اعتماد ضغط البخار المشبع على درجة الحرارة. الغليان - هايبر ماركت المعرفة
نظرًا لأن حجم ضغط بخار التشبع يعتمد على درجة حرارة الهواء ، مع زيادة في الأخير ، يمكن للهواء امتصاص المزيد من بخار الماء ، بينما يزيد ضغط التشبع. لا تحدث الزيادة في ضغط التشبع خطيًا ، بل تحدث على طول منحنى طويل. هذه الحقيقة مهمة جدًا لبناء الفيزياء بحيث لا ينبغي إغفالها. على سبيل المثال ، عند درجة حرارة 0 درجة مئوية (273.16 كلفن) ، يكون ضغط بخار بخار مشبع 610.5 باسكال (باسكال) ، عند +10 درجة مئوية (283.16 كلفن) يتضح أنه يساوي 1228.1 باسكال ، عند +20 ° С (293.16 K) 2337.1 Pa ، وعند +30 درجة مئوية (303.16 K) تساوي 4241.0 Pa. لذلك ، مع زيادة درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية (10 كلفن) ، سيتضاعف ضغط بخار التشبع تقريبًا.
يظهر اعتماد الضغط الجزئي لبخار الماء على التغيرات في درجات الحرارة في الشكل. 3.
الرطوبة المطلقة و
كثافة بخار الماء ، أي يُطلق على محتواه في الهواء الرطوبة المطلقة للهواء ويقاس بوحدة جرام / م.
يُطلق على أقصى كثافة بخار الماء الممكنة عند درجة حرارة معينة للهواء كثافة بخار التشبع ، والتي بدورها تخلق ضغط التشبع. كثافة fsat البخار المشبع وضغطه تزداد مع زيادة درجة حرارة الهواء. زيادته هي أيضًا منحنية ، لكن مسار هذا المنحنى ليس حادًا مثل مسار منحنى rnas. كلا المنحنيين يعتمدان على القيمة 273.16 / Tact [K]. لذلك ، إذا كانت نسبة pnas / fus معروفة ، فيمكن التحقق منها مقابل بعضها البعض.
لا تعتمد الرطوبة المطلقة للهواء في مكان مغلق مغلق على درجة الحرارة
درجة الحرارة حتى يتم الوصول إلى كثافة البخار المشبع. يوضح الشكل اعتماد الرطوبة المطلقة للهواء على درجة حرارته. أربعة.
الرطوبة النسبية
تسمى نسبة الكثافة الفعلية لبخار الماء إلى كثافة البخار المشبع أو نسبة الرطوبة المطلقة للهواء إلى أقصى رطوبة للهواء عند درجة حرارة معينة بالرطوبة النسبية للهواء. ويتم التعبير عنها كنسبة مئوية.
عندما تنخفض درجة حرارة مكان مغلق محكم الإغلاق ، ستزداد الرطوبة النسبية للهواء حتى تصبح قيمة تساوي 100٪ وبالتالي يتم الوصول إلى كثافة بخار التشبع. مع مزيد من التبريد ، تتكثف الكمية الزائدة المقابلة من بخار الماء.
مع زيادة درجة حرارة مكان مغلق ، تنخفض قيمة الرطوبة النسبية للهواء. أرز. 5 يوضح اعتماد الرطوبة النسبية للهواء على درجة الحرارة. يتم قياس الرطوبة النسبية للهواء باستخدام مقياس رطوبة أو مقياس رطوبة. يقيس مقياس الضغط الطموح Assmann الموثوق به للغاية الفرق في درجة الحرارة بين مقياسين دقيقين ، أحدهما ملفوف بشاش رطب. فكلما زاد التبريد بسبب تبخر الماء ، زاد جفاف الهواء المحيط. من نسبة اختلاف درجة الحرارة إلى درجة حرارة الهواء الفعلية ، يمكن تحديد الرطوبة النسبية للهواء المحيط.
بدلاً من مقياس رطوبة الشعر الرقيق ، والذي يستخدم أحيانًا في الرطوبة العالية ، يتم استخدام مسبار قياس كلوريد الليثيوم. شارك-
إنه مصنوع من غلاف معدني بغمد من الألياف الزجاجية ، ولف منفصل لسلك تسخين ومقياس حرارة مقاوم. يُملأ غمد القماش بمحلول كلوريد الليثيوم المائي ويكون تحت تأثير الجهد المتناوب بين كلا الملفين. يتبخر الماء ويحدث تبلور الملح وتزداد المقاومة بشكل كبير. نتيجة لذلك ، فإن محتوى بخار الماء في الهواء المحيط وقوة التسخين متوازنة. وفقًا لاختلاف درجة الحرارة بين الهواء المحيط وميزان الحرارة المدمج ، باستخدام دائرة قياس خاصة ، يتم تحديد الرطوبة النسبية للهواء.
