Η αιθανόλη είναι το κύριο συστατικό των αλκοολούχων ποτών. Η συνηθισμένη βότκα κοστίζει το 40% της. Στην καθημερινή ζωή λέγεται αλκοόλ. Αν και στην πραγματικότητα αυτός ο όρος χαρακτηρίζει μια τεράστια κατηγορία οργανικών ουσιών. Το σημείο βρασμού του αλκοόλ σε κανονική πίεση είναι 78,3 βαθμοί Κελσίου. Αυτό ισχύει μόνο για την αδιάλυτη αιθανόλη. Το σημείο βρασμού ενός διαλύματος αλκοόλης είναι συνήθως ελαφρώς χαμηλότερο. Σε αυτό το άρθρο, θα καταλάβουμε τι είναι η αιθανόλη. Θα συζητήσουμε επίσης τις φυσικές και χημικές του ιδιότητες, τα χαρακτηριστικά παραγωγής και εφαρμογής του. Δεν θα παρακάμψουμε το κύριο ερώτημα για το ποιο είναι το σημείο βρασμού του αλκοόλ.

Γενικές πληροφορίες

Η αιθανόλη είναι μια από τις πιο γνωστές αλκοόλες. Η σύνθεση του μορίου του περιλαμβάνει στοιχεία όπως άνθρακας, υδρογόνο και οξυγόνο. Ο χημικός τύπος της αιθανόλης είναι C 2 H 6 O. Είναι ένα άχρωμο υγρό με συγκεκριμένη αλκοολική οσμή. Είναι πιο ελαφρύ από το νερό. Το σημείο βρασμού του αλκοόλ είναι 78,39 βαθμοί Κελσίου. Αλλά αυτό είναι σε κανονική πίεση. Το σημείο βρασμού της ανακαθαρισμένης αλκοόλης είναι 78,15 βαθμοί Κελσίου. Περιέχει 4,43% νερό. Το σημείο βρασμού της αιθυλικής αλκοόλης είναι χαμηλότερο όσο πιο αραιό είναι.

Εφαρμογή στην καθημερινή ζωή και τη βιομηχανία

Η αιθυλική αλκοόλη είναι ένας εξαιρετικός διαλύτης. Παράγεται με ζύμωση ζάχαρης με μαγιά. Σε πολλά χωριά των μετασοβιετικών χωρών, εξακολουθεί να φτιάχνεται στο σπίτι. Το αλκοολούχο ποτό που προκύπτει ονομάζεται moonshine. Η αιθυλική αλκοόλη είναι το παλαιότερο ψυχαγωγικό φάρμακο που χρησιμοποιούσε ο άνθρωπος. Μπορεί να προκαλέσει δηλητηρίαση από το αλκοόλ εάν καταναλωθεί σε μεγάλες ποσότητες.

Η αιθανόλη είναι μια πτητική εύφλεκτη ουσία. Χρησιμοποιείται στα νοικοκυριά και τη βιομηχανία ως αντισηπτικό, διαλύτης, καύσιμο και ενεργό υγρό σε θερμόμετρα χωρίς υδράργυρο (παγώνει στους -114 βαθμούς Κελσίου).

Το σημείο βρασμού του αλκοόλ έναντι της πίεσης

Όταν οι φυσικές ιδιότητες των ουσιών αναφέρονται σε βιβλία αναφοράς, πρέπει να γίνει κατανοητό ότι όλες αυτές οι μετρήσεις έγιναν υπό τις λεγόμενες κανονικές συνθήκες. Καθώς η πίεση αυξάνεται, το σημείο βρασμού της αιθανόλης μειώνεται. Σήμερα μπορείτε να βρείτε πολλούς πίνακες που παρέχουν δεδομένα αναφοράς για αυτό το ζήτημα. Στους 780 mmHg, η αιθανόλη βράζει στους 78,91 βαθμούς Κελσίου, στους 770 - 78,53ºC, στους 760 - 78,15ºC, στους 750 - 77,77ºC, στους 740 - 77,39º3 -72 C, στους 740 - 77,39º3 -72 C.

Σημείο βρασμού μεθυλικής αλκοόλης

Το CH 3 OH παρήχθη αρχικά ως υποπροϊόν της καταστροφικής απόσταξης του ξύλου. Μέχρι σήμερα, λαμβάνεται απευθείας από διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο. Μυρίζει πολύ παρόμοια με την αιθανόλη. Ωστόσο, η μεθανόλη είναι εξαιρετικά τοξική και μπορεί να οδηγήσει σε ανθρώπινο θάνατο. Το σημείο βρασμού του αλκοόλ είναι 64,7 βαθμοί Κελσίου. Χρησιμοποιείται ως αντιψυκτικό και διαλύτης. Χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή καυσίμου βιοντίζελ.

