Vandens virimo temperatūros priklausomybė nuo atmosferos slėgio
Tirpalo virimo temperatūra yra esminis parametras daugelyje pramonės ir laboratorijos procesų. Tai temperatūra, kurioje skysčio garų slėgis tampa lygus aplinkos slėgiui. Šiame straipsnyje aptarsime, kaip atmosferos slėgis veikia vandens virimo temperatūrą, kokie metodai naudojami jai nustatyti vakuumo sąlygomis, ir svarbius praktinius aspektus.
Virimo temperatūros ir slėgio sąryšis
Normaliomis sąlygomis (1 atm arba 101325 Pa slėgyje), vandens virimo temperatūra yra 100 °C (373.15 K). Tačiau, sumažinus slėgį, virimo temperatūra atitinkamai mažėja. Kuo mažesnis atmosferos slėgis, tuo mažiau šilumos energijos reikia vandeniui išgarinti arba paversti garais. Tai paaiškina, kodėl vanduo kalnuose verda žemesnėje temperatūroje nei jūros lygyje.
Slėgio įtaka vandens virimo temperatūrai
Vandens virimo temperatūra šiek tiek priklauso nuo drėgmės, tačiau beveik viskas priklauso nuo slėgio. Priemaišos vandenyje taip pat veikia vandens molekulių tarpusavio sąveiką, todėl galiausiai keičiasi viso tirpalo virimo taškas.
Žemiausia vandens virimo temperatūra Žemėje
Aukščiausioje Žemės vietoje - Everesto viršūnėje, 8849 metrų aukštyje - vandens užvirimo temperatūra yra žemiausias: vos 68 C°. Tai būtų visai karštas vanduo, tačiau juo užplikyta kava būtų baisi, nes kavai reikia bent 87 C° temperatūros.
Vakuumo taikymas virimo temperatūros sumažinimui
Vakuumas yra erdvė, kurioje slėgis yra žymiai mažesnis už atmosferos slėgį. Vakuumo technologijos plačiai naudojamos įvairiose srityse:
Taip pat skaitykite: Kaip kepti blynus su bananais
- Maisto pramonėje: Vakuumo sąlygomis galima džiovinti vaisius ir daržoves žemoje temperatūroje, išsaugant maistines medžiagas ir skonį.
- Farmacijoje: Vakuumo džiovinimas naudojamas gaminant termiškai jautrius vaistus.
- Chemijos pramonėje: Vakuumas naudojamas distiliuojant aukštai verdančius skysčius, taip pat reaguojant su medžiagomis, kurios ore oksiduojasi.
- Moksliniuose tyrimuose: Vakuumas būtinas daugeliui eksperimentų, ypač paviršiaus moksle ir medžiagų tyrimuose.
Tirpalo virimo temperatūros nustatymo metodai vakuumo sąlygomis
Yra keletas metodų, kuriais galima nustatyti tirpalo virimo temperatūrą vakuumo sąlygomis:
Distiliavimas vakuumo sąlygomis
Distiliavimas vakuumo sąlygomis yra plačiai naudojamas metodas, skirtas atskirti skysčius, turinčius skirtingas virimo temperatūras. Šis procesas apima skysčio kaitinimą vakuumo sąlygomis, kol jis pradeda virti. Garai kondensuojasi atskirai ir surenkami. Virimo temperatūra fiksuojama termometru. Vakuumas leidžia sumažinti virimo temperatūrą, taip išvengiant medžiagų skilimo aukštoje temperatūroje.
Ebulliometriniai metodai
Ebulliometrija yra metodas, pagrįstas virimo temperatūros matavimu, siekiant nustatyti tirpalo savybes, tokias kaip molekulinė masė. Ebulliometrai yra specializuoti prietaisai, skirti tiksliai matuoti virimo temperatūrą esant įvairiems slėgiams. Šie prietaisai dažnai naudojami mokslo tyrimuose ir pramonėje.
Termogravimetrinė analizė (TGA)
Termogravimetrinė analizė (TGA) yra metodas, kuris matuoja medžiagos masės pokyčius, kai ji kaitinama arba vėsinama kontroliuojamoje aplinkoje. TGA gali būti naudojama nustatyti virimo temperatūrą vakuumo sąlygomis, stebint masės mažėjimą dėl garavimo.
Diferencinė skenavimo kalorimetrija (DSC)
Diferencinė skenavimo kalorimetrija (DSC) matuoja šilumos srautą, reikalingą palaikyti medžiagos ir etalono temperatūrą vienodą, kai jie kaitinami arba vėsinami. DSC gali būti naudojama nustatyti virimo temperatūrą, fiksuojant endoterminį piką, atitinkantį garavimo procesą. DSC metodas taip pat gali būti naudojamas tirti fazinius perėjimus vakuumo sąlygomis.
Taip pat skaitykite: Vištos kepimo patarimai Kamado Bono kepsninei
Garų slėgio matavimai
Tiesioginis garų slėgio matavimas esant skirtingoms temperatūroms leidžia nustatyti virimo temperatūrą. Šis metodas apima sistemos, kurioje yra tirpalas, patalpinimą į uždarą indą ir garų slėgio matavimą esant įvairioms temperatūroms. Virimo temperatūra nustatoma, kai garų slėgis tampa lygus aplinkos slėgiui.
Praktiniai aspektai ir įranga
Norint sėkmingai nustatyti tirpalo virimo temperatūrą vakuumo sąlygomis, būtina atkreipti dėmesį į keletą praktinių aspektų:
- Vakuumo sistema: Aukštos kokybės vakuumo siurblys ir sandari sistema yra būtini norint pasiekti reikiamą slėgį.
