Buharlaşma ve yoğunlaşma süreçlerinde dış basıncın rolü. Buharlaşma ve yoğuşma süreçlerinde dış basıncın rolü Aşırı soğutulmuş buhar ve aşırı ısıtılmış sıvı

Hiç bir şişe suyu birkaç saat boyunca sıcak güneşin altında bıraktınız mı ve açtığınızda “cızırtılı” bir ses duydunuz mu? Bu ses buhar basıncından kaynaklanır. Kimyada buhar basıncı, bir sıvının buharının hava geçirmez bir şekilde kapatılmış bir kapta buharlaşırken uyguladığı basınçtır. Belirli bir sıcaklıkta buhar basıncını bulmak için Clapeyron-Clausius denklemini kullanın:

Adımlar

Clapeyron-Clausius denklemini kullanma

Zamanla değişen buhar basıncını hesaplamak için kullanılan Clapeyron-Clausius denklemini yazın. Bu formül çoğu fiziksel ve kimyasal problemde kullanılabilir. Denklem şuna benziyor Aşağıdaki şekilde: ln(P1/P2) = (ΔH vap /R)((1/T2) - (1/T1)), Nerede:

Size verilen değerleri Clapeyron-Clausius denkleminde yerine koyun.Çoğu problemde iki sıcaklık değeri ve bir basınç değeri veya iki basınç değeri ve bir sıcaklık değeri verilir.

• Örneğin, bir kap 295 K sıcaklıktaki bir sıvı içerir ve buhar basıncı 1 atmosferdir (1 atm). 393 K'deki buhar basıncını bulun. Burada size iki sıcaklık değeri ve bir basınç değeri verilmiştir, böylece Clapeyron-Clausius denklemini kullanarak başka bir basınç değeri bulabilirsiniz. Size verilen değerleri formülde yerine koyarsanız şunu elde edersiniz: ln(1/P2) = (ΔH vap /R)((1/393) - (1/295)).
• Lütfen Clapeyron-Clausius denkleminde sıcaklığın her zaman kelvin cinsinden ve basıncın herhangi bir birimde ölçüldüğünü unutmayın (ancak P1 ve P2 için aynı olmaları gerekir).

1. Sabitleri değiştirin. Clapeyron-Clausius denklemi iki sabit içerir: R ve ΔH vap. R her zaman 8,314 J/(K×mol)'e eşittir. ΔH buhar değeri (buharlaşma entalpisi), buhar basıncını bulmaya çalıştığınız maddeye bağlıdır; bu sabit genellikle kimya ders kitaplarındaki bir tabloda veya web sitelerinde (örneğin,) bulunabilir.

   • Örneğimizde kapta su olduğunu varsayalım. Suyun ΔH buharı 40,65 kJ/mol'e veya 40650 J/mol'e eşittir.
   • Sabitleri formülde yerine koyarsak şunu elde ederiz: ln(1/P2) = (40650/8314)((1/393) - (1/295)).

2. Cebirsel işlemleri kullanarak denklemi çözün.

   • Örneğimizde bilinmeyen değişken doğal logaritmanın (ln) işareti altındadır. Doğal logaritmadan kurtulmak için denklemin her iki tarafını da matematik sabiti "e"nin kuvvetlerine çevirin. Başka bir deyişle, ln(x) = 2 → e ln(x) = e 2 → x = e 2 .
   • Şimdi denklemi çözün:
   • ln(1/P2) = (40650/8,314)((1/393) - (1/295))
   • ln(1/P2) = (4889,34)(-0,00084)
   • (1/P2) = e (-4,107)
   • 1/P2 = 0,0165
   • P2 = 0,0165 -1 = 60.76 atm. Bu mantıklıdır, çünkü kapalı bir kaptaki sıcaklığın 100 derece arttırılması buharlaşmayı artıracak ve bu da buhar basıncını önemli ölçüde artıracaktır.

   Çözeltilerde buhar basıncının hesaplanması

   1. Raoult yasasını yazınız.İÇİNDE gerçek hayat saf sıvılar nadirdir; Çoğu zaman çözümlerle uğraşırız. Bir çözelti, "çözücü" adı verilen daha büyük miktarda başka bir kimyasala "çözünen" adı verilen az miktarda belirli bir kimyasalın eklenmesiyle yapılır. Çözüm durumunda Raoult yasasını kullanın: burada:

      • P çözeltisi, çözeltinin buhar basıncıdır.
      • P çözücü – çözücünün buhar basıncı.
      • X çözücü – çözücünün mol fraksiyonu.
      • Mol kesrinin ne olduğunu bilmiyorsanız okumaya devam edin.

   2. Hangi maddenin çözücü, hangisinin çözünen olacağını belirleyin. Bir çözünenin, bir çözücü içinde çözünen bir madde olduğunu ve bir çözücünün, bir çözünen maddeyi çözen bir madde olduğunu hatırlayın.

      Buhar basıncını etkileyeceğinden çözeltinin sıcaklığını bulun. Sıcaklık arttıkça buharlaşma arttığından, sıcaklık ne kadar yüksek olursa buhar basıncı da o kadar yüksek olur.

      • Örneğimizde şurubun sıcaklığının 298 K (yaklaşık 25˚C) olduğunu varsayalım.

   3. Çözücünün buhar basıncını bulunuz. Kimya referans kitapları pek çok yaygın kimyasal için buhar basıncı değerleri verir ancak genellikle bu değerler maddelerin 25°C/298 K sıcaklıklarında veya kaynama noktalarında verilir. Eğer problemde size bu sıcaklıklar veriliyorsa, referans kitaplarındaki değerleri kullanın; aksi takdirde maddenin belirli bir sıcaklığındaki buhar basıncını hesaplamanız gerekir.

      Çözücünün mol kesrini bulun. Bunu yapmak için bir maddenin mol sayısının mol sayısına oranını bulun. toplam sayısıÇözeltide bulunan tüm maddelerin mol sayısı. Başka bir deyişle, her maddenin mol kesri (maddenin mol sayısı) / (tüm maddelerin toplam mol sayısı) değerine eşittir.

   4. Şimdi verileri ve niceliklerin bulunan değerlerini bu bölümün başında verilen Raoult denkleminde yerine koyun ( P çözeltisi = P çözücü X çözücü).

      • Örneğimizde:
      • P çözeltisi = (23,8 mmHg)(0,947)
      • P çözümü = 22,54 mmHg. Sanat. Büyük miktarda su çözünmediği için bu mantıklıdır. çok sayıdaşeker (mol cinsinden ölçülürse; miktarları litre cinsinden aynıdır), dolayısıyla buhar basıncı bir miktar azalacaktır.

   Özel durumlarda buhar basıncının hesaplanması

   1. Standart koşulların tanımı. Genellikle kimyada sıcaklık ve basınç değerleri bir tür “varsayılan” değer olarak kullanılır. Bu değerlere standart sıcaklık ve basınç (veya standart koşullar) denir. Buhar basıncı problemlerinde genellikle standart koşullardan bahsedilir, bu nedenle standart değerleri hatırlamak en iyisidir:

      • Sıcaklık: 273,15 K/0˚C/32 F
      • Basınç: 760 mmHg/1 atm./101,325 kPa

   2. Diğer değişkenleri bulmak için Clapeyron-Clausius denklemini yeniden yazın. Bu makalenin ilk bölümünde saf maddelerin buhar basınçlarının nasıl hesaplanacağı gösterildi. Ancak tüm problemler P1 veya P2 basıncını bulmayı gerektirmez; Birçok problemde sıcaklığı veya ΔH vap değerini hesaplamanız gerekir. Bu gibi durumlarda bilinmeyen miktarı denklemin bir tarafında bırakarak Clapeyron-Clausius denklemini yeniden yazın.

      • Örneğin, buhar basıncı 273 K'de 25 Torr ve 325 K'de 150 Torr olan bilinmeyen bir sıvı veriliyor. Bu sıvının buharlaşma entalpisini (yani ΔH buharlaşma) bulmamız gerekiyor. Bu sorunun çözümü:
      • ln(P1/P2) = (ΔH vap /R)((1/T2) - (1/T1))
      • (ln(P1/P2))/((1/T2) - (1/T1)) = (ΔH vap /R)
      • R × (ln(P1/P2))/((1/T2) - (1/T1)) = ΔH vapŞimdi size verilen değerleri yerine koyun:
      • 8,314 J/(K × mol) × (-1,79)/(-0,00059) = ΔH vap
      • 8,314 J/(K × mol) × 3033,90 = ΔH vap = 25223,83 J/mol

   3. Çözünen maddenin buhar basıncını düşünün. Bu makalenin ikinci bölümündeki örneğimizde, çözünen madde - şeker - buharlaşmaz, ancak çözünen madde buhar üretiyorsa (buharlaşıyorsa), o buharın basıncı dikkate alınmalıdır. Bunu yapmak için Raoult denkleminin değiştirilmiş bir formunu kullanın: P çözümü = Σ(P maddesi X maddesi), burada Σ (sigma) sembolü, çözeltiyi oluşturan tüm maddelerin buhar basınçlarının eklenmesi gerektiği anlamına gelir.

      • Örneğin, iki kimyasaldan oluşan bir çözelti düşünün: benzen ve toluen. Çözeltinin toplam hacmi 120 mililitredir (ml); 60 ml benzen ve 60 ml tolüen. Çözeltinin sıcaklığı 25°C'dir ve 25°C'deki buhar basıncı 95,1 mmHg'dir. benzen için ve 28,4 mm Hg. toluen için. Çözeltinin buhar basıncını hesaplamak gerekir. Bunu maddelerin yoğunluklarını, moleküler ağırlıklarını ve buhar basıncı değerlerini kullanarak yapabiliriz:
      • Ağırlık (benzen): 60 ml = 0,06 l × 876,50 kg/1000 l = 0,053 kg = 53 g
      • Ağırlık (toluen): 0,06 L × 866,90 kg/1000 L = 0,052 kg = 52 g
      • Mol (benzen): 53 g × 1 mol/78,11 g = 0,679 mol
      • Mol (toluen): 52 g × 1 mol/92,14 g = 0,564 mol
      • Toplam mol sayısı: 0,679 + 0,564 = 1,243
      • Mol fraksiyonu (benzen): 0,679/1,243 = 0,546
      • Mol fraksiyonu (toluen): 0,564/1,243 = 0,454
      • Çözüm: P çözeltisi = P benzen X benzen + P toluen X toluen
      • P çözeltisi = (95,1 mmHg)(0,546) + (28,4 mmHg)(0,454)
      • P çözeltisi = 51,92 mm Hg. Sanat. + 12,89 mmHg. Sanat. = 64,81 mmHg. Sanat.
   • Clausius Clapeyron denklemini kullanmak için sıcaklığın Kelvin derecesi (K ile gösterilir) cinsinden belirtilmesi gerekir. Sıcaklık Celsius cinsinden verilirse, bunu aşağıdaki formülü kullanarak dönüştürmeniz gerekir: Tk = 273 + Tc
   • Yukarıda açıklanan yöntem işe yarar çünkü enerji, ısı miktarıyla doğru orantılıdır. Sıvı sıcaklığı, buhar basıncını etkileyen tek çevresel faktördür.

Bir sıvının buharlaşırken soğutulması olgusunu kullanma; suyun kaynama noktasının basınca bağımlılığı.

Buharlaşma sırasında bir madde sıvı halden gaz haline (buhar) geçer. İki tür buharlaşma vardır: buharlaşma ve kaynama.

Buharlaşma- Sıvının serbest yüzeyinden meydana gelen buharlaşmadır.

Buharlaşma nasıl oluşur? Herhangi bir sıvının moleküllerinin sürekli ve rastgele hareket halinde olduğunu, bazılarının daha hızlı, bazılarının daha yavaş hareket ettiğini biliyoruz. Birbirlerine doğru olan çekim kuvvetleri nedeniyle uçmaları engellenir. Bununla birlikte, sıvının yüzeyinde yeterince yüksek kinetik enerjiye sahip bir molekül varsa, o zaman moleküller arası çekim kuvvetlerinin üstesinden gelebilecek ve sıvının dışına uçabilecektir. Aynı şey başka bir hızlı molekülle, ikinci, üçüncü vb. ile tekrarlanacaktır. Bu moleküller uçarak sıvının üzerinde buhar oluştururlar. Bu buharın oluşumu buharlaşmadır.

Buharlaşma sırasında en hızlı moleküller sıvıdan dışarı fırladığından, sıvı içinde kalan moleküllerin ortalama kinetik enerjisi giderek azalır. Sonuç olarak buharlaşan sıvının sıcaklığı azalır: Sıvı soğutulur. Bu nedenle özellikle ıslak kıyafetli bir kişi, kuru kıyafetli bir kişiye göre (özellikle rüzgarda) daha soğuk hisseder.

Aynı zamanda herkes bilir ki, bir bardağa su döküp masanın üzerinde bırakırsanız, buharlaşmaya rağmen sürekli soğumayacaktır, donana kadar giderek soğuyacaktır. Bunu durduran ne? Cevap çok basit: Su ile camı çevreleyen sıcak hava arasındaki ısı alışverişi.

Buharlaşma sırasında bir sıvının soğuması, buharlaşmanın yeterince hızlı gerçekleşmesi durumunda daha belirgindir (böylece sıvının, çevre ile ısı alışverişi nedeniyle sıcaklığını eski haline döndürmek için zamanı yoktur). Eter, alkol ve benzin gibi moleküller arası çekici kuvvetleri zayıf olan uçucu sıvılar hızla buharlaşır. Böyle bir sıvıyı elinize düşürürseniz üşürsünüz. El yüzeyinden buharlaşan böyle bir sıvı soğuyacak ve ısının bir kısmını alacaktır.

Hızla buharlaşan maddeler teknolojide yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin uzay teknolojisinde iniş araçları bu tür maddelerle kaplanıyor. Gezegenin atmosferinden geçerken aparatın gövdesi sürtünme sonucu ısınır ve onu kaplayan madde buharlaşmaya başlar. Buharlaştıkça uzay aracını soğutur ve böylece aşırı ısınmasını önler.

Suyun buharlaşması sırasında soğutulması, hava nemini ölçmek için kullanılan cihazlarda da kullanılır. psikrometreler(Yunanca "psychros" kelimesinden - soğuk). Psikrometre iki termometreden oluşur. Bunlardan biri (kuru) hava sıcaklığını gösterirken, diğeri (haznesi kambrik ile bağlanmış, suya indirilmiş) ıslak kambrikten buharlaşmanın yoğunluğundan dolayı daha düşük bir sıcaklık gösterir. Nemi ölçülen hava ne kadar kuru olursa buharlaşma o kadar fazla olur ve dolayısıyla yaş termometre okuması o kadar düşük olur. Tam tersi, havanın nemi ne kadar yüksek olursa buharlaşma o kadar az olur ve dolayısıyla daha fazla olur. Yüksek sıcaklık bu termometre şunu gösteriyor. Kuru ve nemlendirilmiş termometrelerin okumalarına dayanarak yüzde olarak ifade edilen hava nemi özel (psikrometrik) bir tablo kullanılarak belirlenir. En yüksek nem %100'dür (bu hava neminde nesnelerin üzerinde çiy görülür). İnsanlar için en uygun nem oranının %40 ile 60 arasında olduğu kabul edilir.

