Molekulyar fizika

Shakl 4.1
Agar suvning harorati o'zgarmasa, issiqlik nimaga o'tadi? Javob aniq. Suvni bug'ga aylantirish jarayoni energiya talab qiladi.
Bir gramm suv va undan hosil bo'lgan gramm bug 'energiyasini taqqoslaylik. Bug 'molekulalari suv molekulalariga qaraganda bir-biridan ancha uzoqroq joylashgan. Shu sababli suvning potentsial energiyasi bug 'energiyasidan farq qilishi aniq.
Parchalarni jalb qilishning potentsial energiyasi ularning yaqinlashishi bilan kamayadi. Shuning uchun bug'ning energiyasi suvning energiyasidan kattaroqdir va suvning bug'ga aylanishi energiya talab qiladi. Bu ortiqcha energiya chovgumdagi qaynoq suv bilan elektr pechkasi orqali etkaziladi.
Energiya - suvni bug'ga aylantirish uchun kerak; bug'lanish issiqligi deb nomlanadi. 1 g suvni bug'ga aylantirish uchun 539 kal talab qilinadi (bu 100 ° C harorat uchun raqam).
Agar 1 g ga 539 kal iste'mol qilinsa, 1 mol suv uchun 18 * 539 \u003d 9700 kal iste'mol qilinadi. Bunday issiqlik miqdori molekulalararo aloqalarni uzishga sarflanishi kerak.
Ushbu raqamni hujayralararo aloqalarni buzish uchun kerak bo'lgan ish miqdori bilan taqqoslashingiz mumkin. 1 mol suv bug'ini atomlarga ajratish uchun u taxminan 220 000 kaloriya, ya'ni 25 baravar ko'proq energiya oladi. Bu molekulalarni bir-biriga bog'laydigan kuchlarning atomlarni molekula ichiga tortadigan kuchlar bilan solishtirganda kuchsizligini to'g'ridan-to'g'ri isbotlaydi.
Qaynash nuqtasining bosimga bog'liqligi
Suvning qaynash harorati 100 ° C; Bu suvning ajralmas mulki deb o'ylash mumkin, suv qayerda va qanday sharoitda bo'lmasin doimo 100 ° S da qaynatiladi.
Ammo bu unchalik emas va baland tog'li qishloqlarning aholisi buni yaxshi bilishadi.
Elbrusning yuqori qismida sayyohlar uchun uy va ilmiy stantsiya joylashgan. Yangi boshlanuvchilar ba'zan "tuxumni qaynoq suvda qaynatish qanchalik qiyin" yoki "nima uchun qaynab turgan suvni yoqmaydi" deb hayron bo'lishadi. Bunday sharoitda ularga Elbrusning tepasida 82 ° C da suv qaynaydi, deb aytishdi.
Bu erda nima bo'ldi? Qaysi fizik omil qaynoq hodisasiga xalaqit beradi? Balandlik nimani anglatadi?
Ushbu fizik omil bu suyuqlik yuzasida ishlaydigan bosimdir. Aytilganlarning haqiqatini tasdiqlash uchun tog 'cho'qqisiga chiqishning hojati yo'q.
Issiq suvni qo'ng'iroq ostiga qo'yib, u erdan havo chiqarib yoki chiqarib yuborsangiz, ortib boruvchi bosim ortib, pasayayotgan bosim bilan pasayishiga ishonch hosil qilishingiz mumkin.
Suv 100 ° C da faqat ma'lum bir bosimda qaynatiladi - 760 mm Hg. San'at. (yoki 1 atm).
Bosim funktsiyasi sifatida qaynash haroratining egri sek. 4.2. Elbrusning yuqori qismida bosim 0,5 atmni tashkil qiladi va bu bosim 82 ° S ning qaynash nuqtasiga to'g'ri keladi.


Shakl 4.2
Ammo 10-15 mm Hg haroratda qaynab turgan suv bilan. San'at, siz issiq havoda yangilanishingiz mumkin. Ushbu bosimda qaynoq harorati 10-15 ° S ga tushadi.
Siz hatto muzlatadigan suv haroratiga ega bo'lgan "qaynoq suvni" olishingiz mumkin. Buning uchun bosimni 4,6 mm RT ga kamaytirish kerak bo'ladi. San'at.
Agar siz qo'ng'iroq ostiga suv solingan ochiq idishni joylashtirsangiz va havoni chiqarib yuborsangiz, qiziqarli rasmni kuzatish mumkin. Nasos suvni qaynatishga olib keladi, ammo qaynoq issiqlikni talab qiladi. Uni olish uchun hech qanday joy yo'q va suv o'z energiyasidan voz kechishga majbur bo'ladi. Qaynayotgan suvning harorati pasaya boshlaydi, lekin nasos davom etar ekan, bosim ham pasayadi. Shuning uchun, qaynoq to'xtamaydi, suv soviydi va oxir-oqibat muzlaydi.