Ιστορία κατασκευής

Η ζύμωση ζάχαρης για την παραγωγή αιθανόλης είναι μια από τις πρώτες βιοτεχνολογίες στην υπηρεσία της ανθρωπότητας. Η μεθυστική δράση των ποτών που βασίζονται σε αυτό είναι γνωστή από την αρχαιότητα. Στους ανθρώπους πάντα άρεσε η κατάσταση της αλλοιωμένης συνείδησης που προκαλεί. Ακόμη και πριν από 9.000 χρόνια, οι Κινέζοι γνώριζαν τα αλκοολούχα ποτά. Η απόσταξη ως διαδικασία ήταν πολύ γνωστή στους Άραβες και τους Έλληνες, αλλά είχαν αρκετό κρασί. Οι αλχημιστές έμαθαν να παράγουν αλκοόλ από αυτό μόλις τον 12ο αιώνα. Συνθετικά, η αιθανόλη παρήχθη για πρώτη φορά μόνο το 1825 από τον Michael Faraday.

Χημεία και ιατρική

Η αιθανόλη χρησιμοποιείται κυρίως ως πρώτη ύλη για την παραγωγή άλλων ουσιών και ως διαλύτης. Είναι ένα από τα συστατικά πολλών οικιακών χημικών ουσιών που χρησιμοποιούνται καθημερινά στην καθημερινή ζωή. Η αιθανόλη βρίσκεται στους υαλοκαθαριστήρες και στο αντιψυκτικό. Στην ιατρική χρησιμοποιείται ως το απλούστερο αντισηπτικό. Απολυμαίνει καλά και στεγνώνει τις πληγές. Χρησιμοποιείται επίσης για την παρασκευή όλων των ειδών βάμματα και εκχυλίσματα. Επιπλέον, κρυώνει και ζεσταίνεται καλά. Ελλείψει άλλων φαρμάκων, χρησιμοποιήθηκε ως αναισθητικό.

Κοινωνία και πολιτισμός

Μια μελέτη που δημοσιεύτηκε το 2002 διαπίστωσε ότι το 41% ​​των θανάτων σε τροχαία ατυχήματα οφείλονται σε οδήγηση υπό την επήρεια αλκοόλ. Όσο υψηλότερη περιεκτικότητα σε αλκοόλ στο αίμα του οδηγού, τόσο μεγαλύτερος είναι ο κίνδυνος. Η χρήση αλκοολούχων ποτών έχει μακρά ιστορία. Πολλές μελέτες έχουν αφιερωθεί σε αυτό το κοινωνικό φαινόμενο. Η διαδικασία της κατανάλωσης οινοπνευματωδών ποτών και η μέθη περιγράφονται σε πολλά έργα τέχνης. Η διάσημη πρωτοχρονιάτικη ταινία "The Irony of Fate, or Enjoy Your Bath!" είναι αφιερωμένο μόνο στις συνέπειες της κατάχρησης αλκοόλ, αν και σε κωμική μορφή. Πολλοί δημιουργικοί άνθρωποι έχουν χρησιμοποιήσει το αλκοόλ ως απαραίτητο στοιχείο για τη δημιουργία νέων ιδεών ή ως έναν εύκολο τρόπο για να ξεπεράσουν το άγχος. Η μέτρια κατανάλωση αλκοόλ είναι αποδεκτή και ακόμη και επιθυμητή στους περισσότερους σύγχρονους πολιτισμούς. Η κατανάλωση αλκοόλ είναι παράδοση σε πολλές εορταστικές περιστάσεις. Εξαίρεση αποτελεί το Ισλάμ. Σύμφωνα με τους κανόνες αυτής της θρησκείας, η χρήση οποιουδήποτε αλκοολούχου ποτού είναι τρομερό αμάρτημα.

Ο αλκοολισμός και οι συνέπειές του

Η υπερβολική κατανάλωση αλκοόλ είναι ασθένεια. Χαρακτηρίζεται από σωματική και ψυχική εξάρτηση από τη βότκα ή άλλα δυνατά ποτά, είναι ένα είδος κατάχρησης ουσιών. Οι αλκοολικοί χάνουν τον έλεγχο της ποσότητας που πίνουν. Χρειάζονται όλο και περισσότερα για να διασκεδάσουν. Πιστεύεται ότι η βελτίωση της ευημερίας του πληθυσμού οδηγεί μόνο σε αύξηση της κατανάλωσης αλκοολούχων ποτών. Για πρώτη φορά, ο Σουηδός γιατρός M. Huss ανέλαβε τη μελέτη του χρόνιου αλκοολισμού το 1849. Ξεχώρισε μια σειρά από παθολογικές αλλαγές που εμφανίζονται σε ένα άτομο με τη συστηματική χρήση αλκοόλ. Τώρα οι επιστήμονες χαράζουν μια ξεκάθαρη γραμμή μεταξύ της μέθης και του αλκοολισμού. Το δεύτερο είναι μια ασθένεια με την οποία το ίδιο το άτομο δεν μπορεί να αντιμετωπίσει. Περνάει από διάφορα στάδια στην ανάπτυξή του. Σε κάθε νέο στάδιο, παρατηρείται σταδιακή αύξηση της εξάρτησης. Ο ασθενής χρειάζεται αυξανόμενη δόση. Σταδιακά, η χρόνια δηλητηρίαση από το αλκοόλ οδηγεί σε σωματικές διαταραχές. Τα αρχικά σημάδια σωματικής και ψυχικής εξάρτησης περιλαμβάνουν την απώλεια ελέγχου στη χρήση και την εμφάνιση υπερφαγίας. Τα άτομα με σοβαρό αλκοολισμό διακρίνονται από δυσλειτουργίες στην εργασία των εσωτερικών οργάνων και ψυχικές διαταραχές.

