منحنى التبخر والتكثيف. انتقالات المرحلة. الذوبان والتبلور

ثيمات استخدام المبرمج : التغيير الدول الإجماليةالمواد ، الذوبان والتبلور ، التبخر والتكثيف ، غليان السائل ، تغير الطاقة في انتقالات الطور.

الثلج والماء وبخار الماء أمثلة على ثلاثة الدول الإجماليةالمواد: الصلبة والسائلة والغازية. في أي حالة تجمع هذه المادة - يعتمد على درجة حرارتها والظروف الخارجية الأخرى التي توجد فيها.

عندما تتغير الظروف الخارجية (على سبيل المثال ، إذا زادت الطاقة الداخلية للجسم أو نقصت نتيجة للتدفئة أو التبريد) ، يمكن أن تحدث انتقالات المرحلة - تغييرات في الحالات الكلية لمادة الجسم. سنكون مهتمين بما يلي انتقالات المرحلة.

ذوبان(سائل صلب) و بلورة(سائل صلب).
تبخير(بخار سائل) و تركيز(سائل بخار).

الذوبان والتبلور

معظم المواد الصلبة بلوري، بمعنى آخر. يملك شعرية الكريستال- ترتيب محدد بدقة ، يتكرر بشكل دوري في الفضاء لجزيئاته.

تجعل الجسيمات (الذرات أو الجزيئات) من مادة صلبة بلورية اهتزازات حرارية بالقرب من مواضع التوازن الثابتة - العقد شعرية الكريستال.

على سبيل المثال ، عقد الشبكة البلورية ملح الطعام- هذه هي قمم الخلايا المكعبة "للورق المربّع ثلاثي الأبعاد" (انظر الشكل 1 ، حيث تمثل الكرات الأكبر حجمًا ذرات الكلور (صورة من الموقع en.wikipedia.org.)) ؛ إذا تركت الماء يتبخر من محلول الملح ، فسيكون الملح المتبقي كومة من المكعبات الصغيرة.

أرز. 1. كريستال شعرية

ذوبانيسمى تحويل مادة صلبة بلورية إلى سائل. يمكنك إذابة أي جسم - لهذا تحتاج إلى تسخينه نقطة الانصهارالذي يعتمد فقط على جوهر الجسم وليس على شكله أو حجمه. يمكن تحديد نقطة انصهار مادة معينة من الجداول.

على العكس من ذلك ، إذا تم تبريد السائل ، فسوف يتحول عاجلاً أم آجلاً إلى حالة صلبة. يسمى تحول السائل إلى مادة صلبة بلورية بلورةأو تصلب. وبالتالي ، فإن الذوبان والتبلور عمليتان عكسيتان.

تسمى درجة الحرارة التي يتبلور عندها السائل درجة حرارة التبلور. اتضح أن درجة حرارة التبلور تساوي درجة حرارة الانصهار: يمكن أن تحدث كلتا العمليتين عند درجة الحرارة هذه. لذلك ، عندما يذوب الجليد ، ويتبلور الماء ؛ ماذا بالضبطيحدث في كل حالة محددة - يعتمد على الظروف الخارجية (على سبيل المثال ، ما إذا كان يتم توفير الحرارة للمادة أو إزالتها منها).

كيف يحدث الذوبان والتبلور؟ ما هي آليتهم؟ لفهم جوهر هذه العمليات ، دعونا نفكر في الرسوم البيانية لاعتماد درجة حرارة الجسم في الوقت المناسب عندما يتم تسخينها وتبريدها - ما يسمى بالرسوم البيانية للذوبان والتبلور.

مخطط الانصهار

لنبدأ بالرسم البياني للذوبان (الشكل 2). دع في اللحظة الأولى من الزمن (نقطة على الرسم البياني) يكون الجسم بلوريًا وله درجة حرارة معينة.

أرز. 2. ذوبان الرسم البياني

ثم تبدأ الحرارة في إمداد الجسم (على سبيل المثال ، تم وضع الجسم في فرن صهر) ، وترتفع درجة حرارة الجسم إلى قيمة - نقطة انصهار المادة المعينة. هذا قسم مؤامرة.

في المنطقة يتلقى الجسم كمية من الحرارة

أين هي الحرارة النوعية لمادة صلبة ، هي كتلة الجسم.

عندما يتم الوصول إلى درجة حرارة الانصهار (عند النقطة) ، يتغير الوضع نوعياً. على الرغم من استمرار توفير الحرارة ، تظل درجة حرارة الجسم دون تغيير. يحدث في الموقع ذوبانالجسم - انتقاله التدريجي من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة. داخل المنطقة لدينا خليط من المواد الصلبة والسائلة ، وكلما اقتربنا من النقطة ، قلت البقايا الصلبة وظهر المزيد من السائل. أخيرًا ، في مرحلة ما ، لم يتبق شيء من الجسم الصلب الأصلي: لقد تحول تمامًا إلى سائل.

تتوافق المنطقة مع زيادة تسخين السائل (أو ، كما يقولون ، إنصهار). في هذا القسم ، يمتص السائل كمية الحرارة

أين هي السعة الحرارية النوعية للسائل.

لكننا الآن مهتمون أكثر بقسم المرحلة الانتقالية. لماذا لا تتغير درجة حرارة الخليط في هذا القسم؟ الحرارة مشتعلة!

دعنا نعود إلى بداية عملية التسخين. الزيادة في درجة حرارة جسم صلب في قسم ما هي نتيجة زيادة شدة اهتزازات جسيماتها في عُقد الشبكة البلورية: تزداد الحرارة المزودة حركيةطاقة جزيئات الجسم (في الواقع ، يتم إنفاق جزء من الحرارة المدخلة على القيام بعمل لزيادة متوسط ​​المسافات بين الجسيمات - كما نعلم ، تتمدد الأجسام عند تسخينها. ومع ذلك ، هذا الجزء صغير جدًا بحيث يمكنه يتم تجاهله.).

