Точка кипения

Кипящая вода

Точка кипения вещества представляет собой температуру , при которой давление пара из жидкости равно давлению окружающего жидкости ^{[1] [2]} и жидкость превращается в пар.

Температура кипения жидкости меняется в зависимости от давления окружающей среды. Жидкость в частичном вакууме имеет более низкую температуру кипения, чем когда жидкость находится при атмосферном давлении . Жидкость под высоким давлением имеет более высокую точку кипения, чем когда жидкость находится под атмосферным давлением. Например, вода закипает при 100 ° C (212 ° F) на уровне моря, но при 93,4 ° C (200,1 ° F) на высоте 1905 метров (6250 футов) ^[3] . При заданном давлении разные жидкости будут кипеть при разных температурах.

Нормальная температура кипения (также называется атмосферной температурой кипения или температурой кипения при атмосферном давлении ) жидкости является частным случаем , в котором давление пара жидкости равно определенное атмосферное давление на уровне моря, одной атмосферы . ^{[4] [5]} При этой температуре давление пара жидкости становится достаточным, чтобы преодолеть атмосферное давление и позволить пузырькам пара образоваться внутри объема жидкости. Стандартная точка кипения была определена IUPAC с 1982 года , как температура , при которой происходит кипение под давлением одного бара . ^[6]

Теплота парообразования является энергией , необходимой для преобразования заданного количества (в мол, кг, фунт и т.д.) веществ из жидкости в газ при заданном давлении (часто при атмосферном давлении).

Жидкости могут превращаться в пар при температурах ниже их точек кипения в процессе испарения . Испарение - это поверхностное явление, при котором молекулы, расположенные у края жидкости, не сдерживаемые достаточным давлением жидкости с этой стороны, уходят в окружающую среду в виде пара . С другой стороны, кипение - это процесс, при котором молекулы в любом месте жидкости улетучиваются, что приводит к образованию пузырьков пара внутри жидкости.

Температура и давление насыщения [ править ]

Воспроизвести медиа

Демонстрация более низкой точки кипения воды при более низком давлении, достигаемой с помощью вакуумного насоса .

Насыщенная жидкость содержит столько же тепловую энергию , как это может без кипения (или , наоборот, насыщенный пар содержит как мало тепловую энергию , как это может без конденсации ).

Температура насыщения означает температуру кипения . Температура насыщения - это температура для соответствующего давления насыщения, при котором жидкость переходит в свою паровую фазу . Можно сказать, что жидкость насыщена тепловой энергией . Любое добавление тепловой энергии приводит к фазовому переходу .

Если давление в системе остается постоянным ( изобарическим ), пар при температуре насыщения начинает конденсироваться в жидкую фазу по мере удаления тепловой энергии ( тепла ). Точно так же жидкость при температуре и давлении насыщения будет кипеть в свою паровую фазу при приложении дополнительной тепловой энергии.

Точка кипения соответствует температуре, при которой давление пара жидкости равно давлению окружающей среды. Таким образом, температура кипения зависит от давления. Точки кипения могут быть опубликованы в соответствии с NIST, стандартным давлением США 101,325 кПа (или 1 атм ) или стандартным давлением IUPAC 100,000 кПа. На больших высотах, где атмосферное давление намного ниже, температура кипения также ниже. Температура кипения увеличивается с повышением давления до критической точки., где свойства газа и жидкости становятся идентичными. Точка кипения не может быть увеличена выше критической точки. Точно так же точка кипения снижается с понижением давления до тех пор, пока не будет достигнута тройная точка . Точка кипения не может быть понижена ниже тройной точки.

Если известна теплота парообразования и давление пара жидкости при определенной температуре, точку кипения можно рассчитать с помощью уравнения Клаузиуса-Клапейрона , таким образом:

${\ displaystyle T _ {\ text {B}} = \ left ({\ frac {1} {T_ {0}}} - {\ frac {R \, \ ln {\ frac {P} {P_ {0}}) }} {\ Delta H _ {\ text {vap}}}} \ right) ^ {- 1}}$

куда:

${\ displaystyle T_ {B}}$ - температура кипения при интересующем давлении,

${\ displaystyle R}$- постоянная идеального газа ,

${\ displaystyle P}$- давление пара жидкости при интересующем давлении,

${\ displaystyle P_ {0}}$- некоторое давление, соответствующее известному (обычно данные доступны при 1 атм или 100 кПа),${\ displaystyle T_ {0}}$

${\ displaystyle \ Delta H _ {\ text {vap}}}$- теплота испарения жидкости,

${\ displaystyle T_ {0}}$ температура кипения,

${\ displaystyle \ ln}$это натуральный логарифм .

