Sự phụ thuộc của áp suất hơi nước bão hòa vào nhiệt độ. Boiling - Đại siêu thị tri thức. Sự bay hơi Sự bay hơi của chất rắn

các trạng thái của vật chất

Nó không phải là một sự kết hợp kỳ lạ của các từ? Tuy nhiên, điều này hoàn toàn không phải là vô nghĩa: cả hơi sắt và không khí rắn đều tồn tại trong tự nhiên, nhưng không phải ở điều kiện bình thường.

Điều kiện chúng ta đang nói đến là gì? Trạng thái của một chất được xác định bởi hai hoàn cảnh: nhiệt độ và áp suất.

Cuộc sống của chúng ta diễn ra trong những điều kiện tương đối ít thay đổi. Áp suất không khí dao động trong khoảng vài phần trăm của khoảng một bầu khí quyển; nhiệt độ không khí ở khu vực Matxcova nằm trong khoảng từ -30 đến + 30 ° С; trong thang nhiệt độ tuyệt đối, trong đó nhiệt độ thấp nhất có thể được lấy bằng 0 (-273 ° С); Khoảng này trông sẽ kém ấn tượng hơn: 240-300 K, cũng chỉ là ± 10% giá trị trung bình.

Hoàn toàn tự nhiên là chúng ta đã quen với những điều kiện bình thường này, và do đó, khi chúng ta nói những chân lý đơn giản như: "sắt là chất rắn, không khí là chất khí", v.v., chúng ta quên thêm: "ở điều kiện bình thường."

Nếu bạn đun nóng sắt, trước tiên nó sẽ nóng chảy và sau đó bay hơi. Nếu không khí được làm lạnh, trước tiên nó sẽ chuyển thành chất lỏng và sau đó đông đặc lại.

Ngay cả khi người đọc chưa từng gặp hơi sắt và không khí rắn, có lẽ họ sẽ dễ dàng tin rằng bất kỳ chất nào, bằng cách thay đổi nhiệt độ, đều có thể thu được ở trạng thái rắn, lỏng và khí, hoặc như người ta nói, ở thể rắn, lỏng hoặc khí. các giai đoạn.

Thật dễ dàng để tin vào điều này bởi vì mọi người sẽ quan sát một chất, nếu không có chất này thì sự sống trên Trái đất sẽ là không thể, cả ở dạng khí, chất lỏng và ở dạng rắn. Tất nhiên, đây là về nước.

Sự chuyển hoá của vật chất từ ​​trạng thái này thành trạng thái khác diễn ra trong điều kiện nào?

Nếu ta hạ nhiệt kế xuống nước đã đổ vào ấm, bật bếp điện và theo dõi lượng thủy ngân của nhiệt kế, ta sẽ thấy như sau: gần như ngay lập tức mức thủy ngân sẽ dâng lên. Đã 90, 95, cuối cùng là 100 ° C. Nước sôi, đồng thời sự dâng lên của thủy ngân dừng lại. Nước đã sôi trong nhiều phút, nhưng mức thủy ngân không thay đổi. Cho đến khi tất cả nước đã sôi, nhiệt độ sẽ không thay đổi (hình 4.1).

Lúa gạo. 4.1

Nhiệt lượng sẽ chuyển thành bao nhiêu nếu nhiệt độ nước không thay đổi? Câu trả lời là hiển nhiên. Quá trình chuyển hóa nước thành hơi cần năng lượng.

Hãy so sánh năng lượng của một gam nước và một gam hơi nước được hình thành từ nó. Các phân tử hơi nằm xa nhau hơn so với phân tử nước. Rõ ràng là do đó, thế năng của nước sẽ khác với thế năng của hơi nước.

Thế năng của việc thu hút các hạt giảm dần theo cách tiếp cận của chúng. Do đó, năng lượng của hơi nước lớn hơn năng lượng của nước, và quá trình chuyển hóa nước thành hơi cần phải có năng lượng. Năng lượng thặng dư này được bếp điện truyền cho nước sôi trong ấm.

Năng lượng - cần thiết để biến nước thành hơi nước; gọi là nhiệt hóa hơi. Để chuyển đổi 1 g nước thành hơi nước, cần 539 calo (đây là con số cho nhiệt độ 100 ° C).

Nếu 539 calo chuyển thành 1 g, thì 18 * 539 = 9700 calo sẽ được tiêu tốn cho 1 mol nước. Lượng nhiệt này phải được sử dụng để phá vỡ các liên kết giữa các phân tử.

Bạn có thể so sánh con số này với khối lượng công việc cần thiết để phá vỡ các liên kết nội phân tử. Để tách 1 mol hơi nước thành nguyên tử, cần khoảng 220.000 calo, tức là gấp 25 lần năng lượng. Điều này trực tiếp chứng minh sự yếu kém của lực liên kết các phân tử với nhau, so với lực kéo các nguyên tử lại với nhau thành một phân tử.

Điểm sôi của nước là 100 ° C; người ta có thể nghĩ rằng đây là đặc tính cố hữu của nước, rằng nước dù ở đâu và trong điều kiện nào, sẽ luôn sôi ở 100 ° C.

Nhưng điều này không phải như vậy, và cư dân của các ngôi làng trên núi cao đều nhận thức rõ điều này.

Gần đỉnh Elbrus có một nhà du lịch và một trạm khoa học. Những người mới bắt đầu đôi khi thắc mắc “luộc trứng trong nước sôi khó như thế nào” hoặc “tại sao nước sôi không cháy”. Trong những điều kiện này, họ được thông báo rằng nước sôi trên đỉnh Elbrus đã ở nhiệt độ 82 ° C.

Vấn đề ở đây là gì? Yếu tố vật lý nào cản trở hiện tượng sôi? Độ cao quan trọng như thế nào?

Yếu tố vật lý này là áp suất tác dụng lên bề mặt chất lỏng. Bạn không cần phải leo lên đỉnh núi để kiểm tra sự thật của những gì đã nói.

Bằng cách đặt nước nóng dưới chuông và bơm hoặc bơm không khí ra khỏi đó, bạn có thể đảm bảo rằng điểm sôi tăng lên khi áp suất tăng và giảm khi áp suất giảm.

Nước chỉ sôi ở 100 ° C ở một áp suất nhất định - 760 mm Hg. Nghệ thuật. (hoặc 1 atm).

Đường cong điểm sôi so với áp suất được thể hiện trong Hình. 4.2. Tại đỉnh Elbrus, áp suất là 0,5 atm, và áp suất này tương ứng với nhiệt độ sôi là 82 ° C.

Lúa gạo. 4.2

Nhưng với nước sôi ở 10-15 mm Hg. Art., Bạn có thể giải nhiệt trong thời tiết nóng bức. Ở áp suất này, nhiệt độ sôi sẽ giảm xuống 10-15 ° C.

Bạn thậm chí có thể nhận được "nước sôi" ở nhiệt độ của nước đóng băng. Để làm được điều này, bạn sẽ phải giảm áp suất xuống còn 4,6 mm Hg. Nghệ thuật.

Một bức tranh thú vị có thể được quan sát nếu bạn đặt một bình hở chứa nước dưới chuông và bơm không khí ra ngoài. Bơm sẽ làm cho nước sôi, nhưng đun sôi cần phải có nhiệt. Không có nơi nào để lấy nó, và nước sẽ phải cung cấp năng lượng của nó. Nhiệt độ của nước sôi sẽ bắt đầu giảm xuống, nhưng khi tiếp tục bơm, áp suất cũng giảm xuống. Do đó, sự sôi sẽ không dừng lại, nước sẽ tiếp tục nguội và cuối cùng đóng băng.

Sự sôi nước lạnh như vậy không chỉ xảy ra khi bơm không khí ra ngoài. Ví dụ, khi chân vịt của một con tàu quay, áp suất trong lớp nước chuyển động nhanh gần bề mặt kim loại giảm mạnh và nước trong lớp này sôi lên, tức là có nhiều bong bóng chứa đầy hơi nước xuất hiện trong đó. Hiện tượng này được gọi là cavitation (từ tiếng Latinh cavitas - khoang).

Bằng cách giảm áp suất, chúng tôi giảm điểm sôi. Và tăng nó? Một biểu đồ như của chúng tôi trả lời câu hỏi này. Áp suất 15 atm có thể làm chậm quá trình sôi của nước, nó sẽ chỉ bắt đầu ở 200 ° C và áp suất 80 atm sẽ làm cho nước chỉ sôi ở 300 ° C.

Vì vậy, một áp suất bên ngoài nhất định tương ứng với một nhiệt độ sôi nhất định. Nhưng phát biểu này cũng có thể "ngược" khi nói điều này: mỗi điểm sôi của nước có áp suất riêng của nó. Áp suất này được gọi là áp suất hơi.

Đường cong điểm sôi so với áp suất cũng là đường cong áp suất hơi so với nhiệt độ.

Các con số được vẽ trên đồ thị điểm sôi (hoặc trên đồ thị áp suất hơi) cho thấy áp suất hơi thay đổi rất nhanh theo nhiệt độ. Ở 0 ° C (tức là 273 K), áp suất hơi là 4,6 mm Hg. Nghệ thuật., Ở 100 ° C (373 K), nó tương đương với 760 mm Hg. Art., Tức là, tăng 165 lần. Khi nhiệt độ tăng lên một nửa (từ 0 ° C, tức là 273 K, lên 273 ° C, tức là 546 K), áp suất hơi tăng từ 4,6 mm Hg. Nghệ thuật. gần như lên đến 60 atm, tức là khoảng 10.000 lần.

Do đó, ngược lại, nhiệt độ sôi thay đổi khá chậm theo áp suất. Khi áp suất thay đổi một nửa từ 0,5 atm đến 1 atm, điểm sôi tăng từ 82 ° C (355 K) lên 100 ° C (373 K), và khi áp suất thay đổi một nửa từ 1 đến 2 atm - từ 100 ° C (373 K) đến 120 ° C (393 K).

Đường cong tương tự mà chúng ta đang xem xét bây giờ cũng điều khiển sự ngưng tụ (đặc) của hơi nước thành nước.

Hơi nước có thể được chuyển đổi thành nước bằng cách nén hoặc bằng cách làm lạnh.

Cả trong quá trình sôi và trong quá trình ngưng tụ, chất điểm sẽ không di chuyển theo đường cong cho đến khi quá trình chuyển đổi hơi nước thành nước hoặc nước thành hơi hoàn tất. Điều này cũng có thể được xây dựng như sau: trong các điều kiện của đường cong của chúng tôi và chỉ trong những điều kiện này, sự tồn tại chung của chất lỏng và hơi mới có thể xảy ra. Nếu điều này không cung cấp hoặc loại bỏ nhiệt, thì lượng hơi và chất lỏng trong một bình kín sẽ không thay đổi. Hơi và chất lỏng như vậy được cho là ở trạng thái cân bằng, và hơi ở trạng thái cân bằng với chất lỏng của nó được gọi là bão hòa.

Như chúng ta thấy, đường cong sôi và ngưng tụ có một ý nghĩa khác: nó là đường cong cân bằng của chất lỏng và hơi. Đường cong cân bằng chia trường biểu đồ thành hai phần. Ở bên trái và hướng lên (về phía nhiệt độ cao hơn và áp suất thấp hơn) có một vùng hơi nước ở trạng thái ổn định. Bên phải và bên dưới - khu vực của trạng thái ổn định của chất lỏng.

Đường cong cân bằng hơi-lỏng, nghĩa là, đường cong của điểm sôi so với áp suất hoặc, áp suất hơi so với nhiệt độ giống nhau, là gần giống nhau đối với tất cả các chất lỏng. Trong một số trường hợp, sự thay đổi có thể rõ nét hơn, trong một số trường hợp khác, hơi chậm hơn, nhưng áp suất hơi luôn tăng nhanh khi nhiệt độ tăng.

Chúng tôi đã sử dụng các từ "khí" và "hơi nước" nhiều lần. Hai từ này khá bình đẳng. Có thể nói: khí nước là hơi nước, khí ôxy là hơi của ôxy lỏng. Tuy nhiên, có một thói quen nhất định sử dụng hai từ này. Vì chúng ta đã quen với một khoảng nhiệt độ tương đối nhỏ nhất định, chúng ta thường áp dụng từ "khí" cho những chất có áp suất hơi ở nhiệt độ thường cao hơn áp suất khí quyển. Ngược lại, chúng ta nói về hơi khi ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển, chất này ổn định hơn ở dạng lỏng.

Đun sôi là một quá trình nhanh chóng, và không để lại dấu vết của nước sôi trong một thời gian ngắn, nó sẽ biến thành hơi nước.

Nhưng có một hiện tượng khác về sự biến đổi nước hoặc chất lỏng khác thành hơi - đó là sự bay hơi. Sự bay hơi xảy ra ở mọi nhiệt độ không phụ thuộc vào áp suất, mà ở điều kiện bình thường luôn gần bằng 760 mm Hg. Nghệ thuật. Sự bay hơi, không giống như quá trình sôi, là một quá trình rất chậm. Một chai nước hoa chúng ta quên đóng sẽ hết sạch sau vài ngày; thêm thời gian nữa đĩa nước sẽ đọng lại, nhưng sớm hay muộn nó cũng sẽ khô.

Không khí đóng vai trò quan trọng trong quá trình bay hơi nước. Bản thân nó không ngăn nước bốc hơi. Ngay sau khi chúng ta mở bề mặt của chất lỏng, các phân tử nước sẽ bắt đầu di chuyển vào lớp không khí gần nhất.

Mật độ hơi trong lớp này sẽ tăng lên nhanh chóng; sau một thời gian ngắn áp suất hơi sẽ bằng đặc tính đàn hồi theo nhiệt độ của môi chất. Trong trường hợp này, áp suất hơi sẽ giống hệt như trong trường hợp không có không khí.

Tất nhiên, hơi nước bay vào không khí không có nghĩa là làm tăng áp suất. Tổng áp suất trong không gian trên mặt nước không tăng, chỉ có tỷ lệ của áp suất này do hơi nước hấp thụ tăng lên, và do đó, tỷ trọng của không khí bị hơi nước chiếm chỗ giảm đi.

Bên trên nước có lẫn hơi nước với không khí, bên trên có các lớp không khí không có hơi nước. Chắc chắn chúng sẽ trộn lẫn. Hơi nước sẽ liên tục di chuyển lên các lớp cao hơn, và ở vị trí của nó, không khí không chứa các phân tử nước sẽ đi vào lớp dưới. Do đó, ở lớp gần nước nhất, các vị trí sẽ luôn được tạo tự do cho các phân tử nước mới. Nước sẽ liên tục bay hơi, duy trì áp suất của hơi nước ở bề mặt bằng độ đàn hồi, và quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi nước bay hơi hoàn toàn.

