatamine. Loomulikult räägime sulamisest endast, me ei ütle siin, et enne plii sulamist tuleb see kuumutada temperatuurini + 327 ° C. Jää sulamise suure kuumuse tõttu lume sulamine aeglustub. Kujutage ette, et sulamissoojus oleks 10 korda väiksem. Siis tooksid kevadised üleujutused igal aastal kaasa mõeldamatuid katastroofe.

Seega on jää sulamissoojus suur, kuid see on ka väike, võrreldes aurustumissoojusega 540 kcal / kg (seitse korda vähem). See erinevus on aga täiesti loomulik. Vedeliku auruks muutmisel peame molekulid üksteise küljest lahti rebima ja sulamisel tuleb vaid hävitada molekulide paigutuse järjekord, jättes need peaaegu samadele vahemaadele. On selge, et teisel juhul on vaja vähem tööd.

Teatud sulamistemperatuuri olemasolu on kristalsete ainete oluline tunnus. Sel põhjusel saab neid kergesti eristada teistest tahketest ainetest, mida nimetatakse amorfseteks või klaasideks. Klaase leidub nii anorgaaniliste kui orgaaniliste ainete hulgas. Aknaklaas on tavaliselt valmistatud naatrium- ja kaltsiumsilikaatidest; peal laud nad panevad sageli orgaanilist klaasi (seda nimetatakse ka pleksiklaasiks).

Erinevalt kristallidest ei ole amorfsetel ainetel kindlat sulamistemperatuuri. Klaas ei sula, vaid pehmendab. Kuumutamisel muutub klaasitükk esmalt kõvast pehmeks, seda saab kergesti painutada või venitada; kõrgemal temperatuuril hakkab tükk oma raskusjõu mõjul oma kuju muutma. Kuumenemisel omandab paks viskoosne klaasimass anuma kuju, milles see asub. See mass on alguses paks nagu mesi, seejärel - nagu hapukoor ja lõpuks muutub peaaegu sama madala viskoossusega vedelik nagu vesi. Kogu oma soovi juures ei saa me siin näidata tahke aine vedelikuks muutumise konkreetset temperatuuri. Selle põhjused peituvad klaasi struktuuri ja kristalsete kehade struktuuri põhimõttelises erinevuses. Nagu eespool mainitud, paiknevad amorfsetes kehades aatomid juhuslikult. Klaasid meenutavad ehituselt vedelikke, juba tahkes klaasis on molekulid juhuslikult paigutatud. See tähendab, et klaasi temperatuuri tõus ainult suurendab selle molekulide vibratsiooni ulatust, annab neile järk-järgult suurema ja suurema liikumisvabaduse. Seetõttu klaas pehmeneb järk-järgult ja ei näita teravat üleminekut "tahkele" - "vedelikule", mis on iseloomulik üleminekule molekulide ranges järjekorras paiknemiselt korrastamata paigutusele.

Kui rääkida keemiskõverast, siis ütlesime, et vedelik ja aur võivad, kuigi ebastabiilses olekus, elada võõrastes piirkondades – auru saab ülejahutada ja viia keemiskõverast vasakule, vedelikku saab ülekuumendada ja tõmmata. sellest kõverast paremale.

Kas vedelikuga kristalli puhul on analoogsed nähtused võimalikud? Selgub, et analoogia on puudulik.

Kui kristalli kuumutada, hakkab see sulamistemperatuuril sulama. Kristalli ei ole võimalik üle kuumeneda. Vastupidi, vedelikku jahutades on võimalik teatud meetmete rakendamisel sulamistemperatuur suhteliselt kergesti "libiseda". Mõnes vedelikus on võimalik saavutada suur hüpotermia. On isegi vedelikke, mida on lihtne ülejahutada ja mida on raske kristalliseerida. Selline vedelik jahtudes muutub üha viskoossemaks ja lõpuks tahkub ilma kristalliseerumata. See on klaas.

Vett võib ka ülejahutada. Udupiisad ei pruugi külmuda isegi tugevate külmade korral. Kui aine kristall - seeme - visatakse ülejahutatud vedelikku, algab kohe kristalliseerumine.

Lõpuks võib paljudel juhtudel hiline kristalliseerumine alata raputamisest või muudest juhuslikest sündmustest. Näiteks on teada, et kristalliline glütseriin saadi esmakordselt transportimisel raudtee... Prillid võivad pärast pikka seismist hakata kristalliseeruma (devitrifeeruma või "lagunema", nagu tehnikas öeldakse).

Peaaegu iga aine võib teatud tingimustel anda kristalle. Kristalle võib saada antud aine lahusest või sulatisest, aga ka selle aurudest (näiteks mustad rombikujulised joodikristallid langevad selle aurudest tavarõhul kergesti välja ilma vahepealse üleminekuta vedelasse olekusse) .

Alustage lauasoola või suhkru lahustamist vees. Toatemperatuuril (20 ° C) saate lihvitud klaasis lahustada ainult 70 g soola. Edasised soolalisandid ei lahustu ja settivad põhja setetena. Lahust, milles edasist lahustumist enam ei toimu, nimetatakse küllastunud. .Kui muudate temperatuuri, siis muutub ka aine lahustuvusaste. On hästi teada, et kuum vesi lahustab enamiku aineid palju kergemini kui külm vesi.

Kujutage nüüd ette, et olete valmistanud näiteks suhkru küllastunud lahuse temperatuuril 30 ° C ja hakanud seda jahutama temperatuurini 20 ° C. Temperatuuril 30 ° C suutsite lahustada 223 g suhkrut 100 g vees ja 205 g lahustada temperatuuril 20 ° C. Seejärel, kui jahutati temperatuurini 30 ° C kuni 20 ° C, osutub 18 g "üleliigseks" ja nagu öeldakse, kukub lahendusest välja. Seega on üks võimalikest kristallide saamise viisidest küllastunud lahuse jahutamine.

Saate seda teha erinevalt. Valmistage küllastunud soolalahus ja jätke see avatud klaasi. Mõne aja pärast näete kristallide välimust. Miks nad tekkisid? Hoolikas jälgimine näitab, et samaaegselt kristallide moodustumisega toimus veel üks muutus – vee hulk vähenes. Vesi aurustus ja lahusesse ilmus "liigne" aine. Nii et teine võimalik viis kristallide teke on lahuse aurustumine.

Kuidas tekivad lahusest kristallid?

Me ütlesime, et kristallid "kukkuvad" lahusest välja; Kas sellest on vaja aru saada nii, et nädal aega polnud kristalli ja ühe hetkega tekkis järsku korraga? Ei, see pole nii: kristallid kasvavad. Päris esimesi kasvuhetki pole muidugi võimalik silmaga tuvastada. Alguses kogunevad vähesed lahustunud aine juhuslikult liikuvad molekulid või aatomid ligikaudu kristallvõre moodustamiseks vajalikus järjekorras. Sellist aatomite või molekulide rühma nimetatakse tuumaks.

Kogemused näitavad, et embrüod moodustuvad sagedamini lahuses leiduvate kõrvaliste pisikeste tolmuosakeste juuresolekul. Kristallisatsioon algab kõige kiiremini ja lihtsamalt siis, kui küllastunud lahusesse asetatakse väike idukristall. Sel juhul ei seisne tahke aine vabanemine lahusest mitte uute kristallide moodustumises, vaid seemne kasvus.

Embrüo kasv ei erine loomulikult seemne kasvust. Seemne kasutamise mõte seisneb selles, et see "tõmbab" vabanenud aine enda peale ja takistab sellega üheaegselt suure hulga embrüote teket. Kui tuumasid moodustub palju, segavad need kasvu ajal üksteist ega võimalda meil saada suuri kristalle.

Kuidas lahusest vabanevad aatomite või molekulide osad jaotuvad embrüo pinnal?

Kogemused näitavad, et embrüo või seemne kasv seisneb justkui üksteisega paralleelsete servade nihkumises servaga risti olevas suunas. Sel juhul jäävad tahkudevahelised nurgad konstantseks (me juba teame, et nurkade püsivus on kristalli võrestruktuurist tulenev kõige olulisem tunnus).

Joonisel fig. 4.6 näitab kolme sama aine kristalli kontuurid nende kasvu ajal. Sarnaseid pilte saab jälgida ka mikroskoobiga. Vasakul näidatud juhul säilib nägude arv kasvu ajal. Keskmisel joonisel on näide uue näo ilmumisest (paremal ülanurgas) ja seejärel uuesti kadumisest.