Давление насыщения - это давление для соответствующей температуры насыщения, при которой жидкость переходит в паровую фазу. Давление насыщения и температура насыщения имеют прямую зависимость: с увеличением давления насыщения увеличивается и температура насыщения.

Если температура в системе остается постоянной ( изотермическая система), пар при давлении насыщения и температуре начнет конденсироваться в жидкую фазу по мере увеличения давления в системе. Аналогичным образом , жидкость под давлением насыщения и температурой будет иметь тенденцию мигать в его парообразной фазе при уменьшении давления в системе.

Существует два соглашения относительно стандартной точки кипения воды : Нормальная точка кипения составляет 99,97  ° C (211,9  ° F ) при давлении 1 атм (то есть 101,325 кПа). Рекомендуемая ИЮПАК стандартная температура кипения воды при стандартном давлении 100 кПа (1 бар) ^[7] составляет 99,61  ° C (211,3  ° F ). ^{[6] [8]} Для сравнения, на вершине Эвереста , на 8848 м (29029 футов) высоты, давление составляет примерно 34  кПа (255  мм рт.ст. ) ^[9] и точка кипения воды составляет 71  ° С (160 ° F ). Температурная шкала Цельсия определялась до 1954 года двумя точками: 0 ° C определялось точкой замерзания воды, а 100 ° C определялось точкой кипения воды при стандартном атмосферном давлении.

Связь между нормальной точкой кипения и давлением пара жидкостей [ править ]

Чем выше давление пара жидкости при данной температуре, тем ниже нормальная точка кипения (т.е. точка кипения при атмосферном давлении) жидкости.

На диаграмме давления пара справа представлены графики зависимости давления пара от температуры для различных жидкостей. ^[10] Как видно из диаграммы, жидкости с самым высоким давлением пара имеют самую низкую нормальную температуру кипения.

Например, при любой заданной температуре хлористый метил имеет самое высокое давление пара среди всех жидкостей в таблице. Он также имеет самую низкую нормальную точку кипения (-24,2 ° C), где кривая давления паров хлористого метила (синяя линия) пересекает горизонтальную линию давления в одну атмосферу ( атм ) абсолютного давления пара.

Критическая точка жидкости является высокой температурой (и давления) он будет на самом деле кипеть при.

См. Также " Давление водяного пара" .

Свойства элементов [ править ]

Элемент с самой низкой температурой кипения - гелий . Обе точки кипения рения и вольфрама превышают 5000 К при стандартном давлении ; Поскольку трудно точно измерить экстремальные температуры без предвзятости, в литературе упоминается, что оба они имеют более высокую температуру кипения. ^[11]

Точка кипения как эталонное свойство чистого соединения [ править ]

Как видно из приведенного выше графика логарифма давления пара в зависимости от температуры для любого данного чистого химического соединения , его нормальная точка кипения может служить индикатором общей летучести этого соединения . У данного чистого соединения есть только одна нормальная точка кипения, если таковая имеется, а нормальная точка кипения и точка плавления соединения могут служить характерными физическими свойствами.для этого соединения, перечисленного в справочниках. Чем выше нормальная точка кипения соединения, тем менее летучим это соединение в целом, и, наоборот, чем ниже нормальная точка кипения соединения, тем более летучим это соединение в целом. Некоторые соединения разлагаются при более высоких температурах, прежде чем достичь своей нормальной точки кипения, а иногда даже точки плавления. Для стабильного соединения температура кипения колеблется от тройной точки до критической точки., в зависимости от внешнего давления. За пределами тройной точки нормальная точка кипения соединения, если таковая имеется, выше, чем его точка плавления. За пределами критической точки жидкая и паровая фазы соединения сливаются в одну фазу, которую можно назвать перегретым газом. При любой заданной температуре, если нормальная точка кипения соединения ниже, то это соединение обычно будет существовать в виде газа при атмосферном внешнем давлении. Если нормальная точка кипения соединения выше, то это соединение может существовать в виде жидкости или твердого вещества при данной температуре при атмосферном внешнем давлении и, таким образом, будет существовать в равновесии со своим паром (если летучим), если его пары содержатся. Если пары соединения не содержатся, то некоторые летучие соединения могут в конечном итоге испаряться, несмотря на их более высокую температуру кипения.

