С повишаване на атмосферното налягане процесът на изпаряване на течността. Зависимост на температурата на кипене на течността от налягането

>>Физика: Зависимост на налягането на наситените пари от температурата. кипене

Течността не само се изпарява. При определена температура кипи.
Зависимост на налягането на наситените пари от температурата. Състоянието на наситената пара, както показва опитът (говорихме за това в предишния параграф), се описва приблизително от уравнението на състоянието на идеален газ (10.4), а неговото налягане се определя от формулата

С повишаване на температурата налягането се увеличава. защото Налягането на наситените пари не зависи от обема, следователно зависи само от температурата.
Въпреки това, зависимостта r н.п.от T, намерено експериментално, не е правопропорционално, като това на идеален газ при постоянен обем. С повишаване на температурата налягането на реалната наситена пара нараства по-бързо от налягането на идеален газ ( Фиг.11.1, част от кривата AB). Това става очевидно, ако начертаем изохори на идеален газ през точките АИ IN(пунктирани линии). Защо се случва това?

Когато течността се нагрява в затворен съд, част от течността се превръща в пара. В резултат на това съгласно формула (11.1) налягането на наситените пари се увеличава не само поради повишаване на температурата на течността, но и поради увеличаване на концентрацията на молекулите (плътността) на парите. По принцип нарастването на налягането с повишаване на температурата се определя именно от увеличаването на концентрацията. Основната разлика в поведението на идеален газ и наситена пара е, че когато температурата на парата в затворен съд се промени (или когато обемът се промени при постоянна температура), масата на парата се променя. Течността частично се превръща в пара или, напротив, парата частично кондензира. СЪС идеален газнищо такова не се случва.
Когато цялата течност се изпари, парата ще престане да бъде наситена при по-нататъшно нагряване и нейното налягане при постоянен обем ще се увеличи правопропорционално на абсолютната температура (виж. Фиг.11.1, част от кривата слънце).
. С повишаване на температурата на течността скоростта на изпарение се увеличава. Накрая течността започва да кипи. При кипене по целия обем на течността се образуват бързо нарастващи мехурчета пара, които изплуват на повърхността. Точката на кипене на течността остава постоянна. Това се случва, защото цялата енергия, предоставена на течността, се изразходва за превръщането й в пара. При какви условия започва кипенето?
Течността винаги съдържа разтворени газове, отделящи се на дъното и стените на съда, както и върху прахови частици, суспендирани в течността, които са центрове на изпарение. Течните пари вътре в мехурчетата са наситени. С повишаването на температурата налягането на наситените пари се увеличава и мехурчетата се увеличават по размер. Под въздействието на плаваща сила те се носят нагоре. Ако горните слоеве на течността имат по-ниска температура, тогава в тези слоеве се получава кондензация на пари в мехурчета. Налягането пада бързо и мехурчетата се свиват. Колапсът настъпва толкова бързо, че стените на балона се сблъскват и предизвикват нещо като експлозия. Много такива микроексплозии създават характерен шум. Когато течността се затопли достатъчно, мехурчетата ще спрат да се срутват и ще изплуват на повърхността. Течността ще заври. Наблюдавайте внимателно чайника на котлона. Ще откриете, че почти спира да шуми, преди да заври.
Зависимостта на налягането на наситените пари от температурата обяснява защо точката на кипене на течността зависи от налягането върху нейната повърхност. Парен мехур може да нарасне, когато налягането на наситената пара вътре в него леко надвишава налягането в течността, което е сумата от въздушното налягане върху повърхността на течността (външно налягане) и хидростатичното налягане на течния стълб.
Нека обърнем внимание на факта, че изпарението на течност се извършва при температури под точката на кипене и само от повърхността на течността; по време на кипене се образува пара в целия обем на течността.
Кипенето започва при температурата, при която налягането на наситените пари в мехурчетата е равно на налягането в течността.
Колкото по-голямо е външното налягане, толкова по-висока е точката на кипене. Така в парен котел при налягане, достигащо 1,6·10 6 Pa, водата не кипи дори при температура 200 ° C. В лечебни заведения в херметически затворени съдове - автоклави ( Фиг.11.2) кипенето на водата става и при повишено налягане. Следователно точката на кипене на течността е много по-висока от 100°C. Автоклавите се използват за стерилизиране на хирургически инструменти и др.

И обратно, като намаляваме външното налягане, по този начин намаляваме точката на кипене. Като изпомпвате въздух и водни пари от колбата, можете да накарате водата да заври при стайна температура ( Фиг.11.3). Докато изкачвате планини, атмосферното налягане намалява, следователно точката на кипене намалява. На надморска височина от 7134 m (връх Ленин в Памир) налягането е приблизително 4 10 4 Pa ​​​​(300 mm Hg). Там водата кипи при около 70°C. При тези условия е невъзможно да се готви месо.

Всяка течност има своя точка на кипене, която зависи от налягането на наситените пари. Колкото по-високо е налягането на наситените пари, толкова по-ниска е точката на кипене на течността, тъй като при по-ниски температури налягането на наситените пари става равно на атмосферното налягане. Например, при точка на кипене 100°C налягането на наситените пари на водата е 101 325 Pa (760 mm Hg), а налягането на живачните пари е само 117 Pa (0,88 mm Hg). Живакът кипи при температура 357°C при нормално налягане.
Течността кипи, когато налягането на наситените пари стане равно на налягането вътре в течността.

???
1. Защо температурата на кипене се повишава с увеличаване на налягането?
2. Защо при кипенето е важно да се повишава налягането на наситените пари в мехурчетата, а не да се повишава налягането на въздуха в тях?
3. Как да заври течност, докато охлаждаме съда? (Този въпрос не е лесен.)

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Соцкий, Физика 10 клас

Ако имате корекции или предложения за този урок,

Състояния на материята

Не е ли странна комбинация от думи? Това обаче изобщо не е глупост: както железните пари, така и твърдият въздух съществуват в природата, но не и с нормални условия.

За какви условия говорим? Състоянието на веществото се определя от два фактора: температура и налягане.

Нашият живот протича в сравнително малко променящи се условия. Налягането на въздуха варира в рамките на няколко процента около една атмосфера; температурата на въздуха, да речем, в района на Москва варира от -30 до +30 ° C; в абсолютната температурна скала, в която най-ниската възможна температура (-273°C) се приема за нула; този интервал ще изглежда по-малко впечатляващ: 240-300 К, което също е само ±10% от средната стойност.

Съвсем естествено е, че сме свикнали с тези обикновени условия и затова, когато казваме прости истини като: „желязото е твърдо вещество, въздухът е газ“ и т.н., забравяме да добавим: „когато нормални условия".

Ако нагреете желязо, то първо ще се стопи и след това ще се изпари. Ако въздухът се охлади, той първо ще се превърне в течност и след това ще се втвърди.

Дори ако читателят никога не е срещал железни пари или твърд въздух, той вероятно лесно ще повярва, че всяко вещество, чрез промяна на температурата, може да се получи в твърдо, течно и газообразно състояние или, както се казва, в твърдо, течно състояние или газообразни фази.

Лесно е да се повярва в това, защото всеки наблюдава едно вещество, без което животът на Земята би бил невъзможен, както под формата на газ, така и като течност, и под формата на твърдо вещество. Разбира се, говорим за вода.

При какви условия стават трансформациите на материята от едно състояние в друго?

Ако спуснем термометъра във водата, която се излива в чайника, включим електрическата печка и наблюдаваме живака на термометъра, ще видим следното: почти веднага нивото на живака ще се повиши. Сега е 90, 95 и накрая 100°C. Водата завира и в същото време издигането на живака спира. Водата е кипяла в продължение на много минути, но нивото на живака не се е променило. Докато цялата вода не изври, температурата няма да се промени (фиг. 4.1).

Ориз. 4.1

Къде отива топлината, ако температурата на водата не се променя? Отговорът е очевиден. Процесът на превръщане на водата в пара изисква енергия.

Нека сравним енергията на грам вода и грам пара, образувана от нея. Молекулите на парата са разположени по-далеч една от друга, отколкото водните молекули. Ясно е, че поради това потенциалната енергия на водата ще се различава от потенциалната енергия на парата.

Потенциалната енергия на привличане на частици намалява, когато се приближават една към друга. Следователно енергията на парата е по-голяма от енергията на водата и превръщането на водата в пара изисква енергия. Тази излишна енергия се прехвърля от електрическата печка на врящата вода в чайника.

Енергия, необходима за превръщане на водата в пара; наречена топлина на изпаряване. За да се превърне 1 g вода в пара, са необходими 539 cal (това е цифрата за температура от 100 ° C).

Ако 539 калории се изразходват за 1 g, тогава 18*539 = 9700 калории ще бъдат изразходвани за 1 мол вода. Това количество топлина трябва да се изразходва за разрушаване на междумолекулни връзки.

Можете да сравните тази цифра с количеството работа, необходимо за разкъсване на вътрешномолекулни връзки. За да се раздели 1 мол водна пара на атоми, са необходими около 220 000 cal, т.е. 25 пъти повече енергия. Това директно доказва слабостта на силите, които свързват молекулите заедно, в сравнение със силите, които дърпат атомите заедно в една молекула.

Точката на кипене на водата е 100°C; някой може да си помисли, че това е присъщо свойство на водата, че водата, независимо къде и при какви условия се намира, винаги ще кипи при 100°C.

Но това не е така и жителите на високопланинските села го знаят добре.

Близо до върха на Елбрус има къща за туристи и научна станция. Начинаещите понякога се изненадват от „колко трудно е да сварите яйце във вряща вода“ или „защо врящата вода не гори“. При тези условия им се казва, че водата кипи на върха на Елбрус вече при 82°C.

Какъв е проблема? Какъв физически фактор пречи на явлението кипене? Какво е значението на надморската височина?

