Iz gore navedenih razmatranja jasno je da tačka ključanja tečnosti mora zavisiti od spoljašnjeg pritiska. Zapažanja to potvrđuju.

Što je veći vanjski pritisak, to je viša tačka ključanja. Dakle, u parnom kotlu pri pritisku koji dostiže 1,6 × 10 6 Pa, voda ne ključa ni na temperaturi od 200 °C. U medicinskim ustanovama do ključanja vode u hermetički zatvorenim posudama – autoklavama (slika 6.11) dolazi i kada visok krvni pritisak. Stoga je tačka ključanja znatno viša od 100 °C. Autoklavi se koriste za sterilizaciju hirurških instrumenata, zavoja itd.

I obrnuto, smanjenjem vanjskog pritiska, snižavamo na taj način tačku ključanja. Ispod zvona vazdušne pumpe možete dovesti do ključanja vode na sobnoj temperaturi (slika 6.12). Kako se penjete na planine, atmosferski pritisak se smanjuje, stoga se smanjuje tačka ključanja. Na nadmorskoj visini od 7134 m (Lenjinov vrh na Pamiru) pritisak je približno 4 · 10 4 Pa ​​(300 mm Hg). Tamo voda ključa na oko 70 °C. Nemoguće je kuhati meso, na primjer, pod ovim uvjetima.

Slika 6.13 prikazuje krivu tačke ključanja vode u odnosu na vanjski pritisak. Lako je shvatiti da je i ova kriva kriva koja izražava zavisnost pritiska zasićene vodene pare o temperaturi.

Razlike u tačkama ključanja tečnosti

Svaka tečnost ima svoju tačku ključanja. Razlika u tačkama ključanja tečnosti određena je razlikom u pritisku njihovih zasićenih para na istoj temperaturi. Na primjer, pare etera već na sobnoj temperaturi imaju pritisak veći od polovine atmosferskog. Stoga, da bi tlak eterske pare postao jednak atmosferskom tlaku, potrebno je lagano povećanje temperature (do 35 °C). U živi, ​​zasićene pare imaju vrlo zanemariv pritisak na sobnoj temperaturi. Pritisak pare žive postaje jednak atmosferskom pritisku samo sa značajnim povećanjem temperature (do 357 ° C). Na ovoj temperaturi, ako je vanjski pritisak 105 Pa, živa ključa.

Razlika u tačkama ključanja tvari široko se koristi u tehnologiji, na primjer, u odvajanju naftnih derivata. Kada se ulje zagrije, njegovi najvredniji, isparljivi dijelovi (benzin) prvo ispare, koji se tako mogu odvojiti od „teških“ ostataka (ulja, lož ulja).

Tečnost ključa kada je pritisak njene zasićene pare jednak pritisku unutar tečnosti.

§ 6.6. Toplota isparavanja

Da li je potrebna energija da se tečnost pretvori u paru? Vjerovatno da! Nije li?

Primetili smo (videti § 6.1) da je isparavanje tečnosti praćeno njenim hlađenjem. Da bi se temperatura tekućine koja isparava održala nepromijenjena, toplina se mora dovoditi izvana. Naravno, sama toplota se može preneti na tečnost iz okolnih tela. Dakle, voda u čaši isparava, ali temperatura vode, nešto niža od temperature okoline, ostaje nepromijenjena. Toplota se prenosi sa vazduha na vodu sve dok sva voda ne ispari.

Za održavanje ključanja vode (ili druge tekućine), također joj se mora kontinuirano dovoditi toplina, na primjer, zagrijavanjem pomoću plamenika. U tom slučaju se temperatura vode i posude ne povećava, već se svake sekunde proizvodi određena količina pare.

Dakle, da bi se tečnost pretvorila u paru isparavanjem ili ključanjem, potreban je unos toplote. Količina topline potrebna da se određena masa tekućine pretvori u paru na istoj temperaturi naziva se toplina isparavanja te tekućine.

Na šta se troši energija dovedena u organizam? Prije svega, povećati svoju unutrašnju energiju tijekom prijelaza iz tekućeg u plinovito stanje: na kraju krajeva, to povećava volumen tvari iz volumena tekućine u volumen zasićene pare. Posljedično, prosječna udaljenost između molekula se povećava, a time i njihova potencijalna energija.

Osim toga, kako se volumen tvari povećava, rad se vrši protiv vanjskih sila pritiska. Ovaj dio topline isparavanja na sobnoj temperaturi obično iznosi nekoliko posto ukupne topline isparavanja.

Toplota isparavanja zavisi od vrste tečnosti, njene mase i temperature. Ovisnost topline isparavanja o vrsti tekućine karakterizira vrijednost koja se naziva specifična toplina isparavanja.

Specifična toplota isparavanja date tečnosti je odnos toplote isparavanja tečnosti i njene mase:

(6.6.1)

Gdje r- specifična toplota isparavanja tečnosti; T- masa tečnosti; Q n- njegova toplota isparavanja. SI jedinica specifične toplote isparavanja je džul po kilogramu (J/kg).

Specifična toplota isparavanja vode je veoma visoka: 2,256·10 6 J/kg na temperaturi od 100 °C. Za ostale tečnosti (alkohol, etar, živa, kerozin itd.) specifična toplota isparavanja je 3-10 puta manja.

stanja materije

Pare gvožđa i čvrsti vazduh

Nije li to čudna kombinacija riječi? Međutim, to uopće nije glupost: i željezna para i čvrsti zrak postoje u prirodi, ali ne sa njima normalnim uslovima.

O kakvim uslovima je reč? Stanje supstance određuju dva faktora: temperatura i pritisak.

Naš život se odvija u relativno malo promenljivim uslovima. Pritisak vazduha fluktuira unutar nekoliko procenata oko jedne atmosfere; temperatura vazduha, recimo, u moskovskoj oblasti kreće se od -30 do +30°C; na apsolutnoj temperaturnoj skali, u kojoj se najniža temperatura uzima kao nula moguća temperatura(-273°C); ovaj interval će izgledati manje impresivno: 240-300 K, što je takođe samo ±10% prosječne vrijednosti.

Sasvim je prirodno da smo navikli na ove uobičajene uslove i zato, kada kažemo jednostavne istine poput: „gvožđe je čvrsta materija, vazduh je gas“ itd., zaboravljamo da dodamo: „kada normalnim uslovima".

Ako zagrijete željezo, ono će se prvo otopiti, a zatim ispariti. Ako se zrak ohladi, prvo će se pretvoriti u tekućinu, a zatim će se stvrdnuti.

Čak i ako se čitalac nikada nije susreo sa gvozdenom parom ili čvrstim vazduhom, verovatno će lako poverovati da se bilo koja supstanca, promenom temperature, može dobiti u čvrstom, tekućem i gasovitom stanju, ili, kako još kažu, u čvrstom, tečnom ili gasovitim fazama.

U to je lako poverovati jer su svi posmatrali jednu supstancu, bez koje bi život na Zemlji bio nemoguć, i u obliku gasa, i kao tečnosti, i u obliku solidan. Naravno, govorimo o vodi.

Pod kojim uslovima dolazi do transformacije materije iz jednog stanja u drugo?

Kipuće

Ako termometar spustimo u vodu koja se sipa u kotlić, upalimo električni šporet i pratimo živu termometra, videćemo sledeće: skoro odmah nivo žive će se povući. Sada je 90, 95 i na kraju 100°C. Voda ključa, a istovremeno prestaje porast žive. Voda je ključala nekoliko minuta, ali se nivo žive nije promenio. Sve dok sva voda ne proključa, temperatura se neće mijenjati (slika 4.1).

Rice. 4.1

Gdje odlazi toplina ako se temperatura vode ne mijenja? Odgovor je očigledan. Proces pretvaranja vode u paru zahtijeva energiju.

Uporedimo energiju grama vode i grama pare koja je nastala iz nje. Molekuli pare se nalaze dalje jedan od drugog od molekula vode. Jasno je da će se zbog toga potencijalna energija vode razlikovati od potencijalne energije pare.

Potencijalna energija privlačenja čestica opada kako se približavaju jedna drugoj. Stoga je energija pare veća od energije vode, a za pretvaranje vode u paru potrebna je energija. Ovaj višak energije električni šporet prenosi u ključalu vodu u kotliću.

Energija potrebna za pretvaranje vode u paru; nazvana toplota isparavanja. Za pretvaranje 1 g vode u paru potrebno je 539 cal (ovo je broj za temperaturu od 100 ° C).

Ako se potroši 539 cal na 1 g, tada će se potrošiti 18*539 = 9700 cal na 1 mol vode. Ova količina toplote se mora potrošiti na razbijanje međumolekulskih veza.

Ovu cifru možete uporediti s količinom rada potrebnog za prekid unutarmolekulskih veza. Da bi se 1 mol vodene pare podijelio na atome, potrebno je oko 220.000 cal, odnosno 25 puta više energije. Ovo direktno dokazuje slabost sila koje vezuju molekule zajedno, u poređenju sa silama koje vuku atome zajedno u molekul.

Zavisnost temperature ključanja od pritiska

Tačka ključanja vode je 100°C; moglo bi se pomisliti da je to inherentno svojstvo vode, da će voda, bez obzira gdje i u kakvim se uslovima nalazi, uvijek ključati na 100°C.

Ali to nije tako, a stanovnici visokoplaninskih sela su toga itekako svjesni.

U blizini vrha Elbrusa nalazi se kuća za turiste i naučna stanica. Početnici se ponekad iznenade "kako je teško skuvati jaje u kipućoj vodi" ili "zašto kipuća voda ne gori". U takvim uslovima kažu da voda na vrhu Elbrusa ključa već na 82°C.

Sta je bilo? Koji fizički faktor ometa pojavu ključanja? Koji je značaj nadmorske visine?

Ovaj fizički faktor je pritisak koji deluje na površinu tečnosti. Ne morate se penjati na vrh planine da biste potvrdili istinitost onoga što je rečeno.

Stavljanjem zagrijane vode ispod zvona i ispumpavanjem ili ispumpavanjem zraka odatle možete osigurati da se tačka ključanja povećava kako se pritisak povećava i smanjuje kako se smanjuje.

Voda ključa na 100°C samo pri određenom pritisku - 760 mm Hg. Art. (ili 1 atm).

Kriva zavisnosti tačke ključanja u odnosu na pritisak prikazana je na Sl. 4.2. Na vrhu Elbrusa pritisak je 0,5 atm, a ovaj pritisak odgovara tački ključanja od 82°C.

Rice. 4.2

Ali voda koja ključa na 10-15 mm Hg. Art., možete se rashladiti po vrućem vremenu. Pri ovom pritisku tačka ključanja će pasti na 10-15°C.

Možete dobiti čak i "ključalu vodu", koja ima temperaturu vode koja se smrzava. Da biste to učinili, morat ćete smanjiti pritisak na 4,6 mm Hg. Art.

Zanimljiva slika se može uočiti ako ispod zvona stavite otvorenu posudu s vodom i ispumpate zrak. Pumpanje će uzrokovati da voda proključa, ali za ključanje je potrebna toplina. Nema ga odakle uzeti, a voda će morati da se odrekne svoje energije. Temperatura kipuće vode će početi da opada, ali kako se pumpanje nastavi, pritisak će takođe pasti. Stoga ključanje neće prestati, voda će se nastaviti hladiti i na kraju smrznuti.

