Давление газа

Микроскопический процесс испарения и конденсации на поверхности жидкости.

Если давление пара превышает значение термодинамического равновесия , конденсация происходит в присутствии центров зародышеобразования . Этот принцип характерен для камер Вильсона , где ионизированные частицы при прохождении образуют следы конденсации .

Воспроизвести медиа

Пистолет пробирка эксперимент. Трубка содержит спирт и закрывается куском пробки. При нагревании спирта пары заполняют пространство, увеличивая давление в трубке до точки выскакивания пробки.

Давление пара (или давление пара в британском английском языке ; см. Различия в написании ) или равновесное давление пара определяется как давление, оказываемое паром в термодинамическом равновесии с его конденсированными фазами (твердой или жидкой) при заданной температуре в замкнутой системе . Равновесное давление пара является показателем скорости испарения жидкости. Это относится к тенденции частиц выходить из жидкости (или твердого тела). Вещество с высоким давлением пара при нормальных температурах часто называют летучим.. Давление пара, присутствующего над поверхностью жидкости, известно как давление пара. С повышением температуры жидкости увеличивается и кинетическая энергия ее молекул. По мере увеличения кинетической энергии молекул количество молекул, переходящих в пар, также увеличивается, тем самым увеличивая давление пара.

Давление паров любого вещества нелинейно увеличивается с температурой в соответствии с соотношением Клаузиуса – Клапейрона . Точка кипения жидкости при атмосферном давлении (также известная как нормальная точка кипения ) - это температура, при которой давление пара равно атмосферному давлению окружающей среды. При любом постепенном повышении этой температуры давление пара становится достаточным для преодоления атмосферного давления и подъема жидкости с образованием пузырьков пара внутри массы вещества. Пузырьпласт, более глубокий в жидкости, требует более высокой температуры из-за более высокого давления жидкости, потому что давление жидкости увеличивается выше атмосферного по мере увеличения глубины. На малых глубинах более важна более высокая температура, необходимая для начала образования пузырьков. Поверхностное натяжение стенки пузырька приводит к избыточному давлению в очень маленьких исходных пузырьках.

Давление пара, которое отдельный компонент смеси вносит в общее давление в системе, называется парциальным давлением . Например, воздух на уровне моря, насыщенный водяным паром при 20 ° C, имеет парциальное давление около 2,3 кПа воды, 78 кПа азота , 21 кПа кислорода и 0,9 кПа аргона , что в сумме составляет 102,2 кПа, что составляет основу для стандартного атмосферного давления .

Измерения и единицы [ править ]

Давление пара измеряется в стандартных единицах давления . Международная система единиц (СИ) признает давление в качестве производной единицы с размерностью силы на единице площади и обозначает паскаль (Па) в качестве стандартного блока. Один паскаль - это один ньютон на квадратный метр (Н · м ⁻² или кг · м ⁻¹ · с ⁻² ).

Экспериментальное измерение давления пара - это простая процедура для обычных значений давления от 1 до 200 кПа. ^[1] Наиболее точные результаты получаются вблизи точки кипения веществ, а большие ошибки возникают при измерениях менее 1 кПа . Процедуры часто состоят из очистки испытуемого вещества, его изоляции в контейнере, откачивания любого постороннего газа, а затем измерения равновесного давления газовой фазы вещества в контейнере при различных температурах. Лучшая точность достигается, когда все вещество и его пары имеют заданную температуру. Это часто делается, как при использовании изотенископа , путем погружения защитной зоны в ванну с жидкостью.

Очень низкое давление пара твердых веществ можно измерить с помощью метода эффузионной ячейки Кнудсена .

В медицинском контексте давление пара иногда выражается в других единицах измерения, в частности в миллиметрах ртутного столба (мм рт . Ст.) . Это важно для летучих анестетиков , большинство из которых являются жидкостями при температуре тела, но с относительно высоким давлением пара.

Оценка давления пара с помощью уравнения Антуана [ править ]

Уравнение Антуана ^{[2] [3]} представляет собой прагматическое математическое выражение зависимости между давлением пара и температурой чистых жидких или твердых веществ. Он получается путем подбора кривой и адаптирован к тому факту, что давление пара обычно увеличивается и вогнутое в зависимости от температуры. Основная форма уравнения:

${\ displaystyle \ log P = A - {\ frac {B} {C + T}}}$

и его можно преобразовать в эту явную для температуры форму:

${\ displaystyle T = {\ frac {B} {A- \ log P}} - C}$

куда:

${\ displaystyle P}$ это абсолютное давление пара вещества

${\ displaystyle T}$ это температура вещества

${\ displaystyle A}$, и являются коэффициентами для конкретных веществ (т. е. константами или параметрами)${\ displaystyle B}$${\ displaystyle C}$

${\ displaystyle \ log}$обычно либо или ${\displaystyle \log _{10}}$${\displaystyle \log _{e}}$^[3]