Този физически фактор е налягането, действащо върху повърхността на течността. Не е нужно да се изкачвате до върха на планината, за да проверите истинността на казаното.

Като поставите загрята вода под камбана и изпомпвате или изпомпвате въздух оттам, можете да се уверите, че точката на кипене се повишава с увеличаване на налягането и пада, когато намалява.

Водата кипи при 100°C само при определено налягане - 760 mm Hg. Изкуство. (или 1 atm).

Кривата на точката на кипене спрямо налягането е показана на фиг. 4.2. На върха на Елбрус налягането е 0,5 atm и това налягане съответства на точка на кипене от 82 ° C.

Ориз. 4.2

Но вода, кипяща при 10-15 mm Hg. Чл., Можете да се охладите в горещо време. При това налягане точката на кипене ще падне до 10-15°C.

Можете дори да получите „вряща вода“, която има температура на замръзваща вода. За да направите това, ще трябва да намалите налягането до 4,6 mm Hg. Изкуство.

Интересна картина може да се наблюдава, ако поставите отворен съд с вода под камбаната и изпомпате въздуха. Изпомпването ще доведе до кипене на водата, но кипенето изисква топлина. Няма откъде да се вземе и водата ще трябва да отдаде енергията си. Температурата на врящата вода ще започне да пада, но докато изпомпването продължава, налягането също ще спадне. Следователно кипенето няма да спре, водата ще продължи да се охлажда и накрая ще замръзне.

Такъв цирей студена водавъзниква не само при изпомпване на въздух. Например, когато витлото на кораба се върти, налягането в бързо движещ се слой вода в близост до метална повърхност пада значително и водата в този слой кипи, т.е. в него се появяват множество мехурчета, пълни с пара. Това явление се нарича кавитация (от латинската дума cavitas - кухина).

Като намалим налягането, понижаваме точката на кипене. И като го увеличите? Графика като нашата отговаря на този въпрос. Налягане от 15 atm може да забави кипенето на водата, то ще започне само при 200 ° C, а налягане от 80 atm ще доведе до кипене на вода само при 300 ° C.

И така, определено външно налягане съответства на определена точка на кипене. Но това твърдение може да се „обърне“, като се каже следното: всяка точка на кипене на водата съответства на собственото си специфично налягане. Това налягане се нарича парно налягане.

Кривата, изобразяваща точката на кипене като функция от налягането, също е крива на налягането на парите като функция от температурата.

Числата, нанесени на графиката на точката на кипене (или на графиката на налягането на парите), показват, че налягането на парите се променя много рязко с температурата. При 0°C (т.е. 273 K) налягането на парите е 4,6 mmHg. Art., при 100°C (373 K) е равно на 760 mm Hg. чл., т.е. се увеличава 165 пъти. Когато температурата се удвои (от 0°C, т.е. 273 K, до 273°C, т.е. 546 K), налягането на парите се увеличава от 4,6 mm Hg. Изкуство. почти до 60 atm, т.е. приблизително 10 000 пъти.

Следователно, напротив, точката на кипене се променя с налягане доста бавно. При двойна промяна на налягането от 0,5 atm на 1 atm, точката на кипене се повишава от 82°C (355 K) до 100°C (373 K), а при удвояване на налягането от 1 на 2 atm - от 100°C (373 K). ) до 120°C (393 K).

Същата крива, която сега разглеждаме, също контролира кондензацията (кондензацията) на пара във вода.

Парата може да се преобразува във вода чрез компресия или охлаждане.

Както по време на кипене, така и по време на кондензация, точката няма да се премести от кривата, докато не завърши превръщането на парата във вода или водата в пара. Това може да се формулира и така: при условията на нашата крива и само при тези условия е възможно съвместното съществуване на течност и пара. Ако не добавите или премахнете топлината, тогава количествата пара и течност в затворен съд ще останат непроменени. Такава пара и течност се наричат ​​​​в равновесие, а парата, която е в равновесие с течността, се нарича наситена.

Кривата на кипене и кондензация, както виждаме, има друго значение: това е кривата на равновесие на течността и парата. Равновесната крива разделя полето на диаграмата на две части. Вляво и нагоре (към по-високи температури и по-ниски налягания) е областта на стабилно състояние на парата. Вдясно и надолу е областта на стабилното състояние на течността.

Кривата на равновесие пара-течност, т.е. кривата на зависимостта на точката на кипене от налягането или, което е същото, налягането на парите от температурата, е приблизително еднаква за всички течности. В някои случаи промяната може да бъде малко по-рязка, в други малко по-бавна, но налягането на парите винаги нараства бързо с повишаване на температурата.

Вече сме използвали думите „газ“ и „пара“ много пъти. Тези две думи са доста равни. Можем да кажем: водният газ е водна пара, кислородният газ е течна кислородна пара. Въпреки това се е развил известен навик при използването на тези две думи. Тъй като сме свикнали с определен сравнително малък температурен диапазон, обикновено използваме думата „газ“ за онези вещества, чиято еластичност на парите при обикновени температури е по-висока от атмосферното налягане. Напротив, говорим за пара, когато при стайна температура и атмосферно налягане веществото е по-стабилно под формата на течност.

Варенето е бърз процес, а от вряща вода за краткосроченне остава следа, превръща се в пара.

Но има и друго явление за превръщане на вода или друга течност в пара - това е изпарението. Изпарението става при всяка температура, независимо от налягането, което при нормални условия винаги е близо до 760 mmHg. Изкуство. Изпаряването, за разлика от кипенето, е много бавен процес. Бутилка одеколон, която сме забравили да затворим, ще бъде празна след няколко дни; o чинийката с вода ще стои по-дълго, но рано или късно ще се окаже суха.

Въздухът играе основна роля в процеса на изпаряване. Сам по себе си той не пречи на водата да се изпари. Веднага щом отворим повърхността на течността, водните молекули ще започнат да се движат в най-близкия слой въздух.

Плътността на парите в този слой ще се увеличи бързо; След кратък период от време налягането на парите ще стане равно на еластичността, характерна за температурата на средата. В този случай налягането на парите ще бъде точно същото като при липса на въздух.

Преходът на пара във въздух не означава, разбира се, повишаване на налягането. Общото налягане в пространството над водната повърхност не се увеличава, само се увеличава делът на това налягане, който се поема от парата, и съответно делът на въздуха, който се измества от парата, намалява.

Над водата има пара, смесена с въздух; отгоре има слоеве въздух без пара. Те неизбежно ще се смесят. Водната пара непрекъснато ще се движи към по-високите слоеве, а на нейно място въздух, който не съдържа водни молекули, ще навлезе в долния слой. Следователно в най-близкия до водата слой винаги ще се освобождават места за нови водни молекули. Водата непрекъснато ще се изпарява, поддържайки налягането на водните пари на повърхността, равно на еластичността, и процесът ще продължи, докато водата се изпари напълно.

Започнахме с примера за одеколон и вода. Добре известно е, че те се изпаряват с различна скорост. Етерът се изпарява изключително бързо, алкохолът се изпарява доста бързо, а водата много по-бавно. Веднага ще разберем какво се случва тук, ако намерим в справочника стойностите на налягането на парите на тези течности, да речем, при стайна температура. Ето и числата: етер - 437 mm Hg. чл., алкохол - 44,5 mm Hg. Изкуство. и вода - 17,5 mm Hg. Изкуство.

Колкото по-голяма е еластичността, толкова повече пари има в съседния слой въздух и толкова по-бързо се изпарява течността. Знаем, че налягането на парите се увеличава с повишаване на температурата. Ясно е защо скоростта на изпарение се увеличава с нагряване.

Скоростта на изпарение може да се повлияе и по друг начин. Ако искаме да подпомогнем изпарението, трябва бързо да отстраним парите от течността, тоест да ускорим смесването на въздуха. Ето защо изпарението се ускорява значително чрез издухване на течност. Водата, въпреки че има относително ниско налягане на парите, ще изчезне доста бързо, ако чинийката се постави на вятъра.

Следователно е разбираемо защо плувецът, който излиза от водата, се чувства студен от вятъра. Вятърът ускорява смесването на въздуха с парата и следователно ускорява изпарението, а човешкото тяло е принудено да отделя топлина за изпаряване.

Благосъстоянието на човек зависи от това дали във въздуха има много или малко водни пари. И сухият, и влажният въздух са неприятни. Влажността се счита за нормална, когато е 60%. Това означава, че плътността на водната пара е 60% от плътността на наситената водна пара при същата температура.

Ако влажният въздух се охлажда, в крайна сметка налягането на водните пари в него ще се изравни с налягането на парите при тази температура. Парата ще стане наситена и ще започне да кондензира във вода, когато температурата спадне допълнително. Сутрешната роса, която овлажнява тревата и листата, се появява именно поради това явление.

При 20°C плътността на наситените водни пари е около 0,00002 g/cm 3 . Ще се чувстваме добре, ако във въздуха има 60% от това количество водна пара - това означава само малко повече от една стохилядна от грама на 1 cm3.

Въпреки че тази цифра е малка, тя ще доведе до впечатляващи количества пара за помещението. Не е трудно да се изчисли, че в средно голяма стая с площ от 12 m2 и височина 3 m може да се "побере" около килограм вода под формата на наситена пара.

Това означава, че ако такова помещение се затвори плътно и се постави отворено буре с вода, ще се изпари един литър вода, независимо каква е вместимостта на бурето.

Интересно е да се сравни този резултат за вода със съответните цифри за живак. При същата температура от 20°C, плътността на наситените живачни пари е 10 -8 g/cm 3 .

В току-що обсъдената стая няма да се побере повече от 1 g живачни пари.

Между другото, живачните пари са много отровни и 1 g живачни пари могат сериозно да навредят на здравето на всеки човек. Когато работите с живак, трябва да се уверите, че дори и най-малката капка живак не се разлива.

Как да превърнем газ в течност? Диаграмата на точката на кипене отговаря на този въпрос. Можете да превърнете газ в течност, като намалите температурата или увеличите налягането.

