A dependência do ponto de ebulição em fatores externos. Física molecular. Líquido fervente. Como crescer um cristal

Por que uma pessoa começou a ferver a água antes de seu uso direto? Corretamente, para se proteger de muitas bactérias e vírus patogênicos. Essa tradição chegou ao território da Rússia medieval antes mesmo de Pedro, o Grande, embora se acredite que foi ele quem trouxe o primeiro samovar para o país e introduziu o rito de beber chá à noite sem pressa. Na verdade, nosso povo usava algum tipo de samovar lá atrás Rússia antiga para fazer bebidas a partir de ervas, bagas e raízes. A fervura era necessária aqui principalmente para a extração de extratos vegetais úteis, e não para desinfecção. De fato, naquela época nem se sabia sobre o microcosmo onde essas bactérias e vírus vivem. No entanto, graças à fervura, nosso país foi contornado por pandemias globais de doenças terríveis, como cólera ou difteria.

Celsius

O grande meteorologista, geólogo e astrônomo da Suécia originalmente usou 100 graus para indicar o ponto de congelamento da água em condições normais, e o ponto de ebulição da água foi tomado como zero graus. E depois de sua morte em 1744, não menos pessoa famosa, o botânico Carl Linnaeus e o receptor Celsius Morten Strömer, inverteram essa escala para facilitar o uso. No entanto, de acordo com outras fontes, o próprio Celsius fez isso pouco antes de sua morte. Mas, em qualquer caso, a estabilidade das leituras e a graduação compreensível influenciaram o uso generalizado dele entre as profissões científicas mais prestigiadas da época - os químicos. E, apesar de, de forma invertida, a marca de escala de 100 graus definir o ponto de ebulição estável da água, e não o início de seu congelamento, a escala passou a levar o nome de seu principal criador, Celsius.

Abaixo da atmosfera

No entanto, nem tudo é tão simples quanto parece à primeira vista. Observando qualquer diagrama de estado em coordenadas P-T ou P-S (a entropia S é uma função direta da temperatura), vemos como a temperatura e a pressão estão intimamente relacionadas. Da mesma forma, a água, dependendo da pressão, muda seus valores. E qualquer alpinista conhece bem essa propriedade. Todo mundo que pelo menos uma vez na vida compreendeu alturas acima de 2.000-3.000 metros acima do nível do mar sabe como é difícil respirar em altitude. Isso ocorre porque quanto mais alto subimos, mais rarefeito o ar se torna. A pressão atmosférica cai abaixo de uma atmosfera (abaixo de n.a., ou seja, abaixo de " condições normais"). O ponto de ebulição da água também cai. Dependendo da pressão em cada uma das alturas, pode ferver tanto a oitenta como a sessenta

panelas de pressão

No entanto, deve-se lembrar que, embora os principais micróbios morram a temperaturas acima de sessenta graus Celsius, muitos podem sobreviver a oitenta graus ou mais. É por isso que conseguimos água fervente, ou seja, levamos sua temperatura a 100 ° C. No entanto, existem utensílios de cozinha interessantes que permitem reduzir o tempo e aquecer o líquido a altas temperaturas, sem fervê-lo e sem perder massa por evaporação. Percebendo que o ponto de ebulição da água pode mudar dependendo da pressão, engenheiros dos Estados Unidos, baseados em um protótipo francês, apresentaram ao mundo uma panela de pressão na década de 1920. O princípio de seu funcionamento baseia-se no fato de que a tampa é pressionada firmemente contra as paredes, sem a possibilidade de remoção de vapor. O aumento da pressão é criado no interior e a água ferve a temperaturas mais altas. No entanto, esses dispositivos são bastante perigosos e muitas vezes levam a uma explosão e queimaduras graves aos usuários.

Idealmente

Vejamos como o processo vem e vai. Imagine uma superfície de aquecimento idealmente lisa e infinitamente grande, onde a distribuição de calor é uniforme (a mesma quantidade de energia térmica é fornecida a cada milímetro quadrado da superfície) e o coeficiente de rugosidade da superfície tende a zero. Neste caso, no n. sim A ebulição em uma camada limite laminar começará simultaneamente em toda a área de superfície e ocorrerá instantaneamente, evaporando imediatamente toda a unidade de volume de líquido localizada em sua superfície. Estas são as condições ideais para Vida real isso não acontece.