- Slėgio matavimas: Tikslus slėgio matavimas yra labai svarbus. Tam naudojami įvairūs manometrai ir vakuumetrai. Barometras - prietaisas atmosferos slėgiui matuoti. Dažniausiai matuojama skystiniais, dujiniais, deformaciniais barometrais, hipsotermometrais (termobarometrais). Skystiniais barometrais slėgis matuojamas pagal skysčio lygio susisiekiančiuose induose priklausomybę nuo atmosferos slėgio. Barometruose dažniausiai naudojamas gyvsidabris, nes dėl didelio tankio jo stulpelio, atsveriančio atmosferos slėgį, aukštis mažiau kaip 1 m. Keičiantis atmosferos slėgiui, stikliniame vamzdelyje keičiasi gyvsidabrio stulpelio aukštis, kuris atskaitomas prie vamzdelio pritvirtintoje skalėje. Virš gyvsidabrio stikliniame vamzdelyje yra tuštuma, ir atmosferos slėgį atsveria tik gyvsidabrio stulpelio svoris. Dujinių barometrų veikimo principas yra toks pat kaip ir skystinių barometrų, tik vietoj skysčio naudojamos dujos. Deformacinių barometrų veikimas remiasi tamprių kietųjų kūnų deformacijos dydžio priklausomybe nuo juos veikiančio slėgio jėgos; dažniausiai naudojamas aneroidas.
- Temperatūros kontrolė: Tiksli temperatūros kontrolė užtikrina, kad virimo temperatūra būtų nustatyta teisingai.
- Termometrai ir davikliai: Aukštos kokybės termometrai ir temperatūros davikliai yra būtini tiksliems matavimams.
- Indo medžiagos: Indo medžiagos turi būti inertiškos ir atsparios korozijai, kad nebūtų teršiami mėginiai.
Klaidų šaltiniai ir jų mažinimas
Nustatant tirpalo virimo temperatūrą vakuumo sąlygomis, gali atsirasti įvairių klaidų, kurias svarbu identifikuoti ir sumažinti:
- Slėgio netikslumai: Netikslus slėgio matavimas gali lemti klaidingus virimo temperatūros rezultatus. Reguliariai kalibruokite slėgio matavimo prietaisus.
- Temperatūros gradientas: Temperatūros gradientas mėginyje gali lemti netikslius matavimus. Užtikrinkite vienodą temperatūros pasiskirstymą.
- Oro nutekėjimas: Oro nutekėjimas į vakuumo sistemą gali padidinti slėgį ir paveikti virimo temperatūrą. Reguliariai tikrinkite ir sandarinkite sistemą.
- Mėginio užteršimas: Mėginio užteršimas gali pakeisti jo virimo temperatūrą. Naudokite švarius indus ir reagentus.
- Metodikos klaidos: Netinkamas metodikos taikymas gali lemti klaidingus rezultatus.
Aukščiausia vandens užšalimo temperatūra
Klausimas dėl aukščiausios vandens užšalimo temperatūros yra šiek tiek sudėtingesnis. Bent jau gryno vandens atveju temperatūra, kurioje jo molekulės susiglaudžia į standžias kristalines ledo kristalų struktūras, priklausomai nuo slėgio kinta palyginus nedaug. Vandens užšalimo temperatūra Žemėje visada yra apie 0 C°.
Tačiau tai nereiškia, kad slėgis neturi jokios įtakos vandens užšalimo temperatūrai - tiesiog slėgis, kuris natūraliai susidaro mūsų planetos paviršiuje, yra nepakankamas, kad pakeltų užšalimo temperatūrą. Londono universitetinio koledžo duomenimis, net Marianų įduboje esančioje Challengerio gelmėje, kuri yra žemiau jūros lygio nei Everesto viršūnė, slėgis yra daugiau nei 1000 kartų didesnis nei oro slėgis jūros lygyje. Tai suspaudžia vandenį - bet ne tiek, kad vanduo, kurio temperatūra viršija 0 C°, virstų ledu. Norint, kad vanduo užšaltų esant aukštesnei nei 0 C° temperatūrai, reikia beveik 10 000 kartų didesnio atmosferos slėgio - o tai natūraliai nepasitaiko niekur Žemėje.
Taip pat skaitykite: Kaip kepti lašišą keptuvėje
Tačiau jūros lygyje ledas gali susidaryti, jei oro temperatūra yra aukštesnė už užšalimo temperatūrą - nes jis šąla spinduliavimo būdu. Dėl šio reiškinio dykumų vietovių gyventojai ištisas kartas galėjo pasigaminti ledo be elektros energijos ir šalčio. Dabartinio Irako ir Afganistano gyventojai prieš debesuotą naktį pripildydavo negilius baseinus vandens ir pabusdavo su ledu, nors oro temperatūra būdavo keliais laipsniais aukštesnė už nulį.
Taip yra todėl, kad oras virš baseino būna labai sausas, o tai skatina vandens garavimą, aiškina J. Robertsas. Garuojantis vanduo skleidžia šilumą, kuri atvėsina likusį skystį. Be to, vanduo lėtai skleidžia šilumą į dangų. Nors oras prie žemės gali būti šiek tiek aukščiau nulio, aukščiau esanti atmosfera debesuotą naktį gali būti iki -40 C°. Šiuo atveju šilumos energija iš santykinai šilto vandens pereina į itin šaltą nakties dangų. Abu šie mechanizmai kartu gali sumažinti baseino temperatūrą iki 0 C° - tiek, kad jis užšaltų, nors aplinkinio oro temperatūra yra 5 C°.
tags: #vandens #virimo #temperatūros #priklausomybė #nuo #atmosferos