Odată cu creșterea presiunii atmosferice, procesul de evaporare a unui lichid. Dependența punctului de fierbere al unui lichid de presiune

>>Fizica: Dependența presiunii vaporilor de saturație de temperatură. Fierbere

Lichidul nu doar se evaporă. Se fierbe la o anumită temperatură.
Presiunea vaporilor saturați în funcție de temperatură. Starea aburului saturat, după cum arată experiența (am vorbit despre asta în paragraful anterior), este aproximativ descrisă de ecuația de stare a unui gaz ideal (10.4), iar presiunea acestuia este determinată de formula

Pe măsură ce temperatura crește, presiunea crește. Deoarece Presiunea vaporilor saturați nu depinde de volum, prin urmare, depinde doar de temperatură.
Totuși, dependență r n.p. din T, găsit experimental, nu este direct proporțional, ca într-un gaz ideal la volum constant. Odată cu creșterea temperaturii, presiunea unui vapor saturat real crește mai repede decât presiunea unui gaz ideal ( fig.11.1, secțiunea curbei AB). Acest lucru devine evident dacă trasăm izocorele unui gaz ideal prin puncte AȘi ÎN(linii întrerupte). De ce se întâmplă asta?

Când un lichid este încălzit într-un vas închis, o parte din lichid se transformă în vapori. Ca urmare, conform formulei (11.1) presiunea vaporilor saturați crește nu numai din cauza creșterii temperaturii lichidului, ci și din cauza creșterii concentrației de molecule (densitatea) vaporilor.. Practic, creșterea presiunii odată cu creșterea temperaturii este determinată tocmai de creșterea concentrației. Principala diferență în comportamentul unui gaz ideal și al aburului saturat este că atunci când temperatura vaporilor dintr-un vas închis se modifică (sau când volumul se modifică la o temperatură constantă), masa vaporilor se modifică. Lichidul se transformă parțial în vapori sau, dimpotrivă, vaporii se condensează parțial. CU gaz ideal nu se intampla asa ceva.
Când tot lichidul s-a evaporat, vaporii vor înceta să fie saturati la încălzirea ulterioară, iar presiunea sa la volum constant va crește direct proporțional cu temperatura absolută (vezi Fig. fig.11.1, secțiunea curbei soare).
. Pe măsură ce temperatura lichidului crește, crește viteza de evaporare. În cele din urmă, lichidul începe să fiarbă. La fierbere, se formează bule de vapori cu creștere rapidă în volumul lichidului, care plutesc la suprafață. Punctul de fierbere al unui lichid rămâne constant. Acest lucru se datorează faptului că toată energia furnizată lichidului este cheltuită pentru a-l transforma în abur. În ce condiții începe fierberea?
Lichidul conține întotdeauna gaze dizolvate care sunt eliberate pe fundul și pereții vasului, precum și pe particulele de praf suspendate în lichid, care sunt centrele de vaporizare. Vaporii de lichid din interiorul bulelor sunt saturati. Pe măsură ce temperatura crește, presiunea vaporilor crește și bulele cresc în dimensiune. Sub acțiunea forței de plutire, ele plutesc în sus. Dacă straturile superioare ale lichidului au o temperatură mai scăzută, atunci vaporii se condensează în aceste straturi în bule. Presiunea scade rapid și bulele se prăbușesc. Prăbușirea este atât de rapidă încât pereții bulei, ciocnind, produc ceva ca o explozie. Multe dintre aceste microexplozii creează un zgomot caracteristic. Când lichidul se încălzește suficient, bulele încetează să se prăbușească și plutesc la suprafață. Lichidul va fierbe. Urmăriți cu atenție fierbătorul de pe aragaz. Veți descoperi că aproape că încetează să facă zgomot înainte de a fierbe.
Dependența presiunii vaporilor de saturație de temperatură explică de ce punctul de fierbere al unui lichid depinde de presiunea de pe suprafața acestuia. O bula de vapori poate crește atunci când presiunea vaporilor saturați din interiorul acesteia depășește ușor presiunea din lichid, care este suma presiunii aerului de la suprafața lichidului (presiunea exterioară) și presiunea hidrostatică a coloanei de lichid.
Să acordăm atenție faptului că evaporarea unui lichid are loc la temperaturi mai mici decât punctul de fierbere și numai de la suprafața lichidului; în timpul fierberii, formarea vaporilor are loc în întregul volum al lichidului.
Fierberea începe la o temperatură la care presiunea vaporilor de saturație din bule este egală cu presiunea din lichid.
Cu cât presiunea exterioară este mai mare, cu atât este mai mare punctul de fierbere. Deci, într-un cazan cu abur la o presiune care ajunge la 1,6 10 6 Pa, apa nu fierbe nici măcar la o temperatură de 200°C. În instituțiile medicale în vase închise ermetic - autoclave ( fig.11.2) apa fierbe si la presiune ridicata. Prin urmare, punctul de fierbere al lichidului este mult mai mare de 100°C. Autoclavele sunt folosite pentru sterilizarea instrumentelor chirurgicale etc.

Si invers, reducând presiunea externă, scădem astfel punctul de fierbere. Pompând aer și vapori de apă din balon, puteți face apa să fiarbă la temperatura camerei ( fig.11.3). Pe măsură ce urci munți, presiunea atmosferică scade, deci punctul de fierbere scade. La o altitudine de 7134 m (Vârful Lenin din Pamir), presiunea este de aproximativ 4 10 4 Pa ​​(300 mm Hg). Apa fierbe acolo la aproximativ 70°C. Este imposibil să gătești carne în aceste condiții.

Fiecare lichid are propriul punct de fierbere, care depinde de presiunea vaporilor saturați. Cu cât presiunea vaporilor saturați este mai mare, cu atât este mai scăzut punctul de fierbere al lichidului, deoarece la temperaturi mai scăzute presiunea vaporilor saturați devine egală cu presiunea atmosferică. De exemplu, la un punct de fierbere de 100 ° C, presiunea vaporilor de apă saturați este de 101.325 Pa (760 mm Hg), iar vaporii de mercur sunt de numai 117 Pa (0,88 mm Hg). Mercurul fierbe la 357°C la presiune normală.
Un lichid fierbe atunci când presiunea sa de vapori saturați devine egală cu presiunea din interiorul lichidului.

???
1. De ce crește punctul de fierbere odată cu creșterea presiunii?
2. De ce este esențial pentru fierbere să crească presiunea vaporilor saturați din bule, și nu să crească presiunea aerului prezent în acestea?
3. Cum se face un fierbere lichid prin răcirea vasului? (Aceasta este o întrebare dificilă.)

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizica clasa a 10-a

Dacă aveți corecții sau sugestii pentru această lecție,

Stările materiei

Nu este o combinație ciudată de cuvinte? Cu toate acestea, acest lucru nu este deloc o prostie: atât vaporii de fier, cât și aerul solid există în natură, dar nu sub conditii normale.

Despre ce condiții vorbim? Starea materiei este determinată de două circumstanțe: temperatura și presiunea.

Viața noastră se desfășoară în condiții relativ puțin schimbătoare. Presiunea aerului fluctuează cu câteva procente în jurul unei atmosfere; temperatura aerului, să zicem, în zona Moscovei se află în intervalul de la -30 la + 30 ° C; în scala de temperatură absolută, în care cea mai scăzută temperatură posibilă (-273 ° C) este considerată zero; acest interval va arăta mai puțin impresionant: 240-300 K, care este, de asemenea, doar ±10% din valoarea medie.

Este destul de firesc să fim obișnuiți cu aceste condiții obișnuite și, prin urmare, atunci când spunem adevăruri simple precum: „fierul este un corp solid, aerul este un gaz”, etc., uităm să adăugăm: „când conditii normale".

Dacă fierul este încălzit, mai întâi se topește și apoi se evaporă. Dacă aerul este răcit, mai întâi se va transforma într-un lichid, apoi se va solidifica.

Chiar dacă cititorul nu s-a întâlnit niciodată cu vapori de fier și aer solid, probabil că va crede cu ușurință că orice substanță, prin modificarea temperaturii, poate fi obținută în stare solidă, lichidă și gazoasă sau, după cum se spune, în stare solidă, lichidă. sau faze gazoase.

Este ușor să crezi în acest lucru, deoarece o singură substanță, fără de care viața pe Pământ ar fi imposibilă, toată lumea a observat atât sub formă de gaz, cât și sub formă de lichid și sub formă de corp solid. Desigur, vorbim despre apă.

Care sunt condițiile în care o substanță trece de la o stare la alta?

Dacă coborâm termometrul în apa care este turnată în ibric, pornim aragazul electric și monitorizăm mercurul termometrului, vom vedea următoarele: aproape imediat nivelul de mercur va crește. Sunt deja 90, 95, în sfârșit 100°C. Apa fierbe și, în același timp, se oprește creșterea mercurului. Apa a fiert de multe minute, dar nivelul de mercur nu se schimbă. Până când toată apa va fierbe, temperatura nu se va schimba (Fig. 4.1).

Orez. 4.1

Unde se duce căldura dacă temperatura apei nu se schimbă? Răspunsul este evident. Procesul de transformare a apei în abur necesită energie.

Să comparăm energia unui gram de apă și a unui gram de abur format din aceasta. Moleculele de vapori sunt mai îndepărtate decât moleculele de apă. Este clar că, din această cauză, energia potențială a apei va diferi de energia potențială a aburului.

Energia potențială a particulelor atrase scade pe măsură ce acestea se apropie una de cealaltă. Prin urmare, energia aburului este mai mare decât energia apei, iar transformarea apei în abur necesită energie. Acest exces de energie este comunicat de o sobă electrică la apa clocotită dintr-un ibric.

Energia necesară pentru a transforma apa în abur; numită căldură de vaporizare. Este nevoie de 539 de calorii pentru a transforma 1 g de apă în abur (aceasta este cifra pentru o temperatură de 100°C).

Dacă 539 cal ajunge la 1 g, atunci 18 * 539 \u003d 9700 cal vor fi cheltuiți pentru 1 mol de apă. Această cantitate de căldură trebuie consumată pentru a rupe legăturile intermoleculare.

Puteți compara această cifră cu cantitatea de muncă necesară pentru a rupe legăturile intramoleculare. Pentru a împărți 1 mol de vapori de apă în atomi, sunt necesare aproximativ 220.000 de calorii, adică de 25 de ori mai multă energie. Acest lucru demonstrează în mod direct slăbiciunea forțelor care leagă moleculele între ele, în comparație cu forțele care atrag atomii împreună într-o moleculă.

Punctul de fierbere al apei este de 100°C; s-ar putea crede că aceasta este o proprietate inerentă a apei, că apa, oriunde și în ce condiții se află, va fierbe întotdeauna la 100 ° C.

Dar nu este așa, iar locuitorii satelor de munte înalt știu bine acest lucru.

În apropierea vârfului Elbrusului se află o casă pentru turiști și o stație științifică. Începătorii se întreabă uneori „cât de greu este să fierbi un ou în apă clocotită” sau „de ce apa clocotită nu arde”. În aceste condiții, li se spune că apa fierbe în vârful Elbrusului deja la 82°C.

Ce se întâmplă aici? Ce factor fizic interferează cu fenomenul de fierbere? Care este semnificația altitudinii?