Θεραπεία και πρόληψη

Τα ναρκωτικά απαιτούνται για την καταπολέμηση του εθισμού στο αλκοόλ. Πρώτον, χρειάζονται φάρμακα για την εξάλειψη δυσλειτουργιών στο σώμα. Δεύτερον, τα φάρμακα που δεν είναι συμβατά με το αλκοόλ είναι υποχρεωτικά. Εφιστάται η προσοχή του ασθενούς ότι η υπερβολική κατανάλωση αλκοόλ κατά τη διάρκεια της θεραπείας μπορεί να οδηγήσει στο θάνατό του. Επιπλέον, οι ψυχολόγοι πρέπει να συνεργάζονται με ασθενείς. Το καθήκον τους είναι να εδραιώσουν το αποτέλεσμα της θεραπείας και να σχηματίσουν μια αρνητική εικόνα της μέθης. Επίσης υποχρεωτική είναι η κοινωνική αποκατάσταση πρώην αλκοολικών. Είναι σημαντικό να βοηθήσουμε ένα άτομο να βρει τη θέση του στην κοινωνία, να επιστρέψει την οικογένεια. Οι ευτυχισμένοι άνθρωποι δεν μεθάνε. Επομένως, η θεραπεία του αλκοολισμού εξαρτάται περισσότερο από τις δεξιότητες ενός ψυχολόγου.

Βρασμός- Αυτή είναι μια έντονη μετάβαση υγρού σε ατμό, που συμβαίνει με το σχηματισμό φυσαλίδων ατμού σε όλο τον όγκο του υγρού σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία.

Κατά τη διάρκεια του βρασμού, η θερμοκρασία του υγρού και των ατμών πάνω από αυτό δεν αλλάζει. Παραμένει αναλλοίωτο μέχρι να βράσει όλο το υγρό. Αυτό συμβαίνει επειδή όλη η ενέργεια που παρέχεται στο υγρό δαπανάται για τη μετατροπή του σε ατμό.

Η θερμοκρασία στην οποία βράζει ένα υγρό ονομάζεται σημείο βρασμού.

Το σημείο βρασμού εξαρτάται από την πίεση που ασκείται στην ελεύθερη επιφάνεια του υγρού. Αυτό οφείλεται στην εξάρτηση της πίεσης κορεσμένων ατμών από τη θερμοκρασία. Μια φυσαλίδα ατμού μεγαλώνει όσο η πίεση του κορεσμένου ατμού στο εσωτερικό της υπερβαίνει ελαφρώς την πίεση στο υγρό, που είναι το άθροισμα της εξωτερικής πίεσης και της υδροστατικής πίεσης της στήλης του υγρού.

Όσο μεγαλύτερη είναι η εξωτερική πίεση, τόσο περισσότερη θερμοκρασία βρασμού.

Όλοι γνωρίζουν ότι το νερό βράζει στους 100 ºC. Αλλά δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι αυτό ισχύει μόνο σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση (περίπου 101 kPa). Με την αύξηση της πίεσης, το σημείο βρασμού του νερού αυξάνεται. Έτσι, για παράδειγμα, στις χύτρες ταχύτητας, το φαγητό μαγειρεύεται υπό πίεση περίπου 200 kPa. Το σημείο βρασμού του νερού φτάνει τους 120°C. Σε νερό αυτής της θερμοκρασίας, η διαδικασία μαγειρέματος είναι πολύ πιο γρήγορη από ό,τι στο συνηθισμένο βραστό νερό. Αυτό εξηγεί το όνομα "χύτρα ταχύτητας".

Αντίθετα, μειώνοντας την εξωτερική πίεση, μειώνουμε έτσι το σημείο βρασμού. Για παράδειγμα, σε ορεινές περιοχές (σε υψόμετρο 3 km, όπου η πίεση είναι 70 kPa), το νερό βράζει σε θερμοκρασία 90 ° C. Επομένως, οι κάτοικοι αυτών των περιοχών, χρησιμοποιώντας τέτοιο βραστό νερό, απαιτούν πολύ περισσότερο χρόνο για το μαγείρεμα από τους κατοίκους των πεδιάδων. Και να μαγειρέψετε σε αυτό το βραστό νερό, για παράδειγμα, ένα αυγό κοτόπουλου είναι γενικά αδύνατο, καθώς σε θερμοκρασία κάτω από 100 ° C η πρωτεΐνη δεν πήζει.