Chúng tôi bắt đầu với một ví dụ về nước hoa và nước hoa. Ai cũng biết rằng chúng bay hơi với tốc độ khác nhau. Ether bay hơi đặc biệt nhanh chóng, rượu khá nhanh và nước chậm hơn nhiều. Chúng ta sẽ hiểu ngay vấn đề là gì nếu chúng ta tìm thấy trong sách tham khảo giá trị của áp suất hơi của những chất lỏng này, chẳng hạn, ở nhiệt độ phòng. Đây là những con số: ether - 437 mm Hg. Nghệ thuật, rượu - 44,5 mm Hg. Nghệ thuật. và nước - 17,5 mm Hg. Nghệ thuật.

Độ đàn hồi càng cao thì lượng hơi ở lớp không khí bên cạnh càng nhiều và chất lỏng bay hơi càng nhanh. Chúng ta biết rằng áp suất hơi tăng khi nhiệt độ tăng. Rõ ràng là tại sao tốc độ bay hơi tăng khi đun nóng.

Tốc độ bay hơi có thể bị ảnh hưởng theo một cách khác. Nếu chúng ta muốn giúp bay hơi, cần phải nhanh chóng loại bỏ hơi ra khỏi chất lỏng, nghĩa là phải đẩy nhanh quá trình trộn lẫn không khí. Đó là lý do tại sao sự bay hơi được tăng tốc rất nhiều bằng cách thổi qua chất lỏng. Nước, mặc dù nó có áp suất hơi tương đối thấp, sẽ biến mất khá nhanh nếu đĩa được đặt trong gió.

Do đó, có thể hiểu tại sao một vận động viên bơi lội đã trồi lên khỏi mặt nước lại cảm thấy lạnh trong gió. Gió làm tăng tốc độ trộn không khí với hơi nước và do đó, tăng tốc độ bay hơi, và cơ thể con người buộc phải nhường nhiệt cho quá trình bay hơi.

Sức khỏe của một người phụ thuộc vào việc có nhiều hay ít hơi nước trong không khí. Và khô và không khí ẩm ướt khó chịu. Độ ẩm được coi là bình thường khi nó là 60%. Điều này có nghĩa là tỷ trọng của hơi nước bằng 60% tỷ trọng của hơi nước bão hòa ở cùng nhiệt độ.

Nếu không khí ẩm được làm lạnh, thì cuối cùng áp suất của hơi nước trong nó sẽ bằng áp suất hơi ở nhiệt độ này. Hơi nước sẽ trở nên bão hòa và khi nhiệt độ giảm hơn nữa, nó sẽ bắt đầu ngưng tụ thành nước. Sương sớm, có tác dụng giữ ẩm cho cỏ và lá, xuất hiện chính là do hiện tượng này.

Ở 20 ° C, khối lượng riêng của hơi nước bão hòa là khoảng 0,00002 g / cm 3. Chúng ta sẽ cảm thấy dễ chịu nếu 60% con số này là hơi nước trong không khí, nghĩa là chỉ hơn một phần trăm nghìn gam trong 1 cm 3 một chút.

Con số này tuy nhỏ nhưng đối với một căn phòng sẽ dẫn đến lượng hơi nước ấn tượng. Có thể dễ dàng tính được rằng trong một căn phòng cỡ vừa có diện tích 12 m 2 và cao 3 m, khoảng một kg nước có thể "nằm gọn" ở dạng hơi bão hòa.

Điều này có nghĩa là nếu bạn đóng chặt một căn phòng như vậy và đặt một thùng nước đang mở, thì một lít nước sẽ bay hơi, bất kể dung tích của thùng.

Thật thú vị khi so sánh kết quả này cho nước với các số liệu tương ứng cho thủy ngân. Ở cùng nhiệt độ 20 ° C, khối lượng riêng của hơi bão hòa của thủy ngân là 10 -8 g / cm 3.

Căn phòng vừa thảo luận sẽ chứa không quá 1 g hơi thủy ngân.

Nhân tiện, hơi thủy ngân rất độc, và 1 g hơi thủy ngân có thể gây tổn hại nghiêm trọng đến sức khỏe của bất kỳ người nào. Khi làm việc với thủy ngân, bạn cần đảm bảo rằng dù giọt thủy ngân nhỏ nhất cũng không bị tràn ra ngoài.

Làm thế nào để biến chất khí thành chất lỏng? Biểu đồ sôi trả lời câu hỏi này. Bạn có thể biến một chất khí thành chất lỏng bằng cách giảm nhiệt độ hoặc tăng áp suất.

Vào thế kỷ 19, việc nâng cao áp suất được coi là một nhiệm vụ dễ dàng hơn so với việc hạ nhiệt độ. Vào đầu thế kỷ này, nhà vật lý vĩ đại người Anh Michael Farad đã cố gắng nén các chất khí đến giá trị của áp suất hơi và bằng cách này, biến nhiều chất khí thành chất lỏng (clo, carbon dioxide, v.v.).

Tuy nhiên, một số khí - hydro, nitơ, oxy - không tự cho phép hóa lỏng theo bất kỳ cách nào. Cho dù áp suất được tăng lên bao nhiêu, chúng vẫn không chuyển thành chất lỏng. Người ta có thể nghĩ rằng oxy và các chất khí khác không thể ở thể lỏng. Chúng được đếm trong số các khí thực, hoặc vĩnh viễn.

Trên thực tế, những thất bại là do thiếu hiểu biết về một tình huống quan trọng.

Hãy xem xét một chất lỏng và hơi ở trạng thái cân bằng, và nghĩ xem điều gì xảy ra với chúng khi nhiệt độ sôi tăng lên và tất nhiên, áp suất tăng tương ứng. Nói cách khác, hãy tưởng tượng rằng một điểm trên đồ thị sôi di chuyển lên trên dọc theo đường cong. Rõ ràng là chất lỏng nở ra khi nhiệt độ tăng và khối lượng riêng của nó giảm. Còn hơi nước thì nhiệt độ sôi tăng lên? tất nhiên, nó thúc đẩy sự mở rộng của nó, nhưng, như chúng ta đã nói, áp suất hơi bão hòa tăng nhanh hơn nhiều so với điểm sôi. Do đó, tỷ trọng hơi không giảm mà ngược lại, tăng nhanh khi nhiệt độ sôi tăng.

Vì khối lượng riêng của chất lỏng giảm, và khối lượng riêng của hơi tăng lên, khi đó, di chuyển "lên" dọc theo đường cong sôi, chắc chắn chúng ta sẽ đạt đến điểm mà mật độ của chất lỏng và hơi bằng nhau (Hình 4.3).

Lúa gạo. 4.3

Tại điểm đáng chú ý này, được gọi là điểm tới hạn, đường cong sôi kết thúc. Vì tất cả sự khác biệt giữa chất khí và chất lỏng đều liên quan đến sự khác biệt về tỷ trọng, nên tại điểm tới hạn, các đặc tính của chất lỏng và chất khí trở nên giống nhau. Mỗi chất có nhiệt độ tới hạn riêng và áp suất tới hạn riêng. Vì vậy, đối với nước, điểm tới hạn tương ứng với nhiệt độ 374 ° C và áp suất 218,5 atm.

Nếu bạn nén một chất khí có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn, thì quá trình nén của nó được biểu diễn bằng một mũi tên cắt ngang đường cong sôi (Hình 4.4). Điều này có nghĩa là tại thời điểm đạt đến áp suất bằng áp suất hơi (giao điểm của mũi tên với đường cong sôi), chất khí sẽ bắt đầu ngưng tụ thành chất lỏng. Nếu bình của chúng ta trong suốt, thì tại thời điểm đó chúng ta sẽ thấy sự bắt đầu hình thành một lớp chất lỏng ở đáy bình. Ở áp suất không đổi, lớp chất lỏng sẽ lớn dần cho đến khi toàn bộ chất khí chuyển thành chất lỏng. Nén hơn nữa sẽ yêu cầu tăng áp suất.

Lúa gạo. 4.4

Tình hình hoàn toàn khác khi một khí được nén, nhiệt độ của khí đó cao hơn nhiệt độ tới hạn. Quá trình nén một lần nữa có thể được mô tả như một mũi tên đi từ dưới lên trên. Nhưng bây giờ mũi tên này không vượt qua đường cong sôi sục. Điều này có nghĩa là trong quá trình nén, hơi sẽ không ngưng tụ mà chỉ ngưng tụ liên tục.

Ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn, sự tồn tại của chất lỏng và chất khí được ngăn cách bởi một mặt phân cách là không thể xảy ra: Khi bị nén đến một tỷ trọng bất kỳ, một chất đồng nhất sẽ nằm dưới piston, và rất khó để nói khi nào nó có thể được gọi là khí, và khi nào nó có thể được gọi là chất lỏng.

Sự hiện diện của một điểm tới hạn cho thấy không có sự khác biệt cơ bản giữa trạng thái lỏng và khí. Thoạt nhìn, có vẻ như không có sự khác biệt cơ bản như vậy chỉ khi nói đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn. Điều này, tuy nhiên, không phải là trường hợp. Sự tồn tại của một điểm tới hạn cho thấy khả năng chất lỏng - chất lỏng rất thực có thể được rót vào thủy tinh - ở trạng thái khí mà không có bất kỳ hình thái sôi nào.

Đường chuyển đổi này được thể hiện trong Hình. 4.4. Một chất lỏng đã biết được đánh dấu bằng một cây thánh giá. Nếu bạn giảm áp suất một chút (mũi tên xuống), nó sẽ sôi, nó sẽ sôi ngay cả khi nhiệt độ tăng lên một chút (mũi tên sang phải). Nhưng chúng ta sẽ hành động theo một cách hoàn toàn khác, Chúng ta sẽ nén chất lỏng rất mạnh, lên đến một áp suất cao hơn áp suất tới hạn. Điểm biểu diễn trạng thái của chất lỏng sẽ đi lên theo phương thẳng đứng. Sau đó, chúng tôi làm nóng chất lỏng - quá trình này sẽ được biểu diễn bằng một đường ngang. Bây giờ, sau khi chúng ta đã thấy mình ở bên phải của Nhiệt độ tới hạn, chúng ta sẽ giảm áp suất xuống mức ban đầu. Nếu nhiệt độ bây giờ được giảm xuống, thì bạn có thể nhận được một hơi nước thực sự, có thể thu được từ chất lỏng này một cách đơn giản và ngắn gọn hơn.

Do đó, luôn luôn có thể, bằng cách thay đổi áp suất và nhiệt độ bỏ qua điểm tới hạn, để thu được hơi nước bằng cách liên tục chuyển nó từ chất lỏng hoặc chất lỏng từ hơi. Quá trình chuyển đổi liên tục này không cần đun sôi hoặc ngưng tụ.

Những nỗ lực ban đầu để hóa lỏng các khí như oxy, nitơ, hydro, và do đó đã không thành công, vì người ta không biết về sự tồn tại của nhiệt độ tới hạn. Những khí này có nhiệt độ tới hạn rất thấp: nitơ -147 ° C, oxy -119 ° C, hydro -240 ° C, hoặc 33 K. Heli đang giữ kỷ lục, nhiệt độ tới hạn của nó là 4,3 K. Chỉ có thể có một chất lỏng. - cần phải hạ nhiệt độ của chúng xuống dưới nhiệt độ được chỉ định.

Giảm nhiệt độ đáng kể có thể đạt được những cách khác... Nhưng ý tưởng của tất cả các phương pháp đều giống nhau: cần phải buộc cơ thể, thứ mà chúng ta muốn làm mát, tiêu hao năng lượng bên trong của nó.

Điều này có thể giải quyết như thế nào? Một cách là làm cho chất lỏng sôi mà không dẫn nhiệt từ bên ngoài vào. Đối với điều này, như chúng ta đã biết, cần phải giảm áp suất - giảm nó đến giá trị của áp suất hơi. Nhiệt tiêu thụ để đun sôi sẽ được lấy từ chất lỏng và nhiệt độ của chất lỏng và hơi, đồng thời áp suất hơi sẽ giảm xuống. Vì vậy, để sự sôi không ngừng và xảy ra nhanh hơn, phải liên tục bơm không khí ra khỏi bình cùng với chất lỏng.

Tuy nhiên, sự giảm nhiệt độ trong quá trình này đạt đến một giới hạn: áp suất hơi cuối cùng trở nên hoàn toàn không đáng kể, và ngay cả những máy bơm hút chân không mạnh nhất cũng không thể tạo ra áp suất cần thiết.

Để tiếp tục hạ nhiệt độ, có thể làm lạnh chất khí bằng chất lỏng tạo thành bằng cách làm lạnh chất khí đó thành chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp hơn.

Bây giờ quá trình bơm có thể được lặp lại với chất thứ hai và do đó có được nhiệt độ thấp hơn. Nếu cần thiết, một phương pháp "thác nước" để thu được nhiệt độ thấp có thể được gia hạn.

Đây chính xác là những gì họ đã làm vào cuối thế kỷ trước; hóa lỏng các chất khí được thực hiện theo các giai đoạn: etylen, oxy, nitơ, hydro lần lượt được chuyển thành chất lỏng - các chất có nhiệt độ sôi -103, -183, -196 và -253 ° C. Với hydro lỏng, bạn có thể nhận được chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp nhất - heli (-269 ° C). Người hàng xóm "bên trái" đã giúp đỡ để có được người hàng xóm "bên phải".

Phương pháp làm mát theo tầng đã có gần một trăm năm tuổi. Năm 1877, người ta thu được không khí lỏng bằng phương pháp này.

Năm 1884-1885. lần đầu tiên người ta thu được hiđro lỏng. Cuối cùng, hai mươi năm sau, pháo đài cuối cùng đã bị chiếm đoạt: năm 1908, Kamerling Onnes ở thành phố Leiden, Hà Lan đã biến heli thành chất lỏng - chất có nhiệt độ tới hạn thấp nhất. Lễ kỷ niệm 70 năm thành tựu khoa học quan trọng này đã được tổ chức gần đây.

Trong nhiều năm, phòng thí nghiệm Leiden là phòng thí nghiệm "nhiệt độ thấp" duy nhất. Bây giờ, ở tất cả các nước, có hàng chục phòng thí nghiệm như vậy, chưa kể các nhà máy sản xuất không khí lỏng, nitơ, oxy và heli cho các mục đích kỹ thuật.