Takav čir hladnom vodom se dešava ne samo pri pumpanju vazduha. Na primjer, kada se propeler broda okreće, pritisak u brzom sloju vode u blizini metalne površine jako opada i voda u ovom sloju ključa, odnosno u njemu se pojavljuju brojni mjehurići ispunjeni parom. Ova pojava se naziva kavitacija (od latinske riječi cavitas - šupljina).

Smanjenjem pritiska snižavamo tačku ključanja. A povećanjem? Grafikon poput našeg daje odgovor na ovo pitanje. Pritisak od 15 atm može odgoditi ključanje vode, ono će početi tek na 200°C, a pritisak od 80 atm će dovesti do ključanja vode tek na 300°C.

Dakle, određeni vanjski pritisak odgovara određenoj tački ključanja. Ali ova se izjava može "okrenuti" ovako: svaka tačka ključanja vode odgovara svom specifičnom pritisku. Ovaj pritisak se zove pritisak pare.

Kriva koja prikazuje tačku ključanja kao funkciju pritiska je takođe kriva pritiska pare u funkciji temperature.

Brojevi ucrtani na grafikonu tačke ključanja (ili na grafikonu pritiska pare) pokazuju da se pritisak pare veoma oštro menja sa temperaturom. Na 0°C (tj. 273 K) pritisak pare je 4,6 mmHg. Art., na 100°C (373 K) jednaka je 760 mm Hg. čl., tj. povećava se 165 puta. Kada se temperatura udvostruči (sa 0°C, tj. 273 K, na 273°C, tj. 546 K), pritisak pare raste sa 4,6 mm Hg. Art. skoro do 60 atm, odnosno otprilike 10.000 puta.

Stoga, naprotiv, tačka ključanja se mijenja s pritiskom prilično sporo. Kada se pritisak dvaput promeni sa 0,5 atm na 1 atm, tačka ključanja se povećava sa 82°C (355 K) na 100°C (373 K), a kada se pritisak udvostruči sa 1 na 2 atm - sa 100°C (373 K) ) do 120°C (393 K).

Ista kriva koju sada razmatramo također kontrolira kondenzaciju (kondenzaciju) pare u vodu.

Para se može pretvoriti u vodu bilo kompresijom ili hlađenjem.

I tokom ključanja i tokom kondenzacije, tačka se neće pomeriti sa krive sve dok se ne završi pretvaranje pare u vodu ili vode u paru. Ovo se može formulisati i na ovaj način: pod uslovima naše krive i samo pod tim uslovima moguć je koegzistencija tečnosti i pare. Ako ne dodajete ili ne uklanjate toplinu, tada će količine pare i tekućine u zatvorenoj posudi ostati nepromijenjene. Za takvu para i tečnost se kaže da su u ravnoteži, a para koja je u ravnoteži sa svojom tečnošću naziva se zasićena.

Kriva ključanja i kondenzacije, kao što vidimo, ima drugo značenje: to je kriva ravnoteže tečnosti i pare. Kriva ravnoteže dijeli polje dijagrama na dva dijela. Lijevo i gore (prema višim temperaturama i nižim pritiscima) je područje stabilnog stanja pare. Desno i dole je oblast stabilnog stanja tečnosti.

Kriva ravnoteže para-tečnost, odnosno kriva zavisnosti tačke ključanja od pritiska ili, što je isto, pritiska pare od temperature, približno je ista za sve tečnosti. U nekim slučajevima promjena može biti nešto nagla, u drugim nešto sporija, ali tlak pare uvijek raste brzo s povećanjem temperature.

Reči „gas“ i „para“ smo već koristili mnogo puta. Ove dvije riječi su prilično jednake. Možemo reći: vodeni gas je vodena para, gas kiseonik je tečna para kiseonika. Ipak, razvila se određena navika kada se koriste ove dvije riječi. Pošto smo navikli na određeni relativno mali temperaturni raspon, obično koristimo riječ "gas" za one tvari čija je elastičnost pare na uobičajenim temperaturama veća od atmosferskog tlaka. Naprotiv, govorimo o pari kada je supstanca na sobnoj temperaturi i atmosferskom pritisku stabilnija u obliku tečnosti.

Isparavanje

Kuhanje je brz proces i za kratko vrijeme od ključale vode ne ostaje ni traga;

Ali postoji još jedan fenomen pretvaranja vode ili druge tekućine u paru - to je isparavanje. Isparavanje se dešava na bilo kojoj temperaturi, bez obzira na pritisak, koji je u normalnim uslovima uvek blizu 760 mmHg. Art. Isparavanje je, za razliku od ključanja, veoma spor proces. Boca kolonjske vode koju smo zaboravili zatvoriti bit će prazna za nekoliko dana; o tanjir s vodom će duže stajati, ali će se prije ili kasnije ispostaviti da je suh.

Vazduh igra glavnu ulogu u procesu isparavanja. Sam po sebi, ne sprečava isparavanje vode. Čim otvorimo površinu tečnosti, molekuli vode će početi da se kreću u najbliži sloj vazduha.

Gustoća pare u ovom sloju će se brzo povećati; Nakon kratkog vremenskog perioda, pritisak pare će postati jednak elastičnosti karakteristike temperature medija. U ovom slučaju, pritisak pare će biti potpuno isti kao u odsustvu vazduha.

Prelazak pare u vazduh ne znači, naravno, povećanje pritiska. Ukupni pritisak u prostoru iznad vodene površine se ne povećava, već se samo povećava udio tog pritiska koji preuzima para, pa se shodno tome smanjuje udio zraka koji se istiskuje parom.

Iznad vode se nalazi para pomešana sa vazduhom, iznad su slojevi vazduha bez pare. Oni će se neizbežno mešati. Vodena para će se kontinuirano kretati u više slojeve, a umjesto nje u donji sloj ulazi zrak koji ne sadrži molekule vode. Stoga će se u sloju najbližem vodi uvijek osloboditi mjesta za nove molekule vode. Voda će neprekidno isparavati, održavajući pritisak vodene pare na površini jednak elastičnosti, a proces će se nastaviti sve dok voda potpuno ne ispari.

Počeli smo s primjerom kolonjske vode i vode. Dobro je poznato da isparavaju različitom brzinom. Eter izuzetno brzo isparava, alkohol dosta brzo, a voda mnogo sporije. Odmah ćemo shvatiti o čemu se ovdje radi ako u priručniku pronađemo vrijednosti tlaka pare ovih tekućina, recimo, na sobnoj temperaturi. Evo brojeva: etar - 437 mm Hg. Art., alkohol - 44,5 mm Hg. Art. i voda - 17,5 mm Hg. Art.

Što je veća elastičnost, to je više pare u susjednom sloju zraka i brže isparava tekućina. Znamo da se pritisak pare povećava sa povećanjem temperature. Jasno je zašto se stopa isparavanja povećava sa zagrijavanjem.

Na brzinu isparavanja može se utjecati i na drugi način. Ako želimo pomoći isparavanju, moramo brzo ukloniti paru iz tekućine, odnosno ubrzati miješanje zraka. Zato se isparavanje uvelike ubrzava uduvavanjem tečnosti. Voda, iako ima relativno nizak pritisak pare, će vrlo brzo nestati ako se tanjir stavi na vjetar.

Stoga je razumljivo zašto plivač koji izađe iz vode osjeća hladnoću na vjetru. Vjetar ubrzava miješanje zraka s parom i, samim tim, ubrzava isparavanje, a ljudsko tijelo je prisiljeno da odustane od topline za isparavanje.

Dobrobit osobe zavisi od toga da li ima puno ili malo vodene pare u vazduhu. Neprijatan je i suv i vlažan vazduh. Vlažnost se smatra normalnom kada iznosi 60%. To znači da je gustina vodene pare 60% gustine zasićene vodene pare na istoj temperaturi.

Ako se vlažan vazduh ohladi, na kraju će pritisak vodene pare u njemu biti jednak pritisku pare na toj temperaturi. Para će postati zasićena i počeće da se kondenzuje u vodu kako temperatura dalje pada. Jutarnja rosa koja vlaži travu i lišće nastaje upravo zbog ove pojave.

Na 20°C gustine zasićene pare voda - oko 0,00002 g/cm3. Osjećat ćemo se dobro ako u zraku ima 60% ovog broja vodene pare - to znači samo nešto više od stohiljaditim dijela grama po 1 cm 3.

Iako je ova brojka mala, to će dovesti do impresivnih količina pare u prostoriji. Nije teško izračunati da u prostoriji srednje veličine s površinom od 12 m2 i visinom od 3 m može "stati" oko kilogram vode u obliku zasićene pare.

To znači da ako se takva prostorija dobro zatvori i stavi otvoreno bure sa vodom, litar vode će ispariti, bez obzira koliki je kapacitet bureta.

Zanimljivo je uporediti ovaj rezultat za vodu sa odgovarajuće brojke za živu. Na istoj temperaturi od 20°C, gustina zasićene živine pare je 10 -8 g/cm 3 .

U prostoriju o kojoj smo upravo govorili, neće stati više od 1 g živine pare.

Inače, živina para je vrlo otrovna, a 1 g živine pare može ozbiljno naštetiti zdravlju bilo koje osobe. Kada radite sa živom, morate osigurati da se ni najmanja kap žive ne prolije.

Kritična temperatura

Kako pretvoriti gas u tečnost? Tabela tačke ključanja odgovara na ovo pitanje. Gas možete pretvoriti u tečnost tako što ćete smanjiti temperaturu ili povećati pritisak.

U 19. veku povećanje pritiska izgledalo je lakši zadatak od snižavanja temperature. Početkom ovog stoljeća, veliki engleski fizičar Michael Farada uspio je komprimirati plinove do vrijednosti tlaka pare i na taj način mnoge plinove (hlor, ugljični dioksid, itd.) pretvoriti u tečnost.

Međutim, neki plinovi - vodonik, dušik, kisik - nisu mogli biti ukapljeni. Koliko god da je pritisak bio povećan, oni se nisu pretvorili u tečnost. Moglo bi se pomisliti da kiseonik i drugi gasovi ne mogu biti tečni. Klasifikovani su kao pravi, ili trajni, gasovi.

Zapravo, neuspjesi su uzrokovani nerazumijevanjem jedne važne okolnosti.

Razmotrimo tečnost i paru u ravnoteži i razmislimo o tome šta se dešava sa njima kako raste tačka ključanja i, naravno, odgovarajući porast pritiska. Drugim riječima, zamislite da se tačka na grafu ključanja kreće prema gore duž krivulje. Jasno je da kako temperatura raste, tečnost se širi, a njena gustina opada. Što se tiče pare, povećava li se tačka ključanja? Naravno, doprinosi njegovom širenju, ali, kao što smo već rekli, pritisak zasićene pare raste mnogo brže od tačke ključanja. Stoga gustina pare ne opada, već se, naprotiv, brzo povećava s povećanjem temperature ključanja.

Pošto se gustina tečnosti smanjuje, a gustina pare povećava, onda ćemo, krećući se „gore“ duž krivulje ključanja, neizbežno doći do tačke u kojoj su gustine tečnosti i pare jednake (slika 4.3).

Rice. 4.3

Na ovoj izuzetnoj tački, koja se zove kritična tačka, kriva ključanja se završava. Pošto su sve razlike između gasa i tečnosti povezane sa razlikom u gustini, na kritičnoj tački svojstva tečnosti i gasa postaju ista. Svaka supstanca ima svoju kritičnu temperaturu i svoj kritični pritisak. Dakle, za vodu kritična tačka odgovara temperaturi od 374 ° C i pritisku od 218,5 atm.