يتفاعل مسبار القياس مع تأثير رطوبة الهواء على الألياف المسترطبة ، والتي تم تصميمها بحيث ينشأ تيار كافٍ بين القطبين. هذا الأخير ينمو مع زيادة الرطوبة النسبية في اعتماد معين على درجة حرارة الهواء.
مسبار القياس السعوي عبارة عن مكثف مع لوحة مثقبة ، ومجهز بعازل استرطابي ، تتغير سعته مع التغيرات في الرطوبة النسبية ، وكذلك درجة حرارة الهواء المحيط. يمكن استخدام مسبار القياس كجزء مما يسمى عنصر RC في الدائرة متعددة الأجزاء. في هذه الحالة ، يتم تحويل رطوبة الهواء إلى تردد معين يمكن أن يكون له قيم عالية. بهذه الطريقة ، يتم تحقيق حساسية عالية للغاية للأداة ، مما يجعل من الممكن تسجيل الحد الأدنى من التغييرات في الرطوبة.
الضغط الجزئي لبخار الماء ص
على عكس ضغط بخار التشبع pnas ، والذي يشير إلى أقصى ضغط جزئي لبخار الماء في الهواء عند درجة حرارة معينة ، يشير مفهوم الضغط الجزئي لبخار الماء p إلى ضغط البخار الذي يكون في حالة غير مشبعة ، لذلك في كل حالة يجب أن يكون هذا الضغط كن اقل من رناس.
مع زيادة محتوى بخار الماء في الهواء الجاف ، تقترب قيمة p من القيمة المقابلة لـ pnas. في نفس الوقت ، يظل الضغط الجوي Ptot ثابتًا. نظرًا لأن الضغط الجزئي لبخار الماء p يمثل جزءًا فقط من الضغط الكلي لجميع مكونات الخليط ، فلا يمكن تحديد قيمته عن طريق القياس المباشر. على العكس من ذلك ، يمكن تحديد ضغط البخار عن طريق خلق فراغ في الوعاء أولاً ثم إدخال الماء فيه. يتوافق حجم الزيادة في الضغط بسبب التبخر مع قيمة pnas ، والتي تشير إلى درجة حرارة الفضاء المشبع بالبخار.
مع معرفة psa ، يمكن قياس p بشكل غير مباشر على النحو التالي. يحتوي الوعاء على خليط من الهواء وبخار الماء ، أولاً وقبل كل شيء ذو تركيبة غير معروفة. الضغط داخل الوعاء Ptot = pv + p ، أي الضغط الجوي للهواء المحيط. إذا قمت الآن بإغلاق الوعاء وإدخال كمية معينة من الماء فيه ، فسوف يزداد الضغط داخل الوعاء. بعد تشبع بخار الماء ، سيكون pv + rnas. يتم طرح فرق الضغط pnas - p الذي تم إنشاؤه بمساعدة مقياس ميكرومتر من القيمة المعروفة بالفعل لضغط البخار المشبع ، والذي يتوافق مع درجة الحرارة في الوعاء. سوف تتوافق النتيجة مع الضغط الجزئي p للمحتويات الأصلية للوعاء ، أي الهواء المحيط.
من الأسهل حساب الضغط الجزئي p باستخدام بيانات من جداول ضغط البخار المشبع pnas لمستوى درجة حرارة معين. تتوافق قيمة النسبة p / rnas مع قيمة نسبة كثافة بخار الماء f إلى كثافة البخار المشبع fsat ، والتي تساوي قيمة الرطوبة النسبية
جودة الهواء. وهكذا نحصل على المعادلة
ني ع = rnas.
نتيجة لذلك ، عند درجة حرارة الهواء المعروفة وضغط التشبع pnas ، من الممكن تحديد قيمة الضغط الجزئي ص بشكل سريع وواضح. على سبيل المثال ، تبلغ الرطوبة النسبية للهواء 60٪ ودرجة حرارة الهواء 10 درجة مئوية. بعد ذلك ، بما أن ضغط البخار المشبع psa = 1228.1 Pa عند درجة الحرارة هذه ، فإن الضغط الجزئي p سيكون مساويًا لـ 736.9 Pa (الشكل 6).
نقطة ندى بخار الماء t
عادة ما يكون بخار الماء الموجود في الهواء في حالة غير مشبعة وبالتالي يكون له ضغط جزئي معين p ورطوبة نسبية معينة للهواء.<р < 100%.