Phương pháp tầng để thu được nhiệt độ thấp hiện nay ít được sử dụng. V cài đặt kỹ thuậtđể hạ nhiệt độ, người ta dùng một phương pháp khác để hạ nội năng của chất khí: chúng ép chất khí nở ra nhanh chóng và thực hiện công do nội năng.

Ví dụ, nếu không khí được nén đến một vài tầng khí quyển được đưa vào một bộ giãn nở, thì khi thực hiện công việc chuyển động của piston hoặc quay tuabin, không khí sẽ nguội đi rất mạnh đến mức nó chuyển thành chất lỏng. Khí cacbonic, nếu nhanh chóng thoát ra khỏi xi lanh, sẽ nguội đi rất mạnh đến mức nó biến thành "băng" khi đang bay.

Khí lỏng được sử dụng rộng rãi trong công nghệ. Oxy lỏng được sử dụng trong công nghệ nổ, như một thành phần của hỗn hợp nhiên liệu trong động cơ phản lực.

Hóa lỏng không khí được sử dụng trong công nghệ để tách các chất khí tạo thành không khí.

V Những khu vực khác nhau kỹ thuật viên được yêu cầu làm việc ở nhiệt độ của không khí lỏng. Nhưng đối với nhiều nghiên cứu vật lý, nhiệt độ này không đủ thấp. Thật vậy, nếu chúng ta chuyển đổi độ C sang một thang đo tuyệt đối, thì chúng ta sẽ thấy rằng nhiệt độ của không khí lỏng xấp xỉ 1/3 nhiệt độ phòng. Điều thú vị hơn nhiều đối với vật lý là nhiệt độ "hydro", tức là nhiệt độ có bậc 14-20 K, và đặc biệt là nhiệt độ "heli". Nhiệt độ thấp nhất thu được khi bơm heli lỏng là 0,7 K.

Các nhà vật lý đã thành công trong việc tiến gần hơn đến độ không tuyệt đối. Hiện tại, nhiệt độ đã đạt được vượt quá độ không tuyệt đối chỉ vài phần nghìn độ. Tuy nhiên, những nhiệt độ cực thấp này thu được theo những cách không giống với những cách mà chúng tôi đã mô tả ở trên.

V những năm trước vật lý nhiệt độ thấp đã làm nảy sinh một ngành công nghiệp đặc biệt liên quan đến sản xuất thiết bị cho phép duy trì khối lượng lớn ở nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối; đã phát triển dây cáp điện thanh cái hoạt động ở nhiệt độ nhỏ hơn 10 K.

Khi vượt qua điểm sôi, hơi phải ngưng tụ và chuyển thành chất lỏng. Nhưng,; nó chỉ ra rằng nếu hơi không tiếp xúc với chất lỏng và nếu hơi rất tinh khiết, thì có thể thu được "hơi - hơi siêu bão hòa, mà lẽ ra đã trở thành chất lỏng từ lâu.

Hơi nước quá bão hòa rất không ổn định. Đôi khi một cú va chạm hoặc hơi của hạt ném vào không gian cũng đủ để bắt đầu quá trình ngưng tụ chậm.

Kinh nghiệm cho thấy rằng sự ngưng tụ của các phân tử hơi được tạo điều kiện thuận lợi rất nhiều khi đưa các phần tử nhỏ lạ vào trong hơi. Không xảy ra hiện tượng siêu bão hòa hơi nước trong không khí có bụi. Sự ngưng tụ có thể do khói phun ra. Rốt cuộc, khói bao gồm các hạt rắn nhỏ. Đi vào trong hơi, những hạt này thu thập các phân tử xung quanh mình và trở thành trung tâm của sự ngưng tụ.

Vì vậy, mặc dù không ổn định, hơi có thể tồn tại trong khoảng nhiệt độ thích nghi với "sự sống" của chất lỏng.

Nhưng liệu một chất lỏng có thể "sống" trong những điều kiện như nhau trong một vùng hơi không? Nói cách khác, có thể làm nóng chất lỏng quá mức không?

Nó chỉ ra bạn có thể. Để làm được điều này, cần đảm bảo rằng các phân tử của chất lỏng không tách ra khỏi bề mặt của nó. Biện pháp khắc phục triệt để là loại bỏ bề mặt tự do, nghĩa là đặt chất lỏng vào một bình ở đó nó sẽ bị nén từ mọi phía bởi các bức tường rắn. Bằng cách này, có thể đạt được quá nhiệt theo bậc của một số độ, nghĩa là, di chuyển điểm biểu diễn trạng thái của chất lỏng sang bên phải của đường cong sôi (Hình 4.4).

Quá nhiệt là sự chuyển dịch của một chất lỏng sang vùng hơi, do đó, quá nhiệt của chất lỏng có thể đạt được bằng cả cách cung cấp nhiệt và bằng cách giảm áp suất.

Cách cuối cùng bạn có thể đạt được kết quả đáng kinh ngạc. Nước hoặc chất lỏng khác, được giải phóng triệt để khỏi các khí hòa tan (điều này không dễ thực hiện), được đặt trong một bình có pittông vươn lên bề mặt chất lỏng. Bình và piston phải được làm ướt bằng chất lỏng. Nếu bây giờ bạn kéo pít-tông về phía mình, thì nước, vốn bám vào đáy của pít-tông, sẽ theo nó. Nhưng lớp nước đang bám vào piston sẽ kéo theo lớp nước tiếp theo, lớp này sẽ kéo lớp nước bên dưới, kết quả là chất lỏng sẽ căng ra.

Cuối cùng, cột nước sẽ vỡ ra (chính là cột nước, không phải nước sẽ vỡ ra khỏi piston), nhưng điều này sẽ xảy ra khi lực trên một đơn vị diện tích lên tới hàng chục kg. Nói cách khác, một áp suất âm hàng chục atm được tạo ra trong chất lỏng.

Ngay cả ở áp suất dương thấp, trạng thái hơi của chất này vẫn ổn định. Và chất lỏng có thể được đưa đến áp suất âm. Hơn một ví dụ nổi bật"quá nóng" không thể tưởng tượng được.

Không có một cơ thể rắn chắc nào có thể chịu được nhiệt độ tăng cao tùy thích. Không sớm thì muộn, một mảnh rắn cũng biến thành một chất lỏng; đúng, trong một số trường hợp, chúng tôi sẽ không thể đạt đến điểm nóng chảy - có thể xảy ra sự phân hủy hóa học.

Khi nhiệt độ tăng, các phân tử chuyển động mạnh hơn và mạnh hơn. Cuối cùng, sẽ đến lúc không thể duy trì trật tự "giữa các phân tử" xoay chuyển "mạnh mẽ. Chất rắn tan chảy. Vonfram có điểm nóng chảy cao nhất: 3380 ° C. Vàng nóng chảy ở 1063 ° C, sắt - ở 1539 ° C. Ngoài ra còn có các kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp, Thủy ngân, như đã biết, nóng chảy ở nhiệt độ -39 ° C. Các chất hữu cơ không có nhiệt độ nóng chảy cao. Naphthalene nóng chảy ở 80 ° C, toluen - ở -94,5 ° C.

Hoàn toàn không khó để đo điểm nóng chảy của một vật thể, đặc biệt nếu nó nóng chảy trong khoảng nhiệt độ được đo bằng nhiệt kế thông thường. Không cần thiết phải theo dõi cơ thể tan chảy bằng mắt của bạn. Chỉ cần nhìn vào cột thủy ngân của nhiệt kế là đủ. Cho đến khi bắt đầu tan chảy, nhiệt độ cơ thể tăng lên (Hình 4.5). Khi quá trình nóng chảy bắt đầu, sự tăng nhiệt độ sẽ dừng lại và nhiệt độ không thay đổi cho đến khi quá trình nấu chảy hoàn tất.

Lúa gạo. 4,5

Cũng giống như chuyển đổi chất lỏng thành hơi, chuyển đổi chất rắn thành chất lỏng cần nhiệt. Nhiệt lượng cần thiết cho điều này được gọi là nhiệt tiềm ẩn của phản ứng tổng hợp. Ví dụ, để làm tan chảy một kg nước đá cần 80 kcal.

Băng là một trong những vật thể có nhiệt năng nhiệt hạch cao. Ví dụ, băng nóng chảy đòi hỏi năng lượng gấp 10 lần so với làm tan chảy cùng một khối lượng chì. Tất nhiên, chúng ta đang nói về chính sự nóng chảy, chúng ta không nói ở đây rằng trước khi chì nóng chảy, nó phải được nung nóng đến + 327 ° C. Do sức nóng lớn của băng tan, tuyết tan chậm lại. Hãy tưởng tượng rằng nhiệt nóng chảy sẽ ít hơn 10 lần. Sau đó, lũ lụt mùa xuân sẽ dẫn đến những thảm họa không thể tưởng tượng được hàng năm.

Vậy nhiệt nóng chảy của nước đá lớn nhưng cũng nhỏ khi so với nhiệt dung riêng của hóa hơi là 540 kcal / kg (kém hơn bảy lần). Tuy nhiên, sự khác biệt này là hoàn toàn tự nhiên. Khi chuyển chất lỏng thành hơi, chúng ta phải xé nhỏ các phân tử ra khỏi nhau, và khi nóng chảy, chúng ta chỉ phải phá hủy trật tự sắp xếp của các phân tử, để chúng ở những khoảng cách gần như nhau. Rõ ràng, ít công việc hơn được yêu cầu trong trường hợp thứ hai.

Sự hiện diện của một điểm nóng chảy nhất định là một dấu hiệu quan trọng của các chất kết tinh. Chính vì lý do này mà chúng có thể dễ dàng phân biệt với các chất rắn khác, được gọi là chất vô định hình hoặc thủy tinh. Kính được tìm thấy giữa các chất vô cơ và hữu cơ. Kính cửa sổ thường được làm từ natri và canxi silicat; trên bàn họ thường đặt thủy tinh hữu cơ (nó còn được gọi là plexiglass).

Các chất vô định hình, ngược lại với tinh thể, không có nhiệt độ nóng chảy cụ thể. Thủy tinh không nóng chảy, nhưng mềm hơn. Khi được nung nóng, một mảnh thủy tinh đầu tiên trở nên mềm từ cứng, nó có thể dễ dàng uốn cong hoặc kéo dài; ở nhiệt độ cao hơn, mảnh bắt đầu thay đổi hình dạng dưới tác dụng của lực hấp dẫn của chính nó. Khi nó nóng lên, khối thủy tinh dày, nhớt có hình dạng của một chiếc bình mà nó nằm trong đó. Khối lượng này lúc đầu đặc, giống như mật ong, sau đó - giống như kem chua và cuối cùng, trở thành chất lỏng có độ nhớt thấp gần giống như nước. Với tất cả mong muốn của chúng tôi, ở đây chúng tôi không thể chỉ ra một nhiệt độ cụ thể của sự chuyển thể từ chất rắn thành chất lỏng. Lý do cho điều này nằm ở sự khác biệt cơ bản giữa cấu trúc của thủy tinh và cấu trúc của các thể tinh thể. Như đã đề cập ở trên, các nguyên tử trong các thể vô định hình được sắp xếp một cách ngẫu nhiên. Thủy tinh có cấu trúc giống chất lỏng. Đã ở trong thủy tinh rắn, các phân tử được sắp xếp một cách ngẫu nhiên. Điều này có nghĩa là sự gia tăng nhiệt độ của thủy tinh chỉ làm tăng phạm vi dao động của các phân tử của nó, dần dần cho chúng chuyển động tự do ngày càng lớn. Vì vậy, thủy tinh mềm dần và không cho thấy sự chuyển đổi rõ nét "rắn" - "lỏng", đó là đặc trưng của sự chuyển đổi từ sự sắp xếp các phân tử theo một trật tự chặt chẽ sang một sự sắp xếp không có trật tự.

Khi nói đến đường cong sôi, chúng tôi nói rằng chất lỏng và hơi có thể, mặc dù ở trạng thái không ổn định, sống ở các khu vực bên ngoài - hơi có thể được làm siêu lạnh và chuyển sang bên trái của đường cong sôi, chất lỏng có thể được quá nhiệt và kéo đến bên phải của đường cong này.

Các hiện tượng tương tự có thể xảy ra trong trường hợp tinh thể với chất lỏng không? Nó chỉ ra rằng sự tương tự là không đầy đủ.

Nếu tinh thể bị nung nóng, nó sẽ bắt đầu tan chảy ở điểm nóng chảy của nó. Nó sẽ không thể làm tinh thể quá nóng. Ngược lại, bằng cách làm lạnh chất lỏng, nếu thực hiện một số biện pháp, có thể "trượt" điểm nóng chảy một cách tương đối dễ dàng. Trong một số chất lỏng, có thể đạt được nhiệt độ hạ nhiệt lớn. Thậm chí có những chất lỏng dễ siêu đông và khó kết tinh. Khi chất lỏng nguội đi, nó ngày càng trở nên nhớt và cuối cùng đông đặc lại mà không kết tinh. Đây là thủy tinh.

Nước cũng có thể được làm lạnh siêu tốc. Các giọt sương mù có thể không bị đóng băng ngay cả khi có sương giá nghiêm trọng. Nếu một tinh thể của một chất - một hạt giống - được ném vào một chất lỏng siêu lạnh, thì quá trình kết tinh sẽ ngay lập tức bắt đầu.

Cuối cùng, trong nhiều trường hợp, quá trình kết tinh bị trì hoãn có thể bắt đầu từ sự rung lắc hoặc các sự kiện ngẫu nhiên khác. Ví dụ, người ta đã biết rằng glycerin tinh thể lần đầu tiên thu được trong quá trình vận chuyển đường sắt... Kính sau một thời gian dài có thể bắt đầu kết tinh (bị tàn phá, hoặc "vỡ vụn", như người ta nói trong công nghệ).

Hầu như bất kỳ chất nào cũng có thể cho tinh thể trong những điều kiện nhất định. Tinh thể có thể thu được từ một dung dịch hoặc từ sự nóng chảy của một chất nhất định, cũng như từ hơi của nó (ví dụ, các tinh thể hình kim cương đen của iốt dễ dàng rơi ra khỏi hơi của nó ở áp suất thường mà không chuyển sang trạng thái lỏng trung gian) .

