Un lichid cu un punct de fierbere scăzut. Care este punctul de fierbere al alcoolului? Dependența temperaturii de fierbere de presiune

Fierberea este un fenomen care este caracteristic oricărui lichid. Se manifestă prin formarea de bule de abur în toată soluția. Este de remarcat faptul că fierberea se observă numai la o anumită temperatură și depinde de tipul de substanță. Acest indicator este caracteristică importantă. Poate fi folosit pentru a separa compuși lichizi și, de asemenea, pentru a determina puritatea acestora.

Acest indicator diferă în diferite substanțe. Astfel, punctul de fierbere al uleiului de motor ajunge la 300-490°C, iar pentru apă este de 100°C. Aceasta depinde de mai mulți parametri, inclusiv de condițiile de fierbere și de compoziția substanței care este încălzită.

Trebuie spus că punctul de fierbere are anumite caracteristici. Astfel, pe suprafața lichidului se creează presiunea de vapori, care se formează destul de lent în prezența unei suprafețe libere. Dacă vorbim de mijlocul mediului, atunci acesta poate fi încălzit mult mai mult decât la fierbere. Astfel se explică fenomenul de „supraîncălzire”, în care lichidul nu fierbe, ci este caracterizat de indicatori.

Trebuie remarcat faptul că punctul de fierbere se determină cu ajutorul unui termometru special, care trebuie scufundat în vaporii substanței și nu în lichid. În acest caz, nu este întotdeauna posibilă scufundarea completă a coloanei de mercur, așa că trebuie să țineți cont de corecția termometrului. Această valoare este diferită pentru diferite lichide. În medie, se crede că o modificare a presiunii atmosferice de aproximativ 26 mm determină modificarea punctului de fierbere cu un grad.

Cum acest indicator ajută la determinarea purității amestecurilor și soluțiilor? Un lichid omogen se caracterizează printr-un punct de fierbere constant. Schimbarea sa este un semn sigur al prezenței impurităților străine, care pot fi izolate în timpul procesului de distilare, precum și cu ajutorul unor dispozitive speciale - condensatoare de reflux.

Este de remarcat faptul că, în unele cazuri, sunt utilizate în mod special combinații de diferite substanțe. Acest lucru conferă lichidului caracteristici specifice. De exemplu, etilenglicolul pur fierbe la 197°C, iar punctul de fierbere al antigelului este puțin mai scăzut - aproximativ 110°C.

Trecerea lichidului în vapori are loc exact când se atinge punctul de fierbere corespunzător. În acest caz, deasupra suprafeței lichidului are aceeași valoare numerică ca și presiunea externă, ceea ce duce la formarea de bule pe întregul volum.

Trebuie spus că fierberea are loc la aceeași temperatură, dar odată cu scăderea sau creșterea presiunii externe se pot observa modificările corespunzătoare ale acesteia.

Acest lucru poate explica fenomenul când mâncarea din munte durează mai mult să se gătească, deoarece la o presiune de aproximativ 60 kPa este deja la 85 ° C. Din același motiv, felurile de mâncare dintr-o oală sub presiune se gătesc mult mai repede datorită faptului că presiunea din acesta crește, iar acest lucru duce la o creștere concomitentă a temperaturii lichidului de fierbere.

Trebuie remarcat faptul că fierberea este cea mai comună metodă de dezinfecție fizică. Fără acest proces, este imposibil să pregătiți orice fel de mâncare. De asemenea, se dovedește a fi important în scopul obținerii de materii prime mai pure.

Fierbere- un proces de vaporizare intensa care are loc intr-un lichid, atat pe suprafata sa libera cat si in interiorul structurii sale. În acest caz, în volumul lichidului apar limite de separare a fazelor, adică pe pereții vasului se formează bule care conțin aer și abur saturat. Fierberea, ca și evaporarea, este una dintre metodele de vaporizare. Spre deosebire de evaporare, fierberea poate avea loc numai la o anumită temperatură și presiune. Temperatura la care fierbe un lichid sub presiune constantă se numește punct de fierbere. De regulă, punctul de fierbere la presiunea atmosferică normală este dat ca una dintre principalele caracteristici ale substanțelor pure din punct de vedere chimic. Procesele de fierbere sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii ale activității umane. De exemplu, fierberea este una dintre metodele comune de dezinfecție fizică bând apă. Apa de fierbere este procesul de încălzire a acesteia la temperatura de fierbere pentru a obține apă clocotită.

Procesul de formare a bulelor poate fi influențat de presiune, unde sonore, ionizare și alți factori în apariția centrelor de vaporizare. În special, camera cu bule funcționează pe principiul fierberii microvolumelor de lichid de la ionizare în timpul trecerii particulelor încărcate.

YouTube enciclopedic

1 / 5

✪ Lecția 192. Fierberea lichidului

✪ Stare critică a aerului.

✪ Heliu - superfluid și cel mai rece element!

✪ 🔥 Ouăle explodează în spațiu? Aspirare instantanee.

✪ Chimie fizică. Curs 2. Termodinamica echilibrelor de fază

Subtitrări

Caracteristici termodinamice

Pe măsură ce lichidul se încălzește, pe suprafața de încălzire se formează bule de abur, în care lichidul se evaporă. La o anumită temperatură, presiunea vaporilor saturați din interiorul bulei devine egală cu presiunea externă. În acest moment, bula se desprinde de perete și lichidul începe să fiarbă. Astfel, dacă evaporarea are loc la orice temperatură, atunci fierberea are loc la una, determinată pentru presiunea curentă. Odată ce procesul de fierbere a început, în ciuda furnizării continue de căldură, temperatura lichidului se modifică ușor până când tot lichidul se transformă în abur. Temperatura la care fierbe un lichid sub presiune constantă se numește punct de fierbere sau temperatură de saturație. Modificarea temperaturii unui lichid în timpul fierberii se numește alunecare a temperaturii. Pentru lichide pure din punct de vedere chimic sau amestecuri azeotrope, alunecarea temperaturii este zero. Odată cu creșterea presiunii, conform ecuației Clapeyron-Clausius, temperatura de saturație crește:

Linia de saturație

Caracteristici de fierbere

O anumită distribuție a temperaturii se stabilește într-un lichid care fierbe: în apropierea suprafețelor de încălzire (pereții unui vas, țevi etc.) lichidul este vizibil supraîncălzit. T > T S (\displaystyle T>T_(S)). Cantitatea de supraîncălzire depinde de o serie de proprietăți fizico-chimice atât ale lichidului în sine, cât și ale suprafețelor solide de limită. Lichidele bine purificate, lipsite de gaze dizolvate (aer), pot fi supraincalzite cu zeci de grade, daca se iau masuri speciale, fara a fierbe. Când un astfel de lichid supraîncălzit fierbe în cele din urmă, procesul de fierbere decurge foarte violent, asemănător cu o explozie. Fierberea este însoțită de stropire cu lichid, șoc hidraulic și uneori chiar distrugerea vaselor. Căldura de supraîncălzire este cheltuită pentru vaporizare, astfel încât lichidul este răcit rapid la temperatura vaporilor saturați, cu care se află în echilibru. Posibilitatea supraîncălzirii semnificative a unui lichid pur fără fierbere se explică prin dificultatea formării inițiale a bulelor mici (nuclee) formarea acestora este îngreunată de atracția reciprocă semnificativă a moleculelor lichide. Situația este diferită atunci când lichidul conține gaze dizolvate și diverse particule mici în suspensie. În acest caz, chiar și o ușoară supraîncălzire (zecimi de grad) determină o fierbere stabilă și liniștită, deoarece nucleele inițiale ale fazei de vapori sunt bule de gaz și particule solide. Principalele centre de vaporizare sunt situate în puncte de pe suprafața încălzită, unde există pori minuscule cu gaz adsorbit, precum și diverse neomogenități, incluziuni și depuneri care reduc aderența moleculară a lichidului la suprafață.

În timpul convecției forțate, fierberea are o serie de caracteristici, dintre care cea mai semnificativă este influența caracteristicilor de curgere asupra dependenței q S = f (T C − T F ¯) (\displaystyle q_(S)=f(T_(C)-(\overline (T_(F))))). Cea mai puternică influență este exercitată de caracteristici precum debitul masei de fluid și conținutul de vapori x (\displaystyle x). Odată cu fierberea constantă a unui lichid care se mișcă într-o țeavă, parametrii mediului (în primul rând conținutul de vapori) se modifică de-a lungul fluxului și, odată cu acesta, se modifică regimurile de curgere și transferul de căldură.

În cele mai multe cazuri, fierberea într-o țeavă poate fi simplificată sub forma a trei zone (folosind exemplul de fierbere într-o țeavă lungă la joasă ρ w ¯ (\displaystyle (\overline (\rho w)))Și ):

Folosind acest exemplu, putem lua în considerare mai detaliat modificarea naturii fierberii și temperatura asociată a peretelui de încălzire al țevii și temperatura medie a lichidului. La intrarea în conducta generatoare de abur este furnizat un lichid subîncălzit până la punctul de fierbere (punct A (\displaystyle A)). În cazul unui flux de căldură constant din perete q S (\displaystyle q_(S)), temperatura medie a lichidului T F ¯ (\displaystyle (\overline (T_(F))))și temperatura peretelui T C (\displaystyle T_(C)), cresc liniar. În momentul în care temperatura peretelui începe să depășească temperatura de saturație T S (\displaystyle T_(S)), se pot forma bule pe suprafața de încălzire. Astfel, fierberea începe în regiunea din apropierea peretelui, în ciuda faptului că temperatura medie a lichidului rămâne mai mică decât temperatura de saturație ( B - C (\displaystyle B-C)). Acest fenomen se numește fierberea lichidului subrăcit. Valoarea conținutului de vapori de entalpie la care lichidul subrăcit începe să fiarbă are o valoare negativă x = x H K (\displaystyle x=x_(HK)). După ce lichidul atinge temperatura de saturație x = 0 (\displaystyle x=0) fierbere nucleată începe pe întregul volum al lichidului. Această regiune se caracterizează prin amestecarea intensă a lichidului și, în consecință, coeficienți mari de transfer de căldură și diferențe scăzute de temperatură.

Pe măsură ce amestecul în două faze se deplasează în regiunea cu conținut ridicat de vapori, regimurile de curgere ale fluxului în două faze se modifică și la un anumit conținut de vapori x = x K P (\displaystyle x=x_(KP)) apare o criză de transfer de căldură: contactul lichidului cu suprafața se oprește și temperatura peretelui crește ( E (\displaystyle E)). Adesea, criza de transfer de căldură în timpul fierberii reprezintă o tranziție de la regimul de fierbere cu ciclu dispersat ( D - E (\displaystyle D-E)) a dispersat ( E - F - G (\displaystyle E-F-G)). Cantitatea de umiditate din picături scade odată cu creșterea conținutului de vapori, ceea ce duce la o creștere a vitezei și la o ușoară creștere a transferului de căldură (temperatura suprafeței peretelui scade ușor, ( F - G (\displaystyle F-G))).

La o viteză diferită a fluidului de masă ρ w ¯ (\displaystyle (\overline (\rho w))) sau cantitatea de flux de căldură q S (\displaystyle q_(S)), modelul de fierbere în conductă se poate schimba. Deci, în cazul marilor ρ w ¯ (\displaystyle (\overline (\rho w)))Și q S (\displaystyle q_(S)), se poate forma un regim de criză de transfer de căldură chiar și în stadiul de fierbere a unui lichid subrăcit. În acest caz, se formează un regim de fierbere a filmului, iar miezul fluxului este o tijă de lichid subrăcită la temperatura de saturație, separată de peretele conductei printr-o peliculă de vapori.

