випаровування

Випаровування над кухлем чаю

випаровування - процес переходу речовини з рідкого стану в газоподібне, що відбувається на поверхні речовини (пар). Процес випаровування є зворотним процесу конденсації (перехід з пароподібного стану в рідке). Випаровування (пароутворення), перехід речовини з конденсованої (твердої або рідкої) фази в газоподібну (пар); фазовий перехід першого роду.

Існує більш розгорнуте поняття випаровування у вищій фізики.

випаровування - це процес, при якому з поверхні рідини або твердого тіла вилітають (відриваються) частки (молекули, атоми), при цьому E k\u003e E п.

Загальна характеристика

Випаровування твердого тіла називається сублімацією (сублімацією), а пароутворення в обсязі рідини - кипінням. Зазвичай під випаровуванням розуміють пароутворення на вільної поверхні рідини в результаті теплового руху її молекул при температурі нижче точки кипіння, відповідає тиску газового середовища, розташованої над вказаною поверхнею. При цьому молекули, які мають досить велику кінетичну енергію, вириваються з поверхневого шару рідини в газове середовище; частина їх відбивається назад і захоплюється рідиною, а інші безповоротно нею губляться.

Випаровування - ендотермічний процес, при якому поглинається теплота фазового переходу - теплота випаровування, що витрачається на подолання сил молекулярного зчеплення в рідкій фазі і на роботу розширення при перетворенні рідини в пар. Питому теплоту випаровування відносять до 1 молю рідини (молярна теплота випаровування, Дж / моль) або до одиниці її маси (масова теплота випаровування, Дж / кг). Швидкість випаровування визначається поверхневою щільністю потоку пара Jп, що проникає за одиницю часу в газову фазу з одиниці поверхні рідини [в моль / (С.М 2) або кг / (С.М 2)]. найбільше значення Jп досягається в вакуумі. При наявності над рідиною щодо щільної газової середовища випаровування сповільнюється внаслідок того, що швидкість видалення молекул пара від поверхні рідини в газове середовище стає малою в порівнянні зі швидкістю випускання їх рідиною. При цьому у поверхні розділу фаз утворюється шар парогазової суміші, Практично насичений паром. Парціальний тиск і концентрація пари в даному шарі вище, ніж в основній масі парогазової суміші.

Процес випаровування залежить від інтенсивності теплового руху молекул: чим швидше рухаються молекули, тим швидше відбувається випаровування. Крім того, важливими факторами, що впливають на процес випаровування, є швидкість зовнішньої (стосовно до речовини) дифузії, а також властивості самої речовини. Простіше кажучи, при вітрі випаровування відбувається набагато швидше. Що ж стосується властивостей речовини, то, наприклад, спирт випаровується набагато швидше води. важливим фактором є також площа поверхні рідини, з якої відбувається випаровування: з вузького графина воно буде відбуватися повільніше, ніж з широкої тарілки.

молекулярний рівень

Погляньмо на цей процес на молекулярному рівні: Молекули, що володіють достатньою енергією (швидкістю) для подолання тяжіння сусідніх молекул, вириваються за межі речовини (рідини). При цьому рідина втрачає частину своєї енергії (остигає). Наприклад, дуже гаряча рідина: ми дуємо на її поверхню, щоб остудити, при цьому, ми прискорюємо процес випаровування.

термодинамічна рівновага

Порушення термодинамічної рівноваги між рідиною і парою, що містяться в парогазової суміші, пояснюється стрибком температури на межі поділу фаз. Однак зазвичай цим стрибком можна знехтувати і приймати, що парціальний тиск і концентрація пари у поверхні розділу фаз відповідають їх значенням для насиченої пари, що має температуру поверхні рідини. Якщо рідина і парогазова суміш нерухомі і вплив вільної конвекції в них незначно, видалення утворився при випаровуванні пара від поверхні рідини в газове середовище відбувається в основному в результаті молекулярної дифузії і появи викликається останньої при напівпроникною (непроникною для газу) поверхні розділу фаз масового (так званого стефанівської) потоку парогазової суміші, спрямованого від поверхні рідини в газове середовище (див. Дифузія). Розподіл температур при різних режимах випарного охолодження рідини. Потоки теплоти спрямовані: а - від рідкої фази до поверхні випаровування в газову фазу; б - від рідкої фази тільки до поверхні випаровування; в - до поверхні випаровування з боку обох фаз; г - до поверхні випаровування тільки з боку газової фази.

Баро, термодифузії

Ефекти баро і термодифузії при інженерних розрахунках зазвичай не враховуються, але вплив термодифузії може бути суттєвим при високій неоднорідності парогазової суміші (при великому розходженні молярних мас її компонентів) і значних градієнтах температур. При русі однієї або обох фаз відносно поверхні їх розділу зростає роль конвективного перенесення речовини і енергії парогазової суміші і рідини.

При відсутності підведення енергії до системи рідина-газ від зовн. джерел теплота Випаровування може підводитися до поверхневого шару рідини з боку однієї або обох фаз. На відміну від результуючого потоку речовини, завжди спрямованого при випаровуванні від рідини в газове середовище, потоки теплоти можуть мати різні напрямки в залежності від співвідношень температур основної маси рідини tж, межі розділу фаз tгр і газового середовища tг. При контакті певного кол-ва рідини з напівнескінченних об'ємом або омиває її поверхню потоком газового середовища і при температурі рідини, більш високою, ніж температура газу (tж\u003e tгр\u003e tг), виникає потік теплоти з боку рідини до поверхні розділу фаз: (Qжг \u003d qж - Qи, де Qи -теплота випаровування, Qжг - кількість теплоти, що передається від рідини газовому середовищі. При цьому рідина охолоджується (так зване випарне охолодження). Якщо в результаті такого охолодження досягається рівність tгр \u003d tг, тепловіддача від рідини до газу припиняється ( Qжг \u003d 0) і вся теплота, що підводиться з боку рідини до поверхні розділу, витрачається на Випаровування (Qж \u003d Qи).

