Beddelaadda xaaladda: qaloocyada kululaynta, cadaadiska uumiga iyo jaantusyada xaaladda

Sababta heerkulku u joogsado inta lagu jiro dhalaalidda iyo karkarka

Kululee xabbad baraf ah xawaare joogto ah oo diiwaan geli heerkulkeeda, waxaadna heli doontaa qalooca kululaynta. Heerkulku wuu kacaa, wuxuu ku joogsadaa 0 °C inta barafku dhalaalayo, mar kale ayuu kacaa, kadibna wuxuu ku joogsadaa 100 °C inta biyuhu karkarayaan. Qaybaha siman, tamartu waxay u socotaa kala-fogeynta molekiyuullada iyadoo laga horjeedo isjiidashadooda u dhexeysa molekiyuullada, ma aha inay ka dhigto kuwo ka dhaqso badan, sidaa darteed heerkulku isma beddelo ilaa beddelka xaaladdu dhammaado.

Labada nooc ee qaybaha waxay u baahan yihiin laba isleeg oo kala duwan. Hal xaalad gudaheeda, q = m × c × ΔT, halkaas oo c uu yahay kulaylka gaarka ah. Inta lagu jiro beddelka xaaladda heerkul joogto ah, q = n × ΔH, halkaas oo ΔH uu yahay enthalpy-ga molar ee dhalaalidda ama uumi-baxa. Dhalaalidda, uumi-baxa iyo sublimation-ku waa endothermic. Barafowga, uumi-ururka (condensation) iyo deposition-ku waxay sii daayaan isla qadarrada tamarta, sidaa darteed qiimayaashooda ΔH waxay leeyihiin calaamad ka soo horjeedda.

Tusaale la xaliyey: kululaynta barafka ilaa uumi

Intee le'eg kulayl ayaa 40.0 g oo baraf ah oo −15.0 °C ah u beddela uumi biyo ah oo 100.0 °C ah? Xogta: kulaylada gaarka ah ee 2.093 J/(g·°C) ee barafka iyo 4.184 J/(g·°C) ee biyaha dareeraha ah (OpenStax Shaxda 5.1); ΔHfus = 6.01 kJ/mol 0 °C iyo ΔHvap = 40.67 kJ/mol 100 °C (OpenStax qaybta 10.3). Qadarka biyuhu waa n = 40.0 g ÷ 18.015 g/mol = 2.220 mol.

Tallaabada 1, kululee barafka: 40.0 × 2.093 × 15.0 = 1256 J, ama 1.26 kJ. Tallaabada 2, dhalaali: 2.220 mol × 6.01 kJ/mol = 13.3 kJ. Tallaabada 3, kululee dareeraha 0 °C ilaa 100 °C: 40.0 × 4.184 × 100.0 = 16 736 J, ama 16.7 kJ. Tallaabada 4, karkari: 2.220 mol × 40.67 kJ/mol = 90.3 kJ. Wadarta: 1.26 + 13.3 + 16.7 + 90.3 = 122 kJ, saddex tiro oo muhiim ah.

Karkarku wuxuu qaataa qiyaastii 74 boqolkiiba wadarta, in ka badan shan jibaar kulaylka loo baahan yahay in dareeraha lagu kululeeyo 100 darajo. Isticmaal qiimaha ΔHvap ee heerkulka karkarku ka dhaco. 25 °C, ΔHvap-ka biyuhu waa 44.01 kJ/mol, isticmaalidda tiradaas halkanna waxay tallaabada 4 kor ugu qaadi lahayd qiyaastii 8 boqolkiiba.

Cadaadiska uumiga iyo isleegga Clausius–Clapeyron

Weel xidhan, dareeruhu wuu uumi-baxaa ilaa xawaaraha uumi-ururku la mid noqdo. Cadaadiska uumiga ee bartaas waa cadaadiska uumiga, wuxuuna si degdeg ah ula kacaa heerkulka. Dareeruhu wuu karkaraa marka cadaadiskiisa uumigu le'ekaado cadaadiska ka sarreeya, sidaa darteed dhibicda karkarka caadiga ahi waa heerkulka cadaadiska uumigu ku gaaro 1 atm.