През 19 век повишаването на налягането изглеждаше по-лесна задача от понижаването на температурата. В началото на този век великият английски физик Майкъл Фарада успя да компресира газове до стойности на налягането на парите и по този начин да превърне много газове (хлор, въглероден диоксид и др.) в течност.

Въпреки това, някои газове - водород, азот, кислород - не могат да бъдат втечнени. Колкото и да беше увеличено налягането, те не се превърнаха в течност. Може да се мисли, че кислородът и другите газове не могат да бъдат течни. Те бяха класифицирани като истински или постоянни газове.

Всъщност провалите бяха причинени от неразбирането на едно важно обстоятелство.

Нека разгледаме течността и парата в равновесие и да помислим какво се случва с тях, когато точката на кипене се повишава и, разбира се, съответното повишаване на налягането. С други думи, представете си, че точка от графиката на кипене се движи нагоре по кривата. Ясно е, че с повишаване на температурата течността се разширява и нейната плътност намалява. Що се отнася до парата, повишава ли се точката на кипене? Разбира се, той допринася за неговото разширяване, но, както вече казахме, налягането на наситените пари се увеличава много по-бързо от точката на кипене. Следователно плътността на парите не пада, а напротив, бързо се увеличава с повишаване на температурата на кипене.

Тъй като плътността на течността намалява и плътността на парата се увеличава, тогава, движейки се "нагоре" по кривата на кипене, неизбежно ще достигнем точка, в която плътностите на течността и парата са равни (фиг. 4.3).

Ориз. 4.3

В тази забележителна точка, наречена критична точка, кривата на кипене завършва. Тъй като всички разлики между газ и течност са свързани с разликата в плътността, в критичната точка свойствата на течността и газа стават еднакви. Всяко вещество има собствена критична температура и собствено критично налягане. Така за водата критичната точка съответства на температура от 374 ° C и налягане от 218,5 atm.

Ако компресирате газ, чиято температура е под критичната температура, тогава процесът на неговото компресиране ще бъде представен със стрелка, пресичаща кривата на кипене (фиг. 4.4). Това означава, че в момента на достигане на налягане, равно на налягането на парите (точката, където стрелката пресича кривата на кипене), газът ще започне да кондензира в течност. Ако нашият съд беше прозрачен, тогава в този момент щяхме да видим началото на образуването на слой течност на дъното на съда. При постоянно налягане слоят течност ще нараства, докато накрая целият газ се превърне в течност. По-нататъшното компресиране ще изисква увеличаване на налягането.

Ориз. 4.4

Ситуацията е съвсем различна при компресиране на газ, чиято температура е над критичната. Процесът на компресиране отново може да бъде изобразен като стрелка, вървяща отдолу нагоре. Но сега тази стрелка не пресича кривата на кипене. Това означава, че при компресиране парата няма да кондензира, а само непрекъснато ще се уплътнява.

При температури над критичната температура съществуването на течност и газ, разделени от интерфейс, е невъзможно: Когато се компресира до всякаква плътност, под буталото ще има хомогенна субстанция и е трудно да се каже кога може да се нарече газ и когато течност.

Наличието на критична точка показва, че няма принципна разлика между течното и газообразното състояние. На пръв поглед може да изглежда, че няма такава фундаментална разлика само в случая, когато ние говорим заза температури над критичните. Това обаче не е така. Съществуването на критична точка показва възможността течността - истинска течност, която може да се налее в чаша - да се превърне в газообразно състояние без никакво подобие на кипене.

Този път на трансформация е показан на фиг. 4.4. Кръстът маркира известна течност. Ако намалите малко налягането (стрелка надолу), ще заври и също ще заври, ако повишите малко температурата (стрелка надясно). Но ние ще направим нещо съвсем различно.Ще компресираме течността много силно, до налягане над критичното. Точката, представяща състоянието на течността, ще върви вертикално нагоре. След това загряваме течността - този процес е изобразен с хоризонтална линия. Сега, след като се окажем вдясно от критичната температура, намаляваме налягането до първоначалното. Ако сега намалите температурата, можете да получите истинска пара, която може да се получи от тази течност по по-прост и кратък начин.

По този начин винаги е възможно чрез промяна на налягането и температурата, заобикаляйки критичната точка, да се получи пара чрез непрекъснато прехвърляне от течност или течност от пара. Този непрекъснат преход не изисква кипене или кондензация.

Ранните опити за втечняване на газове като кислород, азот и водород бяха неуспешни, тъй като съществуването на критична температура. Тези газове имат много ниски критични температури: азот -147°C, кислород -119°C, водород -240°C или 33 K. Рекордьорът е хелий, неговата критична температура е 4,3 K. Преобразувайте тези газове в течност може само да се използват по един начин - трябва да намалите температурата им под посочената.

Значително намаляване на температурата може да се постигне по различни начини. Но идеята на всички методи е една и съща: трябва да принудим тялото, което искаме да охладим, да изразходва вътрешната си енергия.

Как да стане това? Един от начините е да накарате течността да заври без добавяне на топлина отвън. За целта, както знаем, трябва да намалим налягането - да го намалим до стойността на налягането на парите. Топлината, изразходвана за кипене, ще бъде взета от течността и температурата на течността и парата, а с нея и налягането на парите ще падне. Следователно, за да не спира кипенето и да става по-бързо, от съда с течността трябва непрекъснато да се изпомпва въздух.

Но спадът на температурата по време на този процес достига граница: еластичността на парата в крайна сметка става напълно незначителна и дори най-мощните помпи не могат да създадат необходимото налягане.

За да продължи понижаването на температурата, е възможно чрез охлаждане на газа с получената течност да се превърне в течност с по-ниска точка на кипене.

Сега процесът на изпомпване може да се повтори с второто вещество и по този начин да се получат по-ниски температури. Ако е необходимо, този "каскаден" метод за получаване на ниски температури може да бъде разширен.

Точно това направиха в края на миналия век; Втечняването на газовете се извършва на етапи: етилен, кислород, азот, водород - вещества с точки на кипене -103, -183, -196 и -253 ° C - последователно се превръщат в течност. С течния водород можете да получите най-ниско кипящата течност - хелий (-269°C). Съседът отляво помогна на съседа отдясно.

Методът на каскадно охлаждане е почти на сто години. През 1877 г. по този метод е получен течен въздух.

През 1884-1885г За първи път е произведен течен водород. Накрая, още двадесет години по-късно, последната крепост е превзета: през 1908 г. Kamerlingh Onnes в град Лайден в Холандия превръща хелия в течност - вещество с най-ниска критична температура. Наскоро беше отбелязана 70-годишнината от това важно научно постижение.

В продължение на много години Лайденската лаборатория беше единствената „нискотемпературна“ лаборатория. Сега във всички страни има десетки такива лаборатории, да не говорим за фабрики, произвеждащи течен въздух, азот, кислород и хелий за технически цели.

Сега рядко се използва каскадният метод за получаване на ниски температури. В техническите инсталации за понижаване на температурата се използва друг метод за намаляване на вътрешната енергия на газа: те принуждават газа бързо да се разширява и да произвежда работа, използвайки вътрешна енергия.

Ако например въздух, сгъстен до няколко атмосфери, се постави в разширител, тогава когато се извърши работата по преместване на буталото или въртене на турбината, въздухът ще се охлади толкова рязко, че ще се превърне в течност. Въглеродният диоксид, ако се освободи бързо от цилиндъра, се охлажда толкова рязко, че се превръща в „лед“ в движение.

Течните газове се използват широко в технологиите. Течният кислород се използва във взривната техника, като компонент на горивната смес в реактивните двигатели.

Втечняването на въздуха се използва в технологиите за разделяне на газовете, които изграждат въздуха.

В различни области на техниката се изисква работа при температура на течния въздух. Но за много физически изследвания тази температура не е достатъчно ниска. Наистина, ако преобразувате градуси по Целзий в абсолютен мащаб, тогава ще видим, че температурата на течния въздух е приблизително 1/3 от стайната температура. Много по-интересни за физиката са "водородните" температури, т.е. температури от порядъка на 14-20 К, и особено "хелиевите" температури. Най-ниската температура, получена при изпомпване на течен хелий, е 0,7 K.

Физиците успяха да се доближат много повече до абсолютната нула. Вече са получени температури, които надвишават абсолютната нула само с няколко хилядни от градуса. Въпреки това, тези свръхниски температури се получават по начини, които не са подобни на описаните по-горе.

През последните години физиката на ниските температури породи специален клон на индустрията, посветен на производството на оборудване, което прави възможно поддържането на големи обеми при температури, близки до абсолютната нула; са разработени силови кабели, чиито проводими шини работят при температури под 10 K.

Когато парата премине точката си на кипене, тя трябва да кондензира и да се превърне в течност. Въпреки това,; Оказва се, че ако парата не влиза в контакт с течността и ако парата е много чиста, тогава е възможно да се получи преохладена или „пренаситена пара – пара, която отдавна трябва да е станала течност.

Пренаситената пара е много нестабилна. Понякога един тласък или зърно пара, хвърлено в пространството, е достатъчно, за да започне забавената кондензация.

Опитът показва, че кондензацията на молекулите на парата се улеснява значително от въвеждането на малки чужди частици в парата. В прашен въздух не се получава пренасищане на водни пари. Кондензацията може да бъде причинена от облаци дим. В крайна сметка димът се състои от малки твърди частици. Веднъж попаднали в парата, тези частици събират молекули около себе си и се превръщат в кондензационни центрове.

Така че, макар и нестабилна, парата може да съществува в температурен диапазон, подходящ за „живота“ на течността.

Може ли течност да "живее" в областта на парите при същите условия? С други думи, възможно ли е прегряване на течност?