Ako komprimirate gas čija je temperatura ispod kritične temperature, tada će proces njegovog kompresije biti predstavljen strelicom koja prelazi krivulju ključanja (slika 4.4). To znači da će u trenutku dostizanja pritiska koji je jednak pritisku pare (tačka u kojoj strelica seče krivulju ključanja), gas početi da se kondenzuje u tečnost. Da je naša posuda prozirna, tada bismo u ovom trenutku vidjeli početak formiranja sloja tekućine na dnu posude. Pri konstantnom pritisku, sloj tečnosti će rasti sve dok se konačno sav gas ne pretvori u tečnost. Dalja kompresija će zahtijevati povećanje pritiska.

Rice. 4.4

Potpuno drugačija situacija je kada se komprimuje gas čija je temperatura iznad kritične. Proces kompresije se opet može prikazati kao strelica koja ide odozdo prema gore. Ali sada ova strelica ne prelazi krivulju ključanja. To znači da kada se kompresuje, para se neće kondenzovati, već će se samo kontinuirano zbijati.

Na temperaturama iznad kritične temperature, postojanje tečnosti i gasa odvojenih interfejsom je nemoguće: kada se komprimuje do bilo koje gustine, ispod klipa će se nalaziti homogena supstanca i teško je reći kada se može nazvati gasom i kada tečnost.

Prisustvo kritične tačke pokazuje da ne postoji fundamentalna razlika između tečnog i gasovitog stanja. Na prvi pogled može izgledati da takve suštinske razlike nema samo u slučaju kada mi pričamo o temperaturama iznad kritičnih. To, međutim, nije slučaj. Postojanje kritične tačke ukazuje na mogućnost pretvaranja tečnosti - prave tečnosti koja se može sipati u čašu - u gasovito stanje bez ikakvog privida ključanja.

Ovaj put transformacije je prikazan na sl. 4.4. Krstić označava poznatu tečnost. Ako malo snizite pritisak (strelica dole), proključaće, a proključaće i ako malo podignete temperaturu (strelica desno). Ali mi ćemo učiniti nešto sasvim drugo. Tečnost ćemo stisnuti veoma snažno, do pritiska iznad kritičnog. Tačka koja predstavlja stanje tečnosti ići će okomito prema gore. Zatim zagrijavamo tekućinu - ovaj proces će biti prikazan horizontalna linija. Sada, nakon što se nađemo desno od kritične temperature, snižavamo pritisak na prvobitni. Ako sada smanjite temperaturu, možete dobiti najviše prava para, koji bi se iz ove tečnosti mogao dobiti na jednostavniji i kraći način.

Dakle, uvijek je moguće, promjenom tlaka i temperature zaobilazeći kritičnu tačku, dobiti paru kontinuiranim prenošenjem iz tekućine ili tekućine iz pare. Ovaj kontinuirani prijelaz ne zahtijeva ključanje ili kondenzaciju.

Rani pokušaji ukapljivanja gasova kao što su kiseonik, azot i vodonik bili su neuspešni jer nije bilo poznato postojanje kritične temperature. Ovi gasovi imaju veoma niske kritične temperature: azot -147°C, kiseonik -119°C, vodonik -240°C ili 33 K. Rekorder je helijum, njegova kritična temperatura je 4,3 K. Pretvoriti ove gasove u tečnost može samo koristiti na jedan način - potrebno je smanjiti njihovu temperaturu ispod navedene.

Primanje niskih temperatura

Značajno smanjenje temperature može se postići na različite načine. Ali ideja svih metoda je ista: tijelo koje želimo ohladiti moramo prisiliti da troši svoju unutrašnju energiju.

Kako to učiniti? Jedan od načina je da tečnost proključa bez dodavanja toplote izvana. Da bismo to učinili, kao što znamo, moramo smanjiti pritisak - smanjiti ga na vrijednost tlaka pare. Toplota utrošena na ključanje biće posuđena iz tečnosti i temperature tečnosti i pare, a sa njom će opasti i pritisak pare. Dakle, da se ključanje ne bi zaustavilo i da bi se odvijalo brže, vazduh se mora neprekidno ispumpati iz posude sa tečnošću.

Međutim, pad temperature tokom ovog procesa dostiže granicu: elastičnost pare na kraju postaje potpuno beznačajna, a čak ni najmoćnije pumpe ne mogu stvoriti potreban pritisak.

Da bi se nastavilo snižavanje temperature, moguće je hlađenjem gasa sa nastalom tečnošću pretvoriti u tečnost sa nižom tačkom ključanja.

Sada se proces pumpanja može ponoviti sa drugom supstancom i tako postići niže temperature. Ako je potrebno, ovaj “kaskadni” način dobijanja niskih temperatura može se proširiti.

To je upravo ono što su radili krajem prošlog vijeka; Ukapljivanje gasova odvijalo se u fazama: etilen, kiseonik, azot, vodonik - supstance sa tačkama ključanja od -103, -183, -196 i -253°C - uzastopno su pretvarane u tečnost. Sa tečnim vodonikom možete dobiti najnižu kipuću tečnost - helijum (-269°C). Komšija s lijeve strane je pomogao da se dobije komšija s desne strane.

Kaskadna metoda hlađenja stara je skoro stotinu godina. 1877. godine ovim metodom je dobijen tečni vazduh.

Godine 1884-1885 Prvi put je proizveden tečni vodonik. Konačno, još dvadeset godina kasnije, zauzeta je posljednja tvrđava: 1908. godine Kamerlingh Onnes u gradu Leidenu u Holandiji pretvorio je helijum u tečnost - supstancu sa najnižom kritičnom temperaturom. Nedavno je proslavljena 70. godišnjica ovog značajnog naučnog dostignuća.

Laboratorija u Leidenu je dugi niz godina bila jedina laboratorija za niske temperature. Sada u svim zemljama postoje desetine takvih laboratorija, a da ne govorimo o fabrikama koje proizvode tečni vazduh, azot, kiseonik i helijum u tehničke svrhe.

Kaskadna metoda dobivanja niskih temperatura danas se rijetko koristi. IN tehničke instalacije Da bi se snizila temperatura, koristi se još jedan metod za smanjenje unutrašnje energije gasa: oni teraju gas da se brzo širi i proizvode rad koristeći unutrašnju energiju.

Ako se, na primjer, zrak komprimiran na nekoliko atmosfera stavi u ekspander, onda kada se izvrši rad pomicanja klipa ili rotacije turbine, zrak će se tako oštro ohladiti da će se pretvoriti u tekućinu. Ugljični dioksid, ako se brzo oslobodi iz cilindra, hladi se tako oštro da se u hodu pretvara u „led“.

Pronađeni su tečni gasovi široka primena u tehnologiji. Tečni kiseonik se koristi u eksplozivnoj tehnici, kao komponenta mešavine goriva u mlaznim motorima.

Ukapljivanje zraka koristi se u tehnologiji za odvajanje plinova koji čine zrak.

U raznim oblastima tehnologije potrebno je raditi na temperaturi tečnog zraka. Ali za mnoge fizičke studije ova temperatura nije dovoljno niska. Zaista, ako stepene Celzijusa pretvorimo u apsolutnu skalu, vidjet ćemo da je temperatura tekućeg zraka približno 1/3 sobne temperature. Za fiziku su mnogo interesantnije temperature “vodika”, odnosno temperature reda 14-20 K, a posebno temperature “helijuma”. Najniža temperatura dobijena pumpanjem tečnog helijuma je 0,7 K.

Fizičari su uspjeli da se približe apsolutnoj nuli. Sada su dobijene temperature koje prelaze apsolutnu nulu za samo nekoliko hiljaditih dela stepena. Međutim, ove ultra niske temperature se postižu na načine koji nisu slični onima koje smo opisali gore.

IN poslednjih godina fizika niskih temperatura stvorila je posebnu granu industrije koja se bavi proizvodnjom opreme koja omogućava održavanje velikih količina na temperaturama blizu apsolutne nule; Razvijeni su energetski kablovi čije provodne sabirnice rade na temperaturama ispod 10 K.

Prehlađena para i pregrijana tečnost

Kada para pređe tačku ključanja, mora se kondenzovati i pretvoriti u tečnost. Kako god,; Ispostavlja se da ako para ne dođe u dodir s tekućinom i ako je para vrlo čista, onda je moguće dobiti prehlađenu ili „prezasićenu paru – paru koja je odavno trebala postati tekućina.

Prezasićena para je vrlo nestabilna. Ponekad je pritisak ili zrno pare bačeno u svemir dovoljni da započne kondenzacija.

Iskustvo pokazuje da je zgušnjavanje molekula pare uvelike olakšano unošenjem malih stranih čestica u paru. U prašnjavom vazduhu ne dolazi do prezasićenja vodene pare. Kondenzaciju mogu uzrokovati oblaci dima. Uostalom, dim se sastoji od malih čvrstih čestica. Jednom u paru, ove čestice skupljaju molekule oko sebe i postaju centri kondenzacije.

Dakle, iako nestabilna, para može postojati u temperaturnom opsegu pogodnom za „život“ tečnosti.

Može li tečnost "živjeti" u parnom području pod istim uslovima? Drugim riječima, da li je moguće pregrijati tekućinu?

Ispostavilo se da je to moguće. Da biste to učinili, morate osigurati da molekuli tekućine ne silaze s površine. Radikalan lijek je uklanjanje slobodne površine, odnosno stavljanje tekućine u posudu gdje bi je sa svih strana stisnuli čvrsti zidovi. Na ovaj način moguće je postići pregrijavanje reda od nekoliko stepeni, odnosno pomjeriti tačku koja predstavlja stanje tečnosti udesno od krive ključanja (slika 4.4).

Pregrijavanje je pomak tečnosti u parni prostor, tako da se pregrijavanje tečnosti može postići i dodavanjem toplote i smanjenjem pritiska.

Posljednja metoda može postići zadivljujuće rezultate. Voda ili druga tekućina, pažljivo oslobođena od otopljenih plinova (ovo nije lako učiniti), stavlja se u posudu s klipom koji dopire do površine tekućine. Posuda i klip moraju biti navlaženi tečnošću. Ako sada povučete klip prema sebi, voda zalijepljena za dno klipa će ga pratiti. Ali sloj vode koji se drži klipa povući će sljedeći sloj vode sa sobom, ovaj sloj će povući onaj koji leži ispod, kao rezultat toga tečnost će se rastegnuti.

Na kraju će se stub vode slomiti (od klipa će se odvojiti stub vode, a ne voda), ali to će se dogoditi kada sila po jedinici površine dosegne desetine kilograma. Drugim riječima, u tekućini se stvara negativan tlak od desetina atmosfera.

Čak i pri niskim pozitivnim pritiscima stanje pare supstance je stabilno. I tečnost se može dovesti do negativnog pritiska. Više sjajan primjer do "pregrijavanja" je teško doći.

Topljenje

Ne postoji čvrsto tijelo koje može izdržati povećanje temperature koliko god je to moguće. Prije ili kasnije čvrsti komad se pretvara u tekućinu; tačno, u nekim slučajevima nećemo moći da dostignemo tačku topljenja - može doći do hemijskog raspadanja.