У разі газового середовища, що не насиченою парою, парціальний тиск останнього у поверхні розділу фаз і при Qж \u003d Qи залишається вищим, ніж в основній масі газу, внаслідок чого випаровування і випарне охолодження рідини не припиняються і tгр стає нижче tж і tг. При цьому теплота підводиться до поверхні розділу від обох фаз до тих пір, поки в результаті зниження tж досягається рівність tгр \u003d tж і потік теплоти з боку рідини припиняється, а з боку газового середовища Qгж стає рівним Qи. Подальше випаровування рідини відбувається при постійній температурі tм \u003d tж \u003d tгр, яку називають межею охолодження рідини при випарному охолодженні або температурою мокрого термометра (так як її показує мокрий термометр психрометра). Значення tм залежить від параметрів парогазового середовища і умов тепло- і масообміну між рідкою і газовою фазами.

Якщо рідина і газове середовище, що мають різні температури, знаходяться в обмеженому обсязі, що не одержує енергію ззовні і не віддає її назовні, Випаровування відбувається до тих пір, поки між двома фазами не настає термодинамічна рівновага, при якому температури обох фаз зрівнюються при незмінній ентальпії системи , і газова фаза насичується парою при температурі системи tад. Остання, називається температурою адіабатичного насичення газу, визначається тільки початковими параметрами обох фаз і не залежить від умов тепло- і масообміну.

швидкість випаровування

Швидкість ізотермічного випаровування [кг / (м 2 с)] при односпрямованої дифузії пара в розташований над поверхнею рідини нерухомий шар бінарної парогазової суміші товщиною d, [м] може бути знайдена за формулою Стефана:, де D - коефіцієнт взаємної дифузії, [м 2 / с]; - газова постійна пара, [Дж / (кг К)] або [м 2 / (з 2 K)]; T - температура суміші, [К]; р - тиск парогазової суміші, [Па]; - парціальні тиску пара у поверхні розділу і на зовнішній межі шару суміші, [Па].

У загальному випадку (рухомі рідина і газ, неізотермічної умови) в прилеглому до поверхні розділу фаз прикордонному шарі рідини переносу імпульсу супроводжує перенесення теплоти, а в прикордонному шарі газу (парогазової суміші) відбуваються взаємопов'язані тепло- і масоперенос. При цьому для розрахунку швидкості Випаровування використовують експериментальні коефіцієнти тепло- і массоотдачи, а у відносно більш простих випадках - наближені методи чисельних рішень системи диференціальних рівнянь для пов'язаних прикордонних шарів газової і рідкої фаз.

Інтенсивність масообміну при випаровуванні залежить від різниці хімічних потенціалів пара у поверхні розділу і в основній масі парогазової суміші. Однак якщо баро і термодифузія можна знехтувати, різниця хімічних потенціалів замінюють різницею парціальних тисків або концентрацій парів і приймають: Jп \u003d bp (рп, гр - рп, осн) \u003d bpр (уп, гр - уп, осн) або Jп \u003d bc ( сп, гр - сп, осн), де bp, bc - коефіцієнт массоотдачи, p - тиск суміші, рп - парціальний тиск пара, Yп \u003d Рп / p - молярна концентрація парів, сп \u003d rп / r - масова концентрація парів, rп, r - локальні щільності парів і суміші; індекси означають: «гр» - біля кордону розділу фаз, «осн» - в осн. масі суміші. Щільність потоку теплоти, що віддається при Випаровування рідиною, становить [в Дж / (м2 с)]: q \u003d aж (tж - tгр) \u003d rjп + AГ (tгр - tг), де aж, AГ - коефіцієнт тепловіддачі з боку рідини і газу , [Вт / (м 2 К)]; r - теплота Випаровування, [Дж / кг].

При дуже малих радіусах кривизни поверхні випаровування (наприклад, при випаровуванні дрібних крапель рідини) враховується вплив поверхневого натягу рідини, що приводить до того, що рівноважний тиск пари над поверхнею розділу вище тиску насичених парів тієї ж рідини над плоскою поверхнею. Якщо tгр ~ tж, то при розрахунку випаровування можуть братися до уваги тільки тепло- і масообмін в газовій фазі. При відносно малої інтенсивності масообміну наближено справедлива аналогія між процесами тепло- і масопереносу, з якої випливає: Nu / Nu0 \u003d Sh * / Sh0, де Nu \u003d AГ l / lг - число Нуссельта, l - характерний розмір поверхні випаровування, lг - коефіцієнт теплопровідності парогазової суміші, Sh * \u003d bpyг, грl / Dp \u003d bccг, грl / D - число Шервуда для дифузійної складової потоку пара, Dp \u003d D / RпT коефіцієнт дифузії, віднесений до градієнту парціального тиску пари. Значення bp і bс обчислюють за наведеними вище співвідношенням, числа Nu0 і Sh0 відповідають Jп: 0 і можуть визначатися за даними для окремо процесів, що відбуваються тепло- і масообміну. Число Sh0 для сумарного (дифузійного і конвективного) потоку пара знаходять розподілом Sh * на молярну (yг, гр) або масову (сг, гр) концентрацію газу у поверхні розділу в залежності від того, до якої рушійну силу масообміну віднесений коефіцієнт b.