Оказва се, че е възможно. За да направите това, трябва да се уверите, че течните молекули не излизат от повърхността. Радикално средство е да се елиминира свободната повърхност, тоест да се постави течността в съд, където тя ще бъде компресирана от всички страни от твърди стени. По този начин е възможно да се постигне прегряване от порядъка на няколко градуса, т.е. да се премести точката, представяща състоянието на течностите, вдясно от кривата на кипене (фиг. 4.4).

Прегряването е изместване на течността в областта на парата, така че прегряването на течността може да се постигне както чрез добавяне на топлина, така и чрез намаляване на налягането.

Последният метод може да постигне невероятни резултати. Вода или друга течност, внимателно освободена от разтворените газове (това не е лесно да се направи), се поставя в съд с бутало, достигащо повърхността на течността. Съдът и буталото трябва да се намокрят с течност. Ако сега дръпнете буталото към вас, водата, полепнала по дъното на буталото, ще го последва. Но слоят вода, прилепнал към буталото, ще издърпа следващия слой вода със себе си, този слой ще издърпа долния слой, в резултат на което течността ще се разтегне.

В крайна сметка водният стълб ще се счупи (водният стълб, а не водата ще се откъсне от буталото), но това ще стане, когато силата на единица площ достигне десетки килограми. С други думи, в течността се създава отрицателно налягане от десетки атмосфери.

Дори при ниско положително налягане парообразното състояние на веществото е стабилно. И течността може да бъде доведена до отрицателно налягане. Не можете да се сетите за по-ярък пример за "прегряване".

Няма твърдо тяло, което да издържи максимално повишаване на температурата. Рано или късно твърдото парче се превръща в течност; правилно, в някои случаи няма да можем да достигнем точката на топене - може да настъпи химическо разлагане.

С повишаването на температурата молекулите се движат все по-интензивно. И накрая, идва момент, когато поддържането на ред сред силно "люлеещите се" молекули става невъзможно. Твърдото вещество се топи. Волфрамът има най-високата точка на топене: 3380 ° C. Златото се топи при 1063 ° C, желязото - при 1539 ° C. Въпреки това, има също са нискотопими метали.Живакът, както е известно, се топи при температура -39°С.Органичните вещества нямат високи точки на топене.Нафталинът се топи при 80°С, толуенът - при -94,5°С.

Не е никак трудно да се измери точката на топене на едно тяло, особено ако то се топи в температурния диапазон, измерен с обикновен термометър. Изобщо не е необходимо да следите с поглед топящото се тяло. Просто погледнете живачната колона на термометъра. Докато започне топенето, температурата на тялото се повишава (фиг. 4.5). След като топенето започне, повишаването на температурата спира и температурата ще остане същата, докато процесът на топене приключи.

Ориз. 4.5

Подобно на превръщането на течност в пара, превръщането на твърдо вещество в течност изисква топлина. Топлината, необходима за това, се нарича латентна топлина на топене. Например топенето на един килограм лед изисква 80 kcal.

Ледът е едно от телата с висока топлина на топене. Топенето на лед изисква например 10 пъти повече енергия, отколкото топенето на същата маса олово. Разбира се, говорим за самото топене, тук не казваме, че преди оловото да започне да се топи, то трябва да се нагрее до +327°C. Поради високата топлина на топене на лед, топенето на снега се забавя. Представете си, че топлината на топене би била 10 пъти по-малка. Тогава пролетните наводнения биха довели до невъобразими бедствия всяка година.

И така, топлината на топене на леда е голяма, но е и малка в сравнение със специфичната топлина на изпарение от 540 kcal/kg (седем пъти по-малко). Тази разлика обаче е напълно естествена. Когато превръщаме течността в пара, трябва да разделяме молекулите една от друга, но когато се топим, трябва само да разрушим реда в подреждането на молекулите, оставяйки ги на почти еднакви разстояния. Ясно е, че вторият случай изисква по-малко работа.

Наличието на определена точка на топене е важна характеристика на кристалните вещества. Именно по тази характеристика те могат лесно да бъдат разграничени от други твърди тела, наречени аморфни или стъкла. Стъклата се срещат както сред неорганичните, така и органична материя. Стъклото за прозорци обикновено се прави от натриеви и калциеви силикати; На бюроЧесто се използва органично стъкло (наричано още плексиглас).

Аморфните вещества, за разлика от кристалите, нямат определена точка на топене. Стъклото не се топи, а омеква. При нагряване парче стъкло първо става меко от твърдо, лесно може да се огъне или разтегне; при по-висока температура парчето започва да променя формата си под въздействието на собствената си гравитация. Докато се нагрява, гъстата вискозна маса от стъкло приема формата на съда, в който се намира. Тази маса първо е гъста, като мед, след това като заквасена сметана и накрая става почти същата течност с нисък вискозитет като водата. Дори и да искаме, не можем да посочим тук конкретна температура за преминаване на твърдо вещество в течност. Причините за това се крият в фундаменталната разлика между структурата на стъклото и структурата на кристалните тела. Както бе споменато по-горе, атомите в аморфните тела са подредени произволно. Стъклата са подобни по структура на течностите.Вече в твърдото стъкло молекулите са подредени произволно. Това означава, че повишаването на температурата на стъклото само увеличава обхвата на вибрациите на неговите молекули, давайки им постепенно все по-голяма свобода на движение. Следователно стъклото омеква постепенно и не проявява рязък преход от „твърдо“ към „течно“, характерен за прехода от подреждането на молекулите в строг ред към безпорядъчно подреждане.

Когато говорихме за кривата на кипене, казахме, че течността и парата могат, макар и в нестабилно състояние, да живеят в чужди зони - парата може да бъде преохладена и прехвърлена вляво от кривата на кипене, течността може да бъде прегрята и изтеглена вдясно на тази крива.

Възможни ли са подобни явления в случай на кристал с течност? Оказва се, че аналогията тук е непълна.

Ако загреете кристал, той ще започне да се топи при точката си на топене. Няма да е възможно кристалът да се прегрее. Напротив, при охлаждане на течност е възможно, ако се вземат определени мерки, относително лесно да се „превиши“ точката на топене. В някои течности е възможно да се постигне голяма хипотермия. Има дори течности, които лесно се преохлаждат, но е трудно да се накарат да кристализират. Докато такава течност се охлажда, тя става все по-вискозна и накрая се втвърдява, без да кристализира. Ето какво е стъклото.

Можете също така да охладите водата. Капките мъгла може да не замръзнат дори при силни студове. Ако пуснете кристал от вещество - семе - в свръхохладена течност, кристализацията веднага ще започне.

И накрая, в много случаи забавената кристализация може да започне от разклащане или други случайни събития. Известно е например, че кристалният глицерол е получен за първи път по време на транспортиране от железопътна линия. След дълго стоене стъклото може да започне да кристализира (девитифициране или „срутване“, както се казва в техниката).

Почти всяко вещество може да даде кристали при определени условия. Кристалите могат да бъдат получени от разтвор или от стопилка на дадено вещество, както и от неговите пари (например, черни ромбовидни кристали на йод лесно изпадат от неговите пари при нормално налягане без междинен преход към течно състояние ).

Започнете да разтваряте готварска сол или захар във вода. При стайна температура (20°C) можете да разтворите само 70 g сол в фасетирана чаша. По-нататъшното добавяне на сол няма да се разтвори и ще се утаи на дъното под формата на утайка. Разтвор, в който повече не се разтваря, се нарича наситен. .Ако промените температурата, степента на разтворимост на веществото също ще се промени. Всеки знае, че горещата вода разтваря повечето вещества много по-лесно от студената вода.

Представете си сега, че сте приготвили наситен разтвор, да речем, на захар с температура 30°C и започнете да го охлаждате до 20°C. При 30°C успяхте да разтворите 223 g захар в 100 g вода, при 20°C се разтвориха 205 g. След това, когато се охлади от 30 до 20°C, 18 g ще се окажат „екстра“ и, както се казва, ще падне от решението. И така, един възможен начин за получаване на кристали е охлаждането на наситен разтвор.

Можете да го направите по различен начин. Пригответе наситен солен разтвор и го оставете в отворена чаша. След известно време ще забележите появата на кристали. Защо са били формирани? Внимателното наблюдение ще покаже, че едновременно с образуването на кристалите е настъпила и друга промяна - количеството вода е намаляло. Водата се изпари и в разтвора имаше „допълнително“ вещество. Така че другият възможен начинОбразуването на кристали е изпаряването на разтвора.

Как става образуването на кристали от разтвор?

Казахме, че кристалите "изпадат" от разтвора; Трябва ли това да се разбира, че кристалът не е бил там цяла седмица и в един миг изведнъж се е появил? Не, това не е така: кристалите растат. Разбира се, невъзможно е да се засекат с окото първите моменти на растеж. Първоначално няколко от произволно движещите се молекули или атоми на разтвореното вещество се събират приблизително в реда, необходим за образуване на кристална решетка. Такава група от атоми или молекули се нарича ядро.

Опитът показва, че ядрата се образуват по-често при наличието на всякакви външни малки прашинки в разтвора. Кристализацията започва най-бързо и лесно, когато малък зародишен кристал се постави в наситен разтвор. В този случай освобождаването на твърдо вещество от разтвора няма да се състои в образуването на нови кристали, а в растежа на семето.

Растежът на ембриона, разбира се, не се различава от растежа на семето. Смисълът на използването на семето е, че то „дърпа“ освободеното вещество върху себе си и по този начин предотвратява едновременното образуване на голям брой ядра. Ако се образуват много ядра, тогава те ще си пречат по време на растежа и няма да ни позволят да получим големи кристали.

Как се разпределят части от атоми или молекули, освободени от разтвора, върху повърхността на ембриона?

Опитът показва, че растежът на ембрион или семе се състои, така да се каже, от преместване на лицата, успоредни на себе си, в посока, перпендикулярна на лицето. В този случай ъглите между лицата остават постоянни (вече знаем, че постоянството на ъглите е най-важната характеристика на кристала, произтичаща от неговата решетъчна структура).