Riis. 4.6

Väga oluline on märkida, et nägude kasvutempo ehk nende endaga paralleelse liikumise kiirus ei ole erinevate nägude puhul sama. Sel juhul "kasvavad" (kaovad) need näod, mis liiguvad kõige kiiremini, näiteks keskmisel joonisel vasak alumine tahk. Vastupidi, aeglaselt kasvavad servad osutuvad kõige laiemaks, nagu öeldakse, kõige arenenumateks.

Seda on eriti selgelt näha viimasel joonisel. Vormitu fragment võtab teiste kristallidega sama kuju just kasvukiiruse anisotroopsuse tõttu. Päris kindlad tahud arenevad teiste arvelt tugevamini ja annavad kristallile selle aine kõikidele proovidele iseloomuliku kuju.

Väga ilusaid üleminekuvorme täheldatakse, kui seemneks võtta pall ning lahust vaheldumisi veidi jahutada ja kuumutada. Kuumutamisel muutub lahus küllastumata ja seeme on osaliselt lahustunud. Jahutamine toob kaasa lahuse küllastumise ja seemne kasvu. Kuid molekulid settivad teistmoodi, justkui eelistades mõnda kohta. Seega kantakse aine palli ühest kohast teise.

Esiteks ilmuvad palli pinnale väikesed ringikujulised servad. Ringid suurenevad järk-järgult ja üksteisega kokku puutudes ühinevad mööda sirgeid servi. Pall muutub hulktahukaks. Siis mööduvad osad tahud teistest, osad on võsastunud ja kristall võtab omale iseloomuliku kuju (joonis 4.7).

Riis. 4.7

Kristallide kasvu jälgimisel torkab silma peamine kasvu tunnus - tahkude paralleelne nihkumine. Selgub, et eralduv aine ehitab nägu kihiti üles: kuni üks kiht on valmis, ei hakka järgmine ehitama.

Joonisel fig. 4.8 näitab "lõpetamata" aatomite pakkimist. Millises tähtedega tähistatud asendis püsib uus aatom kõige kindlamalt, kui see on kristalli külge kinnitatud? Kahtlemata A-s, kuna siin kogeb ta naabrite külgetõmmet kolmest küljest, samas kui B-s - kahest ja C-s - ainult ühest küljest. Seetõttu valmib kõigepealt kolonn, seejärel kogu tasapind ja alles siis algab uue tasapinna paigaldamine.

Riis. 4.8

Paljudel juhtudel moodustuvad kristallid sulamassist - sulast. Looduses toimub see tohutult: tulisest magmast on tekkinud basaltid, graniidid ja paljud teised kivimid.

Hakkame kuumutama mõnda kristalset ainet, näiteks kivisoola. Kristallid kuni 804 ° С kivisool muutub vähe: need laienevad vaid veidi ja aine jääb tahkeks. Ainega anumasse pandud temperatuurimõõtur näitab kuumutamisel pidevat temperatuuri tõusu. 804 ° C juures leiame kohe kaks uut omavahel seotud nähtust: aine hakkab sulama ja temperatuuri tõus peatub. Kuni kogu aine muutub vedelaks; temperatuur ei muutu; edasine temperatuuri tõus on juba vedeliku kuumenemine. Kõikidel kristalsetel ainetel on teatud sulamistemperatuur. Jää sulab temperatuuril 0 ° C, raud temperatuuril 1527 ° C, elavhõbe temperatuuril -39 ° C jne.

Nagu me juba teame, moodustavad aine aatomid või molekulid igas kristallis järjestatud pakki G ja tekitavad oma keskmiste positsioonide ümber väikeseid vibratsioone. Keha kuumenedes suureneb koos võnkumiste ulatusega ka võnkuvate osakeste kiirus. Selline osakeste liikumiskiiruse suurenemine temperatuuri tõusuga on üks põhilisi loodusseadusi, mis kehtib aine kohta igas olekus – tahkes, vedelas või gaasilises.

Kristalli teatud, piisavalt kõrge temperatuuri saavutamisel muutuvad selle osakeste vibratsioonid nii energiliseks, et osakeste täpne paigutus muutub võimatuks – kristall sulab. Sulamise algusega ei kulutatatav soojus enam osakeste kiiruse suurendamisele, vaid kristallvõre hävitamisele. Seetõttu peatatakse temperatuuri tõus. Järgnev kuumutamine on vedelate osakeste kiiruse suurenemine.

Meid huvitavast sulamist kristalliseerumise korral täheldatakse ülalkirjeldatud nähtusi vastupidises järjekorras: vedeliku jahtumisel aeglustavad selle osakesed oma kaootilist liikumist; teatud, piisavalt madala temperatuuri saavutamisel on osakeste kiirus juba nii väike, et osa neist hakkab tõmbejõudude toimel üksteise külge haakima, moodustades kristalseid tuumasid. Kuni kogu aine kristalliseerumiseni püsib temperatuur konstantsena. See temperatuur on tavaliselt sama, mis sulamistemperatuur.

Kui te ei võta erimeetmeid, algab paljudes kohtades koheselt sulamist kristalliseerumine. Kristallid kasvavad korrapäraste, omaste hulktahukate kujul täpselt samamoodi, nagu me seda eespool kirjeldasime. Vaba kasv aga ei kesta kaua: kasvades põrkuvad kristallid omavahel, kokkupuutepunktides kasv peatub ning kivistunud keha saab teralise struktuuri. Iga tera on eraldi kristall, mis ei võtnud õiget kuju.

Olenevalt paljudest tingimustest ja eelkõige jahtumise kiirusest võib tahke aine olla rohkem või vähem jämedate teradega: mida aeglasem on jahtumine, seda jämedamad terad. Kristalliliste kehade tera suurus ulatub miljondikest sentimeetrist mitme millimeetrini. Enamikul juhtudel saab granuleeritud kristallilist struktuuri jälgida mikroskoobi all. Tahketel ainetel on tavaliselt just selline peenkristalliline struktuur.

Metallide tahkestumise protsess pakub tehnoloogiale suurt huvi. Valamisel ja metalli tahkumisel vormides toimunud sündmusi uurisid füüsikud väga põhjalikult.

Enamasti kasvavad tahkumise käigus puutaolised monokristallid, mida nimetatakse dendriitideks. Muudel juhtudel on dendriidid orienteeritud juhuslikult, muudel juhtudel - üksteisega paralleelselt.

Joonisel fig. 4.9 näitab ühe dendriidi kasvuetappe. Sellise käitumise korral võib dendriit üle kasvada enne, kui see kohtub teise sarnasega. Siis me valandil dendriite ei leia. Sündmused võivad areneda ka teistmoodi: dendriidid võivad kohtuda ja üksteiseks kasvada (ühe oksad teise harude vaheaegadel), kui nad on veel "noored".

Riis. 4.9

Seega võivad tekkida valandid, mille terad (näidatud joonisel 2.22) on väga erineva struktuuriga. Ja metallide omadused sõltuvad oluliselt selle struktuuri olemusest. Metalli käitumist tahkumisel saab kontrollida jahutuskiirust ja soojuse eemaldamise süsteemi muutes.

Nüüd räägime sellest, kuidas kasvatada suurt monokristalli. Selge on see, et tuleb võtta meetmeid, et kristall kasvaks ühest kohast. Ja kui mitu kristalli on juba kasvama hakanud, siis tuleb igal juhul jälgida, et kasvutingimused oleksid soodsad ainult ühele neist.

Siin on näiteks, kuidas nad teevad madala sulamistemperatuuriga metallide kristalle. Metall sulatatakse väljatõmmatud klaasist katseklaasis. Vertikaalses silindrilises ahjus oleva keerme küljes riputatud katseklaas lastakse aeglaselt alla. Tõmmatud ots väljub järk-järgult ahjust ja jahtub. Algab kristalliseerumine. Algul tekib mitu kristalli, kuid need, mis kasvavad külili, puutuvad vastu katseklaasi seina ja nende kasv aeglustub. Soodsates tingimustes ilmub ainult see kristall, mis kasvab piki katseklaasi telge, st sügavale sulatisse. Kui katseklaasi langetatakse, "toidavad" seda monokristalli uued sulatise osad, mis langevad madala temperatuuriga piirkonda. Seetõttu jääb kõigist kristallidest ellu tema üksi; kui toru alla lasta, kasvab see edasi piki oma telge. Lõpuks tahkub kogu sulametall ühtseks kristalliks.