Kako temperatura raste, molekuli se kreću sve intenzivnije. Konačno, dolazi do trenutka kada je održavanje reda među molekulama koje se jako ljuljaju nemoguće su takođe niskotopljivi metali, kao što je poznato, topi se na temperaturi od -39°C. Naftalen se topi na -94,5°C.

Nije nimalo teško izmjeriti tačku topljenja tijela, pogotovo ako se ono topi u temperaturnom rasponu mjerenom običnim termometrom. Uopšte nije potrebno očima pratiti tijelo koje se topi. Samo pogledajte živin stupac termometra. Dok ne počne topljenje, telesna temperatura raste (slika 4.5). Kada počne topljenje, povećanje temperature se zaustavlja i temperatura će ostati ista dok se proces topljenja ne završi.

Rice. 4.5

Poput pretvaranja tečnosti u paru, pretvaranje čvrste supstance u tečnost zahteva toplotu. Toplina potrebna za to naziva se latentna toplina fuzije. Na primjer, za otapanje jednog kilograma leda potrebno je 80 kcal.

Led je jedno od tijela s visokom toplinom fuzije. Za topljenje leda potrebno je, na primjer, 10 puta više energije nego za otapanje iste mase olova. Naravno, govorimo o samom topljenju, ovdje ne kažemo da prije nego što se olovo počne topiti, mora se zagrijati na +327°C. Zbog velike toplote topljenja leda otapanje snijega se usporava. Zamislite da bi toplota topljenja bila 10 puta manja. Tada bi proljetne poplave svake godine dovele do nezamislivih katastrofa.

Dakle, toplota topljenja leda je velika, ali je i mala u poređenju sa specifičnom toplotom isparavanja od 540 kcal/kg (sedam puta manje). Međutim, ova razlika je sasvim prirodna. Prilikom pretvaranja tekućine u paru, moramo odvojiti molekule jedne od drugih, ali pri topljenju moramo samo uništiti red u rasporedu molekula, ostavljajući ih na gotovo istim udaljenostima. Jasno je da drugi slučaj zahtijeva manje posla.

Prisustvo određene tačke topljenja je važna karakteristika kristalnih supstanci. Po ovoj osobini se mogu lako razlikovati od drugih čvrstih materija koje se nazivaju amorfne ili staklene. Stakla se nalaze i među neorganskim i organska materija. Prozorsko staklo se obično izrađuje od natrijum i kalcijum silikata; Organsko staklo se često stavlja na radni sto (koji se naziva i pleksiglas).

Amorfne supstance, za razliku od kristala, nemaju određenu tačku topljenja. Staklo se ne topi, već omekšava. Kada se zagrije, komad stakla prvo postaje mekan od tvrdog, lako se može saviti ili rastegnuti; na višoj temperaturi, komad počinje mijenjati svoj oblik pod utjecajem vlastite gravitacije. Kako se zagrijava, gusta viskozna masa stakla poprima oblik posude u kojoj leži. Ova masa je prvo gusta, poput meda, zatim poput kisele pavlake, a na kraju postaje skoro ista tečnost niske viskoznosti kao voda. Čak i kada bismo hteli, ne možemo ovde navesti određenu temperaturu za prelazak čvrste supstance u tečnost. Razlozi za to leže u fundamentalnoj razlici između strukture stakla i strukture kristalnih tijela. Kao što je gore spomenuto, atomi u amorfna tela raspoređeni nasumično. Stakla su po strukturi slične tečnostima. Već u čvrstom staklu, molekule su raspoređene nasumično. To znači da povećanje temperature stakla samo povećava opseg vibracija njegovih molekula, dajući im postepeno sve veću slobodu kretanja. Zbog toga staklo postepeno omekšava i ne detektuje nagli prelaz"čvrsto" - "tečno", karakteristično za prelazak sa rasporeda molekula u strogom redu u neuređeni raspored.

Kada smo govorili o krivulji ključanja, rekli smo da tečnost i para mogu, iako u nestabilnom stanju, živjeti u stranim područjima - para se može prehlađena i prenijeti lijevo od krive ključanja, tečnost se može pregrijati i povući udesno ove krive.

Jesu li slične pojave moguće u slučaju kristala s tekućinom? Ispada da je analogija ovdje nepotpuna.

Ako zagrijete kristal, on će se početi topiti na tački topljenja. Neće biti moguće pregrijati kristal. Naprotiv, hlađenjem tečnosti, ako preduzmete neke mere, relativno je lako „prebaciti“ tačku topljenja. U nekim tečnostima moguće je postići veliku hipotermiju. Postoje čak i tečnosti koje je lako ohladiti, ali ih je teško učiniti da kristalizuju. Kako se takva tečnost hladi, postaje sve viskoznija i konačno se stvrdnjava bez kristalizacije. To je staklo.

Vodu možete i super ohladiti. Kapljice magle se možda neće smrznuti čak ni kada jaki mrazevi. Ako u prehlađenu tekućinu ubacite kristal tvari - sjeme, kristalizacija će odmah početi.

Konačno, u mnogim slučajevima odgođena kristalizacija može početi trešenjem ili drugim slučajnim događajima. Poznato je, na primjer, da je kristalni glicerol prvi put dobijen tokom transporta željeznica. Nakon dužeg stajanja, staklo može početi kristalizirati (devitificirati, ili se „urušiti“, kako se kaže u tehnologiji).

Kako uzgajati kristal

Gotovo svaka tvar može dati kristale pod određenim uvjetima. Kristali se mogu dobiti iz rastvora ili iz taline date supstance, kao i iz njene pare (na primer, crni kristali joda u obliku dijamanta lako ispadaju iz njene pare kada normalan pritisak bez međuprelaska u tečno stanje).

Počnite da otapate kuhinjsku so ili šećer u vodi. Na sobnoj temperaturi (20°C) možete rastvoriti samo 70 g soli u fasetiranoj čaši. Daljnji dodaci soli neće se otopiti i taložit će se na dnu u obliku sedimenta. Otopina u kojoj više ne dolazi do daljnjeg rastvaranja naziva se zasićena. .Ako promenite temperaturu, promeniće se i stepen rastvorljivosti supstance. Svi znaju da topla voda rastvara većinu tvari mnogo lakše od hladne vode.

Zamislite sada da ste pripremili zasićeni rastvor, recimo, šećera na temperaturi od 30°C i počeli da ga hladite na 20°C. Na 30°C ste mogli da rastvorite 223 g šećera u 100 g vode, na 20°C rastvorenih 205 g Zatim će, kada se ohladi od 30 do 20°C, 18 g ispasti “ekstra” i, kako kažu, ispasti će iz rješenja. Dakle, jedan mogući način za dobijanje kristala je hlađenje zasićene otopine.

Možete to učiniti drugačije. Pripremite zasićeni rastvor soli i ostavite ga u otvorenoj čaši. Nakon nekog vremena primijetit ćete pojavu kristala. Zašto su formirani? Pažljivo promatranje će pokazati da se istovremeno s formiranjem kristala dogodila još jedna promjena - količina vode se smanjila. Voda je isparila, a u otopini je bila "dodatna" supstanca. Dakle, onaj drugi mogući način formiranje kristala je isparavanje rastvora.

Kako dolazi do formiranja kristala iz rastvora?

Rekli smo da kristali "ispadaju" iz rastvora; Treba li ovo shvatiti kao da kristal nije bio tu nedelju dana, a u jednom trenutku se iznenada pojavio? Ne, to nije slučaj: kristali rastu. Naravno, nemoguće je okom uočiti prve trenutke rasta. Isprva, nekoliko nasumično pokretnih molekula ili atoma otopljene tvari skupi se otprilike redoslijedom potrebnim za formiranje kristalne rešetke. Takva grupa atoma ili molekula naziva se jezgrom.

Iskustvo pokazuje da se jezgra češće formiraju u prisustvu bilo kakvih stranih sitnih čestica prašine u otopini. Kristalizacija počinje najbrže i najlakše kada se mali kristal za sjeme stavi u zasićenu otopinu. U ovom slučaju, oslobađanje čvrste tvari iz otopine neće se sastojati u formiranju novih kristala, već u rastu sjemena.

Rast embriona se, naravno, ne razlikuje od rasta sjemena. Smisao upotrebe sjemena je da ono "povuče" oslobođenu supstancu na sebe i tako spriječi istovremeno stvaranje veliki broj embrioni. Ako se formira puno jezgara, one će se međusobno ometati tokom rasta i neće nam dozvoliti da dobijemo velike kristale.

Kako su dijelovi atoma ili molekula oslobođeni iz otopine raspoređeni po površini embrija?

Iskustvo pokazuje da se rast embrija ili sjemena sastoji, takoreći, od pomicanja lica paralelnih sa sobom u smjeru okomitom na lice. U ovom slučaju, uglovi između strana ostaju konstantni (već znamo da je konstantnost uglova najvažnija karakteristika kristala, koja proizlazi iz njegove strukture rešetke).

Na sl. Slika 4.6 prikazuje obrise tri kristala iste supstance tokom njihovog rasta. Slične slike se mogu posmatrati pod mikroskopom. U slučaju prikazanom na lijevoj strani, broj lica se održava tokom rasta. Srednja slika daje primjer pojavljivanja novog lica (gore desno) i ponovnog nestajanja.

Rice. 4.6

Vrlo je važno napomenuti da brzina rasta lica, odnosno brzina njihovog paralelnog kretanja, nije ista za različita lica. U ovom slučaju „prerastu“ (nestaju) upravo oni rubovi koji se najbrže kreću, na primjer, donji lijevi rub na srednjoj slici. Naprotiv, polako rastuće ivice ispadaju najšire i, kako kažu, najrazvijenije.

Ovo je posebno jasno vidljivo na posljednjoj slici. Bezoblični fragment dobija isti oblik kao i drugi kristali upravo zbog anizotropije brzine rasta. Određene fasete se najjače razvijaju na račun drugih i daju kristalu oblik karakterističan za sve uzorke ove tvari.

Vrlo lijepe prijelazne forme uočavaju se kada se kao sjemenka uzme kuglica, a otopina se naizmenično lagano hladi i zagrijava. Kada se zagrije, otopina postaje nezasićena i sjeme se djelomično otapa. Hlađenje dovodi do zasićenja rastvora i rasta semena. Ali molekuli se talože drugačije, kao da daju prednost određenim mjestima. Supstanca se tako prenosi s jednog mjesta lopte na drugo.

Prvo se na površini lopte pojavljuju mali rubovi u obliku krugova. Krugovi se postupno povećavaju i, dodirujući jedan drugog, spajaju se duž ravnih rubova. Lopta se pretvara u poliedar. Tada neka lica nadmašuju druge, neka od lica zarastu i kristal dobija svoj karakterističan oblik (slika 4.7).

Rice. 4.7

Kada se posmatra rast kristala, zapanji se glavna karakteristika rasta - paralelno kretanje lica. Ispada da oslobođena tvar gradi rub u slojevima: dok se jedan sloj ne završi, sljedeći se ne počinje graditi.

Na sl. Slika 4.8 prikazuje “nedovršeno” pakovanje atoma. U kojoj će se poziciji sa slovima novi atom najčvršće držati kada je pričvršćen za kristal? Bez sumnje, u A, jer ovde doživljava privlačnost komšija sa tri strane, dok u B - sa dve, a u C - samo sa jedne strane. Dakle, prvo se završava stub, zatim cela ravan, a tek onda počinje polaganje nove ravni.