Basit deneyler yardımıyla, sıvının sıcaklığının artmasıyla birlikte serbest yüzey alanının artmasıyla ve rüzgarın varlığında buharlaşma oranının arttığını tespit etmek kolaydır.

Rüzgar olduğunda sıvı neden daha hızlı buharlaşır? Gerçek şu ki, sıvının yüzeyindeki buharlaşmayla eş zamanlı olarak ters işlem de meydana gelir - yoğunlaşma. Yoğuşma, sıvı üzerinde rastgele hareket eden bazı buhar moleküllerinin tekrar sıvıya dönmesi nedeniyle oluşur. Rüzgar, sıvının içinden çıkan molekülleri uzaklaştırır ve geri dönmelerine izin vermez.

Buhar sıvıyla temas etmediğinde de yoğuşma meydana gelebilir. Örneğin bulutların oluşumunu açıklayan şey yoğunlaşmadır: Atmosferin daha soğuk katmanlarında yerin üzerine yükselen su buharı molekülleri, birikimleri bulutları oluşturan küçük su damlacıkları halinde gruplanır. Atmosferdeki su buharının yoğunlaşması da yağmur ve çiy oluşmasına neden olur.

Kaynama sıcaklığının basınca bağımlılığı

Suyun kaynama noktası 100°C'dir; Bunun suyun doğasında olan bir özelliği olduğu, suyun nerede ve hangi şartlarda olursa olsun daima 100°C sıcaklıkta kaynayacağı düşünülebilir.

Ancak durum böyle değil ve yüksek dağ köylerinin sakinleri de bunun farkında.

Elbrus'un tepesine yakın bir yerde turistler için bir ev ve bir bilim istasyonu var. Yeni başlayanlar bazen "yumurtayı kaynar suda haşlamanın ne kadar zor olduğu" veya "kaynayan su neden yanmaz" sorularına şaşırırlar. Bu koşullar altında Elbrus'un tepesinde suyun 82°C'de kaynadığı söyleniyor.

Sorun ne? Kaynama olayına hangi fiziksel faktör müdahale eder? Deniz seviyesinden yüksekliğin önemi nedir?

Bu fiziksel faktör sıvının yüzeyine etki eden basınçtır. Söylenenlerin doğruluğunu teyit etmek için dağın tepesine tırmanmanıza gerek yok.

Isıtılmış suyu bir zilin altına yerleştirerek ve oradan havayı pompalayarak veya dışarı pompalayarak, basınç arttıkça kaynama noktasının yükselmesini ve azaldıkça düşmesini sağlayabilirsiniz.

Su 100°C'de yalnızca belirli bir basınçta (760 mm Hg) kaynar. Sanat. (veya 1 atm).

Kaynama noktası-basınç eğrisi Şekil 2'de gösterilmektedir. 4.2. Elbrus'un tepesinde basınç 0,5 atm'dir ve bu basınç 82°C kaynama noktasına karşılık gelir.

Pirinç. 4.2

Ancak su 10-15 mm Hg'de kaynar. Sanat., kendinizi yenileyebilirsiniz sıcak hava. Bu basınçta kaynama noktası 10-15°C'ye düşecektir.

Hatta donma suyu sıcaklığına sahip “kaynar su” bile elde edebilirsiniz. Bunu yapmak için basıncı 4,6 mm Hg'ye düşürmeniz gerekecek. Sanat.

Çanın altına içi su dolu açık bir kap yerleştirip havayı dışarı pompalarsanız ilginç bir resim gözlemlenebilir. Pompalama suyun kaynamasına neden olur, ancak kaynatma ısı gerektirir. Onu alacak hiçbir yer yok ve suyun enerjisinden vazgeçmesi gerekecek. Kaynayan suyun sıcaklığı düşmeye başlayacak, ancak pompalama devam ettikçe basınç da düşecektir. Bu nedenle kaynama durmayacak, su soğumaya devam edecek ve sonunda donacaktır.

Soğuk suyun bu şekilde kaynaması yalnızca hava dışarı pompalandığında meydana gelmez. Örneğin bir geminin pervanesi döndüğünde, metal bir yüzeye yakın hızla hareket eden bir su tabakasındaki basınç büyük ölçüde düşer ve bu tabakadaki su kaynar, yani içinde çok sayıda buhar dolu kabarcıklar belirir. Bu fenomene kavitasyon denir (Latince cavitas - boşluk kelimesinden gelir).

Basıncı azaltarak kaynama noktasını düşürürüz. Peki onu artırarak mı? Bizimki gibi bir grafik bu soruyu yanıtlıyor. 15 atm'lik basınç suyun kaynamasını geciktirebilir, kaynama yalnızca 200°C'de başlar ve 80 atm'lik basınç suyun yalnızca 300°C'de kaynamasına neden olur.

Yani belirli bir dış basınç, belirli bir kaynama noktasına karşılık gelir. Ancak bu ifade şu şekilde "tersine çevrilebilir": suyun her kaynama noktası, kendi özel basıncına karşılık gelir. Bu basınca buhar basıncı denir.

Kaynama noktasını basıncın bir fonksiyonu olarak gösteren eğri aynı zamanda sıcaklığın bir fonksiyonu olarak buhar basıncının da bir eğrisidir.

Kaynama noktası grafiğinde (veya buhar basıncı grafiğinde) çizilen sayılar, buhar basıncının sıcaklıkla çok keskin bir şekilde değiştiğini gösterir. 0°C'de (yani 273 K) buhar basıncı 4,6 mmHg'dir. Art., 100°C'de (373 K) 760 mm Hg'ye eşittir. Sanat, yani 165 kat artar. Sıcaklık iki katına çıktığında (0°C, yani 273 K'den 273°C, yani 546 K'ya), buhar basıncı 4,6 mm Hg'den artar. Sanat. neredeyse 60 atm'ye kadar, yani yaklaşık 10.000 kez.

Bu nedenle tam tersine kaynama noktası basınçla oldukça yavaş değişir. Basınç iki kez 0,5 atm'den 1 atm'ye değiştiğinde kaynama noktası 82°C'den (355 K) 100°C'ye (373 K) yükselir ve basınç 1'den 2 atm'ye iki katına çıktığında 100°C'den (373 K) ) ila 120°C (393 K).

Şu anda ele aldığımız eğri aynı zamanda buharın suya yoğunlaşmasını (yoğunlaşmasını) da kontrol eder.

Buhar, sıkıştırılarak veya soğutularak suya dönüştürülebilir.

Hem kaynama hem de yoğunlaşma sırasında, buharın suya veya suyun buhara dönüşümü tamamlanana kadar nokta eğriden hareket etmeyecektir. Bu şu şekilde de formüle edilebilir: Eğrimizin koşulları altında ve yalnızca bu koşullar altında sıvı ve buharın bir arada bulunması mümkündür. Isı eklemez veya çıkarmazsanız, kapalı bir kaptaki buhar ve sıvı miktarları değişmeden kalacaktır. Bu tür buhar ve sıvının dengede olduğu söylenir ve sıvısıyla dengede olan buhara doymuş denir.

Kaynama ve yoğunlaşma eğrisinin, gördüğümüz gibi, başka bir anlamı daha vardır: Sıvı ve buharın denge eğrisidir. Denge eğrisi diyagram alanını iki parçaya böler. Solda ve yukarı doğru (daha yüksek sıcaklıklara ve daha düşük basınca doğru) buharın kararlı durumdaki bölgesi bulunur. Sağda ve altta sıvının kararlı durumunun bölgesi var.

Buhar-sıvı denge eğrisi, yani kaynama noktasının basınca bağımlılığı eğrisi veya aynı olan buhar basıncının sıcaklığa bağımlılığı eğrisi, tüm sıvılar için yaklaşık olarak aynıdır. Bazı durumlarda değişim biraz daha ani olabilir, bazılarında ise biraz daha yavaş olabilir, ancak buhar basıncı artan sıcaklıkla birlikte her zaman hızlı bir şekilde artar.

“Gaz” ve “buhar” kelimelerini zaten birçok kez kullandık. Bu iki kelime oldukça eşittir. Şöyle diyebiliriz: Su gazı su buharıdır, oksijen gazı ise oksijen sıvı buharıdır. Ancak yine de bu iki kelimeyi kullanırken belli bir alışkanlık oluştu. Nispeten küçük bir sıcaklık aralığına alışkın olduğumuzdan, genellikle "gaz" kelimesini normal sıcaklıklarda buhar basıncı daha yüksek olan maddelere kullanırız. atmosferik basınç. Aksine, oda sıcaklığında ve atmosfer basıncında maddenin sıvı halinde daha kararlı olduğu durumlarda buhardan bahsederiz.

SIVILARIN YANMASI

Sıvıların yanması birbiriyle ilişkili iki olayla karakterize edilir - buharlaşma ve buhar-hava karışımının sıvı yüzeyinin üzerinde yanması. Sonuç olarak, sıvıların yanmasına sadece eşlik etmekle kalmaz Kimyasal reaksiyon(oksidasyonun ateşli yanmaya dönüşmesi), aynı zamanda fiziksel olaylar (buharlaşma ve sıvı yüzeyinin üzerinde buhar-hava karışımının oluşması), ki bunlar olmadan yanma imkansızdır.

Bir maddenin sıvı halden buhar durumuna geçişine denir buharlaşma. Bu sürecin iki şekli vardır: buharlaşma ve kaynama. Buharlaşma sıvının kaynama noktasının altındaki bir sıcaklıkta serbest bir yüzeyden sıvının buhara geçişidir (bkz. Şekil 4.1). Buharlaşma, sıvı moleküllerin termal hareketinin bir sonucu olarak meydana gelir. Moleküllerin hareket hızı geniş bir aralıkta dalgalanır ve her iki yönde de ortalama değerinden büyük ölçüde sapar. Yeterince yüksek kinetik enerjiye sahip bazı moleküller, sıvının yüzey katmanından gaz (hava) ortamına kaçar. Sıvı tarafından kaybedilen moleküllerin fazla enerjisi, sıvı buhara dönüştüğünde moleküller arasındaki etkileşim kuvvetlerinin ve genleşme işinin (hacim artışı) üstesinden gelmek için harcanır. Kaynamak- bu sadece yüzeyden değil, aynı zamanda tüm hacim boyunca buhar kabarcıklarının oluşması ve bunların salınması yoluyla sıvının hacminden de buharlaşmadır. Buharlaşma herhangi bir sıvı sıcaklığında meydana gelir. Kaynama yalnızca doymuş buhar basıncının dış (atmosferik) basınca ulaştığı sıcaklıkta meydana gelir.

Gaz bölgesindeki Brownian hareketi nedeniyle ters işlem de gerçekleşir - yoğunlaşma. Sıvının üzerindeki hacim kapalıysa, herhangi bir sıvı sıcaklığında buharlaşma ve yoğunlaşma süreçleri arasında dinamik bir denge kurulur.

Bir sıvıyla dengede olan buhara doymuş buhar denir. Denge durumu, belirli bir sıcaklık için belirlenen buhar konsantrasyonuna karşılık gelir. Sıvı ile dengede bulunan buharın basıncına denir. doymuş buhar basıncı.

Pirinç. 4.1. Sıvı buharlaşma şeması: a) açık bir kap, b) kapalı bir kap

Belirli bir sıvının sabit sıcaklıkta doymuş buhar basıncı (p.p.) onun için sabit ve değiştirilemez bir değerdir. Doymuş buhar basıncının değeri sıvının sıcaklığına göre belirlenir: artan sıcaklıkla doymuş buhar basıncı artar. Bunun nedeni artan sıcaklıkla birlikte sıvı moleküllerin kinetik enerjilerinin artmasıdır. Bu durumda, giderek artan sayıda molekülün, buhara dönüşmeye yetecek enerjiye sahip olduğu ortaya çıkar.

Böylece, bir sıvının yüzeyinin (aynasının) üzerinde her zaman, denge durumunda sıvının doymuş buharlarının basıncı veya bunların konsantrasyonu ile karakterize edilen bir buhar-hava karışımı vardır. Sıcaklık arttıkça doymuş buhar basıncı Clayperon-Clasius denklemine göre artar:

, (4.1)

veya integral formda:

, (4.2)

nerede p n.p. – doymuş buhar basıncı, Pa;

DH buharlaşması, buharlaşma ısısıdır; birim sıvı kütlesini buhar durumuna dönüştürmek için gereken ısı miktarıdır, kJ/mol;

T – sıvı sıcaklığı, K.

Sıvının yüzeyi üzerindeki doymuş buharın konsantrasyonu aşağıdaki ilişkiyle basıncıyla ilişkilidir:

. (4.3)

(4.1 ve 4.2)'den sıvı sıcaklığının artmasıyla doymuş buharların basıncının (veya bunların konsantrasyonunun) üstel olarak arttığı sonucu çıkar. Bu bağlamda, sıvının yüzeyinin üzerindeki belirli bir sıcaklıkta, alt sıcaklığa eşit bir buhar konsantrasyonu yaratılır. konsantrasyon sınırı Yayılmış ateş. Bu sıcaklığa alev yayılımının alt sıcaklık sınırı (LTFL) adı verilir.

Bu nedenle, herhangi bir sıvı için her zaman aynanın üzerindeki doymuş buhar konsantrasyonunun ateşleme bölgesinde olacağı bir sıcaklık aralığı vardır, yani HKPRP £ j p £ VKPRP.

Sıcaklık arasında doğrudan bir ilişki vardır. sıvı doygunluğu ve etraftakiler basınç. Daha önce belirtildiği gibi sıvı basıncının artması doyma sıcaklığını yükseltir. Tersine, sıvı basıncının azaltılması doyma sıcaklığını düşürür.

Sıcaklığı 22,2°C olan kapalı bir su kabını düşünün. Süreci kontrol etmek için kaba bir gaz kelebeği valfi, bir manometre ve iki termometre monte edilmiştir. Valf, tanktaki basıncı düzenler. Manometre, kaptaki basıncı gösterir ve termometreler buharın sıcaklığını ölçer ve Sıvı su. Kabın etrafındaki atmosferik basınç 101,3 kPa'dır.

Bir kapta oluşturuldu vakum ve vana kapatılır. 68,9 kPa iç basınçta su doyma sıcaklığı 89.6°C. Bu, buhar basıncı 68,9 kPa'ya ulaşana kadar kaynamanın gerçekleşmeyeceği anlamına gelir. Çünkü maksimum buhar basıncı 22,2°C (2,7 kPa) sıvı sıcaklığında, sıvıya büyük miktarda enerji sağlanmadığı sürece kaynama olmayacaktır.