Κάθε υγρό έχει το δικό του σημείο βρασμού, το οποίο εξαρτάται από την πίεση των ατμών κορεσμού. Όσο μεγαλύτερη είναι η πίεση των κορεσμένων ατμών, τόσο χαμηλότερο είναι το σημείο βρασμού του αντίστοιχου υγρού, αφού σε χαμηλότερες θερμοκρασίες η πίεση των κορεσμένων ατμών γίνεται ίση με την ατμοσφαιρική πίεση. Για παράδειγμα, σε σημείο βρασμού 100 ° C, η πίεση κορεσμένων ατμών του νερού είναι 101.325 Pa (760 mm Hg) και η τάση ατμών είναι μόνο 117 Pa (0,88 mm Hg). Ο υδράργυρος βράζει στους 357°C σε κανονική πίεση.

Η θερμότητα της εξάτμισης.

Θερμότητα εξάτμισης (θερμότητα εξάτμισης)- την ποσότητα θερμότητας που πρέπει να αναφέρεται στην ουσία (σε σταθερή πίεση και σταθερή θερμοκρασία) για την πλήρη μετατροπή μιας υγρής ουσίας σε ατμό.

Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την εξάτμιση (ή που απελευθερώνεται κατά τη συμπύκνωση). Για να υπολογίσετε την ποσότητα της θερμότητας Q, απαραίτητο για τη μετατροπή σε ατμό ενός υγρού οποιασδήποτε μάζας, που λαμβάνεται στο σημείο βρασμού, χρειάζεστε την ειδική θερμότητα της εξάτμισης rμυαλό-μαχαίρι στη μάζα Μ:

Όταν ο ατμός συμπυκνώνεται, απελευθερώνεται η ίδια ποσότητα θερμότητας.

Η εργασία αποτελείται από δύο στάδια - να καθορίσει την εξάρτηση της ατμοσφαιρικής πίεσης από το υψόμετρο και την εξάρτηση του σημείου βρασμού από την πίεση. Ας ξεκινήσουμε με το τελευταίο, ως το πιο ενδιαφέρον.

Ο βρασμός είναι μια μετάβαση φάσης του πρώτου είδους (το νερό αλλάζει την κατάσταση συσσώρευσής του από υγρό σε αέριο).
Η μετάβαση φάσης του πρώτου είδους περιγράφεται από την εξίσωση Clapeyron:
,
Οπου
- ειδική θερμότητα της μετάβασης φάσης, η οποία είναι αριθμητικά ίση με την ποσότητα θερμότητας που αναφέρεται στη μονάδα μάζας της ουσίας για την υλοποίηση της μετάβασης φάσης,
- θερμοκρασία μετάβασης φάσης,
- αλλαγή σε συγκεκριμένο όγκο κατά τη μετάβαση

Ο Clausius απλοποίησε την εξίσωση του Clapeyron για τις περιπτώσεις εξάτμισης και εξάχνωσης υποθέτοντας ότι

1. Ο ατμός υπακούει στον νόμο του ιδανικού αερίου
2. Ο ειδικός όγκος του υγρού είναι πολύ μικρότερος από τον ειδικό όγκο ατμού

Από το πρώτο σημείο προκύπτει ότι η κατάσταση του ατμού μπορεί να περιγραφεί από την εξίσωση Mendeleev-Clapeyron
,
και από το σημείο δύο - ότι ο συγκεκριμένος όγκος του υγρού μπορεί να παραμεληθεί.

Έτσι, η εξίσωση Clapeyron παίρνει τη μορφή
,
όπου ο συγκεκριμένος όγκος μπορεί να εκφραστεί σε όρους
,
και τελικά

διαχωρίζοντας τις μεταβλητές, παίρνουμε

Έχοντας ενσωματώσει την αριστερή πλευρά από έως και τη δεξιά πλευρά από έως , δηλ. από το ένα σημείο στο άλλο σημείο που βρίσκεται στη γραμμή ισορροπίας υγρού-ατμού, λαμβάνουμε την εξίσωση

ονομάζεται εξίσωση Clausius-Clapeyron.

Στην πραγματικότητα, αυτή είναι η επιθυμητή εξάρτηση του σημείου βρασμού από την πίεση.

Ας κάνουμε μερικές ακόμα αλλαγές.
,
Εδώ
- μοριακή μάζα νερού, 18 g/mol

Καθολική σταθερά αερίου, 8,31 J/(mol × K)

Ειδική θερμότητα εξάτμισης νερού 2,3 × 10 6 J/kg

Τώρα απομένει να διαπιστωθεί η εξάρτηση της ατμοσφαιρικής πίεσης από το υψόμετρο. Εδώ θα χρησιμοποιήσουμε τον βαρομετρικό τύπο (ούτως ή άλλως δεν έχουμε άλλο):

ή
,
Εδώ
- Μοριακή μάζα αέρα, 29 g/mol
- καθολική σταθερά αερίου, 8,31 J/(mol×K)
- επιτάχυνση βαρύτητας, 9,81 m/(s×s)
- θερμοκρασία του αέρα