Rice. 4.8

U nizu slučajeva kristali se formiraju iz rastopljene mase - iz taline. U prirodi se to događa u ogromnim razmjerima: bazalti, graniti i mnoge druge stijene nastale su iz vatrene magme.

Počnimo zagrijavati neku kristalnu supstancu, kao što je kamena sol. Do 804°C kristali kamene soli će se malo promijeniti: samo se malo šire, a supstanca ostaje čvrsta. Merač temperature postavljen u posudu sa supstancom pokazuje kontinuirano povećanje temperature kada se zagreva. Na 804°C odmah ćemo otkriti dva nova, međusobno povezana fenomena: supstanca će se početi topiti, a porast temperature će prestati. Sve dok se sva supstanca ne pretvori u tečnost; temperatura se neće promeniti; dalji porast temperature znači zagrevanje tečnosti. Sve kristalne supstance imaju određenu tačku topljenja. Led se topi na 0°C, gvožđe - na 1527°C, živa - na -39°C, itd.

Kao što već znamo, u svakom kristalu atomi ili molekuli supstance formiraju uređeno G pakovanje i vrše male vibracije oko svojih prosečnih pozicija. Kako se tijelo zagrijava, brzina oscilirajućih čestica raste zajedno s amplitudom oscilacija. Ovo povećanje brzine kretanja čestica sa porastom temperature predstavlja jedan od osnovnih zakona prirode, koji se odnosi na materiju u bilo kom stanju – čvrstom, tečnom ili gasovitom.

Kada se dostigne određeni nivo, to je dovoljno toplota kristala, vibracije njegovih čestica postaju toliko energične da uredan raspored čestica postaje nemoguć - kristal se topi. S početkom topljenja, dovedena toplina više ne ide na povećanje brzine čestica, već na uništavanje kristalne rešetke. Zbog toga prestaje porast temperature. Naknadno zagrijavanje je povećanje brzine čestica tekućine.

U slučaju kristalizacije iz taline koja nas zanima, gore opisane pojave se posmatraju obrnutim redosledom: kako se tečnost hladi, njene čestice usporavaju svoje haotično kretanje; po dostizanju određene, dovoljno niske temperature, brzina čestica je već toliko mala da se neke od njih, pod uticajem privlačnih sila, počinju vezivati ​​jedna za drugu, formirajući kristalna jezgra. Sve dok sva tvar ne kristalizira, temperatura ostaje konstantna. Ova temperatura je obično ista kao tačka topljenja.

Ako se ne preduzmu posebne mjere, kristalizacija iz taline će početi na više mjesta odjednom. Kristali će rasti u obliku pravilnih, karakterističnih poliedara na potpuno isti način kao što smo opisali gore. Međutim, slobodni rast ne traje dugo: kako kristali rastu, oni se sudaraju jedni s drugima, na mjestima dodira rast se zaustavlja, a očvrsnuto tijelo dobiva granularnu strukturu. Svako zrno je zaseban kristal koji nije poprimio pravi oblik.

U zavisnosti od mnogih uslova, a prvenstveno od brzine hlađenja, čvrsta materija može imati više ili manje krupna zrna: što je hlađenje sporije, to su zrna veća. Veličina zrna kristalnih tijela kreće se od milionitog dijela centimetra do nekoliko milimetara. U većini slučajeva, granularna kristalna struktura se može posmatrati pod mikroskopom. Čvrste tvari obično imaju upravo takvu fino-kristalnu strukturu.

Proces očvršćavanja metala je od velikog interesa za tehnologiju. Fizičari su izuzetno detaljno proučavali događaje koji se dešavaju tokom livenja i tokom stvrdnjavanja metala u kalupima.

Uglavnom, kada se očvrsnu, rastu monokristali nalik drvetu, koji se nazivaju dendriti. U drugim slučajevima, dendriti su orijentirani nasumično, u drugim slučajevima - paralelno jedan s drugim.

Na sl. Slika 4.9 prikazuje faze rasta jednog dendrita. Ovakvim ponašanjem, dendrit može prerasti prije nego što se susreće sa drugim sličnim. Tada nećemo naći dendrite u odljevku. Događaji se mogu razvijati i različito: dendriti se mogu sresti i prerasti jedni u druge (grane jednog u prostore između grana drugog) dok su još „mladi“.

Rice. 4.9

Tako mogu nastati odljevci čija zrna (prikazana na slici 2.22) imaju vrlo različite strukture. A svojstva metala značajno ovise o prirodi ove strukture. Možete kontrolisati ponašanje metala tokom skrućivanja promenom brzine hlađenja i sistema za odvođenje toplote.

Sada razgovarajmo o tome kako uzgajati veliki monokristal. Jasno je da se moraju poduzeti mjere kako bi se osiguralo da kristal raste s jednog mjesta. A ako je nekoliko kristala već počelo rasti, onda je u svakom slučaju potrebno osigurati da uvjeti rasta budu povoljni samo za jedan od njih.

Evo, na primjer, šta radite kada uzgajate kristale: topljivi metali. Metal se topi u staklenoj epruveti sa izvučenim krajem. Epruveta obješena na navoj unutar vertikalne cilindrične peći polako se spušta prema dolje. Izvučeni kraj postepeno napušta rernu i hladi se. Kristalizacija počinje. U početku se formira nekoliko kristala, ali oni koji rastu postrance naslanjaju se na zid epruvete i njihov rast se usporava. Samo kristal koji raste duž ose epruvete, odnosno duboko u talinu, biće u povoljnim uslovima. Kako se epruveta spušta, novi dijelovi taline koji ulaze u područje niske temperature "hranit će" ovaj monokristal. Stoga, od svih kristala, on je jedini koji preživi; kako se epruveta spušta, ona nastavlja rasti duž svoje ose. Na kraju se sav rastopljeni metal stvrdne u jedan kristal.

Ista ideja je u osnovi uzgoja vatrostalnih kristala rubina. Fini prah supstance se raspršuje kroz plamen. Prahovi se tope; sićušne kapi padaju na vatrostalni nosač vrlo male površine, formirajući mnogo kristala. Kako kapi nastavljaju da padaju na postolje, rastu svi kristali, ali opet raste samo onaj koji je u najpovoljnijoj poziciji da „primi“ padajuće kapi.

Za šta su potrebni veliki kristali?

Industriji i nauci su često potrebni veliki pojedinačni kristali. Od velike važnosti za tehnologiju su kristali Rochelle soli i kvarca, koji imaju izvanredno svojstvo pretvaranja mehaničkih djelovanja (na primjer, pritiska) u električni napon.

Optičkoj industriji su potrebni veliki kristali kalcita, kamene soli, fluorita itd.

Industriji satova su potrebni kristali rubina, safira i nekih drugih drago kamenje. Činjenica je da pojedinačni pokretni dijelovi običnog sata stvaraju do 20.000 vibracija na sat. Tako veliko opterećenje postavlja neuobičajeno visoke zahtjeve za kvalitetu vrhova osovina i ležajeva. Abrazija će biti najmanja kada je ležaj za vrh osovine promjera 0,07-0,15 mm rubin ili safir. Umjetni kristali ovih supstanci su vrlo izdržljivi i vrlo se malo brišu čelikom. Izvanredno je da se umjetno kamenje pokazalo boljim od istog prirodnog kamenja.

Ipak, najveći značaj za industriju je uzgoj monokristala poluvodiča - silicija i germanija.

Utjecaj pritiska na tačku topljenja

Ako promenite pritisak, promeniće se i tačka topljenja. Naišli smo na isti obrazac kada smo govorili o ključanju. Što je pritisak veći; što je viša tačka ključanja. Ovo općenito vrijedi i za topljenje. Međutim, postoji mali broj tvari koje se ponašaju anomalno: njihova tačka topljenja opada s povećanjem pritiska.

Činjenica je da je velika većina čvrstih materija gušća od svojih tečnih kolega. Izuzetak od ovog pravila su upravo one tvari čija se tačka topljenja mijenja s promjenom tlaka na neobičan način, na primjer voda. Led je lakši od vode, a tačka topljenja leda se smanjuje kako pritisak raste.

Kompresija potiče stvaranje gušćeg stanja. Ako je čvrsta materija gušća od tečnosti, kompresija pomaže u očvršćavanju i sprečava topljenje. Ali ako je taljenje otežano kompresijom, to znači da supstanca ostaje čvrsta, dok bi se prethodno na ovoj temperaturi već otopila, tj. sa povećanjem pritiska temperatura topljenja raste. U anomalnom slučaju, tečnost je gušća od čvrste materije, a pritisak pomaže nastanku tečnosti, odnosno snižava tačku topljenja.

Utjecaj pritiska na tačku topljenja je mnogo manji od sličnog efekta na ključanje. Povećanje pritiska za više od 100 kgf/cm2 snižava tačku topljenja leda za 1°C.

Zašto klizaljke klizaju samo po ledu, ali ne i po jednako glatkom parketu? Očigledno, jedino objašnjenje je stvaranje vode, koja podmazuje klizaljku. Da biste razumjeli kontradikciju koja je nastala, morate zapamtiti sljedeće: glupe klizaljke vrlo slabo klize po ledu. Klizaljke se moraju naoštriti kako bi mogle sjeći led. U ovom slučaju, samo vrh ivice klizaljke pritiska na led. Pritisak na led dostiže desetine hiljada atmosfera, ali led se i dalje topi.

Isparavanje čvrstih materija

Kada kažu „supstanca isparava“, obično misle da tečnost isparava. Ali čvrste materije takođe mogu da ispare. Ponekad se isparavanje čvrstih materija naziva sublimacija.

Čvrsta tvar koja isparava je, na primjer, naftalen. Naftalen se topi na 80°C i isparava na sobnoj temperaturi. Upravo ovo svojstvo naftalena omogućava da se koristi za istrebljenje moljaca.

Krzneni kaput prekriven naftalinom zasićen je parama naftalina i stvara atmosferu koju moljci ne mogu tolerirati. Svaka mirisna čvrsta sublimira u značajnoj mjeri. Uostalom, miris stvaraju molekuli koji se odvajaju od supstance i dospevaju u naš nos. Međutim, češći slučajevi su kada se supstanca sublimira u malom stepenu, ponekad u stepenu koji se ne može otkriti čak ni vrlo pažljivim istraživanjem. U principu, svaka čvrsta tvar (bilo koja, čak i željezo ili bakar) isparava. Ako ne otkrijemo sublimaciju, to samo znači da je gustina zasićene pare vrlo neznatna.

Možete provjeriti da brojne tvari koje imaju oštar miris na sobnoj temperaturi gube ga na niskim temperaturama.

Gustoća zasićene pare u ravnoteži sa čvrstim materijalom brzo raste sa porastom temperature. Ovo ponašanje ilustrujemo krivuljom leda prikazanom na Sl. 4.10. Istina je da led ne miriše...

Rice. 4.10

U većini slučajeva nemoguće je značajno povećati gustinu zasićene pare čvrstog tijela iz jednostavnog razloga - tvar će se ranije rastopiti.

Led takođe isparava. To dobro znaju domaćice koje po hladnom vremenu vješaju mokri veš da se suši." Voda se prvo smrzne, a zatim led ispari, a veš se ispostavi da je suv.

Triple point

Dakle, postoje uslovi pod kojima para, tečnost i kristal mogu postojati u parovima u ravnoteži. Mogu li sva tri stanja biti u ravnoteži? Takva tačka na dijagramu pritisak-temperatura postoji, naziva se trostruka. Gdje je?