рівняння

Рівняння подібності для Nu і Sh * при випаровуванні включають крім звичайних критеріїв (чисел Рейнольдса Re, Архімеда Аr, Прандтля Рr або Шмідта Sc і геом. Параметрів) параметри, що враховують вплив поперечного потоку пари і ступеня неоднорідності парогазової суміші (відносини молярних мас або газових постійних її компонентів) на профілі, швидкості, температури або концентрацій в перерізі прикордонного шару.

При малих Jп, що не порушують істотно гідродинамічний режим руху парогазової суміші (наприклад, при випаровуванні води в атмосферне повітря) і подобу граничних умов полів температур і концентрацій, вплив додаткових аргументів на рівняннях подібності незначно і їм можна знехтувати, приймаючи, що Nu \u003d Sh. При випаровуванні багатокомпонентних сумішей зазначені закономірності сильно ускладнюються. При цьому теплоти випаровування компонентів суміші і склади рідкої і парогазової фаз, що знаходяться між собою в рівновазі, різні і залежать від температури. При випаровуванні бінарної рідкої суміші утворюється суміш парів у відносно багатшим більш летючим компонентом, виключаючи тільки азеотропні суміші, випаровуються в точках екстремуму (максимуму або мінімуму) кривих стану як чиста рідина.

конструкції апаратів

Загальна кількість випаровується рідини збільшується зі зростанням поверхні контакту рідкої і газової фаз, тому конструкції апаратів, в яких відбувається випаровування, передбачають збільшення поверхні випаровування шляхом створення великого дзеркала рідини, роздроблення її на струменя і краплі або утворення тонких плівок, що стікають по поверхні насадок. Зростання інтенсивності тепло- і масообміну при випаровуванні досягається також підвищенням швидкості газового середовища щодо поверхні рідини. Однак збільшення цієї швидкості не повинно призводити до надмірного уносу рідини газовим середовищем і значного підвищення гідравлічного опору апарату.

застосування

Випаровування широко застосовується в промисловій практиці для очищення речовин, сушки матеріалів, розділення рідких сумішей, кондиціонування повітря. Випарне охолодження води використовується в оборотних системах водопостачання підприємств.

Див. також

література

• // Енциклопедичний словник Брокгауза і Ефрона: В 86 томах (82 т. І 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
• Берман Л. Д., Випарне охолодження циркуляційної води, 2 вид., М.-Л., 1957;
• Фукс Н. А., Випаровування і зростання крапель в газоподібному середовищі, М., 1958;
• Берд Р., Стюарт В., Лайтфут Е., Явища переносу, пров. з англ., М., 1974;
• Берман Л. Д., «Теоретичні основи хім. технології », 1974, т.8, № 6, с. 811-22;
• Шервуд Т., Пігфорд Р., Уілкі Ч., Масопередача, пров. з англ., М., 1982. Л. Д. Берман.

посилання

Wikimedia Foundation. 2010 року.

Синоніми:

Дивитися що таке "Випаровування" в інших словниках:

Перехід в ва з рідкого або твердого агрегатного стану в газоподібний (пар). Зазвичай під І. розуміють перехід рідини в пару, що відбувається на вільної поверхні рідини. І. твердих тіл зв. сублімацією або сублімацією. Залежність тиску ... ... фізична енциклопедія

Випаровування, що відбувається на вільної поверхні рідини. Випаровування з поверхні твердого тіла називається сублімацією ... великий енциклопедичний словник

ГОРІННЯ РІДИН

Горіння рідин характеризується двома взаємопов'язаними явищами - випаровуванням і згорянням пароповітряної суміші над поверхнею рідини. Отже, горіння рідин супроводжується не тільки хімічною реакцією (Окислення, що переходить в полум'яне горіння), а й фізичними явищами (випар і утворення над поверхнею рідини паро-повітряної суміші), без яких горіння неможливо.

Перехід речовини з рідкого стану в пароподібний називається паротворенням.Розрізняють дві форми цього процесу: випаровування і кипіння. випаровування - це перехід рідини в пару з вільної поверхні при температурі нижче точки кипіння рідини (див. Рис. 4.1). Випаровування відбувається в результаті теплового руху молекул рідини. Швидкість руху молекул коливається в широких межах, сильно відхиляючись в обидві сторони від її середнього значення. Частина молекул, що мають досить велику кінетичну енергію, виривається з поверхневого шару рідини в газову (повітряну) середу. Надлишкова енергія втрачаються рідиною молекул витрачається на подолання сил взаємодії між молекулами і роботу розширення (збільшення обсягу) при переході рідини в пар. кипіння - це випаровування не тільки з поверхні, але і з об'єму рідини шляхом утворення бульбашок пари в усьому обсязі і виділення їх. Випаровування спостерігається при будь-якій температурі рідини. Кипіння відбувається тільки при температурі, при якій тиск насиченої пари досягне величини зовнішнього (атмосферного) тиску.

За рахунок броунівського руху в газовій зоні має місце і зворотний процес - конденсація. Якщо обсяг над рідиною замкнутий, то при будь-якій температурі рідини встановлюється динамічна рівновага між процесами випаровування та конденсації.

