Faza o'tishlari: qizdirish egri chiziqlari, bug' bosimi va faza diagrammalari

Nima uchun suyuqlanish va qaynash vaqtida harorat to'xtab qoladi

Muz bo'lagini bir maromda qizdirib, uning haroratini qayd etsangiz, qizdirish egri chizig'ini olasiz. Harorat ko'tariladi, muz eriyotganda 0 °C da to'xtaydi, yana ko'tariladi, so'ng suv qaynayotganda 100 °C da to'xtaydi. Tekis qismlarda energiya molekulalarni tezroq harakatlantirishga emas, ularni molekulalararo tortilishlarga qarshi ajratishga sarflanadi, shuning uchun faza o'tishi tugamaguncha harorat o'zgarmaydi.

Ikki xil qism ikki xil tenglamani talab qiladi. Bitta faza ichida q = m × c × ΔT, bunda c — solishtirma issiqlik sig'imi. O'zgarmas haroratdagi faza o'tishi davomida q = n × ΔH, bunda ΔH — molyar suyuqlanish yoki bug'lanish entalpiyasi. Suyuqlanish, bug'lanish va sublimatsiya endotermik. Muzlash, kondensatsiya va desublimatsiya xuddi shuncha energiya ajratadi, shuning uchun ularning ΔH qiymatlari qarama-qarshi ishoraga ega.

Yechilgan misol: muzni bug'ga aylanguncha isitish

−15.0 °C dagi 40.0 g muzni 100.0 °C dagi suv bug'iga aylantirish uchun qancha issiqlik kerak? Ma'lumotlar: solishtirma issiqlik sig'imlari muz uchun 2.093 J/(g·°C) va suyuq suv uchun 4.184 J/(g·°C) (OpenStax 5.1-jadval); 0 °C da ΔHfus = 6.01 kJ/mol va 100 °C da ΔHvap = 40.67 kJ/mol (OpenStax 10.3 bo'lim). Suv miqdori n = 40.0 g ÷ 18.015 g/mol = 2.220 mol.

1-bosqich, muzni isitish: 40.0 × 2.093 × 15.0 = 1256 J yoki 1.26 kJ. 2-bosqich, uni eritish: 2.220 mol × 6.01 kJ/mol = 13.3 kJ. 3-bosqich, suyuqlikni 0 °C dan 100 °C gacha isitish: 40.0 × 4.184 × 100.0 = 16 736 J yoki 16.7 kJ. 4-bosqich, uni qaynatish: 2.220 mol × 40.67 kJ/mol = 90.3 kJ. Jami: 1.26 + 13.3 + 16.7 + 90.3 = 122 kJ, uchta muhim raqamgacha.

Qaynash umumiy miqdorning taxminan 74 foizini tashkil etadi, bu suyuqlikni 100 gradusga isitish uchun kerakli issiqlikdan besh baravardan ko'proq. Qaynash sodir bo'ladigan haroratdagi ΔHvap qiymatidan foydalaning. 25 °C da suvning ΔHvap i 44.01 kJ/mol va bu yerda o'sha sondan foydalanish 4-bosqichni taxminan 8 foizga oshirib ko'rsatardi.

Bug' bosimi va Klauzius–Klapeyron tenglamasi

Yopiq idishda suyuqlik kondensatsiya tezligi bug'lanish tezligiga tenglashguncha bug'lanadi. Shu paytdagi bug' bosimi to'yingan bug' bosimi deyiladi va u harorat bilan keskin ortadi. Suyuqlik bug' bosimi ustidagi bosimga tenglashganda qaynaydi, shuning uchun normal qaynash harorati — bug' bosimi 1 atm ga yetadigan harorat.

Klauzius–Klapeyron tenglamasining ikki nuqtali shakli ikki bug' bosimini bug'lanish entalpiyasi bilan bog'laydi: ln(P₂/P₁) = (ΔHvap/R)(1/T₁ − 1/T₂), bunda R = 8.314 J/(mol·K) va haroratlar kelvinlarda. U ΔHvap ni oraliq bo'ylab o'zgarmas deb faraz qiladi, shuning uchun mo'tadil harorat oraliqlarida eng yaxshi ishlaydi.

1-yechilgan misol. OpenStax ning 9.2-jadvali suvning bug' bosimini 20 °C da 17.5 torr va 60 °C da 149.4 torr deb beradi. ln(149.4/17.5) = 2.144 va 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 yoki 43.5 kJ/mol. Bu 20 °C dan 60 °C gacha bo'lgan oraliq bo'yicha o'rtacha qiymat. U kutilganidek 25 °C (44.01) va 100 °C (40.67) dagi qiymatlar orasida yotadi.

2-yechilgan misol. Havo bosimi 0.800 atm bo'lganda suv qanday haroratda qaynaydi? 1.000 atm dagi normal qaynash harorati 373.15 K dan boshlang va ΔHvap = 40.67 kJ/mol dan foydalaning. 1/T₂ = 1/373.15 − (8.314/40 670) × ln(0.800) = 2.7255 × 10⁻³ K⁻¹, shuning uchun T₂ = 366.9 K yoki 93.8 °C. Tekshiruv sifatida, 0.800 atm bu 608 torr va 9.2-jadvaldagi 90 °C va 95 °C orasida interpolyatsiya qilish ham 93.8 °C ni beradi.

