Mavzu: Molekulyar kinetik nazariya asoslari
Dars: Bosimga bog'liqlik to'yingan bug ' haroratdan. Qaynatish

Oldingi darslarda biz ideal gaz tushunchasini model sifatida tanishtirgan edik gaz qonunlari biz o'rganganimiz. Biroq, bu molekulyar fizika va xususan, molekulyar-kinetik nazariya faqat o'rganish bilan chegaralanadi degani emas. ideal gazlar. Haqiqiy gazlar uchun "molekulyar-kinetik nazariya asoslari" mavzusidagi hisob-kitoblarimiz o'rinli, albatta. Biroq, real gazlar parametrlari orasidagi munosabatlar ideal gazlar uchun bu munosabatdan bir oz boshqacha shaklga ega bo'lishi kutilmoqda.

To'yingan bug' kabi haqiqiy gazni ko'rib chiqing. Eslatib o'tamiz, faqat standart parom chaqiriladi gazsimon holat ma'lum bir modda (ko'pincha, ular "bug'" deganda, ular aynan suv bug'ini anglatadi). To'yingan bug' quyidagilarni anglatadi:

Ta'rif. To'yingan bug ' O'zining suyuqligi bilan dinamik muvozanatdagi bug'. Ya'ni, ma'lum vaqt ichida suyuqlikni tark etadigan suyuqlik molekulalari soni, o'rtacha, suyuqlikka qaytib keladigan bug' molekulalari soniga teng (1-rasmga qarang). Har qanday suyuqlik yuzasida doimo to'yingan bug 'hududi mavjud. Kengroq maydonni yaratish uchun bug 'molekulalarining atrof-muhitga chiqishini oldini olish kerak (idishni germetik tarzda yoping).

To'yingan bug 'va ideal gaz o'rtasidagi farqni tushunish uchun siz ikkita tajribani tasavvur qilishingiz kerak.

Birinchidan, suv bilan germetik yopiq idishni olib, uni isitishni boshlaymiz. Haroratning oshishi bilan suyuqlik molekulalari ko'payadi kinetik energiya, va molekulalarning ortib borayotgan soni suyuqlikdan qochib qutula oladi (2-rasmga qarang), shuning uchun bug 'kontsentratsiyasi va natijada uning bosimi ortadi. Shunday qilib, birinchi pozitsiya:

Guruch. 2. T 2 > T 1

Biroq, bu qoida juda kutilgan va quyidagi kabi qiziqarli emas. Agar suyuqlik qo'ysangiz to'yingan bug ' harakatlanuvchi piston ostida va bu pistonni tushirishni boshlang, keyin, shubhasiz, to'yingan bug 'kontsentratsiyasi hajmining pasayishi tufayli ortadi. Biroq, bir muncha vaqt o'tgach, bug 'suyuqlik bilan birga ortiqcha miqdordagi bug'ni kondensatsiya qilish orqali yangi dinamik muvozanatga o'tadi va bosim oxirida o'zgarmaydi. To'yingan bug' nazariyasining ikkinchi pozitsiyasi:

Endi shuni ta'kidlash kerakki, to'yingan bug 'bosimi, garchi u haroratga bog'liq bo'lsa ham, ideal gaz kabi, ammo bu bog'liqlikning tabiati biroz boshqacha. Gap shundaki, MKT ning asosiy tenglamasidan ma'lumki, gaz bosimi ham haroratga, ham gaz konsentratsiyasiga bog'liq. Va shuning uchun to'yingan bug'ning bosimi bug 'kontsentratsiyasi oshguncha, ya'ni barcha suyuqlik bug'lanib ketguncha haroratga bog'liq bo'ladi. Quyidagi grafikda (3-rasm) toʻyingan bugʻ bosimining haroratga bogʻliqligi koʻrsatilgan.

Guruch. 3

bundan tashqari, chiziqli bo'lmagan qismdan chiziqli qismga o'tish faqat butun suyuqlikning bug'lanish nuqtasini anglatadi. To'yingan gazning bosimi faqat haroratga bog'liq bo'lganligi sababli, ma'lum bir haroratda to'yingan bug 'bosimi qanday bo'lishini mutlaqo aniq aniqlash mumkin. Ushbu nisbatlar (shuningdek, to'yingan bug'ning zichligi qiymatlari) maxsus jadvalda keltirilgan.

Endi e'tiborimizni muhim narsaga qaratamiz jismoniy jarayon qaynatish kabi. Sakkizinchi sinfda qaynatish allaqachon bug'lanishdan ko'ra kuchliroq bug'lanish jarayoni sifatida aniqlangan. Endi biz bu kontseptsiyani biroz kengaytiramiz.