إذا كان الهواء على اتصال مباشر بمواد صلبة تقل درجة حرارة سطحها عن درجة حرارتها ، فعندئذ مع اختلاف درجة الحرارة المناسبة ، يبرد هواء الطبقة الحدودية وتزداد رطوبتها النسبية حتى تصل قيمتها إلى 100٪ ، أي كثافة البخار المشبع. حتى مع وجود تبريد إضافي طفيف ، يبدأ بخار الماء بالتكثف على سطح مادة صلبة. سيستمر هذا حتى يتم إنشاء حالة توازن جديدة لدرجة حرارة سطح المادة وكثافة البخار المشبع. بسبب الكثافة العالية ، يغرق الهواء المبرد ، بينما يرتفع الهواء الأكثر دفئًا. ستزداد كمية المكثفات حتى يتم تحقيق التوازن وتتوقف عملية التكثيف.
ترتبط عملية التكثيف بإطلاق الحرارة ، والتي تتوافق مقدارها مع حرارة تبخر الماء. وهذا يؤدي إلى زيادة درجة حرارة سطح المواد الصلبة.
نقطة الندى t هي درجة حرارة السطح ، كثافة البخار القريبة تصبح مساوية لكثافة البخار المشبع ، أي تصل الرطوبة النسبية للهواء إلى 100٪. يبدأ تكثف بخار الماء فورًا بعد انخفاض درجة حرارته إلى ما دون نقطة الندى.
إذا كانت درجة حرارة الهواء AT والرطوبة النسبية معروفتين ، فيمكن عمل المعادلة p (AT) = rnat (t) = pat. لحساب القيمة المطلوبة من pnas ، استخدم جدول ضغط البخار المشبع.
لنأخذ مثالاً على مثل هذا الحساب (الشكل 7). درجة حرارة الهواء vv \ u003d 10 ° C ، الرطوبة النسبية \ u003d 60٪ ، pnas (+10 ° C) \ u003d 1228.1 P pnas (t) \ u003d \ u003d 0 6 x 1228.1 Pa \ u003d 736.9 Pa ، نقطة الندى \ u003d + 2.6 درجة مئوية (الجدول).
يمكن تحديد نقطة الندى بيانياً باستخدام منحنى ضغط التشبع ، ولا يمكن حساب نقطة الندى إلا إذا كانت الرطوبة النسبية معروفة ، بالإضافة إلى درجة حرارة الهواء. بدلاً من الحساب ، يمكنك استخدام القياس. إذا قمت بتبريد السطح المصقول لصفيحة (أو غشاء) مصنوع من مادة موصلة للحرارة ببطء حتى يبدأ التكثيف في السقوط عليها ، ثم قم بقياس درجة حرارة هذا السطح ، يمكنك العثور مباشرة على نقطة الندى للهواء المحيط. لا تتطلب هذه الطريقة معرفة الرطوبة النسبية للهواء ، على الرغم من أنه من الممكن حساب القيمة الإضافية من درجة حرارة الهواء ونقطة الندى
بناءً على هذا المبدأ ، يعتمد تشغيل مقياس الرطوبة لتحديد نقطة الندى لدانيال ورينولت ، والذي تم تطويره في النصف الأول من القرن التاسع عشر. في الآونة الأخيرة ، بفضل استخدام الإلكترونيات ، تم تحسينه كثيرًا بحيث يمكنه تحديد نقطة الندى بدقة عالية جدًا. وبالتالي ، من الممكن معايرة مقياس رطوبة عادي بشكل صحيح والتحكم فيه باستخدام مقياس رطوبة نقطة الندى.
« فيزياء - الصف العاشر "
ما الذي تعتقد أنه سيحدث للبخار المشبع إذا انخفض الحجم الذي يشغله: على سبيل المثال ، إذا ضغطت البخار في حالة توازن مع السائل في أسطوانة أسفل مكبس ، مع الحفاظ على درجة حرارة محتويات الأسطوانة ثابتة؟
عندما يتم ضغط البخار ، سيبدأ التوازن في الاختلال. ستزداد كثافة البخار في اللحظة الأولى بشكل طفيف ، وسيبدأ عدد أكبر من الجزيئات بالمرور من الغاز إلى السائل أكثر من السائل إلى الغاز. بعد كل شيء ، فإن عدد الجزيئات التي تترك السائل لكل وحدة زمنية يعتمد فقط على درجة الحرارة ، وضغط البخار لا يغير هذا الرقم. تستمر العملية حتى يتم إنشاء التوازن الديناميكي وكثافة البخار مرة أخرى ، وبالتالي لن يأخذ تركيز جزيئاتها قيمها السابقة. بالتالي،
لا يعتمد تركيز جزيئات البخار المشبعة عند درجة حرارة ثابتة على حجمها.