Sama idee on tulekindlate rubiinkristallide kasvatamise aluseks. Aine peen pulber valatakse joana läbi leegi. Sel juhul pulbrid sulavad; pisikesed tilgad langevad väga väikesele tulekindla toe alale, moodustades palju kristalle. Kui tilgad langevad toele edasi, kasvavad kõik kristallid, kuid jällegi kasvab ainult see, mis on langevate tilkade "vastuvõtmiseks" kõige soodsamas asendis.

Milleks on suured kristallid?

Tööstus ja teadus vajavad sageli suuri monokristalle. Suur tähtsus tehnoloogia jaoks on Rochelle'i soola ja kvartsi kristallid, millel on märkimisväärne omadus muundada mehaanilised toimingud(näiteks rõhk) elektripingeks.

Optikatööstus vajab suuri kaltsiidi, kivisoola, fluoriidi jne kristalle.

Kellatööstus vajab rubiinide, safiiride ja mõne muu kristalle vääriskivid... Fakt on see, et tavalise kella üksikud liikuvad osad tekitavad kuni 20 000 vibratsiooni tunnis. Nii suur koormus seab telje otste ja laagrite kvaliteedile ebatavaliselt kõrged nõudmised. Hõõrdumine on madalaim, kui 0,07–0,15 mm teljeotsa laagriks on rubiin või safiir. Nende ainete tehiskristallid on väga vastupidavad ja kuluvad terasest väga vähe. See on suurepärane tehiskivid seega osutuvad paremaks kui samad looduslikud kivid.

Tööstuse jaoks on aga kõige olulisem pooljuhtide – räni ja germaaniumi – monokristallide kasvatamine.

Kui muudate rõhku, muutub ka sulamistemperatuur. Sama mustriga kohtusime ka keetmisest rääkides. Kuidas rohkem survet; mida kõrgem on keemispunkt. See kehtib üldiselt ka sulatamise kohta. Siiski on väike hulk aineid, mis käituvad ebanormaalselt: nende sulamistemperatuur langeb rõhu tõustes.

Fakt on see, et valdav enamus tahkeid aineid on tihedamad kui nende vedelikud. Erandiks sellest reeglist on just need ained, mille sulamistemperatuur rõhu muutumisel ei ole päris tavaline, näiteks vesi. Jää on veest kergem ja jää sulamistemperatuur langeb rõhu tõustes.

Kompressioon aitab kaasa tihedama oleku kujunemisele. Kui tahke aine on vedelikust tihedam, siis kokkusurumine aitab tahkuda ja segab sulamist. Kui aga sulamist takistab kokkusurumine, siis see tähendab, et aine jääb tahkeks, samas kui varem oleks sellel temperatuuril see juba sulanud, st rõhu tõustes sulamistemperatuur tõuseb. Anomaalsel juhul on vedelik tahkest ainest tihedam ja rõhk aitab vedelikku moodustada ehk alandab sulamistemperatuuri.

Rõhu mõju sulamistemperatuurile on palju väiksem kui keemisel. Rõhu tõus üle 100 kgf / cm 2 alandab jää sulamistemperatuuri 1 ° C võrra.

Miks uisud libisevad ainult jääl, aga mitte niisama siledal parketil? Ilmselt on ainus seletus vee teke, mis määrib harja. Tekkinud vastuolu mõistmiseks peate meeles pidama järgmist: nürid uisud libisevad jääl väga halvasti. Uisud tuleb teritada nii, et need jääd lõikaksid. Sellisel juhul surub jääle ainult harjaserva ots. Rõhk jääle ulatub kümnete tuhandete atmosfäärideni, jää sulab endiselt.

Kui me ütleme "aine aurustub", mõeldakse tavaliselt seda, et vedelik aurustub. Kuid tahked ained võivad ka aurustuda. Mõnikord nimetatakse tahkete ainete aurustumist sublimatsiooniks.

Aurustav tahke aine on näiteks naftaleen. Naftaleen sulab 80 °C juures ja aurustub toatemperatuuril. Just see naftaleeni omadus võimaldab seda kasutada ööliblikate hävitamiseks.

Koipallidega üle puistatud kasukas on koipallidest küllastunud ja loob õhkkonna, mida ööliblikad ei talu. Igasugune lõhnatu tahke aine sublimeerub suurel määral. Lõhna tekitavad ju ainest eraldunud ja meie ninna jõudnud molekulid. Sagedasemad on aga juhtumid, kus aine sublimeerub ebaolulisel määral, mõnikord sellisel määral, mida pole võimalik tuvastada isegi väga põhjalike uuringutega. Põhimõtteliselt aurustub igasugune tahke aine (ükskõik milline, isegi raud või vask). Kui me sublimatsiooni ei tuvasta, tähendab see ainult seda, et küllastava auru tihedus on väga ebaoluline.

On näha, et mitmed ained, millel on toatemperatuuril terav lõhn, kaotavad selle madalal temperatuuril.

Tahke ainega tasakaalus oleva küllastunud auru tihedus suureneb kiiresti temperatuuri tõustes. Illustreerisime seda käitumist joonisel fig 1 näidatud jääkõveraga. 4.10. Tõsi, jää ei lõhna...

Riis. 4.10

Enamikul juhtudel on tahke aine küllastunud auru tihedust võimatu oluliselt suurendada lihtsal põhjusel - aine sulab varem.

Ka jää aurustub. Perenaised teavad seda hästi. Pakase ilmaga ripuvad nad niiskeid riideid kuivatama. "Esmalt vesi külmub ja siis jää aurustub ning pesu osutub kuivaks.

Niisiis, on tingimusi, mille korral aur, vedelik ja kristall võivad eksisteerida paarikaupa tasakaalus. Kas kõik kolm olekut võivad olla tasakaalus? Selline punkt rõhu-temperatuuri diagrammil on olemas, seda nimetatakse kolmekordseks. Kus ta asub?

Kui panna ujuva jääga vesi suletud anumasse null kraadiga, hakkavad vee (ja "jää") aurud voolama vabasse ruumi. Aururõhul 4,6 mm Hg. Art. aurustumine peatub ja algab küllastumine. Nüüd on kolm faasi – jää, vesi ja aur – tasakaalus. See on kolmikpunkt.

Erinevate olekute vaheline seos on selgelt ja selgelt näidatud joonisel fig 1 näidatud vee diagrammil. 4.11.

Riis. 4.11

Sellist diagrammi saab ehitada iga keha jaoks.

Joonisel olevad kõverad on meile tuttavad – need on jää ja auru, jää ja vee, vee ja auru tasakaalukõverad. Vertikaalne, nagu tavaliselt, on rõhk, horisontaalne on temperatuur.

Kolm kõverat ristuvad kolmikpunktis ja jagavad diagrammi kolmeks alaks – jää, vee ja veeauru eluruumideks.

Olekudiagramm on lühike viide. Selle eesmärk on vastata küsimusele, milline keha seisund on stabiilne sellise ja sellise rõhu ja sellise ja sellise temperatuuri juures.

Kui vesi või aur asetada "vasakpoolse ala" tingimustesse, muutuvad need jääks. Kui lisate "alumisse piirkonda" vedelikku või tahket ainet, saate auru. "Õiges piirkonnas" aur kondenseerub ja jää sulab.

Faaside olemasolu diagramm võimaldab kohe vastata, mis saab ainest kuumutamisel või kokkusurumisel. Konstantsel rõhul kuumutamine on diagrammil näidatud horisontaaljoonega. Mööda seda joont liigub punkt vasakult paremale, mis kujutab keha seisundit.

Joonisel on kaks sellist joont, üks neist soojendab normaalrõhul. Liin asub ülal kolmikpunkt... Seetõttu ületab see kõigepealt sulamiskõvera ja seejärel väljaspool joonist aurustumiskõvera. Tavarõhul jää sulab temperatuuril 0 ° C ja saadud vesi keeb temperatuuril 100 ° C.

Väga madala rõhuga, näiteks veidi alla 5 mm Hg kuumutatud jää puhul on olukord erinev. Art. Kuumutamisprotsessi tähistab kolmikpunkti all olev joon. Sulamis- ja keemiskõveraid see joon ei ületa. Nii madalal rõhul põhjustab kuumutamine jää otsese muutumise auruks.