Bắt đầu hòa tan muối ăn hoặc đường trong nước. Ở nhiệt độ phòng (20 ° C), bạn chỉ có thể hòa tan 70 g muối trong một cốc thủy tinh mài nhẵn. Muối thêm vào sẽ không hòa tan và sẽ lắng xuống dưới dạng cặn lắng. Một dung dịch trong đó sự hòa tan không còn xảy ra nữa được gọi là bão hòa. .Nếu thay đổi nhiệt độ thì mức độ tan của chất cũng thay đổi theo. Ai cũng biết rằng nước nóng hòa tan hầu hết các chất dễ dàng hơn nhiều so với nước lạnh.

Hãy tưởng tượng bây giờ - bạn đã chuẩn bị một dung dịch bão hòa của đường ở nhiệt độ 30 ° C và bắt đầu làm lạnh nó xuống 20 ° C. Ở 30 ° C, bạn có thể hòa tan 223 g đường trong 100 g nước, và 205 g hòa tan ở 20 ° C. Sau đó, khi làm lạnh từ 30 đến 20 ° C, 18 g sẽ trở thành "thừa" và, như họ nói, sẽ không có giải pháp. Vì vậy, một trong những cách khả thi để thu được tinh thể là làm lạnh dung dịch bão hòa.

Bạn có thể làm điều đó theo cách khác. Chuẩn bị một dung dịch muối bão hòa và để nó trong một ly thủy tinh mở. Sau một thời gian, bạn sẽ thấy sự xuất hiện của các tinh thể. Tại sao chúng hình thành? Quan sát kỹ sẽ thấy rằng đồng thời với sự hình thành của các tinh thể, một sự thay đổi khác đã xảy ra - lượng nước giảm xuống. Nước bay hơi và chất "dư" xuất hiện trong dung dịch. Vì vậy, khác phương án khả thi sự hình thành các tinh thể là sự bay hơi của dung dịch.

Làm thế nào để tinh thể hình thành từ dung dịch?

Chúng tôi đã nói rằng các tinh thể "rơi ra" từ dung dịch; Có cần phải hiểu chuyện này như vậy một tuần không có tinh, trong chốc lát liền đột nhiên xuất hiện? Không, đây không phải là trường hợp: các tinh thể phát triển. Tất nhiên, không thể phát hiện bằng mắt thường những khoảnh khắc phát triển ban đầu. Lúc đầu, một vài trong số các phân tử hoặc nguyên tử chuyển động ngẫu nhiên của chất tan tập hợp lại theo thứ tự cần thiết để tạo thành mạng tinh thể. Một nhóm nguyên tử hoặc phân tử như vậy được gọi là hạt nhân.

Kinh nghiệm cho thấy rằng phôi thường được hình thành khi có bất kỳ hạt bụi nhỏ ngoại lai nào trong dung dịch. Quá trình kết tinh bắt đầu nhanh chóng và dễ dàng nhất khi một tinh thể hạt nhỏ được đặt trong dung dịch bão hòa. Trong trường hợp này, việc giải phóng một chất rắn khỏi dung dịch sẽ không bao gồm việc hình thành các tinh thể mới mà là sự phát triển của hạt.

Tất nhiên, sự phát triển của phôi không khác với sự phát triển của hạt. Mục đích của việc sử dụng hạt giống là nó "kéo" chất được giải phóng lên chính nó và do đó ngăn cản sự hình thành đồng thời của một số lượng lớn phôi. Nếu có nhiều hạt nhân được hình thành, thì chúng sẽ cản trở lẫn nhau trong quá trình sinh trưởng và không cho phép chúng ta thu được các tinh thể lớn.

Các phần nguyên tử hoặc phân tử thoát ra khỏi dung dịch được phân bố như thế nào trên bề mặt của phôi?

Kinh nghiệm cho thấy rằng sự phát triển của phôi hoặc hạt giống như trước đây, bao gồm sự dịch chuyển của các cạnh song song với chúng theo hướng vuông góc với cạnh đó. Trong trường hợp này, các góc giữa các mặt không đổi (chúng ta đã biết rằng sự không đổi của các góc là đặc điểm quan trọng nhất của tinh thể phát sinh từ cấu trúc mạng tinh thể của nó).

Trong bộ lễ phục. 4.6 cho thấy các đường viền bắt gặp của ba tinh thể của cùng một chất trong quá trình phát triển của chúng. Các hình ảnh tương tự có thể được quan sát bằng kính hiển vi. Trong trường hợp hiển thị bên trái, số lượng khuôn mặt được duy trì trong quá trình tăng trưởng. Hình vẽ ở giữa đưa ra một ví dụ về một khuôn mặt mới xuất hiện (trên cùng bên phải) và sau đó lại biến mất.

Lúa gạo. 4,6

Điều rất quan trọng cần lưu ý là tốc độ phát triển của các mặt, tức là tốc độ di chuyển của chúng song song với chính chúng, không giống nhau đối với các mặt khác nhau. Trong trường hợp này, những mặt di chuyển nhanh nhất, ví dụ, mặt dưới cùng bên trái trong hình vẽ ở giữa, "mọc" (biến mất). Ngược lại, các cạnh phát triển chậm lại trở thành phần rộng nhất, như người ta nói, là phần phát triển nhất.

Điều này có thể được nhìn thấy đặc biệt rõ ràng trong hình cuối cùng. Mảnh không hình dạng có hình dạng giống như các tinh thể khác, chính xác là do tính dị hướng của tốc độ phát triển. Các khía cạnh khá xác định phát triển mạnh hơn gây thiệt hại cho các khía cạnh khác và tạo cho tinh thể một hình dạng đặc trưng của tất cả các mẫu chất này.

Các dạng chuyển tiếp rất đẹp được quan sát thấy khi một quả bóng được lấy làm hạt, và dung dịch được làm lạnh và làm nóng một cách luân phiên. Khi đun nóng, dung dịch trở nên không bão hòa và hạt bị hòa tan một phần. Làm lạnh dẫn đến sự bão hòa của dung dịch và sự phát triển của hạt giống. Nhưng các phân tử giải quyết theo một cách khác, như thể ưu tiên cho một số nơi. Do đó, chất được chuyển từ vị trí này sang vị trí khác của quả bóng.

Đầu tiên, các cạnh hình tròn nhỏ xuất hiện trên bề mặt của quả bóng. Các vòng tròn tăng dần và tiếp xúc với nhau hợp nhất theo các cạnh thẳng. Quả bóng biến thành một khối đa diện. Sau đó, một số mặt vượt qua những mặt khác, một số mặt phát triển quá mức, và tinh thể có hình dạng đặc trưng của nó (Hình 4.7).

Lúa gạo. 4,7

Khi quan sát sự phát triển của các tinh thể, đặc điểm chính của sự phát triển là nổi bật - sự dịch chuyển song song của các mặt. Nó chỉ ra rằng chất được giải phóng tích tụ trên khuôn mặt thành từng lớp: cho đến khi hoàn thành một lớp, lớp tiếp theo không bắt đầu xây dựng.

Trong bộ lễ phục. 4.8 cho thấy sự đóng gói "chưa hoàn thành" của các nguyên tử. Vị trí nào được chỉ ra bởi các chữ cái thì nguyên tử mới sẽ được giữ chắc nhất khi nó được gắn vào tinh thể? Không nghi ngờ gì nữa, ở A, vì ở đây anh ta trải nghiệm sức hút của những người hàng xóm từ ba phía, trong khi ở B - từ hai, và ở C - chỉ từ một phía. Do đó, đầu tiên cột được hoàn thành, sau đó là toàn bộ mặt phẳng, và chỉ sau đó việc đặt mặt phẳng mới bắt đầu.

Lúa gạo. 4.8

Trong một số trường hợp, tinh thể được hình thành từ một khối lượng nóng chảy - từ sự nóng chảy. Trong tự nhiên, điều này xảy ra trên một quy mô rất lớn: từ đá macma bốc lửa, đá bazan, đá granit và nhiều loại đá khác đã phát sinh.

Hãy bắt đầu đun nóng một số chất kết tinh, ví dụ như muối mỏ. Tinh thể lên đến 804 ° С muối mỏ sẽ ít thay đổi: chúng chỉ nở ra một chút, và chất vẫn ở trạng thái rắn. Một đồng hồ đo nhiệt độ đặt trong bình đựng một chất thấy nhiệt độ tăng liên tục khi bị nung nóng. Ở nhiệt độ 804 ° C, chúng ta sẽ ngay lập tức tìm thấy hai hiện tượng mới, liên kết với nhau: chất bắt đầu nóng chảy, và sự gia tăng nhiệt độ sẽ dừng lại. Cho đến khi tất cả các chất chuyển thành chất lỏng; nhiệt độ sẽ không thay đổi; sự gia tăng nhiệt độ hơn nữa đã là sự đốt nóng của chất lỏng. Tất cả các chất kết tinh đều có nhiệt độ nóng chảy nhất định. Băng tan ở 0 ° C, sắt ở 1527 ° C, thủy ngân ở -39 ° C, v.v.

Như chúng ta đã biết, trong mỗi tinh thể, các nguyên tử hoặc phân tử của một chất tạo thành một đóng gói có trật tự G và thực hiện các dao động nhỏ xung quanh vị trí trung bình của chúng. Khi vật nóng lên, tốc độ của các hạt dao động điều hòa cùng với biên độ dao động. Sự gia tăng tốc độ chuyển động của các hạt khi nhiệt độ tăng là một trong những quy luật cơ bản của tự nhiên, áp dụng cho vật chất ở bất kỳ trạng thái nào - rắn, lỏng hay khí.

Khi đạt đến một nhiệt độ nhất định, đủ cao của tinh thể, dao động của các hạt của nó trở nên năng lượng đến mức không thể sắp xếp chính xác các hạt - tinh thể nóng chảy. Khi bắt đầu nóng chảy, nhiệt được cung cấp không còn được sử dụng vào việc tăng vận tốc của hạt nữa, mà vào việc phá hủy mạng tinh thể. Do đó, sự gia tăng nhiệt độ bị đình chỉ. Sự gia nhiệt tiếp theo là sự gia tăng tốc độ của các hạt chất lỏng.

Trong trường hợp kết tinh từ sự nóng chảy mà chúng tôi quan tâm, các hiện tượng được mô tả ở trên được quan sát theo thứ tự ngược lại: khi chất lỏng nguội đi, các hạt của nó làm chậm chuyển động hỗn loạn của chúng; khi đạt đến một nhiệt độ đủ thấp nhất định, tốc độ của các hạt đã thấp đến mức một số hạt, dưới tác dụng của lực hút, bắt đầu gắn vào nhau, tạo thành hạt nhân tinh thể. Cho đến khi toàn bộ chất kết tinh thì nhiệt độ không đổi. Nhiệt độ này thường giống như nhiệt độ nóng chảy.

Nếu bạn không thực hiện các biện pháp đặc biệt, thì sự kết tinh từ sự tan chảy sẽ bắt đầu ngay lập tức ở nhiều nơi. Các tinh thể sẽ phát triển dưới dạng các khối đa diện đều đặn, vốn có theo đúng cách như chúng ta đã mô tả ở trên. Tuy nhiên, sự phát triển tự do không kéo dài: trong khi tăng lên, các tinh thể va chạm vào nhau, tại các điểm tiếp xúc, sự phát triển ngừng lại và phần thân cứng lại có cấu trúc dạng hạt. Mỗi hạt là một tinh thể riêng biệt không có dạng chính xác.

Tùy thuộc vào nhiều điều kiện, và trên hết là tốc độ làm nguội, một chất rắn có thể có nhiều hoặc ít hạt thô: làm nguội càng chậm, hạt càng thô. Kích thước hạt của các thể tinh thể nằm trong khoảng từ một phần triệu cm đến vài mm. Trong hầu hết các trường hợp, cấu trúc tinh thể dạng hạt có thể được quan sát dưới kính hiển vi. Chất rắn thường chỉ có cấu trúc tinh thể như vậy.

Quá trình hóa rắn kim loại được giới công nghệ rất quan tâm. Các sự kiện xảy ra trong quá trình đúc và trong quá trình hóa rắn kim loại trong khuôn đã được các nhà vật lý nghiên cứu rất chi tiết.

Phần lớn, các đơn tinh thể giống cây, được gọi là đuôi gai, phát triển trong quá trình đông đặc. Trong các trường hợp khác, các đuôi gai được định hướng một cách lộn xộn, trong các trường hợp khác - song song với nhau.

Trong bộ lễ phục. 4.9 cho thấy các giai đoạn phát triển của một dendrite. Với hành vi này, dendrite có thể phát triển quá mức trước khi nó gặp một con khác tương tự. Sau đó, chúng tôi sẽ không tìm thấy đuôi gai trong quá trình đúc. Các sự kiện có thể phát triển theo một cách khác: các đuôi gai có thể gặp nhau và phát triển thành nhau (các nhánh của cây này trong khoảng thời gian giữa các nhánh của cây khác) khi chúng vẫn còn "non".

Lúa gạo. 4,9

Do đó, vật đúc có thể phát sinh, các hạt của chúng (được thể hiện trong Hình 2.22) có cấu trúc rất khác nhau. Và các tính chất của kim loại phụ thuộc đáng kể vào bản chất của cấu trúc này. Hành vi của kim loại trong quá trình đông đặc có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi tốc độ làm mát và hệ thống loại bỏ nhiệt.

Bây giờ chúng ta hãy nói về cách phát triển một đơn tinh thể lớn. Rõ ràng là các biện pháp phải được thực hiện để đảm bảo rằng tinh thể phát triển từ một nơi. Và nếu một số tinh thể đã bắt đầu phát triển, thì trong mọi trường hợp, cần đảm bảo rằng các điều kiện phát triển chỉ thuận lợi cho một trong số chúng.

Ví dụ ở đây là cách họ làm khi nuôi cấy tinh thể kim loại nóng chảy thấp. Kim loại được nấu chảy trong ống nghiệm thủy tinh có ống hút. Ống nghiệm được treo trên một sợi chỉ bên trong tủ sấy hình trụ thẳng đứng, được hạ từ từ xuống. Phần cuối được rút ra dần dần ra khỏi lò và nguội. Sự kết tinh bắt đầu. Lúc đầu, một số tinh thể được hình thành, nhưng những tinh thể phát triển nghiêng, dựa vào thành ống nghiệm và sự phát triển của chúng chậm lại. Trong điều kiện thuận lợi, chỉ tinh thể đó mới xuất hiện phát triển dọc theo trục của ống nghiệm, tức là vào sâu trong chất nóng chảy. Khi ống nghiệm được hạ xuống, các phần nóng chảy mới rơi vào vùng nhiệt độ thấp sẽ "nuôi" đơn tinh thể này. Do đó, trong số tất cả các tinh thể, chỉ có một mình anh ta sống sót; khi ống được hạ xuống, nó tiếp tục phát triển dọc theo trục của nó. Cuối cùng, tất cả kim loại nóng chảy đông đặc thành một tinh thể duy nhất.