نظرًا لأن الضغط يتناسب مع تركيز الجزيئات (p = nkT) ، فإنه يترتب على هذا التعريف أن ضغط البخار المشبع لا يعتمد على الحجم الذي يشغله.
ضغط الأس الهيدروجيني يسمى زوج n ، حيث يكون السائل في حالة توازن مع بخاره ضغط البخار المشبع.
عندما يتم ضغط البخار المشبع ، ينتقل المزيد والمزيد منه إلى الحالة السائلة. سائل من كتلة معينة يحتل حجمًا أصغر من بخار من نفس الكتلة. نتيجة لذلك ، يتناقص حجم البخار بكثافة ثابتة.
قوانين الغاز للبخار المشبع غير عادلة (بالنسبة لأي حجم عند درجة حرارة ثابتة ، يكون ضغط البخار المشبع هو نفسه). في الوقت نفسه ، تم وصف حالة البخار المشبع بدقة من خلال معادلة مندليف-كلابيرون.
بخار غير مشبع
> إذا تم ضغط البخار تدريجيًا عند درجة حرارة ثابتة ، ولم يحدث تحوله إلى سائل ، عندئذٍ يسمى هذا البخار غير مشبع.
مع انخفاض الحجم (الشكل 11.1) ، يزداد ضغط البخار غير المشبع (القسم 1-2) ، تمامًا كما يتغير الضغط مع انخفاض حجم الغاز المثالي. عند حجم معين ، يصبح البخار مشبعًا ، ومع مزيد من الضغط ، يتحول إلى سائل (القسم 2-3). في هذه الحالة ، سيكون البخار المشبع أعلى من السائل بالفعل.
بمجرد أن يتحول كل البخار إلى سائل ، فإن المزيد من الانخفاض في الحجم سيؤدي إلى زيادة حادة في الضغط (السائل غير قابل للضغط).
ومع ذلك ، لا يتحول البخار إلى سائل عند أي درجة حرارة. إذا كانت درجة الحرارة أعلى من قيمة معينة ، فبغض النظر عن كيفية ضغط الغاز ، فلن يتحول أبدًا إلى سائل.
> تسمى درجة الحرارة القصوى التي لا يزال بإمكان البخار أن يتحول عندها إلى سائل حرارة حرجة.
كل مادة لها درجة حرارتها الحرجة ، للهيليوم T cr = 4 K ، للنيتروجين T cr = 126 K.
تسمى حالة المادة عند درجة حرارة أعلى من درجة الحرارة الحرجة غاز؛ عند درجة حرارة أقل من درجة الحرارة الحرجة ، عندما يتاح للبخار فرصة التحول إلى سائل ، - العبارة.
تختلف خصائص البخار المشبع وغير المشبع.
اعتماد ضغط البخار المشبع على درجة الحرارة.
يتم وصف حالة البخار المشبع ، كما تظهر التجربة ، تقريبًا بواسطة معادلة حالة الغاز المثالي (10.4) ، ويتم تحديد ضغطه بواسطة الصيغة
ص ن. ن = nkT. (11.1)
مع ارتفاع درجة الحرارة ، يرتفع الضغط
نظرًا لأن ضغط البخار المشبع لا يعتمد على الحجم ، فإنه يعتمد فقط على درجة الحرارة.
ومع ذلك ، فإن الاعتماد على ضغط الأس الهيدروجيني. تم العثور على n على درجة الحرارة T ، تجريبياً ، غير متناسب طرديًا ، كما هو الحال في غاز مثالي بحجم ثابت. مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد ضغط البخار المشبع الحقيقي أسرع من ضغط الغاز المثالي (الشكل 11.2 ، مقطع من المنحنى AB). يصبح هذا واضحًا إذا رسمنا نظرات متساوية للغاز المثالي من خلال النقطتين A و B (خطوط متقطعة). لماذا يحدث هذا؟
عندما يتم تسخين سائل في وعاء مغلق ، يتحول جزء من السائل إلى بخار. نتيجة لذلك ، وفقًا للصيغة (11.1) ، يزداد ضغط البخار المشبع ليس فقط بسبب زيادة درجة حرارة السائل ، ولكن أيضًا بسبب زيادة تركيز جزيئات (كثافة) البخار.
بشكل أساسي ، يتم تحديد الزيادة في الضغط مع زيادة درجة الحرارة بدقة من خلال زيادة التركيز. يتمثل الاختلاف الرئيسي في سلوك الغاز المثالي والبخار المشبع في أنه عندما تتغير درجة حرارة البخار في وعاء مغلق (أو عندما يتغير الحجم عند درجة حرارة ثابتة) ، تتغير كتلة البخار.