Na real

Vamos descobrir qual é o ponto de ebulição inicial da água. Dependendo da pressão, também muda seus valores, mas o ponto principal aqui está nisso. Mesmo se pegarmos o mais suave, em nossa opinião, pan e colocá-lo sob um microscópio, então em sua ocular veremos bordas irregulares e picos pontiagudos e frequentes que se projetam acima da superfície principal. O calor para a superfície da panela, vamos supor, é fornecido uniformemente, embora na realidade isso também não seja uma afirmação completamente verdadeira. Mesmo quando a panela está no queimador maior, o gradiente de temperatura é distribuído de forma desigual no fogão, e sempre há zonas de superaquecimento locais responsáveis ​​​​pela fervura precoce da água. Quantos graus existem ao mesmo tempo nos picos da superfície e nas suas planícies? Os picos da superfície com fornecimento ininterrupto de calor aquecem mais rápido que as planícies e as chamadas depressões. Além disso, cercados por todos os lados por água com baixa temperatura, eles melhor fornecem energia às moléculas de água. A difusividade térmica dos picos é uma vez e meia a duas vezes maior que a das terras baixas.

Temperaturas

É por isso que o ponto de ebulição inicial da água é de cerca de oitenta graus Celsius. Nesse valor, os picos da superfície trazem o suficiente para a ebulição instantânea do líquido e a formação das primeiras bolhas, visível aos olhos, que timidamente começam a subir à superfície. Qual é o ponto de ebulição da água em pressão normal- muitas pessoas perguntam. A resposta a esta pergunta pode ser facilmente encontrada nas tabelas. À pressão atmosférica, a ebulição estável é estabelecida a 99,9839 °C.

A vaporização pode ocorrer não apenas como resultado da evaporação, mas também durante a fervura. Consideremos a ebulição do ponto de vista energético.

Uma certa quantidade de ar é sempre dissolvida em um líquido. Quando um líquido é aquecido, a quantidade de gás dissolvido nele diminui, como resultado de que parte dele é liberada na forma de pequenas bolhas no fundo e nas paredes do recipiente e em partículas sólidas não dissolvidas suspensas no líquido. O líquido evapora nessas bolhas de ar. Com o tempo, os vapores neles ficam saturados. Com mais aquecimento, a pressão aumenta vapor saturado dentro das bolhas e seu volume. Quando a pressão de vapor dentro das bolhas se torna igual à pressão atmosférica, elas sobem à superfície do líquido sob a ação da força de empuxo de Arquimedes, estouram e o vapor escapa delas. A vaporização, que ocorre simultaneamente tanto na superfície do líquido quanto no interior do próprio líquido em bolhas de ar, é chamada de ebulição. A temperatura na qual a pressão de vapor saturado nas bolhas se torna igual à pressão externa é chamada de ponto de ebulição.

Como nas mesmas temperaturas as pressões dos vapores saturados de vários líquidos são diferentes, em temperaturas diferentes elas se tornam iguais à pressão atmosférica. Isso faz com que diferentes líquidos fervam em diferentes temperaturas. Esta propriedade dos líquidos é utilizada na sublimação de produtos petrolíferos. Quando o óleo é aquecido, suas partes mais valiosas e voláteis (gasolina) são as primeiras a evaporar, sendo assim separadas dos resíduos "pesados" (óleos, óleo combustível).

Do fato de que a ebulição ocorre quando a pressão de vapor saturado é igual à pressão externa no líquido, segue-se que o ponto de ebulição do líquido depende de pressão externa. Se for aumentada, o líquido ferve a uma temperatura mais alta, pois é necessária uma temperatura mais alta para que os vapores saturados atinjam essa pressão. Por outro lado, a pressão reduzida, o líquido ferve a uma temperatura mais baixa. Isso pode ser verificado pela experiência. Aquecemos a água no frasco até ferver e removemos a lâmpada de espírito (Fig. 37, a). A fervura da água pára. Tendo fechado o frasco com uma rolha, começaremos a remover o ar e o vapor de água com uma bomba, reduzindo assim a pressão sobre a água, que "ferve como resultado disso. Fazendo ferver em um frasco aberto, bombeando ar dentro do frasco aumentará a pressão sobre a água (Fig. 37, b) A sua ebulição pára. 1 atm a água ferve a 100°C, e a 10 atm- a 180 ° C. Essa dependência é usada, por exemplo, em autoclaves, em remédios para esterilização, em cozimento para acelerar o cozimento de produtos alimentícios.

