Garavimo ir kondensacijos kreivė. Fazių perėjimai. Lydymasis ir kristalizacija
Temos NAUDOKITE kodifikatorių : agreguotų medžiagų būsenų kitimas, lydymasis ir kristalizacija, garavimas ir kondensacija, skysčio virimas, fazių virsmų energijos kitimas.
Ledas, vanduo ir vandens garai yra trijų pavyzdžiai agregatinės būsenos medžiagos: kietos, skystos ir dujinės. Kokioje agregacijos būsenoje yra tam tikra medžiaga, priklauso nuo jos temperatūros ir kitų išorinių sąlygų, kuriomis ji yra.
Pasikeitus išorinėms sąlygoms (pavyzdžiui, jei kūno vidinė energija didėja arba mažėja dėl šildymo ar vėsinimo), gali įvykti fazių perėjimai – organizmo substancijos agreguotų būsenų pokyčiai. Mus domina šie dalykai fazių perėjimai.
Tirpimas(kietas skystis) ir kristalizacija(skysta kieta).
garinimas(skysti garai) ir kondensacija(skystis garais).
Lydymasis ir kristalizacija
Dauguma kietųjų medžiagų yra kristalinis, t.y. turėti kristalinė gardelė- griežtai apibrėžtas, periodiškai pasikartojantis jo dalelių išdėstymas erdvėje.
Kristalinės kietosios medžiagos dalelės (atomai arba molekulės) sukelia šiluminius virpesius netoli fiksuotų pusiausvyros padėčių. mazgai kristalinė gardelė.
Pavyzdžiui, kristalinės gardelės mazgai Valgomoji druska- tai „trimačio languoto popieriaus“ kubinių langelių viršus (žr. 1 pav., kuriame didesni rutuliukai vaizduoja chloro atomus (vaizdas iš en.wikipedia.org.)); jei leisite vandeniui išgaruoti iš druskos tirpalo, tai likusi druska bus mažų kubelių krūva.
Ryžiai. 1. Kristalinė gardelė
tirpstantis vadinamas kristalinės kietosios medžiagos pavertimu skysčiu. Galite ištirpdyti bet kurį kūną - tam reikia jį pašildyti lydymosi temperatūra, kuris priklauso tik nuo kūno medžiagos, bet ne nuo jo formos ar dydžio. Tam tikros medžiagos lydymosi temperatūrą galima nustatyti iš lentelių.
Priešingai, jei skystis atvėsinamas, anksčiau ar vėliau jis virs kietu pavidalu. Skysčio pavertimas kristaline kieta medžiaga vadinamas kristalizacija arba grūdinimas. Taigi lydymasis ir kristalizacija yra tarpusavyje atvirkštiniai procesai.
Temperatūra, kurioje skystis kristalizuojasi, vadinama kristalizacijos temperatūra. Pasirodo, kristalizacijos temperatūra lygi lydymosi temperatūrai: šioje temperatūroje gali vykti abu procesai. Taigi, kai ledas ištirpsta ir vanduo kristalizuojasi; kas tiksliaiįvyksta kiekvienu konkrečiu atveju – priklauso nuo išorinių sąlygų (pavyzdžiui, ar į medžiagą tiekiama šiluma, ar iš jos pašalinama).
Kaip vyksta lydymasis ir kristalizacija? Koks jų mechanizmas? Kad suprastume šių procesų esmę, panagrinėkime kūno temperatūros priklausomybės nuo laiko grafikus, kai jis šildomas ir atšaldomas – vadinamuosius lydymosi ir kristalizacijos grafikus.
Lydymosi diagrama
Pradėkime nuo lydymosi grafiko (2 pav.). Tegul pradiniu laiko momentu (grafiko tašku) kūnas yra kristalinis ir turi tam tikrą temperatūrą.
Ryžiai. 2. Lydymosi diagrama
Tada kūnui pradedama tiekti šiluma (tarkim, kūnas buvo dedamas į lydymosi krosnį), o kūno temperatūra pakyla iki reikšmės – duotos medžiagos lydymosi temperatūros. Tai yra siužeto skyrius.
Šioje srityje kūnas gauna šilumos kiekį
kur yra kietosios medžiagos savitoji šiluma, yra kūno masė.
Pasiekus lydymosi temperatūrą (taške ), situacija kokybiškai pasikeičia. Nepaisant to, kad šiluma ir toliau tiekiama, kūno temperatūra nesikeičia. Vyksta vietoje tirpstantis kūnas - jo laipsniškas perėjimas iš kietos būsenos į skystą. Sklypo viduje turime mišinį kieta medžiaga ir skysčių, ir kuo arčiau taško , tuo mažiau lieka kietų medžiagų ir atsiranda daugiau skysčių. Galiausiai tam tikru momentu iš pirminio kieto kūno nieko neliko: jis visiškai virto skysčiu.
Plotas atitinka tolesnį skysčio šildymą (arba, kaip sakoma, ištirpti). Šiame skyriuje skystis sugeria šilumos kiekį
kur yra skysčio savitoji šiluminė talpa.
Tačiau dabar mus labiausiai domina fazinio perėjimo skyrius. Kodėl mišinio temperatūra šiame skyriuje nesikeičia? Karštis įjungtas!
Grįžkime prie šildymo proceso pradžios. Kieto kūno temperatūros padidėjimas skyriuje yra jo dalelių vibracijos intensyvumo padidėjimas kristalinės gardelės mazguose: tiekiama šiluma didėja. kinetinės kūno dalelių energija (tiesą sakant, dalis įvestos šilumos išleidžiama atliekant darbus, kad padidėtų vidutiniai atstumai tarp dalelių – kaip žinome, kūnai kaitinant plečiasi. Tačiau ši dalis yra tokia maža, kad gali būti ignoruojami.).