يتم فك الشبكة البلورية أكثر فأكثر ، وعند درجة حرارة الانصهار ، يصل نطاق التذبذبات إلى القيمة الحدية التي لا تزال عندها قوى الجذب بين الجسيمات قادرة على ضمان ترتيبها المرتب بالنسبة لبعضها البعض. يبدأ الجسم الصلب في "التصدع عند اللحامات" ، وتؤدي زيادة التسخين إلى تدمير الشبكة البلورية - هكذا يبدأ الذوبان في المنطقة.

من هذه اللحظة فصاعدًا ، تذهب كل الحرارة الموفرة إلى عمل كسر الروابط التي تحمل الجسيمات في عقد الشبكة البلورية ، أي. لارتفاع محتملطاقة الجسيمات. تظل الطاقة الحركية للجسيمات كما هي ، لذلك لا تتغير درجة حرارة الجسم. عند هذه النقطة ، يختفي الهيكل البلوري تمامًا ، ولا يوجد شيء آخر يمكن تدميره ، وتزداد الحرارة المزودة مرة أخرى لزيادة الطاقة الحركية للجسيمات - لتسخين الذوبان.

الحرارة النوعية للانصهار

لذلك ، من أجل تحويل مادة صلبة إلى سائل ، لا يكفي نقلها إلى نقطة الانصهار. من الضروري بالإضافة إلى ذلك (بالفعل عند درجة حرارة الانصهار) نقل كمية معينة من الحرارة إلى الجسم من أجل التدمير الكامل للشبكة البلورية (أي المرور عبر القسم).

تستخدم هذه الكمية من الحرارة لزيادة الطاقة الكامنة لتفاعل الجسيمات. لذلك ، فإن الطاقة الداخلية للذوبان عند النقطة أكبر من الطاقة الداخلية للمادة الصلبة عند النقطة بالقيمة.

تظهر التجربة أن القيمة تتناسب طرديا مع وزن الجسم:

معامل التناسب لا يعتمد على شكل وحجم الجسم وهو من خصائص المادة. يدعي حرارة محددة لانصهار مادة ما. يمكن العثور على الحرارة النوعية لانصهار مادة معينة في الجداول.

تساوي الحرارة النوعية للانصهار عدديًا كمية الحرارة المطلوبة لتحويل كيلوغرام واحد من مادة بلورية معينة إلى سائل ، يصل إلى نقطة الانصهار.

لذا ، فإن الحرارة النوعية لذوبان الجليد تساوي kJ / kg ، والرصاص - kJ / kg. نحن نرى أن تدمير الشبكة البلورية للجليد يتطلب طاقة مضاعفة تقريبًا! ينتمي الجليد إلى مواد ذات درجة حرارة عالية من الاندماج وبالتالي لا يذوب على الفور في الربيع (اتخذت الطبيعة تدابيرها الخاصة: إذا كان للجليد نفس درجة حرارة الانصهار المحددة مثل الرصاص ، فإن الكتلة الكاملة للجليد والثلج ستذوب مع الأول ذوبان الجليد ، وإغراق كل شيء حوله).

الرسم البياني التبلور

الآن دعونا نلقي نظرة على بلورة- عملية الذوبان العكسية. نبدأ من نقطة الشكل السابق. لنفترض أن تسخين المصهور توقف عند النقطة (تم إيقاف الفرن وتعرض المصهور للهواء). يظهر تغيير آخر في درجة حرارة الذوبان في الشكل. (3).

أرز. 3. رسم تبلور

يبرد السائل (مقطع) حتى تصل درجة حرارته إلى درجة حرارة التبلور ، والتي تتزامن مع نقطة الانصهار.

من هذه النقطة فصاعدًا ، تتوقف درجة حرارة المصهور عن التغير ، على الرغم من أن الحرارة لا تزال تتركه في الداخل بيئة. يحدث في الموقع بلورةتذوب - انتقالها التدريجي إلى الحالة الصلبة. داخل القسم ، لدينا مرة أخرى مزيج من المراحل الصلبة والسائلة ، وكلما اقتربنا من النقطة ، أصبحت المادة أكثر صلابة وأقل سائلًا. وأخيرًا ، عند هذه النقطة ، لا يبقى السائل على الإطلاق - لقد تبلور.

يتوافق القسم التالي مع التبريد الإضافي للجسم الصلب الناتج عن التبلور.

نحن مهتمون مرة أخرى بمنطقة انتقال الطور: لماذا تظل درجة الحرارة دون تغيير ، على الرغم من فقدان الحرارة؟

دعنا نعود إلى النقطة. بعد توقف الإمداد الحراري ، تنخفض درجة حرارة المصهور ، حيث تفقد جزيئاته تدريجياً الطاقة الحركية نتيجة التصادم مع الجزيئات البيئية وانبعاث الموجات الكهرومغناطيسية.

عندما تنخفض درجة حرارة الذوبان إلى درجة حرارة التبلور (نقطة) ، فإن جزيئاته سوف تتباطأ كثيرًا بحيث تكون قوى الجذب قادرة على "كشفها" بشكل صحيح ومنحها اتجاهًا متبادلًا محددًا بدقة في الفضاء. وبالتالي ، ستنشأ الظروف لتكوين شبكة بلورية ، وستبدأ في الواقع في التكون بسبب هروب إضافي للطاقة من الذوبان إلى الفضاء المحيط.

في الوقت نفسه ، ستبدأ عملية معاكسة لإطلاق الطاقة: عندما تأخذ الجسيمات أماكنها في عُقد الشبكة البلورية ، تنخفض طاقتها الكامنة بشكل حاد ، بسبب زيادة طاقتها الحركية - السائل المتبلور هو مصدر للحرارة (غالبًا ما ترى طيورًا جالسة بالقرب من حفرة الجليد. فهي تدفئ نفسها هناك!). الحرارة المنبعثة أثناء التبلور تعوض تمامًا عن فقدان الحرارة للبيئة ، وبالتالي لا تتغير درجة الحرارة في المنطقة.