لماذا جداول ضغط البخار المشبع مقابل درجة الحرارة ولا توجد جداول لضغط الغاز مقابل درجة الحرارة؟
يتحول السائل جزئيًا إلى بخار ، أو على العكس من ذلك ، يتكثف البخار جزئيًا. لا شيء من هذا القبيل يحدث مع الغاز المثالي.
عندما يتبخر كل السائل ، يتوقف البخار عن التشبع عند مزيد من التسخين ويزداد ضغطه عند حجم ثابت بالتناسب المباشر مع درجة الحرارة المطلقة (انظر الشكل 11.2 ، قسم من منحنى BC).
الغليان.
مع زيادة درجة حرارة السائل ، يزداد معدل التبخر. أخيرًا ، يبدأ السائل في الغليان. عند الغليان ، تتشكل فقاعات بخار سريعة النمو في جميع أنحاء حجم السائل بأكمله ، والتي تطفو على السطح.
الغليان- هذه هي عملية التبخير التي تحدث في جميع أنحاء حجم السائل عند نقطة الغليان.
تحت أي ظروف يبدأ الغليان؟
كيف يتم إمداد السائل بالحرارة التي يتم إنفاقها أثناء الغليان من وجهة نظر النظرية الحركية الجزيئية؟
تظل درجة غليان السائل ثابتة. وذلك لأن كل الطاقة التي يتم توفيرها للسائل يتم إنفاقها على تحويله إلى بخار.
الغازات المذابة موجودة دائمًا في السائل ، والتي يتم إطلاقها في قاع وجدران الوعاء ، وكذلك على جزيئات الغبار العالقة في السائل ، وهي مراكز التبخر. الأبخرة السائلة داخل الفقاعات مشبعة. مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد ضغط البخار ويزداد حجم الفقاعات. تحت تأثير قوة الطفو ، تطفو. إذا كانت الطبقات العليا من السائل ذات درجة حرارة منخفضة ، يتكثف البخار في هذه الطبقات في الفقاعات. ينخفض الضغط بسرعة وتنهار الفقاعات. يكون الانهيار سريعًا لدرجة أن جدران الفقاعة ، عند اصطدامها ، تنتج شيئًا مثل الانفجار. العديد من هذه الانفجارات الدقيقة تخلق ضوضاء مميزة. عندما يسخن السائل بدرجة كافية ، تتوقف الفقاعات عن الانهيار وتطفو على السطح. سوف يغلي السائل.
يفسر اعتماد ضغط بخار التشبع على درجة الحرارة سبب اعتماد نقطة غليان السائل على الضغط على سطحه. يمكن أن تنمو فقاعة بخار عندما يتجاوز ضغط البخار المشبع بداخلها قليلاً الضغط في السائل ، وهو مجموع ضغط الهواء على سطح السائل (الضغط الخارجي) والضغط الهيدروستاتيكي لعمود السائل.
دعونا ننتبه إلى حقيقة أن تبخر السائل يحدث أيضًا في درجات حرارة أقل من نقطة الغليان ، ولكن فقط من سطح السائل ، بينما يحدث تكوين البخار في جميع أنحاء حجم السائل بالكامل عند الغليان.
يبدأ الغليان عند درجة حرارة يتساوى عندها ضغط بخار التشبع في الفقاعات ويصبح أكبر قليلاً من الضغط في السائل.
كلما زاد الضغط الخارجي ، زادت نقطة الغليان.
لذلك ، في غلاية بخار عند ضغط يصل إلى 1.6 10 6 باسكال ، لا يغلي الماء حتى عند درجة حرارة 200 درجة مئوية. في المؤسسات الطبية في أوعية محكمة الإغلاق - الأوتوكلاف (الشكل 11.3) ، يغلي الماء أيضًا عند ضغط مرتفع. لذلك ، فإن درجة غليان السائل أعلى بكثير من 100 درجة مئوية. تستخدم الأوتوكلاف ، على سبيل المثال ، لتعقيم الأدوات الجراحية ، وتسريع الطهي (قدر الضغط) ، وحفظ الطعام ، وإجراء التفاعلات الكيميائية.
على العكس من ذلك ، من خلال تقليل الضغط الخارجي ، فإننا بذلك نخفض نقطة الغليان.