Bu şartlarda sıvının buhar basıncı basınçtan düşük olduğundan kaynamak yerine buharlaşma başlayacaktır. doymuş buhar, suyun sıcaklığına bağlıdır. Bu, sıvının üzerindeki hacim su buharına doyuncaya kadar devam edecektir. Dengeye ulaşıldığında sıvının ve çevresinin sıcaklığı aynı olacak, ısı transferi duracak, sudan ayrılan ve suya dönen buhar moleküllerinin sayısı aynı olacak ve buhar basıncı doyma noktasına eşit olacaktır. sıvının sıcaklığına bağlı olan basıncı. Dengeye ulaşıldığında buhar basıncı maksimum değer 2,7 kPa ve sıvının hacmi sabit kalacaktır.

Başlangıç ​​denge durumuna ulaşıldığında vana açılırsa kaptaki basınç hızla 101,3 kPa'ya yükselecektir. Sonuç olarak suyun kaynama noktası artacaktır. 100°С. Suyun sıcaklığı 22,2°C kaldığı için suyun buhar basıncı 2,7 kPa kalır. Buhar vana aracılığıyla kaptan çıktığında ve buharlaşma süreci yeniden başladığında suyun buhar basıncı düşecektir.

Yakıtın yanması sonucu kazana ısı transferinin artmasıyla birlikte su sıcaklığı 100°C’ye kadar yükselmeye başlar. Su sıcaklığındaki artış, artan kinetik enerjinin bir sonucu olarak daha fazla buhar molekülünün salınmasına neden olur ve bu da buhar basıncını 101,3 kPa'ya yükseltir. Buhar basıncını arttırmak- Bu, sıvı suyun sıcaklığındaki değişikliklerin bir sonucudur. Sıvının sıcaklığı arttıkça doymuş buhar basıncı da artar. Buhar basıncı atmosfer basıncına ulaştığında, kaynamak. Dayalı potansiyel enerji kaynama sonucu durum değiştirme süreci sabit bir sıcaklıkta gerçekleşir. Kap yeterli ısı aldığı sürece su, zorla gaz durumuna geçecektir.

Buhar molekülleri sıvının yüzeyinden ayrılıp kap içinde hareket ettiğinde bazı moleküller kaybolur. kinetik enerjiçarpışmalar sonucu sıvının içine düşer. Bazı moleküller damarı terk eder açık vana ve atmosfere dağılır. Valf buharı tahliye ederken kazan içindeki buhar basıncı ve basıncı 101,3 kPa kalacaktır. Bu durumda buhar doymuş kalacak ve sıcaklığı ve basıncı sıvınınkiyle aynı olacaktır: 101,3 kPa'da 100 ° C. Bu sıcaklık ve basınçta buharın yoğunluğu 0,596 kg/m3, yoğunluğun tersi olan özgül hacmi ise 1,669 mg/kg'dır.

Buharlaşma

Buharlaşmaısının çevreden bir akışkana yavaşça aktarılmasının neden olduğu ince bir termodinamik süreçtir. İşlem buharlaşma Bir sıvının hacminde veya kütlesinde hızlı değişiklikler meydana getirir. Buharlaşma sıvı moleküller tarafından emilmesi sonucu oluşur Termal enerji Küçük bir sıcaklık farkı nedeniyle ortamdan. Enerjideki bu artış, buna bağlı olarak akışkanın kinetik enerjisini de arttırır. Kinetik enerji çarpışmalar yoluyla aktarıldığında yüzeye yakın bazı moleküller, komşu moleküllerin ortalama hızından çok daha yüksek hızlara ulaşır. Bazı yüksek enerjili moleküller bir sıvının yüzeyine yaklaştıklarında bağları kırarlar, yer çekimi kuvvetini yenerler ve buhar molekülleri olarak atmosfere geçerler.

Buharlaşma Sıvının üzerindeki buhar basıncı, sıvının sıcaklığına karşılık gelen doyma basıncından düşükse buharlaşma meydana gelir. Başka bir deyişle buharlaşma, bir sıvının buhar basıncı ve sıcaklık çizgileri, atmosfer basıncının altındaki bir noktada doyma sıcaklığı çizgisinde kesiştiğinde meydana gelir. Bu şartlar ve koşullar şu adrestedir: doygunluk sıcaklık çizgileri sıvının sıcaklığına karşılık gelen yatay buhar basıncı çizgisinin altındadır.

Buharlaşan sıvının hacmi Moleküller yüzeyden ayrılıp çevredeki atmosfere girdikçe sürekli olarak azalır. Ayrıldıktan sonra, bazı buhar molekülleri atmosferdeki diğerleriyle çarpışarak kinetik enerjilerinin bir kısmını aktarır. Enerjideki azalma, buhar moleküllerinin hızını sıvıdan ayrılma seviyesinin altına düşürdüğünde, geri akarlar ve böylece kaybedilen hacmin bir kısmını geri kazanırlar. Sıvıyı terk eden moleküllerin sayısı geri düşen moleküllerin sayısına eşit olduğunda, denge durumu. Bu durum meydana geldiğinde, sıvının hacmi, buhar basıncı veya sıcaklıktaki değişiklikler buharlaşma oranında karşılık gelen değişiklikler meydana getirene kadar değişmeden kalacaktır.

Buhar basıncı

Atmosfer havasındaki buhar basıncının büyüklüğü aşağıdaki deneyle açıkça gösterilebilir. Yukarıya doğru yüzen birkaç damla su, cıva barometresinin tüpüne alttan pipetlenirse, bir süre sonra Torricelli boşluğunun oluşması nedeniyle barometredeki cıva seviyesi azalacaktır. su buharı. İkincisi kendi yaratır kısmi basıncı pH, cıvanın alçalan yüzeyi de dahil olmak üzere her yöne eşit şekilde etki eder.

Barometre tüpünde daha yüksek buhar sıcaklığına sahip koşullar altında benzer bir deney yapıldığında p değeri artacaktır (cıva yüzeyinde bir miktar su kalmalıdır). Bu tür deneyler, artan sıcaklıkla birlikte doymuş buharın basıncında bir artış olduğunu göstermektedir. 100°C'lik bir tüpteki buhar sıcaklığında, içindeki cıva seviyesi barometre kabındaki seviyesine düşecektir, çünkü buhar basıncı eşit olacak atmosferik basınç. Bu yöntem, belirtilen buhar parametreleri arasındaki fonksiyonel ilişkiyi incelemek için kullanılır.

Herhangi bir gaz gibi buharın basıncı da paskal cinsinden ifade edilebilir. Ölçümler ve hesaplamalar yaparken orman kurutma ekipmanları Buhar basıncı sıfır basınç değerinden hesaplanır. Bazen basınç ölçümü için başlangıç ​​noktası olarak barometrik basınca göre fazlalık alınır. Birincisi ikinciden 0,1 MPa daha büyüktür. Örneğin, 0,6 MPa, buhar kazanı veya buhar boru hattı üzerindeki basınç göstergesiyle ölçüldüğü üzere 0,5 MPa'ya karşılık gelecektir.

Doyma sıcaklığı

Bir sıvının sıvı halden gaz haline geçtiği veya tam tersi sıcaklığa ne ad verilir? doyma sıcaklığı. Sıvı doyma sıcaklığı isminde sıvıya doymuş ve doyma sıcaklığındaki buhara denir doymuş buhar. Her türlü çevresel veya basınç koşulu için doyma sıcaklığı Bir maddenin sıvı fazda kaldığı maksimum sıcaklıktır. Ayrıca bu minimum sıcaklık Maddenin buhar halinde bulunduğu yer. Farklı sıvıların doyma sıcaklığı farklıdır ve sıvı basıncı. Standart atmosfer basıncında demir yaklaşık 2454°C'de, bakır 2343°C'de, kurşun 1649°C'de, su 100°C'de ve alkol 76,7°C'de buharlaşır. Diğer sıvılar yalnızca Düşük sıcaklık. Standart atmosfer basıncında amonyak -33°C'de, oksijen -182°C'de ve helyum -269°C'de buharlaşır.

Buharlaşma oranı

atmosferik hareket buharlaşan sıvının üstü doğrudan ilişkilidir buharlaşma oranı. Atmosferin sıvı yüzeyi üzerindeki hızı artarsa, buharlaşma oranı buhar molekülleri sıvı yüzeyinin üzerinde birikmediği için de artar. Sonuç olarak, sıvının üzerindeki buhar basıncı daha düşük kalır, bu da bir molekülün yüzeyden ayrılması için ihtiyaç duyduğu kinetik enerji miktarını azaltır ve dolayısıyla artar. buharlaşma oranı. Vantilatörü su dolu bir kabın üzerine koyarsanız buharlaşma hızı artacak ve sıvı daha kısa sürede buharlaşacaktır.

Buharlaşma hızını etkileyen bir diğer faktör ise sıvı yüzey alanı, atmosfere açıktır. Yüzey alanı arttıkça buharlaşmanın yoğunluğu artar, çünkü buhar moleküllerinin kütlesi daha geniş bir alana yayılır ve bu da azalır. basınç sıvıya. Buhar basıncını azaltmak miktarı azaltır kinetik enerji Moleküllerin sıvının yüzeyinden ayrılması için gereklidir, bu da buharlaşmanın yoğunluğunu arttırır. Bu nedenle, bir kaptan suyun hacmi şişeye aktarılırsa, sıvının yüzey alanı önemli ölçüde azalacak ve şişeye aktarılması için daha fazla zaman gerekecektir. suyun buharlaşması.

Maddenin halleri

Garip bir kelime birleşimi değil mi? Ancak bu hiç de saçma değil: Doğada hem demir buharı hem de katı hava vardır, ancak normal koşullar.

Hangi koşullardan bahsediyoruz? Bir maddenin durumu iki faktör tarafından belirlenir: sıcaklık ve basınç.

Hayatımız nispeten az değişen koşullar altında geçiyor. Hava basıncı bir atmosfer civarında yüzde birkaç oranında dalgalanır; örneğin Moskova bölgesindeki hava sıcaklığı -30 ila +30°C arasında değişiyor; mümkün olan en düşük sıcaklığın (-273°C) sıfır olarak alındığı mutlak sıcaklık ölçeğinde; bu aralık daha az etkileyici görünecektir: 240-300 K, bu da ortalama değerin yalnızca ±%10'udur.

Bu normal koşullara alışmış olmamız son derece doğaldır ve bu nedenle “demir katıdır, hava gazdır” gibi basit gerçekleri söylerken “normal koşullar altında” eklemeyi unutuyoruz.

Demiri ısıtırsanız önce erir, sonra buharlaşır. Hava soğutulursa önce sıvıya dönüşecek, sonra katılaşacaktır.

Okuyucu demir buharı veya katı hava ile hiç karşılaşmamış olsa bile, muhtemelen sıcaklığı değiştirerek herhangi bir maddenin katı, sıvı ve gaz halinde veya yine dedikleri gibi katı, sıvı halde elde edilebileceğine kolayca inanacaktır. veya gaz fazları.

Buna inanmak kolaydır çünkü herkes hem gaz hem sıvı hem de katı formda Dünya'da yaşamın imkansız olacağı bir maddeyi gözlemledi. Elbette sudan bahsediyoruz.

Maddenin bir durumdan diğerine dönüşümü hangi koşullar altında gerçekleşir?

Termometreyi çaydanlığa dökülen suya indirirsek, elektrikli ocağı açarsak ve termometrenin cıvasını izlersek şunu göreceğiz: cıva seviyesi hemen hemen yükselecek. Şimdi 90, 95 ve son olarak 100°C. Su kaynar ve aynı zamanda cıvanın yükselişi de durur. Su dakikalardır kaynıyor ancak cıva seviyesi değişmedi. Suyun tamamı kaynayana kadar sıcaklık değişmeyecektir (Şekil 4.1).

Pirinç. 4.1

Su sıcaklığı değişmezse ısı nereye gider? Cevap açıktır. Suyu buhara dönüştürme işlemi enerji gerektirir.

Bir gram suyun enerjisini ve ondan oluşan bir gram buharı karşılaştıralım. Buhar molekülleri su moleküllerine göre birbirlerinden daha uzakta bulunur. Bu nedenle suyun potansiyel enerjisinin buharın potansiyel enerjisinden farklı olacağı açıktır.

Parçacıkların çekme potansiyel enerjisi birbirlerine yaklaştıkça azalır. Bu nedenle buharın enerjisi suyun enerjisinden daha fazladır ve suyu buhara dönüştürmek enerji gerektirir. Bu fazla enerji elektrikli ocak tarafından çaydanlıktaki kaynayan suya aktarılır.

Suyu buhara dönüştürmek için gereken enerji; buharlaşma ısısı denir. 1 g suyun buhara dönüştürülmesi için 539 cal gerekir (bu 100°C sıcaklığa ait rakamdır).

1 gram suya 539 cal tüketilirse 1 mol suya 18*539 = 9700 cal harcanır. Bu miktardaki ısının moleküller arası bağları kırmak için harcanması gerekir.

Bu rakamı molekül içi bağları kırmak için gereken iş miktarıyla karşılaştırabilirsiniz. 1 mol su buharını atomlarına ayırmak için yaklaşık 220.000 cal yani 25 kat daha fazla enerji gerekir. Bu, molekülleri birbirine bağlayan kuvvetlerin, atomları bir molekül halinde bir araya getiren kuvvetlere kıyasla zayıflığını doğrudan kanıtlar.

Suyun kaynama noktası 100°C'dir; Bunun suyun doğasında olan bir özelliği olduğu, suyun nerede ve hangi şartlarda olursa olsun daima 100°C sıcaklıkta kaynayacağı düşünülebilir.

Ancak durum böyle değil ve yüksek dağ köylerinin sakinleri de bunun farkında.

Elbrus'un tepesine yakın bir yerde turistler için bir ev ve bir bilim istasyonu var. Yeni başlayanlar bazen "yumurtayı kaynar suda haşlamanın ne kadar zor olduğu" veya "kaynayan su neden yanmaz" sorularına şaşırırlar. Bu koşullar altında Elbrus'un tepesinde suyun 82°C'de kaynadığı söyleniyor.

Sorun ne? Kaynama olayına hangi fiziksel faktör müdahale eder? Deniz seviyesinden yüksekliğin önemi nedir?

Bu fiziksel faktör sıvının yüzeyine etki eden basınçtır. Söylenenlerin doğruluğunu teyit etmek için dağın tepesine tırmanmanıza gerek yok.

Isıtılmış suyu bir zilin altına yerleştirerek ve oradan havayı pompalayarak veya dışarı pompalayarak, basınç arttıkça kaynama noktasının yükselmesini ve azaldıkça düşmesini sağlayabilirsiniz.