Ý tưởng tương tự làm cơ sở cho việc nuôi cấy tinh thể ruby ​​chịu lửa. Một chất bột mịn của chất được đổ trong một dòng chảy qua ngọn lửa. Trong trường hợp này, bột tan chảy; những giọt nhỏ rơi trên một khu vực rất nhỏ của giá đỡ chịu lửa, tạo thành nhiều tinh thể. Khi các giọt rơi xuống giá đỡ, tất cả các tinh thể lớn lên, nhưng chỉ có một tinh thể ở vị trí thuận lợi nhất để "tiếp nhận" những giọt rơi đó lớn lên.

Tinh thể lớn để làm gì?

Ngành công nghiệp và khoa học thường cần các đơn tinh thể lớn. Tầm quan trọng lớnđối với công nghệ có các tinh thể của muối Rochelle và thạch anh, có một đặc tính đáng chú ý là biến đổi hành động cơ học(ví dụ, áp suất) thành một điện áp.

Ngành công nghiệp quang học cần các tinh thể lớn canxit, muối mỏ, fluorit, v.v.

Ngành công nghiệp đồng hồ cần các tinh thể hồng ngọc, ngọc bích và một số loại khác đá quý... Thực tế là các bộ phận chuyển động riêng lẻ của một chiếc đồng hồ thông thường tạo ra tới 20.000 dao động mỗi giờ. Tải trọng cao như vậy đặt ra yêu cầu cao bất thường về chất lượng của các đầu trục và ổ trục. Độ mài mòn sẽ thấp nhất khi ruby ​​hoặc sapphire là vật liệu chịu lực cho đầu trục 0,07-0,15 mm. Các tinh thể nhân tạo của những chất này rất bền và rất ít bị mài mòn bởi thép. Thật tuyệt khi đá nhân tạo do đó hóa ra tốt hơn các loại đá tự nhiên tương tự.

Tuy nhiên, điều quan trọng nhất đối với ngành công nghiệp là sự phát triển của các đơn tinh thể của chất bán dẫn - silicon và germani.

Nếu bạn thay đổi áp suất, thì nhiệt độ nóng chảy cũng sẽ thay đổi. Chúng tôi đã gặp cùng một mô hình khi chúng tôi nói về sự sôi. Thế nào nhiều áp lực hơn; nhiệt độ sôi càng cao. Điều này nói chung cũng đúng với sự nóng chảy. Tuy nhiên, có một số nhỏ các chất hoạt động không bình thường: nhiệt độ nóng chảy của chúng giảm khi áp suất tăng.

Thực tế là phần lớn các chất rắn đều đặc hơn chất lỏng của chúng. Ngoại lệ đối với quy tắc này chỉ là những chất, nhiệt độ nóng chảy thay đổi cùng với sự thay đổi áp suất không hoàn toàn bình thường, ví dụ như nước. Nước đá nhẹ hơn nước và nhiệt độ nóng chảy của nước đá giảm khi áp suất tăng.

Nén góp phần hình thành một trạng thái đặc hơn. Nếu một chất rắn đặc hơn chất lỏng, thì nén sẽ hỗ trợ quá trình đông đặc và cản trở quá trình tan chảy. Nhưng nếu quá trình nóng chảy bị cản trở bởi quá trình nén, thì điều này có nghĩa là chất vẫn ở trạng thái rắn, trong khi trước đó ở nhiệt độ này nó đã nóng chảy rồi, tức là với áp suất tăng, nhiệt độ nóng chảy tăng lên. Trong trường hợp dị thường, chất lỏng đặc hơn chất rắn, và áp suất giúp tạo thành chất lỏng, tức là nó làm giảm điểm nóng chảy.

Ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ nóng chảy nhỏ hơn nhiều so với ảnh hưởng của sự sôi. Việc tăng áp suất hơn 100 kgf / cm 2 sẽ làm giảm nhiệt độ nóng chảy của nước đá đi 1 ° C.

Tại sao giày trượt chỉ lướt trên mặt băng mà không lướt trên sàn gỗ mịn như nhau? Rõ ràng, lời giải thích duy nhất là sự hình thành của nước, giúp bôi trơn miệng núi. Để hiểu rõ mâu thuẫn đã nảy sinh, bạn cần nhớ những điều sau: giày trượt cùn trượt trên băng rất tệ. Giày trượt cần được mài nhẵn để chúng cắt băng. Trong trường hợp này, chỉ phần đầu của mép sườn núi ép vào băng. Áp suất trên băng lên tới hàng vạn atm, băng vẫn tan.

Khi chúng ta nói "một chất bay hơi", nó thường có nghĩa là chất lỏng bị bay hơi. Nhưng chất rắn cũng có thể bay hơi. Đôi khi sự bay hơi của chất rắn được gọi là sự thăng hoa.

Ví dụ, chất rắn bay hơi là naphtalen. Naphthalene nóng chảy ở 80 ° C và bay hơi ở nhiệt độ phòng. Chính đặc tính này của naphthalene khiến nó có thể được sử dụng để tiêu diệt bướm đêm.

Một chiếc áo khoác lông thú rắc băng phiến thấm đẫm băng phiến và tạo ra một bầu không khí mà loài bướm đêm không thể chịu được. Bất kỳ chất rắn không mùi nào cũng được thăng hoa ở mức độ lớn. Rốt cuộc, mùi được tạo ra bởi các phân tử đã tách ra khỏi chất và đến mũi của chúng ta. Tuy nhiên, các trường hợp thường xuyên hơn là khi chất này thăng hoa ở một mức độ không đáng kể, đôi khi đến mức độ mà không thể phát hiện được ngay cả bằng các nghiên cứu rất kỹ lưỡng. Về nguyên tắc, bất kỳ chất rắn nào (chỉ là bất kỳ, ngay cả sắt hoặc đồng) đều bay hơi. Nếu chúng ta không phát hiện thấy sự thăng hoa, thì điều này chỉ có nghĩa là mật độ của hơi bão hòa là rất nhỏ.

Có thể thấy một số chất có mùi hắc ở nhiệt độ thường thì bị mất mùi ở nhiệt độ thấp.

Khối lượng riêng của hơi bão hòa ở trạng thái cân bằng với chất rắn tăng nhanh khi nhiệt độ tăng. Chúng tôi đã minh họa hành vi này với đường cong băng được hiển thị trong Hình. 4.10. Đúng, nước đá không có mùi ...

Lúa gạo. 4,10

Trong hầu hết các trường hợp, không thể tăng đáng kể mật độ hơi bão hòa của chất rắn vì một lý do đơn giản - chất đó sẽ nóng chảy sớm hơn.

Nước đá cũng bay hơi. Các bà nội trợ nhận thức rõ điều này. Trong thời tiết lạnh giá, họ thường phơi quần áo ướt. "Đầu tiên, nước đóng băng, sau đó đá bay hơi, và đồ giặt sẽ khô.

Vì vậy, có những điều kiện nào mà hơi, lỏng và tinh thể có thể tồn tại thành từng cặp ở trạng thái cân bằng. Cả ba trạng thái có thể ở trạng thái cân bằng không? Điểm như vậy trên giản đồ áp suất-nhiệt độ tồn tại, nó được gọi là điểm ba. Cô ấy nằm ở đâu?

Nếu bạn đặt nước có đá nổi trong một bình kín ở 0 độ, thì hơi nước (và "nước đá") sẽ bắt đầu chảy vào không gian trống. Ở áp suất hơi 4,6 mm Hg. Nghệ thuật. sự bay hơi dừng lại và bắt đầu bão hòa. Bây giờ ba pha - nước đá, nước và hơi nước - sẽ ở trạng thái cân bằng. Đây là điểm ba.

Mối quan hệ giữa các trạng thái khác nhau được thể hiện rõ ràng và rõ ràng bằng biểu đồ cho nước được trình bày trong Hình. 4.11.

Lúa gạo. 4,11

Một sơ đồ như vậy có thể được xây dựng cho bất kỳ phần thân nào.

Các đường cong trong hình đã quen thuộc với chúng ta - đây là những đường cong cân bằng giữa nước đá và hơi nước, nước đá và nước, nước và hơi nước. Theo thông lệ, phương thẳng đứng là áp suất, phương ngang là nhiệt độ.

Ba đường cong cắt nhau tại một điểm ba và chia sơ đồ thành ba khu vực - không gian sống của băng, nước và hơi nước.

Biểu đồ trạng thái là một tài liệu tham khảo ngắn gọn. Mục đích của nó là trả lời câu hỏi trạng thái nào của cơ thể ổn định ở áp suất như vậy và nhiệt độ như vậy và nhiệt độ như vậy.

Nếu nước hoặc hơi nước được đặt trong các điều kiện của "khu vực bên trái", chúng sẽ trở thành băng. Nếu bạn thêm chất lỏng hoặc chất rắn vào "vùng dưới", bạn sẽ có hơi nước. Ở "đúng khu vực", hơi nước sẽ ngưng tụ và băng sẽ tan chảy.

Biểu đồ về sự tồn tại của các pha cho phép bạn trả lời ngay điều gì sẽ xảy ra với một chất khi nó bị đốt nóng hoặc khi nó bị nén. Gia nhiệt ở áp suất không đổi được biểu diễn trong sơ đồ với một đường nằm ngang. Dọc theo đường này, một điểm di chuyển từ trái sang phải, mô tả trạng thái của cơ thể.

Hình bên cho thấy hai đường thẳng như vậy, một trong số chúng đang nóng ở áp suất thường. Dòng nằm trên gấp ba lần Điểm... Do đó, đầu tiên nó sẽ vượt qua đường cong nóng chảy, sau đó nằm bên ngoài hình vẽ và đường cong bay hơi. Nước đá dưới áp suất bình thường sẽ tan chảy ở 0 ° C, và nước tạo thành sẽ sôi ở 100 ° C.

Tình hình sẽ khác đối với nước đá được làm nóng ở áp suất rất thấp, chẳng hạn, chỉ dưới 5 mm Hg. Nghệ thuật. Quá trình gia nhiệt được biểu diễn bằng một đường bên dưới điểm ba. Các đường cong nóng chảy và sôi không bị cắt ngang bởi đường này. Ở áp suất thấp như vậy, việc đun nóng sẽ dẫn đến sự biến đổi trực tiếp của nước đá thành hơi nước.

Trong bộ lễ phục. 4.12 cùng một sơ đồ cho thấy hiện tượng thú vị nào sẽ xảy ra khi hơi nước bị nén ở trạng thái được đánh dấu trong hình bằng một cây thánh giá. Đầu tiên hơi nước sẽ chuyển thành đá và sau đó tan chảy. Hình vẽ cho phép bạn ngay lập tức nói ở áp suất nào thì tinh thể sẽ bắt đầu phát triển và khi nào thì sự tan chảy sẽ xảy ra.

Lúa gạo. 4,12

Sơ đồ trạng thái của tất cả các chất tương tự như nhau. Theo quan điểm hàng ngày, sự khác biệt lớn xuất hiện do vị trí của điểm ba trên sơ đồ có thể rất khác nhau đối với các chất khác nhau.

Rốt cuộc, chúng ta tồn tại gần "điều kiện bình thường", tức là chủ yếu ở áp suất gần bằng một bầu khí quyển. Đối với chúng ta, điểm ba của vật chất nằm như thế nào so với đường áp suất là điều rất quan trọng.

Nếu áp suất tại điểm ba nhỏ hơn khí quyển, thì đối với chúng ta, sống trong điều kiện "bình thường", chất đó là sự nóng chảy. Khi nhiệt độ tăng, đầu tiên nó chuyển thành chất lỏng, sau đó sôi lên.

Trong trường hợp ngược lại - khi áp suất tại điểm ba cao hơn khí quyển - chúng ta sẽ không thấy chất lỏng khi bị nung nóng, chất rắn sẽ trực tiếp chuyển thành hơi. Đây là cách ứng xử của “đá khô”, rất tiện lợi cho những người bán kem. Có thể di chuyển bánh kem bằng các miếng "đá khô" mà không sợ kem bị ướt. "Nước đá khô" là CO2 rắn. Điểm ba của chất này nằm ở 73 atm. Do đó, khi CO 2 rắn được đốt nóng, điểm biểu thị trạng thái của nó sẽ chuyển động theo phương ngang, chỉ cắt đường cong bay hơi của chất rắn (giống như đối với đá thườngở áp suất khoảng 5 mm Hg. Nghệ thuật.).

Chúng tôi đã cho người đọc biết cách xác định một độ nhiệt độ trên thang Kelvin, hoặc, như hệ SI hiện nay yêu cầu, - một kelvin. Tuy nhiên, đó là về nguyên tắc xác định nhiệt độ. Không phải tất cả các viện đo lường đều có nhiệt kế khí lý tưởng. Do đó, thang đo nhiệt độ được xây dựng bằng cách sử dụng các điểm cân bằng giữa các trạng thái khác nhau của vật chất do tự nhiên cố định.

Điểm ba của nước đóng một vai trò đặc biệt trong việc này. Kelvin hiện được định nghĩa là phần thứ 273,16 của nhiệt độ nhiệt động lực học của điểm ba của nước. Điểm ba của oxy được lấy bằng 54,361 K. Nhiệt độ đông đặc của vàng được giả định là 1337,58 K. Sử dụng các điểm tham chiếu này, bạn có thể hiệu chuẩn chính xác bất kỳ nhiệt kế nào.

Than chì mềm màu đen mờ mà chúng tôi viết, và trong suốt sáng bóng, cứng, cắt kính kim cương được xây dựng từ các nguyên tử cacbon giống nhau. Tại sao tính chất của hai chất có cùng thành phần lại khác nhau như vậy?

Hãy nghĩ về mạng tinh thể của graphite phân lớp, mỗi nguyên tử trong số đó có ba láng giềng gần nhất, và mạng tinh thể của kim cương, mà nguyên tử của nó có bốn láng giềng gần nhất. Ví dụ này cho thấy rõ ràng rằng các thuộc tính của tinh thể được xác định bởi sắp xếp lẫn nhau các nguyên tử. Nồi nấu kim loại chịu lửa được làm bằng than chì, có thể chịu nhiệt độ lên đến hai đến ba nghìn độ, kim cương cháy ở nhiệt độ trên 700 ° C; mật độ của kim cương là 3,5, và của than chì là 2,3; than chì dẫn điện, kim cương thì không, v.v.