Joonisel fig. 4.12 samal diagrammil on näha, milline huvitav nähtus tekib veeauru kokkusurumisel joonisel ristiga märgitud olekus. Aur muutub esmalt jääks ja seejärel sulab. Joonis võimaldab kohe öelda, millise rõhu all hakkab kristall kasvama ja millal sulamine toimub.

Riis. 4.12

Kõikide ainete olekudiagrammid on üksteisega sarnased. Suured, igapäevasest vaatenurgast vaadatuna tekivad erinevused sellest, et kolmikpunkti asukoht diagrammil võib erinevate ainete puhul olla väga erinev.

Me eksisteerime ju "normaalsete tingimuste" lähedal, see tähendab peamiselt ühe atmosfääri lähedase rõhu all. Meie jaoks on väga oluline, kuidas paikneb aine kolmikpunkt normaalrõhu joone suhtes.

Kui kolmikpunkti rõhk on atmosfäärist väiksem, siis meie jaoks, elades "tavalistes" tingimustes, viitab aine sulamisele. Kui temperatuur tõuseb, muutub see kõigepealt vedelikuks ja seejärel keeb.

Vastupidisel juhul - kui rõhk kolmikpunktis on kõrgem kui atmosfäärirõhk - ei näe me kuumutamisel vedelikku, tahke aine muutub otse auruks. Nii käitub "kuiv jää", mis on jäätisemüüjatele väga mugav. Jäätisebriketti saab nihutada "kuiva jää" tükkidega, kartmata, et jäätis märjaks saab. "Kuiv jää" on tahke süsinikdioksiid CO2. Selle aine kolmikpunkt asub 73 atm juures. Seetõttu liigub tahke CO 2 kuumutamisel selle olekut tähistav punkt horisontaalselt, ristudes ainult tahke aine aurustumiskõveraga (nagu ka tavaline jää rõhul umbes 5 mm Hg. Art.).

Oleme juba lugejale rääkinud, kuidas määratakse üks temperatuurikraad Kelvini skaalal või, nagu SI-süsteem praegu nõuab, - üks kelvin. Küll aga oli jutt temperatuuri määramise põhimõttest. Kõigil metroloogiainstituutidel pole ideaalseid gaasitermomeetreid. Seetõttu on temperatuuriskaala koostamisel looduse poolt fikseeritud aine erinevate olekute vahelisi tasakaalupunkte kasutades.

Vee kolmikpunkt mängib selles erilist rolli. Kelvin on nüüd defineeritud kui vee kolmikpunkti termodünaamilise temperatuuri 273,16 osa. Hapniku kolmikpunktiks loetakse 54,361 K. Kulla tahkestumise temperatuuriks eeldatakse 1337,58 K. Neid võrdluspunkte kasutades saate täpselt kalibreerida mis tahes termomeetrit.

Must matt pehme grafiit, millega me kirjutame, ja läikiv läbipaistev, kõva, klaasi lõikamine teemant on ehitatud samadest süsinikuaatomitest. Miks on nende kahe sama koostisega aine omadused nii erinevad?

Mõelge kihilise grafiidi võrele, mille igal aatomil on kolm lähimat naabrit, ja teemandi võrele, mille aatomil on neli lähimat naabrit. See näide näitab selgelt, et kristallide omadused on määratud vastastikune kokkulepe aatomid. Tulekindlad tiiglid on valmistatud grafiidist, mis talub temperatuuri kuni kaks kuni kolm tuhat kraadi, ja teemantpõletused temperatuuril üle 700 ° C; teemandi tihedus on 3,5 ja grafiidi tihedus 2,3; grafiit juhib elektrivoolu, teemant mitte jne.

Seda erinevate kristallide tootmise omadust ei oma mitte ainult süsinik. Peaaegu iga keemiline element, ja mitte ainult element, vaid mis tahes keemiline aine võib eksisteerida mitmel kujul. Jääd on kuus, väävlit üheksa ja rauda neli.

Olekudiagrammi arutamisel me ei rääkinud erinevad tüübid kristallid ja maalitud üks tahke ala. Ja see piirkond on väga paljude ainete jaoks jagatud sektsioonideks, millest igaüks vastab tahke aine teatud "tüübile" või, nagu öeldakse, teatud tahkele faasile (teatud kristalne modifikatsioon).

Igal kristallilisel faasil on oma stabiilse oleku piirkond, mida piirab teatud rõhkude ja temperatuuride vahemik. Ühe kristalliliigi teisenemise seadused on samad, mis sulamise ja aurustumise seadused.

Iga rõhu jaoks saate määrata temperatuuri, mille juures mõlemat tüüpi kristallid rahulikult koos eksisteerivad. Kui temperatuuri tõsta, muutub üht tüüpi kristall teist tüüpi kristalliks. Kui temperatuuri alandatakse, toimub pöördtransformatsioon.

Selleks, et punane väävel muutuks normaalrõhul kollaseks, on vaja temperatuuri alla 110 ° C. Sellest temperatuurist kõrgemal kuni sulamistemperatuurini on aatomite paigutus stabiilne, mis on iseloomulik punasele väävlile. Temperatuur langeb, aatomite vibratsioon väheneb ja alates 110 ° C-st leiab loodus aatomite mugavama paigutuse. Toimub ühe kristalli muundumine teiseks.

Keegi ei mõelnud kuuele erinevale jääle nimesid. Nii nad ütlevad: jää üks, jää kaks, ...., jää seitse. Kuidas oleks seitsmega, kui sorte on ainult kuus? Asi on selles, et korduvate katsete käigus ei leitud jää nelja.

Kui suruda vett kokku temperatuuril umbes null, siis rõhul umbes 2000 atm tekib jääviis ja rõhul umbes 6000 atm jääkuus.

Jää kaks ja jää kolm on stabiilsed temperatuuril alla null kraadi.

Ice seitse on kuum jää; see tekib siis, kui kuum vesi surutakse kokku rõhuni umbes 20 000 atm.

Kogu jää, välja arvatud tavaline jää, on veest raskem. Normaalsetes tingimustes toodetud jää käitub ebaharilikult; vastupidi, ebanormaalsetes tingimustes tekkinud jää käitub normaalselt.

Me ütleme, et iga kristallilist modifikatsiooni iseloomustab teatud olemasolu piirkond. Aga kui jah, siis kuidas eksisteerivad grafiit ja teemant samadel tingimustel?

Selline "seadusetus" on kristallide maailmas väga levinud. Võimalus elada kristallide jaoks "võõrates" tingimustes on peaaegu reegel. Kui auru või vedeliku võõrastesse elupiirkondadesse viimiseks tuleb appi võtta mitmesuguseid nippe, siis vastupidi, kristallil ei õnnestu peaaegu kunagi panna seda looduse poolt määratud piiridesse jääma.

Kristallide ülekuumenemist ja ülejahtumist seletatakse raskustega ühe tellimuse teiseks muutmisel äärmise tiheduse tingimustes. Kollane väävel peaks muutuma punaseks temperatuuril 95,5 ° C. Enam-vähem kiire kuumutamise korral jätame selle muundamispunkti vahele ja tõstame temperatuuri väävli sulamistemperatuurini 113 ° C juures.

Lihtsaim viis tõelist transformatsioonitemperatuuri tuvastada on kristallide kokkupuutel. Kui need asetsevad tihedalt üksteise peal ja temperatuuri hoitakse 96 ° C juures, sööb punane kollane ja 95 ° C juures neelab kollane punase. Vastupidiselt "kristall-vedelik" üleminekule viibivad "kristall-kristall" muundumised tavaliselt nii ülejahutuse kui ka ülekuumenemise ajal.

Mõnel juhul on meil tegemist selliste aine olekutega, mis peaksid elama täiesti erinevatel temperatuuridel.

Valge tina peaks muutuma halliks, kui temperatuur langeb + 13 ° C-ni. Tavaliselt tegeleme valge plekiga ja teame, et talvel sellega midagi ei tehta. See talub suurepäraselt 20-30 kraadist hüpotermiat. Küll aga muutub valge tina karmil talvel halliks. Selle fakti mitteteadmine oli üks asjaoludest, mis rikkus Scotti ekspeditsiooni lõunapoolusele (1912). Ekspeditsioonil kaasa võetud vedelkütus oli tinaga kõvajoodisjootmisega anumates. Ekstreemse külmaga muutus valge tina halliks pulbriks – anumad olid joodetud; ja kütus voolas välja. Ega asjata kutsuta valgele tinale hallide laikude tekkimist tinakatkuks.

