A forralás egy anyag aggregációs állapotának megváltoztatásának folyamata. Amikor vízről beszélünk, változásra gondolunk folyékony halmazállapot gőzbe. Fontos megjegyezni, hogy a forralás nem párolgás, ami még szobahőmérsékleten is előfordulhat. Ezenkívül nem szabad összetéveszteni a forralással, amely a víz egy bizonyos hőmérsékletre való melegítése. Most, hogy kitaláltuk a fogalmakat, meg tudjuk határozni, milyen hőmérsékleten forr a víz.

Folyamat

Maga az aggregált állapot folyékonyból gáz halmazállapotúvá alakításának folyamata összetett. És bár az emberek nem látják, 4 szakasz van:

1. Az első szakaszban kis buborékok képződnek a fűtött tartály alján. Az oldalakon vagy a víz felszínén is láthatók. A légbuborékok tágulása miatt keletkeznek, amelyek mindig jelen vannak a tartály repedéseiben, ahol a víz felmelegszik.
2. A második szakaszban a buborékok térfogata nő. Mindegyik elkezd a felszínre szakadni, mivel telített gőzt tartalmaznak, amely könnyebb, mint a víz. A hevítési hőmérséklet emelkedésével a buborékok nyomása megnő, és Arkhimédész ismert erejének hatására a felszínre nyomódnak. Ugyanakkor hallható a jellegzetes forráshang, amely a buborékok állandó kiterjedése és méretének csökkenése miatt keletkezik.
3. A harmadik szakaszban a felszínen lehet látni nagyszámú buborékok. Ez kezdetben zavaros vizet hoz létre. Ezt a folyamatot népszerûen "fehér kulccsal forralásnak" nevezik, és rövid ideig tart.
4. A negyedik szakaszban a víz intenzíven forr, a felszínen nagy, szétpattanó buborékok jelennek meg, és fröccsenések jelenhetnek meg. Leggyakrabban a fröccsenés azt jelenti, hogy a folyadék elérte a maximális hőmérsékletét. Gőz kezd kijönni a vízből.

Ismeretes, hogy a víz 100 fokos hőmérsékleten forr, ami csak a negyedik szakaszban lehetséges.

Gőz hőmérséklet

A gőz a víz egyik halmazállapota. Amikor a levegőbe kerül, más gázokhoz hasonlóan bizonyos nyomást gyakorol rá. Az elpárologtatás során a gőz és a víz hőmérséklete állandó marad mindaddig, amíg az egész folyadék meg nem változtatja az összesítés állapota... Ez a jelenség azzal magyarázható, hogy forralás közben minden energiát a víz gőzzé alakítására fordítanak.

A forrás legelején nedves, telített gőz képződik, amely az összes folyadék elpárolgása után kiszárad. Ha hőmérséklete kezd meghaladni a víz hőmérsékletét, akkor az ilyen gőz túlhevül, és jellemzői szerint közelebb áll a gázhoz.

Sós víz forrásban lévő

Érdekes tudni, hogy milyen hőmérsékleten forr fel a magas sótartalmú víz. Ismeretes, hogy ennek magasabbnak kell lennie a készítményben található Na + és Cl- ionok miatt, amelyek a vízmolekulák közötti régiót foglalják el. Így különbözik a sós víz kémiai összetétele a közönséges friss folyadéktól.

A helyzet az, hogy a sós vízben hidratációs reakció megy végbe - a vízmolekulák sóionokhoz való kapcsolódási folyamata. Kommunikáció a molekulák között friss víz gyengébb, mint a hidratálás során keletkezők, így a folyadék felforralása az oldott sóval tovább tart. A hőmérséklet emelkedésével a sótartalmú vízben a molekulák gyorsabban mozognak, de kevesebb van belőlük, ami miatt ritkábbak az ütközések közöttük. Ennek eredményeként kevesebb gőz keletkezik, és nyomása alacsonyabb, mint az édesvíz gőznyomása. Következésképpen több energiára (hőmérsékletre) van szükség a teljes gőztermeléshez. Átlagosan egy liter 60 gramm sót tartalmazó víz felforralásához a víz forráspontját 10%-kal (azaz 10 C-kal) kell emelni.

Forrásnyomás versus nyomás

Köztudott, hogy a hegyekben, függetlenül attól kémiai összetétel a víz forráspontja alacsonyabb lesz. Ez annak köszönhető, hogy a légköri nyomás a magasságban alacsonyabb. A 101,325 kPa értékű nyomás normálisnak tekinthető. Vele a víz forráspontja 100 Celsius fok. De ha felmegy a hegyre, ahol a nyomás átlagosan 40 kPa, akkor ott a víz 75,88 C-on fog felforrni. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a hegyekben való főzéssel csaknem a fele időt kell töltenie. A termékek termikus feldolgozásához bizonyos hőmérsékletre van szükség.

Úgy tartják, hogy 500 méteres tengerszint feletti magasságban a víz 98,3 C-os, 3000 méteres magasságban pedig 90 C-os forráspontú lesz.

Vegye figyelembe, hogy ez a törvény az ellenkező irányba is működik. Ha folyadékot helyezünk egy zárt lombikba, amelyen a gőz nem tud áthaladni, akkor a hőmérséklet emelkedésével és a gőz képződésével ebben a lombikban a nyomás megnő, és a megnövekedett nyomáson történő forralás több helyen történik. magas hőmérsékletű... Például 490,3 kPa nyomáson a víz forráspontja 151 C lesz.

Forrásban lévő desztillált víz

A desztillált víz tisztított víz, szennyeződések nélkül. Gyakran használják orvosi vagy műszaki célokra. Mivel az ilyen vízben nincsenek szennyeződések, főzéshez nem használják. Érdekes megjegyezni, hogy a desztillált víz gyorsabban forr, mint a közönséges édesvíz, de a forráspont változatlan marad - 100 fok. A forrásidő különbsége azonban minimális lesz - csak a másodperc töredéke.

A teáskannában

Az embereket gyakran érdekli, hogy milyen hőmérsékleten forr fel a víz a vízforralóban, mivel ezekkel az eszközökkel forralják a folyadékot. Figyelembe véve azt a tényt, hogy a lakás légköri nyomása megegyezik a normál nyomással, és a használt víz nem tartalmaz sókat és egyéb szennyeződéseket, amelyeknek nem szabadna lennie, akkor a forráspont is szabványos lesz - 100 fok. De ha a víz sót tartalmaz, akkor a forráspont, mint már tudjuk, magasabb lesz.

Következtetés

Most már tudja, milyen hőmérsékleten forr a víz, és hogyan befolyásolja ezt a folyamatot a légköri nyomás és a folyadék összetétele. Ebben nincs semmi nehéz, és a gyerekek az iskolában kapnak ilyen információkat. A legfontosabb dolog az, hogy ne feledjük, hogy a nyomás csökkenésével a folyadék forráspontja is csökken, és a növekedésével szintén nő.

Az interneten számos különféle táblázatot találhat, amelyek a folyadék forráspontjának a légköri nyomástól való függését jelzik. Mindenki számára elérhetőek, és aktívan használják az iskolások, a diákok és még az intézetek tanárai is.

HŐCSERE FORRÁS ÉS KONDENZÁCIÓ ALATT

FORRÁS HŐCSERE

Forró intenzív párolgási folyamatnak nevezzük, amely a telítési hőmérsékleten lévő vagy a telítési hőmérséklethez képest kissé túlhevült folyadék teljes térfogatában gőzbuborékok képződésével megy végbe. A fázisátalakítás során a párolgási hő elnyelődik. A forralás folyamata általában a forrásban lévő folyadék hőellátásához kapcsolódik.

Folyadékforrási módok.

Megkülönböztetik a folyadékok forralását szilárd hőcserélő felületen, amelyhez kívülről szállítják a hőt, és a folyadék térfogatában történő forralás között.

Szilárd felületen történő forralás során gőzfázis képződése figyelhető meg kiválasztott helyek ezt a felületet. Az ömlesztett forralás során a gőzfázis spontán módon (spontán módon) közvetlenül a folyadék térfogatában, egyedi gőzbuborékok formájában jön létre. Tömeges forralás csak akkor következhet be, ha a folyékony fázist az adott nyomáson a telítési hőmérséklethez képest jelentősebben túlhevítjük, mint a szilárd felületen történő forralásnál. Jelentős túlmelegedés érhető el például a rendszer gyors nyomásmentesítésével. Tömeges forrás akkor fordulhat elő, ha a folyadékban belső hőforrások vannak.

A modern energetikában és technikában a forralási folyamatok általában szilárd fűtőfelületeken (csőfelületeken, csatornafalakon stb.) fordulnak elő. Az alábbiakban ezt a forralástípust főként tárgyaljuk.

A nukleáris forrás során a hőátadás mechanizmusa eltér az egyfázisú folyadék konvekciója során fellépő hőátadás mechanizmusától az anyagtömeg és a hő további átvitele révén a gőzbuborékok a határrétegből a forrásban lévő folyadék térfogatába. Ez az egyfázisú folyadék konvekciójához képest nagy intenzitású hőátadást eredményez forralás közben.

Ahhoz, hogy a forrási folyamat megtörténjen, két feltételnek kell teljesülnie: a folyadék túlmelegedésének a telítési hőmérséklethez viszonyítva, valamint a párolgási centrumok jelenlétének.

A folyadék túlmelegedésének maximális értéke közvetlenül a fűtött hőcserélő felületen van. Párolgási központokat is tartalmaz falegyenetlenségek, légbuborékok, porszemcsék stb. formájában. Ezért a gőzbuborékok közvetlenül a hőcserélő felületen keletkeznek.

3.1. ábra - korlátlan térfogatú folyadék forrási módjai: a) -buborék; b) - átmeneti; c) - film

ábrán. 3.1. a folyadék korlátlan térfogatú forralási rendjei sematikusan láthatók. Nál nél buborék mód forrásban (3.1. ábra, a)) a fűtőfelület hőmérsékletének növekedésével t cés ennek megfelelően nő a hőmérsékletkülönbség, az aktív párologtató központok száma, a forrási folyamat egyre intenzívebbé válik. A gőzbuborékok időszakosan leválanak a felületről, és a szabad felületre felúszva tovább nőnek a térfogatuk.

A Δ hőmérséklet-különbség növekedésével t jelentősen megnő a hőáram, amely a fűtőfelületről a forrásban lévő folyadék felé távozik. Mindez a hő végső soron gőzképzésre költ el. Ezért a forralás alatti hőegyenleg egyenlete a következő:

ahol K- hőáramlás, W; r- melegség fázisátmenet folyadék, J/kg; G p- a folyadék felforralása során keletkező és a szabad felületéről eltávolított gőz mennyisége, kg/s.

Hőáramlás K a Δ hőmérséklet-különbség növekedésével t nem nő a végtelenségig. Valamilyen Δ értéknél t eléri maximális értékét (3.2. ábra), és Δ további növekedésével t csökkenni kezd.

3.2 ábra - A hőáram sűrűségének függése q

a hőmérséklet-különbségen Δ t amikor vizet nagy térfogatban forralunk at légköri nyomás: 1- melegítés telítési hőmérsékletre; 2 - buborék mód; 3 - átmeneti mód; 4 - film mód.

Adja meg az 1 2 3 és 4 parcellákat

A buborékos forralás a 2. szakaszban (3.2. ábra) a maximális hőelvonásig a ponton történik. q cr1 hívott az első kritikus hőáram-sűrűség. Atmoszférikus nyomású víz esetében az első kritikus hőáram sűrűsége ≈ W / m 2; a hőmérsékleti magasság megfelelő kritikus értéke W / m 2. (Ezek az értékek a víz forráspontjára vonatkoznak szabad mozgás nagy mennyiségben. Más körülmények és más folyadékok esetén az értékek eltérőek lesznek).

Nagyobb Δ esetén t jön átmeneti rezsim forralás (3.1. ábra, b). Jellemzője, hogy mind magán a fűtőfelületen, mind annak közelében a buborékok folyamatosan összeolvadnak egymással, nagy gőzüregek képződnek. Emiatt a folyadéknak a felszínhez való hozzájutása fokozatosan egyre nehezebbé válik. A felszín egyes helyein "száraz" foltok jelennek meg; számuk és méretük a felszíni hőmérséklet emelkedésével folyamatosan nő. Úgy tűnik, hogy az ilyen szakaszok ki vannak kapcsolva a hőcseréből, mivel a hő közvetlenül a gőz felé történő eltávolítása sokkal kevésbé intenzív. Ez határozza meg a hőáram éles csökkenését (3.2. ábra 3. szakasza) és a hőátbocsátási tényezőt az átmeneti forralás tartományában.

Végül egy bizonyos hőmérséklet-különbségnél a teljes fűtőfelületet egy összefüggő gőzfilm borítja, ami a folyadékot eltávolítja a felületről. Ettől a pillanattól kezdve történik film mód forralás (3.1. ábra, v). Ebben az esetben a hő átadása a fűtőfelületről a folyadékba konvektív hőcserével és a gőzfilmen keresztül történő sugárzással történik. A hőátadás intenzitása filmforralás üzemmódban meglehetősen alacsony (3.2. ábra 4. szakasza). A gőzfilm lüktet; a benne időszakosan felhalmozódó gőz nagy buborékok formájában távozik. A film forrásának kezdetekor a felületről eltávolított hőterhelés és ennek megfelelően a keletkező gőz mennyisége minimális. Ez megfelel a Fig. 3,2 pont q cr2 hívott a második kritikus hőáram-sűrűség. A víz légköri nyomásán a film forrásának kezdetének pillanatát ≈150 °C hőmérsékleti csúcs jellemzi, azaz a felületi hőmérséklet t c körülbelül 250 °C. A hőmérséklet-különbség növekedésével a sugárzás általi hőcsere következtében egyre több hő kerül átadásra.

Mindhárom forralási mód fordított sorrendben figyelhető meg, ha például egy vörösen izzó masszív fémterméket vízbe merítünk kioltás céljából. A víz felforr, először viszonylag lassan hűtjük le a testet (filmforralás), majd a hűtési sebesség gyorsan növekszik (tranziens üzemmód), a víz periodikusan elkezdi nedvesíteni a felületet, és a felületi hőmérséklet legnagyobb mértékű csökkenése az utolsó szakaszban érhető el. a hűtés (nukleáris forráspont). Ebben a példában a forrás nem álló körülmények között megy végbe az idő múlásával.

ábrán. A 3.3 bemutatja a vízben, elektromosan fűtött vezetéken forralás buborékos és filmes módozatait.

rizs. 3.3 Buborék- és filmforralási módok megjelenítése elektromosan fűtött vezetéken: a) - buborék és b) - filmforralás mód.