Qaabka laba-barood ee isleegga Clausius–Clapeyron wuxuu laba cadaadis uumi ku xidhaa enthalpy-ga uumi-baxa: ln(P₂/P₁) = (ΔHvap/R)(1/T₁ − 1/T₂), iyadoo R = 8.314 J/(mol·K) heerkulladuna yihiin kelvin. Wuxuu u qaataa in ΔHvap uu joogto yahay xadka oo dhan, sidaa darteed wuxuu sida ugu wanaagsan ugu shaqeeyaa xadad heerkul oo dhexdhexaad ah.

Tusaale la xaliyey 1. OpenStax Shaxda 9.2 waxay cadaadiska uumiga biyaha ku bixisaa 17.5 torr 20 °C iyo 149.4 torr 60 °C. ln(149.4/17.5) = 2.144, iyo 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, ama 43.5 kJ/mol. Kani waa celcelis 20 °C ilaa 60 °C. Wuxuu u dhexeeyaa qiimayaasha 25 °C (44.01) iyo 100 °C (40.67), sidii la filayey.

Tusaale la xaliyey 2. Heerkulkee ayay biyuhu ku karkaraan marka cadaadiska hawadu yahay 0.800 atm? Ka bilow dhibicda karkarka caadiga ah, 373.15 K 1.000 atm, oo isticmaal ΔHvap = 40.67 kJ/mol. 1/T₂ = 1/373.15 − (8.314/40 670) × ln(0.800) = 2.7255 × 10⁻³ K⁻¹, sidaa darteed T₂ = 366.9 K, ama 93.8 °C. Hubin ahaan, 0.800 atm waa 608 torr, isu-dhexaynta (interpolation) u dhexeysa 90 °C iyo 95 °C ee Shaxda 9.2-na sidoo kale waxay bixisaa 93.8 °C.

Akhrinta gobollada, xariiqyada iyo barahaha jaantuska xaaladda

Jaantuska xaaladdu wuxuu sawiraa cadaadiska iyo heerkulka wuxuuna muujiyaa xaaladda deggan xaalad kasta oo shuruudo ah. Gobol kastaa waa hal xaalad. Xariiq kastaa waa koox shuruudo ah oo laba xaaladood ay ku wada jiraan isu-dheellitir: adag iyo dareere qalooca dhalaalidda, dareere iyo gaas qalooca cadaadiska uumiga, adag iyo gaas qalooca sublimation-ka.

Saddexda xariiq waxay ku kulmaan barta saddex-laabka (triple point), heerkulka iyo cadaadiska keliga ah ee adag, dareere iyo gaas ay dhammaantood ku wada jiraan. Qalooca cadaadiska uumigu wuxuu ku dhammaadaa barta critical-ka. Heerkulka critical-ka korkiisa, cadaadis kasta oo la saaro ma dareeriyo gaaska, walaxduna waxay noqotaa dareere supercritical ah oo astaamihiisu u dhexeeyaan kuwa dareeraha iyo gaaska.

Si aad u isticmaasho jaantuska, hel shuruudaha bilowga oo raac waddada mushkiladdu sharxdo. Kululaynta cadaadis joogto ah waa xariiq jiif ah oo bidix ilaa midig ah, xad kasta oo ay ka gudubtona waa beddel xaaladeed. Cadaadinta heerkul joogto ah waa xariiq taagan oo kor u socota. Xariiq jiif ah oo lagu sawiro cadaadiska barta saddex-laabka hoostiisa waxay ka gudubtaa qalooca sublimation-ka oo keliya, sidaa darteed walaxda adagi si toos ah ayay gaas ugu beddelantaa.