Пар, що знаходиться в рівновазі з рідиною, називається насиченою парою. Стану рівноваги відповідає певна для даної температури концентрація пари. Тиск пари, що знаходиться в рівновазі з рідиною, називається тиском насиченої пари.

Мал. 4.1. Схема випаровування рідини в: а) відкритому посуді, б) закритій посудині

Тиск насиченої пари (р н.п.) даної рідини при постійній температурі є величиною постійною і незмінною для неї. Величина тиску насиченої пари визначається температурою рідини: з ростом температури тиск насиченої пари збільшується. Це обумовлено зростанням кінетичної енергії молекул рідини з підвищенням температури. При цьому дедалі більша частка молекул виявляється володіє енергією, достатньою для переходу в пар.

Таким чином, над поверхнею (дзеркалом) рідини завжди існує паровоздушная суміш, яка в стані рівноваги характеризується тиском насичених парів рідини або їх концентрацією. З ростом температури тиск насиченої пари зростає відповідно до рівняння Клайперона-Клазіуса:

, (4.1)

або в інтегральної формі:

, (4.2)

де р н.п. - тиск насиченої пари, Па;

DН ісп - теплота випаровування, то кількість тепла, яке необхідно для перекладу в пароподібний стан одиниці маси рідини, кДж / моль;

Т - температура рідини, К.

Концентрація насиченої пари Снад поверхнею рідини пов'язана з його тиском співвідношенням:

. (4.3)

З (4.1 і 4.2) випливає, що зі збільшенням температури рідини тиск насичених парів (або їх концентрація) зростають експоненціально. У зв'язку з цим при деякій температурі над поверхнею рідини створюється концентрація парів, що дорівнює нижньому концентраційного межі поширення полум'я. Ця температура називається нижнім температурним межею поширення полум'я (НТРП).

Тому для будь-якої рідини завжди існує такий інтервал температур, при якому концентрація насичених парів над дзеркалом буде знаходитися в області запалення, т. Е. HKПРП £ j п £ ВКПРП.

Процес інтенсивного випаровування рідини починається при температурі, коли пружність пара рідини перевищить зовнішній тиск газової атмосфери над рідиною. При температурі кипіння освіту пара йде у всій масі рідини і тече практично при постійній температурі до повного переходу рідини (однокомпонентної) і пар. Штучно знижуючи тиск, можна змусити рідину кипіти при більш низьких температурах, ніж широко користуються в техніці, так як для роботи при низьких температурах легше знайти відповідний матеріал для апаратури. Сучасна вакуумна техніка має в своєму розпорядженні потужні ротаційні насоси, здатні створити вакуум, при якому залишковий тиск не перевищує 0,001 мм рт ст., І струменеві дифузійні насоси, що створюють вакуум до 10в-7-10в-8 MM рт. ст.
Перегонку в вакуумі застосовують для отримання металів високої чистоти; Zn, Cd, Mg, Ca та ін. Зазвичай працюють при тисках, трохи перевищують пружність пара переганяється металу в точці його плавлення. Тоді переганяючи рідкий метал, отримують твердий конденсат, що дозволяє застосувати дуже просту конструкцію приладу для дистиляції, зображену на рис. 24. Прилад являє собою циліндр, в нижній частині якого знаходиться посудина з рідким переганяти металом. Пари конденсуються в верхній частині циліндра на спеціальному складеному металевому циліндрі (конденсаторі) у вигляді кристалічної кірки, яку після закінчення процесу витягують разом з конденсатором. Перед нагріванням металу спочатку вакуумним насосом відкачують повітря з приладу, а потім час від часу відновлюють вакуум, що змінюється внаслідок натікання ззовні повітря через нещільності апаратури. Якщо прилад досить герметичний, то в процесі перегонки, оскільки при цьому не виділяються неконденсірующаяся гази, постійна робота вакуум-насоса не потрібна.