A gyakorlatban gyakran előfordulnak olyan körülmények is, amikor fix hőáramot juttatnak a felületre, pl. q= konst. Ez jellemző például a termikus elektromos fűtőberendezésekre, az atomreaktorok fűtőelemeire és hozzávetőlegesen a nagyon magas hőmérsékletű forrásokból származó sugárzó felületfűtésre. Olyan körülmények között q= állandó felületi hőmérséklet t cés ennek megfelelően a hőmérsékleti fej Δ t a folyadék forráspontjától függ. Kiderül, hogy ilyen hőellátási feltételek mellett az átmeneti rezsim nem létezhet stacioner módon. Ennek eredményeként a forralási folyamat számos fontos tulajdonságot szerez. A hőterhelés fokozatos növelésével q hőmérsékleti fej Δ tábrán látható buborékos forrási rendszer vonalának megfelelően növekszik. 3.2, és a folyamat a fent leírtak szerint alakul. Új feltételek jönnek létre, amikor a szállított hőáram eléri az első kritikus hőáramnak megfelelő értéket q cr1. Most minden jelentéktelen (akár véletlen) értéknövekedésért q felesleg van a felszínre juttatott hőmennyiség és a maximális hőterhelés között q cr1, amely forrásban lévő folyadékba önthető. Ez a többlet ( q-q cr1) a felületi hőmérséklet növekedését okozza, azaz a falanyag ingatag felmelegedése kezdődik. A folyamat kialakulása válságos jelleget ölt. A másodperc töredéke alatt több száz fokkal megemelkedik a fűtőfelület anyagának hőmérséklete, és csak akkor, ha a fal kellően tűzálló, akkor a válság sikeresen véget ér egy új, a film forráspontjának megfelelő stacioner állapottal nagyon magas felületi hőmérsékleten. . ábrán. 3.2 ezt a válságos átmenetet a buborékos forralásról a filmforralásra hagyományosan a nyíl mutatja, mint "ugrást" a nukleáris forrási görbéről a filmforrási vonalra azonos hőterhelés mellett. q cr1. Ez azonban általában a fűtőfelület megolvadásával, tönkremenetelével (túlégésével) jár együtt.

A második jellemző, hogy ha krízishelyzet alakult ki, és kialakul a filmforrás (a felület nem omlott össze), akkor a hőterhelés csökkenésével a film forrása megmarad, azaz a film mentén most fordított folyamat megy végbe. forrásvonal (3.2. ábra). Csak elérésekor q A cr2 folyadék különálló pontokon újraindul, hogy időszakosan elérje (nedvesítse) a fűtőfelületet. A hőelvonás fokozza és meghaladja a hőellátást, ennek következtében a felület gyors lehűlése következik be, aminek krízis jellege is van. Gyors módváltás megy végbe, és stacioner nukleáris forráspont jön létre. Ez a fordított átmenet (második válság) az ábrán. A 3.2-t hagyományosan a nyíllal is ábrázolják, mint "ugrást" a film forrási görbéjéből a magforrás forrásvonalára q = q cr2.

Tehát a hőáram-sűrűség rögzített értékének feltételei mellett q a fűtőfelületre kerül, mind a buborékból a fóliába, mind a visszamenet krízis jellegű. Kritikus hőáram-sűrűségnél fordulnak elő q cr1 és q cr2 ill. Ilyen körülmények között a tranziens forráspont nem állhat fenn álló helyzetben, instabil.

A gyakorlatban széles körben alkalmazzák a csövek vagy csatornák belsejében mozgó folyadék forralása közbeni hőelvonási módszereket. különféle formájú... Tehát a gőzképződés folyamatai a kazáncsövek belsejében mozgó víz forralása miatt zajlanak. A sugárzás és a konvektív hőcsere következtében izzó tüzelőanyag égéstermékeiből hő jut a csövek felületére.

Egy korlátozott térfogatú cső (csatorna) belsejében mozgó folyadék forrási folyamatára a fent leírt feltételek továbbra is érvényesek, ugyanakkor számos újdonság jelenik meg.

Függőleges cső. A cső vagy csatorna egy korlátozott rendszer, amelyben a forrásban lévő folyadék mozgása során a gőzfázis folyamatos növekedése és a folyadékfázis csökkenése következik be. Ennek megfelelően az áramlás hidrodinamikai szerkezete megváltozik, mind a cső hosszában, mind a keresztmetszete mentén. A hőátadás is ennek megfelelően változik.

A függőleges cső hosszában, amikor az áramlás alulról felfelé halad, a folyadék áramlásának három különböző szerkezetű területe van (3.4. ábra): én- fűtőkör (takarékos szakasz, csőszakaszig, ahol T c = T n); II- forráspont (párolgási szakasz, szakasztól, ahol T c = T n, i w<én n, a szakasz előtt, hol T c = T n, i cm→én n); III- nedves gőz szárító terület.

Az elpárologtató szakasz olyan területeket foglal magában, ahol a telített folyadék felületi forráspontja van.

ábrán. A 3.4 sematikusan mutatja egy ilyen folyam szerkezetét. Az 1. szakasz egyfázisú folyadék telítési hőmérsékletre való melegítésének felel meg (economizer szakasz). A 2. szekcióban felszíni gócforralás következik be, melyben a hőátadás a 2. szakaszhoz képest megnövekszik. A 3. szakaszban emulziós üzemmód játszódik le, amelyben a kétfázisú áramlás egy folyadékból és abban egyenletesen eloszló viszonylag kisméretű buborékokból áll, amelyek ezt követően egyesülnek, és nagy buborékokat képeznek - a cső átmérőjének megfelelő dugókat. Dugós üzemmódban (4. szakasz) a gőz különálló nagy dugóbuborékok formájában mozog, amelyeket gőz-folyadék emulzió köztes rétegei választanak el. Továbbá az 5. szakaszban a nedves gőz folyamatos tömegben mozog az áramlás magjában, és egy vékony, gyűrű alakú folyadékréteg mozog a cső falánál. Ennek a folyékony rétegnek a vastagsága fokozatosan csökken. Ez a szakasz megfelel a gyűrű alakú forrási rendszernek, amely akkor ér véget, amikor a folyadék eltűnik a falról. A 6. szakaszban a gőz szárítása történik (növelve a gőzszárazság fokát). Mivel a forralási folyamat befejeződött, a hőátadás csökken. Ezt követően a gőz fajlagos térfogatának növekedése miatt a gőz sebessége megnő, ami a hőátadás némi növekedéséhez vezet.

3.4 ábra - Áramlási szerkezet folyadék forralása közben függőleges csőben

A keringési sebesség növelése adott q -val, a cső hossza és a bemeneti hőmérséklet a fejlett forráspontú területek csökkenéséhez és a gazdaságosító szakasz hosszának növekedéséhez vezet; növekedésével q -val adott sebességnél éppen ellenkezőleg, a fejlett forráspontú szakaszok hossza növekszik, és az economizer szakasz hossza csökken.

Vízszintes és ferde csövek. Amikor kétfázisú áramlás mozog a vízszintesen vagy enyhe lejtőn elhelyezkedő csövek belsejében, az áramlási szerkezet hosszirányú változása mellett jelentős változás következik be a cső kerülete mentén. Tehát, ha az áramlásban a keringési sebesség és a páratartalom alacsony, akkor a kétfázisú áramlás szétválódik a cső alsó részében mozgó folyékony fázisra, és annak felső részében mozgó gőzre (ábra 3.5, a). A gőztartalom és a keringtetési sebesség további növelésével a gőz- és folyadékfázis közötti határfelület hullám jelleget nyer, és a folyadék időszakosan hullámhegyekkel nedvesíti a cső felső részét. A gőztartalom és a sebesség további növekedésével a határfelületen a hullámmozgás növekszik, ami a folyadék részleges kilökődéséhez vezet a gőztartományba. Ennek eredményeként a kétfázisú áramlás áramlás jellegét kapja, először közel dugós áramláshoz, majd gyűrűs áramláshoz.

Rizs. 3.5 - Áramlási szerkezet folyadék forrásakor vízszintes csőben.

a- rétegzett forráspont; b- rúd mód; 1 - gőz; 2 - folyékony.

Gyűrűs üzemmódban a cső teljes kerületén egy vékony folyadékréteg mozgása jön létre, az áramlás magjában gőz-folyadék keverék mozog (3.5. ábra, b). Azonban még ebben az esetben sem figyelhető meg teljes axiális szimmetria az áramlási szerkezetben.

ha a csőfalak hőellátásának intenzitása elég nagy, akkor a forráspont akkor is előfordulhat, ha a csőben lévő áramlást a folyadék telítési hőmérsékletére lehűtik. Ez a folyamat akkor következik be, amikor a fal hőmérséklete t c meghaladja a telítési hőmérsékletet t s. közvetlenül a falnál fedi a folyadék határrétegét. A patak hideg magjába belépő gőzbuborékok gyorsan lecsapódnak. Ezt a fajta forralást ún lehűtött forralás.

A gócforraló üzemmódban a hőelvonás az egyik legfejlettebb módszer a fűtőfelület hűtésére. Műszaki eszközökben széles körben alkalmazható.

3.1.2. Nukleáris forrásban lévő hőátadás.

A megfigyelések azt mutatják, hogy a hőmérséklet-különbség növekedésével Δ t = t c-t s valamint a nyomás R a fűtőfelületen megnő az aktív párolgási központok száma. Ennek eredményeként folyamatosan növekvő számú buborék keletkezik, nő fel és válik le a fűtőfelületről. Ennek eredményeként fokozódik a folyadék falközeli határrétegének turbulizációja és keveredése. A fűtőfelületen történő növekedésük során a buborékok a határrétegből is intenzíven hőt vesznek fel. Mindez hozzájárul a hőátadás javulásához. Általában a nukleáris forrási folyamat meglehetősen kaotikus.

A vizsgálatok azt mutatják, hogy a műszaki fűtőfelületeken a párolgási centrumok száma függ a felület anyagától, szerkezetétől és mikroérdességétől, a felületi összetétel inhomogenitásától és a felület által adszorbeált gáztól (levegőtől). Különféle lerakódások, oxidfilmek, valamint bármely más zárvány észrevehető hatást fejt ki.

A megfigyelések azt mutatják, hogy valós körülmények között a párolgási központok általában a felület érdességének és mikroérdességének egyedi elemei (lehetőleg különféle mélyedések és mélyedések).

Az új felületeken általában magasabb a párolgási centrumok száma, mint az azonos felületeken hosszan tartó forralás után. Ennek oka elsősorban a felület által adszorbeált gáz jelenléte. Idővel a gáz fokozatosan távozik, a növekvő buborékokban keveredik a gőzzel, és a gőztérbe kerül. A forrási folyamat és a hőátadás időben és intenzitásban stabilizálódik.

A gőzbuborékok képződésének feltételeit nagymértékben befolyásolja a folyadék és a gőz határfelületén kialakuló felületi feszültség.

A felületi feszültség miatt a gőznyomás a buborékon belül R n nagyobb, mint a környező folyadék nyomása R f. Különbségüket a Laplace-egyenlet határozza meg

ahol σ a felületi feszültség; R a buborék sugara.

A Laplace-egyenlet a mechanikai egyensúly feltételét fejezi ki. Azt mutatja, hogy a felületi feszültség, mint egy rugalmas héj, "összenyomja" a gőzt a buborékban, és minél erősebb, annál kisebb a sugara R.

A buborékok gőznyomásának a méretétől való függése sajátos jellemzőket ír elő a kis buborékok termikus vagy termodinamikai egyensúlyának feltételére. A buborékban lévő gőz és a felületén lévő folyadék akkor van egyensúlyban, ha a folyadék felületének hőmérséklete megegyezik a buborékban lévő gőznyomás melletti telítési hőmérséklettel, t s ( R P). Ez a hőmérséklet magasabb, mint a telítési hőmérséklet a folyadék külső nyomásán. t s ( R g). Ezért a termikus egyensúly eléréséhez a buborék körüli folyadékot egy bizonyos mennyiséggel túlhevíteni kell t s ( R P)- t s ( R g).

A következő jellemző, hogy ez az egyensúly az instabil... Ha a folyadék hőmérséklete kissé meghaladja az egyensúlyi értéket, akkor a folyadék egy része elpárolog a buborékok belsejében, és a sugara megnő. Ebben az esetben a Laplace-egyenlet szerint a buborékban lévő gőznyomás csökkenni fog. Ez az egyensúlyi állapottól való új eltéréshez vezet. A buborék a végtelenségig növekedni kezd. Ezenkívül a folyadék hőmérsékletének enyhe csökkenésével a gőz egy része lecsapódik, a buborék mérete csökken, és a gőznyomás nő. Ez az egyensúlyi feltételektől való további eltérést von maga után, immár a másik irányba. Ennek eredményeként a buborék teljesen lecsapódik és eltűnik.

Következésképpen túlhevített folyadékban nem a véletlenszerűen kialakuló kis buborékok képesek tovább növekedni, hanem csak azok, amelyek sugara meghaladja a fentebb vizsgált instabil mechanikai és termikus egyensúlyi feltételeknek megfelelő értéket. Ez minimális érték

ahol a derivált egy adott anyag fizikai jellemzője, azt a Clapeyron-Clausis egyenlet határozza meg

vagyis más fizikai állandókon keresztül fejeződik ki: a fázisátalakulás hője r, gőzsűrűség ρ pés folyadékok ρ wés abszolút telítési hőmérséklet T s.

A (3-2) egyenlet azt mutatja, hogy ha a fűtőfelület egyes pontjain gőzmagok jelennek meg, akkor csak azok a magok, amelyek görbületi sugara meghaladja az értéket. R min... Mivel Δ növelésével t nagyságrendű R min csökken, magyarázza a (3-2) egyenlet

az a kísérletileg megfigyelt tény, hogy a felületi hőmérséklet emelkedésével a párolgási központok száma nő.

Az elpárologtató központok számának növekedése a nyomás növekedésével együtt jár a csökkenéssel is R min, mert növekvő nyomással az érték p ′ s növekszik és σ csökken. A számítások azt mutatják, hogy atmoszférikus nyomáson forrásban lévő víz esetén Δ t= 5 °C R min= 6,7 μm, és Δ-nél t= 25 °C R min= 1,3 μm.

A nagysebességű filmezéssel végzett megfigyelések azt mutatják, hogy rögzített forralási mód esetén a gőzbuborékok képződésének gyakorisága nem azonos a felület különböző pontjain és időben. Ez összetett statisztikai jelleget ad a forralási folyamatnak. Ennek megfelelően a különböző buborékok növekedési ütemét és szétválási méretét is véletlenszerű eltérések jellemzik egyes átlagértékek körül.