Puncte de fierbere pentru substanțele simple

În tabelul de elemente dat de D.I Mendeleev, pentru fiecare element sunt indicate următoarele:

Etanolul este componenta principală a băuturilor alcoolice. Vodca obișnuită este făcută în proporție de 40% din ea. În viața de zi cu zi se numește alcool. Deși de fapt acest termen caracterizează o clasă uriașă materie organică. Punctul de fierbere al alcoolului la presiune normală este de 78,3 grade Celsius. Acest lucru se aplică numai etanolului nediluat. Punctul de fierbere al unei soluții de alcool este de obicei ceva mai scăzut. În acest articol vom înțelege ce este etanolul. Vom discuta și despre ea fizică și Proprietăți chimice, caracteristici de producție și aplicare. Nu vom ignora întrebarea principală care este punctul de fierbere al alcoolului.

Informații generale

Etanolul este unul dintre cei mai faimoși alcooli. Molecula sa conține elemente precum carbon, hidrogen și oxigen. Formula chimica etanol - C 2 H 6 O. Este un lichid incolor cu miros specific de alcool. Este mai ușor decât apa. Punctul de fierbere al alcoolului este de 78,39 grade Celsius. Dar aceasta este la presiune normală. Punctul de fierbere al alcoolului rectificat este de 78,15 grade Celsius. Conține 4,43% apă. Punctul de fierbere al alcoolului etilic este mai mic, cu atât este mai diluat.

Aplicație în viața de zi cu zi și în industrie

Alcoolul etilic este un solvent excelent. Este produs prin fermentarea zahărului cu drojdie. În multe sate din țările post-sovietice se face încă acasă. Băutura alcoolică rezultată se numește moonshine. Alcoolul etilic este cel mai vechi drog de agrement folosit de oameni. Poate provoca intoxicație cu alcool dacă este consumat în cantități semnificative.

Etanolul este o substanță volatilă, inflamabilă. Este folosit în viața de zi cu zi și în industrie ca antiseptic, solvent, combustibil și lichid activ în termometrele fără mercur (îngheață la -114 grade Celsius).

Punctul de fierbere al alcoolului față de presiune

Când cărțile de referință indică proprietăți fizice substanțe, atunci trebuie să înțelegeți că toate aceste măsurători au fost făcute în așa-numita conditii normale. Odată cu creșterea presiunii, punctul de fierbere al alcoolului etilic scade. Astăzi puteți găsi multe tabele care oferă date de referință cu privire la această problemă. La 780 mm Hg, etanolul fierbe la 78,91 grade Celsius, la 770 - 78,53ºC, la 760 - 78,15ºC, la 750 - 77,77ºC, la 740 - 77,39ºC, la 720 - 76,63ºC.

Punctul de fierbere al alcoolului metilic

CH3OH a fost produs inițial ca produs secundar distilarea distructivă a lemnului. Astăzi se obține direct din dioxid de carbon și hidrogen. Miroase foarte asemănător cu etanolul. Cu toate acestea, metanolul este foarte toxic și poate provoca moartea oamenilor. Punctul de fierbere al alcoolului este de 64,7 grade Celsius. Este folosit ca antigel și solvent. De asemenea, este folosit pentru a produce biodiesel.

Istoricul producției

Fermentarea zahărului pentru a produce etanol este una dintre cele mai timpurii biotehnologii care au servit omenirii. Efectul intoxicant al băuturilor pe bază de el este cunoscut încă din cele mai vechi timpuri. Oamenilor le-a plăcut întotdeauna starea de conștiință alterată pe care o provoacă. Chiar și acum 9.000 de ani, chinezii cunoșteau băuturi alcoolice. Distilarea ca proces era bine cunoscută de arabi și greci, dar aveau suficient vin. Alchimiștii au învățat să producă alcool din el abia în secolul al XII-lea. Etanolul a fost produs pentru prima dată sintetic abia în 1825 de Michael Faraday.

Chimie și medicină

Etanolul este folosit în principal ca materie primă pentru producerea altor substanțe și ca solvent. Este una dintre componentele multor produse produse chimice de uz casnic care sunt folosite zilnic în viața de zi cu zi. Etanolul se găsește în ștergătoarele de parbriz și în antigel. În medicină este folosit ca cel mai simplu antiseptic. Dezinfectează și usucă bine rănile. De asemenea, este folosit pentru a face tot felul de tincturi și extracte. În plus, se răcește și se încălzește bine. În lipsa altor medicamente, a fost folosit ca anestezie.

Societate și cultură

Un studiu publicat în 2002 a constatat că 41% dintre decesele în accidente de mașină se datorează conducerii în stare de ebrietate. Cu cât conținutul de alcool în sânge al șoferului este mai mare, cu atât riscul este mai mare. Consumul de băuturi alcoolice are o istorie lungă. Multe studii au fost dedicate acestui fenomen social. Procesul de consum al băuturilor alcoolice și intoxicația sunt descrise în multe opere de ficțiune. Celebrul film de Anul Nou „Ironia destinului sau bucură-te de baie!” este dedicată tocmai consecințelor abuzului de alcool, deși într-o formă comică. Mulți oameni creativi au folosit alcoolul ca element necesar pentru generarea de idei noi sau ca o modalitate ușoară de a depăși stresul. Consumul moderat de alcool este acceptabil și chiar de dorit în majoritatea culturilor moderne. Consumul de băuturi alcoolice este o tradiție la multe evenimente speciale. Excepția este islamul. Conform regulilor acestei religii, consumul oricăror băuturi alcoolice este un păcat teribil.

Alcoolismul și consecințele sale

Consumul excesiv de alcool este o boală. Se caracterizează prin dependență fizică și psihică de vodcă sau alte băuturi tari și este un tip de abuz de substanțe. Alcoolicii pierd controlul asupra cantității pe care o beau. Au nevoie de o doză din ce în ce mai mare pentru a experimenta plăcerea. Se crede că îmbunătățirea bunăstării populației nu duce decât la o creștere a volumului consumului de alcool. Medicul suedez M. Huss a fost primul care a studiat alcoolismul cronic în 1849. El a identificat o serie de modificări patologice care apar la o persoană cu consum sistematic de alcool. Acum, oamenii de știință trag o linie clară între beție și alcoolism. A doua este o boală căreia o persoană însăși nu este capabilă să o facă față. Trece prin mai multe etape în dezvoltarea sa. La fiecare nouă etapă are loc o creștere treptată a dependenței. Pacientul necesită o doză din ce în ce mai mare. Treptat, intoxicația cronică cu alcool duce la tulburări somatice. LA semnele inițiale dependența fizică și psihică include pierderea controlului asupra consumului și apariția consumului excesiv de alcool. Persoanele cu alcoolism sever au probleme cu munca lor organe interne si tulburari psihice.

Tratament și prevenire

Pentru a combate dependența de alcool, sunt necesare medicamente. În primul rând, sunt necesare medicamente pentru a elimina defecțiunile din organism. În al doilea rând, sunt necesare medicamente care sunt incompatibile cu consumul de alcool. Pacientul este informat că consumul excesiv de alcool în timpul tratamentului poate duce la moartea acestuia. În plus, psihologii trebuie să lucreze cu pacienții. Sarcina lor este de a consolida efectul tratamentului și de a forma o imagine negativă a beției. Reabilitarea socială a foștilor alcoolici este, de asemenea, obligatorie. Este important să ajuți o persoană să-și găsească locul în societate și să-și aducă familia înapoi. Oameni fericiti nu te înghiți. Prin urmare, tratamentul alcoolismului depinde în mare măsură de abilitățile unui psiholog.

Fierbere- aceasta este vaporizarea care are loc simultan atât de la suprafață, cât și pe întregul volum al lichidului. Constă în faptul că numeroase bule plutesc în sus și izbucnesc, provocând un clocot caracteristic.

După cum arată experiența, fierberea unui lichid la o anumită presiune externă începe la o temperatură bine definită, care nu se modifică în timpul procesului de fierbere și poate avea loc numai atunci când energie este furnizată din exterior ca urmare a schimbului de căldură (Fig. 1). ):

unde L este căldura specifică de vaporizare la punctul de fierbere.

Mecanism de fierbere: un lichid conține întotdeauna un gaz dizolvat, al cărui grad de dizolvare scade odată cu creșterea temperaturii. În plus, există gaz adsorbit pe pereții vasului. Când lichidul este încălzit de jos (Fig. 2), gazul începe să fie eliberat sub formă de bule la pereții vasului. Lichidul se evaporă în aceste bule. Prin urmare, pe lângă aer, ele conțin abur saturat, a cărui presiune crește rapid odată cu creșterea temperaturii, iar bulele cresc în volum și, în consecință, forțele lui Arhimede care acționează asupra lor cresc. Când forța de plutire devine mai mare decât gravitația bulei, aceasta începe să plutească. Dar până când lichidul este încălzit uniform, pe măsură ce urcă, volumul bulei scade (presiunea vaporilor saturați scade odată cu scăderea temperaturii) și, înainte de a ajunge la suprafața liberă, bulele dispar (se prăbușesc) (Fig. 2, a), ceea ce de aceea auzim un zgomot caracteristic înainte de fierbere. Când temperatura lichidului se egalizează, volumul bulei va crește pe măsură ce crește, deoarece presiunea vaporilor saturați nu se modifică, iar presiunea externă a bulei, care este suma presiunii hidrostatice a lichidului deasupra bulei. iar presiunea atmosferică scade. Bula ajunge la suprafața liberă a lichidului, izbucnește și iese abur saturat (Fig. 2, b) - lichidul fierbe. Presiunea vaporilor saturați din bule este aproape egală cu presiunea externă.

Se numește temperatura la care presiunea vaporilor saturați a unui lichid este egală cu presiunea exterioară de pe suprafața lui liberă Punct de fierbere lichide.

Deoarece presiunea vaporilor saturați crește odată cu creșterea temperaturii, iar în timpul fierberii trebuie să fie egală cu presiunea exterioară, atunci cu creșterea presiunii externe punctul de fierbere crește.

Punctul de fierbere depinde și de prezența impurităților, de obicei crescând odată cu creșterea concentrației de impurități.

Dacă mai întâi eliberați lichidul din gazul dizolvat în el, atunci acesta poate fi supraîncălzit, adică. se încălzește peste punctul de fierbere. Aceasta este o stare instabilă a lichidului. Sunt suficiente șocuri mici și lichidul fierbe, iar temperatura acestuia scade imediat la punctul de fierbere.

Stările materiei

Nu este o combinație ciudată de cuvinte? Cu toate acestea, acest lucru nu este deloc o prostie: atât vaporii de fier, cât și aerul solid există în natură, dar nu în condiții obișnuite.

Despre ce condiții vorbim? Starea unei substanțe este determinată de doi factori: temperatură și presiune.

Viața noastră se desfășoară în condiții relativ puțin schimbătoare. Presiunea aerului fluctuează cu câteva procente în jurul unei atmosfere; temperatura aerului, să zicem, în regiunea Moscovei variază de la -30 la +30°C; în scala de temperatură absolută, în care cea mai scăzută temperatură posibilă (-273°C) este luată ca zero; acest interval va arăta mai puțin impresionant: 240-300 K, care este, de asemenea, doar ±10% din valoarea medie.

Este destul de firesc să fim obișnuiți cu aceste condiții normale și, prin urmare, atunci când spunem adevăruri simple precum: „fierul este un solid, aerul este un gaz” etc., uităm să adăugăm: „în condiții normale”.

Dacă încălziți fierul, acesta se va topi mai întâi și apoi se va evapora. Dacă aerul este răcit, mai întâi se va transforma în lichid și apoi se va solidifica.

