Molekulyar fizika

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.
Nima uchun odam suvni to'g'ridan-to'g'ri ishlatishdan oldin qaynatishni boshladi? O'zingizni ko'plab patogen bakteriyalar va viruslardan himoya qilish uchun to'g'ri. Bu urf O'rta asrlar Rossiya hududida ham Buyuk Iyso alayhissalomdan oldin paydo bo'lgan, vaholanki, u mamlakatga birinchi samovarni olib kelgan va kechqurun choy ichishni odat qilgan. Aslida, ba'zi odamlar qadimgi Rossiyada o'tlar, rezavorlar va ildizlardan ichimliklar tayyorlash uchun qandaydir samovarlardan foydalanishgan. Bu erda qaynatish asosan zararsizlantirish uchun emas, balki foydali o'simlik ekstraktlarini olish uchun talab qilingan. Axir, o'sha paytda bu viruslar bo'lgan bakteriyalar yashaydigan mikroto'lqin haqida ham xabardor emas edi. Biroq, qaynab ketishi tufayli mamlakatimiz vabo yoki difteriya kabi dahshatli kasalliklarning dunyodagi pandemikasiga duch keldi.
Selsiy shkalasi
Shvetsiyalik buyuk meteorolog, geolog va astronom dastlab suvning muzlash nuqtasini normal sharoitda ko'rsatish uchun 100 daraja qiymatini ishlatgan va suvning qaynash nuqtasi nol daraja deb qabul qilingan. 1744 yilda vafotidan keyin unchalik taniqli bo'lmagan odam, botanik Karl Linnaeus va qabul qiluvchisi Selsiy Morten Stremer ushbu o'lchovni undan foydalanish qulayligi uchun o'zgartirdi. Biroq, boshqa ma'lumotlarga ko'ra, Selsiyning o'zi o'limidan oldin buni amalga oshirgan. Ammo har qanday holatda ham guvohliklarning barqarorligi va tushunarli gradingatsiya, undan foydalanish davrning eng nufuzli ilmiy kasblari - kimyogarlar orasida keng qo'llanilishiga ta'sir ko'rsatdi. Va 100 daraja shkalaning teskari belgisi suvning muzlashi emas, balki barqaror qaynash nuqtasini belgilab qo'yganiga qaramay, shkala o'zining dastlabki yaratuvchisi Selsiy nomini oldi.
Atmosfera ostida
Biroq, hamma narsa birinchi qarashda ko'rinadigan darajada oddiy emas. P-T yoki P-S koordinatalaridagi har qanday diagrammani (S entropiyasi to'g'ridan-to'g'ri haroratga funktsional bog'liq) qarab, harorat va bosim qanchalik chambarchas bog'liqligini bilib olamiz. Bundan tashqari, suv bosimga qarab o'z qiymatlarini o'zgartiradi. Va har qanday alpinist bu mulk bilan tanish. Hayotida hech bo'lmaganda bir marta dengiz sathidan 2000-3000 metr balandliklarni egallagan har bir kishi balandlikdan nafas olish qanchalik qiyinligini biladi. Buning sababi shundaki, biz qancha ko'p ko'tarilsa, havo shunchalik nozik bo'ladi. Atmosfera bosimi bir atmosfera ostiga tushadi (n. A.dan pastda, ya'ni "normal sharoit" dan pastroq). Suvning qaynoq nuqtasi ham tushadi. Har bir balandlikdagi bosimga qarab, u saksondan ham, oltmishdan ham qaynashi mumkin


Bosim pishirgich
Ammo esda tutish kerakki, asosiy mikroblar oltmish darajadan yuqori haroratlarda o'lsa ham, ko'pchilik sakson va undan yuqori darajalarda omon qolishi mumkin. Shuning uchun biz qaynab turgan suvga erishamiz, ya'ni uning haroratini 100 ° C ga keltiramiz. Biroq, vaqtni qisqartiradigan va suyuqlikni yuqori haroratga qizdiradigan, uni qaynatmasdan va bug'lanish orqali og'irlikni yo'qotadigan qiziqarli oshxona anjomlari mavjud. Suvning qaynoq harorati bosim darajasiga qarab o'zgarishi mumkinligini anglagan holda, frantsuz prototipiga asoslangan AQSh muhandislari 1920-yillarda dunyoga bosim pishirgichini taqdim etishdi. Uning ishlash printsipi, qopqoqning devorlarga mahkam bosilishi, bug'ni olib tashlamasdan turib amalga oshiriladi. Ichkarida yuqori bosim hosil bo'ladi va suv yuqori haroratlarda qaynatiladi. Biroq, bunday qurilmalar juda xavflidir va ko'pincha portlashga va foydalanuvchilarga jiddiy kuyishga olib keladi.