Acest factor fizic este presiunea care acționează pe suprafața lichidului. Nu este nevoie să urci în vârful muntelui pentru a verifica validitatea celor spuse.

Punând apă încălzită sub clopot și pompând aer înăuntru sau din el, se poate convinge că punctul de fierbere crește odată cu creșterea presiunii și scade odată cu descreșterea presiunii.

Apa fierbe la 100°C doar la o anumită presiune - 760 mm Hg. Artă. (sau 1 atm).

Curba punctului de fierbere în funcție de presiune este prezentată în fig. 4.2. În vârful Elbrusului, presiunea este de 0,5 atm, iar această presiune corespunde unui punct de fierbere de 82 ° C.

Orez. 4.2

Dar apa care fierbe la 10-15 mm Hg. Art., te poți împrospăta pe vreme caldă. La această presiune, punctul de fierbere va scădea la 10-15°C.

Puteți obține chiar și „apă clocotită”, care are temperatura apei de îngheț. Pentru a face acest lucru, va trebui să reduceți presiunea la 4,6 mm Hg. Artă.

O imagine interesantă poate fi observată dacă plasați un vas deschis cu apă sub clopot și pompați aerul. Pomparea va face apa să fiarbă, dar fierberea necesită căldură. Nu există de unde să o ia, iar apa va trebui să renunțe la energia ei. Temperatura apei clocotite va începe să scadă, dar pe măsură ce pomparea continuă, la fel va crește și presiunea. Prin urmare, fierberea nu se va opri, apa va continua să se răcească și în cele din urmă va îngheța.

O astfel de fierbere apă rece apare nu numai la pomparea aerului. De exemplu, atunci când elicea unei nave se rotește, presiunea dintr-un strat de apă care se mișcă rapid lângă o suprafață metalică scade brusc și apa din acest strat fierbe, adică în el apar numeroase bule pline cu abur. Acest fenomen se numește cavitație (din latinescul cavitas - cavitate).

Scăzând presiunea, coborâm punctul de fierbere. Ce zici de mărirea lui? Un grafic ca al nostru răspunde la această întrebare. O presiune de 15 atm poate întârzia fierberea apei, aceasta va începe doar la 200°C, iar o presiune de 80 atm va face apa să fiarbă doar la 300°C.

Deci, o anumită presiune externă corespunde unui anumit punct de fierbere. Dar această afirmație poate fi și „întoarsă”, spunând astfel: fiecărui punct de fierbere al apei îi corespunde propria presiune specifică. Această presiune se numește presiunea vaporilor.

Curba care descrie punctul de fierbere în funcție de presiune este, de asemenea, curba presiunii vaporilor în funcție de temperatură.

Cifrele reprezentate pe un grafic al punctului de fierbere (sau grafic al presiunii vaporilor) arată că presiunea vaporilor se modifică foarte rapid odată cu temperatura. La 0°C (adică 273 K), presiunea vaporilor este de 4,6 mm Hg. Art., la 100 ° C (373 K) este egal cu 760 mm Hg. Art., adică crește de 165 de ori. Când temperatura se dublează (de la 0 ° C, adică 273 K, la 273 ° C, adică 546 K), presiunea vaporilor crește de la 4,6 mm Hg. Artă. până la aproape 60 atm, adică de aproximativ 10.000 de ori.

Prin urmare, dimpotrivă, punctul de fierbere se modifică destul de lent cu presiunea. Când presiunea se dublează de la 0,5 atm la 1 atm, punctul de fierbere crește de la 82°C (355 K) la 100°C (373 K) și când presiunea se dublează de la 1 la 2 atm, de la 100°C (373 K) la 120°C (393 K).

Aceeași curbă pe care o luăm în considerare acum controlează și condensarea (îngroșarea) aburului în apă.

Aburul poate fi transformat în apă fie prin compresie, fie prin răcire.

Atât în ​​timpul fierberii, cât și în timpul condensului, punctul nu se va deplasa din curbă până când conversia aburului în apă sau a apei în abur este completă. Aceasta poate fi formulată și astfel: în condițiile curbei noastre și numai în aceste condiții, este posibilă coexistența lichidului și a vaporilor. Dacă în același timp nu se adaugă sau se ia căldură, atunci cantitățile de vapori și lichid dintr-un vas închis vor rămâne neschimbate. Se spune că astfel de vapori și lichide sunt în echilibru, iar un vapor în echilibru cu lichidul său se spune că este saturat.

Curba de fierbere și condensare, după cum vedem, are o altă semnificație: este curba de echilibru a lichidului și vaporilor. Curba de echilibru împarte câmpul diagramei în două părți. La stânga și în sus (spre temperaturi mai ridicate și presiuni mai scăzute) se află regiunea stării de echilibru a aburului. În dreapta și în jos - regiunea stării stabile a lichidului.

Curba de echilibru vapori-lichid, adică dependența punctului de fierbere de presiune sau, ceea ce este același, presiunea vaporilor de temperatură, este aproximativ aceeași pentru toate lichidele. În unele cazuri, schimbarea poate fi oarecum mai bruscă, în altele - oarecum mai lentă, dar întotdeauna presiunea vaporilor crește rapid odată cu creșterea temperaturii.

Am folosit de multe ori cuvintele „gaz” și „abur”. Aceste două cuvinte sunt aproape la fel. Putem spune: apa gazoasă este vaporii de apă, oxigenul gazos este vaporii unui oxigen lichid. Cu toate acestea, s-a dezvoltat un anumit obicei în utilizarea acestor două cuvinte. Deoarece suntem obișnuiți cu un anumit interval de temperatură relativ mic, de obicei aplicăm cuvântul „gaz” acelor substanțe a căror presiune de vapori la temperaturi obișnuite este peste presiunea atmosferică. Dimpotrivă, vorbim de un vapor când, la temperatura camerei și presiunea atmosferică, substanța este mai stabilă sub formă de lichid.

Fierberea este un proces rapid, iar de la fierberea apei pt Pe termen scurt nu rămâne nicio urmă, se transformă în abur.

Dar există un alt fenomen de transformare a apei sau a altui lichid în abur - aceasta este evaporarea. Evaporarea are loc la orice temperatură, indiferent de presiune, care în condiții normale este întotdeauna apropiată de 760 mm Hg. Artă. Evaporarea, spre deosebire de fierbere, este un proces foarte lent. Sticla de colonie pe care am uitat să o închidem va fi goală în câteva zile; mai mult timp va sta o farfurie cu apă, dar mai devreme sau mai târziu se va dovedi uscată.

Aerul joacă un rol important în procesul de evaporare. În sine, nu împiedică evaporarea apei. De îndată ce deschidem suprafața lichidului, moleculele de apă vor începe să se deplaseze în cel mai apropiat strat de aer.

Densitatea vaporilor din acest strat va crește rapid; după un timp scurt, presiunea vaporilor va deveni egală cu elasticitatea caracteristică temperaturii mediului. În acest caz, presiunea vaporilor va fi exact aceeași ca în absența aerului.

Trecerea vaporilor în aer nu înseamnă, desigur, o creștere a presiunii. Presiunea totală în spațiul de deasupra suprafeței apei nu crește, crește doar ponderea din această presiune care este preluată de abur și, în consecință, scade proporția de aer care este deplasată de abur.

Deasupra apei este abur amestecat cu aer, deasupra sunt straturi de aer fara abur. Se vor amesteca inevitabil. Vaporii de apă se vor deplasa continuu în straturi mai înalte, iar în locul său, aerul va curge în stratul inferior, care nu conține molecule de apă. Prin urmare, în stratul cel mai apropiat de apă, locurile vor fi întotdeauna eliberate pentru noi molecule de apă. Apa se va evapora continuu, menținând presiunea vaporilor de apă la suprafață egală cu elasticitatea, iar procesul va continua până când apa s-a evaporat complet.

Am început cu exemplul de apă de colonie și apă. Este bine cunoscut faptul că se evaporă cu viteze diferite. Eterul se evaporă excepțional de repede, alcoolul destul de repede și apa mult mai încet. Vom înțelege imediat care este problema dacă găsim în cartea de referință valorile presiunii de vapori a acestor lichide, să zicem, la temperatura camerei. Iată cifrele: eter - 437 mm Hg. Art., alcool - 44,5 mm Hg. Artă. și apă - 17,5 mm Hg. Artă.

Cu cât elasticitatea este mai mare, cu atât sunt mai mulți vapori în stratul de aer adiacent și cu atât lichidul se evaporă mai repede. Știm că presiunea vaporilor crește odată cu temperatura. Este clar de ce viteza de evaporare crește odată cu încălzirea.

Viteza de evaporare poate fi influențată și în alt mod. Dacă vrem să ajutăm la evaporare, trebuie să îndepărtăm rapid vaporii din lichid, adică să grăbim amestecarea aerului. De aceea, evaporarea este foarte accelerată prin suflarea lichidului. Apa, deși are o presiune de vapori relativ mică, va dispărea destul de repede dacă farfuria este plasată în vânt.

Este de înțeles, așadar, de ce un înotător care iese din apă simte frig în vânt. Vântul accelerează amestecarea aerului cu aburul și, prin urmare, accelerează evaporarea, iar căldura pentru evaporare este forțată să renunțe la corpul uman.

Bunăstarea unei persoane depinde dacă în aer există o mulțime sau puțini vapori de apă. Atât aerul uscat, cât și cel umed sunt neplăcute. Umiditatea este considerată normală când este de 60%. Aceasta înseamnă că densitatea vaporilor de apă este de 60% din densitatea vaporilor de apă saturati la aceeași temperatură.

Dacă aerul umed este răcit, atunci în cele din urmă presiunea vaporilor de apă din el va fi egală cu presiunea vaporilor la această temperatură. Aburul va deveni saturat și, pe măsură ce temperatura scade și mai mult, va începe să se condenseze în apă. Roua dimineții, iarba și frunzele hidratante, apare doar din cauza acestui fenomen.

La 20°C, densitatea vaporilor de apă saturați este de aproximativ 0,00002 g/cm3. Ne vom simți bine dacă aerul conține 60% din acest număr de vapori de apă - ceea ce înseamnă doar puțin mai mult de o sută de miimi de gram în 1 cm 3.

Deși această cifră este mică, va duce la cantități impresionante de abur pentru o cameră. Este ușor de calculat că într-o cameră de dimensiuni medii, cu o suprafață de 12 m 2 și o înălțime de 3 m, aproximativ un kilogram de apă se poate „încadra” sub formă de abur saturat.

Deci, dacă închideți ermetic o astfel de cameră și puneți un butoi deschis cu apă, atunci un litru de apă se va evapora, indiferent de capacitatea butoiului.

Este interesant să comparăm acest rezultat pentru apă cu cifrele corespunzătoare pentru mercur. La aceeași temperatură de 20°C, densitatea vaporilor saturați de mercur este de 10 -8 g/cm 3 .

În camera despre care tocmai am discutat, nu va încăpea mai mult de 1 g de vapori de mercur.

Apropo, vaporii de mercur sunt foarte toxici, iar 1 g de vapori de mercur poate dăuna grav sănătății oricărei persoane. Când lucrați cu mercur, trebuie să aveți grijă ca nici cea mai mică picătură de mercur să nu se reverse.