Οι τιμές που σχετίζονται με τον αέρα θα επισημαίνονται με τον δείκτη v, αυτές που σχετίζονται με το νερό - h
Εξισώνοντας και απαλλαγούμε από τον εκθέτη, παίρνουμε

Λοιπόν, η τελική φόρμουλα

Στην πραγματικότητα, η πραγματική πίεση αέρα δεν ακολουθεί τον βαρομετρικό τύπο, αφού με μεγάλες υψομετρικές μεταβολές, η θερμοκρασία του αέρα δεν μπορεί να θεωρηθεί σταθερή. Επιπλέον, η επιτάχυνση της ελεύθερης πτώσης εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος και η ατμοσφαιρική πίεση εξαρτάται επίσης από τη συγκέντρωση των υδρατμών. Δηλαδή, σύμφωνα με αυτόν τον τύπο, θα πάρουμε μια κατά προσέγγιση τιμή. Επομένως, παρακάτω έχω συμπεριλάβει μια άλλη αριθμομηχανή που χρησιμοποιεί έναν τύπο για τον υπολογισμό του σημείου βρασμού ανάλογα με την πίεση του αέρα σε χιλιοστά υδραργύρου.

Υπολογιστής θερμοκρασίας βρασμού έναντι υψομέτρου.

καταστάσεις της ύλης

Ατμοί σιδήρου και στερεός αέρας

Δεν είναι περίεργος συνδυασμός λέξεων; Ωστόσο, αυτό δεν είναι καθόλου ανοησία: τόσο οι ατμοί σιδήρου όσο και ο στερεός αέρας υπάρχουν στη φύση, αλλά όχι υπό συνηθισμένες συνθήκες.

Για ποιες συνθήκες μιλάμε; Η κατάσταση της ύλης καθορίζεται από δύο συνθήκες: τη θερμοκρασία και την πίεση.

Η ζωή μας λαμβάνει χώρα σε σχετικά μικρές μεταβαλλόμενες συνθήκες. Η πίεση του αέρα κυμαίνεται μέσα σε λίγα τοις εκατό γύρω από μια ατμόσφαιρα. η θερμοκρασία του αέρα, ας πούμε, στην περιοχή της Μόσχας κυμαίνεται από -30 έως + 30 ° C. στην κλίμακα απόλυτης θερμοκρασίας, στην οποία η χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία (-273 ° C) λαμβάνεται ως μηδέν. αυτό το διάστημα θα φαίνεται λιγότερο εντυπωσιακό: 240-300 K, που είναι επίσης μόνο ±10% της μέσης τιμής.

Είναι πολύ φυσικό να είμαστε συνηθισμένοι σε αυτές τις συνηθισμένες συνθήκες, και επομένως, όταν λέμε απλές αλήθειες όπως: «ο σίδηρος είναι στερεό, ο αέρας είναι αέριο» κ.λπ., ξεχνάμε να προσθέσουμε: «υπό κανονικές συνθήκες».

Εάν ο σίδηρος θερμανθεί, πρώτα λιώνει και μετά εξατμίζεται. Εάν ο αέρας κρυώσει, πρώτα θα μετατραπεί σε υγρό και στη συνέχεια θα στερεοποιηθεί.

Ακόμα κι αν ο αναγνώστης δεν έχει συναντήσει ποτέ ατμό σιδήρου και στερεό αέρα, πιθανότατα θα πιστέψει εύκολα ότι οποιαδήποτε ουσία μπορεί να ληφθεί αλλάζοντας τη θερμοκρασία σε στερεά, υγρή και αέρια κατάσταση ή, όπως λένε, σε στερεά, υγρά ή αέρια. φάσεις.

Είναι εύκολο να το πιστέψουμε αυτό γιατί μια ουσία, χωρίς την οποία η ζωή στη Γη θα ήταν αδύνατη, όλοι παρατήρησαν τόσο με τη μορφή αερίου, όσο και ως υγρό, και με τη μορφή στερεού σώματος. Μιλάμε φυσικά για νερό.

Ποιες είναι οι συνθήκες υπό τις οποίες μια ουσία αλλάζει από τη μια κατάσταση στην άλλη;

Βρασμός

Αν χαμηλώσουμε το θερμόμετρο στο νερό που χύνεται στον βραστήρα, ανάψουμε την ηλεκτρική κουζίνα και παρακολουθήσουμε τον υδράργυρο του θερμομέτρου, θα δούμε τα εξής: σχεδόν αμέσως το επίπεδο του υδραργύρου θα ανέβει. Είναι ήδη 90, 95, επιτέλους 100°C. Το νερό βράζει, και ταυτόχρονα σταματά η άνοδος του υδραργύρου. Το νερό βράζει για πολλά λεπτά, αλλά το επίπεδο του υδραργύρου δεν αλλάζει. Μέχρι να βράσει όλο το νερό, η θερμοκρασία δεν θα αλλάξει (Εικ. 4.1).