На фиг. Фигура 4.6 показва възникващите очертания на три кристала от едно и също вещество по време на растежа им. Подобни картини могат да се наблюдават под микроскоп. В случая, показан вляво, броят на лицата се запазва по време на растежа. Средната снимка дава пример за появяване на ново лице (горе вдясно) и изчезване отново.

Ориз. 4.6

Много е важно да се отбележи, че скоростта на растеж на лицата, т.е. скоростта на движението им успоредно на себе си, не е еднаква за различните лица. В този случай най-бързо се движат тези ръбове, които „прерастват“ (изчезват), например долният ляв ръб в средната снимка. Напротив, бавно растящите ръбове се оказват най-широки и, както се казва, най-развити.

Това е особено ясно видимо на последната фигура. Безформен фрагмент придобива същата форма като другите кристали именно поради анизотропията на скоростта на растеж. Някои аспекти се развиват най-силно за сметка на други и придават на кристала форма, характерна за всички проби от това вещество.

Много красиви преходни форми се наблюдават, когато се вземе топка като семе и разтворът се редува леко охлаждане и нагряване. При нагряване разтворът става ненаситен и семето се разтваря частично. Охлаждането води до насищане на разтвора и растеж на семето. Но молекулите се установяват по различен начин, сякаш дават предпочитание на определени места. Така веществото се прехвърля от едно място на топката на друго.

Първо на повърхността на топката се появяват малки ръбове във формата на кръгове. Кръговете постепенно се увеличават по размер и, докосвайки се един до друг, се сливат по прави ръбове. Топката се превръща в полиедър. Тогава едни лица изпреварват други, някои от лицата обрастват и кристалът придобива характерната си форма (фиг. 4.7).

Ориз. 4.7

Когато наблюдавате растежа на кристалите, човек е поразен от основната характеристика на растежа - паралелното движение на лицата. Оказва се, че освободеното вещество изгражда ръба на слоеве: докато един слой не бъде завършен, следващият не започва да се изгражда.

На фиг. Фигура 4.8 показва "незавършеното" опаковане на атоми. В коя от буквените позиции новият атом ще бъде най-здраво задържан, когато е прикрепен към кристала? Без съмнение в А, тъй като тук той изпитва привличането на съседи от три страни, докато в Б - от две, а в В - само от една страна. Следователно първо се завършва колоната, след това цялата равнина и едва след това започва полагането на новата равнина.

Ориз. 4.8

В редица случаи кристалите се образуват от разтопена маса - от стопилка. В природата това се случва в огромен мащаб: базалти, гранити и много други скали са възникнали от огнена магма.

Нека започнем да нагряваме някакво кристално вещество, например каменна сол. До 804°C кристалите на каменната сол ще се променят малко: те се разширяват съвсем леко и веществото остава твърдо. Температурен метър, поставен в съд с вещество, показва непрекъснато повишаване на температурата при нагряване. При 804°C веднага ще открием две нови, взаимосвързани явления: веществото ще започне да се топи и повишаването на температурата ще спре. Докато цялото вещество се превърне в течност; температурата няма да се промени; по-нататъшното повишаване на температурата означава нагряване на течността. Всички кристални вещества имат определена температуратопене. Ледът се топи при 0°C, желязото - при 1527°C, живакът - при -39°C и т.н.

Както вече знаем, във всеки кристал атомите или молекулите на веществото образуват подредена G опаковка и извършват малки вибрации около средните си позиции. При нагряване на тялото скоростта на осцилиращите частици се увеличава заедно с амплитудата на трептенията. Това увеличаване на скоростта на движение на частиците с повишаване на температурата съставлява един от основните закони на природата, който се прилага за материята във всяко състояние - твърдо, течно или газообразно.

Когато се достигне определена, достатъчно висока температура на кристала, вибрациите на неговите частици стават толкова енергични, че правилното подреждане на частиците става невъзможно - кристалът се стопява. С началото на топенето подадената топлина вече не се използва за увеличаване на скоростта на частиците, а за разрушаване на кристалната решетка. Следователно повишаването на температурата спира. Последващото нагряване е увеличаване на скоростта на течните частици.

В случай на кристализация от стопилка, която ни интересува, описаните по-горе явления се наблюдават в обратен ред: докато течността се охлажда, нейните частици забавят своето хаотично движение; при достигане на определена, достатъчно ниска температура, скоростта на частиците вече е толкова ниска, че някои от тях под въздействието на сили на привличане започват да се залепват една за друга, образувайки кристални ядра. Докато цялото вещество кристализира, температурата остава постоянна. Тази температура обикновено е същата като точката на топене.

Ако не се вземат специални мерки, кристализацията от стопилката ще започне на много места едновременно. Кристалите ще растат под формата на правилни, характерни полиедри точно по същия начин, както описахме по-горе. Свободният растеж обаче не трае дълго: докато кристалите растат, те се сблъскват един с друг, в точките на контакт растежът спира и втвърденото тяло придобива гранулирана структура. Всяко зърно е отделен кристал, който не е успял да приеме правилната си форма.

В зависимост от много условия и главно от скоростта на охлаждане, твърдото вещество може да има повече или по-малко големи зърна: колкото по-бавно е охлаждането, толкова по-големи са зърната. Размерът на зърната на кристалните тела варира от милионна част от сантиметъра до няколко милиметра. В повечето случаи гранулираната кристална структура може да се наблюдава под микроскоп. Твърдите вещества обикновено имат точно такава финокристална структура.

За технологията е много голям интереспроцес на втвърдяване на метала. Физиците са изследвали изключително подробно събитията, които се случват по време на леенето и по време на втвърдяването на метала във формите.

В по-голямата си част, когато се втвърдят, растат дървовидни монокристали, наречени дендрити. В други случаи дендритите са ориентирани произволно, в други случаи - успоредно един на друг.

На фиг. Фигура 4.9 показва етапите на растеж на един дендрит. При това поведение един дендрит може да прерасне, преди да срещне друг подобен. Тогава няма да намерим дендрити в отливката. Събитията също могат да се развиват по различен начин: дендритите могат да се срещат и да растат един в друг (клоните на единия в пространствата между клоните на другия), докато са все още „млади“.

Ориз. 4.9

Така могат да възникнат отливки, чиито зърна (показани на фиг. 2.22) имат много различни структури. И свойствата на металите значително зависят от естеството на тази структура. Можете да контролирате поведението на метала по време на втвърдяване, като промените скоростта на охлаждане и системата за отвеждане на топлината.

Сега нека поговорим за това как да отгледаме голям монокристал. Ясно е, че трябва да се вземат мерки кристалът да расте от едно място. И ако няколко кристала вече са започнали да растат, тогава във всеки случай е необходимо да се гарантира, че условията за растеж са благоприятни само за един от тях.

Ето, например, какво прави човек, когато отглежда кристали от нискотопими метали. Металът се разтопява в стъклена епруветка с изваден край. Епруветка, окачена на нишка във вертикална цилиндрична пещ, бавно се спуска надолу. Изтегленият край постепенно излиза от фурната и се охлажда. Започва кристализация. Отначало се образуват няколко кристала, но тези, които растат настрани, се опират в стената на епруветката и растежът им се забавя. IN благоприятни условияще има само този кристал, който расте по оста на епруветката, т.е. дълбоко в стопилката. Докато епруветката се спуска, нови части от стопилката, навлизащи в областта на ниска температура, ще „захранят“ този монокристал. Следователно от всички кристали той е единственият, който оцелява; докато епруветката се спуска, тя продължава да расте по оста си. В крайна сметка целият разтопен метал се втвърдява в единичен кристал.

Същата идея е в основата на отглеждането на огнеупорни рубинени кристали. Фин прах от веществото се впръсква през пламъка. Праховете се стопяват; миниатюрни капки падат върху огнеупорна опора на много малка площ, образувайки множество кристали. Докато капките продължават да падат върху стойката, всички кристали растат, но отново расте само този, който е в най-благоприятната позиция да „поеме“ падащите капки.

За какво са необходими големи кристали?

Промишлеността и науката често се нуждаят от големи монокристали. Голямо значениеза технология имат кристали от Рошелска сол и кварц, които имат забележителното свойство да преобразуват механичните действия (например натиск) в електрическо напрежение.

Оптичната индустрия се нуждае от големи кристали от калцит, каменна сол, флуорит и др.

Часовникарската индустрия се нуждае от кристали от рубини, сапфири и някои други скъпоценни камъни. Факт е, че отделните движещи се части на обикновен часовник правят до 20 000 вибрации на час. Такова голямо натоварване поставя необичайно високи изисквания към качеството на върховете на осите и лагерите. Абразията ще бъде най-малка, когато лагерът за върха на оста с диаметър 0,07-0,15 mm е рубин или сапфир. Изкуствени кристалиТези вещества са много издръжливи и много малко се изтриват от стоманата. Забележително е, че изкуствените камъни се оказват по-добри от същите естествени камъни.

Най-голямо значение за индустрията обаче има отглеждането на полупроводникови монокристали - силиций и германий.

Ако промените налягането, точката на топене също ще се промени. Срещнахме същия модел, когато говорихме за кипене. Колкото по-високо е налягането; толкова по-висока е точката на кипене. Това обикновено важи и за топенето. Въпреки това, има малък брой вещества, които се държат аномално: тяхната точка на топене намалява с увеличаване на налягането.

Факт е, че по-голямата част от твърдите вещества са по-плътни от техните течни аналози. Изключение от това правило са точно тези вещества, чиято точка на топене се променя с промяна на налягането по необичаен начин, например вода. Ледът е по-лек от водата и точката на топене на леда намалява с увеличаване на налягането.