Nii nagu väävli puhul, võib valge tina muutuda halliks temperatuuril veidi alla 13 °C; kui tinaesemele langeb vaid pisike terake halli sorti.

Sama aine mitme sordi olemasolu ja nende vastastikuste muundumiste viibimine on tehnoloogia jaoks väga olulised.

Toatemperatuuril moodustavad raua aatomid kehakeskse kuupvõre, milles aatomid asuvad kuubi tippudes ja keskel. Igal aatomil on 8 naabrit. Kõrgel temperatuuril moodustavad raua aatomid tihedama "pakendi" – igal aatomil on 12 naabrit. 8 naabriga raud on pehme, 12 naabriga raud kõva. Selgub, et teist tüüpi rauda saab toatemperatuuril. Seda meetodit - karastamine - kasutatakse metallurgias laialdaselt.

Kustutamine käib üsna lihtsalt – metallese tehakse kuumaks ja visatakse seejärel vette või õlisse. Jahtumine toimub nii kiiresti, et kõrgel temperatuuril stabiilse struktuuri muundumine ei jõua toimuda. Seega eksisteerib kõrge temperatuuriga struktuur tema jaoks ebatavalistes tingimustes lõputult: ümberkristallimine stabiilseks struktuuriks toimub nii aeglaselt, et see on praktiliselt nähtamatu.

Me ei olnud raua kõvenemisest rääkides päris täpsed. Teras on karastatud, see tähendab rauda, ​​mis sisaldab süsiniku protsenti. Väga väikeste süsiniku lisandite olemasolu aeglustab kõva raua muutumist pehmeks rauaks ja võimaldab karastada. Mis puutub täiesti puhtasse rauda, ​​siis seda pole võimalik kustutada - konstruktsiooni muundumisel on aega ka kõige teravama jahutamise korral.

Olenevalt olekudiagrammi tüübist, rõhu või temperatuuri muutmisest saavutatakse üks või teine ​​teisendus.

Ainuüksi rõhu muutusega täheldatakse paljusid kristallide vahelisi muutusi. Nii saadi musta fosforit.

Riis. 4.13

Grafiiti sai teemandiks muuta ainult kasutades samaaegselt ja kõrge palavik, ja palju survet. Joonisel fig. 4.13 näitab süsiniku oleku diagrammi. Rõhul alla kümne tuhande atmosfääri ja temperatuuril alla 4000 K on grafiit stabiilne modifikatsioon. Seega elab teemant "tulnukates" tingimustes, mistõttu saab seda ilma suuremate raskusteta grafiidiks muuta. Praktilist huvi pakub aga vastupidine probleem. Grafiiti ei ole võimalik muuta teemandiks ainult survet suurendades. Faasi muundumine tahkes olekus on ilmselt liiga aeglane. Oleku diagrammi välimus viitab õigele otsusele: suurendage rõhku ja soojendage samal ajal. Siis saame (diagrammi parem nurk) sulasüsi. Selle jahutamine kell kõrgsurve, peame pääsema teemandi piirkonda.

Sellise protsessi praktiline võimalikkus tõestati 1955. aastal ja nüüdseks loetakse probleem tehniliselt lahendatuks.

Kui alandate keha temperatuuri, siis varem või hiljem see kõvastub ja omandab kristalse struktuuri. Sel juhul pole vahet, mis rõhul jahutamine toimub. See asjaolu tundub täiesti loomulik ja mõistetav nende füüsikaseaduste seisukohalt, millega oleme juba kohtunud. Tõepoolest, temperatuuri langetades vähendame soojusliikumise intensiivsust. Kui molekulide liikumine muutub nii nõrgaks, et see ei sega enam nendevahelisi vastastikmõju jõude, rivistuvad molekulid korralikus järjekorras – nad moodustavad kristalli. Edasine jahutamine võtab molekulidelt ära kogu nende liikumise energia ja absoluutses nullis peaks aine eksisteerima puhkemolekulide kujul, mis paiknevad korrapärases võres.

Kogemused näitavad, et kõik ained käituvad nii. Kõik, välja arvatud üks asi: selline "friik" on heelium.

Heeliumi kohta oleme lugejale veidi infot juba andnud. Heelium hoiab oma kriitilise temperatuuri rekordit. Ühelgi ainel pole kriitiline temperatuur madalam kui 4,3 K. See rekord iseenesest ei tähenda aga midagi üllatavat. Silma torkab veel üks asi: jahutades heeliumi alla kriitilise temperatuuri, olles jõudnud peaaegu absoluutse nullini, ei saa me tahket heeliumi. Heelium jääb vedelaks isegi absoluutse nulli juures.

Heeliumi käitumine on meie poolt väljatoodud liikumisseaduste seisukohalt täiesti arusaamatu ja on üks märke selliste universaalsetena tunduvate loodusseaduste piiratud sobivusest.

Kui keha on vedel, siis selle aatomid liiguvad. Kuid lõppude lõpuks, jahutades keha absoluutse nullini, oleme sellelt kogu liikumisenergia ära võtnud. Peame tunnistama, et heeliumil on selline liikumisenergia, mida ei saa ära võtta. See järeldus ei sobi kokku mehaanikaga, mida oleme seni käsitlenud. Selle meie poolt uuritud mehaanika järgi saab keha liikumist alati aeglustada kuni täieliku peatumiseni, võttes sellelt ära kogu kineetilise energia; samamoodi on võimalik molekulide liikumist peatada, võttes neilt energiat, kui nad põrkuvad jahtunud anuma seintega. Heeliumi jaoks see mehaanika ilmselgelt ei sobi.

Heeliumi "veider" käitumine viitab suure tähtsusega tõsiasjale. Esmalt kohtusime mehaanika põhiseaduste rakendamise võimatusega aatomite maailmas, mis on kindlaks tehtud nähtava liikumise otsese uurimisega. kehad, - seadused, mis näis olevat füüsika vankumatu alus.

Seda, et absoluutse nulli juures heelium "keeldub" kristalliseerumast, ei saa kuidagi ühitada seni uuritud mehaanikaga. Vastuolu, millega me esimest korda kohtusime – aatomimaailma allumatus mehaanikaseadustele – on alles esimene lüli füüsikas veelgi teravamate ja teravamate vastuolude ahelas.

Need vastuolud toovad kaasa vajaduse vaadata üle mehaanika alused. aatomimaailm... See läbivaatamine on väga põhjalik ja toob kaasa muutuse kogu meie arusaamises loodusest.

Vajadus aatomimaailma mehaanika radikaalse läbivaatamise järele ei tähenda, et oleks vaja teha lõpp meie uuritud mehaanikaseadustele. Oleks ebaõiglane sundida lugejat tarbetuid asju uurima. Vana mehaanika on maailmas täiesti aus suured kehad... Sellestki piisab, et käsitleda vastavaid füüsika peatükke täie lugupidamisega. Siiski on ka oluline, et mitmed "vana" mehaanika seadused läheksid üle "uuesse" mehaanikasse. See hõlmab eelkõige energia jäävuse seadust.

"Eemaldatava" energia olemasolu absoluutses nullis ei ole heeliumi eriomadus. Tuleb välja; Kõigil ainetel on "null" energiat.

Ainult heeliumis piisab sellest energiast, et vältida aatomite korrapärase kristallvõre moodustumist.

Ärge arvake, et heelium ei saa olla kristallilises olekus. Heeliumi kristalliseerimiseks on vaja ainult rõhku tõsta umbes 25 atm-ni. Kõrgema rõhuga jahutamine põhjustab täiesti normaalsete omadustega tahke kristalse heeliumi moodustumist. Heelium moodustab näokeskse kuupvõre.

Joonisel fig. 4.14 näitab heeliumi oleku diagrammi. See erineb järsult kõigi teiste ainete diagrammidest kolmikpunkti puudumise tõttu. Sulamis- ja keemiskõverad ei ristu.

Riis. 4.14

Ja veel üks omadus on see ainulaadne olekudiagramm: heeliumi vedelikke on kaks erinevat Mis vahet on - saate teada veidi hiljem.