Ta'rif. Qaynatish- suyuqlikning butun hajmida sodir bo'ladigan bug'lanish jarayoni. Qaynatish mexanizmi qanday? Haqiqat shundaki, suvda doimo erigan havo bo'ladi va haroratning oshishi natijasida uning eruvchanligi pasayadi va mikropufakchalar paydo bo'ladi. Idishning pastki va devorlari mukammal silliq bo'lmaganligi sababli, bu pufakchalar idishning ichki qismidagi nosimmetrikliklar bilan yopishadi. Endi suv-havo bo'limi nafaqat suv yuzasida, balki suv hajmining ichida ham mavjud va suv molekulalari pufakchalarga o'ta boshlaydi. Shunday qilib, pufakchalar ichida to'yingan bug' paydo bo'ladi. Keyinchalik, bu pufakchalar suzishni boshlaydi, hajmi kattalashib, ko'proq miqdordagi suv molekulalarini o'z ichiga oladi va sirtda yorilib, atrof-muhitga to'yingan bug'ni chiqaradi (4-rasm).

Guruch. 4. Qaynatish jarayoni ()

Ushbu pufakchalarning paydo bo'lishi va ko'tarilishi sharti quyidagi tengsizlikdir: to'yingan bug 'bosimi atmosfera bosimidan katta yoki teng bo'lishi kerak.

Shunday qilib, to'yingan bug 'bosimi haroratga bog'liq bo'lgani uchun, qaynash nuqtasi bosim bilan aniqlanadi muhit: qanchalik kichik bo'lsa, suyuqlik past haroratda qaynaydi va aksincha.

Keyingi darsda biz qattiq jismlarning xususiyatlarini ko'rib chiqishni boshlaymiz.

Adabiyotlar ro'yxati

1. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z. Molekulyar fizika. Termodinamika. - M.: Bustard, 2010 yil.
2. Gendenshteyn L.E., Dik Yu.I. Fizika 10-sinf. - M.: Ileksa, 2005 yil.
3. Kasyanov V.A. Fizika 10-sinf. - M.: Bustard, 2010 yil.

1. Physics.ru ().
2. Chemport.ru ().
3. Narod.ru ().

Uy vazifasi

1. Sahifa 74: 546-550-son. Fizika. Vazifa kitobi. 10-11 sinflar. Rymkevich A.P. - M.: Bustard, 2013. ()
2. Nega alpinistlar balandlikda tuxum qaynata olmaydi?
3. Issiq choyni qanday sovutish mumkin? Ularni fizika nuqtai nazaridan asoslab bering.
4. Nima uchun qaynatilgan suvdan keyin burnerdagi gaz bosimini kamaytirish kerak?
5. * Qanday qilib suvni Tselsiy bo'yicha yuz darajadan yuqori qizdirish mumkin?

Haqiqiy gazning turli haroratdagi izotermalari bilan tanishish (6.4-rasmga qarang) shunday xulosaga kelishga imkon beradi: to'yingan bug' bosimi harorat oshishi bilan ortadi. To'yingan bug 'bosimi hajmga bog'liq emasligi sababli, u faqat haroratga bog'liq. Biroq, qaramlik p(T), eksperimental ravishda topilgan, ideal gazdagi kabi proportsional emas doimiy hajm(Charlz qonuni). Haroratning oshishi bilan to'yingan bug 'bosimi ideal gaz bosimidan tezroq ortadi (6.5-rasm, egri chiziq kesimi). AB). Agar nuqta orqali izoxora chizilgan bo'lsa, bu ayniqsa aniq bo'ladi LEKIN(kesikli chiziq). Nima uchun bu sodir bo'lmoqda?

Suyuqlik yopiq idishda bug 'bilan qizdirilganda suyuqlikning bir qismi bug'ga aylanadi. Harorat ko'tarilgach, bug'lanish tezligi oshadi va suyuqlik va bug' o'rtasidagi muvozanat buziladi. Molekulalarning kontsentratsiyasi va natijada bug 'zichligi ortadi. Bu bug 'zichligi shunchalik ko'payguncha davom etadiki, kondensatsiya jarayoni bug'lanish jarayonini muvozanatlashtiradi. Natijada, formula bo'yicha p =nkT to'yingan bug'ning bosimi nafaqat haroratning oshishi, balki bug'ning molekulalari (zichligi) kontsentratsiyasining oshishi tufayli ham ortadi. Bunday holda, to'yingan bug 'bosimini oshirishda asosiy rol bug' molekulalarining kontsentratsiyasining oshishi bilan o'ynaydi, lekin uning haroratining oshishi emas.