عند هذه النقطة ، يختفي الذوبان ، ومع اكتمال التبلور ، يختفي أيضًا "المولد" الداخلي للحرارة. بسبب التبديد المستمر للطاقة في البيئة الخارجية ، سيستأنف الانخفاض في درجة الحرارة ، ولكن فقط الجسم الصلب المتكون بالفعل (القسم) سوف يبرد.

كما تظهر التجربة ، أثناء التبلور ، بالضبط نفس الشيءكمية الحرارة التي تم امتصاصها أثناء الذوبان في الموقع.

التبخير والتكثيف

تبخيرهو انتقال السائل إلى الحالة الغازية بخار). هناك نوعان من التبخير: التبخر والغليان.

عن طريق التبخريسمى التبخر ، والذي يحدث في أي درجة حرارة من السطح الحرالسوائل. كما تتذكر من نشرة البخار المشبع ، فإن سبب التبخر هو إطلاق أسرع الجزيئات من السائل ، والتي تكون قادرة على التغلب على قوى الجذب بين الجزيئات. تشكل هذه الجزيئات بخارًا فوق سطح السائل.

تتبخر السوائل المختلفة بمعدلات مختلفة: فكلما زادت قوة جذب الجزيئات لبعضها البعض ، كلما قل عدد الجزيئات لكل وحدة زمنية سيكون قادرًا على التغلب عليها ويطير بها ، ويقل معدل التبخر. تتبخر الأثير والأسيتون والكحول بسرعة (تسمى أحيانًا السوائل المتطايرة) ، ويتبخر الماء بشكل أبطأ ، ويتبخر الزيت والزئبق بشكل أبطأ بكثير من الماء.

يزداد معدل التبخر مع زيادة درجة الحرارة (في الحرارة ، يجف الغسيل بشكل أسرع) ، حيث يزداد متوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئات السائل ، وبالتالي يزداد عدد الجزيئات السريعة التي يمكن أن تترك حدودها.

يعتمد معدل التبخر على مساحة سطح السائل: فكلما زادت المساحة ، زادت الجزيئات التي تصل إلى السطح ، ويستمر التبخر بشكل أسرع (لهذا السبب عند تعليق الغسيل يتم تقويمه بعناية).

بالتزامن مع التبخر ، تُلاحظ أيضًا العملية العكسية: جزيئات البخار ، التي تقوم بحركة عشوائية فوق سطح السائل ، تعود جزئيًا إلى السائل. التغيير من بخار إلى سائل يسمى تركيز.

يؤدي التكثيف إلى إبطاء تبخر السائل. لذلك ، في الهواء الجاف ، يجف الغسيل أسرع منه في الهواء الرطب. يجف أسرع في مهب الريح: تهب الرياح البخار ، ويكون التبخر أكثر كثافة.

في بعض الحالات ، قد يكون معدل التكثيف مساويًا لمعدل التبخر. ثم تقوم كلتا العمليتين بتعويض بعضهما البعض ويبدأ التوازن الديناميكي في: لا يتبخر السائل من الزجاجة محكمة الغلق لسنوات ، وفي هذه الحالة يوجد سائل فوق سطح السائل. بخار مشبع.

نلاحظ باستمرار تكاثف بخار الماء في الغلاف الجوي على شكل سحب وأمطار وندى في الصباح ؛ التبخر والتكثف هما اللذان يوفران دورة المياه في الطبيعة ، ويدعمان الحياة على الأرض.

نظرًا لأن التبخر هو خروج أسرع الجزيئات من السائل ، فإن متوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات السائلة ينخفض ​​أثناء عملية التبخر ، أي يبرد السائل. أنت تدرك جيدًا الشعور بالبرودة وأحيانًا البرودة (خاصة مع الرياح) عند خروجك من الماء: الماء ، يتبخر على كامل سطح الجسم ، يزيل الحرارة ، بينما تعمل الرياح على تسريع عملية التبخر ( من الواضح الآن سبب نفث الشاي الساخن. بالمناسبة ، من الأفضل أن تسحب الهواء إلى نفسك ، لأن الهواء المحيط الجاف يأتي بعد ذلك إلى سطح الشاي ، وليس الهواء الرطب من الرئتين ؛-)).

يمكن الشعور بالبرودة نفسها إذا قمت بتشغيل قطعة من القطن مبللة بمذيب متطاير (مثل الأسيتون أو مزيل طلاء الأظافر) على يدك. في درجات الحرارة الأربعين ، بسبب زيادة تبخر الرطوبة عبر مسام الجسم ، نحافظ على درجة حرارتنا عند المستوى الطبيعي ؛ بدون آلية التنظيم الحراري هذه ، في مثل هذه الحرارة سنموت ببساطة.

على العكس من ذلك ، أثناء عملية التكثيف ، يسخن السائل: عندما تعود جزيئات البخار إلى السائل ، يتم تسريعها بواسطة قوى الجذب من الجزيئات السائلة القريبة ، مما يؤدي إلى زيادة متوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات السائلة (قارن هذه الظاهرة بإطلاق الطاقة أثناء تبلور الذوبان!).

الغليان

الغليانهو التبخر الذي يحدث في جميع أنحاء المجلدالسوائل.

الغليان ممكن لأن كمية من الهواء تذوب دائمًا في السائل ، والذي وصل إلى هناك نتيجة الانتشار. عندما يتم تسخين السائل ، يتمدد هذا الهواء ، ويزداد حجم فقاعات الهواء تدريجياً وتصبح مرئية للعين المجردة (في وعاء من الماء ، تترسب القاع والجدران). يوجد داخل فقاعات الهواء بخار مشبع ، يزداد ضغطه ، كما تتذكر ، بسرعة مع زيادة درجة الحرارة.