Eeltoodud arutluskäigust on selge, et vedeliku keemistemperatuur peaks sõltuma välisrõhust. Vaatlused kinnitavad seda.

Mida kõrgem on välisrõhk, seda kõrgem on keemistemperatuur. Niisiis, aurukatlas, mille rõhk ulatub 1,6 · 10 6 Pa-ni, ei kee vesi isegi temperatuuril 200 ° C. V raviasutused vee keetmine hermeetiliselt suletud anumates - autoklaavides (joon. 6.11) toimub ka kõrgendatud rõhul. Seetõttu on keemistemperatuur oluliselt kõrgem kui 100 ° C. Autoklaave kasutatakse kirurgiliste instrumentide, sidemete jms steriliseerimiseks.

Vastupidi, välist rõhku vähendades alandame seeläbi keemistemperatuuri. Õhupumba kella all saab toatemperatuuril vee keema panna (joon. 6.12). Mäkke ronides atmosfäärirõhk langeb, mistõttu keemistemperatuur langeb. 7134 m kõrgusel (Lenini tipp Pamiiris) on rõhk ligikaudu 4 · 10 4 Pa ​​(300 mm Hg). Vesi keeb seal umbes 70 °C juures. Näiteks on nendes tingimustes võimatu liha küpsetada.

Joonisel 6.13 on kujutatud vee keemistemperatuuri välisrõhust sõltuvuse kõver. On lihtne mõista, et see kõver on samal ajal kõver, mis väljendab küllastunud veeauru rõhu sõltuvust temperatuurist.

Vedelike keemispunktide erinevus

Igal vedelikul on oma keemistemperatuur. Vedelike keemispunktide erinevuse määrab nende küllastunud auru rõhu erinevus samal temperatuuril. Näiteks eetri aurude rõhk on juba toatemperatuuril suurem kui pool atmosfäärirõhust. Seetõttu on selleks, et eetri aururõhk oleks võrdne atmosfäärirõhuga, temperatuuri veidi tõsta (kuni 35 ° C). Elavhõbedas on küllastunud aurude rõhk toatemperatuuril täiesti tühine. Elavhõbeda aururõhk muutub atmosfääri rõhuga võrdseks ainult temperatuuri olulise tõusuga (kuni 357 ° C). Just sellel temperatuuril, kui välisrõhk on 105 Pa, keeb elavhõbe.

Ainete keemistemperatuuride erinevust kasutatakse laialdaselt tehnoloogias, näiteks naftasaaduste eraldamisel. Õli kuumutamisel aurustuvad ennekõike kõige väärtuslikumad lenduvad osad (bensiin), mida saab seeläbi eraldada "rasketest" jääkidest (õlid, kütteõli).

Vedelik keeb, kui selle küllastunud auru rõhk on võrdne rõhuga vedelikus.

§ 6.6. Aurustumissoojus

Kas vedeliku auruks muutmiseks kulub energiat? Tõenäoliselt jah! Pole see?

Oleme märkinud (vt § 6.1), et vedeliku aurustumisega kaasneb selle jahtumine. Et aurustuva vedeliku temperatuur muutumatuna hoida, on vaja seda väljastpoolt soojusega varustada. Muidugi saab soojust ennast ümbritsevatest kehadest vedelikele üle kanda. Niisiis, vesi klaasis aurustub, kuid vee temperatuur, mis on veidi madalam kui ümbritseva õhu temperatuur, jääb muutumatuks. Soojus kandub õhust vette, kuni kogu vesi on aurustunud.

Vee (või muu vedeliku) keemise säilitamiseks tuleb sellele ka pidevalt soojust anda, näiteks kuumutada põletiga. Sel juhul ei tõuse vee ja anuma temperatuur, vaid igas sekundis tekib teatud kogus auru.

Seega on vedeliku aurustamise või keetmise teel auruks muutmiseks vajalik soojuse sissevool. Soojushulka, mis on vajalik antud vedeliku massi muutmiseks sama temperatuuriga auruks, nimetatakse selle vedeliku aurustumissoojuseks.

Millele kulub kehale antav energia? Esiteks suurendada selle siseenergiat vedelikust gaasilisele olekule üleminekul: see ju suurendab aine mahtu vedeliku mahult küllastunud auru mahuni. Järelikult suureneb molekulide keskmine kaugus ja seega ka nende potentsiaalne energia.

Lisaks tehakse aine mahu suurenemisega tööd välisrõhu jõudude vastu. See osa aurustumissoojusest toatemperatuuril moodustab tavaliselt mõne protsendi kogu aurustumissoojusest.

Aurustumissoojus sõltub vedeliku tüübist, selle massist ja temperatuurist. Aurustumissoojuse sõltuvust vedeliku tüübist iseloomustab väärtus, mida nimetatakse aurustumissoojuseks.

Teatud vedeliku aurustumissoojus on vedeliku aurustumissoojuse ja selle massi suhe:

(6.6.1)

kus r- vedeliku erisoojus; T- vedeliku mass; K n- selle aurustumissoojus. Eriaurumissoojuse SI ühik on džauli kilogrammi kohta (J / kg).

Vee erisoojus on väga kõrge: 2,256 · 10 6 J / kg temperatuuril 100 ° C. Teiste vedelike (alkohol, eeter, elavhõbe, petrooleum jne) aurustumissoojus on 3-10 korda väiksem.

Kas olete kunagi jätnud veepudeli mitmeks tunniks alla kõrvetav päike ja kuulsite seda avavat "sovitavat" heli? Selle heli põhjustab aururõhk. Keemias on aururõhk rõhk, mille avaldab hermeetiliselt suletud anumas aurustuv vedeliku aur. Aururõhu leidmiseks antud temperatuuril kasutage Clapeyroni-Clausiuse võrrandit:.

Sammud

Kasutades Clapeyroni-Clausiuse võrrandit

Kirjutage üles Clapeyroni-Clausiuse võrrand, mida kasutatakse aururõhu arvutamiseks, kuna see ajas muutub. Seda valemit saab kasutada enamiku füüsikaliste ja keemiliste probleemide korral. Võrrand näeb välja selline: ln (P1 / P2) = (ΔH vap / R) ((1 / T2) - (1 / T1)), kus:

Asendage teile antud koguste väärtused Clapeyroni-Clausiuse võrrandis. Enamik probleeme annab kaks temperatuuri väärtust ja rõhuväärtust või kaks rõhu väärtust ja temperatuuri väärtust.

• Näiteks anum sisaldab vedelikku, mille temperatuur on 295 K ja selle aururõhk on 1 atmosfäär (1 atm). Leidke aururõhk temperatuuril 393 K. Siin antakse kaks temperatuuri ja rõhk, nii et saate Clapeyroni-Clausiuse võrrandi abil leida erineva rõhu. Asendades antud väärtused valemis, saate: ln (1 / P2) = (ΔH vap / R) ((1/393) - (1/295)).
• Pange tähele, et Clapeyroni-Clausiuse võrrandis mõõdetakse temperatuuri alati kelvinites ja rõhku mis tahes mõõtühikutes (kuid P1 ja P2 puhul peavad need olema samad).

1. Asendage konstandid. Clapeyroni-Clausiuse võrrand sisaldab kahte konstanti: R ja ΔH vap. R on alati 8,314 J / (K × mol). ΔH auru (aurustumisentalpia) väärtus sõltub ainest, mille aururõhku proovite leida; selle konstandi võib tavaliselt leida keemiaõpikute tabelist või (näiteks) veebisaitidelt.

   • Meie näites oletame, et anumas on vett. Vee ΔH auru on 40,65 kJ / mol või võrdne 40 650 J / mol.
   • Ühendage konstandid valemiga ja saate: ln (1 / P2) = (40650/8314) ((1/393) - (1/295)).

2. Lahendage võrrand algebraliste tehtetega.

   • Meie näites on tundmatu muutuja naturaallogaritmi (ln) märgi all. Naturaallogaritmist vabanemiseks teisendage võrrandi mõlemad pooled matemaatilise konstandi "e" astmeks. Teisisõnu, ln (x) = 2 → e ln (x) = e 2 → x = e 2.
   • Nüüd lahendage võrrand:
   • ln (1 / P2) = (40650 / 8,314) ((1/393) - (1/295))
   • ln (1 / P2) = (4889,34) (- 0,00084)
   • (1 / P2) = e (-4,107)
   • 1/P2 = 0,0165
   • P2 = 0,0165 -1 = 60,76 atm. See on mõistlik, kuna temperatuuri tõstmine hermeetiliselt suletud anumas 100 kraadi võrra suurendab aurustumist, mis suurendab oluliselt aururõhku.