عن طريق ضخ الهواء وبخار الماء من القارورة ، يمكنك جعل الماء يغلي في درجة حرارة الغرفة. عندما تتسلق الجبال ، ينخفض الضغط الجوي ، وبالتالي تنخفض درجة الغليان. على ارتفاع 7134 م (قمة لينين في بامير) ، يكون الضغط حوالي 4 10 4 باسكال (300 مم زئبق). يغلي الماء هناك عند حوالي 70 درجة مئوية. من المستحيل طهي اللحوم في هذه الظروف.
لكل سائل نقطة غليان خاصة به ، والتي تعتمد على خصائص السائل. عند نفس درجة الحرارة ، يختلف ضغط بخار التشبع للسوائل المختلفة.
على سبيل المثال ، عند درجة حرارة 100 درجة مئوية ، يكون ضغط بخار الماء المشبع 101،325 باسكال (760 ملم زئبق) ، وبخار الزئبق 117 باسكال (0.88 ملم زئبق). نظرًا لأن الغليان يحدث عند نفس درجة الحرارة التي يكون عندها ضغط البخار المشبع مساويًا للضغط الخارجي ، فإن الماء يغلي عند 100 درجة مئوية ، ولكن الزئبق لا يغلي. يغلي الزئبق عند 357 درجة مئوية عند الضغط العادي.
اعتماد ضغط البخار المشبع على درجة الحرارة.يتم وصف حالة البخار المشبع تقريبًا بواسطة معادلة حالة الغاز المثالي (3.4) ، ويتم تحديد ضغطه تقريبًا بواسطة الصيغة
مع ارتفاع درجة الحرارة ، يرتفع الضغط. نظرًا لأن ضغط بخار التشبع لا يعتمد على الحجم ، فإنه يعتمد فقط على درجة الحرارة.
ومع ذلك ، فإن هذا الاعتماد الموجود تجريبياً ليس متناسبًا بشكل مباشر ، كما هو الحال في غاز مثالي بحجم ثابت. مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد ضغط البخار المشبع أسرع من ضغط الغاز المثالي (الشكل 52 ، قسم من المنحنى AB).
يحدث هذا للسبب التالي. عندما يتم تسخين سائل بالبخار في وعاء مغلق ، يتحول جزء من السائل إلى بخار. نتيجة لذلك ، وفقًا للصيغة (5.1) ، يزداد ضغط البخار ليس فقط بسبب زيادة درجة الحرارة ، ولكن أيضًا بسبب زيادة تركيز جزيئات (كثافة) البخار. يتمثل الاختلاف الرئيسي في سلوك الغاز المثالي والبخار المشبع في أنه عندما تتغير درجة حرارة البخار في وعاء مغلق (أو عندما يتغير الحجم عند درجة حرارة ثابتة) ، تتغير كتلة البخار. يتحول السائل جزئيًا إلى بخار أو يتكثف البخار جزئيًا. لا شيء من هذا القبيل يحدث مع الغاز المثالي.
عندما يتبخر كل السائل ، سيتوقف البخار عن التشبع عند مزيد من التسخين وسيزداد ضغطه عند حجم ثابت بالتناسب المباشر مع درجة الحرارة المطلقة (القسم BC في الشكل 52).
الغليان.يفسر اعتماد ضغط بخار التشبع على درجة الحرارة سبب اعتماد نقطة غليان السائل على الضغط. عند الغليان ، تتشكل فقاعات بخار سريعة النمو في جميع أنحاء حجم السائل ، والتي تطفو على السطح. من الواضح أن فقاعة بخار يمكن أن تنمو عندما يزيد ضغط البخار المشبع بداخلها قليلاً عن الضغط في السائل ، وهو مجموع ضغط الهواء على سطح السائل (الضغط الخارجي) والضغط الهيدروستاتيكي لعمود السائل.
يبدأ الغليان عند درجة حرارة يكون عندها ضغط بخار التشبع في الفقاعات مساويًا للضغط في السائل.
كلما زاد الضغط الخارجي ، زادت نقطة الغليان. وهكذا ، عند ضغط في غلاية بخار تصل إلى Pa ، لا يغلي الماء حتى عند درجة حرارة 200 درجة مئوية. في المؤسسات الطبية ، يحدث غليان الماء في أوعية محكمة الإغلاق - الأوتوكلاف (الشكل 53) - أيضًا عند ضغط مرتفع. لذلك ، فإن نقطة الغليان أعلى بكثير من 100 درجة مئوية. تستخدم الأوتوكلاف لتعقيم الأدوات الجراحية والضمادات وما إلى ذلك.