Su 100°C'de yalnızca belirli bir basınçta (760 mm Hg) kaynar. Sanat. (veya 1 atm).

Kaynama noktası-basınç eğrisi Şekil 2'de gösterilmektedir. 4.2. Elbrus'un tepesinde basınç 0,5 atm'dir ve bu basınç 82°C kaynama noktasına karşılık gelir.

Pirinç. 4.2

Ancak su 10-15 mm Hg'de kaynar. Art., Sıcak havalarda serinleyebilirsiniz. Bu basınçta kaynama noktası 10-15°C'ye düşecektir.

Hatta donma suyu sıcaklığına sahip “kaynar su” bile elde edebilirsiniz. Bunu yapmak için basıncı 4,6 mm Hg'ye düşürmeniz gerekecek. Sanat.

Çanın altına içi su dolu açık bir kap yerleştirip havayı dışarı pompalarsanız ilginç bir resim gözlemlenebilir. Pompalama suyun kaynamasına neden olur, ancak kaynatma ısı gerektirir. Onu alacak hiçbir yer yok ve suyun enerjisinden vazgeçmesi gerekecek. Kaynayan suyun sıcaklığı düşmeye başlayacak, ancak pompalama devam ettikçe basınç da düşecektir. Bu nedenle kaynama durmayacak, su soğumaya devam edecek ve sonunda donacaktır.

Soğuk suyun bu şekilde kaynaması yalnızca hava dışarı pompalandığında meydana gelmez. Örneğin bir geminin pervanesi döndüğünde, metal bir yüzeye yakın hızla hareket eden bir su tabakasındaki basınç büyük ölçüde düşer ve bu tabakadaki su kaynar, yani içinde çok sayıda buhar dolu kabarcıklar belirir. Bu fenomene kavitasyon denir (Latince cavitas - boşluk kelimesinden gelir).

Basıncı azaltarak kaynama noktasını düşürürüz. Peki onu artırarak mı? Bizimki gibi bir grafik bu soruyu yanıtlıyor. 15 atm'lik basınç suyun kaynamasını geciktirebilir, kaynama yalnızca 200°C'de başlar ve 80 atm'lik basınç suyun yalnızca 300°C'de kaynamasına neden olur.

Yani belirli bir dış basınç, belirli bir kaynama noktasına karşılık gelir. Ancak bu ifade şu şekilde "tersine çevrilebilir": suyun her kaynama noktası, kendi özel basıncına karşılık gelir. Bu basınca buhar basıncı denir.

Kaynama noktasını basıncın bir fonksiyonu olarak gösteren eğri aynı zamanda sıcaklığın bir fonksiyonu olarak buhar basıncının da bir eğrisidir.

Kaynama noktası grafiğinde (veya buhar basıncı grafiğinde) çizilen sayılar, buhar basıncının sıcaklıkla çok keskin bir şekilde değiştiğini gösterir. 0°C'de (yani 273 K) buhar basıncı 4,6 mmHg'dir. Art., 100°C'de (373 K) 760 mm Hg'ye eşittir. Sanat, yani 165 kat artar. Sıcaklık iki katına çıktığında (0°C, yani 273 K'den 273°C, yani 546 K'ya), buhar basıncı 4,6 mm Hg'den artar. Sanat. neredeyse 60 atm'ye kadar, yani yaklaşık 10.000 kez.

Bu nedenle tam tersine kaynama noktası basınçla oldukça yavaş değişir. Basınç iki kez 0,5 atm'den 1 atm'ye değiştiğinde kaynama noktası 82°C'den (355 K) 100°C'ye (373 K) yükselir ve basınç 1'den 2 atm'ye iki katına çıktığında 100°C'den (373 K) ) ila 120°C (393 K).

Şu anda ele aldığımız eğri aynı zamanda buharın suya yoğunlaşmasını (yoğunlaşmasını) da kontrol eder.

Buhar, sıkıştırılarak veya soğutularak suya dönüştürülebilir.

Hem kaynama hem de yoğunlaşma sırasında, buharın suya veya suyun buhara dönüşümü tamamlanana kadar nokta eğriden hareket etmeyecektir. Bu şu şekilde de formüle edilebilir: Eğrimizin koşulları altında ve yalnızca bu koşullar altında sıvı ve buharın bir arada bulunması mümkündür. Isı eklemez veya çıkarmazsanız, kapalı bir kaptaki buhar ve sıvı miktarları değişmeden kalacaktır. Bu tür buhar ve sıvının dengede olduğu söylenir ve sıvısıyla dengede olan buhara doymuş denir.

Kaynama ve yoğunlaşma eğrisinin, gördüğümüz gibi, başka bir anlamı daha vardır: Sıvı ve buharın denge eğrisidir. Denge eğrisi diyagram alanını iki parçaya böler. Solda ve yukarı doğru (daha yüksek sıcaklıklara ve daha düşük basınca doğru) buharın kararlı durumdaki bölgesi bulunur. Sağda ve altta sıvının kararlı durumunun bölgesi var.

Buhar-sıvı denge eğrisi, yani kaynama noktasının basınca bağımlılığı eğrisi veya aynı olan buhar basıncının sıcaklığa bağımlılığı eğrisi, tüm sıvılar için yaklaşık olarak aynıdır. Bazı durumlarda değişim biraz daha ani olabilir, bazılarında ise biraz daha yavaş olabilir, ancak buhar basıncı artan sıcaklıkla birlikte her zaman hızlı bir şekilde artar.

“Gaz” ve “buhar” kelimelerini zaten birçok kez kullandık. Bu iki kelime oldukça eşittir. Şöyle diyebiliriz: Su gazı su buharıdır, oksijen gazı ise oksijen sıvı buharıdır. Ancak yine de bu iki kelimeyi kullanırken belli bir alışkanlık oluştu. Nispeten küçük bir sıcaklık aralığına alışkın olduğumuz için, genellikle "gaz" sözcüğünü, normal sıcaklıklarda buhar esnekliği atmosfer basıncından daha yüksek olan maddelere kullanırız. Aksine, oda sıcaklığında ve atmosfer basıncında maddenin sıvı halinde daha kararlı olduğu durumlarda buhardan bahsederiz.

Kaynama hızlı bir işlemdir ve kısa sürede kaynayan sudan eser kalmaz, buhara dönüşür.

Ancak suyu veya başka bir sıvıyı buhara dönüştürmenin başka bir olgusu daha var - bu buharlaşmadır. Buharlaşma, basınçtan bağımsız olarak herhangi bir sıcaklıkta meydana gelir ve normal koşullar altında her zaman 760 mmHg'ye yakındır. Sanat. Buharlaşma kaynamanın aksine çok yavaş bir süreçtir. Kapatmayı unuttuğumuz bir kolonya şişesi birkaç gün sonra boşalacaktır; o Sulu tabak daha uzun süre dayanacak, ancak er ya da geç kuruyacaktır.

Buharlaşma sürecinde hava önemli bir rol oynar. Tek başına suyun buharlaşmasını engellemez. Sıvının yüzeyini açtığımız anda su molekülleri en yakın hava katmanına doğru hareket etmeye başlayacaktır.

Bu katmandaki buhar yoğunluğu hızla artacak; Kısa bir süre sonra buhar basıncı, ortamın sıcaklığının elastiklik özelliğine eşit hale gelecektir. Bu durumda buhar basıncı havanın olmadığı durumla tamamen aynı olacaktır.

Buharın havaya geçişi elbette basıncın artması anlamına gelmez. Su yüzeyinin üstündeki boşluktaki toplam basınç artmaz, sadece bu basıncın buhar tarafından alınan payı artar ve buna bağlı olarak buharın yer değiştirdiği havanın payı azalır.

Suyun üstünde havayla karışmış buhar, üstünde ise buharsız hava katmanları vardır. Kaçınılmaz olarak karışacaklar. Su buharı sürekli olarak üst katmanlara doğru hareket edecek ve onun yerine alt katman su molekülleri içermeyen hava içeri akacaktır. Bu nedenle suya en yakın katmanda her zaman yeni su molekülleri için yer açılacaktır. Su, yüzeydeki su buharı basıncını elastikiyete eşit tutarak sürekli olarak buharlaşacak ve su tamamen buharlaşana kadar işlem devam edecektir.

Kolonya ve su örneğiyle başladık. Farklı oranlarda buharlaştıkları iyi bilinmektedir. Eter son derece hızlı buharlaşır, alkol oldukça hızlı buharlaşır ve su çok daha yavaş buharlaşır. Referans kitabında bu sıvıların örneğin oda sıcaklığındaki buhar basıncı değerlerini bulursak burada neler olduğunu hemen anlayacağız. İşte rakamlar: eter - 437 mm Hg. Sanat, alkol - 44,5 mm Hg. Sanat. ve su - 17,5 mm Hg. Sanat.

Esneklik ne kadar büyük olursa, bitişik hava katmanındaki buhar o kadar fazla olur ve sıvı o kadar hızlı buharlaşır. Sıcaklık arttıkça buhar basıncının da arttığını biliyoruz. Isıtmayla buharlaşma oranının neden arttığı açıktır.

Buharlaşma hızı başka bir şekilde etkilenebilir. Buharlaşmaya yardımcı olmak istiyorsak, buharı sıvıdan hızlı bir şekilde uzaklaştırmamız, yani havanın karışmasını hızlandırmamız gerekir. Bu nedenle sıvının üflenmesiyle buharlaşma büyük ölçüde hızlanır. Su, nispeten düşük bir buhar basıncına sahip olmasına rağmen, tabağın rüzgara maruz bırakılması durumunda oldukça hızlı bir şekilde kaybolacaktır.

Bu nedenle sudan çıkan bir yüzücünün rüzgarda neden üşüdüğünü anlamak kolaydır. Rüzgar, havanın buharla karışmasını hızlandırır ve dolayısıyla buharlaşmayı hızlandırır ve insan vücudu buharlaşma için ısıdan vazgeçmek zorunda kalır.

Bir kişinin refahı, havada su buharının çok mu yoksa az mı olduğuna bağlıdır. Hem kuru hem de nemli hava rahatsız edicidir. Nem %60 olduğunda normal kabul edilir. Bu, su buharının yoğunluğunun aynı sıcaklıkta doymuş su buharının yoğunluğunun %60'ı olduğu anlamına gelir.

Nemli hava soğutulursa, sonunda içindeki su buharı basıncı o sıcaklıktaki buhar basıncına eşit olacaktır. Buhar doymuş hale gelecek ve sıcaklık daha da düştükçe yoğunlaşarak suya dönüşmeye başlayacaktır. Çimleri ve yaprakları nemlendiren sabah çiyleri tam da bu fenomen nedeniyle ortaya çıkar.

20°C'de doymuş su buharının yoğunluğu yaklaşık 0,00002 g/cm3'tür. Havada bu miktardaki su buharının %60'ı varsa kendimizi iyi hissederiz; bu, 1 cm3 başına gramın yüz binde birinden biraz fazlası anlamına gelir.

Bu rakam küçük olmasına rağmen odada etkileyici miktarda buhar oluşmasına neden olacaktır. 12 m2 alana ve 3 m yüksekliğe sahip orta büyüklükte bir odaya yaklaşık bir kilogram suyun doymuş buhar şeklinde "sığabileceğini" hesaplamak zor değildir.

Bu, böyle bir odanın sıkıca kapatılması ve açık bir su varili konulması durumunda, varilin kapasitesi ne olursa olsun bir litre suyun buharlaşacağı anlamına gelir.

Su için bu sonucu cıva için karşılık gelen rakamlarla karşılaştırmak ilginçtir. 20°C'lik aynı sıcaklıkta doymuş cıva buharının yoğunluğu 10-8 g/cm3'tür.

Az önce tartışılan odaya 1 g'dan fazla cıva buharı sığmayacaktır.

Bu arada cıva buharı çok zehirlidir ve 1 g cıva buharı herhangi bir kişinin sağlığına ciddi şekilde zarar verebilir. Cıva ile çalışırken en küçük cıva damlasının bile dökülmemesine dikkat etmelisiniz.

Gaz sıvıya nasıl dönüştürülür? Kaynama noktası grafiği bu soruyu yanıtlıyor. Sıcaklığı azaltarak veya basıncı artırarak gazı sıvıya dönüştürebilirsiniz.

19. yüzyılda basıncı arttırmak, sıcaklığı düşürmekten daha kolay bir iş gibi görünüyordu. Bu yüzyılın başında büyük İngiliz fizikçi Michael Farada, gazları buhar basıncı değerlerine kadar sıkıştırmayı ve bu sayede birçok gazı sıvıya (klor, karbon dioksit ve benzeri.).

Ancak bazı gazlar (hidrojen, nitrojen, oksijen) sıvılaştırılamadı. Basınç ne kadar artırılırsa artırılsın sıvıya dönüşmediler. Oksijen ve diğer gazların sıvı olamayacağı düşünülebilir. Bunlar gerçek veya kalıcı gazlar olarak sınıflandırıldı.

Aslında başarısızlıklar önemli bir durumun anlaşılmamasından kaynaklanıyordu.

Sıvı ve buharın dengede olduğunu düşünelim ve kaynama noktası arttıkça ve tabii ki buna karşılık gelen basınç arttıkça onlara ne olacağını düşünelim. Başka bir deyişle kaynama grafiğindeki bir noktanın eğri boyunca yukarı doğru hareket ettiğini hayal edin. Sıcaklık arttıkça sıvının genleştiği ve yoğunluğunun azaldığı açıktır. Buharda kaynama noktası artar mı? Elbette genişlemesine katkıda bulunur, ancak daha önce de söylediğimiz gibi doymuş buhar basıncı kaynama noktasından çok daha hızlı artar. Bu nedenle buhar yoğunluğu düşmez, aksine kaynama sıcaklığının artmasıyla hızla artar.

Sıvının yoğunluğu azaldığından ve buharın yoğunluğu arttığından, kaynama eğrisi boyunca "yukarı" hareket ederek kaçınılmaz olarak sıvı ve buharın yoğunluklarının eşit olduğu bir noktaya ulaşacağız (Şekil 4.3).

Pirinç. 4.3

Kritik nokta adı verilen bu dikkat çekici noktada kaynama eğrisi sona erer. Gaz ve sıvı arasındaki tüm farklar yoğunluk farkıyla ilişkili olduğundan kritik noktada sıvı ve gazın özellikleri aynı olur. Her maddenin kendi kritik sıcaklığı ve kendi kritik basıncı vardır. Böylece su için kritik nokta 374 °C sıcaklığa ve 218,5 atm basınca karşılık gelir.