Ρύζι. 4.1

Πού πάει η θερμότητα αν δεν αλλάξει η θερμοκρασία του νερού; Η απάντηση είναι προφανής. Η διαδικασία μετατροπής του νερού σε ατμό απαιτεί ενέργεια.

Ας συγκρίνουμε την ενέργεια ενός γραμμαρίου νερού και ενός γραμμαρίου ατμού που σχηματίζεται από αυτό. Τα μόρια του ατμού απέχουν περισσότερο από τα μόρια του νερού. Είναι σαφές ότι εξαιτίας αυτού, η δυναμική ενέργεια του νερού θα διαφέρει από τη δυνητική ενέργεια του ατμού.

Η δυναμική ενέργεια των ελκόμενων σωματιδίων μειώνεται καθώς πλησιάζουν το ένα το άλλο. Επομένως, η ενέργεια του ατμού είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια του νερού και η μετατροπή του νερού σε ατμό απαιτεί ενέργεια. Αυτή η περίσσεια ενέργειας μεταδίδεται από μια ηλεκτρική κουζίνα σε βραστό νερό σε ένα βραστήρα.

Η ενέργεια που απαιτείται για τη μετατροπή του νερού σε ατμό. που ονομάζεται θερμότητα εξάτμισης. Χρειάζονται 539 θερμίδες για να μετατραπεί 1 g νερού σε ατμό (αυτός είναι ο αριθμός για θερμοκρασία 100°C).

Εάν οι 539 θερμίδες πάνε στο 1 g, τότε 18 * 539 \u003d 9700 θερμίδες θα δαπανηθούν σε 1 mole νερού. Αυτή η ποσότητα θερμότητας πρέπει να δαπανηθεί για να σπάσει διαμοριακούς δεσμούς.

Μπορείτε να συγκρίνετε αυτόν τον αριθμό με την ποσότητα εργασίας που απαιτείται για τη διάσπαση των ενδομοριακών δεσμών. Για να χωριστεί 1 mol υδρατμού σε άτομα, απαιτούνται περίπου 220.000 θερμίδες, δηλαδή 25 φορές περισσότερη ενέργεια. Αυτό αποδεικνύει άμεσα την αδυναμία των δυνάμεων που δεσμεύουν τα μόρια μεταξύ τους, σε σύγκριση με τις δυνάμεις που έλκουν τα άτομα μαζί σε ένα μόριο.

Θερμοκρασία βρασμού έναντι πίεσης

Το σημείο βρασμού του νερού είναι 100°C. Θα μπορούσε κανείς να σκεφτεί ότι αυτή είναι μια εγγενής ιδιότητα του νερού, ότι το νερό, όπου και υπό ποιες συνθήκες βρίσκεται, θα βράζει πάντα στους 100 ° C.

Δεν είναι όμως έτσι και οι κάτοικοι των ψηλών χωριών το γνωρίζουν καλά.

Κοντά στην κορυφή του Elbrus υπάρχει ένα σπίτι για τους τουρίστες και ένας επιστημονικός σταθμός. Οι αρχάριοι αναρωτιούνται μερικές φορές «πόσο δύσκολο είναι να βράσεις ένα αυγό σε βραστό νερό» ή «γιατί το βραστό νερό δεν καίει». Κάτω από αυτές τις συνθήκες, τους λένε ότι το νερό βράζει στην κορυφή του Elbrus ήδη στους 82°C.

Τι συμβαίνει εδώ; Ποιος φυσικός παράγοντας παρεμβαίνει στο φαινόμενο του βρασμού; Ποια είναι η σημασία του υψομέτρου;

Αυτός ο φυσικός παράγοντας είναι η πίεση που δρα στην επιφάνεια του υγρού. Δεν χρειάζεται να ανεβείτε στην κορυφή του βουνού για να ελέγξετε την εγκυρότητα των όσων έχουν ειπωθεί.

Τοποθετώντας θερμαινόμενο νερό κάτω από το κουδούνι και αντλώντας αέρα μέσα ή έξω από αυτό, μπορεί κανείς να πειστεί ότι το σημείο βρασμού αυξάνεται με την αύξηση της πίεσης και πέφτει με τη μείωση της πίεσης.

Το νερό βράζει στους 100°C μόνο σε μια ορισμένη πίεση - 760 mm Hg. Τέχνη. (ή 1 atm).

Η καμπύλη σημείου βρασμού έναντι πίεσης φαίνεται στο σχ. 4.2. Στην κορυφή του Elbrus, η πίεση είναι 0,5 atm και αυτή η πίεση αντιστοιχεί σε σημείο βρασμού 82 ° C.

Ρύζι. 4.2

Αλλά το νερό που βράζει στα 10-15 mm Hg. Art., μπορείτε να ανανεωθείτε σε ζεστό καιρό. Σε αυτή την πίεση, το σημείο βρασμού θα πέσει στους 10-15°C.