Cum se transformă gazul în lichid? Graficul de fierbere răspunde la această întrebare. Puteți transforma un gaz într-un lichid fie prin scăderea temperaturii, fie prin creșterea presiunii.

În secolul al XIX-lea, creșterea presiunii părea mai ușoară decât scăderea temperaturii. La începutul acestui secol, marele fizician englez Michael Farada a reușit să comprima gazele la valorile presiunii vaporilor și să transforme în acest fel multe gaze (clor, dioxid de carbon etc.) în lichid.

Cu toate acestea, unele gaze - hidrogen, azot, oxigen - nu se pretau la lichefiere. Oricât de mult a crescut presiunea, acestea nu s-au transformat într-un lichid. S-ar fi putut crede că oxigenul și alte gaze nu pot fi lichide. Au fost clasificate drept gaze adevărate sau permanente.

De fapt, eșecurile au fost cauzate de o înțelegere greșită a unei circumstanțe importante.

Luați în considerare un lichid și un vapor în echilibru și luați în considerare ce se întâmplă cu ele pe măsură ce punctul de fierbere crește și, desigur, pe măsură ce presiunea crește în consecință. Cu alte cuvinte, imaginați-vă că un punct din graficul de fierbere se mișcă în sus de-a lungul curbei. Este clar că lichidul se extinde odată cu creșterea temperaturii și densitatea acestuia scade. Cât despre abur, o creștere a punctului de fierbere? desigur, contribuie la expansiunea sa, dar, așa cum am spus deja, presiunea vaporilor de saturație crește mult mai repede decât punctul de fierbere. Prin urmare, densitatea vaporilor nu scade, ci, dimpotrivă, crește rapid odată cu creșterea punctului de fierbere.

Deoarece densitatea lichidului scade, iar densitatea vaporilor crește, atunci, deplasându-ne „în sus” de-a lungul curbei de fierbere, vom ajunge inevitabil într-un punct în care densitățile lichidului și vaporilor devin egale (Fig. 4.3).

Orez. 4.3

În acest punct remarcabil, numit punct critic, curba de fierbere se termină. Deoarece toate diferențele dintre gaz și lichid se datorează diferenței de densitate, în punctul critic proprietățile lichidului și ale gazului devin aceleași. Fiecare substanță are propria sa temperatură critică și propria sa presiune critică. Astfel, pentru apă, punctul critic corespunde unei temperaturi de 374°C și unei presiuni de 218,5 atm.

Dacă comprimați un gaz a cărui temperatură este sub cea critică, atunci procesul de comprimare a acestuia va fi reprezentat de o săgeată care traversează curba de fierbere (Fig. 4.4). Aceasta înseamnă că în momentul atingerii unei presiuni egale cu presiunea vaporilor (punctul de intersecție al săgeții cu curba de fierbere), gazul va începe să se condenseze într-un lichid. Dacă vasul nostru ar fi transparent, atunci în acest moment am vedea începutul formării unui strat de lichid la fundul vasului. La presiune constantă, stratul de lichid va crește până când, în cele din urmă, tot gazul se va transforma într-un lichid. Comprimarea ulterioară va necesita o creștere a presiunii.

Orez. 4.4

Situația este complet diferită atunci când gazul este comprimat, a cărui temperatură este mai mare decât cea critică. Procesul de compresie poate fi din nou descris ca o săgeată care merge de jos în sus. Dar acum această săgeată nu traversează curba de fierbere. Aceasta înseamnă că în timpul compresiei, vaporii nu se vor condensa, ci doar se vor condensa continuu.

La o temperatură peste cea critică, existența unui lichid și a unui gaz separate printr-o interfață este imposibilă: Când este comprimată la orice densitate, o substanță omogenă se va afla sub piston și este greu de spus când poate fi numită o gaz şi când poate fi numit lichid.

Prezența unui punct critic arată că nu există o diferență fundamentală între starea lichidă și cea gazoasă. La prima vedere, ar putea părea că nu există o astfel de diferență fundamentală doar când vorbim temperaturi peste critice. Acesta, însă, nu este cazul. Existența unui punct critic indică posibilitatea transformării unui lichid - un lichid real care poate fi turnat într-un pahar - într-o stare gazoasă fără nicio aparență de fierbere.

Această cale de transformare este prezentată în Fig. 4.4. Lichidul cunoscut este marcat cu o cruce. Daca scadeti putin presiunea (sageata in jos), va fierbe, va fierbe daca cresteti putin temperatura (sageata in dreapta). Dar vom face cu totul altceva.Vom comprima lichidul foarte puternic, la o presiune peste cea critică. Punctul care reprezintă starea lichidului va merge vertical în sus. Apoi încălzim lichidul - acest proces este reprezentat de o linie orizontală. Acum, după ce ne-am găsit în dreapta temperaturii Critice, vom scădea presiunea la cea inițială. Dacă acum reducem temperatura, atunci putem obține cel mai real abur, care ar putea fi obținut din acest lichid într-un mod mai simplu și mai scurt.

Astfel, este întotdeauna posibil, prin variarea presiunii și temperaturii pentru a ocoli punctul critic, să se obțină vapori prin tranziție continuă de la lichid sau lichid din vapori. O astfel de tranziție continuă nu necesită fierbere sau condensare.

Încercările timpurii de a lichefia gaze precum oxigenul, azotul, hidrogenul au eșuat, deoarece nu se știa despre existență. temperatura critica. Aceste gaze au temperaturi critice foarte scăzute: azotul are -147°C, oxigenul are -119°C, hidrogenul are -240°C sau 33 K. Deținătorul recordului este heliul, temperatura sa critică este de 4,3 K. Transformă aceste gaze în lichidul se poate face doar într-un singur fel - este necesar să se reducă temperatura lor sub cea specificată.

O scădere semnificativă a temperaturii poate fi realizată în diferite moduri. Dar ideea tuturor metodelor este aceeași: trebuie să forțăm corpul pe care vrem să-l răcim să-și consume energia internă.

Cum să o facă? O modalitate este de a face lichidul să fiarbă fără a furniza căldură din exterior. Pentru a face acest lucru, după cum știm, este necesar să reduceți presiunea - să o reduceți la valoarea presiunii vaporilor. Căldura consumată pentru fierbere va fi împrumutată din lichid și din temperatura lichidului și a vaporilor, iar odată cu aceasta presiunea vaporilor va scădea. Prin urmare, pentru ca fierberea să nu se oprească și să aibă loc mai repede, aerul trebuie pompat în mod continuu din vas cu lichidul.

Cu toate acestea, există o limită a scăderii temperaturii în timpul acestui proces: presiunea vaporilor devine în cele din urmă complet nesemnificativă și chiar și cele mai puternice pompe de pompare nu pot crea presiunea necesară.

Pentru a continua scăderea temperaturii, este posibil, prin răcirea gazului cu lichidul rezultat, să îl transformi într-un lichid cu un punct de fierbere mai mic.

Acum procesul de pompare poate fi repetat cu a doua substanță și astfel se pot obține temperaturi mai scăzute. Dacă este necesar, o astfel de metodă „în cascadă” pentru obținerea temperaturilor scăzute poate fi extinsă.

Este exact ceea ce au făcut ei la sfârșitul secolului trecut; lichefierea gazelor s-a realizat în etape: etilena, oxigenul, azotul, hidrogenul, substanțele cu puncte de fierbere de -103, -183, -196 și -253°C, au fost transformate succesiv în lichid. Având hidrogen lichid, puteți obține și cel mai scăzut lichid de fierbere - heliu (-269 ° C). Vecinul din „stânga” a ajutat să-l prindă pe vecinul din „dreapta”.

Metoda de răcire în cascadă are aproape o sută de ani. În 1877 se obținea aer lichid prin această metodă.

În 1884-1885. hidrogenul lichid a fost produs pentru prima dată. În cele din urmă, după încă douăzeci de ani, a fost luată ultima fortăreață: în 1908, Kamerling-Onnes din orașul Leiden din Olanda a transformat heliul într-un lichid - o substanță cu cea mai scăzută temperatură critică. Recent a fost sărbătorită cea de-a 70-a aniversare a acestei importante realizări științifice.

Timp de mulți ani, Laboratorul din Leiden a fost singurul laborator „la temperatură joasă”. Acum în toate țările există zeci de astfel de laboratoare, ca să nu mai vorbim de plante care produc aer lichid, azot, oxigen și heliu în scopuri tehnice.

Metoda în cascadă pentru obținerea temperaturilor scăzute este acum rar folosită. În instalațiile tehnice, pentru a scădea temperatura, se folosește o altă metodă de scădere a energiei interne a gazului: gazul este forțat să se extindă rapid și să efectueze lucrări în detrimentul energiei interne.

Dacă, de exemplu, aerul comprimat în mai multe atmosfere este introdus într-un expandor, atunci când se efectuează munca de mișcare a pistonului sau de rotire a turbinei, aerul se va răci atât de puternic încât se va transforma într-un lichid. Dioxidul de carbon, dacă este eliberat rapid din cilindru, se răcește atât de puternic încât se transformă în „gheață” din zbor.

Gazele lichide sunt utilizate pe scară largă în inginerie. Oxigenul lichid este utilizat în tehnologia explozivă ca componentă a amestecului de combustibil din motoarele cu reacție.

Lichefierea aerului este folosită în inginerie pentru a separa gazele care alcătuiesc aerul.

În diferite domenii ale tehnologiei, este necesar să se lucreze la temperatura aerului lichid. Dar pentru multe studii fizice, această temperatură nu este suficient de scăzută. Într-adevăr, dacă convertim grade Celsius în scară absolută, atunci vom vedea că temperatura aerului lichid este de aproximativ 1/3 din temperatura camerei. Mult mai interesante pentru fizică sunt temperaturile „hidrogenului”, adică temperaturile de ordinul a 14-20 K, și mai ales temperaturile „heliului”. Cea mai scăzută temperatură obținută atunci când heliul lichid este pompat este de 0,7 K.

Fizicienii au reușit să se apropie mult mai mult de zero absolut. În prezent, s-au obţinut temperaturi care depăşesc zero absolut cu doar câteva miimi de grad. Cu toate acestea, aceste temperaturi ultra-scăzute sunt obținute în moduri care nu sunt similare cu cele pe care le-am descris mai sus.

În ultimii ani, fizica temperaturii joase a dat naștere unei ramuri speciale a industriei angajată în producția de aparate care face posibilă menținerea unor volume mari la o temperatură apropiată de zero absolut; Au fost dezvoltate cabluri de alimentare ale căror bare colectoare funcționează la o temperatură mai mică de 10 K.

La trecerea punctului de fierbere, vaporii trebuie să se condenseze, să se transforme într-un lichid. In orice caz,; Se dovedește că dacă vaporii nu intră în contact cu lichidul și dacă vaporii sunt foarte puri, atunci este posibil să se obțină vapori suprarăciți sau suprasaturați - un vapor care ar fi trebuit să devină lichid cu mult timp în urmă.

Aburul suprasaturat este foarte instabil. Uneori, o împingere sau un grăunte de abur aruncat în spațiu este suficient pentru a începe o condensare întârziată.

Experiența arată că condensarea moleculelor de vapori este mult facilitată de introducerea de particule străine mici în vapori. În aerul prăfuit, suprasaturarea vaporilor de apă nu are loc. Poate provoca condens cu pufături de fum. La urma urmei, fumul este format din particule solide mici. Intrând în abur, aceste particule colectează molecule în jurul lor și devin centre de condensare.