كلما كبرت الفقاعات ، زادت قوة أرخميدس ، وفي لحظة معينة يبدأ فصل الفقاعات وصعودها. عند الصعود ، تدخل الفقاعات إلى طبقات السائل الأقل تسخينًا ؛ يتكثف البخار الموجود فيها وتتقلص الفقاعات مرة أخرى. يتسبب انهيار الفقاعات في حدوث ضوضاء مألوفة تسبق غليان الغلاية. أخيرًا ، بمرور الوقت ، يسخن السائل بالكامل بالتساوي ، وتصل الفقاعات إلى السطح وتنفجر ، وتطرد الهواء والبخار - يتم استبدال الضوضاء بالغرغرة ، ويغلي السائل.

وبالتالي ، تعمل الفقاعات "كموصلات" للبخار من داخل السائل إلى سطحه. أثناء الغليان ، جنبًا إلى جنب مع التبخر المعتاد ، هناك تحول للسائل إلى بخار في جميع أنحاء الحجم - التبخر في فقاعات الهواء ، يليه إزالة البخار إلى الخارج. هذا هو سبب تبخر السائل المغلي بسرعة كبيرة: الغلاية ، التي يتبخر منها الماء لعدة أيام ، سوف تغلي في غضون نصف ساعة.

على عكس التبخر الذي يحدث في أي درجة حرارة ، يبدأ السائل في الغليان فقط عندما يصل نقطة الغليان- بالضبط درجة الحرارة التي يمكن أن ترتفع عندها فقاعات الهواء وتصل إلى السطح. عند نقطة الغليان ، يصبح ضغط البخار المشبع مساويًا للضغط الخارجي على السائل(خاصه، الضغط الجوي). وفقًا لذلك ، كلما زاد الضغط الخارجي ، ارتفعت درجة الحرارة التي يبدأ عندها الغليان.

عند الضغط الجوي العادي (atm أو Pa) ، تكون نقطة غليان الماء. لذا ضغط بخار الماء المشبع عند درجة حرارة مساوية لـبنسلفانيا. يجب معرفة هذه الحقيقة لحل المشكلات - غالبًا ما يُفترض أنها معروفة افتراضيًا.

في الجزء العلوي من إلبروس ، يكون الضغط الجوي هو أجهزة الصراف الآلي ، وسيغلي الماء هناك عند درجة حرارة تبلغ. وتحت ضغط أجهزة الصراف الآلي ، سيبدأ الماء في الغليان فقط عند.

نقطة الغليان (عند الضغط الجوي العادي) هي قيمة محددة بدقة لسائل معين (نقاط الغليان الواردة في جداول الكتب المدرسية والكتب المرجعية هي نقاط غليان السوائل النقية كيميائياً. وجود الشوائب في السائل يمكن أن يغير نقطة الغليان ، لنفترض أن ماء الصنبور يحتوي على الكلور المذاب وبعض الأملاح ، لذلك قد تختلف درجة غليانه عند الضغط الجوي العادي قليلاً عن). لذلك ، يغلي الكحول عند ، الأثير - في ، الزئبق - عند. لاحظ أنه كلما زاد تقلب السائل ، انخفضت نقطة غليانه. في جدول نقاط الغليان ، نرى أيضًا أن الأكسجين يغلي عند. لذلك ، في درجات الحرارة العادية ، يكون الأكسجين غازًا!

نعلم أنه في حالة إزالة الغلاية من الحرارة ، سيتوقف الغليان على الفور - تتطلب عملية الغليان إمدادًا مستمرًا بالحرارة. في الوقت نفسه ، تتوقف درجة حرارة الماء في الغلاية عن التغير بعد الغليان ، وتبقى على حالها طوال الوقت. أين تذهب الحرارة المزودة؟

الوضع مشابه لعملية الذوبان: تذهب الحرارة لزيادة الطاقة الكامنة للجزيئات. في هذه الحالة ، للقيام بعمل إزالة الجزيئات إلى مسافات كهذه لن تتمكن قوى الجذب من إبقاء الجزيئات قريبة من بعضها البعض ، وسيمر السائل إلى الحالة الغازية.

مخطط الغليان

ضع في اعتبارك تمثيل رسومي لعملية تسخين السائل - ما يسمى ب مخطط الغليان(الشكل 4).

أرز. 4. جدول الغليان

الموقع يسبق بداية الغليان. في الموقع ، يغلي السائل ، تقل كتلته. عند هذه النقطة ، السائل يغلي تمامًا.

لتمرير المقطع ، أي لكي يتحول السائل الذي يتم إحضاره إلى نقطة الغليان تمامًا إلى بخار ، يجب إحضار كمية معينة من الحرارة إليه. تظهر التجربة أن كمية معينة من الحرارة تتناسب طرديًا مع كتلة السائل:

يسمى عامل التناسب الحرارة النوعية للتبخرالسوائل (عند نقطة الغليان). الحرارة النوعية للتبخير تساوي عدديًا كمية الحرارة التي يجب توفيرها لـ 1 كجم من السائل المأخوذ عند نقطة الغليان من أجل تحويله تمامًا إلى بخار.

وهكذا ، فإن الحرارة النوعية لتبخير الماء تساوي kJ / kg. من المثير للاهتمام مقارنتها بالحرارة النوعية لذوبان الجليد (كيلوجول / كجم) - الحرارة النوعية للتبخر أكبر بسبع مرات تقريبًا! هذا ليس مفاجئًا: بعد كل شيء ، بالنسبة لذوبان الجليد ، من الضروري فقط تدمير الترتيب المنظم لجزيئات الماء في عقد الشبكة البلورية ؛ بينما تظل المسافات بين الجزيئات كما هي تقريبًا. ولكن لتحويل الماء إلى بخار ، فإنك تحتاج إلى بذل المزيد من الجهد لكسر جميع الروابط بين الجزيئات وإزالة الجزيئات على مسافات كبيرة من بعضها البعض.

الرسم البياني التكثيف

تبدو عملية تكثيف البخار والتبريد اللاحق للسائل متناظرة على الرسم البياني لعملية التسخين والغليان. هنا هو ذات الصلة الرسم البياني التكثيفلحالة بخار الماء المئوي ، والذي غالبًا ما يصادف في المشاكل (الشكل 5).