Описаний прилад вкрай простий, його виготовляють зі сталі пли жаростійких металевих сплавів. Що особливо важливо, його кришка і все уплотняющие - герметизуючі деталі охолоджуються водою, т. Е. Працюють при кімнатній температурі, Що допускає застосування вельми досконалих ущільнювачів - гуми, вакуумних замазок і т. Д. Застосування вакууму дозволяє очищати перегонкою при порівняно низьких температурах (700-900 °) такі хімічно активні і досить агресивні метали, як кальцій, магній, барій, перегонка за атмосферним тиску нездійсненна через неможливість підбору матеріал для апаратури.
Розглянемо особливості процесу випаровування в вакуумі.
Діаграма стану рідина - пар зі зниженням тиску мають той же характер, що і діаграми для атмосферного тиску, лише лінії рідини і пара переміщаються в область більш низьких температур. Звідси випливає, що ефективність поділу компонентів при випаровуванні їх розчину в вакуумі приблизно така ж, як і при атмосферному тиску, але здійснюється при більш низьких температурах; температура тим нижче, чим глибше застосовуваний вакуум. Особливість роботи в вакуумі є відсутність виносу дрібних крапель рідини разом з парами, завжди спостерігається при роботі під атмосферним тиском. При бурхливому кипінні рідини лопаються бульбашки піднімається з глибини рідини пара дають бризки, які несуться па рами в конденсатор і забруднюють дистилят. У вакуумі (досить глибокому) освіти бризок не відбувається, так як процес кипіння докорінно відрізняється від кипіння при атмосферному тиску. У вакуумі освіту пара йде тільки на поверхні рідини, бульбашки всередині рідини не утворюються, поверхня спокійна, що не вирує, отже, нe можуть виникнути бризки. Тому вакуумна дистиляція дає більш чистий дистилят, ніж дистиляція при атмосферному тиску.
Покажемо на прикладі особливість процесу кипіння у вакуумі. Нехай в одному випадку вода в посудині з глибиною шару 250 мм кипить при- атмосферному тиску (760 мм рт. Ст.). Тоді пара, що виділяється з поверхні води, для подолання зовнішнього тиску повинен мати атмосферний тиск (760 мм рт. Ст.), Яке розвивається при температурі поверхні води 100 °. Бульбашка пара, що утворюється на дні посудини, повинен мати більший тиск, так як, окрім тиску атмосфери, йому потрібно подолати гідростатичний тиск стовпа води заввишки 250 мм, що відповідає надлишку тиску в 18 мм рт. ст. Таким чином, пара, що виділяється з дна посудини, повинен мати тиск 760 + 18 \u003d 778 мм рт. ст .. чому відповідає температура води на дні посудини 100,6 °. Такий невеликий перегрів води на дні (0,6 °) цілком реальний, і процес кипіння йде так, що пара утворюється у всій масі шару. Вода енергійно кіпіт.і утворює бризки при руйнуванні бульбашок на поверхні.
Тепер розглянемо кипіння того ж шару води в вакуумі 4,58 мм рт. ст. Для кипіння поверхневий шар води повинен мати температуру 0 °, при якій пружність насиченої пари дорівнює 4,58 мм рт. ст. Бульбашка, що утворюється на дні, повинен подолати гідростатичний тиск стовпа води в 250 мм, що відповідає тиску 18 мм рт. ст., і мати загальний тиск 4,58 + 18 \u003d 22,58 мм рт. ст. Такий тиск насиченої пари вода буде мати при температурі ~ 23 °, т. Е. Щоб бульбашка пара міг утворитися на дні посудини, необхідно мати у дна температуру 23 °. Такої різниці між температурами у дна і на поверхні отримати неможливо, так як цього перешкодять конвекційні струми. Отже, бульбашки в глибині шару рідини утворюватися не будуть і пароутворення буде здійснюватися тільки з поверхні рідини.
Металеві розплави мають високу теплопровідність, що перешкоджає місцевого перегріву рідини, а отже, і кипіння з утворенням бульбашок.
Поки тиск в приладі не стане дуже малим, між поверхнею рідини і парою йде обмін молекулами і встановлюється рухлива рівновага рідина - пар. До конденсатора тече звичайний газовий потік пара і результати процесу перегонки визначаються діаграмою стану рідина - пар.
Якщо тиск в приладі настільки мало, що довжина вільного пробігу молекул стає більше розмірів приладу, характер процесу перегонки докорінно змінюється.
У цих умовах ніякого обміну молекулами між парами і рідиною немає, рухлива рівновага рідина - пара не встановлюється і діаграма стану рідина - пар процес випаровування не описує. Звичайній газовій струп між випарником і конденсатором. He утворюється, що відокремилися від поверхні рідини молекули пара слідують за прямолінійним шляху, без зіткнення з іншими молекулами, потрапляють на холодну поверхню конденсатора і там залишаються - конденсуються; процес випаровування повністю не звернемо і має характер молекулярного випаровування. Результат дистиляції визначається швидкістю випаровування, що залежить від роду матеріалу, який випаровується речовини і температури і незалежної від зовнішнього тиску в системі, якщо цей тиск досить мало. Швидкість випаровування в цих умовах може бути розрахована за формулою Ленгмюра:

Прийнявши за швидкість випаровування масу речовини, яка випаровується в секунду з одиниці поверхні, висловивши пружність пара р в міліметрах ртутного стовпа і замінивши величини R і π їх чисельними значеннями, отримаємо рівняння (III, 13) в іншій формі, зручній для практичних розрахунків:

При молекулярному випаровуванні можуть бути розділені речовини з однаковою пружністю пара, якщо їх молекулярні ваги різні, що доведено дослідами з розділення ізотопів.

17.10.2019

У російському сегменті бізнес Hoffmann-group процвітає. Партнерам групи компаній вдається рік від року збільшувати в РФ обсяги реалізації ....

17.10.2019

Пластмаса є практичним і дешевим матеріалом. Цим обумовлюється її широке застосування у виробництві речей. Однак і у неї є недоліки ....

17.10.2019

Нержавіючий метал широко застосовується в різних сферах промисловості і будівництва. Металопрокат та вироби з нього використовують підприємства суднобудування і ...

17.10.2019

В'язальний дріт являє собою будівельний матеріал у вигляді тонкої нитки, для виготовлення якого застосовується гуркотів низкоуглеродистую сталь, що піддаються ...

17.10.2019

Виготовляють пробкові панелі з натурального матеріалу. Для цього використовується кора дуба (корковий дуб росте на півночі Африки і в деяких районах південної ...

17.10.2019

Господарська діяльність людини часто підсилює процес природної ерозії грунту. Поступово змінюється рельєф, створюються канали, змінюють напрямок річки, кювети ...

17.10.2019

Функції етикеток можуть бути різними. Після наклейки на товар вони стають джерелом даних про виробника і продукції, використовуються як засіб просування та ...