Компресията насърчава образуването на по-плътно състояние. Ако твърдото вещество е по-плътно от течността, компресията помага за втвърдяване и предотвратява топенето. Но ако топенето е затруднено от компресията, това означава, че веществото остава твърдо, докато преди това при тази температура то вече би се стопило, т.е. с увеличаване на налягането температурата на топене се повишава. В аномалния случай течността е по-плътна от твърдото вещество и налягането спомага за образуването на течността, т.е. понижава точката на топене.

Ефектът на налягането върху точката на топене е много по-малък от подобен ефект върху кипенето. Увеличаването на налягането с повече от 100 kgf/cm2 понижава точката на топене на леда с 1°C.

Защо кънките се плъзгат само по лед, но не и по също толкова гладък паркет? Очевидно единственото обяснение е образуването на вода, която смазва скейта. За да разберете възникналото противоречие, трябва да запомните следното: глупавите кънки се плъзгат много зле по леда. Кънките трябва да бъдат наточени, за да могат да режат лед. В този случай само върхът на ръба на кънката притиска леда. Натискът върху леда достига десетки хиляди атмосфери, но ледът все още се топи.

Когато казват „вещество се изпарява“, те обикновено имат предвид, че течността се изпарява. Но твърдите вещества също могат да се изпарят. Понякога изпаряването на твърди вещества се нарича сублимация.

Изпаряващо се твърдо вещество е например нафталинът. Нафталинът се топи при 80°C и се изпарява при стайна температура. Именно това свойство на нафталина позволява да се използва за унищожаване на молци.

Кожухът, покрит с нафталин, е наситен с нафталинови пари и създава атмосфера, която молците не понасят. Всяко миризливо твърдо вещество сублимира в значителна степен. В крайна сметка миризмата се създава от молекули, които се отделят от веществото и достигат до носа ни. Но по-чести са случаите, когато веществото сублимира в малка степен, понякога до степен, която не може да бъде открита дори при много внимателно изследване. По принцип всяко твърдо вещество (а това е всяко твърдо вещество, дори желязо или мед) се изпарява. Ако не открием сублимация, това означава само, че плътността на насищащата пара е много незначителна.

Можете да проверите, че редица вещества, които имат остър мирис при стайна температура, го губят при ниски температури.

Плътността на наситената пара в равновесие с твърдо вещество нараства бързо с повишаване на температурата. Ние илюстрираме това поведение с кривата на леда, показана на фиг. 4.10. Вярно е, че ледът не мирише...

Ориз. 4.10

В повечето случаи е невъзможно значително да се увеличи плътността на наситените пари на твърдо тяло по проста причина - веществото ще се стопи по-рано.

Ледът също се изпарява. Домакините, които ги оставят да съхнат в студено време, знаят това добре. мокро бельо„Водата първо замръзва, а след това ледът се изпарява, оставяйки прането сухо.

И така, има условия, при които пара, течност и кристал могат да съществуват по двойки в равновесие. Могат ли и трите състояния да бъдат в равновесие? Такава точка на диаграмата налягане-температура съществува, тя се нарича тройна. Къде е?

Ако поставите вода с плаващ лед в затворен съд при нула градуса, тогава водните (и „ледените“) пари ще започнат да текат в свободното пространство. При налягане на парите 4,6 mm Hg. Изкуство. изпарението ще спре и ще започне насищане. Сега трите фази - лед, вода и пара - ще бъдат в състояние на равновесие. Това е тройната точка.

Връзките между различните състояния са ясно и ясно показани от диаграмата за вода, показана на фиг. 4.11.

Ориз. 4.11

Такава диаграма може да се построи за всяко тяло.

Кривите на фигурата са ни познати - това са кривите на равновесието между лед и пара, лед и вода, вода и пара. Налягането се изобразява вертикално, както обикновено, температурата се изобразява хоризонтално.

Трите криви се пресичат в тройната точка и разделят диаграмата на три области - жизнените пространства на лед, вода и водна пара.

Диаграмата на състоянието е съкратена справка. Целта му е да отговори на въпроса какво състояние на тялото е стабилно при такова и такова налягане и такава и такава температура.

Ако водата или парата се поставят в условията на „лявата област“, ​​те ще се превърнат в лед. Ако добавите течност или твърдо вещество към „долната област“, ​​получавате пара. В „правилната област“ парата ще кондензира и ледът ще се стопи.

Диаграмата за съществуване на фаза ви позволява незабавно да отговорите какво ще се случи с дадено вещество при нагряване или компресиране. Нагряването при постоянно налягане е представено на диаграмата с хоризонтална линия. Точка, представяща състоянието на тялото, се движи по тази линия отляво надясно.

Фигурата показва две такива линии, едната от които се нагрява при нормално налягане. Правата лежи над тройната точка. Следователно първо ще пресече кривата на топене, а след това, извън чертежа, кривата на изпарение. Ледът при нормално налягане ще се стопи при температура 0°C, а получената вода ще заври при 100°C.

Ситуацията ще бъде различна за лед, нагрят при много високи температури. ниско налягане, да речем, малко под 5 mm Hg. Изкуство. Процесът на нагряване е изобразен с линия, минаваща под тройната точка. Кривите на топене и кипене не се пресичат с тази линия. При такова ниско налягане нагряването ще доведе до директен преход на лед в пара.

На фиг. 4.12, същата диаграма показва какво интересно явление ще се случи, когато водната пара се компресира в състояние, отбелязано с кръст на фигурата. Парата първо ще се превърне в лед и след това ще се стопи. Чертежът ви позволява незабавно да кажете при какво налягане кристалът ще започне да расте и кога ще настъпи топене.

Ориз. 4.12

Фазовите диаграми на всички вещества са подобни една на друга. Големи, от ежедневна гледна точка, разликите възникват поради факта, че местоположението на тройната точка на диаграмата може да бъде много различно за различните вещества.

В края на краищата ние съществуваме близо до „нормални условия“, тоест предимно при налягане, близко до една атмосфера. За нас е много важно как се намира тройната точка на веществото спрямо линията на нормалното налягане.

Ако налягането в тройната точка е по-малко от атмосферното, тогава за нас, живеещи в „нормални“ условия, веществото се класифицира като топящо се. С повишаване на температурата първо се превръща в течност и след това кипи.

В обратния случай - когато налягането в тройната точка е по-високо от атмосферното - няма да видим течност при нагряване, твърдото вещество директно ще се превърне в пара. Ето как се държи "сухият лед", което е много удобно за продавачите на сладолед. Брикетите от сладолед могат да се прехвърлят с парчета „сух лед“ и не се страхувайте, че сладоледът ще се намокри. "Сухият лед" е твърд въглероден диоксид C0 2. Тройната точка на това вещество е 73 atm. Следователно, когато твърд CO 2 се нагрява, точката, представяща неговото състояние, се движи хоризонтално, пресичайки само кривата на изпарение на твърдото вещество (същата като за обикновен ледпри налягане около 5 mm Hg. Изкуство.).

Вече разказахме на читателя как се определя един градус температура по скалата на Келвин или, както системата SI сега изисква да кажем, един келвин. Все пак говорихме за принципа на определяне на температурата. Не всички метрологични институти разполагат с идеални газови термометри. Следователно температурната скала се изгражда с помощта на равновесни точки, фиксирани от природата между различните състояния на материята.

Тройната точка на водата играе специална роля в това. Градус Келвин сега се определя като 273,16-та част от термодинамичната температура на тройната точка на водата. Приема се, че тройната точка на кислорода е 54,361 K. Температурата на втвърдяване на златото се приема, че е 1337,58 K. Използвайки тези опорни точки, можете точно да калибрирате всеки термометър.

Матовият черен мек графит, с който пишем, и лъскавият прозрачен твърд диамант за рязане на стъкло са изградени от едни и същи въглеродни атоми. Защо свойствата на тези две еднакви вещества са толкова различни?

Помислете за решетката на слоестия графит, всеки атом от който има три най-близки съседи, и решетката на диаманта, чийто атом има четири най-близки съседи. Този пример ясно показва, че свойствата на кристалите се определят от относителното разположение на атомите. Огнеупорните тигли са направени от графит, който издържа на температури до две до три хиляди градуса, а диамантът гори при температури над 700°C; плътността на диаманта е 3,5, а на графита - 2,3; графитът провежда електричество, диамант - не провежда и др.

Не само въглеродът има това свойство да произвежда различни кристали. Почти всеки химичен елемент, и не само елемент, но и всяко химично вещество, може да съществува в няколко разновидности. Има шест разновидности на лед, девет разновидности на сяра и четири разновидности на желязо.

Когато обсъждахме фазовата диаграма, не говорихме за различни видове кристали и начертахме единична област на твърдото тяло. И тази област за много вещества е разделена на секции, всяка от които съответства на определен „тип“ твърдо вещество или, както се казва, определена твърда фаза (определена кристална модификация).

Всяка кристална фаза има своя област на стабилно състояние, ограничена от определен диапазон от налягания и температури. Законите за превръщане на една кристална разновидност в друга са същите като законите на топенето и изпарението.

За всяко налягане можете да посочите температурата, при която двата вида кристали ще съществуват мирно. Ако увеличите температурата, кристал от един тип ще се превърне в кристал от втори тип. Ако намалите температурата, ще настъпи обратната трансформация.

За да стане червената сяра жълта при нормално налягане, е необходима температура под 110°C. Над тази температура, до точката на топене, редът на подреждане на атомите, характерен за червената сяра, е стабилен. Температурата пада, вибрациите на атомите намаляват и, започвайки от 110°C, природата намира по-удобно разположение на атомите. Има трансформация на един кристал в друг.

Никой не измисли имена за шест различни леда. Така се казва: лед едно, лед две, ...., лед седем. Какво ще кажете за седем, ако има само шест разновидности? Факт е, че лед четири не е открит по време на многократни експерименти.

Ако компресирате вода при температура близо до нулата, тогава при налягане от около 2000 atm се образува лед пет, а при налягане от около 6000 atm се образува лед шест.