Sovuq suvning bunday qaynashi nafaqat havo pompalaganda sodir bo'ladi. Masalan, pervanel aylanayotganda, metall yuzasiga yaqinlashadigan suv qatlamidagi bosim tez pasayadi va suv bu qatlamda qaynaydi, ya'ni uning ichida bug 'bilan to'ldirilgan ko'plab pufakchalar paydo bo'ladi. Ushbu hodisa kavitatsiya deb ataladi (lotincha cavitas - bo'shliq).
Bosimni pasaytirib, biz qaynab turgan joyni tushiramiz. Va uni oshiryapsizmi? Biznikiga o'xshash jadval bu savolga javob beradi. 15 atm bosim suvning qaynashini kechiktirishi mumkin, u faqat 200 ° C dan boshlanadi va 80 atm bosim suvning atigi 300 ° S da qaynashiga olib keladi.
Shunday qilib, ma'lum bir qaynoq nuqtasi ma'lum bir tashqi bosimga to'g'ri keladi. Ammo bu bayonotni "yuqoriga burish" ham mumkin: suvning har bir qaynoq nuqtasi o'ziga xos bosimga ega. Bu bosim bug 'bosimi deb ataladi.
Qaynash nuqtasini bosim funktsiyasi sifatida tasvirlaydigan egri, shuningdek, harorat funktsiyasi sifatida bug 'bosimi egri.
Qaynash nuqtasi grafigida (yoki bug 'bosimining grafigida) chizilgan raqamlar bug'ning harorati bilan keskin o'zgarishini ko'rsatadi. 0 ° C da (ya'ni 273 K) bug 'bosimi 4,6 mm Hg ni tashkil qiladi. San'at., 100 ° C (373 K) da bu 760 mm RT ga teng. San'at, ya'ni 165 martaga ko'payadi. Harorat ikki baravar ko'payganda (0 ° C dan, ya'ni 273 K dan 273 ° C gacha, ya'ni 546 K), bug 'egiluvchanligi 4,6 mm Hg dan oshadi. San'at. deyarli 60 atmgacha, ya'ni taxminan 10000 marta.
Shuning uchun, aksincha, qaynoq nuqtasi bosim bilan asta-sekin o'zgaradi. Bosimning ikki baravar o'zgarishi bilan 0,5 atmdan 1 atmgacha, qaynoq harorati 82 ° C (355 K) dan 100 ° C (373 K) gacha ko'tariladi va 1 dan 2 atm gacha, 100 ° C (373 K) gacha bo'lgan ikki marta o'zgaradi. 120 ° C (393 K).
Hozir ko'rib chiqayotgan egri chiziq bug'ning suvga kondensatsiyalanishini (kondensatsiyasini) nazorat qiladi.
Bug'ni siqish yoki sovutish orqali suvga aylantirish mumkin.
Qaynatish paytida ham, kondensatsiya jarayonida ham, bug'ni suvga yoki suvni bug 'ichiga o'tkazish jarayoni tugamaguncha, nuqta egri chiziqdan siljimaydi. Buni shuningdek quyidagicha shakllantirish mumkin: bizning egri sharoitimizda va faqat shu sharoitda suyuqlik va bug'ning birga yashashi mumkin. Agar shu bilan birga issiqlik berilmasa va olinmasa, yopiq idishda bug 'va suyuqlik miqdori o'zgarishsiz qoladi. Ular shunday juftliklar va suyuqliklar haqida gapirishadi, ular muvozanatda, va uning suyuqligi bilan muvozanatda bo'lgan bug 'to'yingan deyiladi.
Ko'rayotganimizdek, qaynash va kondensatsiya egri yana bir ma'noga ega: bu suyuq va bug 'muvozanat egri. Muvozanat egri chiziq maydonini ikki qismga ajratadi. Chapga va yuqoriga (yuqoriroq haroratlarga va past bosimga qadar) barqaror bug 'zonasi. Suyuqlikning barqaror holati mintaqasi o'ng va pastda joylashgan.
Bug '-suyuqlik muvozanati egri, ya'ni qaynash nuqtasining bosimga bog'liqligi egri chizig'i yoki bug' bosimi haroratga teng, barcha suyuqliklar uchun bir xil bo'ladi. Ba'zi hollarda o'zgarish biroz o'tkirroq bo'lishi mumkin, boshqalarida u biroz sekinroq bo'lishi mumkin, ammo bug 'bosimi har doim harorat oshishi bilan tez o'sib boradi.