Kristalinė gardelė vis labiau atsipalaiduoja, o lydymosi temperatūroje svyravimų diapazonas pasiekia ribinę vertę, kuriai esant traukos jėgos tarp dalelių vis dar gali užtikrinti jų tvarkingą išsidėstymą viena kitos atžvilgiu. Kietas kūnas ima „trūkinėti ties siūlėmis“, o tolesnis kaitinimas ardo kristalinę gardelę – taip toje vietoje prasideda tirpimas.
Nuo šio momento visa tiekiama šiluma atitenka ryšiams, laikantiems daleles kristalinės gardelės mazguose, nutraukti, t.y. padidinti potencialus dalelių energija. Dalelių kinetinė energija išlieka ta pati, todėl kūno temperatūra nekinta. Taške visiškai išnyksta kristalinė struktūra, nebėra ką naikinti, o tiekiama šiluma vėl eina dalelių kinetinės energijos didinimui – lydalo šildymui.
Savitoji lydymosi šiluma
Taigi, norint paversti kietą medžiagą į skystį, neužtenka ją atnešti iki lydymosi temperatūros. Būtina papildomai (jau esant lydymosi temperatūrai) perduoti kūnui tam tikrą šilumos kiekį, kad kristalinė gardelė visiškai sunaikintų (t. y. praeitų per sekciją).
Šis šilumos kiekis naudojamas potencialiai dalelių sąveikos energijai padidinti. Todėl lydalo vidinė energija taške yra didesnė už kietosios medžiagos vidinę energiją taške verte .
Patirtis rodo, kad vertė yra tiesiogiai proporcinga kūno svoriui:
Proporcingumo koeficientas nepriklauso nuo kūno formos ir dydžio ir yra medžiagos savybė. Tai vadinama specifinė medžiagos lydymosi šiluma. Tam tikros medžiagos specifinę lydymosi šilumą galima rasti lentelėse.
Savitoji lydymosi šiluma skaitine prasme yra lygi šilumos kiekiui, kurio reikia vienam kilogramui duotosios medžiagos paversti kristalinė medžiaga atnešta iki lydymosi temperatūros.
Taigi ledo lydymosi savitoji šiluma lygi kJ/kg, švino – kJ/kg. Matome, kad ledo krištolinės gardelės sunaikinimui reikia beveik kartų daugiau energijos! Ledas priklauso medžiagoms, turinčioms didelę specifinę lydymosi šilumą, todėl pavasarį netirpsta iš karto (gamta ėmėsi savo priemonių: jei ledo savitoji lydymosi šiluma būtų tokia pati kaip švino, visa ledo ir sniego masė ištirptų su pirmuoju. atšildo, užlieja viską aplinkui).
Kristalizacijos grafikas
Dabar pažiūrėkime kristalizacija- atvirkštinis lydymosi procesas. Pradedame nuo ankstesnio paveikslo taško. Tarkime, kad lydalo kaitinimas sustojo taške (krosnis buvo išjungta ir lydalas buvo veikiamas oro). Tolesnis lydymosi temperatūros pokytis parodytas fig. (3) .
Ryžiai. 3. Kristalizacijos grafikas
Skystis vėsta (sekcija), kol jo temperatūra pasiekia kristalizacijos temperatūrą, kuri sutampa su lydymosi temperatūra.
Nuo šio momento lydalo temperatūra nustoja keistis, nors šiluma jį vis tiek palieka aplinką. Vyksta vietoje kristalizacija išlydyti - jo laipsniškas perėjimas į kietą būseną. Skyriaus viduje vėl turime kietų ir skystų fazių mišinį ir kuo arčiau taško, tuo kietesnės medžiagos tampa ir tuo mažiau skysčio. Galiausiai taške skysčio visai nelieka – jis turi visiškai išsikristalizavo.
Kitas skyrius atitinka tolesnį kieto kūno aušinimą dėl kristalizacijos.
Mus vėl domina fazių virsmo sritis: kodėl temperatūra išlieka nepakitusi, nepaisant šilumos praradimo?
Grįžkime prie esmės. Sustabdžius šilumos tiekimą, lydalo temperatūra mažėja, nes jo dalelės palaipsniui praranda kinetinę energiją dėl susidūrimų su aplinkos molekulėmis ir elektromagnetinių bangų spinduliavimo.
Lydalo temperatūrai nukritus iki kristalizacijos temperatūros (taško ), jo dalelės taip sulėtės, kad traukos jėgos galės jas tinkamai „išskleisti“ ir suteikti joms griežtai apibrėžtą abipusę orientaciją erdvėje. Taigi susidarys sąlygos kristalinei gardelei branduoliui formuotis, o ji iš tikrųjų pradės formuotis dėl tolesnio energijos pabėgimo iš lydalo į aplinkinę erdvę.
Tuo pat metu prasidės priešpriešinis energijos išsiskyrimo procesas: kai dalelės užima vietas kristalinės gardelės mazguose, jų potenciali energija smarkiai sumažėja, dėl ko jų kinetinė energija- kristalizuojantis skystis yra šilumos šaltinis (dažnai prie ledo duobės galima pamatyti sėdinčius paukščius. Jie ten šildosi!). Kristalizacijos metu išsiskirianti šiluma tiksliai kompensuoja šilumos nuostolius į aplinką, todėl temperatūra toje vietoje nekinta.