أرز. 5. الرسم البياني التكثيف

عند النقطة لدينا بخار الماء عند. يوجد تكاثف في المنطقة ؛ داخل هذه المنطقة - خليط من البخار والماء في. لم يعد هناك بخار عند هذه النقطة ، لا يوجد سوى الماء عند هذه النقطة. الموقع هو تبريد هذه المياه.

تُظهر التجربة أنه عندما يتكثف بخار الكتلة (أي عند المرور عبر القسم) ، يتم إطلاق نفس الكمية بالضبط من الحرارة ، والتي يتم إنفاقها على تحويل كتلة السائل إلى بخار عند درجة حرارة معينة.

من أجل الاهتمام ، دعنا نقارن كميات الحرارة التالية:

التي يتم إطلاقها أثناء تكثيف g من بخار الماء ؛
، والتي يتم إطلاقها عندما يبرد الماء الناتج إلى درجة حرارة ، على سبيل المثال ،.

J ؛
ج.

تظهر هذه الأرقام بوضوح أن حرق البخار أسوأ بكثير من حرق الماء المغلي. عندما يلامس الماء المغلي الجلد ، يتم إطلاقه "فقط" (يبرد الماء المغلي). ولكن مع حرق البخار ، سيتم إطلاق قدر أكبر من الحرارة أولاً (مكثف بخار) ، ويتم تكوين ماء بدرجة مئوية ، وبعد ذلك ستضاف نفس القيمة عندما يبرد هذا الماء.

تسمى عملية تغيير المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية تبخير. يمكن إجراء التبخير في شكل عمليتين: تبخرو

تبخر

يحدث التبخر من سطح السائل عند أي درجة حرارة. لذلك ، تجف البرك عند 10 درجات مئوية ، وعند 20 درجة مئوية ، وعند 30 درجة مئوية. وبالتالي ، فإن التبخر هو عملية تحول مادة من حالة سائلة إلى حالة غازية ، تحدث من سطح سائل عند أي درجة حرارة.

من وجهة نظر بنية المادة ، يتم شرح تبخر السائل على النحو التالي. الجزيئات السائلة ، المشاركة في الحركة المستمرة ، لها سرعات مختلفة. أسرع الجزيئات الموجودة على حدود سطح الماء والهواء ولها طاقة عالية نسبيًا تتغلب على جاذبية الجزيئات المجاورة وتترك السائل. وهكذا ، فوق يتكون السائل بخار.

نظرًا لأن الجزيئات التي لها طاقة داخلية أعلى من طاقة الجزيئات المتبقية في السائل تطير من السائل أثناء التبخر ، فإن متوسط ​​السرعة ومتوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات السائلة ينخفض ​​، وبالتالي تنخفض درجة حرارة السائل.

معدل التبخرالسائل يعتمد على نوع السائل. وبالتالي ، فإن معدل تبخر الأثير أكبر من معدل تبخر الماء والزيت النباتي. بالإضافة إلى أن معدل التبخر يعتمد على حركة الهواء فوق سطح السائل. يمكن أن يكون الدليل أن الغسيل يجف في مهب الريح أسرع منه في مكان هادئ تحت نفس الظروف الخارجية.

معدل التبخريعتمد على درجة حرارة السائل. على سبيل المثال ، يتبخر الماء عند درجة حرارة 30 درجة مئوية أسرع من تبخر الماء عند درجة حرارة 10 درجة مئوية.

من المعروف جيدًا أن الماء الذي يُسكب في الصحن يتبخر أسرع من الماء الذي له نفس الكتلة والذي يُسكب في كوب. لذلك ، يعتمد ذلك على مساحة سطح السائل.

تركيز

تسمى عملية تغيير المادة من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة تركيز.

تحدث عملية التكثيف بالتزامن مع عملية التبخر. تشارك الجزيئات التي خرجت من السائل والموجودة فوق سطحه في حركة فوضوية. تتصادم مع جزيئات أخرى ، وفي وقت ما يمكن توجيه سرعاتها نحو سطح السائل ، وستعود الجزيئات إليه.

إذا كان الوعاء مفتوحًا ، فإن عملية التبخر تحدث بشكل أسرع من التكثيف ، وتقل كتلة السائل في الوعاء. يسمى البخار الذي يتكون فوق السائل غير مشبع .

إذا كان السائل في وعاء مغلق ، فسيكون عدد الجزيئات التي تغادر السائل في البداية أكبر من عدد الجزيئات العائدة إليه ، ولكن بمرور الوقت ستزداد كثافة البخار فوق السائل كثيرًا لدرجة أن عدد الجزيئات المغادرة سيصبح السائل مساويًا لعدد الجزيئات ، ويعود إليه. في هذه الحالة ، يحدث توازن ديناميكي للسائل مع بخاره.

يسمى البخار الذي يكون في حالة توازن ديناميكي مع سائله بخار مشبع .

إذا تم تسخين وعاء به سائل يحتوي على بخار مشبع ، فسيزداد عدد الجزيئات المنبعثة من السائل في البداية ويكون أكبر من عدد الجزيئات العائدة إليه. بمرور الوقت ، سيتم استعادة التوازن ، لكن كثافة البخار فوق السائل ، وبالتالي ، سيزداد ضغطه.

يتحول السائل إلى بخار (غاز) أثناء التبخر والغليان. يتم الجمع بين هذه العمليات تحت اسم واحد "التبخير" ، ولكن هناك فرق بين هذه العمليات.

يحدث التبخر باستمرار من السطح الحر لأي سائل. الطبيعة الفيزيائية للتبخر هي الهروب من سطح الجزيئات بسرعة عالية وطاقة حركية للحركة الحرارية. ثم يبرد السائل. في الصناعة ، يستخدم هذا التأثير في أبراج التبريد لتبريد الماء.

الغليان (مثل التبخر) هو انتقال مادة ما إلى حالة بخار ، ولكنه يحدث في جميع أنحاء الحجم الكامل للسائل وفقط عندما يتم تطبيق الحرارة على السائل. مع مزيد من التسخين ، تظل درجة حرارة السائل ثابتة ، ويستمر السائل في الغليان.