Deci, deși instabil, aburul poate exista în intervalul de temperatură adaptat pentru „viața” lichidului.

Poate un lichid să „trăiască” în regiunea vaporilor în aceleași condiții? Cu alte cuvinte, este posibil să supraîncălzim un lichid?

Se dovedește că poți. Pentru a face acest lucru, este necesar să vă asigurați că moleculele lichidului nu se desprind de suprafața acestuia. Remediul radical este eliminarea suprafeței libere, adică plasarea lichidului într-un vas unde ar fi comprimat pe toate părțile de pereții solizi. În acest fel, este posibil să se realizeze o supraîncălzire de ordinul mai multor grade, adică să se deplaseze punctul care reprezintă starea lichidelor la dreapta curbei de fierbere (Fig. 4.4).

Supraîncălzirea este o deplasare a unui lichid într-o regiune de vapori, astfel încât supraîncălzirea unui lichid poate fi realizată atât prin furnizarea de căldură, cât și prin reducerea presiunii.

Ultima modalitate prin care poți obține rezultate uimitoare. Apa sau alt lichid, eliberat cu grijă de gazele dizolvate (acest lucru nu este ușor de făcut), este plasat într-un vas cu un piston care ajunge la suprafața lichidului. Vasul și pistonul trebuie umezite cu lichid. Dacă acum trageți pistonul spre dvs., atunci apa aderată la partea inferioară a pistonului îl va urma. Dar stratul de apă, agățat de piston, va trage următorul strat de apă, acest strat îl va trage pe cel de la bază, ca urmare, lichidul se va întinde.

În final, coloana de apă se va rupe (este coloana de apă, și nu apa, cea care se va desprinde de pe piston), dar acest lucru se va întâmpla atunci când forța pe unitatea de suprafață ajunge la zeci de kilograme. Cu alte cuvinte, în lichid se creează o presiune negativă de zeci de atmosfere.

Chiar și la presiuni pozitive scăzute, starea de vapori a materiei este stabilă. Un lichid poate fi adus la o presiune negativă. Nu vă puteți imagina un exemplu mai izbitor de „supraîncălzire”.

Nu există un astfel de corp solid care să reziste la creșterea temperaturii atât cât este necesar. Mai devreme sau mai târziu o bucată solidă se transformă într-un lichid; corect, în unele cazuri nu vom putea ajunge la punctul de topire – poate apărea descompunerea chimică.

Pe măsură ce temperatura crește, moleculele se mișcă din ce în ce mai repede. În cele din urmă, vine un moment în care menținerea ordinii „între moleculele puternic” oscilante „devine imposibilă. Solidul se topește. Tungstenul are cel mai înalt punct de topire: 3380 ° C. Aurul se topește la 1063 ° C, fierul la 1539 ° C. Cu toate acestea, există sunt metale cu punct de topire scăzut.Mercurul, așa cum este bine cunoscut, se topește deja la o temperatură de -39 ° C. Substanțele organice nu au puncte de topire ridicate. Naftalina se topește la 80 ° C, toluenul - la -94,5 ° C.

Nu este deloc dificil de măsurat punctul de topire al unui corp, mai ales dacă acesta se topește în intervalul de temperatură care se măsoară cu un termometru obișnuit. Nu este deloc necesar să urmăriți corpul care se topește cu ochii. Este suficient să te uiți la coloana de mercur a termometrului. Până la începutul topirii, temperatura corpului crește (Fig. 4.5). De îndată ce începe topirea, creșterea temperaturii se oprește și temperatura va rămâne neschimbată până la finalizarea procesului de topire.

Orez. 4.5

La fel ca transformarea unui lichid în vapori, transformarea unui solid într-un lichid necesită căldură. Căldura necesară pentru aceasta se numește căldură latentă de fuziune. De exemplu, topirea unui kilogram de gheață necesită 80 kcal.

Gheața este unul dintre corpurile cu o căldură mare de fuziune. Topirea gheții necesită, de exemplu, de 10 ori mai multă energie decât topirea aceleiași mase de plumb. Desigur, vorbim despre topirea în sine, nu spunem aici că înainte de a începe topirea plumbului, acesta trebuie încălzit la + 327 ° C. Din cauza căldurii mari a gheții care se topește, topirea zăpezii încetinește. Imaginați-vă că căldura de topire ar fi de 10 ori mai mică. Apoi inundațiile de primăvară ar aduce în fiecare an dezastre de neimaginat.

Deci, căldura de topire a gheții este mare, dar este și mică în comparație cu căldura specifică de vaporizare de 540 kcal/kg (de șapte ori mai puțin). Cu toate acestea, această diferență este destul de naturală. La transformarea unui lichid în vapori, trebuie să rupem moleculele una de alta, iar la topire, nu trebuie decât să distrugem ordinea în aranjarea moleculelor, lăsându-le la aproape aceleași distanțe. Este clar că este nevoie de mai puțină muncă în al doilea caz.

Prezența unui anumit punct de topire este o caracteristică importantă a substanțelor cristaline. Pe această bază sunt ușor de distins de alte solide, numite amorfe sau sticle. Ochelarii se găsesc atât printre anorganici, cât și printre materie organică. Geamurile ferestrelor sunt de obicei fabricate din silicați de sodiu și calciu; pe birou se pune adesea sticlă organică (se mai numește și plexiglas).

Substanțele amorfe, spre deosebire de cristale, nu au un punct de topire definit. Sticla nu se topește, ci se înmoaie. Când este încălzită, o bucată de sticlă devine mai întâi moale din tare, poate fi ușor îndoită sau întinsă; la o temperatură mai mare, piesa începe să-și schimbe forma sub influența propriei gravitații. Pe măsură ce se încălzește, masa vâscoasă groasă de sticlă ia forma vasului în care se află. Această masă este la început groasă, ca mierea, apoi ca smântâna și, în cele din urmă, devine aproape la fel de lichid cu vâscozitate scăzută ca apa. Cu toată dorința noastră, nu putem indica aici o temperatură specifică pentru trecerea unui solid la un lichid. Motivele pentru aceasta constă în diferența fundamentală dintre structura sticlei și structura corpurilor cristaline. După cum sa menționat mai sus, atomii din corpurile amorfe sunt aranjați aleatoriu. Paharele în structură seamănă cu lichidele. Chiar și în sticlă solidă, moleculele sunt aranjate aleatoriu. Aceasta înseamnă că o creștere a temperaturii sticlei nu face decât să mărească gama de vibrații ale moleculelor sale, oferindu-le treptat din ce în ce mai multă libertate de mișcare. Prin urmare, sticla se înmoaie treptat și nu prezintă o tranziție ascuțită „solid” - „lichid”, care este caracteristică trecerii de la aranjarea moleculelor într-o ordine strictă la un aranjament aleatoriu.

Când a venit vorba de curba de fierbere, am spus că lichidul și vaporii pot, deși într-o stare instabilă, să trăiască în regiuni străine - vaporii pot fi suprarăciți și transferați la stânga curbei de fierbere, lichidul poate fi supraîncălzit și tras la dreapta. a acestei curbe.

Sunt posibile fenomene similare în cazul unui cristal cu un lichid? Se pare că aici analogia este incompletă.

Dacă încălziți cristalul, acesta va începe să se topească la punctul său de topire. Cristalul nu poate fi supraîncălzit. Dimpotrivă, prin răcirea lichidului, este posibil, dacă se iau anumite măsuri, să „trece prin” punctul de topire relativ ușor. În unele lichide, pot fi realizate subrăciri mari. Există chiar și lichide care sunt ușor de suprarăcit, dar greu de făcut să se cristalizeze. Pe măsură ce un astfel de lichid se răcește, devine din ce în ce mai vâscos și în cele din urmă se solidifică fără a cristaliza. Așa este sticla.

De asemenea, puteți răci apa. Picăturile de ceață nu pot îngheța chiar și în înghețuri severe. Dacă un cristal al unei substanțe, o sămânță, este aruncat într-un lichid suprarăcit, atunci cristalizarea va începe imediat.

În cele din urmă, în multe cazuri, cristalizarea întârziată poate fi inițiată de o agitare sau alte evenimente aleatoare. Se știe, de exemplu, că glicerolul cristalin a fost obținut mai întâi în timpul transportului calea ferata. Ochelarii după o perioadă lungă de timp pot începe să se cristalizeze (devitrificarea sau „prăbușirea”, așa cum se spune în tehnologie).

Aproape orice substanță poate da cristale în anumite condiții. Cristalele pot fi obținute dintr-o soluție sau dintr-o topitură a unei substanțe date, precum și din vaporii acesteia (de exemplu, cristalele de iod în formă de diamant negru precipită ușor din vaporii săi la presiune normală, fără o tranziție intermediară la o stare lichidă) .

Începeți să dizolvați sarea de masă sau zahărul în apă. La temperatura camerei (20°C), veți putea dizolva doar 70 g de sare într-un pahar fațetat. Adăugările ulterioare de sare nu se vor dizolva și se vor depune în partea de jos sub formă de sediment. O soluție în care nu mai are loc dizolvarea se numește saturată. .Dacă modificați temperatura, atunci se va modifica și gradul de solubilitate al substanței. Toată lumea știe bine că apa fierbinte dizolvă majoritatea substanțelor mult mai ușor decât apa rece.

Imaginați-vă acum - că ați preparat o soluție saturată de, să zicem, zahăr la o temperatură de 30 ° C și începeți să o răciți la 20 ° C. La 30°C, ai putut dizolva 223 g de zahăr în 100 g de apă, la 20°C se dizolvă 205 g. Apoi, la răcire de la 30 la 20°C, 18 g vor fi „în plus” și, ca spun ei, va cădea din soluție. Deci, una dintre modalitățile posibile de a obține cristale este răcirea soluției saturate.

O poți face altfel. Pregătiți o soluție saturată de sare și lăsați-o într-un pahar deschis. După un timp, veți găsi aspectul de cristale. De ce s-au format? Observarea atentă va arăta că, odată cu formarea cristalelor, a avut loc o altă schimbare - cantitatea de apă a scăzut. Apa s-a evaporat, iar substanța „în plus” a apărut în soluție. Deci alta cale posibilă formarea cristalelor este evaporarea unei soluții.

Cum se formează cristalele din soluție?

Am spus că cristalele „cad” din soluție; Este necesar să înțelegem acest lucru în așa fel încât să nu existe un cristal timp de o săptămână și, într-o clipă, să apară dintr-o dată? Nu, nu este cazul: cristalele cresc. Nu este posibil, desigur, să detectăm cu ochiul chiar momentele inițiale de creștere. La început, câteva dintre moleculele sau atomii solutului care se mișcă aleatoriu se adună în ordinea aproximativă necesară pentru a forma rețeaua cristalină. Un astfel de grup de atomi sau molecule se numește nucleu.

Experiența arată că nucleele se formează mai des în prezența oricăror particule de praf minuscule străine în soluție. Cea mai rapidă și mai ușoară cristalizare începe atunci când un mic cristal semințe este plasat într-o soluție saturată. În acest caz, izolarea unui solid din soluție nu va consta în formarea de noi cristale, ci în creșterea seminței.