Miután a buborék elér egy bizonyos méretet, letörik a felületről. Letéphető méret főként a gravitáció, a felületi feszültség és a tehetetlenség kölcsönhatása határozza meg. Ez utóbbi érték egy dinamikus reakció, amely folyadékban megy végbe a buborékok méretének gyors növekedése miatt. Ez az erő általában megakadályozza a buborékok szétválását. Ezenkívül a buborékok kialakulásának és leválásának jellege nagymértékben függ attól, hogy a folyadék nedvesíti-e a felületet vagy sem. A folyadék nedvesítő képességét a θ érintkezési szög jellemzi, amely a folyadék fala és szabad felülete között alakul ki. Minél nagyobb a θ, annál rosszabb a folyadék nedvesítő képessége. Általánosan elfogadott, hogy θ-nél<90° (рис. 3.6, a), a folyadék nedvesíti a felületet, θ> 90°-nál pedig nem. Az érintkezési szög értéke a folyadék jellegétől, anyagától, állapotától és felületi minőségétől függ. Ha egy forrásban lévő folyadék megnedvesíti a fűtőfelületet, akkor a gőzbuborékok vékony szárúak és könnyen elszakadnak a felülettől (3.7. ábra, a). Ha a folyadék nem nedvesíti a felületet, akkor a gőzbuborékok széles szárúak (3.7. ábra, b) és az isthmus mentén válnak le, vagy a teljes felületen párologtatás történik.

Úszó, és a bennük lévő telített. a gőz a folyadék feletti gőzfázisba kerül. A forralás az egyik font. fizikai pl. kémiai folyamatok. technológiákat. Ez utóbbi sajátossága az oldatok és keverékek elterjedt használata a dekomp. mint működő testületek. A forrásban lévő tiszta folyadékok és oldatok összetett termohidrodinamikája teremtményeket készít. befolyásolja a technológia tervezését és méreteit. eszközöket. A munka a gömb térfogatának és felületi energiájának növelésére fordított. az R sugarú buborékot f-le határozza meg: L 0 = - (4/3) p R 3 D p + 4 p L 2 s, ahol D p a nyomáskülönbség a buborékban és a környező folyadékban, Pa; és a koef. felületi feszültség, N / m. Minimális a keletkező gőzbuborék (mag) sugara R min = 2T bála s /, hol r p a gőzsűrűség, kg / m 3; r - párolgási hő, J / kg (T és T forrás leírása alább olvasható). Azokon a helyeken, ahol a gőzfázis magjai megjelennek, szolgálhatnak gázzárványok, folyadékban lévő szilárd részecskék, fűtőfelületeken mikroüregek stb. A falon és a gőz-folyadék határfelületen gőz "folt" kialakításához szükséges munka: L = L 0 (0,5 + 0,75 cos Q-0,25cos 3 Q), ahol Q - a nedvesítés érintkezési szöge. Nál nél K = 180 ° munka L = 0, azaz. hasizmokon. a nedvesített felületből gömb alakú buborék képződik, mint a folyadék térfogatában. Csökkenő nyomás mellett a gőzsűrűség csökken, a min. az atommagok képződési sugara, a fűtés növekedése kimerül a gőzbuborékok keletkezési központjaiban. Ez instabil forráshoz vezet, amikor a túlhevített folyadék konvektív mozgása következik be, majd heves forralás következik be, amelyet egy vagy több kezdeményez. megfelelő sugarú mikroüregek. A t-ry csökkenésével, amikor a folyadék felforr, ezek a mikroüregek "kikapcsolnak", és a konvektívan mozgó folyadék túlmelegedésének ciklusa ismét megismétlődik. T-ra, vágással egy folyadék állandó nyomás alatt (például légköri) forr, ún. forráspont (T forráspont). T bálaként vegye t-py sat. gőz (telítési pont) adott nyomáson forrásban lévő folyadék sík felületén. Forráspont atm. nyomás általában az egyik alap. fizikai és kémiai a vegytiszta anyagok jellemzői. A nyomás növekedésével a T forrás növekszik (lásd a Clapeyron-Clausius egyenletet). Limit T kip – kritikus t-ra in-va (lásd. Kritikus jelenségek). A T bála csökkenése az ext. a nyomás a légköri meghatározás alapja. nyomás. Tegyen különbséget az ömlesztett és a felületi forrás között. Az ömlesztett forralás gőzbuborékok képződése túlhevített vagy metastabil állapotban lévő folyadék tömegében T w> T forráspontnál, ahol T w a túlhevített folyadék t-ra értéke. Ilyen forralás valósul meg az ún. térfogatmérős forralóeszközök, hatékonyak a korrozív folyadékok semlegesítésére és ártalmatlanítására, különösen a szódagyártásban használt lepárlók. Felületi forralás-párologtatás t-ru T n> T forralással rendelkező fűtőfelületen. Ilyen forralás akkor is lehetséges, ha t-ra osn. folyadék tömege T w<Т кип, но в окрестности пов-сти нагрева образовался пограничный слой, перегретый до т-ры, превышающей Т кип. Осн. виды поверхностного кипения - пузырьковое и пленочное. A buborékos forrás mérsékelt hőáram hatására a folyadékkal nedvesített felület mikrodepresszióin történik. A gőz a meglévő párologtatási központokban buborékláncok formájában keletkezik. A fűtőfelülettel közvetlenül érintkező folyadék keringése miatt nagy hőátadási intenzitás érhető el - ebben az esetben az együttható. hőátadás a [W / (m 2. K)] arányos a q hőáram-sűrűséggel (W / m 2) ~ 0,7 hatványra. A film felforrása nem nedvesített fűtőfelületeken történik (például üvegcsőben történő forralás); nedves felületeken a buborékos forralás az első kritikus forráspont elérésekor filmforralássá válik (az első forrásválság). hőáram sűrűsége q cr, 1. A hőátadás intenzitása a filmfőzés során sokkal kisebb, mint a buborékos forralásnál, ami az együttható kis értékeinek köszönhető. hővezető l [W / (m. K)] és a gőzsűrűség a folyadékra vonatkozó értékükhöz képest. A gőz lamináris mozgásával filmben a ~ q -O, 25, turbulens mozgásnál a hőátadás intenzitása kevéssé függ a hőáram sűrűségétől és a fűtőtest méretétől. A nyomásnövekedés mindkét esetben az a növekedéséhez vezet. A második kritikusnál következik be a filmforrás tönkretétele és a buborékok helyreállítása (második forrási krízis) a nedvesített felületeken. hőáram sűrűsége q cr, 2[q cr. 1 (1. ábra). A forrásban lévő válságokat túlnyomórészt meghatározzák. hidrodinamikus a falközeli kétfázisú határréteg szerkezetének stabilitásvesztésének mechanizmusa. Hidrodinamikai kritérium a forrásstabilitás a következő formában van:, ahol Dr a folyadék és a gőz sűrűségének különbsége. Első közelítésben nagy térfogatban forralva sat. homogén, alacsony viszkozitású folyadék k = const (víz, alkohol és számos más közeg esetében k ~ 0,14-0,16). Folyékony, bázikus a vágás tömegét forráspontig hűtjük a v = T bale -T értékkel, q cr ~ q cr, 10 (l + 0,1) paraméter ar n -0,75 K -1),

Rizs. 1. A hőáram-sűrűség függése a hőmérséklet-különbségtől

D T = T és -T forral, amikor nagy térfogatú szabadon konvektív folyadékban forralunk: 1 - buborék üzemmód; 2 - átmeneti üzemmód, amelyet a fűtőfelület buborékszerkezetének megváltozása jellemez egy folyamatos gőzréteggel (film), amelyből nagy gőzbuborékok válnak ki; 3 - film üzemmód, amellyel a fűtőfelületről a gőzrétegen keresztül a folyadékba sugárzási hőátadás is történik; az egyenes a harmadik forrásválságot jellemzi. ahol q cr, 10 a hőáram sűrűsége v = 0-nál, r n a gőz és a folyadék sűrűségének aránya, K = r / C p v a fázisátalakulás termikus kritériuma, C p a folyadék tömeghőkapacitása, JDkg... NAK NEK). Alacsony nyomáson egy harmadik forrásválság is lehetséges a konvektív folyadékmozgás rezsimjéből a kifejlesztett filmforrásig történő közvetlen átmenet formájában. Ez az átmenet lánckavitációs mechanizmussal rendelkezik, és akkor valósul meg, ha a t-p különbségek a fűtési és forrási területeken megfelelnek a következő feltételnek: ahol l és r w - acc. a túlhevített folyadék hővezető képessége és sűrűsége, g - szabad gyorsulás. eső. A negyedik forrásválság a termodinamika kialakulásához kapcsolódik. a folyadékfázis instabilitása bizonyos kritikus szint elérésekor. növelje a fűtést. Kritikai a csatornákban forralás közben fellépő hőáramok sűrűsége lényegesen függ azok alakjától és méretétől, a folyadék áramlási sebességétől és az áramlás gőztartalmától. Az egyetemes törvényeket itt még nem állapították meg. Ingyenesen folyadék forró felületre terítése, van egy ún. gömb alakú állapot - a folyadék a fűtőfelület felett lóg dinamikus hatására. a képződött gőz ellenállása (2. ábra). Egy adott kezdeti folyadéktérfogat teljes elpárolgási idejét a fűtőtest t-raj határozza meg.

Rizs. 2. Forró felületen szabadon szétterülő folyadék párolgási formái: és egy cseppben nem túl melegített felületet nedvesítve buborékos forrás következik be; b a fal felemelkedik, és a csepp gömb alakú; c a fűtőfelület hőmérsékletének növekedésével a csepp a gőzrétegben lóg; d - a térfogat növekedésével a csepp lapos gömb alakú; e a gőzrétegben szuszpendált nagy szferoid, a k-pórusból a gőz kupolás buborékokon keresztül távozik.

Technológiában. folyamatok mindkét típusú felületi forralást alkalmaznak. Például a film forrása a fém folyékony keményedése során következik be. Termékek. A kényszerített, beállító hőáramú hőcserélők tervezése (Joule-hő leadásával, a nukleáris üzemanyag spontán bomlásának p-hőjével, gőzfejlesztőkben stb.) a buborék üzemmód alapján történik. a hűtőfolyadék forrásától. A filmforralás megjelenése például. a nyomás kiengedése vészhelyzetet okozhat. A forrásban lévő oldat és a tiszta folyadékok termohidrodinamikája jelentősen eltér. Tehát bizonyos oldatok és emulziók esetében ez kritikus. a hőáram sűrűsége attól függ

Az anyag állapotai

Vasgőz és szilárd levegő

Nem furcsa szóösszetétel? Ez azonban egyáltalán nem nonszensz: vasgőz és szilárd levegő egyaránt létezik a természetben, de nem hétköznapi körülmények között.

Milyen feltételekről beszélünk? Az anyag állapotát két körülmény határozza meg: a hőmérséklet és a nyomás.

Életünk viszonylag kevéssé változó körülmények között zajlik. A légnyomás körülbelül egy atmoszféra néhány százalékán belül ingadozik; a levegő hőmérséklete, mondjuk, a moszkvai régióban -30 és + 30 ° С között van; abszolút hőmérsékleti skálán, amelyben a lehető legalacsonyabb hőmérsékletet nullának veszik (-273 ° С); ez az intervallum kevésbé fog kinézni: 240-300 K, ami szintén csak ± 10%-a az átlagos értéknek.

Teljesen természetes, hogy megszoktuk ezeket a hétköznapi körülményeket, ezért amikor olyan egyszerű igazságokat mondunk, mint: "a vas szilárd anyag, a levegő gáz" stb., elfelejtjük hozzátenni: "normál körülmények között".

Ha a vasat hevítjük, az először megolvad, majd elpárolog. Ha a levegőt lehűtjük, először folyadékká alakul, majd megszilárdul.

Még ha az olvasó soha nem is találkozott vasgőzzel és szilárd levegővel, valószínűleg könnyen elhiszi, hogy a hőmérséklet változtatásával bármely anyag szilárd, folyékony és gáz halmazállapotban, vagy ahogy mondani szokás, szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotban is előállítható. fázisok.

Könnyű ezt elhinni, mert mindenki egy anyagot figyelne meg, amely nélkül a Földön lehetetlen lenne az élet, mind gáz, mind folyékony, mind szilárd halmazállapotú formában. Ez természetesen a vízről szól.

Milyen körülmények között megy végbe az anyag átalakulása egyik állapotból a másikba?

Forró

Ha leengedjük a hőmérőt a vízforralóba öntött vízbe, bekapcsoljuk a villanytűzhelyet és figyeljük a hőmérő higanyszálát, akkor a következőket látjuk: szinte azonnal felkúszik a higanyszint. Már 90, 95, végül 100 °C. A víz felforr, és ezzel egyidejűleg a higany emelkedése megáll. A víz hosszú percek óta forr, de a higanyszint nem változott. Amíg az összes víz fel nem forr, a hőmérséklet nem változik (4.1. ábra).

Rizs. 4.1

Mire megy el a hő, ha a víz hőmérséklete nem változik? A válasz nyilvánvaló. A víz gőzzé alakításának folyamata energiát igényel.

Hasonlítsuk össze egy gramm víz és egy gramm belőle képződött gőz energiáját. A gőzmolekulák távolabb helyezkednek el egymástól, mint a vízmolekulák. Nyilvánvaló, hogy emiatt a víz potenciális energiája eltér a gőz potenciális energiájától.

A részecskék vonzásának potenciális energiája a megközelítésükkel csökken. Ezért a gőz energiája nagyobb, mint a víz energiája, és a víz gőzzé alakításához energiára van szükség. Ezt az energiatöbbletet az elektromos tűzhely továbbítja a vízforralóban lévő forrásban lévő vízhez.

A víz gőzzé alakításához szükséges energia; párolgáshőnek nevezzük. 1 g víz gőzzé alakításához 539 kalóriára van szükség (ez a szám 100 ° C hőmérsékleten).

Ha 539 kalória megy 1 g-hoz, akkor 1 mól vízre 18 * 539 = 9700 kalóriát költenek. Ezt a hőmennyiséget az intermolekuláris kötések megszakítására kell fordítani.

Összehasonlíthatja ezt az adatot az intramolekuláris kötések megszakításához szükséges munkával. Ahhoz, hogy 1 mól vízgőzt atomokra bontsanak, körülbelül 220 000 kalóriára van szükség, azaz 25-ször több energiára. Ez közvetlenül bizonyítja a molekulákat egymáshoz kötő erők gyengeségét az atomokat molekulává összefogó erőkkel szemben.

Forráspont kontra nyomás

A víz forráspontja 100 °C; azt gondolhatnánk, hogy ez a víz velejárója, hogy a víz, bárhol és milyen körülmények között van, mindig 100 °C-on forr.

De ez nem így van, és ezt a magashegyi falvak lakói is jól tudják.

Az Elbrus tetejének közelében van egy turistaház és egy tudományos állomás. A kezdők néha azon tűnődnek, hogy „milyen nehéz forrásban lévő vízben megfőzni a tojást”, vagy „miért nem ég meg a forrásban lévő víz”. Ilyen körülmények között azt mondják nekik, hogy a víz az Elbrus tetején már 82 °C-on felforr.

mi a baj itt? Milyen fizikai tényező zavarja a forrást? Mennyire fontos a magasság?