على العكس من ذلك ، عن طريق تقليل الضغط ، فإننا بذلك نخفض نقطة الغليان. عن طريق ضخ الهواء وبخار الماء من القارورة ، يمكنك جعل الماء يغلي في درجة حرارة الغرفة (الشكل 54). عندما تتسلق الجبال ، ينخفض الضغط الجوي. لذلك ، تقل درجة الغليان. على ارتفاع
7134 م (ذروة لينين في بامير) الضغط يساوي تقريباً Pa (300 مم زئبق). تبلغ درجة غليان الماء هناك حوالي 70 درجة مئوية. من المستحيل طهي اللحوم على سبيل المثال في ظل هذه الظروف.
يتم تحديد الاختلاف في نقاط غليان السوائل من خلال الاختلاف في ضغط أبخرتها المشبعة. كلما زاد ضغط البخار المشبع ، انخفضت نقطة غليان السائل المقابل ، لأنه في درجات الحرارة المنخفضة يصبح ضغط البخار المشبع مساويًا للضغط الجوي. على سبيل المثال ، عند 100 درجة مئوية ، يكون ضغط بخار الماء المشبع (760 ملم زئبق) ، وبخار الزئبق 117 باسكال (0.88 ملم زئبق). يغلي الزئبق عند 357 درجة مئوية عند الضغط العادي.
حرارة حرجة.مع زيادة درجة الحرارة ، بالتزامن مع زيادة ضغط البخار المشبع ، تزداد كثافته أيضًا. على العكس من ذلك ، تنخفض كثافة السائل في حالة توازن مع بخاره بسبب تمدد السائل عند تسخينه. إذا رسمنا في أحد الأشكال منحنيات لاعتماد كثافة السائل وبخاره على درجة الحرارة ، فعندئذٍ سينخفض المنحنى بالنسبة للسائل ، أما بالنسبة للبخار فسوف يرتفع (الشكل 55).
عند درجة حرارة معينة تسمى درجة الحرارة الحرجة ، يندمج كلا المنحنيين ، أي أن كثافة السائل تصبح مساوية لكثافة البخار.
درجة الحرارة الحرجة هي درجة الحرارة التي تختفي عندها الاختلافات في الخصائص الفيزيائية بين السائل وبخاره المشبع.
عند درجة الحرارة الحرجة ، تصبح كثافة (وضغط) البخار المشبع قصوى ، وتصبح كثافة السائل في حالة توازن مع البخار عند الحد الأدنى. تنخفض الحرارة النوعية للتبخر مع زيادة درجة الحرارة وتصبح صفراً عند درجة الحرارة الحرجة.
كل مادة لها درجة حرارتها الحرجة. على سبيل المثال ، درجة الحرارة الحرجة للماء ، في حين أن أول أكسيد الكربون السائل (IV)
نظرًا لأن البخار المشبع هو أحد مكونات نظام التوازن الديناميكي الحراري لمادة متجانسة في التركيب ولكنها مختلفة في كسور الطور ، فإن فهم تأثير العوامل الفيزيائية الفردية على حجم الضغط الذي يخلقه يجعل من الممكن استخدام هذه المعرفة في الأنشطة العملية ، على سبيل المثال ، في تحديد معدل الاحتراق لبعض السوائل في حالة نشوب حريق ، إلخ.
ضغط البخار المشبع مقابل درجة الحرارة
يزداد ضغط بخار التشبع مع زيادة درجة الحرارة. في هذه الحالة ، لا يكون التغيير في القيم متناسبًا بشكل مباشر ، ولكنه يحدث بشكل أسرع. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه مع ارتفاع درجة الحرارة ، تتسارع حركة الجزيئات بالنسبة لبعضها البعض ويسهل عليها التغلب على قوى الجذب المتبادل والانتقال إلى مرحلة مختلفة ، أي. يتناقص عدد الجزيئات في الحالة السائلة ، ويزداد في الحالة الغازية حتى يتحول السائل بأكمله إلى بخار. يؤدي هذا الضغط المتزايد إلى رفع الغطاء في القدر أو عندما يبدأ الماء في الغليان.
اعتماد ضغط بخار التشبع على عوامل أخرى
تتأثر كمية ضغط البخار المشبع أيضًا بعدد الجزيئات التي مرت إلى الحالة الغازية ، لأن عددها يحدد كتلة البخار الناتج في وعاء مغلق. هذه القيمة ليست ثابتة ، لأنه مع اختلاف درجة الحرارة بين قاع الوعاء والغطاء الذي يغلقه ، تحدث عمليتان متعاكستان باستمرار - التبخر والتكثيف.
نظرًا لوجود مؤشرات معروفة لكل مادة عند درجة حرارة معينة لانتقال عدد معين من الجزيئات من مرحلة واحدة من حالة المادة إلى مرحلة أخرى ، فمن الممكن تغيير ضغط بخار التشبع عن طريق تغيير حجم الوعاء. لذا ، فإن نفس الحجم من الماء ، على سبيل المثال ، 0.5 لتر ، سيخلق ضغوطًا مختلفة في علبة سعة خمسة لترات وغلاية.