Ako vodu sa plutajućim ledom stavite u zatvorenu posudu na nula stepeni, onda slobodan prostor vodena (i "ledena") para će početi da teče. Pri pritisku pare od 4,6 mm Hg. Art. isparavanje će prestati i zasićenje će početi. Sada će tri faze - led, voda i para - biti u stanju ravnoteže. Ovo je trostruka tačka.

Odnosi između različitih stanja su jasno i jasno prikazani dijagramom za vodu prikazanom na Sl. 4.11.

Rice. 4.11

Takav dijagram se može konstruirati za bilo koje tijelo.

Krive na slici su nam poznate - to su krive ravnoteže između leda i pare, leda i vode, vode i pare. Pritisak se iscrtava vertikalno, kao i obično, temperatura je iscrtana horizontalno.

Tri krive se seku u trostrukoj tački i dele dijagram na tri regiona - životni prostor leda, vode i vodene pare.

Dijagram stanja je sažeta referenca. Njegov cilj je da odgovori na pitanje kakvo je stanje tijela stabilno na takvom i takvom pritisku i toj i takvoj temperaturi.

Ako se voda ili para stave u uslove „lijevog regiona“, oni će postati led. Ako dodate tečnost ili čvrstu materiju u „donji deo“, dobićete paru. U "desnom dijelu" para će se kondenzirati i led će se otopiti.

Dijagram postojanja faza omogućava vam da odmah odgovorite šta će se dogoditi sa supstancom kada se zagrije ili komprimira. Zagrijavanje pri konstantnom pritisku je na dijagramu prikazano vodoravnom linijom. Tačka koja predstavlja stanje tijela kreće se duž ove linije s lijeva na desno.

Na slici su prikazane dvije takve linije, jedna od njih se zagrijava pri normalnom tlaku. Prava leži iznad trostruke tačke. Stoga će prvo presjeći krivulju topljenja, a zatim, van crteža, krivulju isparavanja. Led pri normalnom pritisku će se otopiti na temperaturi od 0°C, a nastala voda će ključati na 100°C.

Situacija će biti drugačija za led koji se zagrijava na vrlo niskom pritisku, recimo nešto ispod 5 mmHg. Art. Proces grijanja je prikazan linijom koja ide ispod trostruke tačke. Krivulje topljenja i ključanja se ne sijeku sa ovom linijom. Pri tako niskom pritisku, zagrijavanje će dovesti do direktnog prijelaza leda u paru.

Na sl. 4.12 isti dijagram pokazuje šta zanimljiv fenomenće se dogoditi kada se vodena para komprimuje u stanju označenom križićem na slici. Para će se prvo pretvoriti u led, a zatim se otopiti. Crtež vam omogućava da odmah kažete pod kojim pritiskom će kristal početi rasti i kada će doći do topljenja.

Rice. 4.12

Fazni dijagrami svih supstanci su međusobno slični. Velike, sa svakodnevnog gledišta, razlike nastaju zbog činjenice da lokacija trostruke tačke na dijagramu može biti na različite supstance najraznovrsniji.

Na kraju krajeva, mi postojimo blizu „normalnih uslova“, odnosno prvenstveno pod pritiskom blizu jedne atmosfere. Za nas je veoma važno kako se trostruka tačka neke supstance nalazi u odnosu na liniju normalnog pritiska.

Ako je pritisak na trostrukoj tački manji od atmosferskog, tada se za nas, koji živimo u "normalnim" uvjetima, tvar klasificira kao topi. Kako temperatura raste, prvo se pretvara u tekućinu, a zatim proključa.

U suprotnom slučaju - kada je pritisak na trostrukoj tački veći od atmosferskog - nećemo vidjeti tekućinu kada se zagrije, čvrsta tvar će se direktno pretvoriti u paru. Tako se ponaša "suhi led", što je vrlo zgodno za prodavce sladoleda. Brikete sladoleda možete prenijeti komadićima "suvog leda" i ne plašiti se da će sladoled postati mokar. "Suhi led" je čvrsti ugljen dioksid C0 2. Trostruka tačka ove supstance leži na 73 atm. Stoga, kada se čvrsti CO 2 zagrije, tačka koja predstavlja njegovo stanje pomiče se horizontalno, sijekući samo krivu isparavanja čvrste tvari (isto kao kod običnog leda pri pritisku od oko 5 mm Hg).

Čitaocu smo već rekli kako se jedan stepen temperature određuje na Kelvinovoj skali, ili, kako sada sistem SI zahteva da kažemo, jedan kelvin. Međutim, radilo se o principu određivanja temperature. Nemaju svi mjeriteljski instituti idealne plinske termometre. Stoga se temperaturna skala gradi korištenjem ravnotežnih tačaka koje je priroda fiksirala između različitih stanja materije.

Trostruka tačka vode u tome igra posebnu ulogu. Stepen Kelvina je sada definiran kao 273,16. dio termodinamičke temperature trostruke tačke vode. Trostruka tačka kiseonika se uzima kao 54,361 K. Temperatura očvršćavanja zlata je postavljena na 1337,58 K. Koristeći ove referentne tačke, svaki termometar se može precizno kalibrisati.

Isti atomi, ali... različiti kristali

Mat crni mekani grafit kojim pišemo i sjajni prozirni čvrsti dijamant za rezanje stakla izgrađeni su od istih atoma ugljika. Zašto su svojstva ove dvije identične supstance toliko različita?

Razmotrimo rešetku slojevitog grafita, čiji svaki atom ima tri najbliža susjeda, i rešetku dijamanta, čiji atom ima četiri najbliža susjeda. Ovaj primjer jasno pokazuje da su svojstva kristala određena relativnim rasporedom atoma. Vatrootporne lončiće izrađuju se od grafita koji može izdržati temperature do dvije do tri hiljade stepeni, a dijamant gori na temperaturama iznad 700°C; gustina dijamanta je 3,5, a grafita - 2,3; grafit provodi struju, dijamant ne, itd.

Nije samo ugljik taj koji ima ovo svojstvo proizvodnje različitih kristala. Skoro svaki hemijski element, i ne samo element, već i bilo koja hemijska supstanca, može postojati u nekoliko varijanti. Postoji šest vrsta leda, devet vrsta sumpora i četiri vrste gvožđa.

Kada smo razgovarali o dijagramu stanja, nismo razgovarali o tome različite vrste kristale i nacrtao jednu oblast čvrste supstance. I ovo područje za mnoge tvari podijeljeno je na dijelove, od kojih svaki odgovara određenoj "vrsti" čvrste tvari ili, kako kažu, određenoj čvrstoj fazi (određena kristalna modifikacija).

Svaka kristalna faza ima svoje područje stabilnog stanja, ograničeno određenim rasponom pritisaka i temperatura. Zakoni transformacije jedne kristalne varijante u drugu su isti kao i zakoni topljenja i isparavanja.

Za svaki pritisak možete odrediti temperaturu na kojoj će obje vrste kristala mirno koegzistirati. Ako povećate temperaturu, kristal jedne vrste će se pretvoriti u kristal druge vrste. Ako snizite temperaturu, doći će do obrnute transformacije.

Da bi crveni sumpor postao žut pri normalnom pritisku, potrebna je temperatura ispod 110°C. Iznad ove temperature, do tačke topljenja, red rasporeda atoma karakterističan za crveni sumpor je stabilan. Temperatura pada, vibracije atoma se smanjuju i, počevši od 110°C, priroda pronalazi pogodniji raspored atoma. Dolazi do transformacije jednog kristala u drugi.

Šest različiti ledovi niko nije smislio imena. Tako kažu: led jedan, led dva, .... led sedam. Šta kažete na sedam ako postoji samo šest varijanti? Činjenica je da led četiri nije otkriven tokom ponovljenih eksperimenata.

Ako komprimirate vodu na temperaturi blizu nule, tada se pri pritisku od oko 2000 atm formira led pet, a pri pritisku od oko 6000 atm led šest.

Led dva i led tri su stabilni na temperaturama ispod nula stepeni.

Led sedam je vrući led; javlja se tokom kompresije vruća voda do pritisaka od oko 20.000 atm.

Sav led, osim običnog, teži je od vode. Led proizveden u normalnim uslovima ponaša se nenormalno; naprotiv, led dobijen u uslovima drugačijim od norme ponaša se normalno.

Kažemo da svaku kristalnu modifikaciju karakteriše određeni region postojanja. Ali ako je tako, kako onda grafit i dijamant postoje pod istim uslovima?

Takvo „bezakonje“ se vrlo često dešava u svetu kristala. Sposobnost života u „stranim“ uslovima gotovo je pravilo za kristale. Ako se za prenošenje pare ili tekućine u strana područja postojanja treba pribjeći raznim trikovima, onda se kristal, naprotiv, gotovo nikada ne može prisiliti da ostane unutar granica koje mu je dodijelila priroda.

Pregrijavanje i prekomjerno hlađenje kristala objašnjava se teškoćom pretvaranja jednog reda u drugi u uvjetima ekstremne gužve. Žuti sumpor bi trebao postati crveni na 95,5°C. Sa manje ili više brzim zagrijavanjem, "prebacit ćemo" ovu tačku transformacije i dovesti temperaturu do tačke topljenja sumpora od 113°C.

Pravu temperaturu transformacije najlakše je otkriti kada kristali dođu u kontakt. Ako su usko postavljeni jedan na drugi i temperatura se održava na 96°C, tada će žuto pojesti crveno, a na 95°C žuto će apsorbirati crvenu. Za razliku od tranzicije "kristal-tečnost", transformacije "kristal-kristal" obično kasne i tokom prehlađenja i pregrijavanja.

U nekim slučajevima imamo posla sa stanjima materije koja bi trebalo da žive na potpuno različitim temperaturama.

Bijeli lim bi trebao postati siv kada temperatura padne na +13°C. Obično se bavimo bijelim limom i znamo da se zimi s njim ništa ne radi. Savršeno podnosi hipotermiju od 20-30 stepeni. Međutim, u oštrim zimskim uvjetima bijeli lim prelazi u siv. Nepoznavanje ove činjenice bila je jedna od okolnosti koje su uništile Scottovu ekspediciju Južni pol(1912). Tečno gorivo koje je ekspedicija uzimala bilo je u posudama zalemljenim kalajem. Na velikoj hladnoći, bijeli lim se pretvarao u sivi prah - posude su bile odlemljene; i gorivo se prosulo. Nije ni čudo izgled sive mrlje na bijelom kalaju se zove limena kuga.

Kao i kod sumpora, bijeli kalaj se može pretvoriti u sivi na temperaturama nešto ispod 13°C; osim ako sićušno zrno sive sorte ne padne na limeni predmet.

Postojanje više varijanti iste supstance i kašnjenja u njihovim međusobnim transformacijama su od velike važnosti za tehnologiju.

Na sobnoj temperaturi, atomi gvožđa formiraju kubičnu rešetku usredsređenu na telo, u kojoj atomi zauzimaju pozicije na vrhovima i u centru kocke. Svaki atom ima 8 susjeda. Na visokim temperaturama, atomi željeza formiraju gušće "pakovanje" - svaki atom ima 12 susjeda. Gvožđe sa 8 komšija je meko, gvožđe sa 12 komšija je tvrdo. Ispostavilo se da je moguće dobiti željezo druge vrste na sobnoj temperaturi. Ova metoda - kaljenje - široko se koristi u metalurgiji.