Μπορείτε να πάρετε ακόμη και «βραστό νερό», που έχει τη θερμοκρασία του παγωμένου νερού. Για να γίνει αυτό, θα πρέπει να μειώσετε την πίεση στα 4,6 mm Hg. Τέχνη.

Μια ενδιαφέρουσα εικόνα μπορεί να παρατηρηθεί εάν τοποθετήσετε ένα ανοιχτό δοχείο με νερό κάτω από το κουδούνι και αντλήσετε τον αέρα. Η άντληση θα κάνει το νερό να βράσει, αλλά το βράσιμο απαιτεί θερμότητα. Δεν υπάρχει από πού να το πάρεις και το νερό θα πρέπει να εγκαταλείψει την ενέργειά του. Η θερμοκρασία του νερού που βράζει θα αρχίσει να πέφτει, αλλά όσο συνεχίζεται η άντληση τόσο θα πέφτει και η πίεση. Επομένως, ο βρασμός δεν θα σταματήσει, το νερό θα συνεχίσει να κρυώνει και τελικά να παγώσει.

Αυτός ο βρασμός κρύου νερού δεν συμβαίνει μόνο όταν ο αέρας αντλείται. Για παράδειγμα, όταν η προπέλα ενός πλοίου περιστρέφεται, η πίεση σε ένα στρώμα νερού που κινείται γρήγορα κοντά σε μια μεταλλική επιφάνεια πέφτει απότομα και το νερό σε αυτό το στρώμα βράζει, δηλαδή, εμφανίζονται πολλές φυσαλίδες γεμάτες με ατμό. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σπηλαίωση (από τη λατινική λέξη cavitas - κοιλότητα).

Χαμηλώνοντας την πίεση, χαμηλώνουμε το σημείο βρασμού. Τι γίνεται με την αύξηση του; Ένα γράφημα σαν το δικό μας απαντά σε αυτήν την ερώτηση. Μια πίεση 15 atm μπορεί να καθυστερήσει το βρασμό του νερού, θα ξεκινήσει μόνο στους 200°C και μια πίεση 80 atm θα κάνει το νερό να βράσει μόνο στους 300°C.

Άρα, μια ορισμένη εξωτερική πίεση αντιστοιχεί σε ένα ορισμένο σημείο βρασμού. Αλλά αυτή η δήλωση μπορεί επίσης να «αναποδογυριστεί», λέγοντας το εξής: κάθε σημείο βρασμού νερού αντιστοιχεί στη δική του συγκεκριμένη πίεση. Αυτή η πίεση ονομάζεται πίεση ατμών.

Η καμπύλη που απεικονίζει το σημείο βρασμού ως συνάρτηση της πίεσης είναι επίσης η καμπύλη της πίεσης ατμών ως συνάρτηση της θερμοκρασίας.

Τα σχήματα που απεικονίζονται σε ένα γράφημα σημείου βρασμού (ή γράφημα πίεσης ατμών) δείχνουν ότι η τάση ατμών αλλάζει πολύ γρήγορα με τη θερμοκρασία. Στους 0°C (δηλαδή, 273 Κ), η τάση ατμών είναι 4,6 mm Hg. Art., στους 100 ° C (373 K) είναι ίσο με 760 mm Hg. Άρθ., δηλαδή αυξάνεται κατά 165 φορές. Όταν η θερμοκρασία διπλασιαστεί (από 0 ° C, δηλαδή 273 K, σε 273 ° C, δηλ. 546 K), η τάση ατμών αυξάνεται από 4,6 mm Hg. Τέχνη. μέχρι σχεδόν 60 atm, δηλαδή περίπου 10.000 φορές.

Επομένως, αντίθετα, το σημείο βρασμού αλλάζει μάλλον αργά με την πίεση. Όταν η πίεση διπλασιαστεί από 0,5 atm σε 1 atm, το σημείο βρασμού αυξάνεται από 82°C (355 K) σε 100°C (373 K) και όταν η πίεση διπλασιαστεί από 1 σε 2 atm, από 100°C (373 Κ) έως 120°C (393 Κ).

Η ίδια καμπύλη που εξετάζουμε τώρα ελέγχει επίσης τη συμπύκνωση (πάχυνση) του ατμού σε νερό.

Ο ατμός μπορεί να μετατραπεί σε νερό είτε με συμπίεση είτε με ψύξη.

Τόσο κατά τη διάρκεια του βρασμού όσο και κατά τη διάρκεια της συμπύκνωσης, το σημείο δεν θα μετακινηθεί από την καμπύλη μέχρι να ολοκληρωθεί η μετατροπή του ατμού σε νερό ή νερού σε ατμό. Αυτό μπορεί επίσης να διατυπωθεί ως εξής: υπό τις συνθήκες της καμπύλης μας, και μόνο υπό αυτές τις συνθήκες, είναι δυνατή η συνύπαρξη υγρού και ατμού. Εάν ταυτόχρονα δεν προστεθεί ή αφαιρεθεί θερμότητα, τότε οι ποσότητες ατμού και υγρού σε ένα κλειστό δοχείο θα παραμείνουν αμετάβλητες. Ένας τέτοιος ατμός και το υγρό λέγεται ότι βρίσκονται σε ισορροπία και ένας ατμός σε ισορροπία με το υγρό του λέγεται ότι είναι κορεσμένος.