Taške tirpalas išnyksta, o kartu su kristalizacijos pabaiga išnyksta ir šis vidinis šilumos „generatorius“. Dėl nuolatinio energijos sklaidos į išorinę aplinką temperatūra vėl mažės, tačiau atvės tik jau susiformavęs kietas kūnas (sekcija ).
Kaip rodo patirtis, kristalizacijos metu visiškai toks patšilumos kiekis, kuris buvo sugertas lydymosi vietoje.
Garavimas ir kondensacija
garinimas yra skysčio perėjimas į dujinę būseną garai). Yra du garinimo tipai: garinimas ir virinimas.
išgaruojant vadinamas garavimu, kuris vyksta bet kokioje temperatūroje nuo laisvo paviršiaus skysčių. Kaip prisimenate iš sočiųjų garų lapelio, garavimo priežastis yra greičiausių molekulių išsiskyrimas iš skysčio, kurios sugeba įveikti tarpmolekulinės traukos jėgas. Šios molekulės sudaro garus virš skysčio paviršiaus.
Skirtingi skysčiai išgaruoja skirtingu greičiu: kuo didesnė molekulių traukos viena prie kitos jėga, tuo mažesnis molekulių skaičius per laiko vienetą galės jas įveikti ir išskristi, o garavimo greitis mažesnis. Eteris, acetonas, alkoholis išgaruoja greitai (jie kartais vadinami lakiaisiais skysčiais), vanduo garuoja lėčiau, nafta ir gyvsidabris – daug lėčiau nei vanduo.
Garavimo greitis didėja kylant temperatūrai (karštyje skalbiniai greičiau išdžiūsta), nes didėja vidutinė skysčio molekulių kinetinė energija, todėl didėja greitų molekulių, galinčių išeiti iš jos ribų, skaičius.
Garavimo greitis priklauso nuo skysčio paviršiaus ploto: kuo didesnis plotas, tuo daugiau molekulių patenka į paviršių, o garavimas vyksta greičiau (todėl kabinant skalbinius jie kruopščiai ištiesinami).
Kartu su garavimu stebimas ir atvirkštinis procesas: garų molekulės, atsitiktinai judėdamos virš skysčio paviršiaus, iš dalies grįžta atgal į skystį. Garų keitimas į skystį vadinamas kondensacija.
Kondensatas sulėtina skysčio išgaravimą. Taigi sausame ore skalbiniai išdžius greičiau nei drėgname. Jis greičiau išdžiūsta pučiant vėjui: garus nuneša vėjas, intensyviau garuoja.
Kai kuriais atvejais kondensacijos greitis gali būti lygus garavimo greičiui. Tada abu procesai vienas kitą kompensuoja ir atsiranda dinaminė pusiausvyra: iš sandariai užkimšto butelio skystis neišgaruoja metų metus, o šiuo atveju virš skysčio paviršiaus yra skystis. sočiųjų garų.
Nuolat stebime vandens garų kondensaciją atmosferoje debesų, lietaus ir ryte krintančios rasos pavidalu; Būtent garavimas ir kondensacija užtikrina vandens ciklą gamtoje, palaikydami gyvybę Žemėje.
Kadangi išgarinimas yra greičiausių molekulių pasitraukimas iš skysčio, vidutinė skysčio molekulių kinetinė energija garavimo proceso metu mažėja, t.y. skystis atvėsta. Puikiai žinote, koks vėsos, o kartais net vėsumo jausmas (ypač su vėju) kyla išlipus iš vandens: vanduo, garuodamas per visą kūno paviršių, pasiima šilumą, o vėjas pagreitina garavimo procesą ( dabar aišku kodėl pučiame ant karštos arbatos.Beje, dar geriau orą traukti į save, nes tada į arbatos paviršių ateina sausas aplinkos oras, o ne drėgnas oras iš mūsų plaučių ;-)).
Tokią pat vėsą galima pajusti, jei ant rankos užtepsite lakiame tirpiklyje (tarkim, acetonu ar nagų lako valikliu) suvilgytą vatos gabalėlį. Keturiasdešimties laipsnių karštyje dėl padidėjusio drėgmės išgaravimo per mūsų kūno poras palaikome normalią temperatūrą; be šio termoreguliacinio mechanizmo tokiame karštyje mes tiesiog numirtume.
Priešingai, kondensacijos proceso metu skystis įšyla: kai garų molekulės grįžta į skystį, jas pagreitina šalia esančių skysčio molekulių traukos jėgos, dėl ko padidėja vidutinė skysčio molekulių kinetinė energija. (palyginkite šį reiškinį su energijos išsiskyrimu lydalo kristalizacijos metu!).
Virimas
Virimas yra įvykęs garavimas visame tome skysčių.
Virinti galima, nes skystyje visada yra ištirpęs tam tikras oro kiekis, kuris ten pateko difuzijos būdu. Kai skystis kaitinamas, šis oras plečiasi, oro burbuliukai palaipsniui didėja ir tampa matomi. plika akimi(puode su vandeniu jie nusodina dugną ir sienas). Oro burbuliukų viduje yra sočiųjų garų, kurių slėgis, kaip prisimenate, sparčiai didėja didėjant temperatūrai.