Đặc tính tạo ra các tinh thể khác nhau này không chỉ do cacbon sở hữu. Hầu hết mọi nguyên tố hóa học, và không chỉ một nguyên tố, mà bất kỳ chất hóa học nào cũng có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau. Có sáu loại băng, chín loại lưu huỳnh, bốn loại sắt.

Khi thảo luận về sơ đồ trạng thái, chúng tôi không nói về các loại khác nhau tinh thể và sơn một khu vực rắn duy nhất. Và vùng này đối với rất nhiều chất được chia thành các phần, mỗi phần tương ứng với một "loại" chất rắn nhất định hoặc như người ta nói, một pha rắn nhất định (một dạng biến đổi tinh thể nhất định).

Mỗi pha tinh thể có một vùng riêng của nó ở trạng thái ổn định, bị giới hạn bởi một khoảng áp suất và nhiệt độ nhất định. Quy luật biến đổi của một dạng tinh thể này thành dạng tinh thể khác cũng giống như quy luật nóng chảy và bay hơi.

Đối với mỗi áp suất, bạn có thể chỉ định nhiệt độ mà tại đó cả hai loại tinh thể sẽ cùng tồn tại một cách hòa bình. Nếu nhiệt độ tăng lên, tinh thể loại này sẽ biến thành tinh thể loại thứ hai. Nếu hạ nhiệt độ xuống sẽ xảy ra quá trình biến đổi ngược lại.

Để lưu huỳnh màu đỏ chuyển sang màu vàng ở áp suất thường thì cần nhiệt độ dưới 110 ° C. Trên nhiệt độ này, cho đến nhiệt độ nóng chảy, sự sắp xếp của các nguyên tử ổn định, đó là đặc điểm của lưu huỳnh đỏ. Nhiệt độ giảm xuống, - dao động của các nguyên tử giảm, và bắt đầu từ 110 ° С, thiên nhiên tìm thấy một sự sắp xếp thuận tiện hơn của các nguyên tử. Có một sự biến đổi của một tinh thể này thành một tinh thể khác.

Không ai nghĩ ra tên cho sáu chủng tộc khác nhau. Vì vậy, họ nói: băng một, băng hai, ...., băng bảy. Làm thế nào về bảy, nếu chỉ có sáu giống? Vấn đề là bốn băng không được tìm thấy trong các thí nghiệm lặp đi lặp lại.

Nếu bạn nén nước ở nhiệt độ khoảng 0, thì ở áp suất khoảng 2000 atm, băng 5 được hình thành, và ở áp suất khoảng 6000 atm, băng 6 được hình thành.

Băng hai và băng ba ổn định ở nhiệt độ dưới 0 độ.

Băng bảy là băng nóng; nó xảy ra khi nước nóng được nén đến áp suất khoảng 20.000 atm.

Tất cả nước đá, trừ loại thông thường, đều nặng hơn nước. Nước đá được tạo ra trong điều kiện bình thường hoạt động bất thường; ngược lại, nước đá được tạo ra trong các điều kiện bất thường vẫn hoạt động bình thường.

Chúng tôi nói rằng mỗi biến đổi tinh thể được đặc trưng bởi một khu vực tồn tại nhất định. Nhưng nếu vậy, làm thế nào để graphite và kim cương tồn tại trong cùng một điều kiện?

"Sự vô luật" như vậy là rất phổ biến trong thế giới của các tinh thể. Khả năng sống trong điều kiện "ngoài hành tinh" đối với các tinh thể gần như là một quy luật. Nếu người ta phải dùng đến nhiều thủ thuật khác nhau để chuyển một chất hơi hoặc chất lỏng đến các vùng tồn tại bên ngoài, thì ngược lại, một tinh thể hầu như không bao giờ thành công trong việc làm cho nó nằm trong các ranh giới do tự nhiên quy định.

Quá nhiệt và quá lạnh của các tinh thể được giải thích là do khó chuyển đổi trật tự này thành trật tự khác trong điều kiện cực kỳ chặt chẽ. Lưu huỳnh màu vàng nên chuyển thành màu đỏ ở 95,5 ° C. Với sự gia nhiệt nhanh hơn hoặc ít hơn, chúng ta sẽ "bỏ qua" điểm biến đổi này và đưa nhiệt độ đến điểm nóng chảy của lưu huỳnh ở 113 ° C.

Cách dễ nhất để phát hiện nhiệt độ biến đổi thực sự là khi các tinh thể tiếp xúc với nhau. Nếu chúng được chồng gần nhau và nhiệt độ được duy trì ở 96 ° C, thì màu vàng sẽ bị màu đỏ ăn và ở 95 ° C, màu vàng sẽ hấp thụ màu đỏ. Ngược lại với quá trình chuyển đổi "tinh thể-lỏng", quá trình chuyển đổi "tinh thể-tinh thể" thường bị trì hoãn cả trong quá trình siêu lạnh và trong quá trình quá nhiệt.

Trong một số trường hợp, chúng ta đang đối mặt với những trạng thái vật chất như vậy, những vật chất được cho là sống ở những nhiệt độ hoàn toàn khác.

Thiếc trắng sẽ chuyển sang màu xám khi nhiệt độ giảm xuống + 13 ° C. Chúng tôi thường xử lý thiếc trắng và biết rằng không có gì phải làm với nó vào mùa đông. Nó hoàn toàn chịu được nhiệt độ hạ nhiệt độ 20-30 độ. Tuy nhiên, trong một mùa đông khắc nghiệt, thiếc trắng chuyển sang xám. Sự thiếu hiểu biết về thực tế này là một trong những hoàn cảnh đã làm hỏng chuyến thám hiểm Nam Cực của Scott (1912). Nhiên liệu lỏng mà đoàn thám hiểm lấy được trong các bình được hàn bằng thiếc. Trong thời tiết cực lạnh, thiếc trắng biến thành bột màu xám - các mạch đã được hàn lại; và nhiên liệu tràn ra ngoài. Không phải vô cớ mà sự xuất hiện của các đốm xám trên thiếc trắng được gọi là bệnh dịch thiếc.

Cũng như trong trường hợp của lưu huỳnh, thiếc trắng có thể chuyển sang màu xám ở nhiệt độ dưới 13 ° C; nếu chỉ một hạt nhỏ của giống màu xám rơi trên vật thể pewter.

Sự tồn tại của một số giống của cùng một chất và sự chậm trễ trong quá trình chuyển hóa lẫn nhau của chúng có tầm quan trọng lớn đối với công nghệ.

Ở nhiệt độ phòng, các nguyên tử sắt tạo thành một mạng tinh thể lập phương tâm khối, trong đó các nguyên tử chiếm vị trí dọc theo các đỉnh và ở tâm của khối lập phương. Mỗi nguyên tử có 8 lân cận. Ở nhiệt độ cao, các nguyên tử sắt tạo thành một "bao bì" dày đặc hơn - mỗi nguyên tử có 12 lân cận. Sắt với 8 láng giềng là mềm, sắt với 12 láng giềng là cứng. Nó chỉ ra rằng bạn có thể nhận được loại bàn là thứ hai ở nhiệt độ phòng. Phương pháp này - làm cứng - được sử dụng rộng rãi trong luyện kim.

Quá trình dập tắt được thực hiện khá đơn giản - một vật kim loại được nung nóng đỏ và sau đó ném vào nước hoặc dầu. Quá trình làm nguội xảy ra quá nhanh nên sự biến đổi cấu trúc ổn định ở nhiệt độ cao không có thời gian xảy ra. Do đó, cấu trúc nhiệt độ cao sẽ tồn tại vô thời hạn trong những điều kiện không bình thường đối với nó: quá trình kết tinh lại thành cấu trúc ổn định diễn ra chậm đến mức thực tế là không thể nhìn thấy được.

Chúng tôi đã không hoàn toàn chính xác khi nói về sự cứng của sắt. Thép được làm cứng, tức là sắt có chứa một phần trăm cacbon. Sự hiện diện của các tạp chất rất nhỏ của cacbon làm chậm quá trình chuyển hóa sắt cứng thành sắt mềm và cho phép dập tắt. Đối với sắt hoàn toàn nguyên chất, không thể dập tắt nó - sự biến đổi cấu trúc có thời gian xảy ra ngay cả khi làm nguội mạnh nhất.

Tùy thuộc vào dạng giản đồ trạng thái, việc thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ mà đạt được sự biến đổi này hay cách khác.

Nhiều sự biến đổi tinh thể thành tinh thể được quan sát chỉ với sự thay đổi áp suất. Bằng cách này, người ta thu được phốt pho đen.

Lúa gạo. 4,13

Có thể biến than chì thành kim cương chỉ bằng cách sử dụng đồng thời và sốt cao, và rất nhiều áp lực. Trong bộ lễ phục. 4.13 cho thấy một biểu đồ về trạng thái của cacbon. Ở áp suất dưới 10.000 atm và ở nhiệt độ dưới 4000 K, graphit là một chất biến tính ổn định. Do đó, viên kim cương sống trong điều kiện "ngoài hành tinh" nên có thể biến nó thành than chì mà không gặp nhiều khó khăn. Nhưng vấn đề ngược lại được quan tâm thực tế. Không thể biến graphit thành kim cương chỉ bằng cách tăng áp suất. Sự chuyển pha ở trạng thái rắn rõ ràng là quá chậm. Sự xuất hiện của giản đồ trạng thái gợi ý quyết định đúng: tăng áp suất và nóng lên cùng một lúc. Sau đó, chúng tôi nhận được (góc bên phải của sơ đồ) cacbon nóng chảy. Làm mát nó xuống lúc áp suất cao, chúng ta phải đi vào khu vực của viên kim cương.

Khả năng thực tế của một quá trình như vậy đã được chứng minh vào năm 1955, và bây giờ vấn đề được coi là đã được giải quyết về mặt kỹ thuật.

Nếu bạn hạ nhiệt độ của cơ thể, thì sớm muộn gì nó cũng cứng lại và có cấu trúc tinh thể. Trong trường hợp này, việc làm mát xảy ra ở áp suất nào không quan trọng. Tình huống này có vẻ hoàn toàn tự nhiên và dễ hiểu theo quan điểm của các định luật vật lý mà chúng ta đã gặp. Thật vậy, bằng cách giảm nhiệt độ, chúng ta giảm cường độ của chuyển động nhiệt. Khi chuyển động của các phân tử trở nên yếu đến mức nó không còn cản trở lực tương tác giữa chúng nữa, các phân tử sẽ xếp thành một thứ tự ngăn nắp - chúng tạo thành một tinh thể. Việc làm lạnh hơn nữa sẽ lấy đi của các phân tử tất cả năng lượng chuyển động của chúng, và ở độ không tuyệt đối, chất này sẽ tồn tại ở dạng các phân tử nghỉ được sắp xếp trong một mạng tinh thể đều đặn.

Kinh nghiệm cho thấy rằng tất cả các chất đều hoạt động theo cách này. Tất cả, ngoại trừ một điều: một thứ "quái đản" như vậy là heli.

Chúng tôi đã cung cấp một số thông tin về heli cho người đọc. Helium giữ kỷ lục về nhiệt độ tới hạn của nó. Không có chất nào có nhiệt độ tới hạn thấp hơn 4,3 K. Tuy nhiên, bản thân kỷ lục này không có ý nghĩa gì đáng ngạc nhiên. Một điều đáng chú ý khác là: bằng cách làm lạnh helium xuống dưới nhiệt độ tới hạn, đạt gần như không độ tuyệt đối, chúng ta sẽ không nhận được helium ở dạng rắn. Heli vẫn ở thể lỏng ngay cả ở độ không tuyệt đối.

Hành vi của heli hoàn toàn không thể hiểu được theo quan điểm của các quy luật chuyển động mà chúng tôi đã vạch ra và là một trong những dấu hiệu cho thấy sự phù hợp hạn chế của các quy luật tự nhiên dường như phổ biến như vậy.

Nếu vật thể là chất lỏng, thì các nguyên tử của nó đang chuyển động. Nhưng xét cho cùng, khi làm mát cơ thể đến độ không tuyệt đối, chúng ta đã lấy đi tất cả năng lượng chuyển động từ nó. Chúng ta phải thừa nhận rằng heli có một năng lượng chuyển động không thể lấy đi. Kết luận này không phù hợp với cơ chế mà chúng tôi đã xử lý cho đến nay. Theo cơ học mà chúng ta đã nghiên cứu, chuyển động của một vật luôn có thể bị chậm lại đến điểm dừng hoàn toàn, lấy đi toàn bộ động năng từ nó; Theo cách tương tự, có thể ngăn chặn chuyển động của các phân tử bằng cách lấy năng lượng từ chúng khi chúng va chạm vào thành bình được làm lạnh. Đối với heli, cơ học này rõ ràng là không phù hợp.

Hành vi "kỳ lạ" của heli là một dấu hiệu cho thấy một thực tế có tầm quan trọng lớn. Lần đầu tiên chúng tôi gặp phải sự bất khả thi của việc áp dụng các định luật cơ bản của cơ học trong thế giới nguyên tử, được thiết lập bằng cách nghiên cứu trực tiếp chuyển động của vật nhìn thấy được. cơ quan, - luật, mà dường như là nền tảng vững chắc của vật lý.

Thực tế là ở độ không tuyệt đối helium "từ chối" kết tinh không thể nào dung hòa được với cơ học mà chúng ta đã nghiên cứu cho đến nay. Mâu thuẫn mà chúng ta gặp lần đầu - sự bất tuân của thế giới nguyên tử đối với các quy luật cơ học - chỉ là mắt xích đầu tiên trong một chuỗi các mâu thuẫn thậm chí còn gay gắt và sắc nét hơn trong vật lý.

Những mâu thuẫn này dẫn đến sự cần thiết phải xem xét lại nền tảng của cơ học. thế giới nguyên tử... Sự sửa đổi này rất sâu sắc và dẫn đến sự thay đổi trong toàn bộ hiểu biết của chúng ta về tự nhiên.

Sự cần thiết phải sửa đổi triệt để cơ học của thế giới nguyên tử không có nghĩa là cần phải chấm dứt các định luật cơ học mà chúng ta đã nghiên cứu. Sẽ là không công bằng nếu buộc người đọc phải nghiên cứu những thứ không cần thiết. Những người thợ máy cũ hoàn toàn công bằng trên thế giới cơ thể to lớn... Ngay cả điều này cũng đủ để đối xử với các chương tương ứng của vật lý với đầy đủ sự tôn trọng. Tuy nhiên, điều quan trọng nữa là một số quy luật của cơ học "cũ" được chuyển thành cơ học "mới". Đặc biệt, điều này bao gồm định luật bảo toàn năng lượng.