   Aururõhu arvutamine lahustes

   1. Kirjutage üles Raoult' seadus. V päris elu puhtad vedelikud on haruldased; me tegeleme sageli lahendustega. Lahuse valmistamiseks lisatakse väike kogus spetsiifilist kemikaali, mida nimetatakse "lahustuvaks aineks", suuremale kogusele teisele kemikaalile, mida nimetatakse "lahustiks". Lahenduste puhul kasutage Raoult' seadust: kus:

      • P lahus on lahuse aururõhk.
      • P solvent – ​​lahusti aururõhk.
      • X solvent – ​​lahusti moolifraktsioon.
      • Kui te ei tea, mis on moolifraktsioon, lugege edasi.

   2. Määrake, milline aine on lahusti ja milline lahustunud aine. Tuletage meelde, et lahustunud aine on aine, mis lahustub lahustis, ja lahusti on aine, mis lahustab lahustunud ainet.

      Leidke lahuse temperatuur, kuna see mõjutab selle aururõhku. Mida kõrgem on temperatuur, seda kõrgem on aururõhk, kuna aurustumine suureneb temperatuuri tõustes.

      • Meie näites oletame, et siirupi temperatuur on 298 K (umbes 25 °C).

   3. Leidke lahusti aururõhk. Paljude levinud kemikaalide aururõhu väärtused on toodud keemia käsiraamatutes, kuid tavaliselt on need väärtused antud temperatuuril 25 °C / 298 K või nende keemistemperatuuridel. Kui probleemi korral on teile antud sellised temperatuurid, kasutage viiteraamatute väärtusi; vastasel juhul peate arvutama aururõhu aine antud temperatuuril.

      Leidke lahusti mooliosa. Selleks leidke aine moolide arvu suhe summa kõigi lahuses olevate ainete moolid. Teisisõnu, iga aine mooliosa on (aine moolide arv) / (kõikide ainete moolide koguarv).

   4. Nüüd ühendage andmed ja suuruste leitud väärtused selle jaotise alguses antud Raoult' võrrandisse ( P lahus = P lahusti X lahusti).

      • Meie näites:
      • P lahus = (23,8 mmHg) (0,947)
      • P lahendus = 22,54 mmHg Art. See on loogiline, kuna väike kogus suhkrut lahustatakse suures koguses vees (moolides mõõdetuna; nende kogus on liitrites sama), mistõttu aururõhk veidi väheneb.

   Aururõhu arvutamine erijuhtudel

   1. Standardtingimuste määratlus. Sageli kasutatakse keemias temperatuuri ja rõhu väärtusi omamoodi "vaikeväärtusena". Neid väärtusi nimetatakse standardtemperatuuriks ja -rõhuks (või standardtingimusteks). Aururõhuprobleemide korral mainitakse sageli standardtingimusi, seega on parem standardväärtused meeles pidada:

      • Temperatuur: 273,15 K / 0˚C / 32 F
      • Rõhk: 760 mmHg / 1 atm / 101,325 kPa

   2. Teiste muutujate leidmiseks kirjutage ümber Clapeyroni-Clausiuse võrrand. Selle artikli esimene osa näitas, kuidas arvutada puhaste ainete aururõhku. Kuid mitte kõik probleemid ei nõua rõhu P1 või P2 leidmist; paljude ülesannete puhul on vaja arvutada temperatuur või ΔH vap väärtus. Sellistel juhtudel kirjutage Clapeyroni-Clausiuse võrrand ümber, eraldades võrrandi ühel küljel tundmatu.

      • Näiteks kui antud tundmatu vedelik, mille aururõhk on 273 K juures 25 Torr ja 325 K juures 150 Torr. On vaja leida selle vedeliku (st ΔH auru) aurustumise entalpia. Selle probleemi lahendus:
      • ln (P1 / P2) = (ΔH vap / R) ((1 / T2) - (1 / T1))
      • (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = (ΔH vap / R)
      • R × (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = ΔH vap Asendage nüüd enda jaoks antud väärtused:
      • 8,314 J / (K × mol) × (-1,79) / (- 0,00059) = ΔH vap
      • 8,314 J / (K × mol) × 3033,90 = ΔH vap = 25223,83 J/mol

   3. Võtke arvesse permeaadi aururõhku. Meie näites selle artikli teisest jaotisest lahustunud aine - suhkur - ei aurustu, kuid kui lahustunud aine tekitab auru (aurustub), tuleks arvestada aururõhuga. Selleks kasutage Raoult' võrrandi modifitseeritud vormi: P lahus = Σ (P aine X aine), kus sümbol Σ (sigma) tähendab, et on vaja lisada kõigi ainete aururõhu väärtused, mis moodustavad lahendus üles.

      • Näiteks kaaluge lahust, mis koosneb kahest kemikaalist: benseen ja tolueen. Lahuse kogumaht on 120 milliliitrit (ml); 60 ml benseeni ja 60 ml tolueeni. Lahuse temperatuur on 25 ° C ja aururõhk 25 ° C juures on 95,1 mm Hg. benseeni jaoks ja 28,4 mm Hg. tolueeni jaoks. On vaja arvutada lahuse aururõhk. Seda saame teha ainete tiheduste, nende molekulmasside ja aururõhu väärtuste abil:
      • Mass (benseen): 60 ml = 0,06 l × 876,50 kg / 1000 l = 0,053 kg = 53 g
      • Mass (tolueen): 0,06 L × 866,90 kg / 1000 L = 0,052 kg = 52 g
      • Mool (benseen): 53 g × 1 mol / 78,11 g = 0,679 mol
      • Mool (tolueen): 52 g × 1 mol / 92,14 g = 0,564 mol
      • Moolide koguarv: 0,679 + 0,564 = 1,243
      • Moolfraktsioon (benseen): 0,679 / 1,243 = 0,546
      • Moolfraktsioon (tolueen): 0,564 / 1,243 = 0,454
      • Lahendus: P lahus = P benseen X benseen + P tolueen X tolueen
      • P lahus = (95,1 mm Hg) (0,546) + (28,4 mm Hg) (0,454)
      • P lahus = 51,92 mm Hg. Art. + 12,89 mm Hg. Art. = 64,81 mmHg Art.
   • Clapeyron Clausiuse võrrandi kasutamiseks tuleb temperatuur määrata Kelvini kraadides (tähistatakse K-ga). Kui teie temperatuur on antud Celsiuse kraadides, peate selle teisendama järgmise valemi abil: T k = 273 + T c
   • Ülaltoodud meetod töötab, kuna energia on otseselt võrdeline soojushulgaga. Vedeliku temperatuur on ainus tegur keskkond, millest sõltub aururõhk.

VEDELIKKE PÕLEMINE

Vedelike põlemist iseloomustavad kaks omavahel seotud nähtust - aurustumine ja auru-õhu segu põlemine vedeliku pinna kohal. Järelikult ei kaasne vedelike põlemisega mitte ainult keemiline reaktsioon(oksüdatsioon, muutumine leekpõlemiseks), aga ka füüsikaliste nähtustega (aurustumine ja auru-õhu segu tekkimine vedeliku pinna kohal), ilma milleta on põlemine võimatu.

Aine üleminekut vedelikust auruolekusse nimetatakse aurustamine. Sellel protsessil on kaks vormi: aurustamine ja keetmine. Aurustumine- see on vedeliku üleminek auruks vabalt pinnalt temperatuuril alla vedeliku keemistemperatuuri (vt joonis 4.1). Aurustumine toimub vedelate molekulide termilise liikumise tulemusena. Molekulide liikumiskiirus kõigub suurtes piirides, kaldudes mõlemas suunas tugevalt kõrvale oma keskmisest väärtusest. Osa piisavalt suure kineetilise energiaga molekule murdub vedeliku pinnakihist välja gaasilisse (õhk)keskkonda. Vedeliku poolt kaotatud molekulide liigne energia kulutatakse molekulide vastastikuse mõju ja paisumistöö (mahu suurenemise) ületamiseks vedeliku üleminekul auruks. Keetmine- See on aurustumine mitte ainult pinnalt, vaid ka vedeliku mahust aurumullide moodustumisega kogu mahus ja nende vabanemise teel. Aurustamist täheldatakse vedeliku mis tahes temperatuuril. Keemine toimub ainult temperatuuril, mille juures küllastunud auru rõhk jõuab välise (atmosfääri) rõhuni.