Kuo didesni burbuliukai tampa, tuo didesnė Archimedo jėga juos veikia ir tam tikru momentu burbuliukai pradeda atsiskirti ir kilti. Kylant aukštyn burbuliukai patenka į mažiau įkaitintus skysčio sluoksnius; jose esantys garai kondensuojasi, o burbuliukai vėl susitraukia. Burbuliukų griūtis sukelia pažįstamą triukšmą, kuris skamba prieš virdulio virimą. Galiausiai, laikui bėgant, visas skystis įšyla tolygiai, burbuliukai pasiekia paviršių ir sprogsta, išmesdami orą ir garus – triukšmą pakeičia gurgžėjimas, skystis užverda.
Taigi burbuliukai tarnauja kaip garų „laidininkai“ iš skysčio vidaus į jo paviršių. Virimo metu, kartu su įprastu garavimu, visame tūryje skystis virsta garais – išgaruoja į oro burbuliukus, po to garai pašalinami į išorę. Štai kodėl verdantis skystis labai greitai išgaruoja: virdulys, iš kurio vanduo garuotų daug dienų, užvirs per pusvalandį.
Skirtingai nuo garavimo, kuris vyksta bet kurioje temperatūroje, skystis pradeda virti tik pasiekęs virimo taškas- tiksliai temperatūra, kurioje oro burbuliukai gali pakilti ir pasiekti paviršių. Virimo temperatūros slėgyje sočiųjų garų tampa lygus išoriniam skysčio slėgiui(ypač Atmosferos slėgis). Atitinkamai, kuo didesnis išorinis slėgis, tuo aukštesnė temperatūra, kurioje prasidės virimas.
Esant normaliam atmosferos slėgiui (atm arba Pa), vandens virimo temperatūra yra . Štai kodėl sočiųjų vandens garų slėgis, kurio temperatūra lygi Pa. Šis faktas turi būti žinomas norint išspręsti problemas – dažnai manoma, kad jis žinomas pagal nutylėjimą.
Elbruso viršūnėje atmosferos slėgis yra atm, o vanduo ten užvirs . Ir esant slėgiui atm, vanduo pradės virti tik esant.
Virimo temperatūra (esant normaliam atmosferos slėgiui) yra tam tikram skysčiui griežtai apibrėžta vertė (virimo taškai, nurodyti vadovėlių ir žinynų lentelėse, yra chemiškai grynų skysčių virimo temperatūra. Priemaišų buvimas skystyje gali pakeisti virimo temperatūra. Tarkime, vandentiekio vandenyje yra ištirpusio chloro ir kai kurių druskų, todėl jo virimo temperatūra esant normaliam atmosferos slėgiui gali šiek tiek skirtis nuo ). Taigi, alkoholis verda ties , eteris - ties , gyvsidabris - ties . Atminkite, kad kuo skystesnis yra lakesnis, tuo žemesnė jo virimo temperatūra. Virimo taškų lentelėje taip pat matome, kad deguonis užverda esant . Taigi įprastoje temperatūroje deguonis yra dujos!
Žinome, kad nuėmus virdulį nuo ugnies, virimas tuoj pat nutrūks – virimo procesui reikalingas nuolatinis šilumos tiekimas. Tuo pačiu metu vandens temperatūra virdulyje nustoja keistis ir visą laiką išlieka tokia pati. Kur dingsta tiekiama šiluma?
Situacija panaši į lydymosi procesą: šiluma eina, kad padidintų potencialią molekulių energiją. Tokiu atveju atlikti molekulių pašalinimo darbus tokiais atstumais, kad traukos jėgos negalėtų išlaikyti molekulių arti viena kitos, o skystis pereitų į dujinę būseną.
Virimo diagrama
Apsvarstykite grafinį skysčio kaitinimo proceso vaizdą - vadinamąjį virimo diagrama(4 pav.).
Ryžiai. 4. Virimo grafikas
Vieta yra prieš virimo pradžią. Svetainėje skystis užverda, jo masė mažėja. Tuo metu skystis visiškai užvirsta.
Norėdami praeiti atkarpą, t.y. tam, kad iki virimo temperatūros pakeltas skystis visiškai virstų garais, į jį reikia atnešti tam tikrą šilumos kiekį. Patirtis rodo, kad tam tikras šilumos kiekis yra tiesiogiai proporcingas skysčio masei:
Proporcingumo koeficientas vadinamas specifinė garavimo šiluma skysčiai (virimo temperatūroje). Savitoji garavimo šiluma yra skaitine prasme lygi šilumos kiekiui, kuris turi būti tiekiamas 1 kg skysčio, paimto iki virimo temperatūros, kad jis visiškai virstų garais.
Taigi, esant , savitoji vandens garavimo šiluma yra lygi kJ/kg. Įdomu palyginti ją su savitoji ledo lydymosi šiluma (kJ/kg) – savitoji garavimo šiluma yra beveik septynis kartus didesnė! Tai nenuostabu: juk ledui tirpti tereikia sunaikinti tvarkingą vandens molekulių išsidėstymą kristalinės gardelės mazguose; o atstumai tarp molekulių išlieka maždaug tokie patys. Tačiau norint vandenį paversti garais, reikia nuveikti daug daugiau, kad nutrauktumėte visus ryšius tarp molekulių ir pašalintumėte molekules dideliais atstumais viena nuo kitos.
Kondensacijos grafikas
Garų kondensacijos ir vėlesnio skysčio aušinimo procesas diagramoje atrodo simetriškas kaitinimo ir virimo procesui. Čia yra aktualu kondensacijos grafikas Celsijaus vandens garams, su kuriais dažniausiai susiduriama problemose (5 pav.).