Ko'p marta "gaz" va "bug" so'zlarini ishlatganmiz. Bu ikki so'z juda teng. Aytishimiz mumkin: suv gazi bu suv bug'i, kislorod gazi kislorod bug'idir. Shunga qaramay, ushbu ikki so'zni ishlatishda ma'lum bir odat paydo bo'ldi. Biz ma'lum bir nisbatan kichik harorat oralig'iga o'rganganimiz sababli, odatda "gaz" so'zi oddiy haroratdagi bug 'egiluvchanligi atmosfera bosimidan yuqori bo'lgan moddalarga qo'llaniladi. Aksincha, biz bug 'haqida gaplashamiz, xona harorati va atmosfera bosimi ostida, suyuqlik suyuqroq holatda barqarorroq bo'ladi.
Bug'lanish
Qaynatish - bu tezkor jarayon, va qisqa vaqt ichida qaynoq suvda hech qanday iz qolmaydi, u bug'ga aylanadi.
Ammo suvni yoki boshqa suyuqlikni bug'ga aylantirishning yana bir hodisasi bor - bu bug'lanish. Bug'lanish har qanday haroratda, bosimdan qat'iy nazar sodir bo'ladi, normal sharoitda har doim 760 mm Hg ga yaqin. San'at. Bug'lanish, qaynab turishdan farqli o'laroq, juda sekin jarayon. Biz yopishni unutgan bir shisha odekolon bir necha kundan keyin bo'sh bo'ladi; ko'proq vaqt o suvli idishda turing, ammo ertami-kechmi u quruq bo'ladi.
Bug'lanish jarayonida havo katta rol o'ynaydi. O'z-o'zidan, bu suvning bug'lanishiga to'sqinlik qilmaydi. Suyuqlik yuzasini ochganimizda, suv molekulalari eng yaqin havo qatlamiga o'tishni boshlaydilar.
Ushbu qatlamdagi bug 'zichligi tezda oshadi; qisqa vaqt o'tgach, bug 'bosimi muhit haroratiga xos bo'lgan elastiklik darajasiga teng bo'ladi. Bunday holda, bug 'bosimi havo yo'qligida aniq bo'ladi.
Bug 'havosiga o'tishi, albatta, bosimning oshishini anglatmaydi. Suv yuzasi ustidagi kosmosdagi umumiy bosim oshmaydi, faqat bug 'ko'taradigan ushbu bosimdagi nisbati oshadi va shunga mos ravishda bug' bilan ajraladigan havoning ulushi kamayadi.
Suvning tepasida havo bilan aralashtirilgan bug 'bor, ularning ustiga bug' bo'lmagan havo qatlamlari kiradi. Ular muqarrar ravishda aralashadilar. Suv bug'i doimiy ravishda yuqori qatlamlarga kiradi va uning pastki qismida suv molekulalari bo'lmagan havo paydo bo'ladi. Shuning uchun, suvga yaqin bo'lgan qatlamda doimo yangi suv molekulalari uchun joy bo'ladi. Suv doimiy ravishda bug'lanib, suv bug 'bosimini egiluvchanlikka teng bo'lgan darajada ushlab turadi va jarayon suv to'liq bug'lanib ketgunga qadar davom etadi.
Biz odekolon va suv misolidan boshladik. Ma'lumki, ular turli tezlikda bug'lanadi. Eter juda tez chiqib ketadi, spirt juda tez va suv ancha sekin. Qo'llanmada ushbu suyuqliklarning, masalan, xona haroratida bug 'bosimining qiymatlarini topsak, bu erda nima bo'lganligini darhol anglaymiz. Bu raqamlar: efir - 437 mm Hg. San'at., Alkogol - 44,5 mm RT. San'at. va suv - 17,5 mm RT. San'at.
Elastiklik qancha ko'p bo'lsa, havo qo'shni qatlamida bug 'ko'payadi va suyuqlik tezroq bug'lanadi. Bug 'bosimi harorat oshib borishini bilamiz. Isitish bilan bug'lanish tezligi nima uchun oshib borishi aniq.
Bug'lanish tezligi boshqacha tarzda ham ta'sir ko'rsatishi mumkin. Agar biz bug'lanishga yordam berishni istasak, bug 'suyuqligidan tezda chiqarib tashlashimiz kerak, ya'ni havo aralashishini tezlashtirishimiz kerak. Shuning uchun bug'lanish suyuqlikni puflash orqali juda tezlashadi. Suv ozgina bug 'bosimiga ega bo'lsa ham, shamolga joylashtirilsa, u tezda yo'qoladi.
Shu sababli, suvdan chiqqan suzuvchi nima uchun shamolda sovuq his etayotgani tushunarli. Shamol havoni bug 'bilan aralashtirishni tezlashtiradi va shuning uchun bug'lanishni tezlashtiradi va bug'lanish uchun issiqlik inson tanasidan voz kechishga majbur bo'ladi.