Creșterea embrionului nu diferă, desigur, de creșterea semințelor. Semnificația utilizării unei sămânțe este că „trage” substanța eliberată asupra ei și astfel împiedică formarea simultană a unui număr mare de nuclee. Dacă se formează mulți nuclei, atunci ei vor interfera unul cu celălalt în timpul creșterii și nu ne vor permite să obținem cristale mari.

Cum sunt distribuite porțiunile de atomi sau molecule eliberate din soluție pe suprafața nucleului?

Experiența arată că creșterea unui nucleu sau a unei semințe constă, parcă, în deplasarea fețelor paralele cu ele însele într-o direcție perpendiculară pe față. În acest caz, unghiurile dintre fețe rămân constante (știm deja că constanța unghiurilor este cea mai importantă trăsătură a unui cristal, care decurge din structura lui reticulat).

Pe fig. 4.6 sunt date contururile a trei cristale din aceeași substanță care apar în timpul creșterii lor. Modele similare pot fi observate la microscop. În cazul prezentat în stânga, numărul de fețe este conservat în timpul creșterii. Desenul din mijloc oferă un exemplu de apariție a unei noi fețe (dreapta sus) și care dispare din nou.

Orez. 4.6

Este foarte important de reținut că rata de creștere a fețelor, adică viteza de mișcare a acestora paralelă cu ele însele, nu este aceeași pentru fețe diferite. În acest caz, exact acele fețe care se mișcă cel mai repede, de exemplu, fața din stânga jos din figura din mijloc, „overgrow” (dispar). Dimpotrivă, fețele care cresc încet sunt cele mai largi, după cum se spune, cele mai dezvoltate.

Acest lucru este deosebit de clar în ultima figură. Fragmentul fără formă capătă aceeași formă ca și alte cristale tocmai datorită anizotropiei ratei de creștere. Fațete bine definite se dezvoltă în detrimentul altora cel mai puternic și conferă cristalului o formă caracteristică tuturor probelor din această substanță.

Forme de tranziție foarte frumoase se observă atunci când o minge este luată ca sămânță, iar soluția este ușor răcită și încălzită alternativ. Când este încălzită, soluția devine nesaturată, iar sămânța este parțial dizolvată. Răcirea duce la saturarea soluției și la creșterea semințelor. Însă moleculele se așează într-un mod diferit, ca și cum ar prefera anumite locuri. Substanța este astfel transferată dintr-un loc al mingii în altul.

Mai întâi, pe suprafața mingii apar fețe mici în formă de cerc. Cercurile cresc treptat și, atingându-se, se îmbină de-a lungul marginilor drepte. Mingea se transformă într-un poliedru. Apoi unele fețe le depășesc pe altele, unele dintre fețe cresc în exces, iar cristalul capătă forma sa caracteristică (Fig. 4.7).

Orez. 4.7

Când se observă creșterea cristalelor, principala caracteristică a creșterii este izbitoare - mișcarea paralelă a fețelor. Se pare că substanța eliberată formează fața în straturi: până la finalizarea unui strat, următorul nu începe să se formeze.

Pe fig. 4.8 arată împachetarea „neterminată” a atomilor. În care dintre pozițiile indicate prin litere va fi ținut cel mai ferm noul atom, atașat de cristal? Fără îndoială în A, deoarece aici experimentează atracția vecinilor din trei părți, în timp ce în B - din două, iar în C - doar dintr-o parte. Prin urmare, coloana este mai întâi finalizată, apoi întregul plan și abia apoi începe așezarea unui nou plan.

Orez. 4.8

Într-un număr de cazuri, cristalele se formează dintr-o masă topită - dintr-o topitură. În natură, acest lucru se întâmplă la o scară enormă: bazalții, granitele și multe alte roci au apărut din magma de foc.

Să începem să încălzim o substanță cristalină, de exemplu, sarea gemă. Până la 804°C, cristalele de sare gemă se vor schimba puțin: se extind doar puțin, iar substanța rămâne solidă. Un termometru plasat într-un vas cu o substanță arată o creștere continuă a temperaturii atunci când este încălzit. La 804°C, vom descoperi imediat două fenomene noi, interconectate: substanța va începe să se topească, iar creșterea temperaturii se va opri. Până când toată materia se transformă într-un lichid,; temperatura nu se va schimba; o creștere suplimentară a temperaturii încălzește deja lichidul. Toate substanțele cristaline au anumită temperatură topire. Gheața se topește la 0°C, fierul se topește la 1527°C, mercurul se topește la -39°C etc.

După cum știm deja, în fiecare cristal, atomii sau moleculele unei substanțe formează un pachet G ordonat și produc mici vibrații în jurul pozițiilor lor medii. Pe măsură ce corpul se încălzește, viteza particulelor oscilante crește odată cu amplitudinea oscilațiilor. Această creștere a vitezei particulelor cu creșterea temperaturii este una dintre legile de bază ale naturii, care se aplică materiei în orice stare - solidă, lichidă sau gazoasă.

Când este atinsă o anumită temperatură suficient de ridicată a cristalului, vibrațiile particulelor sale devin atât de energice încât o aranjare precisă a particulelor devine imposibilă - cristalul se topește. Odată cu debutul topirii, căldura furnizată nu mai este folosită pentru a crește viteza particulelor, ci pentru a distruge rețeaua cristalină. Prin urmare, creșterea temperaturii este suspendată. Încălzirea ulterioară este o creștere a vitezei particulelor lichide.

În cazul cristalizării dintr-o topitură care ne interesează, fenomenele de mai sus se observă în ordine inversă: pe măsură ce lichidul se răcește, particulele sale încetinesc mișcarea lor haotică; când se atinge o anumită temperatură, suficient de scăzută, viteza particulelor este deja atât de scăzută încât unele dintre ele, sub influența forțelor de atracție, încep să se atașeze una de alta, formând nuclee cristaline. Până când toată substanța se cristalizează, temperatura rămâne constantă. Această temperatură este în general aceeași cu punctul de topire.

Dacă nu se iau măsuri speciale, atunci cristalizarea din topitură va începe imediat în multe locuri. Cristalele vor crește sub formă de poliedre regulate caracteristice lor exact în același mod cum am descris mai sus. Cu toate acestea, creșterea liberă nu durează mult: în creștere, cristalele se ciocnesc unele de altele, creșterea se oprește în punctele de contact, iar corpul întărit capătă o structură granulară. Fiecare bob este un cristal separat, care nu a reușit să ia forma corectă.

În funcție de multe condiții, și mai ales de viteza de răcire, un corp solid poate avea boabe mai mult sau mai puțin mari: cu cât răcirea este mai lentă, cu atât boabele sunt mai mari. Dimensiunile granulelor corpurilor cristaline variază de la o milioneme de centimetru până la câțiva milimetri. În cele mai multe cazuri, structura cristalină granulară poate fi observată la microscop. Solidele au de obicei o astfel de structură cu granulație fină.

Pentru tehnologie este foarte interes mare procesul de solidificare a metalelor. Evenimentele care au loc în timpul turnării și în timpul solidificării metalului în matrițe au fost studiate de către fizicieni în detaliu.

În cea mai mare parte, în timpul solidificării, cresc cristale simple asemănătoare copacului, care sunt numite dendrite. În alte cazuri, dendritele sunt orientate aleator, în alte cazuri, sunt paralele între ele.

Pe fig. 4.9 arată etapele de creștere a unei dendrite. Cu acest comportament, o dendrită poate crește prea mult înainte de a întâlni o alta similară. Atunci nu vom găsi dendrite în turnare. Evenimentele se pot dezvolta și în mod diferit: dendritele se pot întâlni și se pot dezvolta unele în altele (ramurile unuia în golurile dintre ramurile altuia) în timp ce sunt încă „tineri”.

Orez. 4.9

În acest fel, pot apărea piese turnate ale căror boabe (prezentate în Fig. 2.22) au o structură foarte diferită. Și proprietățile metalelor depind în mod semnificativ de natura acestei structuri. Este posibil să se controleze comportamentul metalului în timpul solidificării prin modificarea vitezei de răcire și a sistemului de îndepărtare a căldurii.

Acum să vorbim despre cum să crești un singur cristal mare. Este clar că trebuie luate măsuri pentru a se asigura că cristalul crește dintr-un singur loc. Și dacă mai multe cristale au început deja să crească, atunci, în orice caz, este necesar să vă asigurați că condițiile de creștere sunt favorabile doar pentru unul dintre ele.

Iată, de exemplu, cum procedează atunci când cresc cristale de metale cu punct de topire scăzut. Metalul este topit într-o eprubetă de sticlă cu un capăt trasat. O eprubetă suspendată de un fir în interiorul unui cuptor cilindric vertical este coborâtă încet în jos. Capătul tras iese treptat din cuptor și se răcește. Începe cristalizarea. La început, se formează mai multe cristale, dar cele care cresc lateral se sprijină pe peretele eprubetei și creșterea lor încetinește. ÎN conditii favorabile va exista un singur cristal care crește de-a lungul axei eprubetei, adică adânc în topitură. Pe măsură ce eprubeta este coborâtă, noi porțiuni ale topiturii, care se încadrează în regiunea temperaturilor scăzute, vor „alimenta” acest singur cristal. Prin urmare, dintre toate cristalele, el singur supraviețuiește; pe măsură ce tubul este coborât, acesta continuă să crească de-a lungul axei sale. În cele din urmă, tot metalul topit se solidifică sub forma unui singur cristal.

Aceeași idee stă la baza creșterii cristalelor refractare de rubin. O pulbere fină a substanței este stropită prin flacără. În același timp, pulberile se topesc; picaturi mici cad pe un suport refractar de o suprafata foarte mica, formand multe cristale. Pe măsură ce picăturile cad mai departe pe suport, toate cristalele cresc, dar din nou, crește doar cea care se află în poziția cea mai favorabilă pentru „primirea” picăturilor care cad.

Pentru ce sunt cristalele mari?

Industria și știința au adesea nevoie de monocristale mari. Mare importanță pentru tehnologie, au cristale de sare Rochelle și cuarț, care au proprietatea remarcabilă de a transforma acțiunile mecanice (de exemplu, presiunea) în tensiune electrică.

Industria optică are nevoie de cristale mari de calcit, sare gemă, fluorit etc.

Industria ceasurilor are nevoie de cristale de rubine, safire și altele. pietre pretioase. Faptul este că piesele mobile individuale ale ceasurilor obișnuite produc până la 20.000 de vibrații pe oră. O sarcină atât de mare impune cerințe neobișnuit de mari asupra calității vârfurilor și rulmenților osiilor. Abraziunea va fi cea mai mică atunci când un rubin sau un safir servesc ca lagăr pentru vârful unei osii cu un diametru de 0,07-0,15 mm. cristale artificiale Aceste substanțe sunt foarte durabile și sunt foarte puțin abrazive de oțel. Este remarcabil că pietrele artificiale se dovedesc a fi mai bune decât aceleași pietre naturale.

Cu toate acestea, creșterea monocristalelor de semiconductori - siliciu și germaniu - este de cea mai mare importanță pentru industrie.

Dacă presiunea este schimbată, se va schimba și punctul de topire. Ne-am întâlnit cu aceeași regularitate când am vorbit despre fierbere. Cu cât presiunea este mai mare; cu atât este mai mare punctul de fierbere. De regulă, acest lucru este valabil și pentru topire. Cu toate acestea, există un număr mic de substanțe care se comportă anormal: punctul lor de topire scade odată cu creșterea presiunii.