Ryžiai. 5. Kondensacijos grafikas
Taške turime vandens garų ties . Teritorijoje yra kondensatas; šios srities viduje – garų ir vandens mišinys esant . Taške nebėra garų, yra tik vanduo. Svetainė yra šio vandens aušinimas.
Patirtis rodo, kad masės garams kondensuojantis (t.y. pereinant per sekciją), išsiskiria lygiai tiek pat šilumos, kuri buvo sunaudota tam tikroje temperatūroje masės skysčiui paversti garais.
Įdomumo dėlei palyginkime šiuos šilumos kiekius:
Kuris išsiskiria kondensuojantis g vandens garų;
, kuris išsiskiria, kai susidaręs vanduo atvėsta iki temperatūros, tarkime, .
J;
J.
Šie skaičiai aiškiai rodo, kad nudegimas garais yra daug blogesnis nei virinto vandens nudegimas. Kai verdantis vanduo patenka ant odos, išsiskiria „tik“ (verdantis vanduo atšąla). Tačiau deginant garais pirmiausia išsiskirs eilės tvarka daugiau šilumos (kondensuojasi garai), susidaro laipsnių vanduo, po kurio tokia pati vertė bus pridėta, kai šis vanduo atvės.
Medžiagos pakeitimo iš skystos būsenos į dujinę būseną procesas vadinamas garinimas. Garinimas gali būti atliekamas dviem procesais: garinimas ir
Garavimas
Garavimas vyksta nuo skysčio paviršiaus bet kokioje temperatūroje. Taigi, balos išdžiūsta ir 10 °C, ir 20 °C, ir 30 °C temperatūroje. Taigi, garinimas yra medžiagos virsmo iš skystos būsenos į dujinę būseną procesas, vykstantis nuo skysčio paviršiaus esant bet kokiai temperatūrai.
Medžiagos sandaros požiūriu skysčio garavimas paaiškinamas taip. Skysčių molekulės, dalyvaujančios nuolatiniame judėjime, turi skirtingą greitį. Greičiausios molekulės, esančios ties vandens ir oro paviršiaus riba ir turinčios gana didelę energiją, įveikia gretimų molekulių trauką ir palieka skystį. Taigi viršum susidaro skystis garai.
Kadangi išgarinant iš skysčio išskrenda molekulės, kurių vidinė energija didesnė už skystyje likusių molekulių energiją, mažėja skysčio molekulių vidutinis greitis ir vidutinė kinetinė energija, todėl mažėja ir skysčio temperatūra.
Garavimo greitis skystis priklauso nuo skysčio rūšies. Taigi eterio išgaravimo greitis yra didesnis nei vandens ir augalinio aliejaus išgaravimo greitis. Be to, garavimo greitis priklauso nuo oro judėjimo skysčio paviršiumi. Įrodymas gali būti, kad skalbiniai vėjo metu išdžiūsta greičiau nei ramioje vietoje tokiomis pačiomis išorės sąlygomis.
Garavimo greitis priklauso nuo skysčio temperatūros. Pavyzdžiui, vanduo 30 ° C temperatūroje išgaruoja greičiau nei vanduo 10 ° C temperatūroje.
Gerai žinoma, kad vanduo, pilamas į lėkštę, išgaruoja greičiau nei tokios pat masės vanduo, pilamas į stiklinę. Todėl tai priklauso nuo skysčio paviršiaus ploto.
Kondensatas
Medžiagos pakeitimo iš dujinės būsenos į skystą procesas vadinamas kondensacija.
Kondensacijos procesas vyksta kartu su garavimo procesu. Iš skysčio išskridusios ir virš jo paviršiaus esančios molekulės dalyvauja chaotiškame judėjime. Jie susiduria su kitomis molekulėmis ir tam tikru momentu jų greitis gali būti nukreiptas į skysčio paviršių, ir molekulės į jį grįš.
Jei indas yra atviras, garavimo procesas vyksta greičiau nei kondensacija, o skysčio masė inde mažėja. Virš skysčio susidarantys garai vadinami nesočiųjų .
Jei skystis yra uždarame inde, tada iš pradžių iš skysčio išeinančių molekulių skaičius bus didesnis nei į jį grįžtančių molekulių skaičius, tačiau laikui bėgant garų tankis virš skysčio padidės tiek, kad išeinančių molekulių skaičius. skystis taps lygus molekulių skaičiui, grįš į jį. Tokiu atveju susidaro dinaminė skysčio pusiausvyra su jo garais.
Garai, esantys dinaminėje pusiausvyroje su skysčiu, vadinami sočiųjų garų .
Jei indas su skysčiu, kuriame yra sočiųjų garų, yra šildomas, tada iš pradžių iš skysčio išsiskiriančių molekulių skaičius padidės ir bus didesnis nei į jį grįžtančių molekulių skaičius. Laikui bėgant, pusiausvyra bus atkurta, tačiau garų tankis virš skysčio ir atitinkamai jo slėgis padidės.
Skystis garuodamas ir verdamas virsta garais (dujomis). Šie procesai yra sujungti vienu pavadinimu „garinimas“, tačiau tarp šių procesų yra skirtumas.
Iš laisvo bet kokio skysčio paviršiaus išgaruoja nuolat. Fizinė garavimo prigimtis yra molekulių pabėgimas nuo paviršiaus su dideliu greičiu ir kinetine šiluminio judėjimo energija. Tada skystis atvėsinamas. Pramonėje šis efektas naudojamas aušinimo bokštuose vandeniui vėsinti.