Ez a fizikai tényező a folyadék felületére ható nyomás. Nem kell felmásznod a hegy tetejére, hogy ellenőrizd az elmondottak igazságát.

Ha felmelegített vizet teszünk a harang alá, és onnan levegőt szivattyúzunk vagy kiszivattyúzunk, meggyőződhetünk arról, hogy a nyomás növekedésével a forráspont emelkedik, csökkenéssel pedig csökken.

A víz 100 ° C-on csak bizonyos nyomáson - 760 Hgmm - forr. Művészet. (vagy 1 atm).

A forráspont-nyomás görbe az ábrán látható. 4.2. Az Elbrus tetején a nyomás 0,5 atm, és ez a nyomás 82 ° C-os forráspontnak felel meg.

Rizs. 4.2

De 10-15 Hgmm-es forrásban lévő vízzel. Art., meleg időben lehűtheti magát. Ezen a nyomáson a forráspont 10-15 °C-ra csökken.

Akár fagyos vízhőmérsékletű "forrásvizet" is kaphat. Ehhez csökkentenie kell a nyomást 4,6 Hgmm-re. Művészet.

Érdekes kép figyelhető meg, ha a harang alá helyezünk egy nyitott edényt vízzel, és kiszivattyúzzuk a levegőt. A szivattyúzás felforralja a vizet, de a forraláshoz hő kell. Nincs hova vinni, és a víznek fel kell adnia energiáját. A forrásban lévő víz hőmérséklete csökkenni kezd, de a szivattyúzás folytatódásával a nyomás is csökken. Ezért a forrás nem áll le, a víz tovább hűl, és végül megfagy.

A hideg víz ilyen forrása nem csak a levegő kiszivattyúzásakor fordul elő. Például amikor egy hajó légcsavarja forog, a fémfelület közelében gyorsan mozgó vízrétegben a nyomás meredeken leesik, és a víz ebben a rétegben felforr, vagyis számtalan gőzzel teli buborék jelenik meg benne. Ezt a jelenséget kavitációnak nevezik (a latin cavitas szóból - üreg).

A nyomás csökkentésével csökkentjük a forráspontot. És növeli? A miénkhez hasonló grafikon választ ad erre a kérdésre. A 15 atm-es nyomás késleltetheti a víz forrását, csak 200 °C-on kezdődik, és 80 atm-es nyomás csak 300 °C-on forralja fel a vizet.

Tehát egy bizonyos külső nyomás megfelel egy bizonyos forráspontnak. De ezt az állítást úgy is meg lehet "fordítani", hogy mondjuk: a víz minden forráspontjának megvan a maga sajátos nyomása. Ezt a nyomást gőznyomásnak nevezik.

A forráspont-nyomás görbe egyben a gőznyomás-hőmérséklet görbe is.

A forráspont-grafikonon (vagy a gőznyomás-grafikonon) ábrázolt számok azt mutatják, hogy a gőznyomás nagyon gyorsan változik a hőmérséklettel. 0 °C-on (azaz 273 K-en) a gőznyomás 4,6 Hgmm. Art., 100 °C-on (373 K) 760 Hgmm-nek felel meg. Art., azaz 165-szörösére nő. Ha a hőmérséklet felére emelkedik (0 °C-ról, azaz 273 K-ről 273 °C-ra, azaz 546 K-re), a gőznyomás 4,6 Hgmm-ről növekszik. Művészet. majdnem 60 atm-ig, azaz körülbelül 10 000-szer.

Éppen ellenkezőleg, a forráspont meglehetősen lassan változik a nyomás hatására. Ha a nyomás felére változik 0,5 atm-ről 1 atm-re, a forráspont 82 ° C-ról (355 K) 100 ° C-ra (373 K), és ha a nyomás felére változik 1-ről 2 atm-re - 100 ° C-ról C (373 K) - 120 °C (393 K).

Ugyanaz a görbe, amelyet most vizsgálunk, szabályozza a gőz kondenzációját (sűrűsödését) vízben.

A gőz sűrítéssel vagy hűtéssel vízzé alakítható.

Forrás közben és kondenzáció közben sem a pont nem mozdul el a görbével, amíg a gőz vízzé vagy a víz gőzzé alakul. Ez így is megfogalmazható: görbénk körülményei között és csak ilyen feltételek mellett lehetséges a folyadék és a gőz együttélése. Ha ez nem szolgáltat vagy távolít el hőt, akkor a gőz és a folyadék mennyisége egy zárt edényben változatlan marad. Az ilyen gőzt és folyadékot egyensúlyban lévőnek mondják, a folyadékkal egyensúlyban lévő gőzt pedig telítettnek nevezzük.

A forrás- és kondenzációs görbének, mint látjuk, van egy másik jelentése is: ez a folyadék és a gőz egyensúlyának görbéje. Az egyensúlyi görbe két részre osztja a diagrammezőt. Balra és felfelé (magasabb hőmérséklet és alacsonyabb nyomás felé) van egy állandó gőzállapotú terület. Jobbra és lefelé - a folyadék állandó állapotának területe.

A gőz-folyadék egyensúlyi görbe, vagyis a forráspont/nyomás görbe, vagy ami megegyezik, a gőznyomás/hőmérséklet görbéje megközelítőleg minden folyadékra azonos. Egyes esetekben a változás valamivel élesebb, máskor valamivel lassabb lehet, de a gőznyomás mindig gyorsan növekszik a hőmérséklet emelkedésével.

Sokszor használtuk a "gáz" és a "gőz" szavakat. Ez a két szó nagyon egyforma. Mondhatjuk: a vízgáz vízgőz, az oxigéngáz pedig az oxigén folyadék gőze. Ennek ellenére van egy bizonyos szokása e két szó használatának. Mivel hozzászoktunk egy bizonyos viszonylag kis hőmérsékleti tartományhoz, általában azokra az anyagokra használjuk a "gáz" szót, amelyek gőznyomása normál hőmérsékleten magasabb, mint a légköri nyomás. Éppen ellenkezőleg, akkor beszélünk gőzről, ha szobahőmérsékleten és légköri nyomáson az anyag stabilabb folyadék formájában.

Párolgás

A forralás gyors folyamat, a forrásban lévő vízből rövid időn belül nyoma sem marad, gőzzé alakul.

De van egy másik jelenség, amikor a víz vagy más folyadék gőzzé alakul - ez a párolgás. A párolgás bármely hőmérsékleten megtörténik, függetlenül a nyomástól, amely normál körülmények között mindig megközelíti a 760 Hgmm-t. Művészet. A párolgás a forralással ellentétben nagyon lassú folyamat. Egy kölniüveg, amit elfelejtettünk lezárni, néhány nap múlva kiürül; több ideig áll a csészealj a vízzel, de előbb-utóbb az is száraz lesz.

A levegő fontos szerepet játszik a párolgási folyamatban. Önmagában nem akadályozza meg a víz elpárolgását. Amint kinyitjuk a folyadék felszínét, a vízmolekulák elkezdenek mozogni a legközelebbi levegőrétegbe.

A gőz sűrűsége ebben a rétegben gyorsan növekszik; rövid idő elteltével a gőznyomás egyenlő lesz a közeg hőmérsékletére jellemző rugalmassággal. Ebben az esetben a gőznyomás pontosan ugyanolyan lesz, mint levegő hiányában.

A gőz levegőbe jutása természetesen nem jelent nyomásnövekedést. A vízfelszín feletti térben az össznyomás nem növekszik, csak ennek a nyomásnak a gőz által felvett aránya nő, és ennek megfelelően a gőz által kiszorított levegő aránya csökken.

A víz felett levegővel kevert gőz, felette gőz nélküli levegőrétegek vannak. Elkerülhetetlenül keveredni fognak. A vízgőz folyamatosan magasabb rétegekbe kerül, és helyette vízmolekulákat nem tartalmazó levegő jut az alsó rétegbe. Ezért a vízhez legközelebb eső rétegben mindig felszabadulnak helyek az új vízmolekulák számára. A víz folyamatosan elpárolog, miközben a vízgőz nyomását a felületen a rugalmassággal egyenlő szinten tartja, és a folyamat addig folytatódik, amíg a víz teljesen el nem párolog.

A kölni és a víz példájával kezdtük. Köztudott, hogy különböző sebességgel párolognak el. Az éter kivételesen gyorsan, az alkohol meglehetősen gyorsan, a víz pedig sokkal lassabban párolog el. Azonnal megértjük, mi a baj, ha a referenciakönyvben megtaláljuk ezeknek a folyadékoknak a gőznyomásának értékeit, mondjuk szobahőmérsékleten. Ezek a számok: éter - 437 Hgmm. Art., alkohol - 44,5 Hgmm. Művészet. és víz - 17,5 Hgmm. Művészet.

Minél nagyobb a rugalmasság, annál több pára van a szomszédos légrétegben, és annál gyorsabban párolog el a folyadék. Tudjuk, hogy a gőznyomás a hőmérséklet emelkedésével nő. Világos, hogy miért nő a párolgási sebesség a melegítéssel.

A párolgási sebesség más módon is befolyásolható. Ha a párolgást szeretnénk segíteni, akkor gyorsan el kell távolítani a gőzt a folyadékból, vagyis fel kell gyorsítani a levegő keveredését. Éppen ezért a párolgást nagymértékben felgyorsítja a folyadék átfújása. A víz, bár viszonylag alacsony gőznyomású, meglehetősen gyorsan eltűnik, ha a csészealjat szélbe helyezik.

Ezért érthető, hogy a vízből kibújt úszó miért érzi a hideget a szélben. A szél felgyorsítja a levegő gőzzel való keveredését, ezáltal felgyorsítja a párolgást, és az emberi szervezet kénytelen hőt adni a párolgásért.

Az ember közérzete attól függ, hogy sok vagy kevés vízgőz van a levegőben. Mind a száraz, mind a párás levegő kellemetlen. A páratartalom akkor tekinthető normálisnak, ha 60%. Ez azt jelenti, hogy a vízgőz sűrűsége a telített vízgőz azonos hőmérsékletű sűrűségének 60%-a.

Ha a nedves levegőt lehűtjük, akkor végül a benne lévő vízgőz nyomása egyenlő lesz az ezen a hőmérsékleten uralkodó gőznyomással. A gőz telítetté válik, és ahogy a hőmérséklet tovább csökken, vízzé kezd kondenzálódni. A hajnali harmat, amely hidratálja a füvet és a leveleket, pontosan ennek a jelenségnek köszönhető.

20 ° C-on a telített vízgőz sűrűsége körülbelül 0,00002 g / cm3. Akkor fogjuk jól érezni magunkat, ha ennek a számnak a 60%-a a levegőben lévő vízgőz, ami 1 cm 3-ben alig több mint százezred grammnyi mennyiséget jelent.

Bár ez a szám kicsi, de egy helyiségben lenyűgöző mennyiségű gőzhöz vezet. Könnyű kiszámítani, hogy egy közepes méretű, 12 m 2 területű és 3 m magasságú helyiségben körülbelül egy kilogramm víz "elfér" telített gőz formájában.

Ez azt jelenti, hogy ha szorosan bezár egy ilyen helyiséget, és egy nyitott hordó vizet tesz, akkor egy liter víz elpárolog, függetlenül a hordó kapacitásától.

Érdekes összehasonlítani ezt a vízre vonatkozó eredményt a megfelelő higanyra vonatkozó adatokkal. Ugyanezen a 20 ° C-os hőmérsékleten a telített higanygőz sűrűsége 10 -8 g / cm 3.

Az imént tárgyalt helyiségben legfeljebb 1 g higanygőz fér el.

A higanygőz egyébként nagyon mérgező, és 1 g higanygőz súlyosan károsíthatja bármely személy egészségét. Ha higannyal dolgozik, ügyelnie kell arra, hogy a legkisebb higanycsepp se szóródjon ki.

Kritikus hőmérséklet

Hogyan lehet a gázt folyadékká alakítani? A forralási grafikon választ ad erre a kérdésre. A gázt folyadékká alakíthatja a hőmérséklet csökkentésével vagy a nyomás növelésével.

A 19. században a nyomásemelést könnyebb feladatnak tekintették, mint a hőmérséklet csökkentését. A század elején a nagy angol fizikusnak, Michael Faradnak sikerült a gázokat a gőznyomás értékére sűrítenie, és ily módon sok gázt folyadékká (klór, szén-dioxid stb.) alakítani.

Egyes gázok – hidrogén, nitrogén, oxigén – azonban semmilyen módon nem alkalmasak cseppfolyósításra. Bármennyire is növelték a nyomást, nem váltak folyadékká. Azt gondolhatnánk, hogy az oxigén és más gázok nem lehetnek folyékonyak. Az igazi vagy állandó gázok közé sorolták őket.

Valójában a kudarcokat egy fontos körülmény megértésének hiánya okozta.

Tekintsünk egy folyadékot és gőzt egyensúlyban, és gondoljuk át, mi történik velük a forráspont növekedésével és természetesen a nyomás ennek megfelelő növekedésével. Más szavakkal, képzeljük el, hogy a forralási grafikon egy pontja felfelé mozog a görbe mentén. Nyilvánvaló, hogy a folyadék a hőmérséklet emelkedésével kitágul, és a sűrűsége csökken. Ami a gőzt illeti, a forráspont növekedése? természetesen elősegíti a tágulását, de mint már említettük, a telített gőznyomás sokkal gyorsabban nő, mint a forráspont. Ezért a gőzsűrűség nem csökken, hanem éppen ellenkezőleg, gyorsan növekszik a forráspont növekedésével.

Mivel a folyadék sűrűsége csökken, a gőz sűrűsége pedig nő, így a forrásgörbe mentén "felfelé" haladva elkerülhetetlenül elérjük azt a pontot, ahol a folyadék és a gőz sűrűsége egyenlő lesz (4.3. ábra).

Rizs. 4.3

Ezen a figyelemre méltó ponton, amelyet kritikus pontnak neveznek, a forrási görbe véget ér. Mivel a gáz és a folyadék közötti összes különbség a sűrűségkülönbséggel függ össze, ezért a kritikus ponton a folyadék és a gáz tulajdonságai azonosakká válnak. Minden anyagnak megvan a maga kritikus hőmérséklete és saját kritikus nyomása. Tehát a víz esetében a kritikus pont 374 ° C hőmérsékletnek és 218,5 atm nyomásnak felel meg.

Ha olyan gázt sűrítünk össze, amelynek hőmérséklete a kritikus érték alatt van, akkor a kompresszió folyamatát a forrási görbét keresztező nyíl ábrázolja (4.4. ábra). Ez azt jelenti, hogy abban a pillanatban, amikor eléri a gőznyomással egyenlő nyomást (a nyíl és a forrási görbe metszéspontja), a gáz folyadékká kezd kondenzálni. Ha az edényünk átlátszó lenne, akkor abban a pillanatban egy folyadékréteg kialakulásának kezdetét látnánk az edény alján. Állandó nyomáson a folyadékréteg addig nő, amíg végül az összes gáz folyadékká nem változik. A további tömörítéshez a nyomás növelése szükséges.