Tänu Browni liikumisele gaasitsoonis toimub ka vastupidine protsess - kondensatsioon... Kui vedeliku kohal olev maht on suletud, tekib vedeliku mis tahes temperatuuril dünaamiline tasakaal aurustumis- ja kondenseerumisprotsesside vahel.

Vedelikuga tasakaalus olevat auru nimetatakse küllastunud aur... Tasakaaluseisund vastab antud temperatuuril määratud auru kontsentratsioonile. Vedelikuga tasakaalus olevat aururõhku nimetatakse küllastunud auru rõhk.

Riis. 4.1. Vedeliku aurustamise skeem: a) avatud anumas, b) suletud anumas

Antud vedeliku küllastunud aururõhk (rn.p.) konstantsel temperatuuril on selle jaoks konstantne ja muutumatu. Küllastunud auru rõhu väärtuse määrab vedeliku temperatuur: temperatuuri tõustes suureneb küllastunud auru rõhk. See on tingitud vedelikumolekulide kineetilise energia suurenemisest temperatuuri tõustes. Sel juhul selgub, et molekulide suureneval osal on piisavalt energiat, et muutuda auruks.

Seega on vedeliku pinna (peegli) kohal alati auru-õhu segu, mida tasakaaluolekus iseloomustab vedeliku küllastunud aurude rõhk või nende kontsentratsioon. Temperatuuri tõustes suureneb küllastunud auru rõhk vastavalt Cliperoni-Clausiuse võrrandile:

, (4.1)

või terviklikul kujul:

, (4.2)

kus p n.p. - küllastunud auru rõhk, Pa;

DН isp on aurustumissoojus, soojushulk, mis on vajalik vedeliku massiühiku aurustamiseks, kJ / mol;

T on vedeliku temperatuur, K.

Küllastunud auru C kontsentratsioon vedeliku pinna kohal on seotud selle rõhuga suhtega:

. (4.3)

Punktidest (4.1 ja 4.2) järeldub, et vedeliku temperatuuri tõusuga suureneb küllastunud aurude rõhk (või nende kontsentratsioon) eksponentsiaalselt. Sellega seoses tekib teatud temperatuuril vedeliku pinnast kõrgemal aurukontsentratsioon, mis on võrdne leegi levimise alumise kontsentratsioonipiiriga. Seda temperatuuri nimetatakse madalamaks leegi leviku temperatuuriks (LITR).

Seetõttu on mis tahes vedeliku puhul alati selline temperatuurivahemik, mille juures on küllastunud aurude kontsentratsioon peegli kohal süütepiirkonnas, st HKPRP £ j n £ VKPRP.

Aurustumisrõhu reguleerimiseks paigaldatakse aurustist allavoolu imitorustikule KVP regulaator (joonis 6.13).

Aurustumisrõhu regulaator pakub lisaks põhifunktsioonile kaitset tugeva aurustumisrõhu languse korral, et vältida jahutatud vee külmumist jahutusveepaigaldiste aurustite soojusvahetusteel.

Regulaator töötab järgmiselt: kui rõhk tõuseb üle seatud rõhu, avaneb regulaator ja kui rõhk langeb alla seatud väärtuse, siis sulgub. Ainus juhtsignaal on rõhk regulaatori sisselaskeava juures.

Mitme aurustiga ja erinevatel aurustusrõhkudel töötavates paigaldistes paigaldatakse regulaator pärast aurustit, mille rõhk on kõrgeim. Vältimaks külmutusagensi kondenseerumist seiskamiste ajal, paigaldatakse imitorustikule vahetult pärast aurustit minimaalse rõhuga tagasilöögiklapp. Paralleelaurustite ja ühise kompressoriga paigaldiste puhul paigaldatakse imitorusse regulaator, mis hoiab aurustites sama rõhu.

Lisaks seda tüüpi regulaatoritele stabiliseeritakse aurustumisrõhk ühe või mitme elektroonilise juhtimissüsteemi abil külmad ruumid, kapid jne, mis tagab seatud temperatuuri (± 0,5 K) hoidmise suure täpsuse laias külmutusvõimsuse vahemikus - 10 kuni 100% nimiväärtusest.

8. Tootlikkuse regulaatorid.

Võimsuse regulaatorid (joon. 6.14) aitavad kohandada kompressori jahutusvõimsust aurusti soojuskoormuse muutustega paigaldistes, mille külmutusagensi tase on väga madal. Need väldivad imemisrõhu langust ja kasutuid käivitusi.

Kui aurusti soojuskoormus väheneb, siis imemisrõhk langeb, tekitades ahelas vaakumi, mis tekitab niiskuse seadmesse sattumise ohu. Kui imemisrõhk langeb alla seatud väärtuse, avaneb regulaator, mille tulemusena voolab väljalasketorust imitorusse teatud kogus kuumi gaase. Selle tulemusena imemisrõhk tõuseb ja jahutusvõimsus väheneb. Regulaator reageerib ainult imitorus olevale rõhule, st. sellest väljapääsu juures.

9. Käivitusregulaatorid.

Käivitusregulaatorid takistavad kompressori töötamist ja käivitamist liiga kõrgel imemisrõhul, mis tekib pärast masina pikaajalist seiskamist või pärast aurusti sulatamist.

KVL-i käivitusregulaator kuulub drosselklapi rõhuregulaatorite tüüpi "allavoolu". See hoiab regulaatori ja kompressori vahelises imemistorus pidevat rõhku ning vabastab kompressorist käivitamisel.

Regulaatori sisselaskerõhk mõjub põhjas olevale lõõtsale ja ülaosas klapiplaadile. Kuna lõõtsa efektiivne pindala on võrdne voolualaga, neutraliseeritakse sisselaskerõhk. Väljalaskerõhk (karteris) mõjub klapiplaadi põhjale reguleeritava vedru pingutusjõu vastu. Need kaks jõudu on tegutsevad jõud regulaator. Kui reguleeritud väljalaskerõhk (karteris) väheneb, avaneb ventiil, mis võimaldab külmutusagensi aurudel voolata kompressorisse. Sest külmutusagregaadid suure jõudlusega, on võimalik KVL-i käivitusregulaatorite paralleelne paigaldamine. Sel juhul valitakse regulaatorid iga torujuhtme sama rõhulanguse ja samaväärse võimsuse tingimuse alusel.

Regulaator on seatud maksimumväärtustele, ületamata siiski tootja poolt kompressori või kondensatsiooniseadme jaoks soovitatud väärtusi. Reguleerimine toimub vastavalt kompressori imitoru manomeetri näitudele.

Käivitusregulaator paigaldatakse aurusti ja kompressori vahelisele imitorule (joon. 6.15).

See regulaator annab võimaluse ühendada auru väljatõmbetorustik läbi manomeetrilise väljalaskeava sisselasketoru juures, mille voolu läbimõõt on 1/4 ". Sel viisil reguleeritakse aurude väljatõmbamist" enda järel".

Käivitusregulaatori valiku määravad viis peamist näitajat:

Külmutusagensi tüübi järgi

Süsteemi jõudlus,

Imemisrõhk,

Maksimaalne disainirõhk,

Rõhulangus regulaatoris.

Arvestusrõhu ja projekteeritud maksimaalse imemisrõhu erinevus määrab, kui kaua klapp avaneb. Rõhu langus üle regulaatori on oluline tegur, kuna rõhu langus imemistorus mõjutab masina jõudlust. Seetõttu tuleb rõhukadu regulaatoris hoida minimaalsena. Tavaliselt on madala temperatuuriga jahutussüsteemides rõhulangus 3 ... 7 kPa. Enamiku jahutussüsteemide maksimaalne rõhulang on 14 kPa.

Kui klapp on maksimaalselt avatud, tagab regulaator ühelt poolt maksimaalse jõudluse ja teisest küljest põhjustab see suuri rõhukadusid, mis vähendab süsteemi jõudlust. Seetõttu tuleb rõhukadu regulaatoris hoida minimaalsena.