Stvrdnjavanje se vrši vrlo jednostavno - metalni predmet se zagrije do usijanja, a zatim se baci u vodu ili ulje. Hlađenje se događa tako brzo da transformacija strukture koja je stabilna na visokim temperaturama nema vremena da se dogodi. Dakle, visokotemperaturna struktura će postojati neograničeno dugo u uslovima za nju neuobičajenim: rekristalizacija u stabilnu strukturu se dešava tako sporo da je praktično neprimjetna.

Kada smo govorili o kaljenju gvožđa, nismo bili sasvim tačni. Kaljeni je čelik, odnosno željezo koje sadrži udio ugljika od procenta. Prisustvo vrlo malih nečistoća ugljenika odlaže transformaciju tvrdog gvožđa u meko gvožđe i omogućava stvrdnjavanje. Što se tiče potpuno čistog gvožđa, nije ga moguće očvrsnuti - transformacija strukture uspeva da se desi čak i pri najbržem hlađenju.

U zavisnosti od vrste dijagrama stanja, promene pritiska ili temperature, postiže se jedna ili druga transformacija.

Mnoge transformacije kristala u kristal su uočene samo sa promenama pritiska. Na ovaj način se dobija crni fosfor.

Rice. 4.13

Bilo je moguće transformirati grafit u dijamant samo korištenjem visoke temperature i visokog tlaka u isto vrijeme. Na sl. Slika 4.13 prikazuje fazni dijagram ugljenika. Na pritiscima ispod deset hiljada atmosfera i na temperaturama ispod 4000 K, grafit je stabilna modifikacija. Dakle, dijamant živi u „vanzemaljskim“ uslovima, pa se bez većih poteškoća može pretvoriti u grafit. Ali inverzni problem je od praktičnog interesa. Nije moguće transformisati grafit u dijamant samo povećanjem pritiska. Fazna transformacija u čvrstom stanju je očigledno prespora. Izgled faznog dijagrama sugerira ispravno rješenje: povećati pritisak i toplinu u isto vrijeme. Tada dobijamo (desni ugao dijagrama) rastopljeni ugljen. Hlađenje na visok krvni pritisak, moramo ući u područje dijamanata.

Praktična mogućnost takvog procesa dokazana je 1955. godine, a problem se danas smatra tehnički riješenim.

Neverovatna tečnost

Ako snizite temperaturu tijela, prije ili kasnije ono će se stvrdnuti i dobiti kristalnu strukturu. Nije bitno pod kojim pritiskom dolazi do hlađenja. Ova okolnost se čini potpuno prirodnom i razumljivom sa stanovišta zakona fizike, s kojima smo se već upoznali. Zaista, snižavanjem temperature smanjujemo intenzitet termičkog kretanja. Kada kretanje molekula postane toliko slabo da više ne ometa sile interakcije između njih, molekuli će se poredati u urednom redosledu - formiraće kristal. Dalje hlađenje će oduzeti svu energiju njihovog kretanja molekulima i kada apsolutna nula supstanca mora postojati u obliku mirnih molekula raspoređenih u pravilnu rešetku.

Iskustvo pokazuje da se sve supstance tako ponašaju. Sve osim jedne stvari: helijum je takvo "čudovište".

Čitaocu smo već dali neke informacije o helijumu. Helijum drži rekord za svoju kritičnu temperaturu. Nijedna supstanca nema kritičnu temperaturu nižu od 4,3 K. Međutim, ovaj rekord sam po sebi ne znači ništa iznenađujuće. Još jedna stvar je upadljiva: hlađenjem helijuma ispod kritične temperature, dostižući skoro apsolutnu nulu, nećemo dobiti čvrsti helijum. Helijum ostaje tečan čak i na apsolutnoj nuli.

Ponašanje helijuma je potpuno neobjašnjivo sa stanovišta zakona kretanja koje smo izneli i jedan je od znakova ograničenog važenja takvih zakona prirode koji su izgledali univerzalni.

Ako je tijelo tečno, onda su njegovi atomi u pokretu. Ali hlađenjem tijela na apsolutnu nulu, oduzeli smo mu svu energiju kretanja. Moramo priznati da helijum ima takvu energiju kretanja koja se ne može oduzeti. Ovaj zaključak je nespojiv sa mehanikom koju smo do sada proučavali. Prema ovoj mehanici koju smo proučavali, kretanje tijela uvijek se može usporiti do potpunog zaustavljanja, oduzimajući mu svu kinetičku energiju; na isti način možete zaustaviti kretanje molekula oduzimajući im energiju kada se sudare sa zidovima ohlađene posude. Za helijum takva mehanika očito nije prikladna.

"Čudno" ponašanje helijuma ukazuje na činjenicu od velike važnosti. Prvi put smo se susreli s nemogućnošću primjene u svijetu atoma osnovnih zakona mehanike ustanovljenih neposrednim proučavanjem kretanja vidljivih tijela – zakona koji su se činili nepokolebljivim temeljima fizike.

Činjenica da na apsolutnoj nuli helijum „odbija“ da se kristalizuje ne može se ni na koji način pomiriti sa mehanikom koju smo do sada proučavali. Kontradikcija s kojom smo se prvi put susreli – nepodčinjenost svijeta atoma zakonima mehanike – samo je prva karika u lancu još oštrijih i drastičnijih kontradikcija u fizici.

Ove kontradikcije dovode do potrebe da se revidiraju osnove mehanike atomski svet. Ova revizija je vrlo duboka i dovodi do promjene u našem cjelokupnom razumijevanju prirode.

Potreba za radikalnom revizijom mehanike atomskog svijeta ne znači da trebamo stati na kraj zakonima mehanike koje smo proučavali. Bilo bi nepravedno natjerati čitaoca da proučava nepotrebne stvari. Stara mehanika je potpuno fer u svijetu velika tela. Samo ovo je dovoljno da se relevantna poglavlja fizike tretiraju s punim poštovanjem. Međutim, takođe je važno da određeni broj zakona “stare” mehanike pređe u “novu” mehaniku. Ovo posebno uključuje zakon održanja energije.

Prisustvo "neuklonjive" energije na apsolutnoj nuli nije posebno svojstvo helijuma. Ispada; Sve supstance imaju "nultu" energiju.

Samo u helijumu ova energija je dovoljna da spreči atome da formiraju pravilnu kristalnu rešetku.

Nemojte misliti da helijum ne može biti u kristalnom stanju. Za kristalizaciju helijuma potrebno je samo povećati pritisak na oko 25 atm. Hlađenje provedeno pod većim tlakom rezultirat će stvaranjem čvrstog kristalnog helijuma potpuno normalnih svojstava. Helijum formira kubičnu rešetku usmjerenu na lice.

Na sl. Slika 4.14 prikazuje fazni dijagram helijuma. Oštro se razlikuje od dijagrama svih drugih supstanci u odsustvu trostruke tačke. Krivulje topljenja i ključanja se ne seku.

Rice. 4.14

A ovaj jedinstveni dijagram stanja ima još jednu osobinu: postoje dvije različite tekućine helijuma U čemu je njihova razlika saznat ćete malo kasnije.

Vrenje je proces promene agregacionog stanja neke supstance. Kada govorimo o vodi, mislimo na promjenu iz tečnog stanja u stanje pare. Važno je napomenuti da ključanje nije isparavanje, koje se može dogoditi čak i na sobnoj temperaturi. Također ga ne treba brkati s ključanjem, što je proces zagrijavanja vode do određene temperature. Sada kada smo razumjeli koncepte, možemo odrediti na kojoj temperaturi voda ključa.

Proces

Proces transformacije agregatnog stanja iz tečnog u gasovito je složen. I iako ljudi to ne vide, postoje 4 faze:

1. U prvoj fazi na dnu zagrijane posude formiraju se mali mjehurići. Mogu se vidjeti i sa strane ili na površini vode. Nastaju zbog širenja mjehurića zraka, koji su uvijek prisutni u pukotinama posude u kojoj se zagrijava voda.
2. U drugoj fazi povećava se volumen mjehurića. Svi počinju juriti na površinu, jer se unutar njih nalazi zasićena para, koja je lakša od vode. Kako temperatura zagrijavanja raste, pritisak mjehurića raste i oni se guraju na površinu zahvaljujući dobro poznatoj Arhimedovoj sili. U tom slučaju možete čuti karakterističan zvuk ključanja, koji nastaje zbog stalnog širenja i smanjenja veličine mjehurića.
3. U trećoj fazi možete vidjeti na površini veliki broj mjehurići. Ovo u početku stvara zamućenost u vodi. Ovaj proces se popularno naziva “bijelo vrenje” i traje kratko.
4. U četvrtoj fazi voda intenzivno ključa, na površini se pojavljuju veliki mjehurići koji pucaju, a mogu se pojaviti i prskanje. Najčešće, prskanje znači da je tečnost dostigla svoju maksimalnu temperaturu. Para će početi da izlazi iz vode.

Poznato je da voda ključa na temperaturi od 100 stepeni, što je moguće tek u četvrtoj fazi.

Temperatura pare

Para je jedno od stanja vode. Kada uđe u vazduh, on, kao i drugi gasovi, vrši određeni pritisak na njega. Tokom isparavanja, temperatura pare i vode ostaje konstantna sve dok cijela tekućina ne promijeni svoje agregacijsko stanje. Ovaj fenomen se može objasniti činjenicom da se tokom ključanja sva energija troši na pretvaranje vode u paru.

Na samom početku ključanja stvara se vlažna, zasićena para, koja postaje suha nakon što sva tečnost ispari. Ako njegova temperatura počne prelaziti temperaturu vode, tada se takva para pregrijava, a njene karakteristike će biti bliže plinu.

Kipuća slana voda

Zanimljivo je znati na kojoj temperaturi ključa voda sa visokim sadržajem soli. Poznato je da bi trebao biti veći zbog sadržaja Na+ i Cl- jona u sastavu, koji zauzimaju prostor između molekula vode. To čini hemijski sastav vode sa soli drugačijim od obične svježe tekućine.

Činjenica je da se u slanoj vodi odvija reakcija hidratacije - proces dodavanja molekula vode ionima soli. Komunikacija između molekula svježa voda slabije od onih koje nastaju tokom hidratacije, pa će ključanje tečnosti sa otopljenom solju trajati duže. Kako temperatura raste, molekuli u slanoj vodi se kreću brže, ali ih je manje, zbog čega se sudari među njima rjeđe događaju. Kao rezultat, proizvodi se manje pare, a njen pritisak je stoga niži od pritiska pare slatke vode. Posljedično, više energije (temperature) će biti potrebno za potpuno isparavanje. U prosjeku, da prokuha jedan litar vode koja sadrži 60 grama soli, potrebno je povećati stepen ključanja vode za 10% (odnosno za 10 C).

Zavisnost ključanja od pritiska

Poznato je da će u planinama, bez obzira na hemijski sastav vode, tačka ključanja biti niža. To se događa zato što je atmosferski pritisak niži na nadmorskoj visini. Normalnim pritiskom se smatra 101,325 kPa. Sa njim, tačka ključanja vode je 100 stepeni Celzijusa. Ali ako se popnete na planinu, gdje je pritisak u prosjeku 40 kPa, tada će voda tamo ključati na 75,88 C. Ali to ne znači da ćete morati provesti skoro upola manje vremena kuhajući u planinama. Toplinska obrada hrane zahtijeva određenu temperaturu.