Chiar dacă cititorul nu a întâlnit niciodată vapori de fier sau aer solid, probabil că va crede cu ușurință că orice substanță, prin modificarea temperaturii, poate fi obținută în stare solidă, lichidă și gazoasă sau, după cum se spune, în stare solidă, lichidă. sau faze gazoase.

Este ușor de crezut în acest lucru, deoarece toată lumea a observat o substanță, fără de care viața pe Pământ ar fi imposibilă, atât sub formă de gaz, cât și sub formă de lichid, și sub formă de solid. Desigur, vorbim despre apă.

În ce condiții au loc transformări ale materiei dintr-o stare în alta?

Dacă coborâm termometrul în apa care este turnată în ibric, pornim aragazul electric și monitorizăm mercurul termometrului, vom vedea următoarele: aproape imediat nivelul de mercur va crește. Acum sunt 90, 95 și în cele din urmă 100°C. Apa fierbe și, în același timp, se oprește creșterea mercurului. Apa a fiert de multe minute, dar nivelul de mercur nu s-a schimbat. Până când toată apa va fierbe, temperatura nu se va schimba (Fig. 4.1).

Orez. 4.1

Unde se duce căldura dacă temperatura apei nu se schimbă? Răspunsul este evident. Procesul de transformare a apei în abur necesită energie.

Să comparăm energia unui gram de apă și a unui gram de abur format din aceasta. Moleculele de abur sunt situate mai departe unele de altele decât moleculele de apă. Este clar că, din această cauză, energia potențială a apei va diferi de energia potențială a aburului.

Energia potențială de atragere a particulelor scade pe măsură ce acestea se apropie una de cealaltă. Prin urmare, energia aburului este mai mare decât energia apei, iar transformarea apei în abur necesită energie. Această energie în exces este transferată de aragazul electric în apa clocotită din ibric.

Energia necesară pentru a transforma apa în abur; numită căldură de vaporizare. Pentru a transforma 1 g de apă în abur, sunt necesare 539 cal (aceasta este cifra pentru o temperatură de 100 ° C).

Dacă se consumă 539 cal la 1 g, atunci se vor consuma 18*539 = 9700 cal la 1 mol de apă. Această cantitate de căldură trebuie cheltuită pentru ruperea legăturilor intermoleculare.

Puteți compara această cifră cu cantitatea de muncă necesară pentru a rupe legăturile intramoleculare. Pentru a împărți 1 mol de vapori de apă în atomi, este nevoie de aproximativ 220.000 de cal, adică de 25 de ori mai multă energie. Acest lucru demonstrează în mod direct slăbiciunea forțelor care leagă moleculele împreună, în comparație cu forțele care trag atomii împreună într-o moleculă.

Punctul de fierbere al apei este de 100°C; s-ar putea crede că aceasta este o proprietate inerentă a apei, că apa, indiferent unde și în ce condiții se află, va fierbe întotdeauna la 100°C.

Dar nu este așa, iar locuitorii satelor de munte înalt știu bine acest lucru.

În apropierea vârfului Elbrusului se află o casă pentru turiști și o stație științifică. Începătorii sunt uneori surprinși de „cât de greu este să fierbi un ou în apă clocotită” sau „de ce apa clocotită nu arde”. În aceste condiții, li se spune că apa fierbe în vârful Elbrusului deja la 82°C.

Ce s-a întâmplat? Ce factor fizic interferează cu fenomenul de fierbere? Care este semnificația altitudinii deasupra nivelului mării?

Acest factor fizic este presiunea care acționează pe suprafața lichidului. Nu trebuie să urcați în vârful unui munte pentru a verifica adevărul celor spuse.

Punând apă încălzită sub un clopot și pompând sau pompând aer de acolo, vă puteți asigura că punctul de fierbere crește pe măsură ce presiunea crește și scade pe măsură ce scade.

Apa fierbe la 100°C doar la o anumită presiune - 760 mm Hg. Artă. (sau 1 atm).

Curba punctului de fierbere față de presiune este prezentată în Fig. 4.2. În vârful Elbrusului presiunea este de 0,5 atm, iar această presiune corespunde unui punct de fierbere de 82°C.

Orez. 4.2

Dar apa care fierbe la 10-15 mm Hg. Art., te poți răcori pe vreme caldă. La această presiune punctul de fierbere va scădea la 10-15°C.

Puteți obține chiar și „apă clocotită”, care are temperatura apei înghețate. Pentru a face acest lucru, va trebui să reduceți presiunea la 4,6 mm Hg. Artă.

O imagine interesantă poate fi observată dacă plasați un vas deschis cu apă sub clopot și pompați aerul. Pomparea va face ca apa să fiarbă, dar fierberea necesită căldură. Nu există de unde să o ia, iar apa va trebui să renunțe la energia ei. Temperatura apei clocotite va începe să scadă, dar pe măsură ce pomparea continuă, va scădea și presiunea. Prin urmare, fierberea nu se va opri, apa va continua să se răcească și în cele din urmă va îngheța.

Această fierbere a apei reci are loc nu numai atunci când aerul este pompat. De exemplu, atunci când elicea unei nave se rotește, presiunea dintr-un strat de apă care se mișcă rapid lângă o suprafață metalică scade foarte mult și apa din acest strat fierbe, adică în el apar numeroase bule pline de abur. Acest fenomen se numește cavitație (din latinescul cavitas - cavitate).

Prin reducerea presiunii, coborâm punctul de fierbere. Și prin creșterea lui? Un grafic ca al nostru răspunde la această întrebare. O presiune de 15 atm poate întârzia fierberea apei, aceasta va începe doar la 200°C, iar o presiune de 80 atm va face ca apa să fiarbă doar la 300°C.

Deci, o anumită presiune externă corespunde unui anumit punct de fierbere. Dar această afirmație poate fi „întoarsă” spunând acest lucru: fiecare punct de fierbere al apei corespunde propriei presiuni specifice. Această presiune se numește presiunea vaporilor.

Curba care prezintă punctul de fierbere în funcție de presiune este, de asemenea, o curbă a presiunii vaporilor în funcție de temperatură.

Numerele reprezentate pe un grafic al punctului de fierbere (sau pe un grafic al presiunii vaporilor) arată că presiunea vaporilor se modifică foarte brusc odată cu temperatura. La 0°C (adică 273 K) presiunea vaporilor este de 4,6 mmHg. Art., la 100°C (373 K) este egal cu 760 mm Hg. Art., adică crește de 165 de ori. Când temperatura se dublează (de la 0°C, adică 273 K, la 273°C, adică 546 K), presiunea vaporilor crește de la 4,6 mm Hg. Artă. aproape până la 60 atm, adică de aproximativ 10.000 de ori.

Prin urmare, dimpotrivă, punctul de fierbere se modifică cu presiunea destul de lent. Când presiunea se dublează de la 0,5 atm la 1 atm, punctul de fierbere crește de la 82°C (355 K) la 100°C (373 K) și când presiunea se dublează de la 1 la 2 atm - de la 100°C (373 K) până la 120°C (393 K).

Aceeași curbă pe care o luăm în considerare acum controlează și condensarea (condensarea) aburului în apă.

Aburul poate fi transformat în apă fie prin compresie, fie prin răcire.

Atât în ​​timpul fierberii, cât și în timpul condensului, punctul nu se va deplasa din curbă până când conversia aburului în apă sau a apei în abur este completă. Aceasta poate fi formulată și astfel: în condițiile curbei noastre și numai în aceste condiții, este posibilă coexistența lichidului și a vaporilor. Dacă nu adăugați sau eliminați căldură, atunci cantitățile de abur și lichid dintr-un vas închis vor rămâne neschimbate. Se spune că astfel de vapori și lichide sunt în echilibru, iar vaporii care sunt în echilibru cu lichidul său se numesc saturati.

Curba de fierbere și condensare, după cum vedem, are o altă semnificație: este curba de echilibru a lichidului și vaporilor. Curba de echilibru împarte câmpul diagramei în două părți. În stânga și în sus (spre temperaturi mai ridicate și presiuni mai scăzute) este regiunea de stare stabilă a aburului. În dreapta și în jos este regiunea stării stabile a lichidului.

Curba de echilibru vapori-lichid, adică curba dependenței punctului de fierbere de presiune sau, ceea ce este același, presiunea vaporilor de temperatură, este aproximativ aceeași pentru toate lichidele. În unele cazuri, schimbarea poate fi oarecum mai bruscă, în altele oarecum mai lentă, dar presiunea vaporilor crește întotdeauna rapid odată cu creșterea temperaturii.

Am folosit deja cuvintele „gaz” și „abur” de multe ori. Aceste două cuvinte sunt destul de egale. Putem spune: gazul de apă este vapori de apă, gazul de oxigen este vapori de oxigen lichid. Cu toate acestea, s-a dezvoltat un anumit obicei la folosirea acestor două cuvinte. Deoarece suntem obișnuiți cu un anumit interval de temperatură relativ mic, de obicei aplicăm cuvântul „gaz” acelor substanțe a căror elasticitate la vapori la temperaturi obișnuite este mai mare decât presiunea atmosferică. Dimpotrivă, vorbim de vapori atunci când, la temperatura camerei și presiunea atmosferică, substanța este mai stabilă sub formă de lichid.

Fierberea este un proces rapid, iar în scurt timp nu rămâne nicio urmă de apă clocotită se transformă în abur.

Dar există un alt fenomen de transformare a apei sau a altui lichid în abur - aceasta este evaporarea. Evaporarea are loc la orice temperatură, indiferent de presiune, care în condiții normale este întotdeauna apropiată de 760 mm Hg. Artă. Evaporarea, spre deosebire de fierbere, este un proces foarte lent. O sticlă de apă de colonie pe care am uitat să o închidem va fi goală în câteva zile; o farfuria cu apa va sta mai mult, dar mai devreme sau mai tarziu se va dovedi uscata.

Aerul joacă un rol major în procesul de evaporare. În sine, nu împiedică evaporarea apei. De îndată ce deschidem suprafața lichidului, moleculele de apă vor începe să se deplaseze în cel mai apropiat strat de aer.

Densitatea vaporilor din acest strat va crește rapid; După o perioadă scurtă de timp, presiunea vaporilor va deveni egală cu elasticitatea caracteristică temperaturii mediului. În acest caz, presiunea vaporilor va fi exact aceeași ca în absența aerului.

Trecerea aburului în aer nu înseamnă, desigur, o creștere a presiunii. Presiunea totală în spațiul de deasupra suprafeței apei nu crește, crește doar ponderea acestei presiuni care este preluată de abur și, în consecință, scade ponderea aerului care este deplasat de abur.

Deasupra apei este abur amestecat cu aer; deasupra sunt straturi de aer fara abur. Se vor amesteca inevitabil. Vaporii de apă se vor deplasa continuu în straturile superioare, iar în locul lor, aerul care nu conține molecule de apă va intra în stratul inferior. Prin urmare, în stratul cel mai apropiat de apă, locurile vor fi întotdeauna eliberate pentru noi molecule de apă. Apa se va evapora continuu, menținând presiunea vaporilor de apă la suprafață egală cu elasticitatea, iar procesul va continua până când apa s-a evaporat complet.

Am început cu exemplul de colonie și apă. Este bine cunoscut faptul că se evaporă în viteze diferite. Eterul se evaporă extrem de repede, alcoolul se evaporă destul de repede, iar apa mult mai încet. Vom înțelege imediat ce se întâmplă aici dacă găsim în cartea de referință valorile presiunii de vapori a acestor lichide, să zicem, la temperatura camerei. Iată cifrele: eter - 437 mm Hg. Art., alcool - 44,5 mm Hg. Artă. și apă - 17,5 mm Hg. Artă.