Para que um líquido comece a ferver, ele deve ser aquecido até o ponto de ebulição. Para fazer isso, é necessário transmitir energia ao líquido, por exemplo, a quantidade de calor Q \u003d cm (t ° a - t ° 0). Ao ferver, a temperatura de um líquido permanece constante. Isso acontece porque a quantidade de calor relatada durante a ebulição é gasta não no aumento da energia cinética das moléculas do líquido, mas no trabalho de quebra das ligações moleculares, ou seja, na vaporização. Ao condensar o vapor, de acordo com a lei da conservação da energia, ele emite meio Ambiente a quantidade de calor que foi gasto na vaporização. A condensação ocorre no ponto de ebulição, que permanece constante durante o processo de condensação. (Explique por quê).

Vamos compor a equação de balanço de calor para vaporização e condensação. O vapor, tomado no ponto de ebulição do líquido, entra na água no calorímetro através do tubo A. (Fig. 38, a), condensa-se nele, dando-lhe a quantidade de calor gasto para obtê-lo. Nesse caso, a água e o calorímetro recebem uma quantidade de calor não apenas da condensação do vapor, mas também do líquido obtido a partir dele. Dados quantidades físicas são dados na tabela. 3.

O vapor de condensação emitia a quantidade de calor Q p \u003d rm 3(Fig. 38, b). O líquido obtido a partir do vapor, tendo resfriado de t ° 3 a θ °, cedeu a quantidade de calor Q 3 \u003d c 2 m 3 (t 3 ° - θ °).

O calorímetro e a água, aquecendo de t ° 2 a θ ° (Fig. 38, c), receberam a quantidade de calor

Q 1 \u003d c 1 m 1 (θ ° - t ° 2); Q 2 \u003d c 2 m 2 (θ ° - t ° 2).

Baseado na lei da conservação e transformação da energia

Q p + Q 3 \u003d Q 1 + Q 2,

Para preparar vários comida deliciosa, a água é muitas vezes necessária e, se for aquecida, mais cedo ou mais tarde ferverá. Ao mesmo tempo, toda pessoa instruída sabe que a água começa a ferver a uma temperatura igual a cem graus Celsius e sua temperatura não muda com o aquecimento adicional. É essa propriedade da água que é usada na culinária. No entanto, nem todos sabem que nem sempre é assim. A água pode ferver em temperatura diferente dependendo das condições em que se encontra. Vamos tentar descobrir do que depende o ponto de ebulição da água e como usá-lo.

Quando aquecida, a temperatura da água se aproxima do ponto de ebulição, e numerosas bolhas se formam em todo o volume, dentro das quais há vapor de água. A densidade do vapor é menor que a densidade da água, então a força de Arquimedes agindo sobre as bolhas as eleva à superfície. Ao mesmo tempo, o volume das bolhas aumenta ou diminui, de modo que a água fervente produz sons característicos. Chegando à superfície, as bolhas com vapor d'água estouram, por isso, a água fervente borbulha intensamente, liberando vapor d'água.

O ponto de ebulição depende explicitamente da pressão exercida na superfície da água, o que é explicado pela dependência da pressão do vapor saturado nas bolhas da temperatura. Neste caso, a quantidade de vapor dentro das bolhas, e com ela o seu volume, aumenta até que a pressão do vapor de saturação exceda a pressão da água. Esta pressão é a soma da pressão hidrostática da água, devido à atração gravitacional para a Terra, e a pressão atmosférica externa. Portanto, o ponto de ebulição da água aumenta com o aumento da pressão atmosférica e diminui com sua diminuição. Apenas no caso de pressão atmosférica normal de 760 mm Hg. (1 atm.) a água ferve a 100 0 C. O gráfico da dependência do ponto de ebulição da água com a pressão atmosférica é apresentado abaixo:

Pode-se ver no gráfico que, se aumentarmos Pressão atmosférica até 1,45 atm, então a água já ferverá a 110 0 C. A uma pressão de ar de 2,0 atm. a água ferverá a 120 0 C e assim por diante. Aumentar o ponto de ebulição da água pode ser usado para acelerar e melhorar o processo de cozimento de alimentos quentes. Para fazer isso, eles inventaram panelas de pressão - panelas com tampa hermeticamente especial, equipada com válvulas especiais para regular a temperatura de ebulição. Devido ao aperto, a pressão sobe para 2-3 atm., o que fornece um ponto de ebulição da água de 120-130 0 C. No entanto, deve-se lembrar que o uso de panelas de pressão é perigoso: o vapor saindo deles tem alta pressão e alta temperatura. Portanto, você precisa ter o máximo de cuidado possível para não se queimar.