Sıcaklığı kritik sıcaklığın altında olan bir gazı sıkıştırırsanız, sıkıştırma işlemi kaynama eğrisini kesen bir okla temsil edilecektir (Şekil 4.4). Bu, buhar basıncına eşit bir basınca ulaştığı anda (okun kaynama eğrisiyle kesiştiği nokta) gazın sıvı halinde yoğunlaşmaya başlayacağı anlamına gelir. Eğer kabımız şeffaf olsaydı, o zaman şu anda kabın dibinde bir sıvı tabakası oluşumunun başladığını görürdük. Sabit basınçta, sıvı tabakası sonunda gazın tamamı sıvıya dönüşene kadar büyüyecektir. Daha fazla sıkıştırma, basınçta bir artış gerektirecektir.

Pirinç. 4.4

Sıcaklığı kritik sıcaklığın üzerinde olan bir gaz sıkıştırıldığında durum tamamen farklıdır. Sıkıştırma işlemi yine aşağıdan yukarıya doğru giden bir ok olarak gösterilebilir. Ama artık bu ok kaynama eğrisini geçmiyor. Bu, sıkıştırıldığında buharın yoğunlaşmayacağı, yalnızca sürekli olarak sıkıştırılacağı anlamına gelir.

Kritik sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklarda, bir arayüzle ayrılmış sıvı ve gazın varlığı imkansızdır: Herhangi bir yoğunluğa sıkıştırıldığında pistonun altında homojen bir madde oluşacaktır ve bunun ne zaman gaz olarak adlandırılabileceğini söylemek zordur ve sıvı olduğunda.

Kritik bir noktanın varlığı, sıvı ve gaz halleri arasında temel bir fark olmadığını gösterir. İlk bakışta, yalnızca kritik sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklardan söz ettiğimizde böyle temel bir fark yokmuş gibi görünebilir. Ancak durum böyle değil. Kritik bir noktanın varlığı, bir sıvının (bir bardağa dökülebilen gerçek bir sıvı) herhangi bir kaynama görüntüsü olmadan gaz haline dönüştürülme olasılığını gösterir.

Bu dönüşüm yolu Şekil 2'de gösterilmektedir. 4.4. Bir çarpı bilinen bir sıvıyı işaret eder. Basıncı biraz düşürürseniz (aşağı ok) kaynar, sıcaklığı biraz yükseltirseniz (sağdaki ok) da kaynar. Ama biz tamamen farklı bir şey yapacağız, sıvıyı çok güçlü bir şekilde kritik basıncın üzerinde bir basınca sıkıştıracağız. Sıvının durumunu temsil eden nokta dikey olarak yukarıya doğru gidecektir. Daha sonra sıvıyı ısıtıyoruz - bu işlem yatay bir çizgiyle gösteriliyor. Şimdi Kritik Sıcaklığın sağında kendimizi bulduktan sonra basıncı orijinaline indiriyoruz. Şimdi sıcaklığı düşürürseniz, bu sıvıdan daha basit ve kısa bir şekilde elde edilebilecek gerçek buharı elde edebilirsiniz.

Böylece kritik noktayı atlayarak basınç ve sıcaklığı değiştirerek sürekli olarak sıvıdan veya sıvıdan buhardan aktararak buhar elde etmek her zaman mümkündür. Bu sürekli geçiş, kaynama veya yoğunlaşma gerektirmez.

Oksijen, nitrojen ve hidrojen gibi gazları sıvılaştırmaya yönelik ilk girişimler, kritik sıcaklığın varlığı bilinmediğinden başarısız oldu. Bu gazlar çok düşük kritik sıcaklıklara sahiptir: nitrojen -147°C, oksijen -119°C, hidrojen -240°C veya 33 K. Rekorun sahibi helyumdur, kritik sıcaklığı 4,3 K'dir. Bu gazları yalnızca sıvı kutuya dönüştürün tek bir şekilde kullanılabilir - sıcaklıklarını belirtilen sıcaklığın altına düşürmeniz gerekir.

Sıcaklıkta önemli bir azalma elde edilebilir Farklı yollar. Ancak tüm yöntemlerin fikri aynıdır: Soğutmak istediğimiz bedeni iç enerjisini harcamaya zorlamalıyız.

Bu nasıl yapılır? Bunun bir yolu, dışarıdan ısı eklemeden sıvıyı kaynatmaktır. Bunu yapmak için, bildiğimiz gibi, basıncı azaltmamız gerekiyor - onu buhar basıncı değerine düşürmeliyiz. Kaynama için harcanan ısı sıvıdan alınacak, sıvının ve buharın sıcaklığı da düşecek ve bununla birlikte buhar basıncı da düşecektir. Bu nedenle kaynamanın durmaması ve daha hızlı gerçekleşmesi için, sıvıyla birlikte sürekli olarak kaptan havanın dışarı pompalanması gerekir.

Ancak bu işlem sırasında sıcaklık düşüşü bir sınıra ulaşır: sonunda buharın esnekliği tamamen önemsiz hale gelir ve en güçlü pompalar bile gerekli basıncı oluşturamaz.

Sıcaklığı düşürmeye devam etmek için, gazı elde edilen sıvıyla soğutarak onu daha düşük kaynama noktasına sahip bir sıvıya dönüştürmek mümkündür.

Artık pompalama işlemi ikinci maddeyle tekrarlanabilir ve böylece daha düşük sıcaklıklar elde edilebilir. Gerekirse, düşük sıcaklıkların elde edilmesine yönelik bu "kademeli" yöntem genişletilebilir.

Geçen yüzyılın sonunda yaptıkları da tam olarak buydu; Gazların sıvılaştırılması aşamalar halinde gerçekleştirildi: -103, -183, -196 ve -253°C kaynama noktasına sahip maddeler - etilen, oksijen, nitrojen, hidrojen - sırayla sıvıya dönüştürüldü. Sıvı hidrojen ile en düşük kaynama noktasına sahip sıvı olan helyumu (-269°C) elde edebilirsiniz. Soldaki komşu sağdaki komşunun taşınmasına yardım etti.

Kademeli soğutma yöntemi neredeyse yüz yıllıktır. 1877 yılında bu yöntemle sıvı hava elde edildi.

1884-1885'te İlk kez sıvı hidrojen üretildi. Nihayet, yirmi yıl sonra, son kale ele geçirildi: 1908'de Hollanda'nın Leiden şehrinde Kamerlingh Onnes, helyumu en düşük kritik sıcaklığa sahip bir madde olan sıvıya dönüştürdü. Geçtiğimiz günlerde bu önemli bilimsel başarının 70. yıl dönümü kutlandı.

Uzun yıllar boyunca Leiden Laboratuvarı tek "düşük sıcaklıklı" laboratuvardı. Artık tüm ülkelerde, teknik amaçlar için sıvı hava, nitrojen, oksijen ve helyum üreten fabrikaların yanı sıra bu tür düzinelerce laboratuvar var.

Düşük sıcaklıkların elde edilmesinin kademeli yöntemi artık nadiren kullanılmaktadır. İÇİNDE teknik kurulumlar Sıcaklığı düşürmek için, gazın iç enerjisini azaltan başka bir yöntem kullanılır: Gazı hızla genleşmeye zorlarlar ve iç enerjiyi kullanarak iş üretirler.

Örneğin, birkaç atmosfere sıkıştırılmış hava bir genişleticiye konursa, pistonu hareket ettirme veya türbini döndürme işi gerçekleştirildiğinde, hava o kadar keskin bir şekilde soğuyacak ki sıvıya dönüşecektir. Karbondioksit silindirden hızlı bir şekilde salınırsa o kadar hızlı soğur ki anında "buza" dönüşür.

Sıvı gazlar teknolojide yaygın olarak kullanılmaktadır. Sıvı oksijen, jet motorlarındaki yakıt karışımının bir bileşeni olarak patlayıcı teknolojisinde kullanılır.

Hava sıvılaştırma, teknolojide havayı oluşturan gazları ayırmak için kullanılır.

Teknolojinin çeşitli alanlarında sıvı hava sıcaklığında çalışmak gerekmektedir. Ancak birçok fiziksel çalışma için bu sıcaklık yeterince düşük değildir. Aslında Celsius derecesini mutlak ölçeğe çevirirsek sıvı havanın sıcaklığının oda sıcaklığının yaklaşık 1/3'ü kadar olduğunu görürüz. Fizik açısından çok daha ilgi çekici olan, "hidrojen" sıcaklıkları, yani 14-20 K civarındaki sıcaklıklar ve özellikle "helyum" sıcaklıklarıdır. Sıvı helyum pompalanırken elde edilen en düşük sıcaklık 0,7 K'dir.

Fizikçiler mutlak sıfıra çok daha fazla yaklaşmayı başardılar. Artık mutlak sıfırı derecenin yalnızca birkaç binde biri kadar aşan sıcaklıklar elde edildi. Ancak bu aşırı düşük sıcaklıklar yukarıda tanımladığımız yöntemlere benzemeyen yollarla elde edilir.

İÇİNDE son yıllar düşük sıcaklık fiziği, büyük hacimlerin mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda tutulmasına olanak tanıyan ekipman üretimiyle uğraşan özel bir endüstri dalının ortaya çıkmasına neden oldu; iletken baraları 10 K'nin altındaki sıcaklıklarda çalışan güç kabloları geliştirilmiştir.

Buhar kaynama noktasını geçtiğinde yoğunlaşmalı ve sıvıya dönüşmelidir. Fakat,; Buhar sıvıyla temas etmezse ve buhar çok safsa, o zaman aşırı soğutulmuş veya "aşırı doymuş buhar - uzun zaman önce sıvı haline gelmesi gereken buhar" elde etmenin mümkün olduğu ortaya çıktı.

Aşırı doymuş buhar çok kararsızdır. Bazen bir itme veya uzaya atılan bir buhar tanesi, gecikmiş yoğunlaşmanın başlaması için yeterlidir.

Deneyimler, buhar moleküllerinin yoğunlaşmasının, küçük yabancı parçacıkların buharın içine girmesiyle büyük ölçüde kolaylaştırıldığını göstermektedir. Tozlu havada su buharının aşırı doyması meydana gelmez. Duman bulutları yoğunlaşmaya neden olabilir. Sonuçta duman küçük katı parçacıklardan oluşur. Bu parçacıklar buharın içine girdikten sonra etraflarındaki molekülleri toplar ve yoğunlaşma merkezleri haline gelir.

Yani kararsız olmasına rağmen buhar, bir sıvının “ömrüne” uygun bir sıcaklık aralığında mevcut olabilir.

Aynı koşullar altında bir sıvı buhar bölgesinde “yaşayabilir” mi? Başka bir deyişle bir sıvının aşırı ısınması mümkün müdür?

Bunun mümkün olduğu ortaya çıktı. Bunu yapmak için sıvı moleküllerin yüzeyden çıkmamasını sağlamanız gerekir. Radikal bir çözüm, serbest yüzeyi ortadan kaldırmak, yani sıvıyı, katı duvarlar tarafından her taraftan sıkıştırılacağı bir kaba yerleştirmektir. Bu şekilde birkaç derecelik aşırı ısınma elde etmek, yani sıvıların durumunu temsil eden noktayı kaynama eğrisinin sağına kaydırmak mümkündür (Şekil 4.4).

Aşırı ısınma, sıvının buhar bölgesine doğru kaymasıdır, dolayısıyla sıvının aşırı ısınması hem ısı eklenerek hem de basınç azaltılarak sağlanabilir.

Son yöntem şaşırtıcı sonuçlar elde edebilir. Çözünmüş gazlardan dikkatlice arındırılmış su veya başka bir sıvı (bunu yapmak kolay değildir), sıvının yüzeyine ulaşan bir pistonla bir kaba yerleştirilir. Kap ve piston sıvıyla ıslatılmalıdır. Şimdi pistonu kendinize doğru çekerseniz pistonun alt kısmına yapışan su onu takip edecektir. Ancak pistona yapışan su tabakası bir sonraki su tabakasını da kendisiyle birlikte çekecektir, bu tabaka alttakini çekecektir, bunun sonucunda sıvı esneyecektir.

Sonunda su sütunu kırılacak (pistondan kopacak olan su değil, su sütunudur), ancak bu, birim alan başına kuvvet onlarca kilograma ulaştığında gerçekleşecektir. Yani sıvı içerisinde onlarca atmosferlik negatif basınç oluşur.

Düşük pozitif basınçlarda bile maddenin buhar durumu stabildir. Ve sıvı negatif basınca getirilebilir. Daha parlak bir örnek"aşırı ısınma"ya ulaşmak zordur.

Sıcaklık artışına mümkün olduğu kadar dayanabilecek katı bir gövde yoktur. Katı parça er ya da geç sıvıya dönüşür; doğru, bazı durumlarda erime noktasına ulaşamayacağız - kimyasal ayrışma meydana gelebilir.

Sıcaklık arttıkça moleküller giderek daha yoğun hareket eder. Sonunda, güçlü bir şekilde "sallanan" moleküller arasındaki düzeni korumanın imkansız hale geldiği bir an gelir. Katı erir. Tungsten en yüksek erime noktasına sahiptir: 3380°C. Altın 1063°C'de, demir ise 1539°C'de erir. Ancak, ayrıca düşük erime noktalı metaller.Civa, bilindiği gibi -39 ° C sıcaklıkta erir Organik maddeler yüksek erime noktalarına sahip değildir Naftalin 80 ° C'de, toluen - -94.5 ° C'de erir.

Bir cismin erime noktasını ölçmek, özellikle de sıradan bir termometre ile ölçülen sıcaklık aralığında eriyorsa, hiç de zor değildir. Eriyen bedeni gözlerinizle takip etmenize hiç gerek yok. Termometrenin cıva sütununa bakmanız yeterli. Erime başlayana kadar vücut ısısı yükselir (Şekil 4.5). Erime başladıktan sonra sıcaklık artışı durur ve erime işlemi tamamlanana kadar sıcaklık aynı kalır.

Pirinç. 4.5

Bir sıvının buhara dönüştürülmesi gibi, bir katının sıvıya dönüştürülmesi de ısı gerektirir. Bunun için gereken ısıya gizli füzyon ısısı denir. Örneğin bir kilo buzu eritmek için 80 kcal gerekir.

Buz, füzyon ısısı yüksek olan cisimlerden biridir. Örneğin buzun erimesi aynı kütledeki kurşunun erimesinden 10 kat daha fazla enerji gerektirir. Elbette erimenin kendisinden bahsediyoruz; burada kurşunun erimeye başlamadan önce +327°C'ye ısıtılması gerektiğini söylemiyoruz. Buzun erime ısısının yüksek olması nedeniyle karların erimesi yavaşlar. Erime ısısının 10 kat daha az olacağını düşünün. Daha sonra bahar selleri her yıl akla hayale gelmeyecek felaketlere yol açacaktı.