العامل المحدد لتحديد القيمة المرجعية لضغط بخار التشبع عند حجم ثابت والزيادة التدريجية في درجة الحرارة هو التركيب الجزيئي للسائل نفسه ، الذي يخضع للتسخين. لذلك ، ستختلف مؤشرات الأسيتون والكحول والماء العادي بشكل كبير عن بعضها البعض.
لمعرفة عملية غليان سائل ما ، من الضروري ليس فقط إحضار ضغط البخار المشبع إلى حدود معينة ، ولكن أيضًا لربط هذه القيمة بالضغط الجوي الخارجي ، نظرًا لأن عملية الغليان ممكنة فقط عندما يكون الضغط الخارجي أعلى من الضغط داخل الوعاء.
حتى الآن ، درسنا ظاهرة التبخر والتكثيف عند درجة حرارة ثابتة. الآن دعونا نلقي نظرة على تأثير درجة الحرارة. من السهل ملاحظة أن تأثير درجة الحرارة قوي جدًا. في يوم حار أو بالقرب من الموقد ، يجف كل شيء أسرع بكثير من البرد. هذا يعني أن تبخر السائل الدافئ يكون أكثر كثافة من التبخر البارد. يمكن تفسير ذلك بسهولة. في السائل الدافئ ، تمتلك المزيد من الجزيئات سرعة كافية للتغلب على قوى التماسك وكسر السائل. لذلك ، مع زيادة درجة الحرارة ، إلى جانب زيادة معدل تبخر السائل ، يزداد أيضًا ضغط البخار المشبع.
من السهل اكتشاف زيادة ضغط البخار باستخدام الجهاز الموصوف في الفقرة 291. دعونا نخفض القارورة بالأثير إلى الماء الدافئ. سنرى أن مقياس الضغط سيظهر زيادة حادة في الضغط. بعد أن أنزلنا نفس القارورة في ماء بارد ، أو أفضل في خليط من الثلج والملح (§ 275) ، نلاحظ ، على العكس من ذلك ، انخفاض في الضغط.
لذلك ، فإن ضغط بخار التشبع يعتمد بشدة على درجة الحرارة. في الجدول. يوضح الشكل 18 ضغط بخار تشبع الماء والزئبق عند درجات حرارة مختلفة. لاحظ ضغط بخار الزئبق الضئيل عند درجة حرارة الغرفة. تذكر أنه عند قراءة مقياس الضغط يتم إهمال هذا الضغط.
الجدول 18- ضغط بخار الماء والزئبق المشبع عند درجات حرارة مختلفة (بالمليمترات الزئبقية)
|
درجة الحرارة، |
درجة الحرارة، |
||||
من الرسم البياني لاعتماد ضغط بخار الماء المشبع على درجة الحرارة (الشكل 481) ، يمكن ملاحظة أن زيادة الضغط تقابل ارتفاع درجة الحرارة بزيادة درجة الحرارة. هذا هو الفرق بين الغازات والبخار المشبع ، حيث يزداد ضغطهما عند تسخينهما بالتساوي في درجات الحرارة المنخفضة والعالية (بمقدار 1/273 من الضغط عند درجة الحرارة). سيصبح هذا الاختلاف مفهومًا تمامًا إذا تذكرنا أنه عندما يتم تسخين الغازات بحجم ثابت ، فإن سرعة الجزيئات فقط هي التي تتغير. عندما يتم تسخين نظام البخار السائل ، كما أشرنا ، لا تتغير سرعة الجزيئات فحسب ، بل تتغير أيضًا عددها لكل وحدة حجم ، أي عند درجة حرارة أعلى يكون لدينا بخار ذو كثافة أعلى.
شكل 481. اعتماد ضغط بخار الماء المشبع
293.1. لماذا يعطي مقياس حرارة الغاز (§ 235) القراءات الصحيحة فقط عندما يكون الغاز جافًا تمامًا؟
293.2. افترض أنه في وعاء مغلق ، بالإضافة إلى السائل والبخار ، يوجد أيضًا هواء. كيف سيؤثر ذلك على تغير الضغط مع زيادة درجة الحرارة؟
293.3. يوضح الرسم البياني الموضح في الشكل التغير في ضغط البخار في وعاء مغلق مع زيادة درجة الحرارة. 482. ما هو الاستنتاج الذي يمكن استخلاصه بشأن عمليات التبخر داخل وعاء؟
أرز. 482. ممارسة 293.3