Лед две и лед три са стабилни при температури под нула градуса.

Лед седем е горещ лед; възниква по време на компресия топла водадо налягане от около 20 000 атм.

Всеки лед, с изключение на обикновения, е по-тежък от водата. Ледът, произведен при нормални условия, се държи необичайно; напротив, ледът, получен при условия, различни от нормата, се държи нормално.

Казваме, че всяка кристална модификация се характеризира с определена област на съществуване. Но ако е така, как тогава графитът и диамантът съществуват при еднакви условия?

Такова „беззаконие“ се случва много често в света на кристалите. Способността да живеят в "чужди" условия е почти правило за кристалите. Ако за прехвърляне на пара или течност в чужди области на съществуване трябва да се прибягва до различни трикове, тогава кристалът, напротив, почти никога не може да бъде принуден да остане в границите, определени му от природата.

Прегряването и преохлаждането на кристалите се обяснява с трудността да се преобразува един ред в друг при изключително пренаселени условия. Жълтата сяра трябва да се превърне в червена сяра при 95,5°C. С повече или по-малко бързо нагряване ние ще „прескочим“ тази точка на трансформация и ще доведем температурата до точката на топене на сярата от 113°C.

Истинската температура на трансформация е най-лесна за откриване, когато кристалите влязат в контакт. Ако се поставят плътно един върху друг и температурата се поддържа 96°C, тогава жълтото ще бъде изядено от червеното, а при 95°C жълтото ще поеме червеното. За разлика от прехода „кристал-течност“, трансформациите „кристал-кристал“ обикновено се забавят както при преохлаждане, така и при прегряване.

В някои случаи имаме работа със състояния на материята, които трябва да живеят при напълно различни температури.

Белият калай трябва да стане сив, когато температурата падне до +13°C. Обикновено се занимаваме с бяла тенекия и знаем, че през зимата нищо не се прави с нея. Перфектно издържа на хипотермия от 20-30 градуса. Въпреки това, в сурови зимни условия, бялата тенекия се превръща в сива. Незнанието на този факт е едно от обстоятелствата, които провалят експедицията на Скот до Южния полюс (1912 г.). Течното гориво, взето от експедицията, беше в съдове, споени с калай. При силен студ белият калай се превръща в сив прах - съдовете се разпояват; и горивото се разля. Нищо чудно външния вид сиви петнавърху белия калай се нарича калаена чума.

Както при сярата, белият калай може да се превърне в сив при температури малко под 13°C; освен ако мъничко зърно от сивия сорт не падне върху ламаринен предмет.

Съществуването на няколко разновидности на едно и също вещество и забавянето на техните взаимни трансформации имат страхотна ценаза технология.

При стайна температура атомите на желязото образуват центрирана кубична решетка, в която атомите заемат позиции във върховете и в центъра на куба. Всеки атом има 8 съседа. При високи температури атомите на желязото образуват по-плътна „опаковка“ - всеки атом има 12 съседа. Желязото с 8 съседа е меко, желязото с 12 съседа е твърдо. Оказва се, че е възможно да се получи желязо от втория вид при стайна температура. Този метод - закаляване - се използва широко в металургията.

Закаляването се извършва много просто - метален предмет се нагрява до червено и след това се хвърля във вода или масло. Охлаждането се случва толкова бързо, че трансформацията на структура, която е стабилна при високи температури, няма време да се случи. По този начин високотемпературната структура ще съществува неограничено дълго време в необичайни за нея условия: прекристализацията в стабилна структура става толкова бавно, че е практически незабележима.

Когато говорим за закаляване на желязо, не бяхме съвсем точни. Стоманата е закалена, т.е. желязото, съдържащо части от процента въглерод. Наличието на много малки въглеродни примеси забавя превръщането на твърдото желязо в меко желязо и позволява втвърдяването. Що се отнася до напълно чисто желязо, тогава не може да се втвърди - трансформацията на структурата има време да се случи дори при най-бързото охлаждане.

В зависимост от вида на диаграмата на състоянието, променящото се налягане или температура се постига една или друга трансформация.

Много трансформации от кристал към кристал се наблюдават само при промени в налягането. По този начин се получава черен фосфор.

Ориз. 4.13

Беше възможно да се трансформира графит в диамант само чрез използване на висока температура и високо налягане едновременно. На фиг. Фигура 4.13 показва фазовата диаграма на въглерода. При налягане под десет хиляди атмосфери и при температури под 4000 K графитът е стабилна модификация. Така диамантът живее в „извънземни“ условия, така че може да се превърне в графит без особени затруднения. Но обратната задача е от практически интерес. Не е възможно графитът да се трансформира в диамант само чрез увеличаване на налягането. Фазовата трансформация в твърдо състояние очевидно е твърде бавна. Появата на фазовата диаграма подсказва правилното решение: увеличаване на налягането и топлината едновременно. След това получаваме (в десния ъгъл на диаграмата) разтопен въглерод. Охлаждането му при високо кръвно налягане, трябва да влезем в областта на диамантите.

Практическата възможност за такъв процес е доказана през 1955 г. и сега проблемът се счита за технически решен.

Ако намалите температурата на едно тяло, то рано или късно ще се втвърди и ще придобие кристална структура. Няма значение при какво налягане се случва охлаждането. Това обстоятелство изглежда напълно естествено и разбираемо от гледна точка на законите на физиката, с които вече се запознахме. Наистина, чрез понижаване на температурата, ние намаляваме интензивността на топлинното движение. Когато движението на молекулите стане толкова слабо, че вече не пречи на силите на взаимодействие между тях, молекулите ще се подредят в чист ред - те ще образуват кристал. По-нататъшното охлаждане ще отнеме цялата енергия на тяхното движение от молекулите и при абсолютна нула веществото трябва да съществува под формата на почиващи молекули, подредени в правилна решетка.

Опитът показва, че всички вещества се държат по този начин. Всичко с изключение на едно: хелият е такова „чудовище“.

Вече предоставихме на читателя малко информация за хелия. Хелият държи рекорда за своята критична температура. Никое вещество няма критична температура по-ниска от 4,3 К. Този рекорд обаче сам по себе си не означава нищо изненадващо. Друго нещо е поразително: охлаждайки хелий под критичната температура, достигайки почти абсолютната нула, няма да получим твърд хелий. Хелият остава течен дори при абсолютна нула.

Поведението на хелия е напълно необяснимо от гледна точка на законите на движение, които очертахме и е един от признаците за ограничената валидност на тези закони на природата, които изглеждаха универсални.

Ако едно тяло е течно, то неговите атоми са в движение. Но охлаждайки тялото до абсолютната нула, ние сме му отнели цялата енергия на движение. Трябва да признаем, че хелият има такава енергия на движение, която не може да бъде отнета. Това заключение е несъвместимо с механиката, която сме изучавали досега. Според тази механика, която изучавахме, движението на едно тяло винаги може да бъде забавено до пълно спиране, отнемайки цялата му кинетична енергия; по същия начин можете да спрете движението на молекулите, като отнемете енергията им, когато се сблъскат със стените на охладен съд. За хелий такава механика очевидно не е подходяща.

„Странното“ поведение на хелия е индикация за факт от голямо значение. За първи път се сблъскахме с невъзможността да приложим в света на атомите основните закони на механиката, установени от прякото изследване на движението на видимите тела - закони, които изглеждаха непоклатимата основа на физиката.

Фактът, че при абсолютна нула хелият „отказва“ да кристализира, не може по никакъв начин да се примири с механиката, която сме изучавали досега. Противоречието, с което се сблъскахме за първи път - неподчинението на света на атомите на законите на механиката - е само първата брънка във верига от още по-остри и драстични противоречия във физиката.

Тези противоречия водят до необходимостта от преразглеждане на основите на механиката на атомния свят. Тази ревизия е много дълбока и води до промяна в цялото ни разбиране за природата.

Необходимостта от радикална ревизия на механиката на атомния свят не означава, че трябва да сложим край на законите на механиката, които сме изучавали. Би било несправедливо да принуждаваме читателя да изучава ненужни неща. Старата механика е напълно валидна в света на големите тела. Само това е достатъчно, за да се отнасяме към съответните глави от физиката с пълно уважение. Но също така е важно редица закони на „старата“ механика да преминат в „новата“ механика. Това включва по-специално закона за запазване на енергията.

Наличието на „неотстранима“ енергия при абсолютната нула не е специално свойство на хелия. Оказа се; Всички вещества имат „нулева“ енергия.

Само в хелия тази енергия е достатъчна, за да попречи на атомите да образуват правилна кристална решетка.

Не мислете, че хелият не може да бъде в кристално състояние. За да кристализирате хелий, трябва само да увеличите налягането до около 25 atm. Охлаждането, извършено при по-високо налягане, ще доведе до образуването на твърд кристален хелий с напълно нормални свойства. Хелият образува гранецентрирана кубична решетка.

На фиг. Фигура 4.14 показва фазовата диаграма на хелия. Тя се различава рязко от диаграмите на всички други вещества по липсата на тройна точка. Кривите на топене и кипене не се пресичат.

Ориз. 4.14

И тази уникална диаграма на състоянието има още една особеност: има две различни хелиеви течности, каква е разликата между тях ще разберете малко по-късно.

За да регулирате налягането на изпарението, използвайте регулатора KVP, монтиран на смукателния тръбопровод след изпарителя (фиг. 6.13).

В допълнение към основната си функция, регулаторът на налягането на изпарение осигурява защита при силен спад на налягането на изпарение, за да се избегне замръзване на охладената вода в топлообменния път на изпарителите на водоохладителните агрегати.

Регулаторът работи по следния начин: когато налягането се повиши над зададеното налягане, регулаторът се отваря, а когато налягането падне под зададената стойност, се затваря. Контролният сигнал е само налягането на входа на регулатора.