Virimas (kaip ir išgarinimas) – tai medžiagos perėjimas į garų būseną, tačiau jis vyksta visame skysčio tūryje ir tik tada, kai skystis veikiamas šiluma. Toliau kaitinant, skysčio temperatūra išlieka pastovi, o skystis toliau verda.
Virimo temperatūra priklauso nuo garų slėgio virš skysčio; slėgiui mažėjant, virimo temperatūra mažėja ir atvirkščiai. Sumažinus garų slėgį virš skysčio, skysčio virimo temperatūrą galima sumažinti iki jo užšalimo, o pasirinkus norimas savybes turinčias medžiagas galima gauti beveik bet kokią žemą temperatūrą.
Šilumos kiekis, reikalingas 1 kg skysčio perėjimui į garų būseną, vadinamas specifine garavimo šiluma. r, kJ/kg.
Temperatūra, kurioje vyksta garavimas, vadinama prisotinimo temperatūra. Garai gali būti šlapi arba sausi (nėra skysčio lašelių). Garai gali būti perkaitinti ir jų perkaitimo temperatūra viršija soties temperatūrą.
Šie procesai naudojami garų suspaudimo aušintuvuose. Verdantis skystis yra šaltnešis, o aparatas, kuriame jis verda, paimdamas šilumą iš atvėsusios medžiagos, yra garintuvas. Į verdantį skystį tiekiamas šilumos kiekis nustatomas pagal formulę:
kur M- skysčio, virstančio garais, masė; r yra garavimo šiluma.
Skysčio virimo temperatūra priklauso nuo slėgio. Ši priklausomybė pavaizduota garų prisotinimo elastingumo kreive.
Dažniausio šaldymo pramonėje šaltnešio – amoniako – tokia kreivė parodyta fig. 3, iš kurio matyti, kad esant atmosferiniam slėgiui (0,1 MPa), amoniako virimo temperatūra atitinka -30 ° C, o esant 1,2 MPa - + 30 ° C.
Sočiųjų garų pavertimas skysčiu vadinamas kondensacija, kuri vyksta esant kondensacijos temperatūrai, kuri taip pat priklauso nuo slėgio. Kondensacija ir virimo temperatūra esant tam tikram slėgiui vienalytė medžiaga yra tas pats. Šis efektas naudojamas garavimo kondensatoriuose, siekiant perduoti kondensacijos šilumą į orą.
Sublimacija
Medžiaga iš kietos būsenos gali pereiti tiesiai į garus. Šis procesas vadinamas sublimacija. Iš supančio oro sugeriama šiluma išleidžiama molekulių sanglaudos jėgoms įveikti ir išorinio slėgio įtakai, kuri trukdo šiam procesui.
Normaliomis sąlygomis sublimuojasi nedaug medžiagų – kietas anglies dioksidas (sausas ledas), jodas, kamparas ir kt.
Aušinimui ir žemai temperatūrai pasiekti naudojamas sausas ledas, kuris atmosferos slėgyje užtikrina -78,3 ° C temperatūrą, o sumažinus slėgį gali siekti -100 ° C.
>>Fizika: garavimas ir kondensacija
Garinimo metu medžiaga iš skystos būsenos pereina į dujinę būseną (garai). Yra du garinimo tipai: garinimas ir virinimas.
Garavimas Garavimas vyksta nuo laisvo skysčio paviršiaus.
Kaip vyksta garavimas? Žinome, kad bet kurio skysčio molekulės juda nepertraukiamai ir chaotiškai, kai kurios juda greičiau, kitos lėčiau. Išskristi trukdo traukos jėgos viena kitai. Tačiau jei šalia skysčio paviršiaus atsiranda pakankamai didelės kinetinės energijos molekulė, ji gali įveikti tarpmolekulinės traukos jėgas ir išskristi iš skysčio. Tas pats bus kartojamas su kita greita molekule, su antra, trečia ir tt Išskrisdamos šios molekulės virš skysčio susidaro garai. Šių garų susidarymas yra garavimas.
Kadangi išgarinant iš skysčio išskrenda greičiausios molekulės, vidutinė skystyje likusių molekulių kinetinė energija tampa vis mažesnė. Kaip rezultatas garuojančio skysčio temperatūra mažėja: skystis atvėsta. Štai kodėl žmogus šlapiais drabužiais jaučiasi šaltesnis nei sausas (ypač kai pučia vėjas).
Tuo pačiu metu visi žino, kad jei įpilsite vandens į stiklinę ir paliksite jį ant stalo, tada, nepaisant išgaravimo, jis nebus nuolat vėsinamas, vis labiau vėsindamas, kol užšals. Kas tam trukdo? Atsakymas labai paprastas: vandens šilumos mainai su šiltu oru, supančiu stiklą.
Skysčio atšalimas garuojant labiau pastebimas, kai išgaruoja pakankamai greitai (kad skystis nespėtų atstatyti savo temperatūros dėl šilumos mainų su aplinka). Greitai išgaruoja lakieji skysčiai, kuriuose tarpmolekulinės traukos jėgos nedidelės, pavyzdžiui, eteris, alkoholis, benzinas. Jei tokį skystį nuleisite ant rankos, mums bus šalta. Išgaruodamas nuo rankos paviršiaus, toks skystis atvės ir atims iš jo šiek tiek šilumos.
Garuojančios medžiagos plačiai naudojamos inžinerijoje. Pavyzdžiui, kosmoso technikoje tokiomis medžiagomis padengiamos nusileidžiančios transporto priemonės. Praeidamas per planetos atmosferą, aparato korpusas dėl trinties įkaista, o jį dengianti medžiaga pradeda garuoti. Išgaruodamas jis aušina erdvėlaivį, taip apsaugodamas jį nuo perkaitimo.