Ideal gaz va to'yingan bug'ning xatti-harakatlaridagi asosiy farq shundaki, yopiq idishdagi bug'ning harorati o'zgarganda (yoki doimiy haroratda bug'ning hajmi o'zgarganda) bug'ning massasi o'zgaradi. Suyuqlik qisman bug'ga aylanadi yoki aksincha, bug' qisman kondensatsiyalanadi. FROM ideal gaz shunga o'xshash hech narsa bo'lmaydi.

Barcha suyuqlik bug'langanda, bug ', keyingi qizdirilganda, to'yingan bo'lishni to'xtatadi va uning doimiy hajmdagi bosimi Charlz qonuniga muvofiq mutlaq haroratga to'g'ridan-to'g'ri mutanosib ravishda ortadi (qarang. 6.5-rasm, miloddan avvalgi bo'lim).

Haqiqiy gazning eksperimental yo‘l bilan olingan izotermalari gazning holatini, gaz va suyuqlik o‘rtasidagi muvozanatni va suyuqlik holatini tavsiflaydi. Ular to'yingan bug' bosimining haroratga bog'liqligini kuzatish uchun ishlatilishi mumkin.

§ 6.4. kritik harorat. Kritik vaziyat

Moddaning ichida bo'lishi mumkin suyuqlik holati har qanday haroratda emas. Cheklov bor.

Kritik harorat

Etarli darajada yuqori haroratlarda haqiqiy gaz izotermasi gorizontal kesimi (6.4-rasmga qarang) juda qisqa bo'ladi va ma'lum bir haroratda nuqtaga aylanadi (6.4-rasmda - nuqta). TO). Bu harorat kritik deb ataladi. Kritik harorat - bu farqlar bo'lgan harorat jismoniy xususiyatlar u bilan dinamik muvozanatda bo'lgan suyuqlik va bug' o'rtasida. Har bir moddaning o'ziga xos kritik harorati mavjud. Masalan, karbonat angidrid CO 2 uchun kritik harorat t uchun = 31 °S va suv uchun - t uchun = 374 ° S.

Kritik vaziyat

Nuqtaga mos keladigan holat TO, haroratda izotermaning gorizontal qismi aylanadi T = T uchun , kritik holat (kritik nuqta) deb ataladi. Bu holatdagi bosim va hajm kritik deb ataladi. Karbonat angidrid uchun kritik bosim 7,4 10 6 Pa (73 atm), suv uchun esa 2,2 10 7 Pa (218 atm) ni tashkil qiladi. Kritik holatda suyuqlik maksimal hajmga va to'yingan bug'ga ega- maksimal bosim.

To'yingan bug' bosimining haroratga bog'liqligi. To'yingan bug'ning holati taxminan ideal gazning holat tenglamasi (3.4) bilan tavsiflanadi va uning bosimi taxminan formula bilan aniqlanadi.

Harorat ko'tarilgach, bosim ko'tariladi. To'yingan bug 'bosimi hajmga bog'liq emasligi sababli, u faqat haroratga bog'liq.

Biroq, tajribada topilgan bu bog'liqlik doimiy hajmdagi ideal gazdagi kabi to'g'ridan-to'g'ri proportsional emas. Haroratning oshishi bilan to'yingan bug'ning bosimi ideal gaz bosimidan tezroq oshadi (52-rasm, AB egri chizig'i kesimi).

Bu quyidagi sababga ko'ra sodir bo'ladi. Suyuqlik yopiq idishda bug 'bilan qizdirilganda suyuqlikning bir qismi bug'ga aylanadi. Natijada, (5.1) formulaga muvofiq, bug 'bosimi nafaqat haroratning oshishi, balki bug'ning molekulalari (zichligi) kontsentratsiyasining oshishi tufayli ham ortadi. Ideal gaz va to'yingan bug'ning xatti-harakatlaridagi asosiy farq shundaki, yopiq idishdagi bug'ning harorati o'zgarganda (yoki hajm o'zgarganda). doimiy harorat) bug'ning massasi o'zgaradi. Suyuqlik qisman bug'ga aylanadi yoki aksincha, bug' qisman kondensatsiyalanadi. Ideal gaz bilan bunday narsa sodir bo'lmaydi.