تعتمد نقطة الغليان على ضغط البخار فوق السائل ؛ ومع انخفاض الضغط ، تنخفض نقطة الغليان والعكس صحيح. عن طريق تقليل ضغط البخار فوق السائل ، يمكن خفض درجة غليان السائل إلى نقطة التجمد ، وباختيار المواد ذات الخصائص المرغوبة ، يمكن الحصول على أي درجة حرارة منخفضة تقريبًا.

كمية الحرارة المطلوبة لانتقال 1 كجم من السائل إلى حالة بخار تسمى الحرارة النوعية للتبخر صكيلو جول / كجم.

تسمى درجة الحرارة التي يحدث عندها التبخر بدرجة حرارة التشبع. يمكن أن يكون البخار رطبًا أو جافًا (بدون قطرات سائلة). قد يكون البخار شديد السخونة وتكون درجة حرارته أعلى من درجة حرارة التشبع.

تستخدم هذه العمليات في مبردات ضغط البخار. السائل المغلي هو مادة التبريد ، والجهاز الذي يغلي فيه ، والذي يأخذ الحرارة من المادة المبردة ، هو المبخر. يتم تحديد كمية الحرارة التي يتم توفيرها لسائل الغليان من خلال الصيغة:

أين م- كتلة السائل تتحول إلى بخار ؛ صهي حرارة التبخر.

تعتمد درجة غليان السائل على الضغط. يتضح هذا الاعتماد من خلال منحنى مرونة تشبع البخار.

بالنسبة إلى المبرد الأكثر شيوعًا في صناعة التبريد ، الأمونيا ، يظهر هذا المنحنى في الشكل. 3 ، والتي يمكن من خلالها ملاحظة أنه عند ضغط يساوي الغلاف الجوي (0.1 ميجا باسكال) ، فإن نقطة غليان الأمونيا تقابل -30 درجة مئوية ، وعند 1.2 ميجا باسكال - + 30 درجة مئوية.

يسمى تحويل البخار المشبع إلى سائل التكثيف ، والذي يحدث عند درجة حرارة التكثيف ، والتي تعتمد أيضًا على الضغط. التكثيف ودرجة الغليان عند ضغط معين مادة متجانسةهي نفسها. يستخدم هذا التأثير في المكثفات التبخرية لنقل حرارة التكثيف إلى الهواء.

تسامي

يمكن للمادة أن تنتقل من الحالة الصلبة مباشرة إلى البخار. هذه العملية تسمى التسامي. يتم إنفاق الحرارة الممتصة من الهواء المحيط للتغلب على قوى تماسك الجزيئات وتأثير الضغط الخارجي الذي يعيق هذه العملية.

في ظل الظروف العادية ، لا تتسامح العديد من المواد - ثاني أكسيد الكربون الصلب (الجليد الجاف) ، واليود ، والكافور ، وما إلى ذلك.

للتبريد والحصول على درجات حرارة منخفضة ، يتم استخدام الثلج الجاف ، والذي يوفر درجة حرارة -78.3 درجة مئوية عند الضغط الجوي ، ويمكن أن يصل خفض الضغط إلى -100 درجة مئوية.

>> الفيزياء: التبخر والتكثيف

أثناء التبخير ، تنتقل المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية (البخار). هناك نوعان من التبخير: التبخر والغليان.

تبخريحدث التبخر من السطح الحر للسائل.

كيف يحدث التبخر؟ نحن نعلم أن جزيئات أي سائل في حالة حركة مستمرة وفوضوية ، حيث يتحرك بعضها بشكل أسرع والبعض الآخر يتحرك بشكل أبطأ. قوى الجذب لبعضهم البعض تمنعهم من الطيران. ومع ذلك ، إذا ظهر جزيء له طاقة حركية كبيرة بما يكفي بالقرب من سطح السائل ، فيمكنه التغلب على قوى الجذب بين الجزيئات ويطير خارج السائل. سوف يتكرر نفس الشيء مع جزيء سريع آخر ، مع الجزيء الثاني والثالث وما إلى ذلك. عندما تطير للخارج ، تشكل هذه الجزيئات بخارًا فوق السائل. تشكيل هذا البخار هو التبخر.

نظرًا لأن أسرع الجزيئات تطير من السائل أثناء التبخر ، فإن متوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات المتبقية في السائل يصبح أصغر وأصغر. نتيجة ل تنخفض درجة حرارة السائل المتبخر: يبرد السائل. لهذا السبب ، على وجه الخصوص ، يشعر الشخص الذي يرتدي ملابس مبللة بالبرودة أكثر من الملابس الجافة (خاصة عندما يكون الجو عاصفًا).

في الوقت نفسه ، يعلم الجميع أنه إذا سكبت الماء في كوب وتركته على الطاولة ، فعلى الرغم من التبخر ، فلن يبرد باستمرار ، وسيصبح أكثر برودة أكثر فأكثر حتى يتجمد. ما الذي يمنع هذا؟ الجواب بسيط للغاية: التبادل الحراري للماء مع الهواء الدافئ المحيط بالزجاج.

يكون تبريد السائل أثناء التبخر أكثر وضوحًا عندما يحدث التبخر بسرعة كافية (بحيث لا يتوفر للسائل الوقت لاستعادة درجة حرارته بسبب التبادل الحراري مع البيئة). تتبخر السوائل المتطايرة بسرعة ، حيث تكون قوى الجذب بين الجزيئات صغيرة ، مثل الأثير والكحول والبنزين. إذا أسقطت مثل هذا السائل على يدك ، فسوف نشعر بالبرد. يتبخر هذا السائل من سطح اليد ، وسوف يبرد ويسحب منه بعض الحرارة.

تستخدم مواد التبخير على نطاق واسع في الهندسة. على سبيل المثال ، في تكنولوجيا الفضاء ، يتم طلاء مركبات الهبوط بهذه المواد. عند المرور عبر الغلاف الجوي للكوكب ، ترتفع درجة حرارة جسم الجهاز نتيجة الاحتكاك ، وتبدأ المادة التي تغطيه في التبخر. يؤدي التبخير إلى تبريد المركبة الفضائية ، وبالتالي إنقاذها من ارتفاع درجة الحرارة.