Faza diagrammasining sohalari, chiziqlari va nuqtalarini o'qish

Faza diagrammasi bosimni haroratga qarshi tasvirlaydi va har bir sharoitlar to'plamida qaysi faza barqaror ekanini ko'rsatadi. Har bir soha bitta faza. Har bir chiziq ikki faza muvozanatda birga mavjud bo'ladigan sharoitlar to'plami: suyuqlanish egri chizig'i bo'ylab qattiq jism va suyuqlik, bug' bosimi egri chizig'i bo'ylab suyuqlik va gaz, sublimatsiya egri chizig'i bo'ylab qattiq jism va gaz.

Uchta chiziq uchlanma nuqtada, ya'ni qattiq jism, suyuqlik va gaz birga mavjud bo'ladigan yagona harorat va bosimda kesishadi. Bug' bosimi egri chizig'i kritik nuqtada tugaydi. Kritik haroratdan yuqorida hech qanday bosim gazni suyuqlantira olmaydi va modda xossalari suyuqlik va gaz xossalari orasida bo'lgan o'ta kritik flyuidga aylanadi.

Diagrammadan foydalanish uchun boshlang'ich sharoitlarni toping va masala tasvirlagan yo'l bo'ylab harakatlaning. O'zgarmas bosimda qizdirish chapdan o'ngga gorizontal chiziq bo'lib, u kesib o'tgan har bir chegara faza o'tishidir. O'zgarmas haroratda siqish yuqoriga harakatlanuvchi vertikal chiziq. Uchlanma nuqta bosimidan pastda chizilgan gorizontal chiziq faqat sublimatsiya egri chizig'ini kesib o'tadi, shuning uchun qattiq jism to'g'ridan-to'g'ri gazga aylanadi.

Suvning teskari qiyalikdagi suyuqlanish chizig'i va quruq muzning yuqori uchlanma nuqtasi

Suvning uchlanma nuqtasi 0.01 °C va 0.0061 bar da (NIST Chemistry WebBook), bu taxminan 0.0060 atm. Uning kritik nuqtasi 374 °C va 218 atm da (OpenStax 10.4 bo'lim). G'ayrioddiy tomoni shundaki, uning qattiq jism–suyuqlik chizig'i biroz chapga qiya: bosimni oshirish suyuqlanish haroratini sal pasaytiradi, chunki muz suyuq suvdan kamroq zich va bosim zichroq fazaga qulaylik yaratadi. Ko'pchilik moddalarda qiyalik teskari.

Karbonat angidridning uchlanma nuqtasi 216.58 K (−56.57 °C) va 5.185 bar da, bu 5.12 atm (NIST Chemistry WebBook). Bu bosim 1 atm dan yuqori bo'lgani uchun suyuq CO₂ ochiq havoda mavjud bo'la olmaydi. 1 atm da qattiq CO₂ (quruq muz) suyuqlanmasdan sublimatsiyalanadi. Uning kritik nuqtasi, 31.0 °C va 73.8 bar, yetarlicha past bo'lgani uchun o'ta kritik CO₂ sanoatda erituvchi sifatida, masalan qahva donlaridan kofeinni chiqarish uchun ishlatiladi.

3-yechilgan misol. Uchlanma nuqta va sublimatsiya entalpiyasi ΔHsub = 26.1 kJ/mol (NIST WebBook, 207 K atrofida o'lchangan) dan boshlab, quruq muz 1 atm (1.01325 bar) da qanday haroratda sublimatsiyalanishini baholang. Klauzius–Klapeyron tenglamasi qattiq jism–gaz chizig'i uchun ham suyuqlik–gaz chizig'i uchun qanday ishlasa, shunday ishlaydi. ln(1.01325/5.185) = −1.633. 1/T₂ = 1/216.58 − (8.314/26 100) × (−1.633) = 5.137 × 10⁻³ K⁻¹, shuning uchun T₂ = 194.7 K yoki −78.5 °C. Bu LibreTexts keltirgan −78.5 °C normal sublimatsiya haroratiga mos keladi.

Faza o'tishi hisoblaridagi xatolar

Ko'pchilik xatolar qizdirish egri chizig'ining ikki xil qismini aralashtirishdan yoki Klauzius–Klapeyron tenglamasidagi birlik xatolaridan kelib chiqadi. Biror narsani hisoblashdan oldin qizdirish egri chizig'ini chizing va har bir qismni belgilang.

• Faza o'tishi bosqichini tushirib qoldirish yoki ΔT nolga teng bo'lgan tekis qismda q = mcΔT ni qo'llash.
• Muz yoki bug' uchun suyuq suvning solishtirma issiqlik sig'imidan foydalanish. Har bir fazaning o'z qiymati bor.
• Bosqichlarni qo'shishda joul va kilojoullarni aralashtirish. Qo'shishdan oldin hammasini bitta birlikka o'tkazing.
• Agar molyar issiqlik sig'imlaridan izchil foydalanmasangiz, ΔH ni mollar o'rniga grammlarga yoki c ni grammlar o'rniga mollarga ko'paytirish.
• Klauzius–Klapeyron tenglamasida Selsiy haroratlaridan foydalanish. Faqat kelvinlar ishlaydi, chunki tenglama 1/T dan foydalanadi.
• ΔH joullarda bo'lganda R = 0.08206 L·atm/(mol·K) dan foydalanish. ΔH J/mol da bo'lsa, R 8.314 J/(mol·K) bo'lishi kerak.
• Faza diagrammasining bosim o'qi logarifmik bo'lganda uni chiziqli deb o'qish, CO₂ uchun ko'pincha shunday bo'ladi.