Rizs. 4.4

Teljesen más a helyzet, ha olyan gázt sűrítenek össze, amelynek hőmérséklete magasabb a kritikusnál. A tömörítési folyamat ismét egy alulról felfelé haladó nyílként ábrázolható. De most ez a nyíl nem lépi át a forrási görbét. Ez azt jelenti, hogy a kompresszió során a gőz nem lecsapódik, hanem csak folyamatosan kondenzálódik.

A kritikus hőmérséklet feletti hőmérsékleten a folyadék és gáz határfelülettel elválasztott létezése lehetetlen: tetszőleges sűrűségűre összenyomva homogén anyag kerül a dugattyú alá, és nehéz megmondani, mikor nevezhető gáz, és mikor nevezhető folyadéknak.

A kritikus pont jelenléte azt mutatja, hogy a folyékony és a gáz halmazállapot között nincs alapvető különbség. Első pillantásra úgy tűnhet, hogy csak a kritikus feletti hőmérsékleteknél nincs ilyen alapvető különbség. Ez azonban nem így van. A kritikus pont megléte jelzi annak lehetőségét, hogy egy folyadék - a pohárba önthető nagyon is valóságos folyadék - gáznemű halmazállapotba kerüljön anélkül, hogy a forrásnak bármiféle látszata lenne.

Ezt az átalakítási utat a ábra mutatja. 4.4. Egy ismert folyadékot kereszttel jelölnek. Ha egy kicsit csökkented a nyomást (nyíl lefelé), akkor felforr, akkor is felforr, ha kissé emeljük a hőmérsékletet (jobbra nyíl). De mi teljesen másképp fogunk cselekedni, Nagyon erősen összenyomjuk a folyadékot, a kritikus feletti nyomásig. A folyadék állapotát jelző pont függőlegesen felfelé megy. Ezután felmelegítjük a folyadékot - ezt a folyamatot vízszintes vonal jelzi. Most, miután a kritikus hőmérséklettől jobbra találtuk magunkat, csökkentjük a nyomást a kezdeti értékre. Ha most lecsökkentjük a hőmérsékletet, akkor igazi gőzt kaphatunk, amit ebből a folyadékból egyszerűbben és rövidebb módon is ki lehet nyerni.

Így mindig lehetőség van a nyomás és a hőmérséklet változtatásával a kritikus pont megkerülésével gőzt nyerni úgy, hogy azt folyamatosan folyadékból vagy folyadékból gőzből átvezetjük. Ez a folyamatos átmenet nem igényel forralást vagy kondenzációt.

A korai kísérletek olyan gázok cseppfolyósítására, mint az oxigén, nitrogén, hidrogén, ezért nem jártak sikerrel, mert nem ismerték a kritikus hőmérséklet létezését. Ezeknek a gázoknak nagyon alacsony kritikus hőmérsékletük van: nitrogén -147 °C, oxigén -119 °C, hidrogén -240 °C vagy 33 K. A rekorder a hélium, kritikus hőmérséklete 4,3 K. A folyadék csak egyféleképpen lehetséges - a hőmérsékletüket a jelzett alá kell csökkenteni.

Alacsony hőmérséklet elérése

A hőmérséklet jelentős csökkenése többféle módon érhető el. De az összes módszer gondolata ugyanaz: rá kell kényszeríteni a testet, amelyet le akarunk hűteni, hogy a belső energiáját elköltse.

Hogyan lehet ezt megtenni? Az egyik módja annak, hogy a folyadékot felforraljuk anélkül, hogy kívülről hőt hoznánk be. Ehhez, mint tudjuk, a nyomást csökkenteni kell - a gőznyomás értékére csökkenteni. A forráshoz felhasznált hőt a folyadékból és a folyadék és a gőz hőmérsékletéből veszik, és ezzel együtt a gőznyomás csökken. Ezért, hogy a forralás ne álljon le, és gyorsabban fellépjen, a levegőt folyamatosan ki kell pumpálni az edényből folyadékkal.

A hőmérséklet-esés azonban e folyamat során elér egy határt: a gőznyomás végül teljesen jelentéktelenné válik, és még a legerősebb evakuáló szivattyúk sem tudják létrehozni a szükséges nyomást.

A hőmérséklet további csökkentése érdekében a keletkező folyadékkal lehűtve a gázt alacsonyabb forráspontú folyadékká alakíthatjuk.

Most a szivattyúzási folyamat megismételhető a második anyaggal, és így alacsonyabb hőmérsékletet érhet el. Ha szükséges, ez a "kaszkád" módszer az alacsony hőmérséklet elérésére kiterjeszthető.

Pontosan ezt tették a múlt század végén; A gázok cseppfolyósítása szakaszosan történt: az etilént, az oxigént, a nitrogént és a hidrogént egymás után folyadékká alakították át - olyan anyagokká, amelyek forráspontja -103, -183, -196 és -253 °C volt. Folyékony hidrogénnel a legalacsonyabb forráspontú folyadékot - héliumot (-269 ° C) kaphatja. A „baloldali” szomszéd segített megszerezni a „jobboldali” szomszédot.

A kaszkádhűtési módszer csaknem száz éves. 1877-ben ezzel a módszerrel folyékony levegőt nyertek.

1884-1885-ben. először nyertek folyékony hidrogént. Végül húsz évvel később befoglalták az utolsó erődöt is: 1908-ban a hollandiai Leiden városában Kamerling Onnes a héliumot folyadékká alakította – a legalacsonyabb kritikus hőmérsékletű anyaggá. Nemrég ünnepelték e fontos tudományos eredmény 70. évfordulóját.

Sok éven át a leideni laboratórium volt az egyetlen "alacsony hőmérsékletű" laboratórium. Ma már minden országban tucatnyi ilyen laboratórium működik, nem beszélve azokról a gyárakról, amelyek folyékony levegőt, nitrogént, oxigént és héliumot állítanak elő műszaki célokra.

Az alacsony hőmérséklet elérésének kaszkád módszerét ma már ritkán használják. A műszaki berendezésekben a hőmérséklet csökkentésére egy másik módszert alkalmaznak a gáz belső energiájának csökkentésére: gyors tágulásra kényszerítik a gázt, és belső energiát használnak fel.

Ha például több atmoszférára sűrített levegőt helyezünk egy expanderbe, akkor a dugattyú mozgatásakor vagy a turbina forgatásakor a levegő olyan élesen lehűl, hogy folyadékká alakul. A szén-dioxid, ha gyorsan kiszabadul a hengerből, olyan élesen lehűl, hogy menet közben "jéggé" válik.

A folyékony gázokat széles körben használják a technológiában. A folyékony oxigént a robbanásveszélyes technológiában használják a sugárhajtóművek üzemanyag-keverékének összetevőjeként.

A levegő cseppfolyósítását a technológiában a levegőt alkotó gázok elkülönítésére használják.

A technológia különböző területein folyékony levegő hőmérsékleten kell dolgozni. De sok fizikai tanulmányhoz ez a hőmérséklet nem elég alacsony. Valóban, ha átváltjuk a Celsius-fokokat abszolút skálára, akkor látni fogjuk, hogy a folyékony levegő hőmérséklete megközelítőleg a szobahőmérséklet 1/3-a. A fizika számára sokkal érdekesebb a "hidrogén" hőmérséklet, vagyis a 14-20 K nagyságrendű hőmérséklet, és különösen a "hélium" hőmérséklet. A folyékony hélium szivattyúzásakor elért legalacsonyabb hőmérséklet 0,7 K.

A fizikusoknak sikerült sokkal közelebb kerülniük az abszolút nullához. Jelenleg olyan hőmérsékleteket értek el, amelyek csak néhány ezredfokkal haladják meg az abszolút nullát. Ezeket az ultraalacsony hőmérsékleteket azonban a fent leírtakhoz nem hasonló módon érik el.

Az elmúlt években az alacsony hőmérsékletű fizika egy speciális ipari ágat hozott létre, amely olyan berendezések gyártásával foglalkozik, amelyek lehetővé teszik nagy mennyiségek fenntartását az abszolút nullához közeli hőmérsékleten; Erősáramú kábeleket fejlesztettek ki, amelyek gyűjtősínjei 10 K alatti hőmérsékleten működnek.

Túlhűtött gőz és túlhevített folyadék

Amikor a forráspont átlépi, a gőznek lecsapódnia kell, és folyadékká kell alakulnia. De,; Kiderül, hogy ha a gőz nem érintkezik a folyadékkal, és ha a gőz nagyon tiszta, akkor lehetséges túlhűtött vagy "túltelített gőz - gőz, amelynek már régen folyadékká kellett volna válnia.

A túltelített gőz nagyon instabil. Néha egy lökés vagy egy űrbe dobott szempára elég ahhoz, hogy a késleltetett páralecsapódás meginduljon.

A tapasztalatok azt mutatják, hogy a gőzmolekulák kondenzációját nagymértékben megkönnyíti, ha kis idegen részecskéket juttatnak a gőzbe. Poros levegőben a vízgőz túltelítettsége nem fordul elő. A páralecsapódást füstfoltok okozhatják. Végül is a füst apró szilárd részecskékből áll. A gőzbe jutva ezek a részecskék molekulákat gyűjtenek maguk körül, és kondenzációs központokká válnak.

Tehát, bár instabil, a gőz létezhet a folyadék "élettartamához" igazított hőmérséklet-tartományban.

De vajon „élhet-e” egy folyadék ugyanolyan körülmények között egy gőzterületen? Más szóval, lehetséges-e túlmelegíteni a folyadékot?

Kiderült, hogy lehet. Ehhez biztosítani kell, hogy a folyadék molekulái ne váljanak le a felületéről. Radikális megoldás a szabad felület megszüntetése, vagyis a folyadék olyan edénybe helyezése, ahol szilárd falak minden oldalról összenyomnák. Ily módon több fokos nagyságrendű túlhevítés érhető el, vagyis a folyadékok állapotát jelző pont a forrási görbe jobb oldalára tolható (4.4. ábra).

A túlhevülés egy folyadék eltolódása a gőztérbe, ezért a folyadék túlmelegedése hőellátással és nyomáscsökkentéssel egyaránt elérhető.

Az utolsó módja annak, hogy csodálatos eredményeket érjen el. Az oldott gázoktól alaposan megszabadított vizet vagy más folyadékot (ezt nem könnyű megtenni) egy edénybe helyezik, amelynek dugattyúja eléri a folyadék felszínét. Az edényt és a dugattyút folyadékkal kell megnedvesíteni. Ha most magad felé húzod a dugattyút, akkor a dugattyú aljára tapadt víz követni fogja. De a dugattyút markoló vízréteg magával húzza a következő vízréteget, ez a réteg pedig az alatta lévőt, aminek következtében a folyadék megnyúlik.

A végén a vízoszlop felrobban (nem a víz, hanem a vízoszlop szakad le a dugattyúról), de ez akkor történik meg, ha az egységnyi területre eső erő eléri a több tíz kilogrammot. Más szóval, a folyadékban több tíz atmoszféra negatív nyomás jön létre.

Még alacsony pozitív nyomáson is stabil az anyag gőzállapota. És a folyadékot negatív nyomás alá lehet hozni. Ennél frappánsabb példát nem is találhat a „túlmelegedés”.

Olvasztó

Nincs olyan szilárd test, amely annyira elviselné a hőmérséklet-emelkedést, amennyit csak akar. Előbb-utóbb egy szilárd darabból folyadék lesz; igaz, bizonyos esetekben nem fogjuk tudni elérni az olvadáspontot - kémiai bomlás léphet fel.

A hőmérséklet emelkedésével a molekulák egyre intenzívebben mozognak. Végül eljön az a pillanat, amikor lehetetlenné válik a rend fenntartása „erősen" megingott „molekulák között. A szilárd anyag megolvad. A volfrám legmagasabb olvadáspontja: 3380 °C. Az arany 1063 °C-on, a vas 1539 °C-on olvad. vannak alacsony olvadáspontú fémek is.A higany, mint köztudott, már -39 °C-on megolvad. A szerves anyagoknak nincs magas olvadáspontja A naftalin 80 °C-on, a toluol -94,5 °C-on olvad.

Egy test olvadáspontját egyáltalán nem nehéz megmérni, különösen akkor, ha egy közönséges hőmérővel mérhető hőmérsékleti tartományban olvad. Egyáltalán nem szükséges szemmel követni az olvadó testet. Elég ránézni a hőmérő higanyoszlopára. Amíg az olvadás meg nem kezdődik, a testhőmérséklet emelkedik (4.5. ábra). Amint az olvadás megkezdődik, a hőmérséklet emelkedése megáll, és a hőmérséklet változatlan marad az olvasztási folyamat befejezéséig.

Rizs. 4.5

Csakúgy, mint a folyadék gőzzé alakításához, a szilárd test folyadékká alakításához hő szükséges. Az ehhez szükséges hőt látens olvadási hőnek nevezzük. Például egy kilogramm jég felolvasztásához 80 kcal szükséges.

A jég egyike a magas olvadási hővel rendelkező testeknek. A jég olvasztásához például 10-szer több energia szükséges, mint azonos tömegű ólom olvasztásához. Természetesen magáról az olvadásról beszélünk, itt nem azt mondjuk, hogy az ólom megolvadása előtt + 327 ° C-ra kell melegíteni. A jégolvadás nagy hője miatt a hóolvadás lelassul. Képzeld el, hogy az olvadáshő 10-szer kisebb lenne. Ekkor a tavaszi árvizek minden évben elképzelhetetlen katasztrófákhoz vezetnének.

Tehát a jég olvadáshője nagy, de kicsi is, ha összehasonlítjuk a fajlagos párolgási hővel, amely 540 kcal/kg (hétszer kevesebb). Ez a különbség azonban teljesen természetes. A folyadék gőzzé alakításakor le kell tépnünk a molekulákat egymástól, olvasztásakor pedig már csak a molekulák elrendezésében a sorrendet kell tönkretenni, közel azonos távolságra hagyva őket. Nyilvánvaló, hogy a második esetben kevesebb munkára van szükség.

Egy bizonyos olvadáspont jelenléte a kristályos anyagok fontos jele. Ez az oka annak, hogy könnyen megkülönböztethetők más szilárd anyagoktól, amelyeket amorfnak vagy üvegnek neveznek. A poharak szervetlen és szerves anyagok között egyaránt megtalálhatók. Az ablaktáblák általában nátrium- és kalcium-szilikátból készülnek; szerves üveget gyakran az asztalra helyeznek (plexinek is nevezik).