Cu cât elasticitatea este mai mare, cu atât sunt mai mulți vapori în stratul de aer adiacent și cu atât lichidul se evaporă mai repede. Știm că presiunea vaporilor crește odată cu creșterea temperaturii. Este clar de ce rata de evaporare crește odată cu încălzirea.

Viteza de evaporare poate fi influențată în alt mod. Dacă vrem să ajutăm la evaporare, trebuie să îndepărtăm rapid vaporii din lichid, adică să grăbim amestecarea aerului. De aceea, evaporarea este foarte accelerată prin suflarea lichidului. Apa, deși are o presiune a vaporilor relativ scăzută, va dispărea destul de repede dacă farfuria este plasată în vânt.

Este de înțeles, așadar, de ce un înotător care iese din apă simte frig în vânt. Vântul accelerează amestecarea aerului cu aburul și, prin urmare, accelerează evaporarea, iar corpul uman este forțat să renunțe la căldură pentru evaporare.

Bunăstarea unei persoane depinde de faptul că în aer există mulți sau puțini vapori de apă. Atât aerul uscat, cât și cel umed sunt neplăcute. Umiditatea este considerată normală când este de 60%. Aceasta înseamnă că densitatea vaporilor de apă este de 60% din densitatea vaporilor de apă saturati la aceeași temperatură.

Dacă aerul umed este răcit, în cele din urmă presiunea vaporilor de apă din acesta va fi egală cu presiunea vaporilor la acea temperatură. Aburul va deveni saturat și va începe să se condenseze în apă pe măsură ce temperatura scade și mai mult. Roua dimineții care umezește iarba și frunzele apare tocmai datorită acestui fenomen.

La 20°C, densitatea vaporilor de apă saturați este de aproximativ 0,00002 g/cm3. Ne vom simți bine dacă există 60% din acest număr de vapori de apă în aer - asta înseamnă doar puțin mai mult de o sută de miimi de gram la 1 cm 3.

Deși această cifră este mică, va duce la cantități impresionante de abur pentru cameră. Nu este greu de calculat că într-o cameră de dimensiuni medii, cu o suprafață de 12 m2 și o înălțime de 3 m, aproximativ un kilogram de apă se poate „încadra” sub formă de abur saturat.

Aceasta înseamnă că, dacă o astfel de cameră este închisă etanș și este plasat un butoi deschis de apă, un litru de apă se va evapora, indiferent de capacitatea butoiului.

Este interesant să comparăm acest rezultat pentru apă cu cifrele corespunzătoare pentru mercur. La aceeași temperatură de 20°C, densitatea vaporilor saturați de mercur este de 10 -8 g/cm 3 .

În camera despre care tocmai am discutat, nu va încăpea mai mult de 1 g de vapori de mercur.

Apropo, vaporii de mercur sunt foarte otrăvitori, iar 1 g de vapori de mercur poate dăuna grav sănătății oricărei persoane. Când lucrați cu mercur, trebuie să vă asigurați că nici cea mai mică picătură de mercur nu se varsă.

Cum se transformă gazul în lichid? Diagrama punctului de fierbere răspunde la această întrebare. Puteți transforma un gaz într-un lichid fie prin scăderea temperaturii, fie prin creșterea presiunii.

În secolul al XIX-lea, creșterea presiunii părea o sarcină mai ușoară decât scăderea temperaturii. La începutul acestui secol, marele fizician englez Michael Farada a reușit să comprima gazele la valorile presiunii vaporilor și, în acest fel, să transforme multe gaze (clor, dioxid de carbon etc.) în lichid.

Cu toate acestea, unele gaze - hidrogen, azot, oxigen - nu au putut fi lichefiate. Oricât de mult a crescut presiunea, acestea nu s-au transformat în lichid. S-ar putea crede că oxigenul și alte gaze nu pot fi lichide. Au fost clasificate drept gaze adevărate sau permanente.

De fapt, eșecurile au fost cauzate de lipsa de înțelegere a unei circumstanțe importante.

Să considerăm lichidul și vaporii în echilibru și să ne gândim la ce se întâmplă cu ele pe măsură ce punctul de fierbere crește și, desigur, creșterea corespunzătoare a presiunii. Cu alte cuvinte, imaginați-vă că un punct de pe graficul de fierbere se mișcă în sus de-a lungul curbei. Este clar că pe măsură ce temperatura crește, un lichid se dilată și densitatea lui scade. Cat despre abur, creste punctul de fierbere? Desigur, contribuie la expansiunea sa, dar, așa cum am spus deja, presiunea vaporilor saturați crește mult mai repede decât punctul de fierbere. Prin urmare, densitatea vaporilor nu scade, ci, dimpotrivă, crește rapid odată cu creșterea temperaturii de fierbere.

Deoarece densitatea lichidului scade și densitatea vaporilor crește, atunci, deplasându-ne „în sus” de-a lungul curbei de fierbere, vom ajunge inevitabil într-un punct în care densitățile lichidului și vaporilor sunt egale (Fig. 4.3).

Orez. 4.3

În acest punct remarcabil, numit punct critic, curba de fierbere se termină. Deoarece toate diferențele dintre gaz și lichid sunt asociate cu diferența de densitate, în punctul critic proprietățile lichidului și ale gazului devin aceleași. Fiecare substanță are propria sa temperatură critică și propria sa presiune critică. Astfel, pentru apă, punctul critic corespunde unei temperaturi de 374 ° C și unei presiuni de 218,5 atm.

Dacă comprimați un gaz a cărui temperatură este sub temperatura critică, atunci procesul de comprimare a acestuia va fi reprezentat de o săgeată care traversează curba de fierbere (Fig. 4.4). Aceasta înseamnă că în momentul atingerii unei presiuni egale cu presiunea vaporilor (punctul în care săgeata intersectează curba de fierbere), gazul va începe să se condenseze într-un lichid. Dacă vasul nostru ar fi transparent, atunci în acest moment am vedea începutul formării unui strat de lichid pe fundul vasului. La presiune constantă, stratul de lichid va crește până când în cele din urmă tot gazul se va transforma în lichid. Comprimarea ulterioară va necesita o creștere a presiunii.

Orez. 4.4

Situația este complet diferită la comprimarea unui gaz a cărui temperatură este peste temperatura critică. Procesul de compresie poate fi din nou descris ca o săgeată care merge de jos în sus. Dar acum această săgeată nu traversează curba de fierbere. Aceasta înseamnă că atunci când este comprimat, aburul nu se va condensa, ci va fi doar compactat continuu.

La temperaturi peste temperatura critică, existența lichidului și a gazului separate printr-o interfață este imposibilă: atunci când este comprimat la orice densitate, va exista o substanță omogenă sub piston și este greu de spus când poate fi numit gaz și când un lichid.

Prezența unui punct critic arată că nu există nicio diferență între starea lichidă și cea gazoasă. diferenta fundamentala. La prima vedere, s-ar putea părea că nu există o astfel de diferență fundamentală doar atunci când vorbim de temperaturi peste critice. Acesta, însă, nu este cazul. Existența unui punct critic indică posibilitatea transformării unui lichid - un lichid real care poate fi turnat într-un pahar - într-o stare gazoasă fără nicio aparență de fierbere.

Această cale de transformare este prezentată în Fig. 4.4. O cruce marchează un lichid cunoscut. Dacă scădeți puțin presiunea (săgeata în jos), va fierbe și va fierbe și dacă creșteți puțin temperatura (săgeata la dreapta). Dar vom face cu totul altceva Vom comprima lichidul foarte puternic, la o presiune peste critică. Punctul care reprezintă starea lichidului va merge vertical în sus. Apoi încălzim lichidul - acest proces este reprezentat de o linie orizontală. Acum, după ce ne aflăm în dreapta Temperaturii Critice, coborâm presiunea la cea inițială. Dacă acum reduceți temperatura, puteți obține abur real, care ar putea fi obținut din acest lichid într-un mod mai simplu și mai scurt.

Astfel, este întotdeauna posibil, prin schimbarea presiunii și temperaturii ocolind punctul critic, să se obțină abur prin transferul continuu al acestuia din lichid sau lichid din abur. Această tranziție continuă nu necesită fierbere sau condensare.

Încercările timpurii de a lichefia gaze precum oxigenul, azotul și hidrogenul au eșuat, deoarece nu se cunoștea existența unei temperaturi critice. Aceste gaze au temperaturi critice foarte scăzute: azot -147°C, oxigenul -119°C, hidrogenul -240°C sau 33 K. Deținătorul recordului este heliul, temperatura sa critică este de 4,3 K. Transformarea acestor gaze în lichid poate doar să fie utilizate într-un singur fel - trebuie să reduceți temperatura lor sub cea specificată.

Se poate obține o reducere semnificativă a temperaturii căi diferite. Dar ideea tuturor metodelor este aceeași: trebuie să forțăm corpul pe care vrem să-l răcim să-și consume energia internă.

Cum să facă acest lucru? O modalitate este de a face lichidul să fiarbă fără a adăuga căldură din exterior. Pentru a face acest lucru, după cum știm, trebuie să reducem presiunea - o reducem la valoarea presiunii vaporilor. Căldura cheltuită la fierbere va fi împrumutată din lichid și din temperatura lichidului și a aburului, iar odată cu aceasta presiunea vaporilor va scădea. Prin urmare, pentru ca fierberea să nu se oprească și să aibă loc mai repede, aerul trebuie pompat în mod continuu din vas cu lichidul.

Cu toate acestea, scăderea temperaturii în timpul acestui proces atinge o limită: elasticitatea vaporilor devine în cele din urmă complet nesemnificativă și chiar și cele mai puternice pompe nu pot crea presiunea necesară.

Pentru a continua scăderea temperaturii, este posibil, prin răcirea gazului cu lichidul rezultat, să îl transformi într-un lichid cu un punct de fierbere mai mic.

Acum procesul de pompare poate fi repetat cu a doua substanță și astfel se obține temperaturi mai scăzute. Dacă este necesar, această metodă „în cascadă” de obținere a temperaturilor scăzute poate fi extinsă.

Este exact ceea ce au făcut ei la sfârșitul secolului trecut; Lichefierea gazelor s-a realizat în etape: etilena, oxigenul, azotul, hidrogenul - substanțele cu puncte de fierbere de -103, -183, -196 și -253°C - au fost transformate secvenţial în lichid. Cu hidrogen lichid, puteți obține cel mai scăzut lichid de fierbere - heliu (-269 ° C). Vecinul din stânga a ajutat să-l prindă pe vecinul din dreapta.

Metoda de răcire în cascadă are aproape o sută de ani. În 1877, aerul lichid a fost obținut prin această metodă.

În 1884-1885 Hidrogenul lichid a fost produs pentru prima dată. În cele din urmă, încă douăzeci de ani mai târziu, a fost luată ultima fortăreață: în 1908, Kamerlingh Onnes din orașul Leiden din Olanda a transformat heliul în lichid - o substanță cu cea mai scăzută temperatură critică. Recent a fost sărbătorită cea de-a 70-a aniversare a acestei importante realizări științifice.

Timp de mulți ani, Laboratorul Leiden a fost singurul laborator „la temperatură joasă”. Acum, în toate țările, există zeci de astfel de laboratoare, ca să nu mai vorbim de fabrici care produc aer lichid, azot, oxigen și heliu în scopuri tehnice.

Metoda în cascadă de obținere a temperaturilor scăzute este acum rar folosită. În instalațiile tehnice de scădere a temperaturii, se folosește o altă metodă de reducere a energiei interne a gazului: forțează gazul să se extindă rapid și să producă lucru folosind energia internă.