Ideal holda
Jarayon qanday kelib chiqishini ko'rib chiqaylik. Barkamol silliq va cheksiz katta isitish yuzasini tasavvur qiling, u erda issiqlik taqsimoti teng bo'ladi (yuzaning har kvadrat millimetriga bir xil miqdordagi issiqlik energiyasi qo'llaniladi) va sirt pürüzlülük koeffitsienti nolga tushadi. Bunday holda, qachon n. da Laminar chegara qatlamida qaynatish bir vaqtning o'zida butun sirt maydoni bo'ylab boshlanadi va darhol uning yuzasida joylashgan suyuqlik hajmini to'liq bug'latib yuboriladi. Bu ideal sharoitlar, haqiqiy hayotda bunday bo'lmaydi.


Hayotda
Keling, suvning dastlabki qaynash nuqtasi nima ekanligini bilib olaylik. Bosimga qarab, u ham o'z qadriyatlarini o'zgartiradi, ammo bu erda asosiy nuqta shundaki. Bizning fikrimizcha, eng yumshoq narsani olsak ham, uni mikroskop ostida ushlaymiz va ushlab tursak ham, uning ko'zoynagida biz asosiy sirt ustida chiqadigan notekis qirralarni va tez-tez uchraydigan cho'qqilarni ko'ramiz. Biz taxmin qilamizki, panning yuzasiga issiqlik teng ravishda etkazib beriladi, ammo aslida bu mutlaqo to'g'ri emas. Tovoq eng katta yondirgichda bo'lsa ham, harorat gradienti pechkada teng taqsimlanmagan va har doim suvning erta qaynashiga javobgar bo'lgan mahalliy qizib ketish zonalari mavjud. Sirt cho'qqilarida va pasttekisliklarida necha daraja bor? Uzluksiz issiqlik ta'minoti paytida yuzaki cho'qqilar pasttekisliklarga va deb ataladigan soylarga qaraganda tezroq isiydi. Bundan tashqari, har tomondan past haroratli suv bilan o'ralgan holda, ular suv molekulalariga yaxshi energiya beradi. Tepaliklarning termal diffuzivligi tekisliklarga nisbatan bir yarim-ikki baravar yuqori.


Harorat
Shuning uchun suvning dastlabki qaynash temperaturasi sakson darajaga teng. Suyuqlikni tezda qaynatish va ko'zga ko'rinadigan birinchi pufakchalarni hosil qilish uchun zarur bo'lgan sirt cho'qqilari bu qiymat bilan asta-sekin yuzaga chiqa boshlaydi. Oddiy bosimdagi suvning qaynash nuqtasi nima - ko'pchilik savol berishadi. Ushbu savolga javobni jadvallardan topish mumkin. Atmosfera bosimida barqaror qaynash 99,9839 ° S darajasida belgilanadi.
Moddaning shartlari
Temir bug'i va qattiq havo
Bu so'zlarning g'alati kombinatsiyasi emasmi? Biroq, bu bema'nilik emas: temir bug'i ham, qattiq havo ham tabiatda mavjud, ammo oddiy sharoitlarda emas.
Biz qanday sharoitlar haqida gapiryapmiz? Moddaning holati ikki holatga bog'liq: harorat va bosim.
Bizning hayotimiz ozgina o'zgaruvchan sharoitda davom etmoqda. Havo bosimi bir atmosfera atrofida bir necha foiz atrofida o'zgarib turadi; havo harorati, aytaylik, Moskva viloyatida -30 dan + 30 ° C gacha; eng past harorat (-273 ° S) nolga teng bo'lgan mutlaq harorat shkalasida; bu oraliq kamroq ta'sirchan ko'rinadi: 240-300 K, bu o'rtacha qiymatning atigi 10% tashkil etadi.
Biz bu odatiy holatlarga odatlanib qolganimiz tabiiy va shuning uchun oddiy haqiqatni aytganda: "temir qattiq, havo gaz" va boshqalar, biz "normal sharoitda" qo'shishni unutamiz.
Agar siz dazmolni qizdirsangiz, avval u eriydi va keyin bug'lanadi. Agar havo sovutilsa, u avval suyuqlikka aylanadi va keyin qattiqlashadi.
Agar o'quvchi hech qachon temir bug 'va qattiq havoga duch kelmagan bo'lsa ham, u har qanday moddani haroratni o'zgarishi natijasida qattiq va suyuq holatda ham, gaz holatida ham yoki ular qattiq deb aytganidek osonlikcha olishiga ishonadi. suyuq yoki gazsimon fazalar.
Bunga ishonish juda oson, chunki bitta moddada, ersiz hayot imkonsiz bo'lib, hamma gaz va suyuq holatda va qattiq holatda kuzatilgan. Bu, albatta, suv haqida.
Qanday sharoitda moddalar bir holatdan ikkinchi holatga o'tadi?
Qaynatib oling
Agar siz termometrni choynakka quyilgan suvga tushirsangiz, pechkani yoqing va termometr simobini kuzatsangiz, biz quyidagilarni ko'ramiz: deyarli darhol simobning sathi ko'tariladi. 90, 95, nihoyat 100 ° C uchun. Suv qaynaydi va shu bilan birga simobning ko'tarilishi to'xtaydi. Suv bir necha daqiqadan beri qaynab kelmoqda, ammo simobning darajasi o'zgarmaydi. Barcha suv qaynaguncha harorat o'zgarmaydi (4.1-rasm).