Cert este că marea majoritate a solidelor sunt mai dense decât lichidele lor. Excepție de la acest dravil sunt doar acele substanțe al căror punct de topire nu se modifică în mod normal cu presiunea, de exemplu, apa. Gheața este mai ușoară decât apa, iar punctul de topire al gheții scade pe măsură ce presiunea crește.

Compresia favorizează formarea unei stări mai dense. Dacă un solid este mai dens decât un lichid, atunci compresia ajută la solidificare și previne topirea. Dar dacă topirea este împiedicată de compresie, atunci aceasta înseamnă că substanța rămâne solidă, în timp ce mai devreme la această temperatură s-ar fi topit deja, adică, odată cu creșterea presiunii, punctul de topire crește. În cazul anormal, lichidul este mai dens decât solidul, iar presiunea ajută la formarea lichidului, adică scade punctul de topire.

Efectul presiunii asupra punctului de topire este mult mai mic decât cel al fierberii. O creștere a presiunii cu mai mult de 100 kgf/cm2 scade punctul de topire al gheții cu 1°C.

De ce patinele alunecă doar pe gheață, dar nu și pe parchet la fel de neted? Aparent, singura explicație este formarea apei, care lubrifiază patina. Pentru a înțelege contradicția care a apărut, trebuie să ne amintim următoarele: patinele contondente alunecă foarte prost pe gheață. Patinele trebuie ascuțite pentru a tăia gheața. În acest caz, doar vârful marginii crestei apasă pe gheață. Presiunea asupra gheții ajunge la zeci de mii de atmosfere, gheața încă se topește.

Când se spune „o substanță se evaporă”, de obicei înseamnă că un lichid se evaporă. Dar și solidele se pot evapora. Uneori, evaporarea solidelor se numește sublimare.

Solidul care se evaporă este, de exemplu, naftalina. Naftalina se topește la 80°C și se evaporă la temperatura camerei. Această proprietate a naftalenei este cea care îi permite să fie folosit pentru a extermina moliile.

O haină de blană acoperită cu naftalină este saturată cu vapori de naftalină și creează o atmosferă pe care moliile nu o pot suporta. Orice solid mirositor sublimează în mare măsură. La urma urmei, mirosul este creat de molecule care s-au desprins de substanță și au ajuns la nasul nostru. Cu toate acestea, există cazuri mai frecvente în care substanța este sublimată într-o măsură nesemnificativă, uneori într-un grad care nu poate fi depistat nici măcar printr-o cercetare foarte atentă. În principiu, orice substanță solidă (mai exact orice, chiar și fier sau cupru) se evaporă. Dacă nu detectăm sublimări, aceasta înseamnă doar că densitatea vaporilor saturați este foarte scăzută.

Se poate observa că o serie de substanțe care au un miros înțepător la temperatura camerei îl pierd la temperatură scăzută.

Densitatea vaporilor saturați în echilibru cu un solid crește rapid odată cu creșterea temperaturii. Am ilustrat acest comportament cu curba pentru gheață prezentată în Fig. 4.10. Adevărat, gheața nu miroase...

Orez. 4.10

În cele mai multe cazuri, este imposibil să creșteți semnificativ densitatea vaporilor saturati ai unui solid dintr-un motiv simplu - substanța se va topi mai devreme.

De asemenea, gheața se evaporă. Acest lucru este bine cunoscut de gospodinele care stau să se usuce pe vreme rece. rufe umede„Apa îngheață mai întâi, apoi gheața se evaporă, iar rufele sunt uscate.

Deci, există condiții în care vaporii, lichidul și cristalul pot exista în perechi în echilibru. Pot toate cele trei stări să fie în echilibru? Un astfel de punct din diagrama presiune-temperatura există, se numește triplu. Unde este ea?

Dacă puneți apă cu gheață plutitoare într-un vas închis la zero grade, atunci vaporii de apă (și „gheață”) vor începe să curgă în spațiul liber. La o presiune a vaporilor de 4,6 mm Hg. Artă. Evaporarea se va opri și va începe saturația. Acum cele trei faze - gheață, apă și abur - vor fi în echilibru. Acesta este punctul triplu.

Relația dintre diferitele stări este arătată clar și clar de diagrama pentru apă prezentată în fig. 4.11.

Orez. 4.11

O astfel de diagramă poate fi construită pentru orice corp.

Curbele din figură ne sunt familiare - acestea sunt curbe de echilibru între gheață și abur, gheață și apă, apă și abur. Ca de obicei, presiunea este reprezentată vertical, iar temperatura este reprezentată orizontal.

Cele trei curbe se intersectează în punctul triplu și împart diagrama în trei zone - spațiile de locuit de gheață, apă și vapori de apă.

Diagrama de stare este o referință concisă. Scopul său este să răspundă la întrebarea ce stare a corpului este stabilă la o astfel de presiune și la o astfel de temperatură.

Dacă apă sau abur sunt plasate în condițiile „regiunii din stânga”, acestea vor deveni gheață. Dacă se introduce un lichid sau un corp solid în „regiunea inferioară”, atunci se va obține abur. În „regiunea potrivită” vaporii se vor condensa și gheața se va topi.

Diagrama existenței fazelor vă permite să răspundeți imediat ce se întâmplă cu substanța atunci când este încălzită sau comprimată. Încălzirea la o presiune constantă este prezentată ca o linie orizontală în diagramă. Un punct se deplasează de-a lungul acestei linii de la stânga la dreapta, reprezentând starea corpului.

Figura prezintă două astfel de linii, una dintre ele se încălzește la presiune normală. Linia se află deasupra punctului triplu. Prin urmare, va traversa mai întâi curba de topire, iar apoi, în afara desenului, curba de evaporare. Gheața la presiune normală se va topi la 0°C, iar apa rezultată va fierbe la 100°C.

Situația va fi diferită pentru gheața încălzită la foarte mult presiune ușoară, să zicem, chiar sub 5 mm Hg. Artă. Procesul de încălzire este reprezentat de o linie sub punctul triplu. Curbele de topire și fierbere nu se intersectează cu această linie. La o presiune atât de mică, încălzirea va duce la o tranziție directă a gheții în abur.

Pe fig. 4.12, aceeași diagramă arată ce fenomen interesant va avea loc atunci când vaporii de apă sunt comprimați în starea marcată cu o cruce în figură. Aburul se va transforma mai întâi în gheață și apoi se va topi. Cifra vă permite să spuneți imediat la ce presiune va începe creșterea cristalului și când va avea loc topirea.

Orez. 4.12

Diagramele de stare ale tuturor substanțelor sunt similare între ele. Mari, din punct de vedere cotidian, apar diferențe datorită faptului că locația punctului triplu pe diagramă poate fi foarte diferită pentru diferite substanțe.

La urma urmei, existăm în apropierea „condițiilor normale”, adică în primul rând la o presiune apropiată de o atmosferă. Modul în care este situat punctul triplu al materiei în raport cu linia presiunii normale este foarte important pentru noi.

Dacă presiunea în punctul triplu este mai mică decât cea atmosferică, atunci pentru noi, trăind în condiții „normale”, substanța se topește. Când temperatura crește, se transformă mai întâi într-un lichid, apoi fierbe.

În cazul opus - când presiunea în punctul triplu este mai mare decât cea atmosferică - nu vom vedea lichid când este încălzit, solidul se va transforma direct în vapori. Așa se comportă „gheața uscată”, ceea ce este foarte convenabil pentru vânzătorii de înghețată. Blocurile de înghețată pot fi mutate cu bucăți de „gheață uscată” și să nu vă fie teamă că înghețata se va umezi. „Gheața carbonică” este dioxid de carbon solid CO2. Punctul triplu al acestei substanțe se află la 73 atm. Prin urmare, atunci când CO 2 solid este încălzit, punctul care descrie starea sa se mișcă orizontal, traversând doar curba de evaporare a solidului (la fel ca și pentru gheață obișnuită la o presiune de aproximativ 5 mm Hg. Artă.).

Am spus deja cititorului cum se determină un grad de temperatură pe scara Kelvin sau, după cum cere acum sistemul SI, un kelvin. Era vorba însă despre principiul determinării temperaturii. Nu toate institutele de metrologie au termometre cu gaze ideale. Prin urmare, scara de temperatură este construită cu ajutorul punctelor de echilibru fixate de natură între diferite stări ale materiei.

Punctul triplu al apei joacă un rol deosebit în acest sens. Gradul Kelvin este acum definit ca 273,16 din temperatura termodinamică a punctului triplu al apei. Punctul triplu al oxigenului este considerat a fi 54,361 K. Temperatura de solidificare a aurului este setată la 1337,58 K. Folosind acestea puncte fixe, puteți calibra cu precizie orice termometru.

Grafitul moale negru mat cu care scriem și diamantul strălucitor, transparent, dur, tăiat sticla sunt construite din aceiași atomi de carbon. De ce sunt atât de diferite proprietățile acestor două substanțe identice?

Amintiți-vă rețeaua de grafit stratificat, fiecare atom al căruia are trei vecini cei mai apropiați, și rețeaua de diamant, al cărui atom are patru vecini cei mai apropiați. Acest exemplu arată clar că proprietățile cristalelor sunt determinate de aranjarea reciprocă a atomilor. Grafitul este folosit pentru a face creuzete refractare care pot rezista la temperaturi de până la două până la trei mii de grade, iar diamantul arde la temperaturi de peste 700 ° C; densitatea diamantului este de 3,5, iar cea a grafitului este de 2,3; conduce grafitul electricitate, diamant - nu conduce etc.

Nu numai carbonul are această caracteristică de a produce diferite cristale. Aproape fiecare element chimic, și nu numai un element, ci și orice substanță chimică, poate exista în mai multe soiuri. Sunt cunoscute șase soiuri de gheață, nouă soiuri de sulf și patru soiuri de fier.

Când am discutat despre diagrama de stare, nu am vorbit despre diferite tipuri de cristale și am desenat o singură zonă a unui corp solid. Și această zonă pentru foarte multe substanțe este împărțită în secțiuni, fiecare dintre acestea corespunde unui anumit „grad” al unui corp solid sau, după cum se spune, unei anumite faze solide (o anumită modificare cristalină).

Fiecare fază cristalină are propria sa regiune de stare stabilă, limitată de un anumit interval de presiuni și temperaturi. Legile transformării unei varietăți cristaline în alta sunt aceleași cu legile topirii și evaporării.

Pentru fiecare presiune, puteți specifica temperatura la care ambele tipuri de cristale vor coexista în mod pașnic. Dacă temperatura crește, un cristal de un fel se va transforma într-un cristal de al doilea fel. Dacă temperatura scade, se va produce transformarea inversă.

Pentru ca sulful roșu să devină galben la presiune normală, este necesară o temperatură sub 110 ° C. Peste această temperatură, până la punctul de topire, aranjamentul atomilor caracteristic sulfului roșu este stabil. Temperatura scade, vibrațiile atomilor scad și, începând de la 110 ° C, natura găsește o aranjare mai convenabilă a atomilor. Există o transformare a unui cristal în altul.