\u003e\u003e Фізика: Залежність тиску насиченої пари від температури. кипіння

Рідина не тільки випаровується. При деякій температурі вона кипить.
Залежність тиску насиченої пари від температури. Стан насиченої пари, як показує досвід (ми говорили про це в попередньому параграфі), наближено описується рівнянням стану ідеального газу (10.4), а його тиск визначається формулою

З ростом температури тиск зростає. Так як тиск насиченої пари не залежить від об'єму, то, отже, воно залежить тільки від температури.
Однак залежність р н.п. від Т, Знайдена експериментально, не є прямо пропорційною, як у ідеального газу при постійному обсязі. Зі збільшенням температури тиск реального насиченого пара зростає швидше, ніж тиск ідеального газу ( рис.11.1, Ділянка кривої АВ). Це стає очевидним, якщо провести ізохорами ідеального газу через точки А і В (Штрихові прямі). Чому це відбувається?

При нагріванні рідини в закритій посудині частина рідини перетворюється в пар. В результаті згідно з формулою (11.1) тиск насиченої пари зростає не тільки внаслідок підвищення температури рідини, але і внаслідок збільшення концентрації молекул (щільності) пара. В основному збільшення тиску при підвищенні температури визначається саме збільшенням концентрації. Головна відмінність в поведінці ідеального газу і насиченої пари полягає в тому, що при зміні температури пара в закритій посудині (або при зміні обсягу при постійній температурі) змінюється маса пари. Рідина частково перетворюється на пару, або, навпаки, пар частково конденсується. З ідеальним газом нічого подібного не відбувається.
Коли вся рідина випарується, пар при подальшому нагріванні перестане бути насиченим і його тиск при постійному обсязі буде зростати прямо пропорційно абсолютній температурі (див. рис.11.1, Ділянка кривої ВС).
. У міру збільшення температури рідини інтенсивність випаровування збільшується. Нарешті, рідина починає кипіти. При кипінні по всьому об'єму рідини утворюються швидко зростаючі бульбашки пара, які спливають на поверхню. Температура кипіння рідини залишається постійною. Це відбувається тому, що вся що підводиться до рідини енергія витрачається на перетворення її в пару. За яких умов починається кипіння?
У рідині завжди присутні розчинені гази, що виділяються на дні і стінках посудини, а також на зважених в рідини порошинки, які є центрами пароутворення. Пари рідини, що знаходяться всередині бульбашок, є насиченими. Зі збільшенням температури тиск насиченої пари зростає і бульбашки збільшуються в розмірах. Під дією сили, що виштовхує вони спливають вгору. Якщо верхні шари рідини мають більш низьку температуру, То в цих шарах відбувається конденсація пари в бульбашках. Тиск стрімко падає, і бульбашки закриваються. Закриття відбувається настільки швидко, що стінки бульбашки, стикаючись, роблять щось на зразок вибуху. Безліч таких мікровзривов створює характерний шум. Коли рідина достатньо прогріється, бульбашки перестануть закриватися і спливуть на поверхню. Рідина закипить. Поспостерігайте уважно за чайником на плиті. Ви виявите, що перед закипанням він майже перестає шуміти.
Залежність тиску насиченої пари від температури пояснює, чому температура кипіння рідини залежить від тиску на її поверхню. Бульбашка пара може рости, коли тиск насиченої пари всередині нього трохи перевершує тиск в рідині, що складається з тиску повітря на поверхню рідини (зовнішній тиск) і гідростатичного тиску стовпа рідини.
Звернемо увагу на те, що випаровування рідини відбувається при температурах, менших температури кипіння, і тільки з поверхні рідини, при кипінні освіту пара відбувається по всьому об'єму рідини.
Кипіння починається при температурі, при якій тиск насиченої пари в бульбашках порівнюється з тиском у рідині.
Чим більше зовнішній тиск, тим вище температура кипіння. Так, в паровому котлі при тиску, що досягає 1,6 10 6 Па, вода не кипить і при температурі 200 ° С. В медичних установах в герметично закритих судинах - автоклавах ( рис.11.2) Кипіння води також відбувається при підвищеному тиску. Тому температура кипіння рідини значно вище 100 ° С. Автоклави застосовують для стерилізації хірургічних інструментів та ін.

І навпаки, зменшуючи зовнішній тиск, ми тим самим знижуємо температуру кипіння. Відкачуючи насосом повітря і пари води з колби, можна змусити воду кипіти при кімнатній температурі ( ріс.11.3). При підйомі в гори атмосферний тиск зменшується, тому зменшується температура кипіння. На висоті 7134 м (пік Леніна на Памірі) тиск наближено дорівнює 4 10 4 Па (300 мм рт. Ст.). Вода кипить там приблизно при 70 ° С. Зварити м'ясо в цих умовах неможливо.

У кожної рідини своя температура кипіння, яка залежить від тиску її насиченої пари. Чим вище тиск насиченої пари, тим нижче температура кипіння рідини, так як при менших температурах тиск насиченої пари стає рівним атмосферному. Наприклад, при температурі кипіння 100 ° С тиск насичених парів води одно 101 325 Па (760 мм рт. Ст.), А пари ртуті - всього лише 117 Па (0,88 мм рт. Ст.). Кипить ртуть при температурі 357 ° С при нормальному тиску.
Рідина закипає, коли тиск її насиченої пари стає дорівнює тиску всередині рідини.

???
1. Чому температура кипіння зростає зі збільшенням тиску?
2. Чому для кипіння істотно підвищення тиску насиченої пари в бульбашках, а не підвищення тиску наявного в них повітря?
3. Як змусити закипіти рідина, охолоджуючи посудину? (Питання це непросте.)