Az amorf anyagok a kristályokkal ellentétben nem rendelkeznek meghatározott olvadásponttal. Az üveg nem olvad, hanem meglágyul. Melegítéskor egy üvegdarab először lágy lesz a keményből, könnyen hajlítható vagy nyújtható; magasabb hőmérsékleten a darab saját gravitációja hatására elkezdi megváltoztatni alakját. Ahogy felmelegszik, a vastag, viszkózus üvegtömeg felveszi az edény alakját, amelyben fekszik. Ez a massza először sűrű, mint a méz, majd - mint a tejföl, végül majdnem ugyanolyan alacsony viszkozitású folyadék lesz, mint a víz. Minden vágyunk ellenére nem jelezhetjük itt a szilárd anyag folyadékká való átalakulásának meghatározott hőmérsékletét. Ennek oka az üveg szerkezete és a kristálytestek szerkezete közötti alapvető különbség. Mint fentebb említettük, az amorf testekben az atomok véletlenszerűen vannak elrendezve. Az üvegek szerkezetükben folyadékokra hasonlítanak, a molekulák már a szilárd üvegben is véletlenszerűen helyezkednek el. Ez azt jelenti, hogy az üveg hőmérsékletének emelkedése csak növeli molekuláinak rezgési tartományát, fokozatosan egyre nagyobb mozgásszabadságot ad nekik. Ezért az üveg fokozatosan lágyul, és nem mutat éles átmenetet "szilárd" - "folyékony", ami jellemző a molekulák szigorú sorrendű elrendezéséből a rendezetlen elrendezésbe való átmenetre.

Amikor a forrásgörbéről volt szó, azt mondtuk, hogy a folyadék és a gőz, ha instabil állapotban is, de megélhet idegen régiókban - a gőz túlhűthető és a forrásgörbétől balra továbbítható, a folyadék túlhevíthető és felhúzható. ennek a görbének a jobb oldala.

Lehetségesek-e hasonló jelenségek kristály és folyadék esetén? Kiderült, hogy az analógia nem teljes.

Ha a kristályt felmelegítjük, az olvadáspontján olvadni kezd. A kristályt nem lehet túlmelegíteni. Éppen ellenkezőleg, a folyadék lehűtésével bizonyos intézkedések megtétele esetén az olvadáspont viszonylag könnyen "elcsúszhat". Egyes folyadékokban nagymértékű hipotermia érhető el. Vannak olyan folyadékok is, amelyeket könnyű túlhűteni és nehéz kristályosodni. Ahogy az ilyen folyadék lehűl, egyre viszkózusabbá válik, és végül kristályosodás nélkül megszilárdul. Ez üveg.

A víz túlhűthető is. A ködcseppek még súlyos fagyok esetén sem fagyhatnak meg. Ha egy anyag kristályát - egy magot - túlhűtött folyadékba dobják, akkor a kristályosodás azonnal megkezdődik.

Végül sok esetben a késleltetett kristályosodás felrázódásból vagy más véletlenszerű eseményekből indulhat ki. Ismeretes például, hogy a kristályos glicerint először vasúti szállítás során nyerték ki. Az üvegek hosszan tartó állás után elkezdhetnek kristályosodni (devitrifikálódni, vagy "omladozni", ahogy a technikában mondják).

Hogyan neveljünk kristályt

Szinte minden anyag bizonyos körülmények között kristályokat képezhet. A kristályokat egy adott anyag oldatából vagy olvadékából, valamint gőzeiből nyerhetjük (például fekete, rombusz alakú jódkristályok normál nyomáson könnyen kiesnek a gőzeiből anélkül, hogy közbensően folyékony halmazállapotba kerülnének) .

Kezdje el feloldani a konyhasót vagy a cukrot a vízben. Szobahőmérsékleten (20 ° C) csak 70 g sót tud feloldani egy csiszolt pohárban. A további só hozzáadása nem oldódik fel, és üledékként leülepedik a fenéken. Telítettnek nevezzük azt az oldatot, amelyben a további oldódás már nem megy végbe. .Ha megváltoztatja a hőmérsékletet, akkor az anyag oldhatósági foka is megváltozik. Köztudott, hogy a forró víz sokkal könnyebben oldja a legtöbb anyagot, mint a hideg víz.

Képzelje el, hogy 30 °C-os telített cukoroldatot készített, és elkezdi lehűteni 20 °C-ra. 30 °C-on 223 g cukrot tudott feloldani 100 g vízben, és 205 g cukrot 20 °C-on. Ezután 30 °C-ról 20 °C-ra hűtve 18 g „felesleges” lesz. és ahogy mondják, kiesik a megoldásból. Tehát a kristályok előállításának egyik lehetséges módja a telített oldat lehűtése.

Meg tudod csinálni másképp is. Készítsen telített sóoldatot, és hagyja nyitott pohárban. Egy idő után kristályok megjelenését fogja látni. Miért alakultak? A szoros megfigyelés megmutatja, hogy a kristályok képződésével egyidejűleg egy másik változás is történt - a víz mennyisége csökkent. A víz elpárolgott, és a "felesleges" anyag megjelent az oldatban. Tehát a kristályok kialakulásának másik lehetséges módja az oldat elpárologtatása.

Hogyan keletkeznek kristályok az oldatból?

Azt mondtuk, hogy a kristályok "kiesnek" az oldatból; Kell-e ezt úgy érteni, hogy egy hétig nem volt kristály, és egy pillanat alatt hirtelen megjelent? Nem, ez nem így van: a kristályok nőnek. Természetesen nem lehet szemmel észlelni a növekedés kezdeti pillanatait. Először az oldott anyag véletlenszerűen mozgó molekulái vagy atomjai közül néhány gyűlik össze nagyjából abban a sorrendben, amely a kristályrács kialakításához szükséges. Az atomok vagy molekulák ilyen csoportját atommagnak nevezzük.

A tapasztalatok azt mutatják, hogy az embriók gyakrabban képződnek az oldatban lévő idegen, apró porszemcsék jelenlétében. A kristályosodás akkor kezdődik a leggyorsabban és legkönnyebben, ha egy kis oltókristályt telített oldatba helyezünk. Ebben az esetben a szilárd anyag felszabadulása az oldatból nem új kristályok képződéséből, hanem a mag növekedéséből áll.

Az embrió növekedése természetesen nem különbözik a mag növekedésétől. A mag használatának az a lényege, hogy a felszabaduló anyagot "magára húzza", és ezzel megakadályozza, hogy egyidejűleg nagyszámú embrió keletkezzen. Ha sok mag képződik, akkor a növekedés során zavarják egymást, és nem teszik lehetővé, hogy nagy kristályokat kapjunk.

Hogyan oszlanak el az oldatból felszabaduló atomok vagy molekulák részei az embrió felszínén?

A tapasztalatok azt mutatják, hogy egy embrió vagy mag növekedése mintegy a magukkal párhuzamos élek elmozdulásából áll a peremre merőleges irányban. Ebben az esetben a lapok közötti szögek állandóak maradnak (azt már tudjuk, hogy a szögek állandósága a kristály rácsszerkezetéből adódó legfontosabb jellemzője).

ábrán. A 4.6 három azonos anyagból álló kristály körvonalait mutatja növekedésük során. Hasonló képek figyelhetők meg mikroszkóppal. A bal oldalon látható esetben az arcok száma a növekedés során megmarad. A középső rajz egy új arc megjelenésére mutat példát (jobbra fent), majd ismét eltűnik.

Rizs. 4.6

Nagyon fontos megjegyezni, hogy az arcok növekedési üteme, azaz önmagukkal párhuzamos mozgásuk sebessége nem azonos a különböző arcoknál. Ebben az esetben azok az arcok, amelyek a leggyorsabban mozognak, például a középső rajzon a bal alsó lap, „nőnek” (eltűnnek). Éppen ellenkezőleg, a lassan növekvő élek a legszélesebbek, mint mondják, a legfejlettebbek.

Ez különösen jól látható az utolsó ábrán. Az alaktalan töredék pontosan a növekedési sebesség anizotrópiája miatt veszi fel a többi kristályéval azonos alakot. Egészen határozott oldalak mások rovására fejlődnek ki erősebben, és olyan formát adnak a kristálynak, amely ennek az anyagnak az összes mintájára jellemző.

Nagyon szép átmeneti formák figyelhetők meg, ha egy golyót magnak veszünk, és az oldatot felváltva kissé lehűtjük és melegítjük. Melegítéskor az oldat telítetlenné válik, és a mag részben feloldódik. A lehűlés az oldat telítéséhez és a mag növekedéséhez vezet. De a molekulák más módon ülepednek, mintha előnyben részesítenék bizonyos helyeket. Az anyag tehát a labda egyik helyéről a másikra kerül.

Először kis kör alakú élek jelennek meg a labda felületén. A körök fokozatosan növekednek, és egymással érintkezve egyenes élek mentén egyesülnek. A labda poliéderré változik. Ekkor egyes lapok utolérnek másokat, némelyik lap benőtt, és a kristály felveszi jellegzetes alakját (4.7. ábra).

Rizs. 4.7

A kristályok növekedésének megfigyelésekor a növekedés fő jellemzője szembetűnő - az arcok párhuzamos elmozdulása. Kiderült, hogy a felszabaduló anyag rétegesen építi fel az arcot: amíg az egyik réteg el nem készül, a következő nem kezd el felépülni.

ábrán. A 4.8. ábra az atomok "befejezetlen" csomagolódását mutatja. A betűkkel jelzett pozíciók közül melyikben fog a legszilárdabban tartani az új atomot, amikor a kristályhoz kapcsolódik? Kétségtelenül A-ban, hiszen itt három oldalról tapasztalja a szomszédok vonzását, míg B-ben - kettőről, C-ben - csak egy oldalról. Ezért először az oszlop készül el, majd a teljes sík, és csak ezután kezdődik az új sík lerakása.

Rizs. 4.8

Számos esetben olvadt tömegből - olvadékból - keletkeznek kristályok. A természetben ez hatalmas léptékben történik: a tüzes magmából bazaltok, gránitok és sok más kőzet keletkezett.

Kezdjünk el melegíteni valamilyen kristályos anyagot, például kősót. 804 ° C-ig a kősókristályok alig változnak: csak kis mértékben tágulnak, és az anyag szilárd marad. Egy anyagot tartalmazó edénybe helyezett hőmérsékletmérő folyamatos hőmérséklet-emelkedést mutat hevítéskor. 804 °C-on azonnal két új, egymással összefüggő jelenséget találunk: az anyag olvadni kezd, és a hőmérséklet emelkedése megáll. Amíg az összes anyag folyadékká nem válik; a hőmérséklet nem változik; a hőmérséklet további emelkedése már a folyadék felmelegedését jelenti. Minden kristályos anyagnak van egy bizonyos olvadáspontja. A jég 0 °C-on, a vas 1527 °C-on, a higany -39 °C-on stb.

Mint már tudjuk, minden kristályban az anyag atomjai vagy molekulái rendezett G tömböt alkotnak, és kis rezgéseket hajtanak végre középhelyzetük körül. Ahogy a test felmelegszik, az oszcilláló részecskék sebessége a rezgések tartományával együtt nő. A részecskék mozgási sebességének növekedése a hőmérséklet emelkedésével a természet egyik alapvető törvénye, amely bármilyen halmazállapotú anyagra vonatkozik - szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotú.

A kristály bizonyos, kellően magas hőmérsékletének elérésekor a részecskéinek rezgései olyan energikussá válnak, hogy a részecskék pontos elrendezése lehetetlenné válik - a kristály megolvad. Az olvadás megindulásával a leadott hő már nem a részecskesebesség növelésére, hanem a kristályrács tönkretételére költik el. Ezért a hőmérséklet-emelkedés felfüggesztésre kerül. Az ezt követő melegítés a folyadékrészecskék sebességének növekedését jelenti.

A számunkra érdekes olvadékból történő kristályosodás esetén a fent leírt jelenségek fordított sorrendben figyelhetők meg: a folyadék lehűlésével részecskéi lelassítják kaotikus mozgását; egy bizonyos, kellően alacsony hőmérséklet elérésekor a részecskék sebessége már olyan alacsony, hogy egyesek a vonzási erők hatására elkezdenek egymáshoz tapadni, kristályos magokat képezve. Amíg az egész anyag ki nem kristályosodik, a hőmérséklet állandó marad. Ez a hőmérséklet általában megegyezik az olvadásponttal.

Ha nem tesz különleges intézkedéseket, akkor sok helyen azonnal megindul a kristályosodás az olvadékból. A kristályok szabályos, inherens poliéderek formájában fognak növekedni, pontosan ugyanúgy, ahogyan azt fentebb leírtuk. A szabad növekedés azonban nem tart sokáig: növekedés közben a kristályok egymásnak ütköznek, az érintkezési pontokon a növekedés leáll, a megkeményedett test szemcsés szerkezetet kap. Minden szemcse különálló kristály, amely nem vette fel megfelelő formáját.

Sok körülménytől, és mindenekelőtt a lehűlés sebességétől függően a szilárd anyag többé-kevésbé durva szemcséket tartalmazhat: minél lassabb a hűtés, annál durvábbak a szemcsék. A kristályos testek szemcsemérete egy milliomod centimétertől több milliméterig terjed. A legtöbb esetben mikroszkóp alatt megfigyelhető a szemcsés kristályos szerkezet. A szilárd anyagok általában éppen ilyen finomkristályos szerkezettel rendelkeznek.

A fémek megszilárdulásának folyamata nagy érdeklődésre tart számot a technológia számára. Az öntés és a fém formákban való megszilárdulása során bekövetkezett eseményeket a fizikusok nagyon részletesen vizsgálták.

A legtöbb esetben a faszerű monokristályok, úgynevezett dendritek nőnek meg a megszilárdulás során. Más esetekben a dendritek véletlenszerűen, más esetekben egymással párhuzamosan helyezkednek el.

ábrán. A 4.9 egy dendrit növekedési szakaszait mutatja. Ezzel a viselkedéssel a dendrit túlnőhet, mielőtt egy másik hasonlóval találkozna. Ekkor nem fogunk dendriteket találni az öntvényben. Az események más módon is alakulhatnak: a dendritek találkozhatnak és egymásba nőhetnek (az egyiknek ágai a másik ágai közötti intervallumokban), amíg még "fiatalok".

Rizs. 4.9

Így keletkezhetnek öntvények, amelyek szemcséi (a 2.22. ábrán látható) nagyon eltérő szerkezetűek. És a fémek tulajdonságai jelentősen függenek ennek a szerkezetnek a természetétől. A fém szilárdulás közbeni viselkedése a hűtési sebesség és a hőelvezető rendszer változtatásával szabályozható.

Most beszéljünk arról, hogyan lehet nagy egykristályt termeszteni. Nyilvánvaló, hogy intézkedéseket kell tenni annak biztosítására, hogy a kristály egy helyről nőjön. És ha már több kristály elkezdett növekedni, akkor mindenképpen meg kell győződni arról, hogy a növekedési feltételek csak az egyiknek kedveznek.

