Transformări de fază. Fizică.
Dacă lichidul este într-un vas deschis, se evaporă treptat, adică trece într-o stare gazoasă. Trecerea de la o stare agregată la alta se numește o tranziție de fază. Evaporarea lichidelor are loc la orice temperatură, dar cu creșterea temperaturii, viteza de evaporare crește.
Moleculele într-un lichid, precum și într-un gaz, au viteze diferite și, prin urmare, diferite energii, deși energia medie a moleculelor la o temperatură constantă are o valoare definită. Întotdeauna o parte din molecule are valoarea de energie mai mare decât media și o parte mai mică decât media. În consecință, vitezele moleculelor sunt diferite. La fiecare temperatură, moleculele cele mai rapide pot depăși atracția moleculelor învecinate și, prin ruperea stratului de suprafață, pot zbura din lichid. Cu cât temperatura lichidului este mai mare, cu atât moleculele sunt mai rapide și cu atât mai rapid este evaporarea. În timpul evaporării, cele mai rapide molecule ies din lichid. Ei își petrec o parte din energia lor făcând eforturi împotriva forțelor de atracție moleculare care le țin în stratul de suprafață. Moleculele rămase în lichid au mai puțină energie. Astfel, energia medie a acestor molecule scade, prin urmare, lichidul se răcește.
Pentru a efectua tranziția de la faza lichidă la cea gazoasă în sistem, căldura trebuie furnizată fără a schimba temperatura sistemului. Această căldură este utilizată pentru a schimba starea de fază a materiei și se numește căldura latentă de evaporare sau pur și simplu căldura de evaporare. Căldura latentă este folosită pentru performanța muncii împotriva forțelor de atracție, între molecule.
Căldura specifică de evaporare este cantitatea de căldură care trebuie raportată unității de masă a lichidului la temperatura T. Pentru ao transforma în abur la aceeași temperatură. Căldura specifică depinde de temperatura lichidului și scade odată cu creșterea temperaturii.
Dacă nu este furnizată căldură din lichidul de evaporare, atunci se răcește. Acest lucru se bazează pe o metodă de reducere a temperaturii: forțând lichid plasat într-un vas cu pereți nonconductor, greu să se evapore, este posibil să se răcească în mod semnificativ.
Procesul de condensare invers la evaporare este însoțit de eliberarea căldurii. Căldura latentă de condensare, desigur, este egală cu căldura latentă de evaporare.
Evaporarea lichidelor este unul dintre tipurile de tranziții de fază. Prin urmare, căldura latentă de evaporare este numită și căldura tranziției. Căldura latentă de evaporare este o caracteristică cantitativă a forțelor de legare între moleculele unui lichid. Cu cât mai mult aceste forțe, cu atât mai multă căldură latenta de evaporare.
Să analizăm procesul de condensare a gazului. Am plasat gazul de testare într-un vas închis de un piston mobil. Pentru a măsura presiunea, pe vas este atașat un manometru (Figura 13). Coborâți pistonul în jos, reduceți volumul ocupat de gaz și creșteți presiunea gazului.
La o anumită presiune, creșterea suplimentară se oprește, deși pistonul continuă să scadă în jos. În acest moment, picături de lichid apar pe pereții vasului. Continuarea avansării pistonului este însoțită de o creștere a cantității de lichid și, în consecință, o scădere a cantității de gaz (vapori) deasupra lichidului. În același timp, manometrul arată o presiune constantă. Rămâne neschimbată până când întregul volum sub piston este umplut cu lichid. Coborârea suplimentară a pistonului corespunde comprimării lichidului. Comprimarea lichidului se realizează cu costul unei creșteri foarte mari a presiunii. Aceasta înseamnă că compresibilitatea lichidelor este foarte mică.
Procesul descris de compresie a gazului și transformarea acestuia într-un lichid poate fi reprezentat grafic (Fig.14). Secțiunea AB corespunde compresiei gazului. La punctul B începe procesul de condensare și până la punctul SHS o parte din volum este umplută cu gaz, iar cealaltă - cu lichid. Gazul pe secțiunea aeronavei se numește abur saturat. Presiunea corespunzătoare porțiunii aeronavei determină presiunea saturată a vaporilor sau presiunea vaporilor de saturație la o temperatură dată. presiunea de vapori nu crește. Pe site
ABCD este o izotermă. Izoterma corespunzătoare unei temperaturi mai ridicate este mai mare și, prin urmare, saturația vaporilor saturați este mai mare. Astfel, o anumită presiune saturată de vapori corespunde fiecărei temperaturi.
Secțiunea este mai scurtă decât regiunea SW, iar diferența dintre volumul fazelor gazoase și lichide este mai mică. Dacă temperatura gazului sub piston este mărită astfel încât lungimea secțiunii orizontale devine zero, atunci gazul nu devine lichid când crește presiunea. Această temperatură TC este numită critică. Dacă gazul este încălzit la o temperatură mai mare decât cea critică, atunci acesta nu poate fi transformat în lichid prin orice creștere a presiunii. Pentru fiecare substanță, temperatura critică are o valoare definită.