Г.Я.Мякішев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотскій, Фізика 10 клас

зміст уроку конспект уроку опорний каркас презентація уроку акселеративного методи інтерактивні технології Практика завдання і вправи самоперевірка практикуми, тренінги, кейси, квести домашні завдання дискусійні питання риторичні питання від учнів ілюстрації аудіо-, відео- та мультимедіа фотографії, картинки графіки, таблиці, схеми гумор, анекдоти, приколи, комікси притчі, приказки, кросворди, цитати додатки реферати статті фішки для допитливих шпаргалки підручники основні і додаткові словник термінів інші Удосконалення підручників та уроків виправлення помилок в підручнику оновлення фрагмента в підручнику елементи новаторства на уроці заміна застарілих знань новими Тільки для вчителів ідеальні уроки календарний план на рік методичні рекомендації програми обговорення інтегровані уроки

Якщо у вас є виправлення або пропозиції до даного уроку,

Ви коли-небудь залишали пляшку води на кілька годин під палючим сонцем і чули «шиплячий» звук, відкриваючи її? Цей звук викликаний тиском пара. У хімії тиск пара - це тиск, який чиниться парами рідини, яка випаровується в герметично закритій посудині. Щоб знайти тиск пари при даній температурі, скористайтеся рівнянням Клапейрона-Клаузіуса:.

кроки

Використовуючи рівняння Клапейрона-Клаузіуса

Запишіть рівняння Клапейрона-Клаузіуса, яке використовується для розрахунку тиску пара при його зміні з плином часу. Цю формулу можна використовувати в більшості фізичних і хімічних задач. Рівняння виглядає наступним чином: ln (P1 / P2) \u003d (ΔH vap / R) ((1 / T2) - (1 / T1)), Де:

Підставте в рівняння Клапейрона-Клаузіуса дані вам значення величин. У більшості завдань даються два значення температури і значення тиску або два значення тиску і значення температури.

• Наприклад, в посудині знаходиться рідина при температурі 295 К, а тиск її парів дорівнює 1 атмосфері (1 атм). Знайдіть тиск парів при температурі 393 K. Тут вам дано два значення температури і значення тиску, тому ви можете знайти інше значення тиску за допомогою рівняння Клапейрона-Клаузіуса. Підставивши дані вам значення в формулу, ви отримаєте: ln (1 / P2) \u003d (ΔH vap / R) ((1/393) - (1/295)).
• Зверніть увагу, що в рівнянні Клапейрона-Клаузіуса температура завжди вимірюється в кельвінах, а тиск в будь-яких одиницях вимірювання (але вони повинні бути однаковими для Р1 і Р2).

1. Підставте константи. Рівняння Клапейрона-Клаузіуса містить дві константи: R і ΔH vap. R завжди дорівнює 8,314 Дж / (К × моль). Значення ΔH vap (ентальпія випаровування) залежить від речовини, тиск парів якого ви намагаєтеся знайти; цю константу, як правило, можна знайти в таблиці в підручниках з хімії або на сайтах (наприклад,).

   • У нашому прикладі припустимо, що в посудині знаходиться вода. ΔH vap води дорівнює 40,65 кДж / моль або дорівнює 40650 Дж / моль.
   • Підставте константи в формулу і отримаєте: ln (1 / P2) \u003d (40650/8314) ((1/393) - (1/295)).

2. Розв'яжіть рівняння за допомогою алгебраїчних операцій.

   • У нашому прикладі невідома змінна знаходиться під знаком натурального логарифма (ln). Для позбавлення від натурального логарифма перетворите обидві сторони рівняння в ступінь математичної константи «е». Іншими словами, ln (x) \u003d 2 → e ln (x) \u003d e 2 → x \u003d e 2.
   • Тепер вирішите рівняння:
   • ln (1 / P2) \u003d (40650 / 8,314) ((1/393) - (1/295))
   • ln (1 / P2) \u003d (4889,34) (- 0,00084)
   • (1 / P2) \u003d e (-4,107)
   • 1 / P2 \u003d 0,0165
   • P2 \u003d 0.0165 -1 \u003d 60,76 атм. Це має сенс, тому що підвищення температури в герметично закритій посудині на 100 градусів призведе до збільшення пароутворення, що значно збільшить тиск пара.

   Обчислення тиску пара в розчинах

   1. Запишіть закон Рауля. В реальному житті чисті рідини зустрічаються рідко; часто ми маємо справу з розчинами. Розчин виходить при додаванні невеликої кількості певного хімічної речовини, званого «розчинена речовина», в велика кількість іншої хімічної речовини, званого «розчинник». У випадках розчинів користуйтеся законом Рауля:, де:

      • P розчин - тиск парів розчину.
      • P розчинник - тиск парів розчинника.
      • X розчинник - молярна частка розчинника.
      • Якщо ви не знаєте, що таке «молярна частка», читайте далі.

   2. Визначте, яка речовина буде розчинником, а яке - розчиненим речовиною. Нагадаємо, що розчинена речовина - це речовина, розчиняється в розчиннику, а розчинник - це речовина, що розчиняє розчинена речовина.

      Знайдіть температуру розчину, так як вона буде впливати на тиск його пари. Чим вище температура, тим вище тиск парів, так як з ростом температури зростає пароутворення.