Nimeni nu a venit cu nume pentru șase gheață diferite. Așa că se spune: gheață unu, gheață doi, ...., gheață șapte. Ce zici de șapte, dacă există doar șase soiuri? Faptul este că gheața patru nu a fost detectată în timpul experimentelor repetate.

Dacă apa este comprimată la o temperatură de aproximativ zero, atunci la o presiune de aproximativ 2000 atm se formează gheață cinci, iar la o presiune de aproximativ 6000 atm se formează șase gheață.

Gheața doi și gheața trei sunt stabile la temperaturi sub zero grade.

Ice seven - gheață fierbinte; provine din compresie apa fierbinte până la presiuni de aproximativ 20.000 atm.

Toată gheața, cu excepția gheții obișnuite, este mai grea decât apa. Gheața produsă în condiții normale se comportă anormal; dimpotriva, gheata obtinuta in conditii diferite de norma se comporta normal.

Spunem că fiecare modificare cristalină este caracterizată de o anumită zonă de existență. Dar dacă da, cum există grafitul și diamantul în aceleași condiții?

O astfel de „nelegiuire” în lumea cristalelor este foarte comună. Capacitatea de a trăi în condiții „străine” pentru cristale este aproape regula. Dacă pentru a transfera un vapor sau un lichid în alte zone ale existenței, trebuie să apelezi la diverse trucuri, atunci un cristal, dimpotrivă, nu poate fi aproape niciodată forțat să rămână în limitele care îi sunt atribuite de natură.

Supraîncălzirea și suprarăcirea cristalelor se explică prin dificultatea de a converti o comandă în alta în condiții de aglomerare extremă. Sulful galben ar trebui să devină roșu la 95,5°C. Cu o încălzire mai mult sau mai puțin rapidă, vom „sări” acest punct de transformare și vom aduce temperatura până la punctul de topire al sulfului 113°C.

Temperatura adevărată de transformare este cel mai ușor de detectat atunci când cristalele intră în contact. Dacă sunt așezate strâns unul peste altul și ținute la 96°C, atunci galbenul va fi mâncat de roșu, iar la 95°C galbenul va absorbi roșul. Spre deosebire de tranziția „cristal-lichid”, transformările „cristal-cristal” sunt de obicei întârziate atât în ​​timpul suprarăcirii, cât și în timpul supraîncălzirii.

În unele cazuri, avem de-a face cu astfel de stări ale materiei, care ar trebui să trăiască la temperaturi complet diferite.

Cutia albă ar trebui să devină gri când temperatura scade la +13°C. De obicei ne ocupăm de tablă albă și știm că iarna nu se face nimic cu ea. Rezistă perfect hipotermiei de 20-30 de grade. Cu toate acestea, în condiții severe de iarnă, tabla albă se transformă în gri. Necunoașterea acestui fapt a fost una dintre circumstanțele care au distrus expediția lui Scott la Polul Sud (1912). Combustibilul lichid luat de expediție se afla în vase lipite cu tablă. În frigurile mari, tabla albă se transforma într-o pulbere cenușie - vasele erau deslipite; iar combustibilul s-a vărsat. Nu e de mirare aspectul pete gri pe tablă albă se numește ciuma de staniu.

La fel ca și în cazul sulfului, staniul alb poate fi transformat în gri la o temperatură chiar sub 13 ° C; dacă doar un bob minuscul din varietatea gri cade pe un obiect de cositor.

Existenţa mai multor varietăţi ale aceleiaşi substanţe şi întârzierile în transformările lor reciproce au de mare valoare pentru tehnologie.

La temperatura camerei, atomii de fier formează o rețea cubică centrată pe corp în care atomii ocupă poziții la vârfuri și în centrul cubului. Fiecare atom are 8 vecini. La temperaturi ridicate, atomii de fier formează un „ambalaj” mai dens - fiecare atom are 12 vecini. Fierul cu 8 vecini este moale, fierul cu 12 vecini este greu. Se pare că este posibil să se obțină fier de al doilea tip la temperatura camerei. Această metodă - călirea - este utilizată pe scară largă în metalurgie.

Întărirea se realizează foarte simplu - un obiect metalic este încins și apoi aruncat în apă sau ulei. Răcirea are loc atât de rapid încât transformarea structurii, care este stabilă la temperatură ridicată, nu are timp să aibă loc. Astfel, o structură la temperatură ridicată va exista la nesfârșit în condiții neobișnuite pentru ea: recristalizarea într-o structură stabilă se desfășoară atât de lent încât este practic imperceptibilă.

Vorbind despre întărirea fierului, nu am fost pe deplin exacti. Oțelul este călit, adică fier care conține fracțiuni de un procent de carbon. Prezența unor foarte mici impurități de carbon întârzie transformarea fierului dur în moale și permite întărirea. Cât despre întreg fier pur, atunci nu se poate întări - transformarea structurii are timp să se producă chiar și cu cea mai bruscă răcire.

În funcție de tipul diagramei de stare, prin modificarea presiunii sau temperaturii se realizează anumite transformări.

Multe transformări cristal-la-cristal sunt observate doar cu o schimbare a presiunii. În acest fel s-a obținut fosfor negru.

Orez. 4.13

A fost posibil să se transforme grafitul în diamant numai utilizând atât temperatură ridicată, cât și presiune ridicată în același timp. Pe fig. 4.13 prezintă diagrama de stare a carbonului. La presiuni sub zece mii de atmosfere și la temperaturi sub 4000 K, grafitul este o modificare stabilă. Astfel, diamantul trăiește în condiții „străine”, deci poate fi ușor transformat în grafit. Dar problema inversă este de interes practic. Nu este posibil să se realizeze transformarea grafitului în diamant doar prin creșterea presiunii. Transformarea de fază în stare solidă se desfășoară aparent prea lent. Apariția diagramei de stare sugerează soluția corectă: crește presiunea și căldura în același timp. Apoi obținem (colțul din dreapta al diagramei) carbon topit. Răcirea lui presiune ridicata, trebuie să intrăm în zona diamantului.

Posibilitatea practică a unui astfel de proces a fost dovedită în 1955, iar în prezent problema este considerată a fi rezolvată tehnic.

Dacă scadeți temperatura corpului, mai devreme sau mai târziu se va întări și va dobândi o structură cristalină. Nu contează la ce presiune are loc răcirea. Această împrejurare pare destul de firească și de înțeles din punctul de vedere al legilor fizicii, cu care ne-am familiarizat deja. Într-adevăr, prin scăderea temperaturii, reducem intensitatea mișcării termice. Când mișcarea moleculelor devine atât de slabă încât nu mai interferează cu forțele de interacțiune dintre ele, moleculele se aliniază într-o ordine ordonată - formează un cristal. Răcirea ulterioară va lua de la molecule toată energia mișcării lor, iar la zero absolut substanța trebuie să existe sub formă de molecule de repaus dispuse într-o rețea obișnuită.

Experiența arată că toate substanțele se comportă în acest fel. Toate, cu excepția unuia și numai: un astfel de „ciudat” este heliu.

Am oferit deja cititorului câteva informații despre heliu. Heliul deține recordul pentru temperatura sa critică. Nicio substanță nu are o temperatură critică mai mică de 4,3 K. Cu toate acestea, acest record în sine nu înseamnă nimic surprinzător. Un alt lucru este izbitor: prin răcirea heliului sub temperatura critică, ajungând aproape la zero absolut, nu vom obține heliu solid. Heliul rămâne lichid chiar și la zero absolut.

Comportarea heliului este complet inexplicabilă din punctul de vedere al legilor mișcării pe care le-am conturat și este unul dintre semnele valabilității limitate a unor astfel de legi ale naturii, care păreau a fi universale.

Dacă corpul este lichid, atunci atomii lui sunt în mișcare. Dar la urma urmei, după ce am răcit corpul la zero absolut, i-am luat toată energia mișcării. Trebuie să recunoaștem că heliul are o astfel de energie de mișcare care nu poate fi luată. Această concluzie este incompatibilă cu mecanica cu care ne-am ocupat până acum. Conform acestei mecanici pe care am studiat-o, mișcarea unui corp poate fi întotdeauna încetinită până la o oprire completă, luându-i toată energia cinetică; în același mod, este posibil să se oprească mișcarea moleculelor luându-le energia atunci când se ciocnesc de pereții unui vas răcit. Pentru heliu, o astfel de mecanică nu este în mod clar potrivită.

Comportamentul „ciudat” al heliului este un indiciu al unui fapt de mare importanță. Ne-am întâlnit mai întâi cu imposibilitatea de a aplica în lumea atomilor legile de bază ale mecanicii, stabilite prin studiul direct al mișcării corpurilor vizibile, legi care păreau a fi fundamentul de nezdruncinat al fizicii.

Faptul că heliul „refuză” să se cristalizeze la zero absolut nu poate fi împacat în niciun fel cu mecanica pe care am studiat-o până acum. Contradicția cu care ne-am întâlnit pentru prima dată - neascultarea lumii atomilor față de legile mecanicii - este doar prima verigă din lanțul contradicțiilor din ce în ce mai ascuțite din fizică.

Aceste contradicții duc la necesitatea revizuirii fundamentelor mecanicii lumii atomice. Această revizuire este foarte profundă și duce la o schimbare în întreaga noastră înțelegere a naturii.

Necesitatea unei revizuiri radicale a mecanicii lumii atomice nu înseamnă că ar trebui să punem capăt legilor mecanicii pe care le-am studiat. Ar fi nedrept să forțezi cititorul să învețe lucruri inutile. Vechea mecanică este complet valabilă în lumea corpurilor mari. Deja acest lucru este suficient pentru a trata capitolele relevante ale fizicii cu respect deplin. Cu toate acestea, este de asemenea important ca o serie de legi ale mecanicii „vechi” să treacă în mecanica „nouă”. Aceasta include, în special, legea conservării energiei.

Prezența energiei „inemontabile” la zero absolut nu este o proprietate specială a heliului. Se dovedește; Energia „zero” este prezentă în toate substanțele.

Numai în heliu această energie este suficientă pentru a împiedica atomii să formeze rețeaua cristalină corectă.

Nu este necesar să ne gândim că heliul nu poate fi în stare cristalină. Pentru cristalizarea heliului, este necesar doar creșterea presiunii la aproximativ 25 atm. Răcirea efectuată la o presiune mai mare va duce la formarea de heliu cristalin solid cu proprietăți destul de obișnuite. Heliul formează o rețea cubică centrată pe față.

Pe fig. 4.14 prezintă o diagramă a stării heliului. Diferă puternic de diagramele tuturor celorlalte substanțe în absența unui punct triplu. Curbele de topire și fierbere nu se intersectează.

Orez. 4.14

Și această diagramă unică de stare are încă o caracteristică: există două lichide diferite de heliu Care este diferența lor - veți afla puțin mai târziu.

Pentru a regla presiunea de evaporare, utilizați regulatorul KVP, care este instalat pe conducta de aspirație în aval de evaporator (Fig. 6.13).

Pe lângă funcția sa principală, regulatorul de presiune de evaporare oferă protecție în cazul unei scăderi puternice a presiunii de evaporare pentru a preveni înghețarea apei răcite pe calea de schimb de căldură a evaporatoarelor răcitoarelor de apă.

Regulatorul funcționează după cum urmează: când presiunea crește peste presiunea setată, regulatorul se deschide, iar când presiunea scade sub valoarea setată, se închide. Semnalul de control este doar presiunea la intrarea în regulator.