يستخدم تبريد الماء أثناء التبخر أيضًا في الأجهزة المستخدمة لقياس رطوبة الهواء - مقياس رطوبة الجو(من اليونانية "psychros" - الباردة). يتكون مقياس الضغط النفسي (الشكل 81) من مقياسين للحرارة. يُظهر أحدهما (جاف) درجة حرارة الهواء ، والآخر (خزانه مرتبط بالكامبريك ، ويتم إنزاله في الماء) - درجة حرارة منخفضة ، بسبب شدة تبخر الكامبريك الرطب. كلما كان الهواء الذي يتم قياس رطوبته أكثر جفافاً ، كان التبخر أقوى ، وبالتالي انخفضت قراءة البصيلة الرطبة. والعكس صحيح ، فكلما زادت رطوبة الهواء ، قل التبخر ، وبالتالي ارتفعت درجة الحرارة التي يظهرها مقياس الحرارة هذا. بناءً على قراءات موازين الحرارة الجافة والرطبة ، باستخدام جدول خاص (مقياس نفسي) ، يتم تحديد رطوبة الهواء ، معبرًا عنها بالنسبة المئوية. أعلى نسبة رطوبة هي 100٪ (عند هذه الرطوبة ، يظهر الندى على الأشياء). بالنسبة للفرد ، تعتبر الرطوبة الأفضل في حدود 40 إلى 60٪.

بمساعدة التجارب البسيطة ، من السهل إثبات أن معدل التبخر يزداد مع زيادة درجة حرارة السائل ، وكذلك مع زيادة مساحة سطحه الحرة وفي وجود الرياح.

لماذا يتبخر السائل بشكل أسرع في وجود الرياح؟ الحقيقة هي أنه في نفس الوقت مع التبخر على سطح السائل ، تحدث العملية العكسية - تركيز . يحدث التكثيف بسبب حقيقة أن جزءًا من جزيئات البخار ، يتحرك بشكل عشوائي فوق السائل ، ويعود إليه مرة أخرى. تحمل الرياح الجزيئات التي خرجت من السائل بعيدًا ولا تسمح لها بالعودة مرة أخرى.

يمكن أن يحدث التكثف أيضًا عندما لا يتلامس البخار مع السائل. إن التكثيف ، على سبيل المثال ، هو الذي يفسر تكوين الغيوم: جزيئات بخار الماء التي ترتفع فوق الأرض في الطبقات الباردة من الغلاف الجوي يتم تجميعها في قطرات صغيرة من الماء ، تكون تراكماتها عبارة عن غيوم. يؤدي تكثف بخار الماء في الغلاف الجوي أيضًا إلى هطول الأمطار والندى.

أثناء التبخر ، يبرد السائل ويصبح أكثر برودة من البيئة المحيطة ، ويبدأ في امتصاص طاقته. أثناء التكثيف ، على العكس من ذلك ، يتم إطلاق كمية معينة من الحرارة في البيئة ، وترتفع درجة حرارتها إلى حد ما.

؟؟؟ 1. ما نوعان من التبخر موجودان في الطبيعة؟ 2. ما هو تبخر؟ 3. ما الذي يحدد معدل تبخر السائل؟ 4. لماذا تنخفض درجة حرارة السائل أثناء التبخر؟ 5. كيف يمكنك منع هبوط المركبة الفضائية من الحرارة الزائدة أثناء مرورها عبر الغلاف الجوي للكوكب؟ 6. ما هو التكثيف؟ 7. ما هي الظواهر التي يفسرها تكثيف البخار؟ 8. ما هي الأداة المستخدمة لقياس رطوبة الهواء؟ كيف يتم ترتيبها؟

المهام التجريبية . 1. صب نفس الكمية من الماء في صحنين متطابقين (على سبيل المثال ، ثلاث ملاعق كبيرة لكل منهما). ضع أحد الصحن في مكان دافئ والآخر في مكان بارد. قم بقياس الوقت الذي يستغرقه الماء حتى يتبخر في كلا الصحنين. اشرح الفرق في معدل التبخر. 2. امص قطرة من الماء والكحول على ورقة. قم بقياس الوقت الذي يستغرقه التبخر. أي من هذه السوائل لديه قوة أقل جاذبية بين الجزيئات؟ 3. صب نفس الكمية من الماء في الكوب والصحن. قم بقياس الوقت الذي يستغرقه التبخر فيها. اشرح الفرق في معدل تبخره.

S.V. جروموف ، ن. الوطن الأم ، الفيزياء للصف الثامن

مقدم من القراء من مواقع الإنترنت

Sub> التقويم - التخطيط الموضوعي للفيزياء ، والاختبار عبر الإنترنت ، والتكليف لطالب الصف الثامن ، ودورات لمعلم الفيزياء للصف الثامن ، والمقالات وفقًا لـ المناهج الدراسية، واجبات منزلية

محتوى الدرس ملخص الدرسدعم إطار عرض الدرس بأساليب متسارعة تقنيات تفاعلية يمارس مهام وتمارين امتحان ذاتي ورش عمل ، تدريبات ، حالات ، أسئلة ، واجبات منزلية ، أسئلة مناقشة ، أسئلة بلاغية من الطلاب الرسوم التوضيحية مقاطع الصوت والفيديو والوسائط المتعددةصور ، صور ، رسومات ، جداول ، مخططات فكاهة ، نوادر ، نكت ، أمثال كاريكاتورية ، أقوال ، ألغاز كلمات متقاطعة ، اقتباسات الإضافات الملخصاترقائق المقالات لأوراق الغش الفضولي والكتب المدرسية الأساسية والإضافية معجم مصطلحات أخرى تحسين الكتب المدرسية والدروستصحيح الأخطاء في الكتاب المدرسيتحديث جزء في الكتاب المدرسي من عناصر الابتكار في الدرس واستبدال المعرفة القديمة بأخرى جديدة فقط للمعلمين دروس مثاليةخطة التقويم للسنة القواعد الارشاديةبرامج المناقشة دروس متكاملة