      • У нашому прикладі припустимо, що температура сиропу дорівнює 298 K (близько 25 ° С).

   3. Знайдіть тиск парів розчинника. У довідниках з хімії наводяться значення тиску парів багатьох поширених хімічних речовин, Але, як правило, такі значення дані при температурі речовин в 25 ° С / 298 К або при їх температурах кипіння. Якщо в задачі вам дано такі температури, використовуйте значення з довідників; в інакше вам необхідно обчислити тиск парів при даній температурі речовини.

      Знайдіть мольну частку розчинника. Для цього знайдіть відношення числа молей речовини до загальної кількості молей всіх речовин, наявних в розчині. Іншими словами, молярна частка кожного речовини дорівнює (число молей речовини) / (загальне число молей всіх речовин).

   4. Тепер підставте дані і знайдені значення величин в рівняння Рауля, наведене на початку цього розділу ( P розчин \u003d P розчинник X розчинник).

      • У нашому прикладі:
      • P розчин \u003d (23,8 мм рт. Ст.) (0,947)
      • P розчин \u003d 22,54 мм рт. ст. Це має сенс, тому що в великій кількості води розчинено невелика кількість цукру (якщо вимірювати в молях; в літрах їх кількість однаково), тому тиск парів незначно зменшиться.

   Обчислення тиску пара в особливих випадках

   1. Визначення стандартних умов. Найчастіше в хімії використовуються значення температури і тиску як свого роду значення «за замовчуванням». Такі значення називаються стандартними температурою і тиском (або стандартними умовами). У завданнях на тиск пара часто згадуються стандартні умови, тому краще запам'ятати стандартні значення:

      • Температура: 273,15 K / 0˚C / 32 F
      • Тиск: 760 мм рт.ст. / 1 \u200b\u200bатм. / 101,325 кПа

   2. Перепишіть рівняння Клапейрона-Клаузіуса так, щоб знайти інші змінні. У першому розділі цієї статті було показано, як обчислювати тиску парів чистих речовин. Однак не у всіх завданнях потрібно знайти тиск P1 або P2; у багатьох задачах потрібно обчислити температуру або значення ΔH vap. У таких випадках перепишіть рівняння Клапейрона-Клаузіуса, відокремити невідому величину на одній стороні рівняння.

      • Наприклад, дана невідома рідина, тиск пара якої дорівнює 25 торр при 273 К і 150 Торр при 325 К. Потрібно знайти ентальпію випаровування цієї рідини (тобто ΔH vap). Вирішення цього завдання:
      • ln (P1 / P2) \u003d (ΔH vap / R) ((1 / T2) - (1 / T1))
      • (Ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) \u003d (ΔH vap / R)
      • R × (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) \u003d ΔH vap Тепер підставте дані вам значення:
      • 8,314 Дж / (K × моль) × (-1,79) / (- 0,00059) \u003d ΔH vap
      • 8,314 Дж / (K × моль) × 3033,90 \u003d ΔH vap \u003d 25223,83 Дж / моль

   3. Врахуйте тиску пара розчиненої речовини. У нашому прикладі з другого розділу цієї статті розчинена речовина - цукор - не випаровується, але якщо розчинена речовина виробляє пар (випаровується), тиск такого пара слід врахувати. Для цього скористайтеся модифікованим видом рівняння Рауля: P розчин \u003d Σ (P речовина X речовина), де символ Σ (сигма) означає, що необхідно скласти значення тисків парів всіх речовин, з яких складається розчин.

      • Наприклад, розглянемо розчин, що складається з двох хімічних речовин: бензолу і толуолу. Загальний обсяг розчину 120 мілілітрів (мл); 60 мл бензолу і 60 мл толуолу. Температура розчину дорівнює 25 ° С, а тиск парів при 25 ° С дорівнює 95,1 мм рт.ст. для бензолу і 28,4 мм рт.ст. для толуолу. Необхідно обчислити тиск парів розчину. Ми можемо зробити це за допомогою щільності речовин, їх молекулярних мас і значень тиску парів:
      • Маса (бензол): 60 мл \u003d 0,06 л × 876,50 кг / 1000 л \u003d 0,053 кг \u003d 53 г
      • Маса (толуол): 0,06 л × 866,90 кг / 1000 л \u003d 0,052 кг \u003d 52 г
      • Моль (бензол): 53 г × 1 моль / 78,11 г \u003d 0,679 моль
      • Моль (толуол): 52 г × 1 моль / 92,14 г \u003d 0,564 моль
      • Загальна кількість молей: 0,679 + 0,564 \u003d 1,243
      • Молярна частка (бензол): 0,679 / 1,243 \u003d 0,546
      • Молярна частка (толуол): 0,564 / 1,243 \u003d 0,454
      • Рішення: P розчин \u003d P бензол X бензол + P толуол X толуол
      • P розчин \u003d (95,1 мм рт. Ст.) (0,546) + (28,4 мм рт. Ст.) (0,454)
      • P розчин \u003d 51,92 мм рт. ст. + 12,89 мм рт. ст. \u003d 64,81 мм рт. ст.
   • Для використання рівняння Клапейрона Клаузиуса температура повинна бути вказана в градусах Кельвіна (позначається К). Якщо у вас дана температура за Цельсієм, необхідно конвертувати її за допомогою такої формули: T k \u003d 273 + T c
   • Описаний вище метод працює, тому що енергія прямо пропорційна кількості тепла. Температура рідини є єдиним фактором довкілля, Від якої залежить тиск парів.