Yani buzun erime ısısı büyüktür, ancak 540 kcal/kg'lık (yedi kat daha az) özgül buharlaşma ısısıyla karşılaştırıldığında da küçüktür. Ancak bu fark tamamen doğaldır. Bir sıvıyı buhara dönüştürürken molekülleri birbirinden ayırmamız gerekir, ancak eritirken yalnızca moleküllerin dizilişindeki düzeni bozmamız ve onları neredeyse aynı mesafelerde bırakmamız gerekir. Açıkçası, ikinci durum daha az çalışma gerektiriyor.

Belirli bir erime noktasının varlığı kristalli maddelerin önemli bir özelliğidir. Bu özelliği sayesinde amorf veya cam olarak adlandırılan diğer katı maddelerden kolayca ayırt edilebilirler. Camlar hem inorganik hem de organik maddeler arasında bulunur. Pencere camı genellikle sodyum ve kalsiyum silikatlardan yapılır; Organik cam genellikle masanın üzerine yerleştirilir (ayrıca pleksiglas da denir).

Amorf maddelerin kristallerden farklı olarak belirli bir erime noktası yoktur. Cam erimez ama yumuşar. Bir cam parçası ısıtıldığında önce sertten yumuşak hale gelir, kolayca bükülebilir veya gerilebilir; daha yüksek sıcaklıkta parça kendi yerçekiminin etkisi altında şekil değiştirmeye başlar. Isındıkça kalın, viskoz cam kütlesi, içinde bulunduğu kabın şeklini alır. Bu kütle önce bal gibi kalın, sonra ekşi krema gibi ve sonunda neredeyse su ile aynı düşük viskoziteli sıvı haline gelir. İstesek bile burada katının sıvıya geçişi için belirli bir sıcaklık belirtemeyiz. Bunun nedenleri camın yapısı ile kristal cisimlerin yapısı arasındaki temel farklılıkta yatmaktadır. Yukarıda belirtildiği gibi amorf cisimlerdeki atomlar rastgele düzenlenir. Camlar yapı olarak sıvılara benzer, zaten katı camda moleküller rastgele düzenlenmiştir. Bu, camın sıcaklığının arttırılmasının yalnızca moleküllerinin titreşim aralığını arttırdığı ve onlara giderek daha fazla hareket özgürlüğü sağladığı anlamına gelir. Bu nedenle cam yavaş yavaş yumuşar ve moleküllerin katı bir düzende dizilişinden düzensiz bir düzene geçişin özelliği olan "katı"dan "sıvıya" keskin bir geçiş göstermez.

Kaynama eğrisinden bahsettiğimizde, sıvı ve buharın kararsız bir durumda olmasına rağmen yabancı bölgelerde yaşayabileceğini, buharın aşırı soğutulup kaynama eğrisinin soluna aktarılabileceğini, sıvının aşırı ısınıp sağa çekilebileceğini söylemiştik. bu eğrinin.

Sıvı içeren bir kristal durumunda da benzer olaylar mümkün müdür? Buradaki benzetmenin eksik olduğu ortaya çıktı.

Bir kristali ısıtırsanız erime noktasında erimeye başlar. Kristalin aşırı ısınması mümkün olmayacaktır. Aksine, bir sıvıyı soğuturken, belirli önlemlerin alınması durumunda erime noktasının nispeten kolay bir şekilde "aşılması" mümkündür. Bazı sıvılarda büyük hipotermi elde etmek mümkündür. Aşırı soğutulması kolay ancak kristalleşmesi zor olan sıvılar bile vardır. Böyle bir sıvı soğudukça giderek daha viskoz hale gelir ve sonunda kristalleşmeden katılaşır. Cam böyle bir şeydir.

Ayrıca suyu aşırı soğutabilirsiniz. Sis damlacıkları donmasa bile Şiddetli donlar. Bir maddenin kristalini (bir tohumu) aşırı soğutulmuş bir sıvıya bırakırsanız, kristalleşme hemen başlayacaktır.

Son olarak, birçok durumda gecikmeli kristalleşme, çalkalama veya diğer rastgele olaylarla başlayabilir. Örneğin kristal gliserolün ilk kez demiryolu ile taşıma sırasında elde edildiği bilinmektedir. Uzun süre bekledikten sonra cam kristalleşmeye başlayabilir (teknolojide dedikleri gibi "çökebilir" veya "çökebilir").

Hemen hemen her madde belirli koşullar altında kristal verebilir. Kristaller bir çözeltiden veya bir eriyikten elde edilebilir bu maddenin ve buharlarından (örneğin, siyah elmas şeklindeki iyot kristalleri, sıvı duruma ara geçiş olmadan normal basınçta buharlarından kolayca düşer).

Sofra tuzunu veya şekeri suda eritmeye başlayın. Oda sıcaklığında (20°C), yönlü bir camda yalnızca 70 g tuzu çözebilirsiniz. Daha fazla tuz ilavesi çözülmeyecek ve çökelti şeklinde dibe çökecektir. Daha fazla çözünmenin artık meydana gelmediği bir çözeltiye doymuş denir. .Sıcaklığı değiştirirseniz maddenin çözünürlük derecesi de değişir. Herkes sıcak suyun çoğu maddeyi soğuk suya göre çok daha kolay çözdüğünü bilir.

Şimdi, örneğin 30°C sıcaklıkta doymuş bir şeker çözeltisi hazırladığınızı ve onu 20°C'ye soğutmaya başladığınızı hayal edin. 30°C'de 223 g şekeri 100 g suda çözebildiniz, 20°C'de 205 g çözündü.Daha sonra 30°C'den 20°C'ye soğutulduğunda 18 g "ekstra" olarak ortaya çıkacak ve, dedikleri gibi çözümden düşecek. Dolayısıyla kristal elde etmenin olası bir yolu doymuş bir çözeltiyi soğutmaktır.

Bunu farklı şekilde yapabilirsiniz. Doymuş bir tuz çözeltisi hazırlayın ve açık bir bardakta bırakın. Bir süre sonra kristallerin görünümünü fark edeceksiniz. Neden oluştular? Dikkatli gözlem, kristallerin oluşumuyla eş zamanlı olarak başka bir değişikliğin meydana geldiğini, su miktarının azaldığını gösterecektir. Su buharlaştı ve çözeltide "fazladan" bir madde kaldı. Yani diğeri olası yol Kristallerin oluşumu çözeltinin buharlaşmasıdır.

Çözeltiden kristal oluşumu nasıl gerçekleşir?

Kristallerin çözeltiden "düştüğünü" söylemiştik; Bu, kristalin bir haftadır orada olmadığı ve bir anda aniden ortaya çıktığı şeklinde mi anlaşılmalı? Hayır, durum böyle değil: kristaller büyüyor. Büyümenin ilk anlarını gözle tespit etmek elbette imkansızdır. İlk başta, çözünen maddenin rastgele hareket eden birkaç molekülü veya atomu, kabaca bir kristal kafes oluşturmak için gereken sırayla bir araya gelir. Böyle bir atom veya molekül grubuna çekirdek denir.

Deneyimler, çekirdeklerin çoğunlukla çözeltide yabancı küçük toz parçacıklarının varlığında oluştuğunu göstermektedir. Küçük bir tohum kristali doymuş bir çözeltiye yerleştirildiğinde kristalleşme en hızlı ve kolay şekilde başlar. Bu durumda katı maddenin çözeltiden salınması yeni kristallerin oluşmasından değil, tohumun büyümesinden oluşacaktır.

Embriyonun büyümesi elbette tohumun büyümesinden farklı değildir. Tohum kullanmanın amacı, salınan maddeyi kendi üzerine “çekmesi” ve böylece aynı anda çok sayıda çekirdeğin oluşmasını engellemesidir. Çok sayıda çekirdek oluşursa, büyüme sırasında birbirlerine müdahale edecekler ve büyük kristaller elde etmemize izin vermeyeceklerdir.

Çözeltiden salınan atom veya moleküllerin kısımları embriyonun yüzeyinde nasıl dağılıyor?

Deneyimler, bir embriyonun veya tohumun büyümesinin, yüzlerin kendilerine paralel ve yüze dik bir yönde hareket ettirilmesinden oluştuğunu göstermektedir. Bu durumda yüzler arasındaki açılar sabit kalır (açıların değişmezliğinin bir kristalin kafes yapısından kaynaklanan en önemli özelliği olduğunu zaten biliyoruz).

İncirde. Şekil 4.6 aynı maddenin üç kristalinin büyümeleri sırasında oluşan ana hatlarını göstermektedir. Benzer resimler mikroskop altında da görülebilir. Solda gösterilen durumda, büyüme sırasında yüz sayısı korunur. Ortadaki resim yeni bir yüzün ortaya çıkıp (sağ üstte) tekrar kaybolmasının bir örneğini veriyor.

Pirinç. 4.6

Yüzlerin büyüme hızının yani kendilerine paralel hareket hızlarının farklı yüzler için aynı olmadığını unutmamak çok önemlidir. Bu durumda, en hızlı hareket eden "aşırı büyüyen" (kaybolan) kenarlardır, örneğin ortadaki resmin sol alt kenarı. Aksine, yavaş büyüyen kenarlar en geniş ve dedikleri gibi en gelişmiş kenarlar olarak ortaya çıkıyor.

Bu özellikle son şekilde açıkça görülmektedir. Şekilsiz bir parça, büyüme hızının anizotropisinden dolayı tam olarak diğer kristallerle aynı şekli alır. Bazı yönler, diğerlerinin pahasına en güçlü şekilde gelişir ve kristale, bu maddenin tüm örneklerinin karakteristik şeklini verir.

Bir top tohum olarak alındığında ve çözelti dönüşümlü olarak hafifçe soğutulup ısıtıldığında çok güzel geçiş formları gözlenir. Isıtıldığında çözelti doymamış hale gelir ve tohum kısmen çözülür. Soğutma, çözeltinin doygunluğuna ve tohumun büyümesine yol açar. Ancak moleküller, sanki belirli yerleri tercih ediyormuş gibi farklı şekilde yerleşirler. Madde böylece topun bir yerinden diğerine aktarılır.

İlk olarak topun yüzeyinde daire şeklinde küçük kenarlar belirir. Dairelerin boyutu yavaş yavaş artar ve birbirine dokunarak düz kenarlar boyunca birleşir. Top bir çokyüzlüye dönüşüyor. Daha sonra bazı yüzler diğerlerini geçer, bazı yüzler aşırı büyümüş olur ve kristal karakteristik şeklini alır (Şekil 4.7).

Pirinç. 4.7

Kristallerin büyümesini gözlemlerken, büyümenin ana özelliği yüzlerin paralel hareketidir. Serbest bırakılan maddenin kenarları katmanlar halinde oluşturduğu ortaya çıktı: bir katman tamamlanana kadar bir sonraki oluşturulmaya başlamıyor.

İncirde. Şekil 4.8 atomların “tamamlanmamış” paketlenmesini göstermektedir. Yeni atom kristale bağlandığında harfli konumlardan hangisinde en sıkı şekilde tutulacaktır? Kuşkusuz, A'da, çünkü burada üç taraftan komşuların çekiciliğini yaşıyor, B'de - iki taraftan ve C'de - yalnızca bir taraftan. Bu nedenle önce sütun tamamlanır, ardından tüm düzlem ve ancak o zaman yeni düzlemin döşenmesi başlar.

Pirinç. 4.8

Bazı durumlarda kristaller erimiş bir kütleden - bir eriyikten oluşur. Doğada bu çok büyük ölçekte gerçekleşir: bazaltlar, granitler ve diğer birçok kaya ateşli magmadan ortaya çıkmıştır.

Kaya tuzu gibi kristalimsi bir maddeyi ısıtmaya başlayalım. 804°C'ye kadar kaya tuzu kristalleri çok az değişir: sadece biraz genişler ve madde katı kalır. İçinde madde bulunan bir kaba yerleştirilen sıcaklık ölçer, ısıtıldığında sıcaklıkta sürekli bir artış olduğunu gösterir. 804°C'de hemen iki yeni, birbiriyle bağlantılı olguyu keşfedeceğiz: madde erimeye başlayacak ve sıcaklıktaki artış duracak. Maddenin tamamı sıvı hale gelinceye kadar; sıcaklık değişmeyecek; sıcaklığın daha da artması sıvının ısınması anlamına gelir. Tüm kristalli maddelerin belirli bir erime noktası vardır. Buz 0°C'de, demir 1527°C'de, cıva -39°C'de vb. erir.

Zaten bildiğimiz gibi, her kristalde maddenin atomları veya molekülleri düzenli bir G paketi oluşturur ve ortalama konumları etrafında küçük titreşimler gerçekleştirir. Vücut ısındıkça salınım yapan parçacıkların hızı, salınımların genliğiyle birlikte artar. Artan sıcaklıkla birlikte parçacık hareketinin hızındaki bu artış, katı, sıvı veya gaz gibi herhangi bir durumdaki madde için geçerli olan doğanın temel yasalarından birini oluşturur.

Kristalin belirli, yeterince yüksek bir sıcaklığına ulaşıldığında, parçacıklarının titreşimleri o kadar enerjik hale gelir ki, parçacıkların düzgün bir şekilde düzenlenmesi imkansız hale gelir - kristal erir. Erimenin başlamasıyla birlikte sağlanan ısı artık parçacıkların hızını arttırmak için değil, kristal kafesi yok etmek için kullanılır. Bu nedenle sıcaklıktaki artış durur. Daha sonraki ısıtma, sıvı parçacıkların hızındaki bir artıştır.

Bizi ilgilendiren bir eriyikten kristalleşme durumunda, yukarıda açıklanan olaylar ters sırada gözlenir: sıvı soğudukça parçacıkları kaotik hareketlerini yavaşlatır; Belirli, yeterince düşük bir sıcaklığa ulaşıldığında, parçacıkların hızı zaten o kadar düşüktür ki, çekici kuvvetlerin etkisi altında bazıları birbirine bağlanarak kristal çekirdekler oluşturmaya başlar. Maddenin tamamı kristalleşene kadar sıcaklık sabit kalır. Bu sıcaklık genellikle erime noktasıyla aynıdır.

Özel önlemler alınmazsa eriyikten aynı anda birçok yerde kristalleşme başlayacaktır. Kristaller, yukarıda anlattığımız gibi, düzenli, karakteristik çokyüzlüler şeklinde büyüyecek. Ancak serbest büyüme uzun sürmez: Kristaller büyüdükçe birbirleriyle çarpışır, temas noktalarında büyüme durur ve katılaşmış gövde granüler bir yapı kazanır. Her bir tanecik, doğru şeklini alamamış ayrı bir kristaldir.

Pek çok koşula ve öncelikle soğuma hızına bağlı olarak, bir katının taneleri az ya da çok büyük olabilir: soğuma ne kadar yavaşsa taneler de o kadar büyük olur. Kristalin cisimlerin tane boyutları santimetrenin milyonda biri ile birkaç milimetre arasında değişir. Çoğu durumda, granüler kristal yapı mikroskop altında gözlemlenebilir. Katılar genellikle böyle ince kristalli bir yapıya sahiptir.