1. التبخر والتكثيف

تسمى عملية انتقال المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية بالتبخير ، وتسمى العملية العكسية لتحول المادة من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة التكثيف. هناك نوعان من التبخير - التبخر والغليان. ضع في اعتبارك أولاً تبخر السائل. التبخر هو عملية التبخر التي تحدث من السطح المفتوح للسائل عند أي درجة حرارة. من وجهة نظر النظرية الحركية الجزيئية ، يتم شرح هذه العمليات على النحو التالي. تتصادم جزيئات السائل ، التي تشارك في الحركة الحرارية ، مع بعضها البعض باستمرار. يؤدي هذا إلى اكتساب البعض منهم طاقة حركية كافية للتغلب على الجذب الجزيئي. هذه الجزيئات ، التي تكون على سطح السائل ، تطير منه وتشكل بخارًا (غازًا) فوق السائل. جزيئات البخار تتحرك بشكل عشوائي ، وتضرب سطح السائل. في هذه الحالة ، يمكن أن يتحول بعضها إلى سائل. تحدث هاتان العمليتان لإخراج جزيئات السائل وعودتها العكسية إلى السائل في وقت واحد. إذا كان عدد الجزيئات الخارجة أكبر من عدد الجزيئات العائدة ، فإن كتلة السائل تتناقص ، أي يتبخر السائل ، إذا كان العكس صحيحًا ، تزداد كمية السائل ، أي يحدث تكثف البخار. تكون الحالة ممكنة عندما لا تتغير كتل السائل والبخار فوقه. يكون هذا ممكنًا عندما يكون عدد الجزيئات التي تترك السائل مساويًا لعدد الجزيئات العائدة إليه. هذه الحالة تسمى التوازن الديناميكي.

أ بخار

في حالة توازن ديناميكي مع سائلها ، تسمى المشبعة

. إذا لم يكن هناك توازن ديناميكي بين البخار والسائل ، فإنه يسمى غير مشبع.من الواضح أن البخار المشبع عند درجة حرارة معينة له كثافة معينة تسمى التوازن.

يؤدي هذا إلى كثافة التوازن ، وبالتالي ، يظل ضغط البخار المشبع دون تغيير عن حجمه عند درجة حرارة ثابتة ، حيث يؤدي انخفاض أو زيادة حجم هذا البخار إلى تكثيف البخار أو تبخر السائل ، على التوالي. متساوي الحرارة من البخار المشبع عند بعض درجات الحرارة في خطة تنسيق P ، V هو خط مستقيم موازٍ للمحور V. مع زيادة درجة حرارة النظام الديناميكي الحراري بخار سائل مشبع ، فإن عدد الجزيئات التي تترك السائل لبعض الوقت يتجاوز عدد الجزيئات العائدة من البخار إلى السائل. يستمر هذا حتى تؤدي الزيادة في كثافة البخار إلى إنشاء توازن ديناميكي عند درجة حرارة أعلى. هذا أيضا يزيد الضغط أبخرة مشبعة. وبالتالي ، فإن ضغط بخار التشبع يعتمد فقط على درجة الحرارة. ترجع هذه الزيادة السريعة في ضغط البخار المشبع إلى حقيقة أنه مع زيادة درجة الحرارة ، لا تزداد الطاقة الحركية للحركة الانتقالية للجزيئات فحسب ، بل تزداد أيضًا تركيزها ، أي عدد الجزيئات لكل وحدة حجم

أثناء التبخر ، تغادر الجزيئات الأسرع السائل ، ونتيجة لذلك ينخفض ​​متوسط ​​الطاقة الحركية للحركة الانتقالية للجزيئات المتبقية ، وبالتالي تنخفض درجة حرارة السائل (انظر الفقرة 24). لذلك ، لكي تظل درجة حرارة السائل المتبخر ثابتة ، يجب توفير كمية معينة من الحرارة باستمرار.

كمية الحرارة التي يجب نقلها إلى وحدة كتلة من السائل لتحويله إلى بخار عند درجة حرارة ثابتة تسمى الحرارة النوعية للتبخير.

تعتمد الحرارة النوعية للتبخير على درجة حرارة السائل ، وتتناقص مع زيادتها. أثناء التكثيف ، يتم إطلاق كمية الحرارة التي يتم إنفاقها على تبخر السائل. التكثيف هو عملية التحول من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة.

2. رطوبة الجو.

يحتوي الغلاف الجوي دائمًا على بعض بخار الماء. تعتبر درجة الرطوبة من الخصائص الأساسية للطقس والمناخ ، وفي كثير من الحالات لها أهمية عملية. وبالتالي ، تخزين المواد المختلفة (بما في ذلك الأسمنت والجبس ومواد البناء الأخرى) ، والمواد الخام ، والمنتجات ، والمعدات ، إلخ. يجب أن تتم في رطوبة معينة. المباني ، حسب الغرض منها ، تخضع أيضًا لمتطلبات الرطوبة المناسبة.

يستخدم عدد من الكميات لوصف الرطوبة. الرطوبة المطلقة p هي كتلة بخار الماء الموجودة في وحدة حجم الهواء. يقاس عادة بالجرام لكل متر مكعب (جم / م 3). ترتبط الرطوبة المطلقة بالضغط الجزئي P لبخار الماء بواسطة معادلة Mendeleev-Claipeyron ، حيث V هو الحجم الذي يشغله البخار ، و m و T و m هي الكتلة ودرجة الحرارة المطلقة والكتلة المولية لبخار الماء ، R هي الحجم الشامل ثابت الغاز (انظر (25.5)). الضغط الجزئي هو الضغط الذي يمارسه بخار الماء دون مراعاة عمل جزيئات الهواء من نوع مختلف. ومن ثم ، بما أن p \ u003d m / V هي كثافة بخار الماء.