Athruithe Céime: Cuair Théimh, Brú Gaile agus Léaráidí Céime

Cén fáth a stopann an teocht le linn leá agus fiuchta

Téigh bloc oighir ag ráta seasta agus taifead a theocht, agus faigheann tú cuar téimh. Ardaíonn an teocht, stopann sí ag 0 °C fad a leánn an t-oighear, ardaíonn sí arís, ansin stopann sí ag 100 °C fad a fhiuchann an t-uisce. Ar na codanna cothroma, téann an fuinneamh i scaradh móilíní in aghaidh a dtarraingtí idirmhóilíneacha, ní ina ngluaiseacht níos tapúla, mar sin ní athraíonn an teocht go dtí go mbíonn an t-athrú céime críochnaithe.

Teastaíonn dhá chothromóid dhifriúla ón dá chineál deighleoige. Laistigh de chéim amháin, q = m × c × ΔT, áit arb é c an teas sonrach. Le linn athrú céime ag teocht tairiseach, q = n × ΔH, áit arb é ΔH eantalpacht mhólach an chomhleá nó an ghalaithe. Is próisis inteirmeacha iad leá, galú agus sublimiú. Scaoileann reo, comhdhlúthú agus taisceadh na méideanna céanna fuinnimh, mar sin tá an comhartha contrártha ag a luachanna ΔH.

Sampla oibrithe: oighear a théamh an bealach ar fad go gal

Cé mhéad teasa a iompaíonn 40.0 g d'oighear ag −15.0 °C ina ghal uisce ag 100.0 °C? Sonraí: teasanna sonracha 2.093 J/(g·°C) don oighear agus 4.184 J/(g·°C) don uisce leachtach (Tábla 5.1 OpenStax); ΔHfus = 6.01 kJ/mol ag 0 °C agus ΔHvap = 40.67 kJ/mol ag 100 °C (roinn 10.3 OpenStax). Is é méid an uisce n = 40.0 g ÷ 18.015 g/mol = 2.220 mol.

Céim 1, téigh an t-oighear: 40.0 × 2.093 × 15.0 = 1256 J, nó 1.26 kJ. Céim 2, leáigh é: 2.220 mol × 6.01 kJ/mol = 13.3 kJ. Céim 3, téigh an leacht ó 0 °C go 100 °C: 40.0 × 4.184 × 100.0 = 16 736 J, nó 16.7 kJ. Céim 4, fiuch é: 2.220 mol × 40.67 kJ/mol = 90.3 kJ. Iomlán: 1.26 + 13.3 + 16.7 + 90.3 = 122 kJ, go trí fhigiúr shuntasacha.

Is ionann an fiuchadh agus thart ar 74 faoin gcéad den iomlán, níos mó ná cúig huaire an teas a theastaíonn chun an leacht a théamh trí 100 céim. Úsáid luach ΔHvap ag an teocht ag a dtarlaíonn an fiuchadh. Ag 25 °C, is é 44.01 kJ/mol ΔHvap an uisce, agus dá n-úsáidfí an uimhir sin anseo, d'áibhéileofaí céim 4 faoi thart ar 8 faoin gcéad.

Brú gaile agus cothromóid Clausius–Clapeyron

I gcoimeádán dúnta, galaíonn leacht go dtí go meaitseálann ráta an chomhdhlúthaithe é. Is é brú na gaile ag an bpointe sin an brú gaile, agus ardaíonn sé go géar le teocht. Fiuchann leacht nuair a bhíonn a bhrú gaile cothrom leis an mbrú os a chionn, mar sin is é an gnáthphointe fiuchta an teocht ag a sroicheann an brú gaile 1 atm.

Nascann foirm dhá phointe chothromóid Clausius–Clapeyron dhá bhrú gaile le heantalpacht an ghalaithe: ln(P₂/P₁) = (ΔHvap/R)(1/T₁ − 1/T₂), le R = 8.314 J/(mol·K) agus teochtaí i gceilviní. Glacann sí leis go bhfuil ΔHvap tairiseach thar an raon, mar sin oibríonn sí is fearr thar réimsí teochta measartha.

Sampla oibrithe 1. Tugann Tábla 9.2 OpenStax brú gaile an uisce mar 17.5 torr ag 20 °C agus 149.4 torr ag 60 °C. ln(149.4/17.5) = 2.144, agus 1/293.15 K − 1/333.15 K = 4.096 × 10⁻⁴ K⁻¹. ΔHvap = (8.314 × 2.144) ÷ 4.096 × 10⁻⁴ = 4.35 × 10⁴ J/mol, nó 43.5 kJ/mol. Is meán é seo thar 20 °C go 60 °C. Luíonn sé idir na luachanna ag 25 °C (44.01) agus ag 100 °C (40.67), mar ba cheart.

Sampla oibrithe 2. Cén teocht ag a bhfiuchann uisce nuair atá brú an aeir 0.800 atm? Tosaigh ón ngnáthphointe fiuchta, 373.15 K ag 1.000 atm, agus úsáid ΔHvap = 40.67 kJ/mol. 1/T₂ = 1/373.15 − (8.314/40 670) × ln(0.800) = 2.7255 × 10⁻³ K⁻¹, mar sin T₂ = 366.9 K, nó 93.8 °C. Mar sheiceáil, is ionann 0.800 atm agus 608 torr, agus tugann idirshuíomh idir 90 °C agus 95 °C i dTábla 9.2 93.8 °C freisin.