Как правило, соединения с ионными связями имеют высокие температуры кипения, если они не разлагаются до достижения таких высоких температур. Многие металлы имеют высокие температуры кипения, но не все. В самом общем случае - при прочих равных факторах - в соединениях с ковалентно связанными молекулами , когда размер молекулы (или молекулярная масса ) увеличивается, нормальная точка кипения увеличивается. Когда размер молекулы становится размером с макромолекулу , полимер или иным образом очень большим, соединение часто разлагается при высокой температуре до того, как будет достигнута точка кипения. Еще один фактор, влияющий на нормальную точку кипения соединения, - это полярность.его молекул. По мере того, как полярность молекул соединения увеличивается, его нормальная точка кипения увеличивается, при прочих равных условиях. Тесно связана способность молекулы образовывать водородные связи (в жидком состоянии), что затрудняет выход молекул из жидкого состояния и, таким образом, увеличивает нормальную точку кипения соединения. Простые карбоновые кислоты димеризуются, образуя водородные связи между молекулами. Незначительный фактор, влияющий на температуру кипения, - это форма молекулы. Делая форму молекулы более компактной, как правило, немного понижает нормальную точку кипения по сравнению с эквивалентной молекулой с большей площадью поверхности.

Большинство летучих соединений (близких к температуре окружающей среды) проходят через промежуточную жидкую фазу, нагреваясь из твердой фазы, чтобы в конечном итоге перейти в паровую фазу. По сравнению с кипением сублимация - это физическое преобразование, при котором твердое вещество превращается непосредственно в пар, что происходит в некоторых отдельных случаях, например, с диоксидом углерода при атмосферном давлении. Для таких соединений точка сублимации - это температура, при которой твердое тело, превращающееся непосредственно в пар, имеет давление пара, равное внешнему давлению.

Примеси и смеси [ править ]

В предыдущем разделе были рассмотрены температуры кипения чистых соединений. На давление паров и температуру кипения веществ может влиять присутствие растворенных примесей ( растворенных веществ ) или других смешиваемых соединений, причем степень воздействия зависит от концентрации примесей или других соединений. Присутствие нелетучих примесей, таких как соли или соединения, летучесть которых намного ниже, чем у основного компонента, снижает его мольную долю и летучесть раствора и , таким образом, повышает нормальную точку кипения пропорционально концентрации растворенных веществ. Этот эффект называется повышением точки кипения . В качестве общего примерасоленая вода кипит при более высокой температуре, чем чистая вода.

В других смесях смешиваемых соединений (компонентов) могут быть два или более компонентов с различной летучестью, каждый из которых имеет свою собственную точку кипения чистого компонента при любом заданном давлении. Присутствие других летучих компонентов в смеси влияет на давление пара и, следовательно, на точки кипения и точки росы всех компонентов в смеси. Точка росы - это температура, при которой пар конденсируется в жидкость. Более того, при любой заданной температуре состав пара отличается от состава жидкости в большинстве таких случаев. Чтобы проиллюстрировать эти эффекты между летучими компонентами в смеси, обычно используется диаграмма точки кипения . Дистилляция представляет собой процесс кипения и [обычно] конденсации, в котором используются преимущества этих различий в составе жидкой и паровой фаз.

См. Также [ править ]

• Точки кипения элементов (страница данных)
• Повышение температуры кипения
• Критическая точка (термодинамика)
• Эбуллиометр , прибор для точного измерения температуры кипения жидкостей
• Метод Джобака (Оценка нормальных температур кипения по молекулярной структуре)
• Список газов, включая точки кипения
• Переохлаждение
• Перегрев
• Константа Траутона, связывающая скрытую теплоту с температурой кипения
• Тройная точка

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• «Точка кипения»  . Справочник нового студента  . 1914 г.