Itt van például, hogyan csinálják, amikor alacsony olvadáspontú fémek kristályait termesztik. A fémet egy kihúzott üvegkémcsőben olvasztják meg. A függőleges hengeres kemencében lévő menetre felfüggesztett kémcsövet lassan leengedjük. A húzott vége fokozatosan kilép a sütőből és lehűl. Megkezdődik a kristályosodás. Eleinte több kristály képződik, de azok, amelyek oldalra nőnek, a kémcső falához ütköznek, és növekedésük lelassul. Kedvező körülmények között csak az a kristály jelenik meg, amely a kémcső tengelye mentén, azaz mélyen az olvadékba nő. Ahogy a kémcső leereszkedik, az olvadék új részei, amelyek az alacsony hőmérsékletű tartományba esnek, "táplálják" ezt az egykristályt. Ezért az összes kristály közül egyedül ő marad életben; ahogy a csövet leengedjük, tovább nő a tengelye mentén. Végül az összes megolvadt fém egyetlen kristálytá szilárdul.

Ugyanez az ötlet a tűzálló rubinkristályok termesztésének alapja. Az anyag finom porát sugárban öntik át a lángon. A por ugyanakkor megolvad; apró cseppek hullanak a tűzálló hordozó egy nagyon kis területére, sok kristályt képezve. Ahogy a cseppek tovább esnek a támasztékra, úgy nő az összes kristály, de ismét csak az nő, amelyik a legkedvezőbb helyzetben van a lehulló cseppek "befogadásához".

Mire valók a nagy kristályok?

Az iparnak és a tudománynak gyakran nagy egykristályokra van szüksége. A Rochelle-só és a kvarc kristályai nagy jelentőséggel bírnak a technológia számára, amelyek figyelemre méltó tulajdonsággal rendelkeznek, hogy mechanikai hatásokat (például nyomást) elektromos feszültséggé alakítanak át.

Az optikai iparnak nagyméretű kalcit, kősó, fluorit stb. kristályokra van szüksége.

Az óraiparnak szüksége van rubin-, zafír- és más drágakőkristályokra. A helyzet az, hogy egy közönséges óra egyes mozgó alkatrészei óránként akár 20 000 rezgést is kifejtenek. Az ilyen nagy terhelés szokatlanul magas követelményeket támaszt a tengelyvégek és a csapágyak minőségével szemben. A kopás akkor a legkisebb, ha rubin vagy zafír a 0,07-0,15 mm-es tengelycsúcs csapágya. Ezeknek az anyagoknak a mesterséges kristályai nagyon tartósak, és nagyon kevéssé kopnak az acéltól. Figyelemre méltó, hogy a műkövek jobbak, mint az azonos természetes kövek.

Az ipar számára azonban a legfontosabb a félvezetők – szilícium és germánium – egykristályainak termesztése.

A nyomás hatása az olvadáspontra

Ha megváltoztatja a nyomást, akkor az olvadáspont is megváltozik. Ugyanezzel a mintával találkoztunk, amikor a forralásról beszéltünk. Minél nagyobb a nyomás; annál magasabb a forráspont. Ez általában igaz az olvasztásra is. Vannak azonban olyan anyagok, amelyek abnormálisan viselkednek: olvadáspontjuk a nyomás növekedésével csökken.

A helyzet az, hogy a szilárd anyagok túlnyomó többsége sűrűbb, mint a folyadék. Ez alól csak azok az anyagok képeznek kivételt, amelyek olvadáspontja a nyomás változásával nem egészen megszokott, ilyen például a víz. A jég könnyebb, mint a víz, és a jég olvadáspontja a nyomás növekedésével csökken.

A tömörítés hozzájárul a sűrűbb állapot kialakulásához. Ha a szilárd anyag sűrűbb, mint a folyadék, akkor a tömörítés elősegíti a megszilárdulást és megzavarja az olvadást. De ha az olvadást a kompresszió akadályozza, akkor ez azt jelenti, hogy az anyag szilárd marad, míg korábban ezen a hőmérsékleten már megolvadt volna, vagyis a nyomás növekedésével az olvadáspont emelkedik. Rendellenes esetben a folyadék sűrűbb, mint a szilárd, és a nyomás segíti a folyadék képződését, vagyis csökkenti az olvadáspontot.

A nyomás olvadáspontra gyakorolt ​​hatása sokkal kisebb, mint a forrásnál. A nyomás több mint 100 kgf / cm 2 -rel történő növekedése 1 ° C-kal csökkenti a jég olvadáspontját.

Miért csak a jégen siklik a korcsolya, de nem az ugyanolyan sima parkettán? Nyilvánvalóan az egyetlen magyarázat a víz képződése, amely keni a gerincet. A felmerült ellentmondás megértéséhez emlékeznie kell a következőkre: a tompa korcsolyák nagyon rosszul csúsznak a jégen. A korcsolyákat úgy kell élezni, hogy vágják a jeget. Ilyenkor csak a gerinc szélének hegye nyomja a jeget. A jégre nehezedő nyomás eléri a több tízezer atmoszférát, a jég még olvad.

Szilárd anyagok elpárolgása

Amikor azt mondjuk, hogy "egy anyag elpárolog", ez általában azt jelenti, hogy a folyadék elpárolog. De a szilárd anyagok is elpárologhatnak. Néha a szilárd anyagok elpárolgását szublimációnak nevezik.

A párolgó szilárd anyag például a naftalin. A naftalin 80 °C-on megolvad, és szobahőmérsékleten elpárolog. A naftalinnak ez a tulajdonsága teszi lehetővé a molyok irtására való felhasználását.

A molygombócokkal meghintett bunda telítődik a molygombócokkal, és olyan hangulatot teremt, amit a molyok nem tudnak elviselni. Minden szagtalan szilárd anyag nagymértékben szublimálódik. Hiszen a szagot olyan molekulák hozzák létre, amelyek az anyagról leváltak és eljutottak az orrunkba. Gyakoribb azonban az az eset, amikor az anyag jelentéktelen mértékben szublimál, olykor olyan mértékben, hogy azt nagyon alapos vizsgálatokkal sem lehet kimutatni. Elvileg minden szilárd anyag (bármelyik, még a vas vagy a réz is) elpárolog. Ha nem észlelünk szublimációt, akkor ez csak azt jelenti, hogy a telítési gőz sűrűsége nagyon jelentéktelen.

Látható, hogy számos olyan anyag, amely szobahőmérsékleten szúrós szagú, alacsony hőmérsékleten elveszíti azt.

A szilárd anyaggal egyensúlyban lévő telített gőz sűrűsége a hőmérséklet emelkedésével gyorsan növekszik. Ezt a viselkedést az ábrán látható jéggörbével illusztráltuk. 4.10. Igaz, a jégnek nincs szaga...

Rizs. 4.10

A legtöbb esetben lehetetlen jelentősen növelni a szilárd anyag telített gőzének sűrűségét egyszerű okból - az anyag korábban megolvad.

A jég is elpárolog. A háziasszonyok tisztában vannak ezzel. Fagyos időben kilógnak szárítani a nedves ruhákat. "Először a víz megfagy, majd a jég elpárolog, és a ruha száraznak bizonyul.

Hármas pont

Tehát vannak olyan feltételek, amelyek között a gőz, a folyadék és a kristály párokban egyensúlyban lehetnek. Lehet-e mindhárom állapot egyensúlyban? Létezik egy ilyen pont a nyomás-hőmérséklet diagramon, ezt hármasnak hívják. Hol található?

Ha egy zárt edénybe nulla fokos vizet tesz úszó jéggel, akkor a víz (és a "jég") gőzei elkezdenek áramlani a szabad térbe. 4,6 Hgmm gőznyomáson. Művészet. a párolgás leáll és megkezdődik a telítettség. Most a három fázis – jég, víz és gőz – egyensúlyban lesz. Ez a hármas pont.

A különböző állapotok közötti kapcsolatot világosan és egyértelműen mutatja a víz diagramja, amely az ábrán látható. 4.11.

Rizs. 4.11

Egy ilyen diagram bármely testhez elkészíthető.

Az ábrán látható görbék ismerősek számunkra – ezek a jég és gőz, jég és víz, víz és gőz egyensúlyi görbéi. A függőleges, mint általában, a nyomás, a vízszintes a hőmérséklet.

A három görbe egy hármas pontban metszi egymást, és három területre osztja a diagramot - a jég, a víz és a vízgőz élettereire.

Az állapotdiagram egy tömör hivatkozás. Célja, hogy választ adjon arra a kérdésre, hogy a test milyen állapota stabil ilyen-olyan nyomáson és ilyen-olyan hőmérsékleten.

Ha vizet vagy gőzt helyeznek a "bal oldali terület" körülményei közé, akkor jéggé válnak. Ha folyadékot vagy szilárd anyagot adunk az „alsó régióhoz”, gőzt kapunk. A "megfelelő" területen a gőz lecsapódik és a jég elolvad.

A fázisok létezésének diagramja azonnali választ ad arra, hogy mi lesz az anyaggal, ha felmelegítik vagy összenyomják. Az állandó nyomáson történő fűtést a diagram vízszintes vonallal mutatja. Ezen a vonalon balról jobbra mozog egy pont, amely a test állapotát ábrázolja.

Az ábrán két ilyen vonal látható, az egyik normál nyomáson melegszik. A vonal a hármaspont felett van. Ezért először az olvadási görbét, majd a rajzon kívül és a párolgási görbét fogja keresztezni. A normál nyomású jég 0 ° C-on megolvad, és a kapott víz 100 ° C-on forr.

Más lesz a helyzet a nagyon alacsony nyomáson, mondjuk valamivel 5 Hgmm alatt melegített jég esetében. Művészet. A melegítési folyamatot a hármaspont alatti vonal jelöli. Az olvadási és forrási görbéket ez a vonal nem metszi. Ilyen alacsony nyomáson a melegítés a jég közvetlen gőzzé alakulásához vezet.

ábrán. 4.12 ugyanezen az ábrán látható, hogy milyen érdekes jelenség következik be, ha a vízgőzt az ábrán kereszttel jelölt állapotban sűrítjük össze. A gőz először jéggé válik, majd megolvad. A rajz lehetővé teszi, hogy azonnal megmondja, milyen nyomáson kezd el növekedni a kristály, és mikor fog megolvadni.

Rizs. 4.12

Az összes anyag állapotdiagramja hasonló egymáshoz. Hétköznapi szempontból nagy eltérések adódnak abból a tényből, hogy a hármaspont elhelyezkedése a diagramon a különböző anyagoknál nagyon eltérő lehet.

Hiszen "normál körülmények" közelében létezünk, vagyis elsősorban egy atmoszférához közeli nyomáson. Számunkra nagyon fontos, hogy az anyag hármaspontja hogyan helyezkedik el a normál nyomásvonalhoz képest.

Ha a hármaspontban a nyomás a légkörinél kisebb, akkor nálunk, "normál" körülmények között élve az anyag olvadásra utal. Amikor a hőmérséklet emelkedik, először folyadékká alakul, majd felforr.

Ellenkező esetben - amikor a nyomás a hármaspontban magasabb, mint a légköri - melegítés közben nem látunk folyadékot, a szilárd anyag közvetlenül gőzzé válik. Így viselkedik a „szárazjég”, ami nagyon kényelmes a fagylaltárusok számára. A fagylalt briketteket "szárazjég" darabokkal lehet eltolni anélkül, hogy félne attól, hogy a fagylalt nedves lesz. A „szárazjég” szilárd szén-dioxid CO2. Ennek az anyagnak a hármaspontja 73 atm. Ezért a szilárd CO 2 felmelegítésekor az állapotát jelző pont vízszintesen elmozdul, és csak a szilárd anyag párolgási görbéjét metszi (ahogy a közönséges jégnél kb. 5 Hgmm nyomású).

Korábban már elmondtuk az olvasónak, hogyan határozzák meg a Kelvin-skála szerinti hőmérséklet egy fokát, vagy ahogy az SI-rendszer most megköveteli, egy kelvint. Azonban a hőmérséklet meghatározásának elvéről volt szó. Nem minden metrológiai intézet rendelkezik ideális gázhőmérővel. Ezért a hőmérsékleti skála a természet által rögzített különböző halmazállapotok közötti egyensúlyi pontok felhasználásával készült.

Ebben kiemelt szerepe van a víz hármaspontjának. A Kelvin most a víz hármaspontja termodinamikai hőmérsékletének 273,16-os része. Az oxigén hármaspontját 54,361 K-nek tekintjük. Az arany megszilárdulási hőmérsékletét 1337,58 K-nek feltételezzük. Ezekkel a referenciapontokkal bármely hőmérőt pontosan kalibrálhat.

Ugyanazok az atomok, de... különböző kristályok

A matt fekete puha grafit, amellyel írunk, és a fényes, átlátszó, kemény, üvegvágó gyémánt ugyanazokból a szénatomokból épül fel. Miért különbözik annyira a két azonos összetételű anyag tulajdonságai?

Gondoljunk csak a réteges grafit rácsára, amelynek minden atomjának három legközelebbi szomszédja van, és a gyémánt rácsára, amelynek atomjának négy legközelebbi szomszédja van. Ez a példa világosan mutatja, hogy a kristályok tulajdonságait az atomok kölcsönös elrendeződése határozza meg. A tűzálló tégelyek grafitból készülnek, amely akár két-háromezer fokos hőmérsékletet is képes ellenállni, és 700 ° C feletti hőmérsékleten a gyémánt égést; a gyémánt sűrűsége 3,5, a grafité pedig 2,3; a grafit vezeti az elektromos áramot, a gyémánt nem stb.

Ezzel a különböző kristályok előállítására szolgáló tulajdonsággal nem csak a szén rendelkezik. Szinte minden kémiai elem, és nem csak egy elem, hanem bármely kémiai anyag többféle változatban létezhet. Hat féle jég van, kilenc féle kén, négy féle vas.

A fázisdiagram tárgyalásakor nem beszéltünk különböző típusú kristályokról, és a szilárd test egyetlen régióját rajzoltuk meg. És ez a régió nagyon sok anyag számára szakaszokra oszlik, amelyek mindegyike megfelel a szilárd anyag egy bizonyos "típusának", vagy ahogy mondják, egy bizonyos szilárd fázisnak (egy bizonyos kristálymódosulásnak).

Minden kristályos fázisnak megvan a maga stabil állapotú régiója, amelyet egy bizonyos nyomás- és hőmérséklet-tartomány korlátoz. Az egyik kristályos faj másikká alakulásának törvényei megegyeznek az olvadás és a párolgás törvényeivel.

Mindegyik nyomásnál megadhatja azt a hőmérsékletet, amelyen mindkét típusú kristály békésen együtt él. Ha a hőmérsékletet emeljük, az egyik típusú kristályból egy másik típusú kristály lesz. Ha a hőmérsékletet lecsökkentjük, akkor fordított átalakulás következik be.

Ahhoz, hogy a vörös kén normál nyomáson sárgává váljon, 110 ° C alatti hőmérsékletre van szükség. E hőmérséklet felett az olvadáspontig stabil az atomok elrendeződése, ami a vörös kénre jellemző. A hőmérséklet csökken, az atomok rezgései csökkennek, és 110 ° C-tól kezdve a természet kényelmesebb atomelrendezést talál. Egyik kristály átalakul egy másikká.