Metallerin katılaşma süreci teknoloji açısından büyük ilgi görmektedir. Fizikçiler döküm sırasında ve metalin kalıplarda katılaşması sırasında meydana gelen olayları son derece detaylı bir şekilde incelediler.

Çoğunlukla katılaştığında dendrit adı verilen ağaç benzeri tek kristaller büyür. Diğer durumlarda dendritler rastgele, diğer durumlarda ise birbirine paralel olarak yönlendirilir.

İncirde. Şekil 4.9 bir dendritin büyüme aşamalarını göstermektedir. Bu davranışla, bir dendrit başka bir benzerle karşılaşmadan aşırı büyüyebilir. O zaman dökümde dendritleri bulamayacağız. Olaylar farklı şekilde de gelişebilir: dendritler henüz “genç” iken buluşup büyüyebilirler (birinin dalları diğerinin dalları arasındaki boşluklara doğru).

Pirinç. 4.9

Böylece taneleri (Şekil 2.22'de gösterilen) çok farklı yapılara sahip olan dökümler ortaya çıkabilir. Ve metallerin özellikleri önemli ölçüde bu yapının doğasına bağlıdır. Soğutma hızını ve ısı giderme sistemini değiştirerek katılaşma sırasında metalin davranışını kontrol edebilirsiniz.

Şimdi büyük bir tek kristalin nasıl büyütüleceğinden bahsedelim. Kristalin tek yerden büyümesini sağlamak için önlem alınması gerektiği açıktır. Ve eğer birkaç kristal zaten büyümeye başladıysa, o zaman her halükarda büyüme koşullarının bunlardan yalnızca biri için uygun olmasını sağlamak gerekir.

Örneğin burada, düşük erime noktasına sahip metallerin kristalleri büyütülürken yapılan şey budur. Metal, ucu dışarı çekilmiş bir cam test tüpünde eritilir. Dikey silindirik bir fırının içindeki bir ipe asılan bir test tüpü yavaşça aşağı indirilir. Çizilen uç yavaş yavaş fırından çıkar ve soğur. Kristalleşme başlar. İlk başta birkaç kristal oluşur, ancak yana doğru büyüyenler test tüpünün duvarına yaslanır ve büyümeleri yavaşlar. Yalnızca test tüpünün ekseni boyunca, yani eriyiğin derinliklerinde büyüyen kristal uygun koşullarda olacaktır. Test tüpü alçaldıkça, düşük sıcaklık bölgesine giren eriyiğin yeni kısımları bu tek kristali "besleyecektir". Bu nedenle, tüm kristaller arasında hayatta kalan tek kristal odur; test tüpü alçaldıkça kendi ekseni boyunca büyümeye devam eder. Sonunda erimiş metalin tamamı katılaşarak tek bir kristal haline gelir.

Aynı fikir, refrakter yakut kristallerinin yetiştirilmesinin de temelini oluşturuyor. Maddenin ince tozu alevin içinden püskürtülür. Tozlar erir; küçük damlalar çok küçük bir alandaki refrakter desteğin üzerine düşerek birçok kristal oluşturur. Damlalar standın üzerine düşmeye devam ettikçe tüm kristaller büyür, ancak yine yalnızca düşen damlaları "almak" için en uygun konumda olan kristal büyür.

Büyük kristaller ne için gereklidir?

Endüstri ve bilim sıklıkla büyük tek kristallere ihtiyaç duyar. Teknoloji için büyük önem taşıyan, mekanik eylemleri (örneğin basınç) elektrik voltajına dönüştürme konusunda olağanüstü özelliğe sahip olan Rochelle tuzu ve kuvars kristalleridir.

Optik endüstrisinin büyük kalsit, kaya tuzu, florit vb. kristallerine ihtiyacı vardır.

Saat endüstrisinin yakut, safir ve diğer bazı değerli taşlardan oluşan kristallere ihtiyacı var. Gerçek şu ki, sıradan bir saatin hareketli parçaları saatte 20.000'e kadar titreşim üretiyor. Bu kadar ağır bir yük olağandışı bir durumu da beraberinde getiriyor yüksek gereksinimler Aks uçlarının ve yataklarının kalitesine. Aksın uç kısmı için 0,07-0,15 mm çapındaki rulman yakut veya safir olduğunda aşınma en az olacaktır. Bu maddelerin yapay kristalleri çok dayanıklıdır ve çelik tarafından çok az aşındırılır. bu harika yapay taşlar Bu durumda aynı doğal taşlardan daha iyi oldukları ortaya çıkıyor.

Fakat en yüksek değer endüstri için yarı iletken tek kristallerin (silikon ve germanyum) yetiştirilmesidir.

Basıncı değiştirirseniz erime noktası da değişecektir. Kaynama konusunu konuştuğumuzda da aynı tabloyla karşılaştık. Basınç ne kadar yüksek olursa; kaynama noktası ne kadar yüksek olursa. Bu genellikle erime için de geçerlidir. Ancak anormal davranan az sayıda madde vardır: basınç arttıkça erime noktaları düşer.

Gerçek şu ki, katıların büyük çoğunluğu sıvı benzerlerinden daha yoğundur. Bu kuralın istisnası, basınçtaki bir değişiklikle erime noktası alışılmadık bir şekilde değişen, örneğin su olan maddelerdir. Buz sudan daha hafiftir ve basınç arttıkça buzun erime noktası düşer.

Sıkıştırma, daha yoğun bir durumun oluşumunu teşvik eder. Bir katı bir sıvıdan daha yoğunsa, sıkıştırma katılaşmaya yardımcı olur ve erimeyi önler. Ancak sıkıştırma nedeniyle erime zorlaşıyorsa, bu, maddenin katı kaldığı anlamına gelir, oysa daha önce bu sıcaklıkta zaten erimiş olurdu, yani artan basınçla erime sıcaklığı artar. Anormal durumda sıvı, katıdan daha yoğundur ve basınç, sıvının oluşmasına yardımcı olur, yani erime noktasını düşürür.

Basıncın erime noktası üzerindeki etkisi, kaynama üzerindeki benzer etkiden çok daha azdır. Basınçta 100 kgf/cm2'den fazla bir artış buzun erime noktasını 1°C düşürür.

Neden patenler sadece buz üzerinde kayıyor da aynı derecede pürüzsüz parke üzerinde kaymıyor? Görünüşe göre tek açıklama, pateni yağlayan suyun oluşmasıdır. Ortaya çıkan çelişkiyi anlamak için şunu hatırlamanız gerekir: Aptal patenler buz üzerinde çok zayıf süzülüyor. Patenlerin buzu kesebilmesi için keskinleştirilmesi gerekir. Bu durumda sadece paten kenarının ucu buza baskı yapar. Buz üzerindeki basınç onbinlerce atmosfere ulaşıyor ama buz hala eriyor.

"Bir madde buharlaşır" derken genellikle bir sıvının buharlaştığını kastederler. Ancak katılar da buharlaşabilir. Bazen katıların buharlaşmasına süblimasyon denir.

Buharlaşan bir katı örneğin naftalindir. Naftalin 80°C'de erir ve oda sıcaklığında buharlaşır. Naftalinin güveleri yok etmek için kullanılmasına izin veren bu özelliğidir.

Naftalin buharıyla doyurulan kürk manto, güvelerin tahammül edemeyeceği bir atmosfer yaratıyor. Kokan herhangi bir şey sağlam büyük ölçüde yüceltir. Sonuçta koku, maddeden kopup burnumuza ulaşan moleküller tarafından yaratılıyor. Bununla birlikte, daha sık görülen durumlar, bir maddenin küçük bir dereceye kadar, bazen de çok dikkatli bir araştırmayla bile tespit edilemeyecek bir dereceye kadar süblimleştiği durumlardır. Prensip olarak, herhangi bir katı madde (yani herhangi bir demir veya bakır bile) buharlaşır. Süblimleşmeyi tespit etmezsek, bu yalnızca doymuş buharın yoğunluğunun çok önemsiz olduğu anlamına gelir.

Oda sıcaklığında keskin bir kokuya sahip olan bazı maddelerin, düşük sıcaklıklarda kokularını kaybettiğini doğrulayabilirsiniz.

Bir katıyla dengede olan doymuş buharın yoğunluğu artan sıcaklıkla hızla artar. Bu davranışı Şekil 2'de gösterilen buz eğrisiyle gösteriyoruz. 4.10. Buzun kokmadığı doğrudur...

Pirinç. 4.10

Çoğu durumda, katı bir cismin doymuş buhar yoğunluğunu basit bir nedenden dolayı önemli ölçüde artırmak imkansızdır - madde daha erken eriyecektir.

Buz da buharlaşır. Bu, soğuk havalarda ıslak çamaşırları kurutmak için asan ev kadınları tarafından iyi bilinir." Önce su donar, sonra buz buharlaşır ve çamaşırlar kuru olur.

Yani buhar, sıvı ve kristalin çiftler halinde dengede bulunabileceği koşullar vardır. Her üç durum da dengede olabilir mi? Basınç-sıcaklık diyagramında böyle bir nokta vardır, buna üçlü denir. Nerede?

Sıfır derecede kapalı bir kaba yüzen buzlu su koyarsanız, su (ve "buz") buharı boş alana akmaya başlayacaktır. 4,6 mm Hg buhar basıncında. Sanat. buharlaşma duracak ve doygunluk başlayacaktır. Artık üç faz (buz, su ve buhar) denge halinde olacak. Bu üçlü noktadır.

Farklı durumlar arasındaki ilişkiler, Şekil 2'de gösterilen su diyagramında açık ve net bir şekilde gösterilmiştir. 4.11.

Pirinç. 4.11

Böyle bir diyagram herhangi bir cisim için oluşturulabilir.

Şekildeki eğriler bize tanıdık geliyor; bunlar buz ve buhar, buz ve su, su ve buhar arasındaki denge eğrileridir. Basınç her zamanki gibi dikey olarak çizilir, sıcaklık ise yatay olarak çizilir.

Üç eğri üçlü noktada kesişiyor ve diyagramı buz, su ve su buharından oluşan yaşam alanları olmak üzere üç bölgeye ayırıyor.

Durum diyagramı yoğunlaştırılmış bir referanstır. Amacı, şu ve bu basınçta ve şu sıcaklıkta vücudun hangi durumunun stabil olduğu sorusuna cevap vermektir.

Su veya buhar “sol bölge” şartlarına konulursa buz haline gelecektir. “Alt bölgeye” sıvı veya katı bir madde eklerseniz buhar elde edersiniz. "Doğru bölgede" buhar yoğunlaşacak ve buz eriyecektir.

Faz varlığı diyagramı, bir maddeye ısıtıldığında veya sıkıştırıldığında ne olacağına anında cevap vermenizi sağlar. Sabit basınçta ısıtma, diyagramda yatay bir çizgi ile temsil edilir. Vücudun durumunu temsil eden bir nokta bu çizgi boyunca soldan sağa doğru hareket eder.

Şekilde bu tür iki çizgi gösterilmektedir, bunlardan biri normal basınçta ısınmaktadır. Çizgi üçlü noktanın üzerinde yer alır. Bu nedenle, önce erime eğrisiyle, ardından çizimin dışında buharlaşma eğrisiyle kesişecektir. Normal basınçtaki buz 0°C sıcaklıkta eriyecek ve ortaya çıkan su 100°C sıcaklıkta kaynayacaktır.

Çok düşük basınçta, örneğin 5 mmHg'nin hemen altında ısıtılan buz için durum farklı olacaktır. Sanat. Isıtma işlemi üçlü noktanın altına inen bir çizgi ile gösterilir. Erime ve kaynama eğrileri bu çizgiyle kesişmez. Bu kadar düşük bir basınçta ısıtma, buzun doğrudan buhara geçişine yol açacaktır.

İncirde. Şekil 4.12'de aynı diyagram, su buharının şekilde çarpı işaretiyle işaretlenmiş durumda sıkıştırılması durumunda ne gibi ilginç bir olayın meydana geleceğini göstermektedir. Buhar önce buza dönüşecek, sonra eriyecektir. Çizim, kristalin hangi basınçta büyümeye başlayacağını ve erimenin ne zaman gerçekleşeceğini hemen söylemenizi sağlar.

Pirinç. 4.12

Bütün maddelerin faz diyagramları birbirine benzer. Günlük bakış açısından büyük farklılıklar, üçlü noktanın diyagramdaki konumunun farklı maddeler için çok farklı olabilmesi nedeniyle ortaya çıkar.

Sonuçta, "normal koşullara" yakın bir yerde, yani esas olarak bir atmosfere yakın bir basınçta yaşıyoruz. Bir maddenin üçlü noktasının normal basınç çizgisine göre nasıl konumlandığı bizim için çok önemlidir.

Üçlü noktadaki basınç atmosferik basınçtan azsa, o zaman "normal" koşullarda yaşayan bizler için madde erime olarak sınıflandırılır. Sıcaklık arttıkça önce sıvıya dönüşür, sonra kaynar.

Tersi durumda - üçlü noktadaki basınç atmosferik basınçtan daha yüksek olduğunda - ısıtıldığında sıvıyı görmeyeceğiz, katı doğrudan buhara dönüşecektir. Dondurma satıcıları için oldukça uygun olan “kuru buz” bu şekilde davranır. Dondurma briketleri "kuru buz" parçalarıyla aktarılabilir ve dondurmanın ıslanmasından korkmazsınız. "Kuru buz" katı karbondioksit C0 2'dir. Bu maddenin üçlü noktası 73 atm'dedir. Bu nedenle, katı CO2 ısıtıldığında, durumunu temsil eden nokta yatay olarak hareket eder ve yalnızca katının buharlaşma eğrisiyle kesişir (aynısı normal buz yaklaşık 5 mm Hg'lik bir basınçta. Sanat.).

Okuyucuya Kelvin ölçeğinde bir derece sıcaklığın nasıl belirlendiğini veya SI sisteminin artık söylememizi gerektirdiği gibi bir kelvin'in nasıl belirlendiğini anlatmıştık. Ancak sıcaklığın belirlenmesi prensibinden bahsediyorduk. Tüm metroloji enstitülerinin ideal gaz termometreleri yoktur. Bu nedenle sıcaklık ölçeği, maddenin farklı halleri arasında doğanın sabitlediği denge noktaları kullanılarak oluşturulur.

Suyun üçlü noktası bunda özel bir rol oynar. Kelvin derecesi artık suyun üçlü noktasının termodinamik sıcaklığının 273,16'sı olarak tanımlanıyor. Oksijenin üçlü noktası 54,361 K olarak alınmıştır. Altının katılaşma sıcaklığı 1337,58 K olarak ayarlanmıştır. Bu referans noktaları kullanılarak herhangi bir termometre doğru bir şekilde kalibre edilebilir.