Figura 15 prezintă izotermele reale pentru diferite temperaturi. Zona nevăzută se referă la starea gazoasă a substanței. Zona marcată cu linia punctată se referă la starea materiei în două faze - gazoasă și lichidă. Zona umbroasă este în faza lichidă. Această figură prezintă izoterma pentru care diferența dintre volumul fazelor gazoase și cele lichide este zero. Această izotermă critică are un punct de inflexiune K. Acest punct corespunde unui anumit volum numit VK critic și o anumită presiune PK. numită și critică. Pentru fiecare substanță este TK. VK și PK au valori definite. Pentru cele mai multe substanțe, acestea sunt măsurate și enumerate în cărțile de referință privind fizica. Azotul, oxigenul, amestecul lor - aer, hidrogen, heliu - au temperaturi critice scăzute.
Azot N2 = 147 ° C
Oxigenul O2 - 119 o C
Hidrogenul H2 - 240 o C
Helium He - 268 ° C
Aceste gaze pot fi obținute în stare lichidă numai după o răcire preliminară puternică la temperaturile indicate.
Apa (H2O) are o temperatură critică de +374 o C, deci poate fi transformată într-o stare solidă la presiune normală cu răcire la doar 0 o C.
Deci, la temperaturi sub critică, materia poate exista în funcție de presiune, fie în stare gazoasă sau lichidă, fie simultan sub forma a două faze: vapori lichizi și saturați.
Încălzirea lichidelor
Se știe că fiecare substanță se fierbe la o anumită temperatură și o presiune externă. Încălzirea se numește procesul de evaporare a unui lichid nu numai de pe o suprafață deschisă, ci și de grosimea sa, în care încep să se formeze bule de vapori. De obicei, în lichid sau în pereții vasului în care este plasat, se dizolvă sau se absoarbe aerul. Balonul mic de gaz rezultat este umplut cu vapori saturați ai lichidului din jur. Presiunea vaporilor din aceasta este determinată de temperatura lichidului. Dacă temperatura lichidului este astfel încât presiunea vaporilor saturați în bule este mai mică decât presiunea externă deasupra lichidului, bulețul nu crește. Aceasta este împiedicată de presiunea hidrostatică a coloanei de lichid de deasupra ei și de presiunea externă sub care este localizat lichidul. Aici, presiunea externă determină starea de echilibru a bulei. Dacă presiunea externă este mărită, bulele se vor contracta. Dacă reduceți - apoi creșteți.
Lăsați presiunea externă să nu se schimbe, dar temperatura crește. Atunci când temperatura lichidului ajunge la o valoare la care elasticitatea vaporilor de saturație devine egală cu presiunea exterioară, presiunea vaporilor în interiorul balon să fie, de asemenea, egal cu exteriorul. creșterea temperaturii în continuare va duce la faptul că presiunea vaporilor în interiorul bulei depășește extern, bula începe să se ridice și să plutească pe la suprafață a burst, eliberarea aburului.
Lichidul începe să se evaporeze nu numai de la suprafață, ci și de la suprafața bulelor din interiorul lichidului: lichidul fierbe. Astfel, pentru ca lichidul să fiarbă, este necesar să se aducă temperatura la o valoare la care elasticitatea vaporilor de saturație este egală cu presiunea externă, mai precis puțin mai mare.
Este clar că punctul de fierbere al lichidului depinde de valoarea presiunii externe. Pe măsură ce presiunea externă crește, punctul de fierbere crește, în timp ce scade, scade. Apa în condiții obișnuite, adică la o presiune atmosferică normală de 760 mm Hg. Art. (sau 1,05 · 105 Pa) se fierbe la o temperatură de 100 ° C. Dacă presiunea este redusă la 10 mm Hg, Art. atunci apa va fierbe doar la 12 o C. Prin creșterea presiunii externe la 15 atm, apa fierbe la 200 ° C. bule formate prin fierberea lichidului, apar cel mai ușor pe bule de aer prezente în mod normal în lichid și, în general, care aderă la pereții vasului .
Buburile de aer sunt centrele în jurul cărora începe fierberea. Un lichid lipsit de aer poate fi supraîncălzit, adică poate fi încălzit deasupra punctului de fierbere fără fierbere. Dacă în lichidul supraîncălzit sunt introduse particule solide, aerul este aderent la suprafață, se va fierbe imediat și temperatura acestuia va scădea până la punctul de fierbere. Încălzirea lichidului supraîncălzit are loc foarte violent odată cu eliberarea unei cantități mari de lichid și vapori. Pentru a preveni supraîncălzirea lichidului, tuburile capilare sunt introduse în recipient cu lichid încălzit, în care rămân ușor bule de aer.
Evaporarea solidelor
Evaporarea are loc nu numai pe suprafața unui lichid. Solidul se evaporă și el. Procesul de evaporare a unui solid se numește sublimare sau sublimare. Molecule evaporabile de formă solidă deasupra perechilor de suprafețe, ca în cazul evaporării unui lichid. La anumite presiuni și temperaturi, aburul și un solid pot fi în echilibru. Acesta este un abur saturat. Elasticitatea unei vapori saturate, ca în cazul unui lichid, depinde de temperatură, crescând odată cu creșterea și scăderea în scădere. Presiunea vaporilor saturați de solide la temperaturi obișnuite este foarte mică. Un solid bine evaporat este gheața. Hainele umede, atârnate în frig, mai întâi îngheață, adică apa îngheață, apoi se evaporă gheața, iar rufele devin uscate.