Xariiqda dhalaalidda ee dib-u-jeedda ee biyaha iyo barta saddex-laabka sare ee barafka qalalan

Barta saddex-laabka ee biyuhu waxay ku taal 0.01 °C iyo 0.0061 bar (NIST Chemistry WebBook), taasoo qiyaastii ah 0.0060 atm. Barta critical-ka ee biyuhu waxay ku taal 374 °C iyo 218 atm (OpenStax qaybta 10.4). Si aan caadi ahayn, xariiqda adag–dareere ee biyuhu wax yar ayay bidix u janjeertaa: kor u qaadidda cadaadiska wax yar ayay hoos u dhigtaa dhibicda dhalaalidda, sababtoo ah barafku wuu ka cufnaan yar yahay biyaha dareeraha ah, cadaadiskuna wuxuu door bidaa xaaladda ka cufan. Walxaha badankoodu waxay leeyihiin janjeer ka soo horjeeda.

Barta saddex-laabka ee kaarboon laba-ogsaydh waxay ku taal 216.58 K (−56.57 °C) iyo 5.185 bar, taasoo ah 5.12 atm (NIST Chemistry WebBook). Maadaama cadaadiskaasi ka sarreeyo 1 atm, CO₂ dareere ahi kuma jiri karo hawada furan. 1 atm, CO₂ adag (baraf qalalan) wuxuu si toos ah gaas ugu beddelmaa (sublimation) halkii uu dhalaali lahaa. Barta critical-kiisa, 31.0 °C iyo 73.8 bar, way ku hoosaysaa ilaa CO₂ supercritical ah loogu isticmaalo warshadaha mile ahaan, tusaale ahaan in caffeine-ka looga saaro miraha bunka.

Tusaale la xaliyey 3. Qiyaas heerkulka barafka qalalan uu si toos ah gaas ugu beddelmo (sublimation) 1 atm (1.01325 bar), adigoo ka bilaabaya barta saddex-laabka iyo enthalpy-ga sublimation-ka, ΔHsub = 26.1 kJ/mol (NIST WebBook, oo lagu cabbiray meel u dhow 207 K). Isleegga Clausius–Clapeyron wuxuu xariiqda adag–gaas ugu shaqeeyaa si la mid ah xariiqda dareere–gaas. ln(1.01325/5.185) = −1.633. 1/T₂ = 1/216.58 − (8.314/26 100) × (−1.633) = 5.137 × 10⁻³ K⁻¹, sidaa darteed T₂ = 194.7 K, ama −78.5 °C. Taasi waxay la mid tahay heerkulka sublimation-ka caadiga ah ee −78.5 °C ee LibreTexts soo xigatay.

Khaladaadka xisaabinta beddelka xaaladda

Khaladaadka badankoodu waxay ka yimaadaan isku qasidda labada nooc ee qaybaha qalooca kululaynta ama khaladaad cutub oo isleegga Clausius–Clapeyron ah. Sawir qalooca kululaynta oo calaamadee qayb kasta kahor intaadan waxba xisaabin.

• Ka tegidda tallaabo beddel xaaladeed, ama ku dabaqidda q = mcΔT dhul-siman (plateau) halkaas oo ΔT uu eber yahay.
• U isticmaalidda kulaylka gaarka ah ee biyaha dareeraha ah barafka ama uumiga. Xaalad kastaa waxay leedahay qiime u gaar ah.
• Isku qasidda joule iyo kilojoule marka tallaabooyinka la isku darayo. Wax walba u beddel hal cutub kahor intaadan isku darin.
• Ku dhufashada ΔH garaam halkii mool, ama c mool halkii garaam, ilaa aad si joogto ah u isticmaasho awoodaha kulaylka molarka mooyaane.
• Isticmaalidda heerkullada Celsius isleegga Clausius–Clapeyron. Kelvin oo keliya ayaa shaqeeya, sababtoo ah isleeggu wuxuu isticmaalaa 1/T.
• Isticmaalidda R = 0.08206 L·atm/(mol·K) iyadoo ΔH uu yahay joule. Marka ΔH uu yahay J/mol, R waa inuu ahaadaa 8.314 J/(mol·K).
• U akhrinta dhidibka cadaadiska ee jaantuska xaaladda mid toosan (linear) marka uu yahay logarithm, sida inta badan CO₂ uu yahay.