Odamning farovonligi havoda ko'p yoki ozgina suv bug'ining bo'lishiga bog'liq. Quruq va nam havo yoqimsiz. Namlik 60% bo'lganda normal hisoblanadi. Bu shuni anglatadiki, suv bug'ining zichligi bir xil haroratda to'yingan suv bug'ining zichligining 60% ni tashkil qiladi.
Agar nam havo sovutilsa, natijada undagi suv bug'ining bosimi bu haroratdagi bug 'bosimiga teng bo'ladi. Bug 'to'yingan bo'ladi va harorat pasayganda suvga to'plana boshlaydi. Ushbu hodisa tufayli ertalabki shudring, namlaydigan o't va barglar paydo bo'ladi.
20 ° C da to'yingan suv bug'ining zichligi taxminan 0,00002 g / sm3 ni tashkil qiladi. Agar havoda suv bug'i bo'lsa, bu miqdorning 60 foizini tashkil etadi, bu o'zimizni yaxshi his qiladi - bu 1 sm 3 grammning yuz mingdan bir qismini tashkil etadi.
Ushbu raqam kichik bo'lsa-da, xona uchun bu ta'sirli miqdordagi bug 'hosil bo'lishiga olib keladi. Maydoni 12 m 2 va balandligi 3 m bo'lgan o'rtacha xonada u taxminan bir kilogramm suv bilan to'yingan bug 'shaklida "joylashishi" mumkinligini hisoblash oson.
Shunday qilib, agar siz bunday xonani mahkam yopib qo'ysangiz va ochiq bochkaga suv qo'ysangiz, barrel hajmi qancha bo'lishidan qat'i nazar, bir litr suv bug'lanadi.
Suv uchun ushbu natijani simob uchun mos keladigan raqamlar bilan solishtirish qiziq. Xuddi shu 20 ° C haroratda to'yingan simob bug'ining zichligi 10 -8 g / sm 3 ni tashkil qiladi.
Yuqorida aytib o'tilgan xonada 1 g dan ortiq simob bug'lari sig'maydi.
Aytgancha, simob bug'i juda zaharli va 1 g simob bug'i har qanday odamning sog'lig'iga jiddiy zarar etkazishi mumkin. Simob bilan ishlaganda, hatto eng kichik simob tomchi ham to'kilmasligini ta'minlash kerak.
Kritik harorat
Gazni suyuqlikka qanday aylantirish kerak? Qaynatish jadvali bu savolga javob beradi. Siz gazni suyuqlikka aylantira olasiz, yoki haroratni pasaytiring yoki bosimni oshiring.
19-asrda ortib borayotgan bosim haroratni pasaytirishdan osonroq tuyuldi. Ushbu asrning boshida buyuk ingliz fizigi Mixail Farad gazlarni bug 'bosimining qiymatlariga siqib chiqishga muvaffaq bo'ldi va shu tariqa ko'plab gazlarni suyuqlikka (xlor, karbonat angidrid va boshqalar) aylantirdi.
Biroq, ba'zi gazlarni - vodorod, azot, kislorodni suyultirish mumkin emas edi. Ular qancha bosim o'tkazsalar ham, suyuqlikka aylanishmadi. Kimdir kislorod va boshqa gazlar suyuq bo'lolmaydi, deb o'ylagan bo'lardi. Ular haqiqiy yoki doimiy gazlar deb nomlangan.
Aslida, muvaffaqiyatsizliklar bitta muhim vaziyatni noto'g'ri tushunish tufayli yuzaga kelgan.
Suyuqlik va bug'ni muvozanat holatida ko'rib chiqing va ortib boruvchi qaynoq va, albatta, tegishli bosim oshishi bilan ular bilan nima sodir bo'lishi haqida o'ylang. Boshqacha qilib aytganda, tiklanish grafigidagi nuqta egri yuqoriga qarab harakatlanadi deb tasavvur qiling. Suyuqlik haroratning oshishi va uning zichligi pasayishi bilan kengayib borishi aniq. Bug'ga kelsak, qaynoq haroratning oshishi? Albatta, bu uning kengayishiga hissa qo'shadi, ammo yuqorida aytib o'tganimizdek, to'yingan bug 'bosimi qaynab turganidan ancha tezroq o'sadi. Shu sababli, bug 'zichligi pasaymaydi, aksincha qaynab ketish nuqtasi bilan tez ortadi.
Suyuqlik zichligi pasayganda va bug 'zichligi oshib, qaynab turgan chiziq bo'ylab "yuqoriga" ko'tarilsa, biz muqarrar ravishda suyuqlik va bug' zichligi teng keladigan joyga etib boramiz (4.3-rasm).