В инсталации, които включват няколко изпарителя и работят при различни налягания на изпарение, регулаторът се монтира зад изпарителя, налягането в което е най-високо. За да се избегне кондензация на хладилния агент по време на спиране, на смукателния тръбопровод непосредствено след изпарителя е монтиран възвратен клапан с минимално налягане. При инсталации с паралелни изпарители и общ компресор регулаторът се монтира на смукателния тръбопровод за поддържане на еднакво налягане в изпарителите.

В допълнение към този тип регулатор, налягането на изпарението се стабилизира с помощта на електронни системи за управление на една или повече хладилни камери, шкафове и др., осигуряващи висока точност на поддържане на зададената температура (±0,5 K) в широк диапазон на хладилна мощност - от 10 до 100% от номиналната стойност.

8. Регулатори на производителността.

Регулаторите на капацитета (Фиг. 6.14) спомагат за адаптирането на хладилния капацитет на компресора към промените в топлинното натоварване на изпарителя в инсталации с много ниско зареждане с хладилен агент. Те избягват ниското смукателно налягане и ненужните стартирания.

С намаляването на топлинното натоварване на изпарителя налягането на засмукване пада, което води до вакуум във веригата, което води до риск от навлизане на влага в инсталацията. Когато смукателното налягане падне под зададената стойност, регулаторът се отваря, което кара определен обем горещи газове от нагнетателната тръба да преминат в смукателната тръба. В резултат на това налягането на засмукване се увеличава и капацитетът на охлаждане намалява. Регулаторът реагира само на налягането в смукателния тръбопровод, т.е. на изхода от него.

9. Пускови регулатори.

Стартовите регулатори ви позволяват да избегнете работа и стартиране на компресора, когато смукателното налягане е твърде високо, което се случва след продължително спиране на машината или след размразяване на изпарителя.

Стартовият регулатор KVL е вид регулатори на налягането на дросела „след себе си“. Поддържа постоянно налягане в смукателния тръбопровод между регулатора и компресора и разтоварва компресора при стартиране.

Налягането на входа на регулатора действа върху маншона отдолу и върху плочата на клапана отгоре. Тъй като ефективната площ на силфона е еквивалентна на площта на потока, входното налягане се неутрализира. Клапанната пластина се въздейства отдолу от изходното налягане (в картера), противодействайки на силата на опън на регулируемата пружина. Тези две сили са активни силирегулатор Когато регулираното налягане на изхода (картера) намалее, клапанът се отваря, позволявайки на парите на хладилния агент да навлязат в компресора. За хладилни агрегати с голям капацитет е възможна паралелна инсталация на стартови регулатори KVL. В този случай регулаторите се избират въз основа на условието за еднакъв спад на налягането във всеки тръбопровод и еквивалентна производителност.

Регулаторът се настройва на максимални стойности, без обаче да надвишава стойностите, препоръчани от производителя за компресора или компресорно-кондензационния агрегат. Регулирането се извършва според показанията на манометъра на смукателния тръбопровод на компресора.

Пусковият регулатор е монтиран на смукателния тръбопровод между изпарителя и компресора (фиг. 6.15).

Този регулатор осигурява възможност за свързване на линия за вземане на проби от пари през манометричен кран на входната тръба с диаметър на потока 1/4". При този метод на регулиране вземането на проби от пари се извършва "след себе си".

Изборът на стартов регулатор се определя от пет основни показателя:

Тип хладилен агент

Производителност на системата,

Проектно налягане на засмукване,

Максимално проектно налягане,

Падане на налягането в регулатора.

Разликата между проектното и максималното проектно смукателно налягане определя продължителността на отваряне на вентила. Падането на налягането на регулатора е важен фактор, тъй като загубата на налягане в смукателния тръбопровод влияе върху работата на машината. Следователно спадът на налягането в регулатора трябва да бъде сведен до минимум. Обикновено при нискотемпературни хладилни системи спадът на налягането е 3... 7 kPa. Максималният спад на налягането за повечето хладилни системи е 14 kPa.

Когато вентилът е отворен максимално, регулаторът, от една страна, осигурява максимална производителност, а от друга страна, причинява големи загуби на налягане, което намалява производителността на системата. Следователно спадът на налягането в регулатора трябва да бъде сведен до минимум.

17.10.2019

В руския сегмент бизнесът на Hoffmann-group процъфтява. Партньорите на групата компании успяват да увеличават обемите на продажбите в Руската федерация година след година.

17.10.2019

Пластмасата е практичен и евтин материал. Това определя широкото му използване в производството на вещи. Има обаче и своите недостатъци...

17.10.2019

Неръждаем металшироко използвани в различни области на промишлеността и строителството. Валцуваният метал и изделията от него се използват от корабостроенето и...

17.10.2019

Тел за плетене е строителни материалипод формата на тънка нишка, за производството на която се използва валцована нисковъглеродна стомана, подложена на...

17.10.2019

Корковите панели са изработени от естествен материал. За това се използва дъбова кора (корковият дъб расте в Северна Африка и в някои райони на Южна...

17.10.2019

Стопанска дейностчовешкото замърсяване често засилва процеса на естествена ерозия на почвата. Релефът постепенно се променя, създават се канали, посоката на реката, променят се канавки...

17.10.2019

Функциите на етикетите могат да варират. След поставянето на стикери върху продукта, те стават източник на информация за производителя и продукта и се използват като средство за промоция и...

От горните съображения става ясно, че точката на кипене на течността трябва да зависи от външното налягане. Наблюденията потвърждават това.

Колкото по-голямо е външното налягане, толкова по-висока е точката на кипене. Така в парен котел при налягане, достигащо 1,6 × 10 6 Pa, водата не кипи дори при температура 200 ° C. В лечебните заведения кипенето на вода в херметически затворени съдове - автоклави (фиг. 6.11) също се случва при повишено налягане. Следователно точката на кипене е значително по-висока от 100 °C. Автоклавите се използват за стерилизиране на хирургически инструменти, превързочни материали и др.

И обратното, като намаляваме външното налягане, по този начин намаляваме точката на кипене. Под звънеца на въздушна помпа можете да накарате водата да заври при стайна температура (фиг. 6.12). Докато изкачвате планини, атмосферното налягане намалява, следователно точката на кипене намалява. На надморска височина от 7134 m (връх Ленин в Памир) налягането е приблизително 4 10 4 Pa ​​​​(300 mm Hg). Там водата кипи при около 70 °C. При тези условия е невъзможно да се готви например месо.

Фигура 6.13 показва крива на точката на кипене на водата спрямо външното налягане. Лесно е да се разбере, че тази крива също е крива, изразяваща зависимостта на налягането на наситените водни пари от температурата.

Разлики в точките на кипене на течности

Всяка течност има своя точка на кипене. Разликата в точките на кипене на течностите се определя от разликата в налягането на техните наситени пари при една и съща температура. Например, етерните пари вече при стайна температура имат налягане, по-голямо от половината от атмосферното. Следователно, за да може налягането на етерните пари да стане равно на атмосферното налягане, е необходимо леко повишаване на температурата (до 35 ° C). В живака наситените пари имат много незначително налягане при стайна температура. Налягането на живачните пари става равно на атмосферното само при значително повишаване на температурата (до 357 ° C). При тази температура, ако външното налягане е 105 Pa, живакът кипи.

Разликата в точките на кипене на веществата се използва широко в технологиите, например при разделянето на петролни продукти. При нагряване на маслото първо се изпаряват неговите най-ценни, летливи части (бензин), които по този начин могат да бъдат отделени от „тежките“ остатъци (масла, мазут).

Течността кипи, когато налягането на наситените й пари се изравни с налягането вътре в течността.

§ 6.6. Топлина на изпарение

Необходима ли е енергия за превръщането на течността в пара? Вероятно да! Не е ли?

Отбелязахме (виж § 6.1), че изпарението на течност е придружено от нейното охлаждане. За да се поддържа непроменена температурата на изпаряващата се течност, е необходимо да се доставя топлина отвън. Разбира се, самата топлина може да бъде прехвърлена към течността от околните тела. Така водата в чашата се изпарява, но температурата на водата, малко по-ниска от температурата на околната среда, остава непроменена. Топлината се предава от въздух към вода, докато цялата вода се изпари.

За да се поддържа кипенето на вода (или друга течност), към нея трябва непрекъснато да се подава топлина, например чрез нагряване с горелка. В този случай температурата на водата и съда не се повишава, но всяка секунда се произвежда определено количество пара.

По този начин, за да се превърне течността в пара чрез изпаряване или чрез кипене, е необходима топлина. Количеството топлина, необходимо за превръщане на дадена маса течност в пара при същата температура, се нарича топлина на изпаряване на тази течност.

За какво се изразходва енергията, предоставена на тялото? На първо място, за увеличаване на вътрешната му енергия по време на прехода от течно към газообразно състояние: в крайна сметка това увеличава обема на веществото от обема на течността до обема на наситената пара. Следователно средното разстояние между молекулите се увеличава, а оттам и тяхната потенциална енергия.

Освен това, когато обемът на веществото се увеличава, се извършва работа срещу външни сили на натиск. Тази част от топлината на изпаряване при стайна температура обикновено е няколко процента от общата топлина на изпаряване.

Топлината на изпаряване зависи от вида на течността, нейната маса и температура. Зависимостта на топлината на изпаряване от вида на течността се характеризира със стойност, наречена специфична топлина на изпарение.

Специфичната топлина на изпаряване на дадена течност е съотношението на топлината на изпаряване на течност към нейната маса:

(6.6.1)

Където r- специфична топлина на изпаряване на течността; T- маса на течността; Q н- топлината му на изпарение. Единицата SI за специфична топлина на изпарение е джаул на килограм (J/kg).

Специфичната топлина на изпаряване на водата е много висока: 2,256·10 6 J/kg при температура 100 °C. За други течности (алкохол, етер, живак, керосин и др.) специфичната топлина на изпарение е 3-10 пъти по-малка.