Sự hiện diện của năng lượng "không thể tháo rời" ở độ không tuyệt đối không phải là tính chất đặc biệt của heli. Hóa ra; Tất cả các chất đều có năng lượng "không".

Chỉ trong heli năng lượng này mới đủ để ngăn các nguyên tử hình thành một mạng tinh thể đều đặn.

Đừng nghĩ rằng heli không thể ở trạng thái kết tinh. Đối với sự kết tinh của heli, chỉ cần tăng áp suất lên khoảng 25 atm. Việc làm nguội được thực hiện ở áp suất cao hơn sẽ dẫn đến sự hình thành heli kết tinh rắn với các đặc tính hoàn toàn bình thường. Heli tạo thành mạng tinh thể lập phương tâm diện.

Trong bộ lễ phục. 4.14 cho thấy một biểu đồ về trạng thái của heli. Nó khác hẳn với sơ đồ của tất cả các chất khác bởi sự vắng mặt của điểm ba. Đường cong nóng chảy và sôi không giao nhau.

Lúa gạo. 4,14

Và một tính năng nữa có biểu đồ trạng thái độc đáo này: có hai chất lỏng heli khác nhau. Sự khác biệt là gì - bạn sẽ tìm hiểu một chút sau.

Từ lập luận trên, rõ ràng là nhiệt độ sôi của chất lỏng phụ thuộc vào áp suất bên ngoài. Các quan sát xác nhận điều này.

Áp suất bên ngoài càng cao thì nhiệt độ sôi càng cao. Vì vậy, trong nồi hơi ở áp suất đạt 1,6 · 10 6 Pa, nước không sôi ngay cả ở nhiệt độ 200 ° C. V cơ sở y tế Việc đun sôi nước trong các bình kín - nồi hấp (Hình 6.11) cũng xảy ra ở áp suất tăng. Do đó, nhiệt độ sôi cao hơn đáng kể so với 100 ° C. Nồi hấp được sử dụng để tiệt trùng các dụng cụ phẫu thuật, băng gạc, v.v.

Ngược lại, bằng cách giảm áp suất bên ngoài, do đó chúng ta hạ nhiệt độ sôi. Dưới chuông của máy bơm không khí, bạn có thể làm cho nước sôi ở nhiệt độ phòng (hình 6.12). Khi leo núi, áp suất khí quyển giảm nên nhiệt độ sôi giảm. Ở độ cao 7134 m (Đỉnh Lenin ở Pamirs), áp suất xấp xỉ 4 · 10 4 Pa ​​(300 mm Hg). Nước sôi ở đó khoảng 70 ° C. Ví dụ, không thể nấu thịt trong những điều kiện này.

Hình 6.13 cho thấy đường cong của sự phụ thuộc của điểm sôi của nước vào áp suất bên ngoài. Có thể hiểu đơn giản đường cong này đồng thời là đường cong thể hiện sự phụ thuộc của áp suất hơi nước bão hòa vào nhiệt độ.

Sự khác biệt về điểm sôi của chất lỏng

Mỗi chất lỏng có nhiệt độ sôi riêng. Sự khác biệt về điểm sôi của các chất lỏng được xác định bởi sự chênh lệch áp suất của hơi bão hòa của chúng ở cùng một nhiệt độ. Ví dụ, hơi ete đã ở nhiệt độ phòng có áp suất lớn hơn một nửa áp suất khí quyển. Do đó, để áp suất hơi của ete bằng với khí quyển, cần phải tăng một chút nhiệt độ (lên đến 35 ° C). Trong thủy ngân, hơi bão hòa có áp suất hoàn toàn không đáng kể ở nhiệt độ thường. Áp suất hơi của thủy ngân chỉ bằng với khí quyển khi nhiệt độ tăng đáng kể (lên đến 357 ° C). Ở nhiệt độ này, nếu áp suất bên ngoài là 105 Pa, thì thủy ngân sôi.

Sự khác biệt về điểm sôi của các chất được sử dụng rộng rãi trong công nghệ, ví dụ, trong quá trình phân tách các sản phẩm dầu mỏ. Khi dầu được đun nóng, các phần có giá trị nhất, dễ bay hơi nhất (xăng) trước hết sẽ bay hơi, do đó có thể tách ra khỏi phần cặn "nặng" (dầu, dầu mazut).

Chất lỏng sôi khi áp suất hơi bão hòa của nó bằng áp suất bên trong chất lỏng.

§ 6.6. Nhiệt hóa hơi

Có cần năng lượng để chuyển đổi chất lỏng thành hơi không? Chắc là đúng! Không phải nó?

Chúng tôi đã lưu ý (xem § 6.1) rằng sự bay hơi của chất lỏng đi kèm với sự nguội đi của nó. Để duy trì nhiệt độ của chất lỏng bay hơi không đổi, cần phải cấp nhiệt từ bên ngoài vào. Tất nhiên, bản thân nhiệt có thể được truyền sang chất lỏng từ các vật thể xung quanh. Vì vậy, nước trong ly bay hơi, nhưng nhiệt độ của nước, thấp hơn một chút so với nhiệt độ của không khí xung quanh, vẫn không thay đổi. Nhiệt được truyền từ không khí vào nước cho đến khi tất cả nước bay hơi hết.

Để duy trì sự sôi của nước (hoặc chất lỏng khác), nhiệt cũng phải được cung cấp liên tục, ví dụ, nó phải được đun nóng bằng đầu đốt. Trong trường hợp này, nhiệt độ của nước và bình không tăng lên nhưng cứ mỗi giây lại tạo ra một lượng hơi nước nhất định.

Do đó, cần phải có một luồng nhiệt để chuyển chất lỏng thành hơi bằng cách bay hơi hoặc bằng cách đun sôi. Nhiệt lượng cần thiết để chuyển một chất lỏng có khối lượng nhất định thành hơi có cùng nhiệt độ gọi là nhiệt hóa hơi của chất lỏng này.

Năng lượng cung cấp cho cơ thể được sử dụng để làm gì? Trước hết, để tăng nội năng của nó trong quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang khí: sau cùng, điều này làm tăng thể tích của một chất từ ​​thể tích lỏng thành thể tích hơi bão hòa. Do đó, khoảng cách trung bình giữa các phân tử tăng lên, và do đó thế năng của chúng tăng lên.

Ngoài ra, với sự gia tăng thể tích của một chất, công được thực hiện chống lại các tác dụng của áp suất bên ngoài. Phần nhiệt hoá hơi này ở nhiệt độ phòng thường bằng vài phần trăm tổng nhiệt hoá hơi.

Nhiệt hóa hơi phụ thuộc vào loại chất lỏng, khối lượng và nhiệt độ của nó. Sự phụ thuộc của nhiệt hoá hơi vào loại chất lỏng được đặc trưng bởi một giá trị gọi là nhiệt dung riêng của hoá hơi.

Nhiệt lượng riêng của quá trình hóa hơi của một chất lỏng nhất định là tỉ số giữa nhiệt hóa hơi của chất lỏng với khối lượng của nó:

(6.6.1)

ở đâu NS- nhiệt lượng hóa hơi riêng của chất lỏng; NS- khối lượng của chất lỏng; NS n- nhiệt hóa hơi của nó. Đơn vị SI của nhiệt dung riêng của hóa hơi là jun trên kilogam (J / kg).

Nhiệt dung riêng hoá hơi của nước rất cao: 2,256 · 10 6 J / kg ở nhiệt độ 100 ° C. Các chất lỏng khác (rượu, ête, thủy ngân, dầu hỏa,…) có nhiệt hóa hơi riêng nhỏ hơn 3-10 lần.

Bạn đã bao giờ để một chai nước trong vài giờ dưới mặt trời thiêu đốt và nghe thấy âm thanh "rít" khi mở nó? Âm thanh này là do áp suất hơi nước. Trong hóa học, áp suất hơi là áp suất tạo ra bởi hơi của chất lỏng bay hơi trong một bình chứa kín. Để tìm áp suất hơi ở một nhiệt độ nhất định, sử dụng phương trình Clapeyron-Clausius:.

Các bước

Sử dụng phương trình Clapeyron-Clausius

Viết phương trình Clapeyron-Clausius dùng để tính áp suất hơi khi nó thay đổi theo thời gian. Công thức này có thể được sử dụng cho hầu hết các bài toán vật lý và hóa học. Phương trình trông như thế này: ln (P1 / P2) = (ΔH vap / R) ((1 / T2) - (1 / T1)), ở đâu:

Thay các giá trị của các đại lượng cho bạn vào phương trình Clapeyron-Clausius. Hầu hết các bài toán đều đưa ra hai giá trị nhiệt độ và một giá trị áp suất, hoặc hai giá trị áp suất và một giá trị nhiệt độ.

• Ví dụ, một bình chứa chất lỏng ở nhiệt độ 295 K, và áp suất hơi của nó là 1 bầu khí quyển (1 atm). Tìm áp suất hơi ở 393 K. Ở đây bạn được cung cấp hai nhiệt độ và áp suất, vì vậy bạn có thể tìm một áp suất khác bằng cách sử dụng phương trình Clapeyron-Clausius. Thay các giá trị đã cho vào công thức, bạn nhận được: ln (1 / P2) = (ΔH vap / R) ((1/393) - (1/295)).
• Xin lưu ý rằng trong phương trình Clapeyron-Clausius, nhiệt độ luôn được đo bằng kelvin và áp suất bằng bất kỳ đơn vị đo nào (nhưng chúng phải giống nhau đối với P1 và P2).

1. Thay thế các hằng số. Phương trình Clapeyron-Clausius chứa hai hằng số: R và ΔH vap. R luôn là 8,314 J / (K × mol). Giá trị ΔH vap (entanpi của hóa hơi) phụ thuộc vào chất bạn đang cố gắng tìm áp suất hơi; hằng số này thường có thể được tìm thấy trong một bảng trong sách giáo khoa hóa học hoặc trên các trang web (ví dụ).

   • Trong ví dụ của chúng ta, giả sử rằng có nước trong bình. ΔH hơi của nước bằng 40,65 kJ / mol hoặc bằng 40650 J / mol.
   • Cắm các hằng số vào công thức và bạn nhận được: ln (1 / P2) = (40650/8314) ((1/393) - (1/295)).

2. Giải phương trình bằng các phép toán đại số.

   • Trong ví dụ của chúng ta, biến chưa biết nằm dưới dấu của logarit tự nhiên (ln). Để loại bỏ lôgarit tự nhiên, hãy chuyển cả hai vế của phương trình thành lũy thừa của hằng số toán học "e". Nói cách khác, ln (x) = 2 → e ln (x) = e 2 → x = e 2.
   • Bây giờ giải phương trình:
   • 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.Điều này có ý nghĩa, vì việc tăng nhiệt độ trong bình kín lên 100 độ sẽ làm tăng quá trình hóa hơi, điều này sẽ làm tăng đáng kể áp suất hơi.

   Tính áp suất hơi trong dung dịch

   1. Viết ra định luật Raoult. V đời thực chất lỏng tinh khiết rất hiếm; chúng tôi thường đối phó với các giải pháp. Dung dịch được tạo ra bằng cách thêm một lượng nhỏ hóa chất cụ thể được gọi là "chất hòa tan" vào một lượng lớn hơn của hóa chất khác được gọi là "dung môi". Trong trường hợp có các giải pháp, hãy sử dụng định luật Raoult: trong đó:

      • Dung dịch P là áp suất hơi của dung dịch.
      • P dung môi - áp suất hơi của dung môi.
      • Dung môi X - phần mol của dung môi.
      • Nếu bạn không biết phân số mol là gì, hãy đọc tiếp.

   2. Xác định chất nào sẽ là dung môi và chất nào sẽ là chất tan. Nhắc lại rằng chất tan là chất tan trong dung môi, còn dung môi là chất hòa tan một chất tan.

      Tìm nhiệt độ của dung dịch, vì nó sẽ ảnh hưởng đến áp suất hơi của nó. Nhiệt độ càng cao, áp suất hơi càng cao, vì quá trình hóa hơi tăng khi nhiệt độ tăng.

      • Trong ví dụ của chúng tôi, giả sử nhiệt độ xi-rô là 298 K (khoảng 25 ° C).

   3. Tìm áp suất hơi của dung môi. Các giá trị áp suất hóa hơi đối với nhiều hóa chất thông thường được đưa ra trong sổ tay hóa học, nhưng các giá trị này thường được đưa ra ở nhiệt độ 25 ° C / 298 K hoặc tại điểm sôi của chúng. Nếu trong bài toán bạn được đưa ra nhiệt độ như vậy, hãy sử dụng các giá trị từ sách tham khảo; nếu không, bạn cần tính áp suất hơi ở nhiệt độ nhất định của chất.

      Tìm phần trăm số mol của dung môi.Để làm được điều này, hãy tìm tỉ lệ số mol của chất đó là Tổng số số mol của tất cả các chất có trong dung dịch. Nói cách khác, phần trăm số mol của mỗi chất là (số mol của một chất) / (tổng số mol của tất cả các chất).

   4. Bây giờ, hãy cắm dữ liệu và các giá trị tìm được \ u200b \ u200 với các đại lượng vào phương trình Raoult được đưa ra ở đầu phần này ( Dung dịch P = Dung môi P Dung môi X).

      • Trong ví dụ của chúng tôi:
      • Dung dịch P = (23,8 mmHg) (0,947)
      • Giải pháp P = 22,54 mmHg Nghệ thuật.Điều này có lý, vì một lượng nhỏ đường được hòa tan trong một lượng lớn nước (nếu đo bằng mol; lượng của chúng bằng nhau theo lít), do đó áp suất hơi sẽ giảm một chút.

   Tính áp suất hơi trong các trường hợp đặc biệt

   1. Định nghĩa điều kiện tiêu chuẩn. Thường trong hóa học, các giá trị nhiệt độ và áp suất được sử dụng như một loại giá trị "mặc định". Các giá trị này được gọi là nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn (hoặc điều kiện tiêu chuẩn). Trong các bài toán về áp suất hơi người ta thường đề cập đến các điều kiện tiêu chuẩn, vì vậy tốt hơn hết bạn nên nhớ các giá trị tiêu chuẩn:

      • Nhiệt độ: 273,15 K / 0˚C / 32 F
      • Áp suất: 760 mmHg / 1 atm. / 101,325 kPa

   2. Viết lại phương trình Clapeyron-Clausius để tìm các biến khác. Phần đầu tiên của bài viết này đã trình bày cách tính áp suất hơi của các chất nguyên chất. Tuy nhiên, không phải bài toán nào cũng yêu cầu tìm áp suất P1 hoặc P2; trong nhiều nguyên công, cần tính nhiệt độ hoặc giá trị của ΔH vap. Trong những trường hợp như vậy, hãy viết lại phương trình Clapeyron-Clausius bằng cách cô lập ẩn số ở một phía của phương trình.