Réigiúin, línte agus pointí léaráide céime a léamh

Breacann léaráid chéime brú in aghaidh teochta agus léiríonn sí cén chéim atá cobhsaí faoi gach tacar coinníollacha. Is céim amháin gach réigiún. Is tacar coinníollacha gach líne ina gcómhaireann dhá chéim i gcothromaíocht: solad agus leacht feadh an chuair leá, leacht agus gás feadh chuar an bhrú gaile, agus solad agus gás feadh chuar an sublimithe.

Buaileann an trí líne le chéile ag an bpointe triarach, an t-aon teocht agus brú amháin ina gcómhaireann solad, leacht agus gás ar fad. Críochnaíonn cuar an bhrú gaile ag an bpointe criticiúil. Os cionn na teochta criticiúla, ní leachtaíonn aon mhéid brú an gás, agus éiríonn an tsubstaint ina sreabhán forchriticiúil a bhfuil airíonna aige idir airíonna leachta agus gáis.

Chun an léaráid a úsáid, aimsigh na coinníollacha tosaigh agus bog feadh an chosáin a ndéanann an fhadhb cur síos air. Is líne chothrománach ó chlé go deas é téamh ag brú tairiseach, agus is athrú céime gach teorainn a thrasnaíonn sí. Is líne ingearach ag bogadh aníos é comhbhrú ag teocht tairiseach. Ní thrasnaíonn líne chothrománach a tharraingítear faoi bhun bhrú an phointe thriaraigh ach cuar an sublimithe, mar sin iompaíonn an solad go díreach ina ghás.

Líne leá chúlaithe an uisce agus pointe triarach ard an oighir thirim

Tá pointe triarach an uisce ag 0.01 °C agus 0.0061 bar (NIST Chemistry WebBook), arb ionann é agus thart ar 0.0060 atm. Tá a phointe criticiúil ag 374 °C agus 218 atm (roinn 10.4 OpenStax). Go hiondúil, claonann a líne sholad–leachta beagán ar chlé: íslíonn ardú brú an pointe leá beagán, toisc go bhfuil oighear níos lú dlúis ná uisce leachtach agus go dtugann brú tosaíocht don chéim is dlúithe. Tá an claonadh contrártha ag formhór na substaintí.

Tá pointe triarach na dé-ocsaíde carbóin ag 216.58 K (−56.57 °C) agus 5.185 bar, arb ionann é agus 5.12 atm (NIST Chemistry WebBook). Ós rud é go bhfuil an brú sin os cionn 1 atm, ní féidir le CO₂ leachtach a bheith ann san aer oscailte. Ag 1 atm, sublimíonn CO₂ soladach (oighear tirim) in ionad leá. Tá a phointe criticiúil, 31.0 °C agus 73.8 bar, íseal go leor go n-úsáidtear CO₂ forchriticiúil sa tionscal mar thuaslagóir, mar shampla chun caiféin a bhaint as pónairí caife.

Sampla oibrithe 3. Meas an teocht ag a sublimíonn oighear tirim ag 1 atm (1.01325 bar), ag tosú ón bpointe triarach agus ó eantalpacht an sublimithe, ΔHsub = 26.1 kJ/mol (NIST WebBook, arna thomhas gar do 207 K). Oibríonn cothromóid Clausius–Clapeyron don líne sholad–gáis ar an mbealach céanna is a oibríonn sí don líne leachta–gáis. ln(1.01325/5.185) = −1.633. 1/T₂ = 1/216.58 − (8.314/26 100) × (−1.633) = 5.137 × 10⁻³ K⁻¹, mar sin T₂ = 194.7 K, nó −78.5 °C. Meaitseálann sé sin an gnáth-theocht sublimithe −78.5 °C a luaitear in LibreTexts.

Botúin i ríomhanna athraithe céime

Eascraíonn formhór na n-earráidí as an dá chineál deighleoige de chuar téimh a mheascadh nó as sleamhnuithe aonad i gcothromóid Clausius–Clapeyron. Sceitseáil an cuar téimh agus lipéadaigh gach deighleog sula ríomhann tú rud ar bith.

• Céim athraithe céime a fhágáil ar lár, nó q = mcΔT a chur i bhfeidhm thar ardchlár ina bhfuil ΔT nialasach.
• Teas sonrach uisce leachtaigh a úsáid d'oighear nó do ghal. Tá a luach féin ag gach céim.
• Giúil agus cileagiúil a mheascadh agus na céimeanna á suimiú. Tiontaigh gach rud go haonad amháin sula suimíonn tú.
• ΔH a iolrú faoi ghraim in ionad mól, nó c a iolrú faoi mhóil in ionad gram, mura n-úsáideann tú toilleadh teasa mólach go comhsheasmhach.
• Teochtaí Celsius a úsáid i gcothromóid Clausius–Clapeyron. Ní oibríonn ach ceilviní, mar go n-úsáideann an chothromóid 1/T.
• R = 0.08206 L·atm/(mol·K) a úsáid le ΔH i ngiúil. Má tá ΔH in J/mol, caithfidh R a bheith cothrom le 8.314 J/(mol·K).
• Ais bhrú léaráide céime a léamh mar ais líneach nuair is ais logartamach í, mar is minic a bhíonn do CO₂.