Залежність тиску насичених парів від температури
Кипіння – це інтенсивний процес випаровування, що відбувається по всьому об’єму рідини і на її поверхні. Рідина починає кипіти, коли тиск її насиченої пари наближається до тиску всередині рідини.
Пар – це газ, утворений випарується молекулами рідини, і тому для нього справедливе рівняння (23.7), що зв’язує тиск пари, p, концентрацію молекул в ньому, n і абсолютну температуру, T:
P = nkT. (27.1)
З (27.1) випливає, що тиск насиченої пари має збільшуватися лінійно із зростанням температури, як це має місце у ідеальних газів при ізохоричний процес (див. §25). Однак, як показали вимірювання, тиск насиченої пари зростає з температурою набагато швидше, ніж тиск ідеального газу (див. Рис.27). Відбувається це через те, що з ростом температури, а значить, і середньої кінетичної енергії, все більше і більше молекул рідини залишають її, збільшуючи концентрацію, n пара над нею. А тому згідно (27.1) тиск пропорційно n, то це збільшення концентрації пари і пояснює більш швидке зростання тиску насиченої пари з температурою, у порівнянні з ідеальним газом. Зростання тиску насичених парів з температурою пояснює відомий всім факт – при нагріванні рідини випаровуються швидше. Відзначимо, що, як тільки зростання температури призведе до повного випаровування рідини, пара стане ненасиченим, а залежність його тиску від температури перетвориться на пряму, що перетинає вісь абсцис при T = 0 оС. (Див. Ріс.27б).
Кипінням називають утворення великого числа бульбашок пари, спливаючих і лопаються на поверхні рідини при її нагріванні. Насправді, ці бульбашки присутні в рідині завжди, але їх розміри зростають, і вони стають помітні тільки при кипінні. Одна з причин того, що в рідині завжди є мікропухирці, наступна. Рідина, коли її наливають у посудину, витісняє звідти повітря, але повністю цього зробити не може, і маленькі його бульбашки залишаються в мікротріщинах і нерівностях внутрішньої поверхні судини. Крім того, в рідинах зазвичай містяться мікропухирці пари і повітря, які прилипли до найдрібніших частинок пилу.
При нагріванні рідини в кожному з бульбашок процес випаровування прискорюється, а тиск насиченої пари зростає. Бульбашки розширюються і під дією сили, що виштовхує Архімеда відриваються від дна, спливають і лопаються на поверхні. При цьому пар, що наповнював бульбашки, несеться в атмосферу. Тому кипіння і називають випаровуванням, що відбувається у всьому об’ємі рідини. Кипіння починається при тій температурі, коли бульбашки газу мають можливість розширюватися, а це відбувається, якщо тиск насиченої пари перевищує атмосферний тиск. Таким чином, температура кипіння – це температура, при якій тиск насиченої пари даної рідини дорівнює атмосферному тиску. Поки рідина кипить її температура залишається постійною.
Чим менше атмосферний тиск, тим при більш низькій температурі кипить дана рідина (див. Ріс.27в). Так, на вершині гори Ельбрус, де тиск повітря в два рази менше нормального, звичайна вода кипить не при 100 оС, а при 82 оС. Навпаки, якщо необхідно підвищити температуру кипіння рідини, то її нагрівають при підвищеному тиску. На цьому, наприклад, заснована робота скороварок, де їжа, що містить воду, може варитися при температурі понад 100 оС, що не закипаючи.
Навіть при нормальному атмосферному тиску різні рідини киплять при різних температурах, наприклад, ацетон – при 56 оС, а етиловий спирт при 78 оС. Температура кипіння заліза – 2800 оС, а вольфраму – 6000 оС. Те, що рідини киплять при різних температурах, використовується в отриманні різних нафтопродуктів з нафти шляхом її нагрівання, тому весь бензин, наприклад, випаровується з нафти раніше, ніж масла і мазут.
Процес кипіння неможливий без участі архимедовой виштовхує сили. Тому на космічних станціях в умовах невагомості кипіння немає, а нагрів води призводить тільки до збільшення розмірів бульбашок пари і їх об’єднання в один великий паровий міхур всередині судини з водою.
Питання для повторення:
– Як тиск насичених і ненасичених парів залежить від температури? – Що таке кипіння, і при якій температурі воно відбувається? – Як залежить температура кипіння від атмосферного тиску?
(2 votes, average: 5.00 out of 5)