Senki nem talált ki nevet hat különböző jégnek. Így mondják: jég egy, jég kettő, ...., jég hét. Mit szólnál héthez, ha csak hat fajta van? A lényeg az, hogy az ismételt kísérletek során nem találtak jégnégyest.

Ha körülbelül nulla hőmérsékletű vizet présel össze, akkor körülbelül 2000 atm nyomáson ötös jég képződik, körülbelül 6000 atm nyomáson pedig hat jég.

A jégkettő és a három jég stabil nulla fok alatti hőmérsékleten.

Az Ice hét forró jég; akkor fordul elő, amikor a forró vizet körülbelül 20 000 atm nyomásra sűrítik.

Minden jég, kivéve a szokásosat, nehezebb a víznél. A normál körülmények között keletkező jég abnormálisan viselkedik; ellenkezőleg, a rendellenes körülmények között keletkezett jég normálisan viselkedik.

Azt mondjuk, hogy minden kristálymódosulást egy bizonyos létezési terület jellemez. De ha igen, akkor hogyan létezik a grafit és a gyémánt azonos feltételek mellett?

Az ilyen "törvénytelenség" nagyon gyakori a kristályok világában. Az a képesség, hogy a kristályok számára "idegen" körülmények között éljenek, szinte szabály. Ha az embernek különféle trükkökhöz kell folyamodnia ahhoz, hogy egy gőzt vagy folyadékot a létezés idegen tartományaiba vigyen át, akkor a kristálynak, éppen ellenkezőleg, szinte soha nem sikerül elérnie, hogy a természet által neki szabott határokon belül maradjon.

A kristályok túlmelegedését és túlhűtését az magyarázza, hogy rendkívül nehéz körülmények között egyik megrendelést a másikba átalakítani. A sárga kénnek 95,5 ° C-on vörössé kell válnia. Többé-kevésbé gyors melegítéssel "kihagyjuk" ezt az átalakulási pontot, és a hőmérsékletet a kén olvadáspontjára hozzuk 113 ° C-ra.

A valódi átalakulási hőmérséklet kimutatásának legegyszerűbb módja, ha a kristályok érintkezésbe kerülnek. Ha szorosan egymásra vannak helyezve, és a hőmérsékletet 96 ° C-on tartják, akkor a sárgát a vörös megeszi, és 95 ° C-on a sárga felszívja a vöröset. A "kristály-folyadék" átmenettel ellentétben a "kristály-kristály" átalakulások általában mind a túlhűtés, mind a túlmelegedés során késnek.

Bizonyos esetekben olyan halmazállapotokkal van dolgunk, amelyekről azt feltételezik, hogy teljesen eltérő hőmérsékleten élnek.

A fehér ónnak szürkévé kell válnia, amikor a hőmérséklet + 13 ° C-ra esik. Általában fehér bádoggal foglalkozunk, és tudjuk, hogy télen nem csinálnak vele semmit. Tökéletesen ellenáll a 20-30 fokos hipotermiának. A kemény télben azonban a fehér ón szürkévé válik. Ennek a ténynek a figyelmen kívül hagyása volt az egyik olyan körülmény, amely tönkretette Scott déli sarki expedícióját (1912). Az expedíció által felvett folyékony üzemanyag ónnal keményforrasztott edényekben volt. Extrém hidegben a fehér ón szürke porrá változott - az edényeket forrasztották; és kifolyt az üzemanyag. Nem véletlenül nevezik ónpestisnek a szürke foltok megjelenését a fehér ónon.

Csakúgy, mint a kén esetében, a fehér ón 13 °C alatti hőmérsékleten is megszürkül; ha a szürke fajtából csak egy apró szemcse esik az óntárgyra.

Ugyanannak az anyagnak több fajtájának megléte és kölcsönös átalakulásuk késése a technológia szempontjából nagy jelentőséggel bír.

Szobahőmérsékleten a vasatomok testközpontú kockarácsot alkotnak, amelyben az atomok a kocka csúcsai mentén és középpontjában foglalnak el pozíciókat. Minden atomnak 8 szomszédja van. Magas hőmérsékleten a vasatomok sűrűbb "tömeget" alkotnak - minden atomnak 12 szomszédja van. A 8 szomszédos vas puha, a 12 szomszédos vas kemény. Kiderült, hogy szobahőmérsékleten beszerezheti a második típusú vasat. Ezt a módszert - keményítést - széles körben alkalmazzák a kohászatban.

Az oltás egészen egyszerűen megtörténik – egy fémtárgyat vörösen felforrósítanak, majd vízbe vagy olajba dobják. A lehűlés olyan gyorsan megy végbe, hogy a magas hőmérsékleten stabil szerkezet átalakulásának nincs ideje megtörténni. Így a magas hőmérsékletű szerkezet a számára szokatlan körülmények között korlátlan ideig létezik: a stabil szerkezetté való átkristályosodás olyan lassan megy végbe, hogy gyakorlatilag láthatatlan.

Nem voltunk teljesen pontosak, amikor a vas keményedéséről beszéltünk. Az acél edzett, vagyis a szén százalékának vasat tartalmaz. A nagyon kis szénszennyeződések jelenléte késlelteti a keményvas átalakulását lágyvassá, és lehetővé teszi a kioltást. Ami a teljesen tiszta vasat illeti, azt nem lehet kioltani - a szerkezet átalakulásának még a legélesebb hűtés mellett is van ideje.

Az állapotdiagram típusától függően a nyomás vagy a hőmérséklet változtatásával ilyen vagy olyan átalakulás érhető el.

Számos kristály-kristály átalakulás figyelhető meg önmagában a nyomásváltozással. Ily módon feketefoszfort kaptunk.

Rizs. 4.13

A grafitot csak magas hőmérséklet és nagy nyomás egyidejű alkalmazásával lehetett gyémánttá alakítani. ábrán. A 4.13 ábra a szén állapotának diagramját mutatja. Tízezer atmoszféra alatti nyomáson és 4000 K alatti hőmérsékleten a grafit stabil módosulat. Így a gyémánt „idegen” körülmények között él, így különösebb nehézség nélkül grafittá alakítható. De az ellenkező probléma gyakorlati érdeklődésre tart számot. A grafitot nem lehet gyémánttá alakítani pusztán a nyomás növelésével. A fázisátalakulás szilárd állapotban láthatóan túl lassú. Az állapotdiagram megjelenése a helyes döntést sugallja: növelje a nyomást és melegítsen egyszerre. Ekkor (az ábra jobb sarkában) olvadt szenet kapunk. Nagy nyomáson lehűtve be kell jutnunk a gyémánt területére.

Egy ilyen eljárás gyakorlati lehetőségét 1955-ben bizonyították, és mára a probléma technikailag megoldottnak tekinthető.

Csodálatos folyadék

Ha csökkenti a test hőmérsékletét, akkor előbb-utóbb megkeményedik és kristályos szerkezetet kap. Ebben az esetben nem mindegy, hogy milyen nyomáson történik a hűtés. Ez a körülmény teljesen természetesnek és érthetőnek tűnik azon fizikatörvények szempontjából, amelyekkel már találkoztunk. Valójában a hőmérséklet csökkentésével csökkentjük a hőmozgás intenzitását. Amikor a molekulák mozgása annyira gyengül, hogy már nem zavarja a köztük lévő kölcsönhatási erőket, a molekulák rendezett sorrendben sorakoznak fel - kristályt alkotnak. A további lehűlés elveszi a molekuláktól a mozgásuk összes energiáját, és az abszolút nullaponton az anyagnak nyugvó molekulák formájában kell léteznie szabályos rácsban.

A tapasztalat azt mutatja, hogy minden anyag így viselkedik. Minden, egy dolog kivételével: egy ilyen "furcsa" a hélium.

A héliumról már adtunk néhány információt az olvasónak. A hélium tartja a kritikus hőmérsékletének rekordját. Egyetlen anyag kritikus hőmérséklete sem alacsonyabb 4,3 K-nál. Ez a rekord azonban önmagában nem jelent semmi meglepőt. Még egy dolog feltűnő: ha a héliumot a kritikus hőmérséklet alá hűtjük, amikor elérjük az abszolút nullát, nem kapunk szilárd héliumot. A hélium még abszolút nullaponton is folyékony marad.

A hélium viselkedése az általunk felvázolt mozgástörvények szempontjából teljesen érthetetlen, és az ilyen univerzálisnak tűnő természeti törvények korlátozott alkalmasságának egyik jele.

Ha a test folyékony, akkor az atomjai mozgásban vannak. De végül is, miután a testet abszolút nullára hűtöttük, a mozgás összes energiáját elvontuk tőle. El kell ismernünk, hogy a héliumnak olyan mozgási energiája van, amelyet nem lehet elvenni. Ez a következtetés összeegyeztethetetlen azzal a mechanikával, amellyel eddig foglalkoztunk. Az általunk vizsgált mechanika szerint a test mozgása mindig lelassítható a teljes leállásig, elveszve tőle minden mozgási energiát; ugyanígy meg lehet állítani a molekulák mozgását úgy, hogy energiát veszünk tőlük, amikor egy lehűlt edény falával ütköznek. Hélium esetében ez a mechanika nyilvánvalóan nem megfelelő.

A hélium „furcsa” viselkedése nagy jelentőségű tényre utal. Először találkoztunk a mechanika alapvető törvényeinek alkalmazásának lehetetlenségével az atomok világában, amelyeket a látható testek mozgásának közvetlen tanulmányozásával állapítottak meg – olyan törvények, amelyek a fizika megingathatatlan alapjainak tűntek.

Az a tény, hogy abszolút nullánál a hélium "nem hajlandó" kikristályosodni, semmiképpen nem egyeztethető össze az általunk eddig tanulmányozott mechanikával. Az az ellentmondás, amellyel először találkoztunk - az atomok világának engedetlensége a mechanika törvényeivel szemben - csak az első láncszem a fizika még élesebb és élesebb ellentmondásainak láncolatában.

Ezek az ellentmondások ahhoz vezetnek, hogy felül kell vizsgálni az atomi világ mechanikájának alapjait. Ez a felülvizsgálat nagyon mélyreható, és a természetről alkotott teljes felfogásunk megváltozásához vezet.

Az atomvilág mechanikájának radikális felülvizsgálatának szükségessége nem jelenti azt, hogy véget kell vetni az általunk tanulmányozott mechanikai törvényeknek. Igazságtalan lenne az olvasót arra kényszeríteni, hogy felesleges dolgokat tanulmányozzon. A régi mechanika teljesen érvényes a nagy testek világában. Már ez is elég ahhoz, hogy a fizika megfelelő fejezeteit teljes tisztelettel kezeljük. Ugyanakkor az is fontos, hogy a „régi” mechanika számos törvénye átmenjen az „új” mechanikába. Ide tartozik különösen az energiamegmaradás törvénye.

A "nem eltávolítható" energia jelenléte abszolút nullánál nem a hélium különleges tulajdonsága. Kiderül; Minden anyag "nulla" energiával rendelkezik.

Ez az energia csak a héliumban elegendő ahhoz, hogy az atomok ne képezzenek szabályos kristályrácsot.

Ne gondolja, hogy a hélium nem lehet kristályos állapotban. A hélium kristályosításához csak a nyomást körülbelül 25 atm-re kell növelni. A nagyobb nyomáson végzett hűtés teljesen normális tulajdonságokkal rendelkező szilárd kristályos hélium képződéséhez vezet. A hélium egy arcközpontú köbös rácsot alkot.

ábrán. A 4.14 ábra a hélium állapotának diagramját mutatja. A hármaspont hiányában élesen különbözik az összes többi anyag diagramjától. Az olvadási és forrási görbék nem metszik egymást.

Rizs. 4.14

És még egy jellemzője ez az egyedülálló állapotdiagram: két különböző hélium folyadék van.Mi a különbség - egy kicsit később megtudhatja.

Forró- Ez a párologtatás, amely egyszerre megy végbe mind a felületről, mind a folyadék térfogatában. Abból áll, hogy számos buborék emelkedik fel és kipukkad, jellegzetes forrongást okozva.

A tapasztalatok azt mutatják, hogy egy folyadék forralása adott külső nyomáson egy egészen meghatározott hőmérsékleten kezdődik, amely a forrás közben nem változik, és csak akkor jöhet létre, ha hőcsere következtében kívülről táplálják az energiát (1. ábra):

ahol L a fajlagos párolgáshő a forrásponton.

Forrásmechanizmus: a folyadékban mindig van oldott gáz, melynek oldódási foka a hőmérséklet emelkedésével csökken. Ezenkívül adszorbeált gáz van az edény falán. Amikor a folyadékot alulról melegítjük (2. ábra), az edény falán buborékok formájában gáz fejlődik. A folyadék ezekbe a buborékokba párolog. Ezért a levegőn kívül telített gőzt is tartalmaznak, amelynek nyomása gyorsan növekszik a hőmérséklet emelkedésével, és a buborékok térfogata nő, ezért a rájuk ható Archimedes-erők megnőnek. Amikor a felhajtóerő nagyobb lesz, mint a buborék gravitációja, az lebegni kezd. De amíg a folyadék egyenletesen fel nem melegszik, a buborék felemelkedésével a buborék térfogata csökken (a telített gőznyomás csökken a hőmérséklet csökkenésével), és nem érve el a szabad felületet, a buborékok eltűnnek (összeesnek) (2. ábra, a) , ezért a forralás előtt jellegzetes zajt hallunk. Amikor a folyadék hőmérséklete kiegyenlítődik, a buborék térfogata emelkedésével nő, mivel a telített gőznyomás nem változik, és a buborékra nehezedő külső nyomás, amely a folyadék hidrosztatikus nyomásának összege a buborék felett. buborék és a légköri nyomás csökken. A buborék eléri a folyadék szabad felületét, felrobban, és a telített gőz kilép (2. ábra, b) - a folyadék felforr. A buborékokban lévő telített gőznyomás gyakorlatilag megegyezik a külső nyomással.

Azt a hőmérsékletet, amelyen a folyadék telített gőzének nyomása megegyezik a szabad felületén lévő külső nyomással, nevezzük forráspont folyadékok.

Mivel a telített gőznyomás a hőmérséklet emelkedésével növekszik, és forrás közben egyenlőnek kell lennie a külső nyomással, akkor a külső nyomás növekedésével a forráspont növekszik.

A forráspont a szennyeződések jelenlététől is függ, általában a szennyeződések koncentrációjának növekedésével növekszik.

Ha először megszabadítja a folyadékot a benne oldott gáztól, akkor túlmelegedhet, pl. forráspont fölé melegítjük. Ez egy instabil folyadék állapot. Elég egy kis rázás, és a folyadék felforr, és a hőmérséklete azonnal a forráspontra csökken.