Dacă, de exemplu, aerul comprimat în mai multe atmosfere este introdus într-un expandor, atunci când se efectuează munca de mișcare a pistonului sau de rotire a turbinei, aerul se va răci atât de puternic încât se va transforma în lichid. Dioxidul de carbon, dacă este eliberat rapid dintr-un cilindru, se răcește atât de puternic încât se transformă în „gheață” din zbor.

Gazele lichide sunt utilizate pe scară largă în tehnologie. Oxigenul lichid este utilizat în tehnologia explozivă, ca componentă a amestecului de combustibil din motoarele cu reacție.

Lichefierea aerului este folosită în tehnologie pentru a separa gazele care alcătuiesc aerul.

În diverse domenii ale tehnologiei este necesar să se lucreze la temperatura aerului lichid. Dar pentru multe studii fizice această temperatură nu este suficient de scăzută. Într-adevăr, dacă convertim grade Celsius la o scară absolută, vom vedea că temperatura aerului lichid este de aproximativ 1/3 din temperatura camerei. Mult mai interesante pentru fizică sunt temperaturile „hidrogenului”, adică temperaturile de ordinul a 14-20 K, și în special temperaturile „heliului”. Cea mai scăzută temperatură obținută la pomparea heliului lichid este de 0,7 K.

Fizicienii au reușit să se apropie mult mai mult de zero absolut. S-au obţinut acum temperaturi care depăşesc zero absolut cu doar câteva miimi de grad. Cu toate acestea, aceste temperaturi ultra-scăzute sunt obținute în moduri care nu sunt similare cu cele descrise mai sus.

ÎN anul trecut fizica temperaturilor joase a dat naștere unei ramuri speciale a industriei angajată în producția de echipamente care permit menținerea unor volume mari la temperaturi apropiate de zero absolut; Au fost dezvoltate cabluri de alimentare ale căror bare conductoare funcționează la temperaturi sub 10 K.

Când vaporii trec de punctul de fierbere, trebuie să se condenseze și să se transforme într-un lichid. In orice caz,; Se dovedește că, dacă aburul nu intră în contact cu lichidul și dacă aburul este foarte pur, atunci este posibil să se obțină suprarăcire sau „abur suprasaturat” - abur care ar fi trebuit de mult să devină lichid.

Aburul suprasaturat este foarte instabil. Uneori, o împingere sau un grăunte de abur aruncat în spațiu este suficient pentru ca condensul întârziat să înceapă.

Experiența arată că condensarea moleculelor de abur este mult facilitată de introducerea de particule străine mici în abur. În aerul prăfuit, suprasaturarea vaporilor de apă nu are loc. Condensul poate fi cauzat de norii de fum. La urma urmei, fumul este format din particule solide mici. Odată ajunse în abur, aceste particule colectează molecule în jurul lor și devin centre de condensare.

Deci, deși instabil, aburul poate exista într-un interval de temperatură potrivit pentru „viața” unui lichid.

Poate un lichid să „trăiească” în regiunea vaporilor în aceleași condiții? Cu alte cuvinte, este posibil să supraîncălzim un lichid?

Se dovedește că este posibil. Pentru a face acest lucru, trebuie să vă asigurați că moleculele lichide nu ies de pe suprafață. Un remediu radical este eliminarea suprafeței libere, adică plasarea lichidului într-un vas unde ar fi comprimat pe toate părțile de pereții solizi. În acest fel, este posibil să se realizeze o supraîncălzire de ordinul mai multor grade, adică să se deplaseze punctul care reprezintă starea lichidelor în dreapta curbei de fierbere (Fig. 4.4).

Supraîncălzirea este o deplasare a lichidului în regiunea de vapori, astfel încât supraîncălzirea lichidului poate fi realizată atât prin adăugarea de căldură, cât și prin reducerea presiunii.

Ultima metodă poate obține rezultate uimitoare. Apa sau alt lichid, eliberat cu grijă de gazele dizolvate (acest lucru nu este ușor de făcut), este plasat într-un vas cu un piston care ajunge la suprafața lichidului. Vasul și pistonul trebuie umezite cu lichid. Dacă acum trageți pistonul spre dvs., apa aderată la partea inferioară a pistonului îl va urma. Dar stratul de apă agățat de piston va trage următorul strat de apă cu el, acest strat îl va trage pe cel de dedesubt, ca urmare lichidul se va întinde.

În cele din urmă, coloana de apă se va rupe (este coloana de apă, nu apa, cea care se va desprinde de piston), dar acest lucru se va întâmpla când forța pe unitatea de suprafață ajunge la zeci de kilograme. Cu alte cuvinte, în lichid se creează o presiune negativă de zeci de atmosfere.

Chiar și la presiuni pozitive scăzute starea de vapori a substanței este stabilă. Și lichidul poate fi adus la presiune negativă. Mai mult un exemplu strălucitor„supraîncălzirea” este greu de găsit.

Nu există un corp solid care să reziste cât mai mult posibil la o creștere a temperaturii. Mai devreme sau mai târziu piesa solidă se transformă în lichid; corect, în unele cazuri nu vom putea ajunge la punctul de topire - poate apărea descompunerea chimică.

Pe măsură ce temperatura crește, moleculele se mișcă din ce în ce mai intens. În cele din urmă, vine un moment în care menținerea ordinii între moleculele puternic „oscilante” devine imposibilă de asemenea, metalele cu punct de topire scăzut, așa cum este bine cunoscut, se topește la o temperatură de -39°C. Substanțele organice nu au puncte de topire ridicate la 80°C, toluenul.

Nu este deloc dificil de măsurat punctul de topire al unui corp, mai ales dacă acesta se topește în intervalul de temperatură măsurat cu un termometru obișnuit. Nu este deloc necesar să urmăriți corpul care se topește cu ochii. Uită-te la coloana de mercur a termometrului. Până când începe topirea, temperatura corpului crește (Fig. 4.5). Odată ce începe topirea, creșterea temperaturii se oprește și temperatura va rămâne aceeași până la finalizarea procesului de topire.

Orez. 4.5

Ca și transformarea unui lichid în vapori, transformarea unui solid într-un lichid necesită căldură. Căldura necesară pentru aceasta se numește căldură latentă de fuziune. De exemplu, topirea unui kilogram de gheață necesită 80 kcal.

Gheața este unul dintre corpurile cu o căldură mare de fuziune. Topirea gheții necesită, de exemplu, de 10 ori mai multă energie decât topirea aceleiași mase de plumb. Desigur, vorbim despre topirea în sine, nu spunem aici că înainte ca plumbul să înceapă să se topească, trebuie încălzit la +327°C. Din cauza căldurii mari de topire a gheții, topirea zăpezii încetinește. Imaginați-vă că căldura de topire ar fi de 10 ori mai mică. Apoi, inundațiile de primăvară ar duce la dezastre de neimaginat în fiecare an.

Deci, căldura de topire a gheții este mare, dar este și mică în comparație cu căldura specifică de vaporizare de 540 kcal/kg (de șapte ori mai puțin). Cu toate acestea, această diferență este complet naturală. Când transformăm un lichid în vapori, trebuie să separăm moleculele unele de altele, dar la topire, trebuie doar să distrugem ordinea în aranjarea moleculelor, lăsându-le la aproape aceleași distanțe. În mod clar, al doilea caz necesită mai puțină muncă.

Prezența unui anumit punct de topire este o caracteristică importantă a substanțelor cristaline. Prin această caracteristică ele pot fi ușor distinse de alte solide numite amorfe sau sticle. Ochelarii se găsesc atât printre substanțele anorganice, cât și printre substanțele organice. Geamurile pentru ferestre sunt de obicei fabricate din silicați de sodiu și calciu; Sticla organică este adesea plasată pe birou (numită și plexiglas).

Substanțele amorfe, spre deosebire de cristale, nu au un punct de topire specific. Sticla nu se topește, ci se înmoaie. Când este încălzită, o bucată de sticlă devine mai întâi moale din tare, poate fi ușor îndoită sau întinsă; la o temperatură mai mare, piesa începe să-și schimbe forma sub influența propriei gravitații. Pe măsură ce se încălzește, masa vâscoasă groasă de sticlă ia forma vasului în care se află. Această masă este mai întâi groasă, ca mierea, apoi ca smântâna și în cele din urmă devine aproape același lichid cu vâscozitate scăzută ca apa. Chiar dacă am vrea, nu putem indica aici o temperatură specifică pentru trecerea unui solid într-un lichid. Motivele pentru aceasta constă în diferența fundamentală dintre structura sticlei și structura corpurilor cristaline. După cum sa menționat mai sus, atomii din corpurile amorfe sunt aranjați aleatoriu. Ochelarii au o structură similară cu lichidele. Deja în sticlă solidă, moleculele sunt aranjate aleatoriu. Aceasta înseamnă că creșterea temperaturii sticlei nu face decât să mărească gama de vibrații ale moleculelor sale, oferindu-le treptat o libertate de mișcare din ce în ce mai mare. Prin urmare, sticla se înmoaie treptat și nu prezintă o tranziție bruscă de la „solid” la „lichid”, caracteristică trecerii de la aranjarea moleculelor într-o ordine strictă la un aranjament dezordonat.

Când am vorbit despre curba de fierbere, am spus că lichidul și aburul pot, deși într-o stare instabilă, să trăiască în zone străine - aburul poate fi suprarăcit și transferat la stânga curbei de fierbere, lichidul poate fi supraîncălzit și tras la dreapta. a acestei curbe.

Sunt posibile fenomene similare în cazul unui cristal cu un lichid? Se pare că aici analogia este incompletă.

Dacă încălziți un cristal, acesta va începe să se topească la punctul său de topire. Nu va fi posibil să supraîncălziți cristalul. Dimpotrivă, la răcirea unui lichid, este posibil, dacă se iau anumite măsuri, să se „depășească” punctul de topire relativ ușor. În unele lichide este posibil să se obțină o mare hipotermie. Există chiar și lichide care sunt ușor de suprarăcit, dar greu de făcut să se cristalizeze. Pe măsură ce un astfel de lichid se răcește, devine din ce în ce mai vâscos și în cele din urmă se solidifică fără a cristaliza. Așa este sticla.

De asemenea, puteți suprarăci apa. Picăturile de ceață nu pot îngheța chiar și în înghețuri severe. Dacă aruncați un cristal dintr-o substanță - o sămânță - într-un lichid suprarăcit, cristalizarea va începe imediat.

În cele din urmă, în multe cazuri, cristalizarea întârziată poate începe de la tremurări sau alte evenimente aleatoare. Se știe, de exemplu, că glicerolul cristalin a fost obținut mai întâi în timpul transportului prin calea ferata. După ce a stat mult timp, sticla poate începe să se cristalizeze (devitificarea, sau „prăbușirea”, așa cum se spune în tehnologie).

Aproape orice substanță poate da cristale în anumite condiții. Cristalele pot fi obținute dintr-o soluție sau dintr-o topitură a acestei substante, precum și din vaporii săi (de exemplu, cristalele de iod în formă de diamant negru cad ușor din vapori la presiune normală, fără o tranziție intermediară la starea lichidă).

Începeți să dizolvați sarea de masă sau zahărul în apă. La temperatura camerei (20°C) poti dizolva doar 70 g de sare intr-un pahar fatetat. Adăugările ulterioare de sare nu se vor dizolva și se vor depune în partea de jos sub formă de sediment. O soluție în care nu mai are loc dizolvarea ulterioară se numește saturată. .Dacă modificați temperatura se va modifica și gradul de solubilitate al substanței. Toată lumea știe că apa fierbinte dizolvă majoritatea substanțelor mult mai ușor decât apa rece.