Vjeruje se da će na nadmorskoj visini od 500 metara voda ključati na 98,3 C, a na visini od 3000 metara tačka ključanja će biti 90 C.

Imajte na umu da se ovaj zakon primjenjuje iu suprotnom smjeru. Ako stavite tečnost u zatvorenu tikvicu kroz koju para ne može da prođe, onda kako temperatura raste i nastaje para, pritisak u ovoj boci će se povećati, a ključanje pri povećanom pritisku će se desiti na višoj temperaturi. Na primjer, pri pritisku od 490,3 kPa, tačka ključanja vode će biti 151 C.

Kipuća destilovana voda

Destilirana voda je pročišćena voda bez ikakvih nečistoća. Često se koristi u medicinske ili tehničke svrhe. S obzirom da u takvoj vodi nema nečistoća, ona se ne koristi za kuvanje. Zanimljivo je napomenuti da destilovana voda ključa brže od obične slatke vode, ali tačka ključanja ostaje ista - 100 stepeni. Međutim, razlika u vremenu ključanja bit će minimalna - samo djelić sekunde.

U čajniku

Ljudi se često pitaju na kojoj temperaturi ključa voda u kotliću, jer to su uređaji koje koriste za prokuvavanje tečnosti. Uzimajući u obzir činjenicu da je atmosferski pritisak u stanu jednak standardnom, a voda koja se koristi ne sadrži soli i druge nečistoće kojih ne bi trebalo biti, tada će i tačka ključanja biti standardna - 100 stepeni. Ali ako voda sadrži sol, tada će tačka ključanja, kao što već znamo, biti viša.

Zaključak

Sada znate na kojoj temperaturi voda ključa i kako atmosferski pritisak i sastav tečnosti utiču na ovaj proces. U tome nema ništa komplikovano, a takve informacije djeca dobijaju u školi. Glavna stvar je zapamtiti da kako se pritisak smanjuje, temperatura ključanja tekućine također se smanjuje, a kako se povećava, ona se također povećava.

Na internetu možete pronaći mnogo različitih tablica koje ukazuju na ovisnost točke ključanja tekućine od atmosferskog tlaka. Dostupni su svima i aktivno ih koriste školarci, studenti, pa čak i nastavnici na institutima.

Vrenje –To je isparavanje koje se događa u volumenu cijele tekućine na konstantnoj temperaturi.

Proces isparavanja može se dogoditi ne samo s površine tečnosti, već i unutar tečnosti. Mjehurići pare unutar tekućine se šire i isplivaju na površinu ako je tlak zasićene pare jednak ili veći od vanjskog tlaka. Ovaj proces se zove ključanje. Dok tečnost ključa, njena temperatura ostaje konstantna.

Na temperaturi od 100 0 C, pritisak zasićene vodene pare jednak je normalnom atmosferskom pritisku, dakle, pri normalnom pritisku, voda ključa na 100 ° C. Na temperaturi od 80 °C, pritisak zasićene pare je približno polovina normalnog atmosferskog pritiska. Dakle, voda ključa na 80 °C ako se pritisak iznad nje smanji na 0,5 normalnog atmosferskog tlaka (slika).

Kada se vanjski pritisak smanji, tačka ključanja tečnosti se smanjuje kada se pritisak poveća, tačka ključanja se povećava.

Tačka ključanja tečnosti- To je temperatura pri kojoj je pritisak zasićene pare u mjehurićima tekućine jednak vanjskom pritisku na njenoj površini.

Kritična temperatura.

Godine 1861 D.I. Mendeljejev je ustanovio da za svaku tečnost mora postojati temperatura na kojoj nestaje razlika između tečnosti i njene pare. Mendeljejev ga je nazvao apsolutna tačka ključanja (kritična temperatura). Ne postoji suštinska razlika između gasa i pare. Obično gas supstanca u gasovitom stanju naziva se kada je njena temperatura iznad kritične, i trajekt- kada je temperatura ispod kritične.

Kritična temperatura supstance je temperatura na kojoj gustoća tečnosti i gustina njene zasićene pare postaju iste.

Svaka supstanca koja je u gasovitom stanju može se pretvoriti u tečnost. Međutim, svaka tvar može doživjeti takvu transformaciju samo na temperaturama ispod određene vrijednosti specifične za svaku tvar, koja se naziva kritična temperatura Tc.

Model idealnog plina je primjenjiv za opisivanje svojstava plinova koji stvarno postoje u prirodi u ograničenom rasponu temperatura i pritisaka. Kada temperatura padne ispod kritične temperature za dati plin, djelovanje privlačnih sila između molekula se više ne može zanemariti, a pri dovoljno visokom tlaku molekuli tvari su međusobno povezani.

Ako je supstanca na kritičnoj temperaturi i kritičnom pritisku, tada se njeno stanje naziva kritičnim stanjem.

(Kada se voda zagreje, vazduh rastvoren u njoj se oslobađa na zidovima posude i broj mehurića se neprekidno povećava, a njihov volumen se povećava. Ako je zapremina mehurića dovoljno velika, Arhimedova sila koja deluje na njega cepa ga. sa donje površine i podiže ga, a na mestu odvojenog mehurića ostaje embrion novog mehurića, jer kada se tečnost zagreva odozdo, njeni gornji slojevi su hladniji od donjih, kada mehur raste, vodena para u njoj se kondenzuje, a vazduh se ponovo otapa u vodi i zapremina mehurića se smanjuje, mnogi mehurići nestaju pre nego što stignu do površine vode, a neki dospeju na površinu zraka i pare koji ostaju u njima, sve dok se temperatura u cijeloj tekućini ne izjednači, volumen mjehurića će se povećavati. . Ovo se objašnjava na sljedeći način. Kada se u cijeloj tekućini uspostavi ista temperatura i mjehur se diže, pritisak zasićene pare unutar mjehurića ostaje konstantan, a hidrostatički tlak (pritisak gornjeg sloja tekućine) opada, pa mjehur raste. Kako mjehur raste, cijeli prostor unutar mjehurića je ispunjen zasićenom parom. Kada takav mjehur dosegne površinu tekućine, tlak zasićene pare u njemu jednak je atmosferski pritisak na površini tečnosti.)

ZADACI

1. Relativna vlažnost na 20°C je 58%. Na kojoj maksimalnoj temperaturi će pasti rosa?

2. Koliko vode treba ispariti u 1000 ml vazduha čija je relativna vlažnost 40% na 283 K, da bi se na 290 K ovlažio do 40%?

3. Vazduh na temperaturi od 303 K ima tačku rose na 286 K. Odrediti apsolutnu i relativnu vlažnost vazduha.

4.Na 28°C relativna vlažnost vazduha je 50%. Odredite masu rose koja je pala sa 1 km3 vazduha kada temperatura padne na 12°C.

5. U prostoriji zapremine 200 m3 relativna vlažnost vazduha na 20°C iznosi 70%. Odredite masu vodene pare u vazduhu prostorije.

Do isparavanja može doći ne samo kao rezultat isparavanja, već i tokom ključanja. Razmotrimo ključanje sa energetske tačke gledišta.

U tečnosti uvek ima rastvorenog vazduha. Kada se tečnost zagrije, količina plina otopljenog u njoj se smanjuje, uslijed čega se dio oslobađa u obliku malih mjehurića na dnu i zidovima posude i na neotopljenim čvrstim česticama suspendiranim u tekućini. Tečnost isparava u ove vazdušne mehuriće. Vremenom, pare u njima postaju zasićene. Daljnjim zagrijavanjem povećava se tlak zasićene pare unutar mjehurića i njihov volumen. Kada pritisak pare unutar mjehurića postane jednak atmosferskom, oni se pod utjecajem Arhimedove sile uzgona izdižu na površinu tekućine, pucaju i iz njih izlazi para. Isparavanje koje se odvija istovremeno i sa površine tečnosti i unutar same tečnosti u mjehuriće zraka naziva se ključanje. Temperatura pri kojoj pritisak zasićene pare u mjehurićima postaje jednak vanjskom tlaku naziva se tačka ključanja.

Od kada iste temperature Pošto su pritisci zasićene pare različitih tečnosti različiti, na različitim temperaturama postaju jednaki atmosferskom pritisku. To uzrokuje da različite tekućine ključaju na različitim temperaturama. Ovo svojstvo tečnosti koristi se u sublimaciji naftnih derivata. Kada se ulje zagrije, prvo ispare najvredniji, isparljivi dijelovi (benzin), koji se na taj način odvajaju od “teških” ostataka (ulja, lož ulja).

Iz činjenice da ključanje nastaje kada je pritisak zasićene pare jednak vanjskom pritisku na tečnost, proizilazi da tačka ključanja tečnosti zavisi od spoljašnjeg pritiska. Ako se poveća, tada tečnost ključa na višoj temperaturi, jer zasićena para zahteva višu temperaturu da bi se postigao ovaj pritisak. Naprotiv, pri smanjenom pritisku tečnost ključa na nižoj temperaturi. To se može potvrditi iskustvom. Zagrijte vodu u tikvici do ključanja i uklonite alkoholnu lampu (slika 37, a). Voda prestaje da ključa. Zatvarajući tikvicu čepom, počet ćemo pumpom uklanjati iz nje zrak i vodenu paru, čime ćemo pumpanjem zraka smanjiti pritisak na vodu koja kao rezultat proključa u tikvicu ćemo povećati pritisak na vodu (slika 37, b) . 1 atm voda ključa na 100°C, a na 10 atm- na 180° C. Ova zavisnost se koristi, na primjer, u autoklavima, u medicini za sterilizaciju, u kuvanju za ubrzavanje kuvanja prehrambenih proizvoda.

Da bi tečnost počela da ključa, mora se zagrijati do temperature ključanja. Da biste to učinili, tekućini morate prenijeti energiju, na primjer, količinu topline Q = cm(t° do - t° 0). Prilikom ključanja temperatura tečnosti ostaje konstantna. To se dešava zato što se količina toplote prijavljena tokom ključanja ne troši na povećanje kinetička energija molekule tekućine, već na rad kidanja molekularnih veza, odnosno na isparavanje. Prilikom kondenzacije, para se, prema zakonu održanja energije, oslobađa okruženje količina toplote koja je utrošena na isparavanje. Kondenzacija se javlja na tački ključanja, koja ostaje konstantna tokom procesa kondenzacije. (Objasni zašto).

Kreirajmo jednačinu toplotnog bilansa za isparavanje i kondenzaciju. Para, uzeta na tački ključanja tečnosti, ulazi u vodu u kalorimetar kroz cijev A (slika 38, a), kondenzuje se u njoj, dajući joj količinu toplote koja se troši na njenu proizvodnju. Voda i kalorimetar primaju određenu količinu topline ne samo od kondenzacije pare, već i od tekućine koja se iz nje dobije. Podaci o fizičkim veličinama dati su u tabeli. 3.

Kondenzirajuća para dala je količinu toplote Q p = rm 3(Sl. 38, b). Tečnost dobijena od pare, nakon hlađenja od t° 3 do θ°, dala je određenu količinu toplote Q 3 = c 2 m 3 (t 3 ° - θ °).

Kalorimetar i voda, zagrevajući se od t° 2 do θ° (slika 38, c), primili su količinu toplote

Q 1 = c 1 m 1 (θ° - t° 2); Q 2 = c 2 m 2 (θ° - t° 2).

Zasnovan na zakonu održanja i transformacije energije

Q p + Q 3 = Q 1 + Q 2,