Иногда используется более простая форма уравнения с двумя коэффициентами:

${\displaystyle \log P=A-{\frac {B}{T}}}$

который можно преобразовать в:

${\displaystyle T={\frac {B}{A-\log P}}}$

Сублимации и испарения одного и того же вещества имеют отдельные наборы коэффициентов Антуана, как и компоненты в смесях. ^[2] Каждый набор параметров для определенного соединения применим только в указанном диапазоне температур. Обычно диапазоны температур выбираются таким образом, чтобы точность уравнения составляла от нескольких до 8–10 процентов. Для многих летучих веществ доступны несколько различных наборов параметров, которые используются для разных температурных диапазонов. Уравнение Антуана имеет низкую точность с любым набором параметров при использовании от точки плавления соединения до его критической температуры. Точность также обычно низкая, когда давление пара ниже 10 Торр из-за ограничений устройства ^{[ необходима цитата ]} используется для установки значений параметров Антуана.

Уравнение Вагнера ^[4] дает «одно из лучших» ^[5] соответствия экспериментальным данным, но является довольно сложным. Он выражает пониженное давление пара как функцию пониженной температуры.

Отношение к температуре кипения жидкостей [ править ]

Как правило, давление пара жидкостей при температуре окружающей среды увеличивается с понижением температуры кипения. Это показано на диаграмме давления пара (см. Справа), на которой показаны графики зависимости давления пара от температуры для различных жидкостей. ^[6] При нормальной температуре кипения жидкости давление пара равно стандартному атмосферному давлению, определяемому как 1 атмосфера, ^[7] 760  Торр, 101,325  кПа или 14,69595  фунтов на квадратный дюйм.

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.

Хотя соотношение между давлением пара и температурой является нелинейным, на диаграмме используется логарифмическая вертикальная ось для получения слегка изогнутых линий, поэтому одна диаграмма может отображать множество жидкостей. Почти прямая линия получается, когда логарифм давления пара наносится на график относительно 1 / (T + 230) ^[8], где T - температура в градусах Цельсия. Давление пара жидкости в точке кипения равно давлению окружающей среды.

Жидкие смеси: закон Рауля [ править ]

Закон Рауля дает приближение к давлению паров смесей жидкостей. В нем указано, что активность (давление или летучесть ) однофазной смеси равна взвешенной по мольным долям сумме давлений паров компонентов:

${\displaystyle P_{\rm {tot}}=\sum _{i}Py_{i}=\sum _{i}P_{i}^{\rm {sat}}x_{i}\,}$

где - давление пара смеси, - мольная доля компонента в жидкой фазе и - мольная доля компонента в паровой фазе соответственно. давление паров компонента . Закон Рауля применим только к неэлектролитам (незаряженным частицам); он наиболее подходит для неполярных молекул со слабым межмолекулярным притяжением (такими как силы Лондона ).${\displaystyle P_{\rm {tot}}}$${\displaystyle x_{i}}$${\displaystyle i}$${\displaystyle y_{i}}$${\displaystyle i}$${\displaystyle P_{i}^{\rm {sat}}}$${\displaystyle i}$

Считается, что системы с давлением пара выше, чем указано в приведенной выше формуле, имеют положительные отклонения. Такое отклонение предполагает более слабое межмолекулярное притяжение, чем в чистых компонентах, так что можно думать, что молекулы «удерживаются» в жидкой фазе менее сильно, чем в чистой жидкости. Примером является азеотроп приблизительно 95% этанола и воды. Поскольку давление паров азеотропа выше, чем предсказывается законом Рауля, он кипит при температуре ниже температуры любого из чистых компонентов.

Существуют также системы с отрицательными отклонениями, в которых давление пара ниже ожидаемого. Такое отклонение свидетельствует о более сильном межмолекулярном притяжении между составляющими смеси, чем существует в чистых компонентах. Таким образом, молекулы «удерживаются» в жидкости сильнее, когда присутствует вторая молекула. Примером может служить смесь трихлорметана (хлороформа) и 2-пропанона (ацетон), которая кипит выше точки кипения любого из чистых компонентов.

Отрицательные и положительные отклонения могут использоваться для определения коэффициентов термодинамической активности компонентов смесей.

Твердые тела [ править ]

Равновесное давление пара можно определить как давление, достигаемое, когда конденсированная фаза находится в равновесии со своим собственным паром. В случае равновесного твердого тела, такого как кристалл , это можно определить как давление, при котором скорость сублимации твердого тела соответствует скорости осаждения его паровой фазы. Для большинства твердых веществ это давление очень низкое, но некоторыми заметными исключениями являются нафталин , сухой лед (давление пара сухого льда составляет 5,73 МПа (831 фунт / кв. Дюйм, 56,5 атм) при 20 ° C, что приводит к разрыву большинства герметичных контейнеров) и лед. Все твердые материалы обладают давлением пара. Однако из-за их часто очень низких значений измерение может быть довольно трудным. Типичные методы включают использование термогравиметрии. и транспирация газа.