Imaginați-vă acum că ați preparat o soluție saturată de zahăr, să zicem, la o temperatură de 30°C și începeți să o răciți la 20°C. La 30°C ați reușit să dizolvați 223 g de zahăr în 100 g de apă, la 20°C 205 g dizolvați Apoi, la răcire de la 30 la 20°C, 18 g se vor dovedi „în plus” și, după cum se spune, va rămâne fără soluție. Deci, o modalitate posibilă de a obține cristale este răcirea unei soluții saturate.

O poți face altfel. Pregătiți o soluție saturată de sare și lăsați-o într-un pahar deschis. După ceva timp, veți observa apariția cristalelor. De ce s-au format? Observarea atentă va arăta că, odată cu formarea cristalelor, a avut loc o altă schimbare - cantitatea de apă a scăzut. Apa s-a evaporat și a existat o substanță „în plus” în soluție. Deci celălalt cale posibilă Formarea cristalelor este evaporarea soluției.

Cum are loc formarea cristalelor din soluție?

Am spus că cristalele „cad” din soluție; Ar trebui să se înțeleagă acest lucru ca însemnând că cristalul nu a fost acolo timp de o săptămână și, într-o clipă, a apărut brusc? Nu, nu este cazul: cristalele cresc. Este, desigur, imposibil de detectat cu ochiul chiar momentele inițiale de creștere. La început, câteva dintre moleculele sau atomii substanței dizolvate care se mișcă aleatoriu se adună aproximativ în ordinea necesară pentru a forma o rețea cristalină. Un astfel de grup de atomi sau molecule se numește nucleu.

Experiența arată că nucleele se formează mai des în prezența oricăror particule de praf minuscule străine în soluție. Cristalizarea începe cel mai rapid și ușor atunci când un mic cristal semințe este plasat într-o soluție saturată. În acest caz, eliberarea unei substanțe solide din soluție nu va consta în formarea de noi cristale, ci în creșterea seminței.

Creșterea embrionului nu este, desigur, diferită de creșterea semințelor. Scopul utilizării unei sămânțe este că „trage” substanța eliberată asupra ei și astfel împiedică formarea simultană. un numar mare embrioni. Dacă se formează o mulțime de nuclee, atunci ei vor interfera unul cu celălalt în timpul creșterii și nu ne vor permite să obținem cristale mari.

Cum sunt distribuite porțiunile de atomi sau molecule eliberate din soluție pe suprafața embrionului?

Experiența arată că creșterea unui embrion sau a unei semințe constă, parcă, în deplasarea fețelor paralele cu ele însele într-o direcție perpendiculară pe față. În acest caz, unghiurile dintre fețe rămân constante (știm deja că constanța unghiurilor este cea mai importantă caracteristică a unui cristal, rezultată din structura lui reticulat).

În fig. Figura 4.6 prezintă contururile care apar a trei cristale ale aceleiași substanțe în timpul creșterii lor. Imagini similare pot fi observate la microscop. În cazul prezentat în stânga, numărul de fețe este menținut în timpul creșterii. Imaginea din mijloc oferă un exemplu de apariție a unei noi fețe (dreapta sus) și care dispare din nou.

Orez. 4.6

Este foarte important să rețineți că rata de creștere a fețelor, adică viteza de mișcare a acestora paralelă cu ele însele, nu este aceeași pentru fețe diferite. În acest caz, acele margini care „cresc excesiv” (dispar) sunt cele care se mișcă cel mai repede, de exemplu, marginea din stânga jos din imaginea din mijloc. Dimpotrivă, marginile care cresc încet se dovedesc a fi cele mai largi și, după cum se spune, cele mai dezvoltate.

Acest lucru este vizibil mai ales în ultima figură. Un fragment fără formă capătă aceeași formă ca și alte cristale tocmai datorită anizotropiei ratei de creștere. Anumite fațete se dezvoltă cel mai puternic în detrimentul altora și conferă cristalului o formă caracteristică tuturor probelor din această substanță.

Forme de tranziție foarte frumoase se observă atunci când o minge este luată ca sămânță, iar soluția este ușor răcită și încălzită alternativ. Când este încălzită, soluția devine nesaturată, iar sămânța este parțial dizolvată. Răcirea duce la saturarea soluției și la creșterea semințelor. Dar moleculele se așează diferit, ca și cum ar prefera anumite locuri. Substanța este astfel transferată dintr-un loc al mingii în altul.

Mai întâi, pe suprafața mingii apar margini mici în formă de cercuri. Cercurile cresc treptat în dimensiune și, atingându-se, se îmbină de-a lungul marginilor drepte. Mingea se transformă într-un poliedru. Apoi unele fețe le depășesc pe altele, unele dintre fețe devin supraîncărcate, iar cristalul capătă forma sa caracteristică (Fig. 4.7).

Orez. 4.7

Când observăm creșterea cristalelor, cineva este lovit de principala caracteristică a creșterii - mișcarea paralelă a fețelor. Se pare că substanța eliberată formează marginea în straturi: până la finalizarea unui strat, următorul nu începe să fie construit.

În fig. Figura 4.8 prezintă împachetarea „neterminată” a atomilor. În care dintre pozițiile cu litere va fi ținut cel mai ferm noul atom atunci când este atașat de cristal? Fără îndoială, în A, deoarece aici el experimentează atracția vecinilor din trei părți, în timp ce în B - din două, iar în C - doar dintr-o parte. Prin urmare, mai întâi coloana este finalizată, apoi întregul plan și abia apoi începe așezarea noului plan.

Orez. 4.8

Într-un număr de cazuri, cristalele se formează dintr-o masă topită - dintr-o topitură. În natură, acest lucru se întâmplă la scară uriașă: bazalții, granitele și multe alte roci au apărut din magma de foc.

Să începem să încălzim o substanță cristalină, cum ar fi sarea gemă. Până la 804°C, cristalele de sare gemă se vor schimba puțin: se extind doar puțin, iar substanța rămâne solidă. Un termometru plasat într-un vas cu o substanță arată o creștere continuă a temperaturii atunci când este încălzit. La 804°C vom descoperi imediat două fenomene noi, interconectate: substanța va începe să se topească, iar creșterea temperaturii se va opri. Până când toată substanța se transformă în lichid; temperatura nu se va schimba; o creștere suplimentară a temperaturii înseamnă încălzirea lichidului. Toate substanțele cristaline au un anumit punct de topire. Gheața se topește la 0°C, fierul - la 1527°C, mercurul - la -39°C etc.

După cum știm deja, în fiecare cristal atomii sau moleculele substanței formează o împachetare G ordonată și efectuează mici vibrații în jurul pozițiilor lor medii. Pe măsură ce corpul se încălzește, viteza particulelor oscilante crește odată cu amplitudinea oscilațiilor. Această creștere a vitezei de mișcare a particulelor cu creșterea temperaturii constituie una dintre legile fundamentale ale naturii, care se aplică materiei în orice stare - solidă, lichidă sau gazoasă.

Când este atinsă o anumită temperatură suficient de ridicată a cristalului, vibrațiile particulelor sale devin atât de energice încât o aranjare ordonată a particulelor devine imposibilă - cristalul se topește. Odată cu debutul topirii, căldura furnizată nu mai este folosită pentru a crește viteza particulelor, ci pentru a distruge rețeaua cristalină. Prin urmare, creșterea temperaturii se oprește. Încălzirea ulterioară este o creștere a vitezei particulelor lichide.

În cazul cristalizării dintr-o topitură care ne interesează, fenomenele descrise mai sus se observă în ordine inversă: pe măsură ce lichidul se răcește, particulele sale își încetinesc mișcarea haotică; la atingerea unei anumite temperaturi, suficient de scăzute, viteza particulelor este deja atât de mică încât unele dintre ele, sub influența forțelor de atracție, încep să se atașeze una de alta, formând nuclee cristaline. Până când toată substanța se cristalizează, temperatura rămâne constantă. Această temperatură este de obicei aceeași cu punctul de topire.

Dacă nu se iau măsuri speciale, cristalizarea din topitură va începe în multe locuri deodată. Cristalele vor crește sub formă de poliedre regulate, caracteristice, exact în același mod în care am descris mai sus. Cu toate acestea, creșterea liberă nu durează mult: pe măsură ce cristalele cresc, se ciocnesc unele de altele, în punctele de contact, creșterea se oprește, iar corpul solidificat capătă o structură granulară. Fiecare bob este un cristal separat care nu a reușit să-și ia forma corectă.

În funcție de multe condiții și în primul rând de viteza de răcire, un solid poate avea boabe mai mult sau mai puțin mari: cu cât răcirea este mai lentă, cu atât boabele sunt mai mari. Dimensiunile granulelor corpurilor cristaline variază de la o milioneme de centimetru până la câțiva milimetri. În cele mai multe cazuri, structura cristalină granulară poate fi observată la microscop. Solidele au de obicei o structură atât de fin-cristalină.

Procesul de solidificare a metalelor este de mare interes pentru tehnologie. Fizicienii au studiat extrem de detaliat evenimentele care au loc în timpul turnării și în timpul solidificării metalului în matrițe.

În cea mai mare parte, atunci când se solidifică, cresc cristale simple asemănătoare copacului, numite dendrite. În alte cazuri, dendritele sunt orientate la întâmplare, în alte cazuri - paralele între ele.

În fig. Figura 4.9 prezintă etapele de creștere a unei dendrite. Cu acest comportament, o dendrită poate deveni crescută înainte de a întâlni o alta similară. Atunci nu vom găsi dendrite în turnare. Evenimentele se pot dezvolta și în mod diferit: dendritele se pot întâlni și se pot dezvolta unele în altele (ramurile uneia în spațiile dintre ramurile celeilalte) în timp ce sunt încă „tineri”.

Orez. 4.9

Astfel, pot apărea piese turnate ale căror boabe (prezentate în Fig. 2.22) au structuri foarte diferite. Și proprietățile metalelor depind în mod semnificativ de natura acestei structuri. Puteți controla comportamentul metalului în timpul solidificării prin schimbarea vitezei de răcire și a sistemului de îndepărtare a căldurii.

Acum să vorbim despre cum să crești un singur cristal mare. Este clar că trebuie luate măsuri pentru a se asigura că cristalul crește dintr-un singur loc. Și dacă mai multe cristale au început deja să crească, atunci, în orice caz, este necesar să se asigure că condițiile de creștere sunt favorabile doar pentru unul dintre ele.

Iată, de exemplu, ce face cineva când crește cristale de metale cu punct de topire scăzut. Metalul este topit într-o eprubetă de sticlă cu capătul scos. O eprubetă suspendată pe un fir în interiorul unui cuptor cilindric vertical este coborât încet în jos. Capătul tras iese treptat din cuptor și se răcește. Începe cristalizarea. La început, se formează mai multe cristale, dar cele care cresc lateral se sprijină pe peretele eprubetei și creșterea lor încetinește. Numai cristalul care crește de-a lungul axei eprubetei, adică adânc în topitură, va fi în condiții favorabile. Pe măsură ce eprubeta coboară, noi porțiuni de topitură care intră în regiunea de temperatură scăzută vor „alimenta” acest singur cristal. Prin urmare, dintre toate cristalele, este singurul care supraviețuiește; pe măsură ce eprubeta coboară, aceasta continuă să crească de-a lungul axei sale. În cele din urmă, tot metalul topit se solidifică într-un singur cristal.

Aceeași idee stă la baza cultivării cristalelor refractare de rubin. Pulbere fină a substanței este pulverizată prin flacără. Pulberile se topesc; picături mici cad pe un suport refractar de o suprafață foarte mică, formând multe cristale. Pe măsură ce picăturile continuă să cadă pe suport, toate cristalele cresc, dar din nou crește doar cel care este în poziția cea mai favorabilă pentru a „primi” picăturile care cad.

Pentru ce sunt necesare cristalele mari?