Vandens aušinimas jo garavimo metu taip pat naudojamas prietaisuose, naudojamuose oro drėgmei matuoti - psichrometrai(iš graikų kalbos „psychros“ – šaltis). Psichrometras (81 pav.) susideda iš dviejų termometrų. Vienas iš jų (sausas) rodo oro temperatūrą, o kitas (kurio bakas surištas kembriku, nuleistas į vandenį) – žemesnę temperatūrą, dėl šlapio kambro garavimo intensyvumo. Kuo sausesnis oras, kurio drėgnumas matuojamas, tuo stipresnis išgaravimas, taigi, tuo mažesnis šlapios temperatūros rodmuo. Ir atvirkščiai, kuo didesnė oro drėgmė, tuo mažiau intensyviai išgaruoja, taigi ir aukštesnę temperatūrą rodo šis termometras. Remiantis sausų ir drėgnų termometrų rodmenimis, naudojant specialią (psichrometrinę) lentelę, nustatoma oro drėgmė, išreikšta procentais. Didžiausia drėgmė yra 100% (esant tokiai drėgmei, ant daiktų atsiranda rasa). Žmogui palankiausia oro drėgmė yra nuo 40 iki 60%.
Naudojant paprasti eksperimentai nesunku nustatyti, kad garavimo greitis didėja kylant skysčio temperatūrai, taip pat didėjant jo laisvo paviršiaus plotui ir esant vėjui.
Kodėl esant vėjui skystis greičiau išgaruoja? Faktas yra tas, kad tuo pačiu metu, kai išgaruoja skysčio paviršius, vyksta atvirkštinis procesas - kondensacija
. Kondensacija atsiranda dėl to, kad dalis garų molekulių, atsitiktinai judančių virš skysčio, vėl grįžta į jį. Vėjas išneša iš skysčio išskridusias molekules ir neleidžia joms grįžti atgal.
Kondensacija taip pat gali atsirasti, kai garai nesiliečia su skysčiu. Būtent kondensacija, pavyzdžiui, paaiškina debesų susidarymą: šaltesniuose atmosferos sluoksniuose virš žemės kylančios vandens garų molekulės susigrupuoja į mažyčius vandens lašelius, kurių sankaupos yra debesys. Vandens garų kondensacija atmosferoje taip pat sukelia lietų ir rasą.
Garuodamas skystis atvėsta ir, tapdamas šaltesnis už aplinką, pradeda sugerti savo energiją. Kondensacijos metu, atvirkščiai, į aplinką išsiskiria tam tikras šilumos kiekis, o jos temperatūra kiek pakyla.
??? 1. Kokie du garinimo tipai egzistuoja gamtoje? 2. Kas yra garinimas? 3. Kas lemia skysčio garavimo greitį? 4. Kodėl garuojant mažėja skysčio temperatūra? 5. Kaip pavyksta neleisti nusileidžiančiam erdvėlaiviui perkaisti per planetos atmosferą? 6. Kas yra kondensacija? 7. Kokie reiškiniai paaiškinami garų kondensacija? 8. Koks prietaisas naudojamas oro drėgmei matuoti? Kaip tai sutvarkyta?
Eksperimentinės užduotys . 1. Į dvi vienodas lėkštes (pavyzdžiui, po tris šaukštus) supilkite tiek pat vandens. Vieną lėkštę padėkite į šiltą vietą, o kitą - į šaltą. Išmatuokite laiką, per kurį vanduo išgaruos abiejose lėkštėse. Paaiškinkite garavimo greičio skirtumą. 2. Ant popieriaus lapo pipete užlašinkite lašą vandens ir alkoholio. Išmatuokite laiką, per kurį jie išgaruos. Kuris iš šių skysčių turi mažesnę traukos jėgą tarp molekulių? 3. Į stiklinę ir lėkštę supilkite tiek pat vandens. Išmatuokite laiką, per kurį jis juose išgaruos. Paaiškinkite jo garavimo greičio skirtumą.