O efeito oposto é observado se a pressão atmosférica diminui. Nesse caso, o ponto de ebulição também diminui, o que acontece com o aumento da altitude acima do nível do mar:

Em média, ao subir 300 m, o ponto de ebulição da água diminui em 1 0 C e bastante alto nas montanhas cai para 80 0 C, o que pode levar a algumas dificuldades no cozimento.

Se, no entanto, a pressão for reduzida ainda mais, por exemplo, bombeando ar para fora de um recipiente com água, então a uma pressão de ar de 0,03 atm. a água já ferverá à temperatura ambiente, e isso é bastante incomum, pois o ponto de ebulição normal da água é de 100 0 C.

É claro a partir do raciocínio acima que o ponto de ebulição de um líquido deve depender da pressão externa. As observações confirmam isso.

Quanto maior a pressão externa, maior o ponto de ebulição. Assim, em uma caldeira a vapor a uma pressão de 1,6 10 6 Pa, a água não ferve mesmo a uma temperatura de 200 °C. Em instituições médicas, a água fervente em vasos hermeticamente fechados - autoclaves (Fig. 6.11) também ocorre a pressão elevada. Portanto, o ponto de ebulição é muito superior a 100 ° C. As autoclaves são usadas para esterilizar instrumentos cirúrgicos, curativos, etc.

Por outro lado, reduzindo a pressão externa, reduzimos o ponto de ebulição. Sob o sino da bomba de ar, você pode fazer a água ferver à temperatura ambiente (Fig. 6.12). À medida que você escala montanhas, a pressão atmosférica diminui, então o ponto de ebulição diminui. A uma altitude de 7.134 m (Pico de Lenin nos Pamirs), a pressão é de aproximadamente 4 10 4 Pa ​​​​(300 mm Hg). A água ferve lá a cerca de 70°C. É impossível cozinhar, por exemplo, carne nessas condições.

A Figura 6.13 mostra a dependência do ponto de ebulição da água com a pressão externa. É fácil ver que esta curva também é uma curva que expressa a dependência da pressão de vapor d'água saturado em relação à temperatura.

A diferença nos pontos de ebulição dos líquidos

Cada líquido tem seu próprio ponto de ebulição. A diferença nos pontos de ebulição dos líquidos é determinada pela diferença na pressão de seus vapores saturados à mesma temperatura. Por exemplo, o vapor de éter já à temperatura ambiente tem uma pressão maior que a metade da pressão atmosférica. Portanto, para que a pressão de vapor do éter se torne igual à atmosférica, é necessário um ligeiro aumento da temperatura (até 35 ° C). No mercúrio, os vapores saturados têm uma pressão muito desprezível à temperatura ambiente. A pressão de vapor do mercúrio torna-se igual à atmosférica apenas com um aumento significativo da temperatura (até 357 ° C). É nesta temperatura, se a pressão externa é de 105 Pa, que o mercúrio entra em ebulição.

A diferença nos pontos de ebulição das substâncias é de grande utilidade na tecnologia, por exemplo, na separação de derivados de petróleo. Quando o óleo é aquecido, suas partes mais valiosas e voláteis (gasolina) evaporam antes de tudo, que podem assim ser separadas dos resíduos “pesados” (óleos, óleo combustível).

Um líquido entra em ebulição quando sua pressão de vapor saturado é igual à pressão dentro do líquido.

§ 6.6. Calor da vaporização

É necessária energia para transformar líquido em vapor? Provavelmente sim! Não é?

Notamos (ver § 6.1) que a evaporação de um líquido é acompanhada por seu resfriamento. Para manter a temperatura do líquido em evaporação inalterada, o calor deve ser fornecido a partir do exterior. Claro, o próprio calor pode ser transferido para o líquido dos corpos circundantes. Assim, a água no copo evapora, mas a temperatura da água, que é um pouco mais baixa do que a temperatura do ar circundante, permanece inalterada. O calor é transferido do ar para a água até que toda a água tenha evaporado.

Para manter a água (ou qualquer outro líquido) fervendo, o calor também deve ser fornecido continuamente a ela, por exemplo, aquecendo-a com um queimador. Nesse caso, a temperatura da água e do recipiente não aumenta, mas uma certa quantidade de vapor é formada a cada segundo.