Barcha suyuqlik bug'langanda, bug' keyingi qizdirilganda to'yingan bo'lishni to'xtatadi va uning doimiy hajmdagi bosimi to'g'ridan-to'g'ri proportsional ravishda ortadi. mutlaq harorat(52-rasmdagi miloddan avvalgi bo'lim).

Qaynatish. To'yingan bug' bosimining haroratga bog'liqligi suyuqlikning qaynash nuqtasi nima uchun bosimga bog'liqligini tushuntiradi. Qaynatganda suyuqlikning butun hajmi bo'ylab tez o'sib borayotgan bug 'pufakchalari hosil bo'lib, ular sirtga suzadi. Shubhasiz, bug 'pufakchasi uning ichidagi to'yingan bug'ning bosimi suyuqlikdagi bosimdan biroz oshib ketganda o'sishi mumkin, bu suyuqlik yuzasidagi havo bosimi (tashqi bosim) va suyuqlik ustunining gidrostatik bosimi yig'indisi.

Qaynatish pufakchalardagi to'yingan bug' bosimi suyuqlikdagi bosimga teng bo'lgan haroratda boshlanadi.

Tashqi bosim qanchalik katta bo'lsa, qaynash nuqtasi shunchalik yuqori bo'ladi. Shunday qilib, Pa ga yetgan bug 'qozonidagi bosimda suv 200 ° S haroratda ham qaynamaydi. Tibbiyot muassasalarida germetik yopilgan idishlarda - avtoklavlarda (53-rasm) qaynoq suv ham yuqori bosimda sodir bo'ladi. Shuning uchun qaynash nuqtasi 100 ° C dan ancha yuqori. Avtoklavlar jarrohlik asboblarini, bog'lamlarni va boshqalarni sterilizatsiya qilish uchun ishlatiladi.

Aksincha, bosimni kamaytirish orqali biz qaynash nuqtasini pasaytiramiz. Kolbadan havo va suv bug'ini chiqarib, siz suvni xona haroratida qaynatishga majbur qilishingiz mumkin (54-rasm). Tog'larga chiqishda Atmosfera bosimi kamayadi. Shuning uchun qaynash nuqtasi pasayadi. Yuqorida

7134 m (Pomirdagi Lenin cho'qqisi) bosim taxminan Pa (300 mm Hg) ga teng. U erda suvning qaynash nuqtasi taxminan 70 ° C ni tashkil qiladi. Bunday sharoitda, masalan, go'shtni pishirish mumkin emas.

Suyuqliklarning qaynash nuqtalaridagi farq ularning bosimidagi farq bilan aniqlanadi to'yingan bug'lar. To'yingan bug 'bosimi qanchalik baland bo'lsa, mos keladigan suyuqlikning qaynash nuqtasi shunchalik past bo'ladi, chunki past haroratlarda to'yingan bug' bosimi atmosfera bosimiga teng bo'ladi. Masalan, 100 ° C da to'yingan suv bug'ining bosimi (760 mm Hg), simob bug'i esa atigi 117 Pa (0,88 mm Hg) ni tashkil qiladi. Simob normal bosimda 357°C da qaynaydi.

kritik harorat. Haroratning oshishi bilan to'yingan bug 'bosimi oshishi bilan bir vaqtda uning zichligi ham ortadi. Bug'i bilan muvozanatda bo'lgan suyuqlikning zichligi, aksincha, qizdirilganda suyuqlikning kengayishi tufayli kamayadi. Agar bitta rasmda suyuqlik va uning bug'ining haroratga bog'liqligi uchun egri chiziqlar chizilgan bo'lsa, u holda suyuqlik uchun egri chiziq pastga, bug' uchun esa yuqoriga ko'tariladi (55-rasm).

Kritik harorat deb ataladigan ma'lum bir haroratda ikkala egri chiziq birlashadi, ya'ni suyuqlikning zichligi bug'ning zichligiga teng bo'ladi.

Kritik harorat - bu suyuqlik va uning to'yingan bug'lari o'rtasidagi fizik xususiyatlardagi farqlar yo'qolgan harorat.

Kritik haroratda to'yingan bug'ning zichligi (va bosimi) maksimal bo'ladi va bug' bilan muvozanatdagi suyuqlikning zichligi minimal bo'ladi. Maxsus issiqlik bug'lanish harorat oshishi bilan kamayadi va kritik haroratda nolga aylanadi.

Har bir moddaning o'ziga xos kritik harorati mavjud. Masalan, suvning kritik harorati, suyuq uglerod oksidi (IV)