Yazdığımız siyah mat yumuşak grafit ve parlak şeffaf, sert, cam kesme Elmaslar aynı karbon atomlarından oluşur. Bu iki özdeş maddenin özellikleri neden bu kadar farklı?

Her atomun en yakın üç komşusu olan katmanlı grafit kafesini ve atomunun en yakın dört komşusu olan elmas kafesini düşünün. Bu örnek, kristallerin özelliklerinin atomların göreceli dizilimi tarafından belirlendiğini açıkça göstermektedir. Ateşe dayanıklı potalar, iki ila üç bin dereceye kadar sıcaklıklara ve 700°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda elmas yanmasına dayanabilen grafitten yapılır; elmasın yoğunluğu 3,5 ve grafit - 2,3'tür; Grafit elektriği iletir, elmas yapmaz vb.

Farklı kristaller üretme özelliğine sahip olan yalnızca karbon değildir. Hemen hemen her kimyasal element ve sadece bir element değil, herhangi bir Kimyasal madde, birçok çeşitte mevcut olabilir. Altı çeşit buz, dokuz çeşit kükürt ve dört çeşit demir vardır.

Durum diyagramını tartışırken, hakkında konuşmadık. farklı şekiller kristaller ve katının tek bir bölgesini çizdi. Ve birçok madde için bu bölge, her biri belirli bir katı "tipine" veya dedikleri gibi belirli bir katı faza (belirli bir kristalin modifikasyon) karşılık gelen bölümlere ayrılmıştır.

Her kristalin fazın, belirli bir basınç ve sıcaklık aralığıyla sınırlanan kendi kararlı durum bölgesi vardır. Bir kristalin çeşidin diğerine dönüşüm yasaları, erime ve buharlaşma yasalarıyla aynıdır.

Her basınç için, her iki kristal türünün barış içinde bir arada bulunacağı sıcaklığı belirleyebilirsiniz. Sıcaklığı arttırırsanız, bir tür kristal ikinci türden bir kristale dönüşecektir. Sıcaklığı düşürürseniz ters dönüşüm meydana gelecektir.

Kırmızı kükürtün normal basınçta sarıya dönmesi için 110°C'nin altındaki bir sıcaklığa ihtiyaç vardır. Bu sıcaklığın üzerinde, erime noktasına kadar, kırmızı kükürt karakteristiğine sahip atomların düzenlenme sırası sabittir. Sıcaklık düşer, atomların titreşimleri azalır ve 110°C'den başlayarak doğa daha uygun bir atom dizilimi bulur. Bir kristalin diğerine dönüşümü var.

Hiç kimse altı farklı buz için isim bulamadı. Öyle derler: buz bir, buz iki, ...., buz yedi. Yalnızca altı çeşit varsa yediye ne dersiniz? Gerçek şu ki, tekrarlanan deneyler sırasında buz dört tespit edilemedi.

Suyu sıfıra yakın bir sıcaklıkta sıkıştırırsanız, yaklaşık 2000 atm basınçta buz beşi oluşur ve yaklaşık 6000 atm basınçta buz altı oluşur.

Buz iki ve buz üç, sıfır derecenin altındaki sıcaklıklarda stabildir.

Yedinci buz sıcak buzdur; sıcak su yaklaşık 20.000 atm basınca sıkıştırıldığında meydana gelir.

Sıradan buz dışındaki tüm buzlar sudan daha ağırdır. Normal koşullar altında üretilen buz anormal davranır; aksine normdan farklı koşullar altında elde edilen buz normal davranır.

Her kristalin modifikasyonun belirli bir varoluş bölgesi ile karakterize edildiğini söylüyoruz. Peki eğer öyleyse, o zaman grafit ve elmas aynı koşullar altında nasıl var oluyor?

Bu tür "kanunsuzluk" kristallerin dünyasında çok sık görülür. "Yabancı" koşullarda yaşayabilme yeteneği kristaller için adeta bir kuraldır. Buharı veya sıvıyı yabancı varoluş alanlarına aktarmak için çeşitli hilelere başvurmak gerekiyorsa, o zaman tam tersine, bir kristal neredeyse hiçbir zaman doğanın kendisine tahsis ettiği sınırlar içinde kalmaya zorlanamaz.

Kristallerin aşırı ısınması ve aşırı soğuması, aşırı kalabalık koşullar altında bir düzeni diğerine dönüştürmenin zorluğuyla açıklanmaktadır. Sarı kükürt 95,5°C'de kırmızı kükürde dönüşmelidir. Az ya da çok hızlı ısıtmayla bu dönüşüm noktasını "aşacağız" ve sıcaklığı 113°C'lik kükürt erime noktasına getireceğiz.

Gerçek dönüşüm sıcaklığı, kristaller temas ettiğinde tespit edilmesi en kolay olanıdır. Üst üste yakın bir şekilde yerleştirilirlerse ve sıcaklık 96°C'de tutulursa sarı, kırmızı tarafından yenilecek ve 95°C'de sarı, kırmızıyı emecektir. "Kristal-sıvı" geçişinin aksine, "kristal-kristal" dönüşümleri genellikle hem aşırı soğutma hem de aşırı ısınma sırasında gecikir.

Bazı durumlarda maddenin tamamen farklı sıcaklıklarda yaşaması gereken halleriyle uğraşıyoruz.

Sıcaklık +13°C'ye düştüğünde beyaz kalay griye dönmelidir. Genellikle beyaz teneke ile uğraşıyoruz ve kışın onunla hiçbir şey yapılmadığını biliyoruz. 20-30 derecelik hipotermiye mükemmel şekilde dayanır. Ancak sert kış koşullarında beyaz teneke griye dönüşür. Bu gerçeğin bilinmemesi, Scott'ın Güney Kutbu'na (1912) yaptığı keşif gezisini mahveden koşullardan biriydi. Sıvı yakıt Keşif gezisi tarafından alınan kalayla lehimlenmiş kaplardaydı. Aşırı soğukta beyaz kalay gri toza dönüştü - kaplar lehimlenmemişti; ve yakıt döküldü. Beyaz teneke üzerinde gri lekelerin ortaya çıkmasına kalay vebası denmesi boşuna değildir.

Kükürtte olduğu gibi beyaz kalay da 13°C'nin hemen altındaki sıcaklıklarda griye dönüştürülebilir; tabii gri renkli küçük bir tanecik teneke bir nesnenin üzerine düşmediği sürece.

Aynı maddenin birden fazla çeşidinin bulunması ve bunların karşılıklı dönüşümlerindeki gecikmeler teknoloji açısından büyük önem taşımaktadır.

Oda sıcaklığında demir atomları, atomların küpün köşelerinde ve merkezinde yer aldığı, cisim merkezli bir kübik kafes oluşturur. Her atomun 8 komşusu vardır. Yüksek sıcaklıklarda demir atomları daha yoğun bir "paketleme" oluşturur; her atomun 12 komşusu vardır. 8 komşulu demir yumuşak, 12 komşulu demir ise serttir. Oda sıcaklığında ikinci tip demir elde etmenin mümkün olduğu ortaya çıktı. Bu yöntem - sertleştirme - metalurjide yaygın olarak kullanılmaktadır.

Sertleşme çok basittir - metal nesne kırmızı-sıcak ısıtılır ve daha sonra suya veya yağa atılır. Soğutma o kadar hızlı gerçekleşir ki, yüksek sıcaklıklarda stabil olan bir yapının dönüşümü için zaman kalmaz. Böylece, yüksek sıcaklıktaki yapı, kendisi için alışılmadık koşullarda uzun süre süresiz olarak var olacaktır: kararlı bir yapıya yeniden kristalleşme o kadar yavaş gerçekleşir ki pratikte fark edilmez.

Demirin sertleştirilmesinden bahsederken tamamen doğru değildik. Çelik sertleştirilir, yani yüzde bir karbon fraksiyonu içeren demir. Çok küçük karbon yabancı maddelerinin varlığı, sert demirin yumuşak demire dönüşümünü geciktirir ve sertleşmeye olanak tanır. Tamamen saf demire gelince, onu sertleştirmek mümkün değildir - en hızlı soğutmada bile yapının dönüşümü gerçekleşmeyi başarır.

Durum diyagramının türüne, değişen basınca veya sıcaklığa bağlı olarak bir veya başka bir dönüşüm elde edilir.

Yalnızca basınçtaki değişikliklerle birçok kristalden kristale dönüşüm gözlemlenir. Bu şekilde siyah fosfor elde edildi.

Pirinç. 4.13

Grafiti elmasa dönüştürmek ancak hem yüksek sıcaklık hem de yüksek basıncın aynı anda kullanılmasıyla mümkün olabiliyordu. İncirde. Şekil 4.13 karbonun faz diyagramını göstermektedir. On bin atmosferin altındaki basınçlarda ve 4000 K'nin altındaki sıcaklıklarda grafit kararlı bir modifikasyondur. Böylece elmas "yabancı" koşullarda yaşar, dolayısıyla çok fazla zorluk yaşamadan grafite dönüştürülebilir. Ancak ters problem pratik açıdan ilgi çekicidir. Grafiti yalnızca basıncı artırarak elmasa dönüştürmek mümkün değildir. Katı haldeki faz dönüşümü görünüşte çok yavaştır. Faz diyagramının görünümü doğru çözümü gösteriyor: basıncı ve ısıyı aynı anda artırın. Sonra (diyagramın sağ köşesi) erimiş karbon elde ederiz. Yüksek basınçta soğutarak elmas bölgesine girmeliyiz.

Böyle bir sürecin pratik olasılığı 1955'te kanıtlandı ve sorunun artık teknik olarak çözüldüğü düşünülüyor.

Bir cismin ısısını düşürürseniz er ya da geç sertleşecek ve kristal bir yapıya kavuşacaktır. Soğutmanın hangi basınçta gerçekleştiği önemli değildir. Bu durum, zaten aşina olduğumuz fizik yasaları açısından son derece doğal ve anlaşılır görünmektedir. Aslında sıcaklığı düşürerek termal hareketin yoğunluğunu azaltıyoruz. Moleküllerin hareketi, aralarındaki etkileşim kuvvetlerini artık engellemeyecek kadar zayıfladığında, moleküller düzgün bir sırayla sıralanacak ve bir kristal oluşturacaklar. Daha fazla soğutma, hareketlerinin tüm enerjisini moleküllerden uzaklaştıracaktır ve mutlak sıfırda, maddenin düzenli bir kafes halinde düzenlenmiş dinlenme molekülleri biçiminde var olması gerekir.

Deneyimler tüm maddelerin bu şekilde davrandığını göstermektedir. Tek bir şey dışında hepsi: helyum tam bir “canavardır”.

Okuyucuya helyum hakkında bazı bilgiler vermiştik. Helyum kritik sıcaklık rekorunu elinde tutuyor. Hiçbir maddenin 4,3 K'den düşük kritik sıcaklığı yoktur. Ancak bu rekor tek başına şaşırtıcı bir şey ifade etmez. Başka bir şey dikkat çekicidir: Helyumun kritik sıcaklığın altına soğutulması, neredeyse mutlak sıfıra ulaşması durumunda katı helyum elde edemeyiz. Helyum mutlak sıfırda bile sıvı kalır.

Helyumun davranışı, özetlediğimiz hareket yasaları açısından tamamen açıklanamaz ve evrensel görünen bu tür doğa yasalarının sınırlı geçerliliğinin işaretlerinden biridir.

Bir cisim sıvı ise atomları hareket halindedir. Ancak bedeni mutlak sıfıra kadar soğutarak ondan tüm hareket enerjisini aldık. Helyumun ortadan kaldırılamayacak kadar büyük bir hareket enerjisi olduğunu kabul etmemiz gerekir. Bu sonuç şu ana kadar incelediğimiz mekanizmayla bağdaşmıyor. İncelediğimiz bu mekaniğe göre, bir cismin hareketi her zaman tamamen durana kadar yavaşlatılabilir ve onun tüm kinetik enerjisi alınır; Aynı şekilde moleküllerin soğutulmuş bir kabın duvarlarına çarpıştıklarında enerjilerini alarak hareketlerini durdurabilirsiniz. Helyum için bu tür mekanikler açıkça uygun değildir.

Helyumun "garip" davranışı, çok önemli bir gerçeğin göstergesidir. İlk kez, görünür cisimlerin hareketinin doğrudan incelenmesiyle oluşturulan mekaniğin temel yasalarını - fiziğin sarsılmaz temeli gibi görünen yasaları - atomlar dünyasında uygulamanın imkansızlığıyla karşılaştık.

Mutlak sıfırda helyumun kristalleşmeyi "reddetmesi" gerçeği, şimdiye kadar incelediğimiz mekanikle hiçbir şekilde bağdaştırılamaz. İlk kez karşılaştığımız çelişki - atomlar dünyasının mekanik yasalarına tabi olmaması - fizikteki çok daha keskin ve şiddetli çelişkiler zincirinin yalnızca ilk halkasıdır.

Bu çelişkiler mekaniğin temellerini gözden geçirme ihtiyacını doğuruyor atom dünyası. Bu revizyon çok derindir ve tüm doğa anlayışımızda bir değişikliğe yol açar.

Atom dünyasının mekaniğinin radikal bir revizyonuna duyulan ihtiyaç, incelediğimiz mekanik yasalarına son vermemiz gerektiği anlamına gelmiyor. Okuyucuyu gereksiz şeyleri incelemeye zorlamak haksızlık olur. Eski mekanikler dünyada tamamen adil büyük bedenler. Tek başına bu bile fiziğin ilgili bölümlerine tam bir saygıyla yaklaşmak için yeterlidir. Ancak "eski" mekaniğin bazı yasalarının "yeni" mekaniğe geçmesi de önemlidir. Bu, özellikle enerjinin korunumu yasasını içerir.

Mutlak sıfırda “kaldırılamaz” enerjinin varlığı özel mülk helyum Görünüşe göre; Tüm maddelerin “sıfır” enerjisi vardır.

Bu enerji yalnızca helyumda atomların düzenli bir kristal kafes oluşturmasını engellemeye yeterlidir.

Helyumun kristal halde olamayacağını düşünmeyin. Helyumu kristalleştirmek için basıncı yaklaşık 25 atm'ye çıkarmanız yeterlidir. Daha yüksek basınçta gerçekleştirilen soğutma, tamamen normal özelliklere sahip katı kristal helyumun oluşmasıyla sonuçlanacaktır. Helyum yüz merkezli kübik bir kafes oluşturur.

İncirde. Şekil 4.14 helyumun faz diyagramını göstermektedir. Üçlü noktanın yokluğunda diğer tüm maddelerin diyagramlarından keskin bir şekilde farklıdır. Erime ve kaynama eğrileri kesişmez.

Pirinç. 4.14

Ve bu eşsiz durum diyagramının bir özelliği daha var: İki farklı helyum sıvısı var, aralarındaki farkın ne olduğunu biraz sonra öğreneceksiniz.