Существует ряд методов расчета давления сублимации (т. Е. Давления пара) твердого тела. Один из методов заключается в оценке давления сублимации на основе экстраполированных давлений пара жидкости (переохлажденной жидкости), если известна теплота плавления , с использованием этой конкретной формы соотношения Клаузиуса-Клапейрона: ^[9]

${\displaystyle \ln \,P_{\rm {s}}^{\rm {sub}}=\ln \,P_{\rm {l}}^{\rm {sub}}-{\frac {\Delta _{\rm {fus}}H}{R}}\left({\frac {1}{T_{\rm {sub}}}}-{\frac {1}{T_{\rm {fus}}}}\right)}$

куда:

• ${\displaystyle P_{\rm {s}}^{\rm {sub}}}$- давление сублимации твердого компонента при температуре .${\displaystyle T_{\rm {sub}}<T_{\rm {fus}}}$
• ${\displaystyle P_{\rm {l}}^{\rm {sub}}}$- экстраполированное давление пара жидкого компонента при температуре .${\displaystyle T_{\rm {sub}}<T_{\rm {fus}}}$
• ${\displaystyle \Delta _{\rm {fus}}H}$ это тепло плавления.
• ${\displaystyle R}$- газовая постоянная .
• ${\displaystyle T_{\rm {sub}}}$ - температура сублимации.
• ${\displaystyle T_{\rm {fus}}}$ - температура плавления.

Этот метод предполагает, что теплота плавления не зависит от температуры, игнорирует дополнительные температуры перехода между различными твердыми фазами и дает справедливую оценку для температур, не слишком далеко от точки плавления. Это также показывает, что давление сублимации ниже экстраполированного давления пара жидкости (Δ _fus H > 0), и разница растет с увеличением расстояния от точки плавления.

Температура кипения воды [ править ]

Как и все жидкости, вода закипает, когда давление пара достигает окружающего давления. В природе атмосферное давление ниже на возвышенностях, и вода закипает при более низкой температуре. Температуру кипения воды при атмосферном давлении можно аппроксимировать уравнением Антуана :

${\displaystyle \log _{10}\left({\frac {P}{1{\text{ Torr}}}}\right)=8.07131-{\frac {1730.63\ {}^{\circ }{\text{C}}}{233.426\ {}^{\circ }{\text{C}}+T_{b}}}}$

или преобразованный в эту явную форму температуры:

${\displaystyle T_{b}={\frac {1730.63\ {}^{\circ }{\text{C}}}{8.07131-\log _{10}\left({\frac {P}{1{\text{ Torr}}}}\right)}}-233.426\ {}^{\circ }{\text{C}}}$

где температура - это точка кипения в градусах Цельсия, а давление - в Торр .${\displaystyle T_{b}}$${\displaystyle P}$

Правило Дюринга [ править ]

Правило Дюринга гласит, что существует линейная зависимость между температурами, при которых два раствора оказывают одинаковое давление пара.

Примеры [ править ]

В следующей таблице представлен список различных веществ, упорядоченных по возрастанию давления пара (в абсолютных единицах).

Оценка давления пара по молекулярной структуре [ править ]

Существует несколько эмпирических методов оценки давления пара на основе молекулярной структуры органических молекул. Некоторыми примерами являются метод SIMPOL.1, ^[12] метод Моллера и др., ^[9] и EVAPORATION (оценка давления пара органических веществ, учет температуры, внутримолекулярных эффектов и эффектов неаддитивности). ^{[13] [14]}

Значение в метеорологии [ править ]

В метеорологии термин « давление пара» используется для обозначения парциального давления водяного пара в атмосфере, даже если он не находится в равновесии ^[15], а равновесное давление пара определяется иначе. Метеорологи также используют термин « давление насыщенного пара» для обозначения равновесного давления пара воды или рассола над плоской поверхностью, чтобы отличить его от равновесного давления пара, которое учитывает форму и размер водяных капель и твердых частиц в атмосфере. ^[16]

См. Также [ править ]

• Давление паров воды
• Абсолютная влажность
• Уравнение антуана
• Метод Ли – Кеслера
• Закон Рауля : понижение давления пара в растворе
• Давление паров по Рейду
• Относительная влажность
• Относительная волатильность
• Плотность насыщенного пара
• Осмотический коэффициент
• Тройная точка
• Истинное давление пара
• Парожидкостное равновесие
• Давление паров элементов (страница данных)

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Таблица характеристик жидкости
• Гиперфизика
• MSDS Давление паров
• Онлайн-инструмент для расчета давления паров (требуется регистрация)
• Прогноз давления паров чистых жидких органических соединений