Industria și știința au adesea nevoie de monocristale mari. De mare importanță pentru tehnologie sunt cristalele de sare Rochelle și cuarț, care au proprietatea remarcabilă de a transforma acțiunile mecanice (de exemplu, presiunea) în tensiune electrică.

Industria optică are nevoie de cristale mari de calcit, sare gemă, fluorit etc.

Industria ceasurilor are nevoie de cristale de rubine, safire și altele pietre pretioase. Faptul este că părțile individuale în mișcare ale unui ceas obișnuit produc până la 20.000 de vibrații pe oră. O sarcină atât de grea impune o neobișnuită cerințe ridicate la calitatea vârfurilor de osie și a rulmenților. Abraziunea va fi cea mai mică atunci când rulmentul pentru vârful axei cu un diametru de 0,07-0,15 mm este rubin sau safir. Cristalele artificiale ale acestor substanțe sunt foarte durabile și sunt foarte puțin abrazive de oțel. Este remarcabil că pietrele artificiale se dovedesc a fi mai bune decât aceleași pietre naturale.

Cu toate acestea, cea mai mare importanță pentru industrie este creșterea monocristalelor semiconductoare - siliciu și germaniu.

Dacă schimbați presiunea, se va schimba și punctul de topire. Am întâlnit același tipar când am vorbit despre fierbere. Cu cât presiunea este mai mare; cu atât este mai mare punctul de fierbere. Acest lucru este valabil în general și pentru topire. Cu toate acestea, există un număr mic de substanțe care se comportă anormal: punctul lor de topire scade odată cu creșterea presiunii.

Faptul este că marea majoritate a solidelor sunt mai dense decât omologii lor lichidi. Excepție de la această regulă o constituie tocmai acele substanțe al căror punct de topire se modifică odată cu modificarea presiunii într-un mod neobișnuit, de exemplu apa. Gheața este mai ușoară decât apa, iar punctul de topire al gheții scade pe măsură ce presiunea crește.

Compresia favorizează formarea unei stări mai dense. Dacă un solid este mai dens decât un lichid, compresia ajută la solidificare și previne topirea. Dar dacă topirea este îngreunată prin compresie, aceasta înseamnă că substanța rămâne solidă, în timp ce anterior la această temperatură s-ar fi topit deja, adică, odată cu creșterea presiunii, temperatura de topire crește. În cazul anormal, lichidul este mai dens decât solidul, iar presiunea ajută la formarea lichidului, adică scade punctul de topire.

Efectul presiunii asupra punctului de topire este mult mai mic decât efectul similar asupra fierberii. O creștere a presiunii cu mai mult de 100 kgf/cm2 scade punctul de topire al gheții cu 1°C.

De ce patinele alunecă doar pe gheață, dar nu și pe parchet la fel de neted? Aparent, singura explicație este formarea apei, care lubrifiază patina. Pentru a înțelege contradicția care a apărut, trebuie să rețineți următoarele: patinele proaste alunecă foarte prost pe gheață. Patinele trebuie ascuțite pentru a putea tăia gheața. În acest caz, doar vârful marginii patinei apasă pe gheață. Presiunea asupra gheții ajunge la zeci de mii de atmosfere, dar gheața încă se topește.

Când se spune „o substanță se evaporă”, de obicei înseamnă că un lichid se evaporă. Dar și solidele se pot evapora. Uneori, evaporarea solidelor se numește sublimare.

Un solid care se evaporă este, de exemplu, naftalina. Naftalina se topește la 80°C și se evaporă la temperatura camerei. Această proprietate a naftalenei este cea care îi permite să fie folosit pentru a extermina moliile.

O haină de blană acoperită cu naftalină devine saturată cu vapori de naftalină și creează o atmosferă pe care moliile nu o pot tolera. Fiecare solid mirositor sublimează într-o măsură semnificativă. La urma urmei, mirosul este creat de molecule care se desprind de substanță și ajung la nasul nostru. Cu toate acestea, cazurile mai frecvente sunt atunci când o substanță sublimă într-o mică măsură, uneori într-un grad care nu poate fi detectat nici măcar printr-o cercetare foarte atentă. În principiu, orice substanță solidă (și anume orice, chiar și fier sau cupru) se evaporă. Dacă nu detectăm sublimarea, aceasta înseamnă doar că densitatea vaporilor de saturație este foarte nesemnificativă.

Puteți verifica că o serie de substanțe care au un miros înțepător la temperatura camerei îl pierd la temperaturi scăzute.

Densitatea vaporilor saturați în echilibru cu un solid crește rapid odată cu creșterea temperaturii. Ilustram acest comportament cu curba de gheață prezentată în Fig. 4.10. E adevarat ca gheata nu miroase...

Orez. 4.10

În cele mai multe cazuri, este imposibil să creșteți semnificativ densitatea vaporilor saturati a unui corp solid dintr-un motiv simplu - substanța se va topi mai devreme.

De asemenea, gheața se evaporă. Acest lucru este bine cunoscut de gospodinele care atârnă rufele umede să se usuce pe vreme rece.” Mai întâi, apa îngheață, apoi gheața se evaporă, iar rufele se dovedesc a fi uscate.

Deci, există condiții în care vaporii, lichidul și cristalul pot exista în perechi în echilibru. Pot toate cele trei stări să fie în echilibru? Un astfel de punct din diagrama presiune-temperatură există și se numește triplu. Unde este?

Dacă puneți apă cu gheață plutitoare într-un vas închis la zero grade, atunci vaporii de apă (și „gheață”) vor începe să curgă în spațiul liber. La o presiune a vaporilor de 4,6 mm Hg. Artă. evaporarea se va opri și va începe saturația. Acum cele trei faze - gheață, apă și abur - vor fi într-o stare de echilibru. Acesta este punctul triplu.

Relațiile dintre diferitele stări sunt prezentate clar și clar de diagrama pentru apă prezentată în Fig. 4.11.

Orez. 4.11

O astfel de diagramă poate fi construită pentru orice corp.

Curbele din figură ne sunt familiare - acestea sunt curbele de echilibru între gheață și abur, gheață și apă, apă și abur. Presiunea este reprezentată vertical, ca de obicei, temperatura este reprezentată pe orizontală.

Cele trei curbe se intersectează în punctul triplu și împart diagrama în trei regiuni - spațiile de viață de gheață, apă și vapori de apă.

O diagramă de stare este o referință condensată. Scopul său este să răspundă la întrebarea ce stare a corpului este stabilă la o astfel de presiune și la o astfel de temperatură.

Dacă apă sau abur sunt plasate în condițiile „regiunii din stânga”, acestea vor deveni gheață. Dacă adăugați un lichid sau un solid în „regiunea inferioară”, obțineți abur. În „regiunea potrivită” aburul se va condensa și gheața se va topi.

Diagrama existenței fazelor vă permite să răspundeți imediat ce se va întâmpla cu o substanță atunci când este încălzită sau comprimată. Încălzirea la presiune constantă este reprezentată pe diagramă printr-o linie orizontală. Un punct care reprezintă starea corpului se deplasează de-a lungul acestei linii de la stânga la dreapta.

Figura prezintă două astfel de linii, una dintre ele se încălzește la presiune normală. Linia se află deasupra punctului triplu. Prin urmare, va intersecta mai întâi curba de topire și apoi, în afara desenului, curba de evaporare. Gheața la presiune normală se va topi la o temperatură de 0°C, iar apa rezultată va fierbe la 100°C.

Situația va fi diferită pentru gheața încălzită la presiune foarte scăzută, să zicem chiar sub 5 mmHg. Artă. Procesul de încălzire este descris printr-o linie care merge sub punctul triplu. Curbele de topire și fierbere nu se intersectează cu această linie. La o presiune atât de scăzută, încălzirea va duce la o tranziție directă a gheții în abur.

În fig. 4.12, aceeași diagramă arată ce fenomen interesant va avea loc atunci când vaporii de apă sunt comprimați în starea marcată cu o cruce în figură. Aburul se va transforma mai întâi în gheață și apoi se va topi. Desenul vă permite să spuneți imediat la ce presiune va începe să crească cristalul și când va avea loc topirea.

Orez. 4.12

Diagramele de fază ale tuturor substanțelor sunt similare între ele. Mari, din punct de vedere cotidian, apar diferențe datorită faptului că locația punctului triplu pe diagramă poate fi foarte diferită pentru diferite substanțe.

La urma urmei, existăm aproape de „condiții normale”, adică în primul rând la o presiune apropiată de o atmosferă. Modul în care este situat punctul triplu al unei substanțe în raport cu linia presiunii normale este foarte important pentru noi.

Dacă presiunea în punctul triplu este mai mică decât cea atmosferică, atunci pentru noi, care trăim în condiții „normale”, substanța este clasificată ca fiind topită. Pe măsură ce temperatura crește, se transformă mai întâi în lichid și apoi fierbe.

În cazul opus - când presiunea în punctul triplu este mai mare decât cea atmosferică - nu vom vedea lichid când este încălzit, solidul se va transforma direct în vapori. Așa se comportă „gheața uscată”, ceea ce este foarte convenabil pentru vânzătorii de înghețată. Brichetele de înghețată pot fi transferate cu bucăți de „gheață uscată” și să nu vă fie teamă că înghețata se va umezi. „Gheața carbonică” este dioxid de carbon solid C02. Punctul triplu al acestei substanțe se află la 73 atm. Prin urmare, atunci când CO 2 solid este încălzit, punctul care reprezintă starea sa se mișcă orizontal, intersectând doar curba de evaporare a solidului (la fel ca și pentru gheață obișnuită la o presiune de aproximativ 5 mm Hg. Artă.).

Am spus deja cititorului cum se determină un grad de temperatură pe scara Kelvin sau, așa cum ne cere acum sistemul SI, un kelvin. Totuși, vorbeam despre principiul determinării temperaturii. Nu toate institutele de metrologie au termometre cu gaze ideale. Prin urmare, scara de temperatură este construită folosind puncte de echilibru fixate de natură între diferite stări ale materiei.

Punctul triplu al apei joacă un rol deosebit în acest sens. Un grad Kelvin este acum definit ca partea 273,16 a temperaturii termodinamice a punctului triplu al apei. Se consideră că punctul triplu al oxigenului este de 54,361 K. Temperatura de solidificare a aurului este setată la 1337,58 K. Folosind aceste puncte de referință, orice termometru poate fi calibrat cu precizie.

Grafitul moale negru mat cu care scriem și diamantul strălucitor transparent de tăiat sticla dur sunt construite din aceiași atomi de carbon. De ce sunt atât de diferite proprietățile acestor două substanțe identice?

Luați în considerare rețeaua de grafit stratificat, fiecare atom al căruia are trei vecini cei mai apropiați, și rețeaua de diamant, al cărui atom are patru vecini cei mai apropiați. Acest exemplu arată clar că proprietățile cristalelor sunt determinate de aranjamentul relativ al atomilor. Crezetele ignifuge sunt fabricate din grafit care poate rezista la temperaturi de până la două până la trei mii de grade, iar diamantul arde la temperaturi peste 700°C; densitatea diamantului este de 3,5, iar grafitul - 2,3; conduce grafitul electricitate, diamant - nu conduce etc.

Nu numai carbonul are această proprietate de a produce diferite cristale. Aproape fiecare element chimic, și nu doar un element, ci și oricare Substanta chimica, poate exista în mai multe soiuri. Există șase soiuri de gheață, nouă soiuri de sulf și patru soiuri de fier.

Când am discutat despre diagrama de stare, nu am vorbit despre tipuri diferite cristale și a desenat o singură regiune a solidului. Și pentru multe substanțe, această regiune este împărțită în secțiuni, fiecare dintre acestea corespunde unui anumit „tip” de solid sau, după cum se spune, unei anumite faze solide (o anumită modificare cristalină).