      • Ví dụ, cho một chất lỏng chưa biết, áp suất hơi của chất lỏng đó là 25 Torr ở 273 K và 150 Torr ở 325 K. Cần phải tìm entanpi của quá trình hóa hơi của chất lỏng này (nghĩa là, ΔH vap). Giải pháp cho vấn đề này:
      • 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 Bây giờ thay thế các giá trị đã cho cho bạn:
      • 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. Coi áp suất hơi của chất thấm. Trong ví dụ của chúng tôi từ phần thứ hai của bài viết này, chất tan - đường - không bay hơi, nhưng nếu chất tan tạo ra hơi (bay hơi), thì áp suất hơi cần được tính đến. Để làm điều này, sử dụng dạng sửa đổi của phương trình Raoult: P nghiệm = Σ (P chất X), trong đó ký hiệu Σ (sigma) có nghĩa là cần cộng các giá trị của áp suất hơi của tất cả các chất tạo thành lên giải pháp.

      • Ví dụ, hãy xem xét một dung dịch được tạo thành từ hai hóa chất: benzen và toluen. Tổng thể tích của dung dịch là 120 mililít (ml); 60 ml benzen và 60 ml toluen. Nhiệt độ của dung dịch là 25 ° C và áp suất hơi ở 25 ° C là 95,1 mm Hg. đối với benzen và 28,4 mm Hg. đối với toluen. Cần tính áp suất hơi của dung dịch. Chúng ta có thể làm điều này bằng cách sử dụng mật độ của các chất, trọng lượng phân tử của chúng và các giá trị áp suất hơi:
      • Khối lượng (benzen): 60 ml = 0,06 l × 876,50 kg / 1000 l = 0,053 kg = 53 g
      • Khối lượng (toluen): 0,06 L × 866,90 kg / 1000 L = 0,052 kg = 52 g
      • Mole (benzen): 53 g × 1 mol / 78,11 g = 0,679 mol
      • Mole (toluen): 52 g × 1 mol / 92,14 g = 0,564 mol
      • Tổng số mol: 0,679 + 0,564 = 1,243
      • Phần mol (benzen): 0,679 / 1,243 = 0,546
      • Phần mol (toluen): 0,564 / 1,243 = 0,454
      • Giải: P dung dịch = P benzen X benzen + P toluen X toluen
      • Dung dịch P = (95,1 mm Hg) (0,546) + (28,4 mm Hg) (0,454)
      • Dung dịch P = 51,92 mm Hg. Nghệ thuật. + 12,89 mm Hg. Nghệ thuật. = 64,81 mmHg Nghệ thuật.
   • Để sử dụng phương trình Clapeyron Clausius, nhiệt độ phải được xác định bằng độ Kelvin (ký hiệu là K). Nếu nhiệt độ của bạn được tính bằng độ C, bạn cần chuyển đổi nó theo công thức sau: T k = 273 + T c
   • Phương pháp trên hoạt động vì năng lượng tỷ lệ thuận với nhiệt lượng. Nhiệt độ chất lỏng là yếu tố duy nhất môi trường, áp suất hơi phụ thuộc vào đó.

SỰ KẾT HỢP CÁC CHẤT LỎNG

Sự cháy của chất lỏng được đặc trưng bởi hai hiện tượng liên quan đến nhau - sự bay hơi và sự cháy của hỗn hợp hơi-không khí trên bề mặt chất lỏng. Do đó, quá trình đốt cháy chất lỏng không chỉ đi kèm với phản ứng hóa học(quá trình oxy hóa, biến thành sự cháy bùng cháy), mà còn bằng các hiện tượng vật lý (bay hơi và tạo thành hỗn hợp hơi-không khí trên bề mặt chất lỏng), nếu không có hiện tượng cháy là không thể.

Sự chuyển của một chất từ ​​trạng thái lỏng sang trạng thái hơi được gọi là hóa hơi. Có hai hình thức của quá trình này: bay hơi và đun sôi. Bay hơi- đây là sự chuyển thể lỏng sang thể hơi từ bề mặt tự do ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của chất lỏng (xem Hình 4.1). Sự bay hơi xảy ra do chuyển động nhiệt của các phân tử chất lỏng. Tốc độ chuyển động của các phân tử dao động trong giới hạn rộng, lệch mạnh theo cả hai chiều so với giá trị trung bình của nó. Một số phân tử có động năng đủ lớn bứt ra khỏi lớp bề mặt của chất lỏng vào môi trường khí (không khí). Năng lượng dư thừa của các phân tử bị chất lỏng mất đi được dùng để khắc phục các lực tương tác giữa các phân tử và công của sự giãn nở (tăng thể tích) trong quá trình chuyển thể lỏng thành hơi. Sôi- Đây là sự bay hơi không chỉ từ bề mặt, mà còn từ thể tích của chất lỏng do sự hình thành các bong bóng hơi trong toàn bộ thể tích và sự giải phóng chúng. Sự bay hơi được quan sát ở bất kỳ nhiệt độ nào của chất lỏng. Sự sôi chỉ xảy ra ở nhiệt độ mà áp suất hơi bão hòa bằng áp suất bên ngoài (khí quyển).

Do chuyển động Brown trong vùng khí, quá trình ngược lại cũng diễn ra - sự ngưng tụ... Nếu thể tích phía trên chất lỏng là đóng, thì ở bất kỳ nhiệt độ nào của chất lỏng, cân bằng động được thiết lập giữa các quá trình bay hơi và ngưng tụ.

Hơi ở trạng thái cân bằng với chất lỏng được gọi là bão hòa hơi nước... Trạng thái cân bằng tương ứng với nồng độ của hơi xác định cho một nhiệt độ nhất định. Áp suất hơi ở trạng thái cân bằng với chất lỏng được gọi là áp suất hơi nước bão hòa.

Lúa gạo. 4.1. Sơ đồ của sự bay hơi chất lỏng trong: a) bình hở, b) bình kín

Áp suất hơi bão hòa (rn.p.) của một chất lỏng nhất định ở nhiệt độ không đổi là không đổi và không đổi đối với nó. Giá trị của áp suất hơi bão hòa được xác định bởi nhiệt độ của chất lỏng: khi nhiệt độ tăng, áp suất hơi bão hòa tăng. Điều này là do sự gia tăng động năng của các phân tử chất lỏng khi tăng nhiệt độ. Trong trường hợp này, một phần ngày càng tăng của các phân tử hóa ra có đủ năng lượng để chuyển hóa thành hơi.

Như vậy, phía trên bề mặt (gương) của chất lỏng luôn có một hỗn hợp hơi - không khí, ở trạng thái cân bằng được đặc trưng bởi áp suất của hơi bão hòa của chất lỏng hoặc nồng độ của chúng. Khi nhiệt độ tăng, áp suất hơi bão hòa tăng theo phương trình Cliperon-Clausius:

, (4.1)

hoặc ở dạng tích phân:

, (4.2)

nơi p n.p. - áp suất hơi bão hòa, Pa;

DН isp là nhiệt hóa hơi, nhiệt lượng cần thiết để hóa hơi một đơn vị khối lượng chất lỏng, kJ / mol;

T là nhiệt độ của chất lỏng, K.

Nồng độ của hơi bão hòa C trên bề mặt chất lỏng liên quan đến áp suất của nó theo tỷ lệ:

. (4.3)

Từ (4.1 và 4.2), theo đó, khi nhiệt độ của chất lỏng tăng lên, áp suất của hơi bão hòa (hoặc nồng độ của chúng) tăng theo cấp số nhân. Về vấn đề này, ở một nhiệt độ nhất định trên bề mặt chất lỏng, một nồng độ hơi được tạo ra bằng với giới hạn nồng độ thấp hơn của sự lan truyền ngọn lửa. Nhiệt độ này được gọi là nhiệt độ lan truyền ngọn lửa dưới (LITR).

Do đó, đối với bất kỳ chất lỏng nào, luôn có một khoảng nhiệt độ mà tại đó nồng độ của hơi bão hòa phía trên gương sẽ nằm trong vùng bắt lửa, tức là HKPRP £ j n £ VKPRP.

Để điều chỉnh áp suất bay hơi, bộ điều chỉnh KVP được lắp đặt trên đường hút phía hạ lưu của thiết bị bay hơi (Hình 6.13).

Ngoài chức năng chính của nó, bộ điều chỉnh áp suất bay hơi cung cấp khả năng bảo vệ trong trường hợp áp suất bay hơi giảm mạnh để tránh đóng băng nước làm mát trong đường trao đổi nhiệt của các thiết bị bay hơi của hệ thống lắp đặt nước làm mát.

Bộ điều chỉnh hoạt động như sau: khi áp suất tăng lên trên áp suất cài đặt, bộ điều chỉnh mở ra và khi áp suất giảm xuống dưới giá trị cài đặt, nó sẽ đóng lại. Tín hiệu điều khiển duy nhất là áp suất ở đầu vào đến bộ điều chỉnh.

Trong các cơ sở lắp đặt có nhiều thiết bị bay hơi và hoạt động ở các áp suất bay hơi khác nhau, bộ điều chỉnh được lắp đặt sau thiết bị bay hơi, áp suất trong đó cao nhất. Để tránh ngưng tụ chất làm lạnh khi tắt máy, một van một chiều được lắp trên đường hút ngay sau dàn bay hơi với áp suất tối thiểu. Trong các hệ thống lắp đặt song song với các thiết bị bay hơi và một máy nén thông thường, một bộ điều chỉnh được lắp đặt trong đường hút để duy trì cùng một áp suất trên các thiết bị bay hơi.

Ngoài loại bộ điều chỉnh này, áp suất bay hơi được ổn định bằng cách sử dụng hệ thống điều khiển điện tử của một hoặc nhiều phòng lạnh, tủ, v.v., cung cấp độ chính xác cao trong việc duy trì nhiệt độ cài đặt (± 0,5 K) trong một phạm vi công suất lạnh - từ 10 đến 100% giá trị danh nghĩa.

8. Các bộ điều chỉnh năng suất.

Bộ điều chỉnh công suất (hình 6.14) giúp điều chỉnh khả năng làm lạnh của máy nén với những thay đổi của tải nhiệt trên thiết bị bay hơi ở những nơi lắp đặt có phí môi chất lạnh rất thấp. Chúng tránh giảm áp suất hút và khởi động vô ích.

Khi tải nhiệt trên thiết bị bay hơi giảm, áp suất hút giảm, gây ra hiện tượng chân không trong mạch, gây nguy cơ hơi ẩm xâm nhập vào thiết bị. Khi áp suất hút giảm xuống dưới giá trị cài đặt, bộ điều chỉnh sẽ mở ra, kết quả là một lượng khí nóng nhất định từ ống xả sẽ chảy vào ống hút. Kết quả là áp suất hút tăng và khả năng làm lạnh giảm. Bộ điều chỉnh chỉ phản ứng với áp suất trong đường hút, tức là ở lối ra khỏi nó.

9. Bộ điều chỉnh khởi động.

Bộ điều chỉnh khởi động ngăn không cho máy nén chạy và khởi động ở áp suất hút quá cao, xảy ra sau một thời gian dài tắt máy hoặc sau khi xả đá dàn bay hơi.

Bộ điều chỉnh khởi động KVL thuộc loại bộ điều chỉnh áp suất tiết lưu "hạ lưu". Nó duy trì áp suất không đổi trong đường hút giữa bộ điều chỉnh và máy nén và xả máy nén khi khởi động.

Áp suất đầu vào bộ điều chỉnh tác động lên ống thổi ở phía dưới và trên tấm van ở phía trên. Vì diện tích hiệu dụng của ống thổi tương đương với diện tích dòng chảy, nên áp suất đầu vào được trung hòa. Áp suất đầu ra (trong cacte) tác dụng lên đáy tấm van chống lại lực căng của lò xo điều chỉnh. Hai lực này là lực lượng hành động bộ điều chỉnh. Khi áp suất đầu ra điều chỉnh (trong cacte) giảm, van sẽ mở, cho phép hơi môi chất lạnh chảy vào máy nén. Vì đơn vị làm lạnh hiệu suất cao, có thể lắp đặt song song bộ điều chỉnh khởi động KVL. Trong trường hợp này, các bộ điều chỉnh được lựa chọn dựa trên điều kiện giảm áp suất giống nhau trong từng đường ống và công suất tương đương.

Tuy nhiên, bộ điều chỉnh được đặt ở các giá trị lớn nhất nhưng không vượt quá các giá trị được nhà sản xuất khuyến nghị cho máy nén hoặc bộ ngưng tụ. Việc điều chỉnh được thực hiện theo số đọc của đồng hồ áp suất trên đường hút của máy nén.

Bộ điều chỉnh khởi động được lắp trên đường hút giữa dàn bay hơi và máy nén (hình 6.15).

Bộ điều chỉnh này cung cấp khả năng kết nối đường chiết hơi qua một đầu ra áp kế tại đường ống đầu vào có đường kính dòng chảy là 1/4 ". Theo cách điều chỉnh này, quá trình chiết hơi được thực hiện" sau chính nó ".

Sự lựa chọn của một bộ điều chỉnh ban đầu được xác định bởi năm chỉ số chính:

Theo loại chất làm lạnh,

Hiệu suất hệ thống,

Áp suất thiết kế hút,

Áp suất thiết kế tối đa,

Giảm áp suất trong bộ điều chỉnh.

Sự khác biệt giữa áp suất thiết kế và áp suất hút tối đa thiết kế quyết định thời gian van sẽ mở. Sụt áp qua bộ điều chỉnh là một yếu tố quan trọng vì sụt áp trong đường hút ảnh hưởng đến hiệu suất của máy. Do đó, áp suất giảm trên bộ điều chỉnh phải được giữ ở mức tối thiểu. Thông thường, trong hệ thống lạnh nhiệt độ thấp, áp suất giảm là 3 ... 7 kPa. Độ sụt áp tối đa đối với hầu hết các hệ thống lạnh là 14 kPa.

Khi mở van tối đa, bộ điều chỉnh một mặt cho hiệu suất tối đa, mặt khác lại gây ra tổn thất áp suất lớn, làm giảm hiệu suất của hệ thống. Do đó, áp suất giảm trên bộ điều chỉnh phải được giữ ở mức tối thiểu.