S.V. Gromovas, N.A. Tėvynė, fizika 8 klasė
Pateikė skaitytojai iš interneto svetainių
Sub>Kalendorinis-teminis fizikos planavimas, testavimas internetu, užduotis 8 klasės mokiniui, kursai 8 klasės fizikos mokytojui, rašiniai pagal mokyklos mokymo programa, namų darbų užduotys
Pamokos turinys pamokos santrauka paramos rėmo pamokos pristatymo pagreitinimo metodai interaktyvios technologijos Praktika užduotys ir pratimai savianalizės seminarai, mokymai, atvejai, užduotys namų darbai diskusija klausimai retoriniai mokinių klausimai Iliustracijos garso, vaizdo klipai ir multimedija nuotraukos, paveikslėliai grafika, lentelės, schemos humoras, anekdotai, anekdotai, komiksai, palyginimai, posakiai, kryžiažodžiai, citatos Priedai tezės straipsniai lustai smalsiems cheat sheets vadovėliai pagrindinis ir papildomas terminų žodynas kita Vadovėlių ir pamokų tobulinimasklaidų taisymas vadovėlyje vadovėlio fragmento atnaujinimas naujovių elementų pamokoje pasenusių žinių pakeitimas naujomis Tik mokytojams tobulos pamokos kalendorinis metų planas Gairės diskusijų programos Integruotos pamokos1. Garavimas ir kondensacija
Medžiagos perėjimo iš skystos būsenos į dujinę būseną procesas vadinamas garavimu, atvirkštinis medžiagos virsmo iš dujinės būsenos į skystą procesas vadinamas kondensacija. Yra du garinimo tipai – garinimas ir virinimas. Pirmiausia apsvarstykite skysčio išgaravimą. Garavimas yra garavimo procesas, vykstantis nuo atviro skysčio paviršiaus bet kokioje temperatūroje. Molekulinės-kinetinės teorijos požiūriu šie procesai paaiškinami taip. Skysčio molekulės, dalyvaujančios šiluminiame judėjime, nuolat susiduria viena su kita. Dėl to kai kurie iš jų įgyja pakankamai kinetinės energijos, kad įveiktų molekulinę trauką. Tokios molekulės, esančios skysčio paviršiuje, išskrenda iš jo, sudarydamos virš skysčio garus (dujas). Garų molekulės, judančios atsitiktinai, atsitrenkia į skysčio paviršių. Tokiu atveju kai kurie iš jų gali patekti į skystį. Šie du skysčio molekulių išstūmimo ir jų atvirkštinio grįžimo į skystį procesai vyksta vienu metu. Jei išeinančių molekulių skaičius daugiau numerio grįžtant, tuomet mažėja skysčio masė, t.y. skystis išgaruoja, jei atvirkščiai, tai skysčio kiekis didėja, t.y. susidaro garų kondensacija. Galimas atvejis, kai skysčio ir virš jo esančių garų masės nekinta. Tai įmanoma, kai iš skysčio išeinančių molekulių skaičius yra lygus į jį grįžtančių molekulių skaičiui. Ši būsena vadinama dinamine pusiausvyra.
BET garai
dinaminėje pusiausvyroje su savo skysčiu, vadinamas prisotintu
. Jei tarp garų ir skysčio nėra dinaminės pusiausvyros, tada jis vadinamas nesočiuoju. Akivaizdu, kad tam tikroje temperatūroje prisotintas garas turi tam tikrą tankį, vadinamą pusiausvyra.
Dėl to sočiųjų garų pusiausvyros tankis ir atitinkamai slėgis išlieka nepakitęs nuo jų tūrio esant pastoviai temperatūrai, nes šių garų tūrio sumažėjimas arba padidėjimas sukelia atitinkamai garų kondensaciją arba skysčio išgaravimą. Sočiųjų garų izoterma tam tikroje temperatūroje koordinačių plokštuma P, V – tiesė, lygiagreti V ašiai.Padidėjus termodinaminės sistemos skysčio – sočiųjų garų temperatūrai, iš skysčio kurį laiką išeinančių molekulių skaičius viršija molekulių, grįžtančių iš garų į skystį, skaičių. Tai tęsiasi tol, kol garų tankio padidėjimas lemia dinaminės pusiausvyros susidarymą aukštesnėje temperatūroje. Kartu didėja ir sočiųjų garų slėgis. Taigi soties garų slėgis priklauso tik nuo temperatūros. Tokį greitą sočiųjų garų slėgio didėjimą lemia tai, kad kylant temperatūrai didėja ne tik molekulių transliacinio judėjimo kinetinė energija, bet ir jų koncentracija, t.y. molekulių skaičius tūrio vienete
Garinimo metu iš skysčio išeina greičiausios molekulės, dėl to mažėja likusių molekulių transliacinio judėjimo vidutinė kinetinė energija, todėl mažėja ir skysčio temperatūra (žr. § 24). Todėl norint, kad garuojančio skysčio temperatūra išliktų pastovi, į jį turi būti nuolat tiekiamas tam tikras šilumos kiekis.
Šilumos kiekis, kurį reikia perduoti skysčio masės vienetui, kad jis pastovioje temperatūroje virstų garais, vadinamas specifine garavimo šiluma.
Savitoji garavimo šiluma priklauso nuo skysčio temperatūros, mažėja jai didėjant. Kondensacijos metu išsiskiria šilumos kiekis, sunaudotas skysčiui išgaruoti. Kondensacija – tai procesas, kai iš dujinės būsenos pereinama į skystą.
2. Oro drėgmė.
Atmosferoje visada yra šiek tiek vandens garų. Drėgmės laipsnis yra viena iš esminių oro ir klimato charakteristikų, o daugeliu atvejų ji turi praktinę reikšmę. Taigi, įvairių medžiagų (įskaitant cementą, gipsą ir kitas statybines medžiagas), žaliavų, gaminių, įrangos ir kt. turėtų vykti esant tam tikrai drėgmei. Patalpoms, atsižvelgiant į jų paskirtį, taikomi ir atitinkami drėgmės reikalavimai.
Drėgmei apibūdinti naudojami keli kiekiai. Absoliuti drėgmė p yra vandens garų masė, esanti oro tūrio vienete. Paprastai jis matuojamas gramais kubiniame metre (g/m3). Absoliuti drėgmė yra susijusi su daliniu vandens garų slėgiu P pagal Mendelejevo-Klaipeirono lygtį, kur V yra garų užimamas tūris, m, T ir m yra vandens garų masė, absoliuti temperatūra ir molinė masė, R yra universalioji masė. dujų konstanta (žr. (25.5)) . Dalinis slėgis yra slėgis, kurį vandens garai daro neatsižvelgdami į kitokio pobūdžio oro molekulių poveikį. Taigi, kadangi p \u003d m / V yra vandens garų tankis.