Fiecare fază cristalină are propria sa regiune de stare stabilă, limitată de un anumit interval de presiuni și temperaturi. Legile transformării unei varietăți cristaline în alta sunt aceleași cu legile topirii și evaporării.

Pentru fiecare presiune, puteți specifica temperatura la care ambele tipuri de cristale vor coexista în mod pașnic. Dacă creșteți temperatura, un cristal de un tip se va transforma într-un cristal de al doilea tip. Dacă reduceți temperatura, se va produce transformarea inversă.

Pentru ca sulful roșu să devină galben la presiune normală, este necesară o temperatură sub 110°C. Peste această temperatură, până la punctul de topire, ordinea de aranjare a atomilor caracteristică sulfului roșu este stabilă. Temperatura scade, vibrațiile atomilor scad și, începând de la 110°C, natura găsește o aranjare mai convenabilă a atomilor. Există o transformare a unui cristal în altul.

Şase diferite gheață nimeni nu a venit cu nume. Așa se spune: gheață unu, gheață doi, ...., gheață șapte. Ce zici de șapte dacă există doar șase soiuri? Faptul este că gheața patru nu a fost detectată în timpul experimentelor repetate.

Dacă comprimați apa la o temperatură aproape de zero, atunci la o presiune de aproximativ 2000 atm se formează gheață cinci, iar la o presiune de aproximativ 6000 atm se formează șase gheață.

Gheața doi și gheața trei sunt stabile la temperaturi sub zero grade.

Gheața șapte este gheață fierbinte; apare în timpul compresiei apa fierbinte până la presiuni de aproximativ 20.000 atm.

Toată gheața, cu excepția gheții obișnuite, este mai grea decât apa. Gheața produsă în condiții normale se comportă anormal; dimpotriva, gheata obtinuta in conditii diferite de norma se comporta normal.

Spunem că fiecare modificare cristalină este caracterizată de o anumită regiune a existenței. Dar dacă da, atunci cum există grafitul și diamantul în aceleași condiții?

O astfel de „nelegiuire” apare foarte des în lumea cristalelor. Capacitatea de a trăi în condiții „străine” este aproape o regulă pentru cristale. Dacă pentru a transfera vapori sau lichid în zone străine ale existenței trebuie să recurgă la diverse trucuri, atunci un cristal, dimpotrivă, aproape niciodată nu poate fi forțat să rămână în limitele alocate de natură.

Supraîncălzirea și suprarăcirea cristalelor se explică prin dificultatea de a converti o comandă în alta în condiții extrem de aglomerate. Sulful galben ar trebui să se transforme în sulf roșu la 95,5°C. Cu o încălzire mai mult sau mai puțin rapidă, vom „depăși” acest punct de transformare și vom aduce temperatura la punctul de topire a sulfului de 113°C.

Temperatura adevărată de transformare este cel mai ușor de detectat atunci când cristalele intră în contact. Dacă sunt așezate strâns unul peste altul și temperatura este menținută la 96°C, atunci galbenul va fi mâncat de roșu, iar la 95°C galbenul va absorbi roșul. Spre deosebire de tranziția „cristal-lichid”, transformările „cristal-cristal” sunt de obicei întârziate atât în ​​timpul suprarăcirii, cât și în timpul supraîncălzirii.

În unele cazuri, avem de-a face cu stări ale materiei care ar trebui să trăiască la temperaturi complet diferite.

Cutia albă ar trebui să devină gri când temperatura scade la +13°C. De obicei ne ocupăm de tablă albă și știm că iarna nu se face nimic cu ea. Rezistă perfect hipotermiei de 20-30 de grade. Cu toate acestea, în condiții aspre de iarnă, tabla albă se transformă în gri. Necunoașterea acestui fapt a fost una dintre circumstanțele care au distrus expediția lui Scott la Polul Sud (1912). Combustibilul lichid luat de expediție era în vase lipite cu tablă. La frig extrem, staniul alb s-a transformat în pulbere gri - vasele au fost deslipite; iar combustibilul s-a vărsat. Nu degeaba apariția petelor gri pe tablă albă se numește ciuma de cositor.

Ca și în cazul sulfului, staniul alb poate fi transformat în gri la temperaturi chiar sub 13°C; cu excepția cazului în care un bob minuscul din varietatea gri cade pe un obiect de tablă.

Existența mai multor varietăți ale aceleiași substanțe și întârzierile în transformările lor reciproce sunt de mare importanță pentru tehnologie.

La temperatura camerei, atomii de fier formează o rețea cubică centrată pe corp, în care atomii ocupă poziții la vârfuri și în centrul cubului. Fiecare atom are 8 vecini. La temperaturi ridicate, atomii de fier formează un „ambalaj” mai dens - fiecare atom are 12 vecini. Fierul cu 8 vecini este moale, fierul cu 12 vecini este greu. Se pare că este posibil să se obțină fier de al doilea tip la temperatura camerei. Această metodă – călirea – este utilizată pe scară largă în metalurgie.

Întărirea se face foarte simplu - un obiect metalic este încălzit la roșu și apoi aruncat în apă sau ulei. Răcirea are loc atât de repede încât transformarea unei structuri care este stabilă la temperaturi ridicate nu are timp să aibă loc. Astfel, structura de temperatură ridicată va exista la nesfârșit în condiții neobișnuite pentru ea: recristalizare în structura stabila Merge atât de încet încât este aproape de neobservat.

Când am vorbit despre întărirea fierului, nu am fost în totalitate exacte. Oțelul este întărit, adică fier care conține fracțiuni de un procent de carbon. Prezența unor foarte mici impurități de carbon întârzie transformarea fierului dur în moale și permite întărirea. În ceea ce privește fierul complet pur, nu se poate întări - transformarea structurii reușește să se producă chiar și cu cea mai rapidă răcire.

În funcție de tipul diagramei de stare, schimbarea presiunii sau a temperaturii, se realizează una sau alta transformare.

Multe transformări cristal-la-cristal sunt observate numai cu modificări ale presiunii. Fosforul negru a fost obținut în acest fel.

Orez. 4.13

A fost posibil să se transforme grafitul în diamant doar folosind ambele temperatura ridicata, și multă presiune. În fig. Figura 4.13 prezintă diagrama de fază a carbonului. La presiuni sub zece mii de atmosfere și la temperaturi sub 4000 K, grafitul este o modificare stabilă. Astfel, diamantul trăiește în condiții „extraterestre”, așa că poate fi transformat în grafit fără prea multe dificultăți. Dar problema inversă este de interes practic. Nu este posibil să se transforme grafitul în diamant doar prin creșterea presiunii. Transformarea de fază în stare solidă este aparent prea lentă. Apariția diagramei de stare sugerează solutie corecta: Creșteți presiunea și căldura în același timp. Apoi obținem (colțul din dreapta al diagramei) carbon topit. Răcirea la tensiune arterială crescută, trebuie să intrăm în zona diamantelor.

Posibilitatea practică a unui astfel de proces a fost dovedită în 1955, iar problema este considerată acum rezolvată tehnic.

Dacă îți scazi temperatura corpului, mai devreme sau mai târziu se va întări și se va dobândi structură cristalină. Nu contează la ce presiune are loc răcirea. Această împrejurare pare cu totul firească și de înțeles din punctul de vedere al legilor fizicii, cu care ne-am familiarizat deja. Într-adevăr, prin scăderea temperaturii, reducem intensitatea mișcării termice. Când mișcarea moleculelor devine atât de slabă încât nu mai interferează cu forțele de interacțiune dintre ele, moleculele se vor alinia într-o ordine ordonată - vor forma un cristal. Răcirea ulterioară va elimina din molecule toată energia mișcării lor, iar la zero absolut substanța trebuie să existe sub formă de molecule de repaus dispuse într-o rețea obișnuită.

Experiența arată că toate substanțele se comportă astfel. Toate, cu excepția unui singur lucru: heliul este un astfel de „monstru”.

Am oferit deja cititorului câteva informații despre heliu. Heliul deține recordul pentru temperatura sa critică. Nicio substanță nu are o temperatură critică mai mică de 4,3 K. Cu toate acestea, acest record în sine nu înseamnă nimic surprinzător. Un alt lucru este izbitor: răcirea heliului sub temperatura critică, ajungând aproape la zero absolut, nu vom obține heliu solid. Heliul rămâne lichid chiar și la zero absolut.

Comportamentul heliului este complet inexplicabil din punctul de vedere al legilor mișcării pe care le-am conturat și este unul dintre semnele valabilității limitate a unor astfel de legi ale naturii care păreau universale.

Dacă un corp este lichid, atunci atomii lui sunt în mișcare. Dar prin răcirea corpului la zero absolut, i-am luat toată energia mișcării. Trebuie să recunoaștem că heliul are o astfel de energie de mișcare care nu poate fi luată. Această concluzie este incompatibilă cu mecanica pe care am studiat-o până acum. Conform acestei mecanici pe care am studiat-o, mișcarea unui corp poate fi întotdeauna încetinită până la o oprire completă, luându-i toată energia cinetică; în același mod, puteți opri mișcarea moleculelor luându-le energia atunci când se ciocnesc de pereții unui vas răcit. Pentru heliu, astfel de mecanici nu sunt în mod clar potrivite.

Comportamentul „ciudat” al heliului este un indiciu al unui fapt de mare importanță. Pentru prima dată, am întâlnit imposibilitatea aplicării în lumea atomilor a legilor fundamentale ale mecanicii stabilite prin studiul direct al mișcării corpurilor vizibile - legi care păreau a fi fundamentul de nezdruncinat al fizicii.

Faptul că la zero absolut heliul „refuză” să se cristalizeze nu poate fi în niciun fel împăcat cu mecanica pe care am studiat-o până acum. Contradicția pe care am întâlnit-o pentru prima dată - nesubordonarea lumii atomilor legilor mecanicii - este doar prima verigă dintr-un lanț de contradicții și mai acute și mai drastice în fizică.

Aceste contradicții duc la necesitatea revizuirii fundamentelor mecanicii lumii atomice. Această revizuire este foarte profundă și duce la o schimbare în întreaga noastră înțelegere a naturii.

Necesitatea unei revizuiri radicale a mecanicii lumii atomice nu înseamnă că trebuie să punem capăt legilor mecanicii pe care le-am studiat. Ar fi nedrept să forțezi cititorul să studieze lucruri inutile. Vechea mecanică este complet valabilă în lumea corpurilor mari. Acest lucru este suficient pentru a trata capitolele relevante ale fizicii cu respect total. Cu toate acestea, este de asemenea important ca o serie de legi ale mecanicii „vechi” să treacă în mecanica „nouă”. Aceasta include, în special, legea conservării energiei.

Prezența energiei „inemontabile” la zero absolut nu este o proprietate specială a heliului. Se dovedește; Toate substanțele au energie „zero”.

Numai în heliu această energie este suficientă pentru a împiedica atomii să formeze o rețea cristalină obișnuită.

Să nu credeți că heliul nu poate fi în stare cristalină. Pentru a cristaliza heliul, trebuie doar să creșteți presiunea la aproximativ 25 atm. Răcirea efectuată la presiune mai mare va duce la formarea de heliu cristalin solid cu proprietăți complet normale. Heliul formează o rețea cubică centrată pe față.

În fig. Figura 4.14 prezintă diagrama de fază a heliului. Diferă puternic de diagramele tuturor celorlalte substanțe în absența unui punct triplu. Curbele de topire și fierbere nu se intersectează.

Orez. 4.14

Și această diagramă de stare unică are încă o caracteristică: există două lichide diferite de heliu. Veți afla care este diferența lor puțin mai târziu.