In instalatiile cu mai multe vaporizatoare si care functioneaza la diferite presiuni de evaporare, regulatorul se instaleaza dupa evaporator, in care presiunea este cea mai mare. Pentru a evita condensarea agentului frigorific în timpul opririlor, pe conducta de aspirație este montată o supapă de reținere imediat după evaporator cu presiune minimă. În instalațiile cu evaporatoare paralele și un compresor comun, pe conducta de aspirație este instalat un regulator pentru a menține aceeași presiune în evaporatoare.

Pe lângă acest tip de regulator, presiunea de evaporare este stabilizată cu ajutorul sistemelor electronice de control pentru una sau mai multe camere frigorifice, dulapuri etc., oferind o precizie ridicată în menținerea temperaturii setate (± 0,5 K) într-o gamă largă de capacități de răcire - de la 10 la 100% din valoarea nominală .

8. Regulatori de performanță.

Regulatoarele de capacitate (fig. 6.14) ajută capacitatea de răcire a compresorului să se adapteze la modificarea încărcăturii termice pe evaporator în instalațiile cu încărcătură foarte scăzută de agent frigorific. Evită presiunea scăzută de aspirație și pornirile inutile.

Pe măsură ce sarcina termică de pe evaporator scade, presiunea de aspirație scade, provocând un vid în circuit, ceea ce duce la pericolul pătrunderii umidității în instalație. Când presiunea de aspirație scade sub valoarea setată, regulatorul se deschide, determinând trecerea unui anumit volum de gaze fierbinți de la refulare la aspirație. Ca urmare, presiunea de aspirație crește și capacitatea de răcire scade. Regulatorul reacționează numai la presiunea din conducta de aspirație, adică. la iesirea din ea.

9. Regulatoare de pornire.

Regulatoarele de pornire fac posibila evitarea functionarii si pornirii compresorului la valori prea mari ale presiunii de aspiratie, care apare dupa o oprire indelungata a utilajului sau dupa dezghetarea vaporizatorului.

Regulatorul de pornire KVL aparține tipului de regulatoare de presiune de reglare „după sine”. Mentine o presiune constanta in conducta de aspiratie intre regulator si compresor si descarca compresorul la pornire.

Presiunea de intrare a regulatorului acționează asupra burdufului de jos și asupra plăcii supapei de sus. Deoarece aria efectivă a burdufului este echivalentă cu aria orificiului, presiunea de intrare este neutralizată. Presiunea de ieșire (în carter) acționează de jos asupra plăcii supapei, contracarând forța de întindere a arcului reglabil. Aceste două forțe sunt forte active regulator. Când presiunea reglată la ieșire (în carter) scade, supapa se deschide, trecând vapori de agent frigorific în compresor. Pentru sistemele frigorifice de mare capacitate este posibilă montarea în paralel a demaroarelor KVL. În acest caz, regulatoarele sunt selectate din condiția aceleiași căderi de presiune în fiecare conductă și performanță echivalentă.

Regulatorul este reglat la valorile maxime, fără a depăși, totuși, valorile recomandate de producător pentru compresor sau unitatea de condensare. Setarea se efectuează în funcție de citirile manometrului de pe linia de aspirație a compresorului.

Regulatorul de pornire este instalat pe linia de aspirație între evaporator și compresor (Fig. 6.15).

În acest regulator, este posibilă conectarea unei linii de extracție a vaporilor printr-o ieșire manometrică de pe conducta de admisie având un diametru al alezajului de 1/4". Cu această metodă de reglare, extracția vaporilor se realizează „după sine”.

Alegerea unui regulator de pornire este determinată de cinci indicatori principali:

Tipul de agent frigorific

performanta sistemului,

presiune de proiectare de aspirație,

Presiunea maximă de proiectare,

scăderea presiunii în regulator.

Diferența dintre presiunea de aspirație proiectată și cea maximă de proiectare determină cât timp se va deschide supapa. Căderea de presiune la nivelul regulatorului este un factor important, deoarece pierderile de presiune din conducta de aspirație afectează performanța mașinii. Prin urmare, căderea de presiune pe regulator trebuie menținută la minimum. De obicei, în sistemele frigorifice cu temperatură joasă, căderea de presiune este de 3...7 kPa. Căderea maximă de presiune pentru majoritatea sistemelor de refrigerare este de 14 kPa.

La deschiderea maximă a supapei, regulatorul, pe de o parte, oferă performanțe maxime, iar pe de altă parte, provoacă pierderi mari de presiune, ceea ce reduce performanța sistemului. Prin urmare, scăderea de presiune pe regulator trebuie menținută cât mai scăzută posibil.

17.10.2019

Pe segmentul rusesc, afacerile grupului Hoffmann sunt înfloritoare. Partenerii grupului de companii reușesc să crească volumele de vânzări în Federația Rusă de la an la an....

17.10.2019

Plasticul este un material practic și ieftin. Acesta este motivul pentru aplicarea sa largă în producția de lucruri. Cu toate acestea, are și dezavantaje...

17.10.2019

oţel inoxidabil utilizat pe scară largă în diverse domenii ale industriei și construcțiilor. Metalul laminat și produsele din acesta sunt folosite de întreprinderile de construcții navale și...

17.10.2019

Sârmă de tricotat este material de construcții sub formă de fir subțire, pentru fabricarea căruia se folosește oțel laminat cu emisii scăzute de carbon, supus la...

17.10.2019

Panourile din plută sunt realizate din material natural. Pentru aceasta, se folosește scoarța de stejar (stejarul de plută crește în nordul Africii și în unele zone din sudul ...

17.10.2019

Activitatea economică deseori intensifică procesul de eroziune naturală a solului. Relieful se schimbă treptat, se creează canale, direcția râului, șanțurile se schimbă...

17.10.2019

Funcțiile de etichetare pot varia. După ce sunt etichetate pe un produs, acestea devin o sursă de date despre producător și produse, sunt folosite ca mijloc de promovare și...

Din raționamentul de mai sus reiese clar că punctul de fierbere al unui lichid trebuie să depindă de presiunea externă. Observațiile confirmă acest lucru.

Cu cât presiunea exterioară este mai mare, cu atât este mai mare punctul de fierbere. Deci, într-un cazan cu abur la o presiune care ajunge la 1,6 10 6 Pa, apa nu fierbe nici măcar la o temperatură de 200 °C. În instituțiile medicale, fierberea apei în vase închise ermetic - autoclave (Fig. 6.11) are loc și la presiune ridicată. Prin urmare, punctul de fierbere este mult mai mare de 100 °C. Autoclavele sunt folosite pentru sterilizarea instrumentelor chirurgicale, pansamentelor etc.

Dimpotrivă, prin reducerea presiunii externe, scădem astfel punctul de fierbere. Sub clopotul pompei de aer, puteți face apa să fiarbă la temperatura camerei (Fig. 6.12). Pe măsură ce urci munți, presiunea atmosferică scade, deci punctul de fierbere scade. La o altitudine de 7134 m (Vârful Lenin din Pamir), presiunea este de aproximativ 4 10 4 Pa ​​(300 mm Hg). Apa fierbe acolo la aproximativ 70°C. Este imposibil să gătești, de exemplu, carnea în aceste condiții.

Figura 6.13 arată dependența punctului de fierbere al apei de presiunea externă. Este ușor de observat că această curbă este și o curbă care exprimă dependența presiunii vaporilor de apă saturați de temperatură.

Diferența de puncte de fierbere a lichidelor

Fiecare lichid are propriul punct de fierbere. Diferența dintre punctele de fierbere ale lichidelor este determinată de diferența de presiune a vaporilor lor saturați la aceeași temperatură. De exemplu, vaporii de eter deja la temperatura camerei au o presiune mai mare decât jumătate din presiunea atmosferică. Prin urmare, pentru ca presiunea vaporilor eterului să devină egală cu cea atmosferică, este necesară o ușoară creștere a temperaturii (până la 35 ° C). În mercur, vaporii saturați au o presiune foarte neglijabilă la temperatura camerei. Presiunea de vapori a mercurului devine egală cu cea atmosferică numai cu o creștere semnificativă a temperaturii (până la 357 ° C). La această temperatură, dacă presiunea externă este de 105 Pa, mercurul fierbe.

Diferența de puncte de fierbere a substanțelor este de mare folos în tehnologie, de exemplu, în separarea produselor petroliere. Când uleiul este încălzit, părțile sale cele mai valoroase, volatile (benzina) se evaporă în primul rând, care pot fi astfel separate de reziduurile „grele” (uleiuri, păcură).

Un lichid fierbe atunci când presiunea sa de vapori saturați este egală cu presiunea din interiorul lichidului.

§ 6.6. Căldura de vaporizare

Este nevoie de energie pentru a transforma lichidul în vapori? Probabil da! Nu-i așa?

Am observat (vezi § 6.1) că evaporarea unui lichid este însoțită de răcirea acestuia. Pentru a menține neschimbată temperatura lichidului care se evaporă, trebuie să i se furnizeze căldură din exterior. Desigur, căldura în sine poate fi transferată în lichid din corpurile înconjurătoare. Deci, apa din pahar se evaporă, dar temperatura apei, care este oarecum mai mică decât temperatura aerului din jur, rămâne neschimbată. Căldura este transferată din aer în apă până când toată apa s-a evaporat.

Pentru a menține apa (sau orice alt lichid) să fiarbă, trebuie să i se furnizeze în mod continuu căldură, de exemplu, prin încălzirea cu un arzător. În acest caz, temperatura apei și a vasului nu crește, dar se formează o anumită cantitate de abur în fiecare secundă.

Astfel, pentru a transforma un lichid în vapori prin evaporare sau prin fierbere, este necesar un aflux de căldură. Cantitatea de căldură necesară pentru a transforma o anumită masă de lichid în vapori la aceeași temperatură se numește căldură de vaporizare a lichidului respectiv.

La ce folosește energia furnizată organismului? În primul rând, să-și crească energia internă în timpul trecerii de la o stare lichidă la o stare gazoasă: la urma urmei, în acest caz, volumul unei substanțe crește de la volumul de lichid la volumul de vapori saturati. În consecință, distanța medie dintre molecule crește și, prin urmare, energia potențială a acestora.

În plus, atunci când volumul unei substanțe crește, se lucrează împotriva forțelor presiunii externe. Această parte a căldurii de vaporizare la temperatura camerei reprezintă de obicei câteva procente din căldura totală de vaporizare.

Căldura de vaporizare depinde de tipul de lichid, masa și temperatura acestuia. Dependența căldurii de vaporizare de tipul de lichid este caracterizată de o valoare numită căldură specifică de vaporizare.

Căldura specifică de vaporizare a unui lichid dat este raportul dintre căldura de vaporizare a unui lichid și masa acestuia:

(6.6.1)

Unde r- caldura specifica de vaporizare a lichidului; T- masa lichidului; Q n este căldura sa de vaporizare. Unitatea SI pentru căldura specifică de vaporizare este joule pe kilogram (J/kg).

Căldura specifică de vaporizare a apei este foarte mare: 2,256 10 6 J/kg la o temperatură de 100 °C. Pentru alte lichide (alcool, eter, mercur, kerosen etc.), căldura specifică de vaporizare este de 3-10 ori mai mică.