Assim, para converter um líquido em vapor por evaporação ou por ebulição, é necessário um influxo de calor. A quantidade de calor necessária para converter uma determinada massa de líquido em vapor à mesma temperatura é chamada de calor de vaporização desse líquido.

Para que serve a energia fornecida ao corpo? Em primeiro lugar, para aumentar sua energia interna durante a transição de Estado líquido em gasoso: afinal, neste caso, o volume da substância aumenta do volume de líquido para o volume de vapor saturado. Consequentemente, a distância média entre as moléculas aumenta e, portanto, sua energia potencial.

Além disso, quando o volume de uma substância aumenta, é realizado trabalho contra as forças da pressão externa. Esta parte do calor de vaporização à temperatura ambiente é geralmente uma pequena porcentagem do calor total de vaporização.

O calor de vaporização depende do tipo de líquido, sua massa e temperatura. A dependência do calor de vaporização do tipo de líquido é caracterizada por um valor chamado calor específico de vaporização.

O calor específico de vaporização de um determinado líquido é a razão entre o calor de vaporização de um líquido e sua massa:

(6.6.1)

Onde r - calor específico vaporização de líquido; t- massa de líquido; Q né o seu calor de vaporização. A unidade SI para calor específico de vaporização é o joule por quilograma (J/kg).

O calor específico de vaporização da água é muito alto: 2,256 10 6 J/kg a uma temperatura de 100 °C. Para outros líquidos (álcool, éter, mercúrio, querosene, etc.), o calor específico de vaporização é 3-10 vezes menor.

Ebulição- esta é a vaporização que ocorre simultaneamente tanto na superfície quanto em todo o volume do líquido. Consiste no fato de inúmeras bolhas aparecerem e estourarem, causando uma ebulição característica.

Como mostra a experiência, a ebulição de um líquido a uma dada pressão externa começa a uma temperatura bem definida que não muda durante o processo de ebulição e só pode ocorrer quando a energia é fornecida do exterior como resultado da transferência de calor (Fig. 1) :

onde L é o calor específico de vaporização no ponto de ebulição.

Mecanismo de ebulição: há sempre um gás dissolvido em um líquido, cujo grau de dissolução diminui com o aumento da temperatura. Além disso, há gás adsorvido nas paredes do recipiente. Quando o líquido é aquecido por baixo (Fig. 2), o gás começa a evoluir na forma de bolhas perto das paredes do recipiente. O líquido evapora nessas bolhas. Portanto, além do ar, eles contêm vapor saturado, cuja pressão aumenta rapidamente com o aumento da temperatura, e as bolhas crescem em volume e, consequentemente, as forças de Arquimedes que atuam sobre elas aumentam. Quando a força de empuxo se torna mais poder gravidade da bolha, ela começa a subir. Mas até que o líquido seja aquecido uniformemente, à medida que sobe, o volume da bolha diminui (a pressão de vapor saturado diminui com a diminuição da temperatura) e, antes de atingir a superfície livre, as bolhas desaparecem (colapsam) (Fig. 2, a), é por isso que ouvimos um ruído característico antes da fervura. Quando a temperatura do líquido se iguala, o volume da bolha aumenta à medida que aumenta, pois a pressão de vapor saturado não muda, e a pressão externa na bolha, que é a soma da pressão hidrostática do líquido acima da bolha e a pressão atmosférica diminui. A bolha atinge a superfície livre do líquido, estoura e o vapor saturado sai (Fig. 2, b) - o líquido ferve. A pressão de vapor de saturação nas bolhas é praticamente igual à pressão externa.

A temperatura na qual a pressão de vapor saturado de um líquido é igual à pressão externa em sua superfície livre é chamada de ponto de ebulição líquidos.

Como a pressão do vapor saturado aumenta com o aumento da temperatura e, durante a ebulição, deve ser igual à pressão externa, a temperatura de ebulição aumenta com o aumento da pressão externa.

O ponto de ebulição também depende da presença de impurezas, geralmente aumentando com o aumento da concentração de impurezas.

Se o líquido for primeiro liberado do gás dissolvido nele, ele pode ser superaquecido, ou seja, calor acima do ponto de ebulição. Este é um estado instável do líquido. Basta uma pequena agitação e o líquido ferve, e sua temperatura cai imediatamente para o ponto de ebulição.