Η καμπύλη βρασμού και συμπύκνωσης, όπως βλέπουμε, έχει άλλη σημασία: είναι η καμπύλη ισορροπίας υγρού και ατμού. Η καμπύλη ισορροπίας χωρίζει το πεδίο του διαγράμματος σε δύο μέρη. Αριστερά και προς τα πάνω (προς υψηλότερες θερμοκρασίες και χαμηλότερες πιέσεις) βρίσκεται η περιοχή της σταθερής κατάστασης του ατμού. Δεξιά και κάτω - η περιοχή της σταθερής κατάστασης του υγρού.

Η καμπύλη ισορροπίας ατμού-υγρού, δηλαδή η εξάρτηση του σημείου βρασμού από την πίεση ή, το ίδιο, η πίεση ατμών από τη θερμοκρασία, είναι περίπου η ίδια για όλα τα υγρά. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η αλλαγή μπορεί να είναι κάπως πιο απότομη, σε άλλες - κάπως πιο αργή, αλλά πάντα η τάση ατμών αυξάνεται γρήγορα με την αύξηση της θερμοκρασίας.

Έχουμε χρησιμοποιήσει πολλές φορές τις λέξεις «αέριο» και «ατμός». Αυτές οι δύο λέξεις είναι σχεδόν ίδιες. Μπορούμε να πούμε: το αέριο νερού είναι ο ατμός του νερού, το αέριο οξυγόνο είναι ο ατμός ενός υγρού οξυγόνου. Ωστόσο, έχει αναπτυχθεί κάποια συνήθεια στη χρήση αυτών των δύο λέξεων. Δεδομένου ότι είμαστε συνηθισμένοι σε ένα συγκεκριμένο σχετικά μικρό εύρος θερμοκρασιών, συνήθως χρησιμοποιούμε τη λέξη "αέριο" σε εκείνες τις ουσίες των οποίων η πίεση ατμών σε συνηθισμένες θερμοκρασίες είναι πάνω από την ατμοσφαιρική πίεση. Αντίθετα, μιλάμε για ατμό όταν, σε θερμοκρασία δωματίου και ατμοσφαιρική πίεση, η ουσία είναι πιο σταθερή με τη μορφή υγρού.

Εξάτμιση

Το βράσιμο είναι μια γρήγορη διαδικασία, και σε σύντομο χρονικό διάστημα δεν υπάρχει ίχνος βραστό νερό, μετατρέπεται σε ατμό.

Αλλά υπάρχει ένα άλλο φαινόμενο της μετατροπής του νερού ή άλλου υγρού σε ατμό - αυτό είναι η εξάτμιση. Η εξάτμιση συμβαίνει σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, ανεξάρτητα από την πίεση, η οποία υπό κανονικές συνθήκες είναι πάντα κοντά στα 760 mm Hg. Τέχνη. Η εξάτμιση, σε αντίθεση με το βράσιμο, είναι μια πολύ αργή διαδικασία. Το μπουκάλι της κολόνιας που ξεχάσαμε να κλείσουμε θα είναι άδειο σε λίγες μέρες. περισσότερο χρόνο o ένα πιατάκι με νερό θα σταθεί, αλλά αργά ή γρήγορα θα αποδειχθεί στεγνό.

Ο αέρας παίζει σημαντικό ρόλο στη διαδικασία εξάτμισης. Από μόνο του, δεν εμποδίζει την εξάτμιση του νερού. Μόλις ανοίξουμε την επιφάνεια του υγρού, τα μόρια του νερού θα αρχίσουν να κινούνται στο πλησιέστερο στρώμα αέρα.

Η πυκνότητα ατμών σε αυτό το στρώμα θα αυξηθεί γρήγορα. μετά από σύντομο χρονικό διάστημα, η τάση ατμών θα γίνει ίση με το χαρακτηριστικό ελαστικότητας της θερμοκρασίας του μέσου. Σε αυτή την περίπτωση, η τάση ατμών θα είναι ακριβώς η ίδια με την απουσία αέρα.

Η μετάβαση του ατμού στον αέρα δεν σημαίνει, φυσικά, αύξηση της πίεσης. Η συνολική πίεση στον χώρο πάνω από την επιφάνεια του νερού δεν αυξάνεται, μόνο το μερίδιο αυτής της πίεσης που προσλαμβάνεται από τον ατμό αυξάνεται και, κατά συνέπεια, μειώνεται η αναλογία του αέρα που μετατοπίζεται από τον ατμό.

Πάνω από το νερό υπάρχει ατμός αναμεμειγμένος με αέρα, από πάνω υπάρχουν στρώματα αέρα χωρίς ατμό. Αναπόφευκτα θα ανακατευτούν. Οι υδρατμοί θα μετακινούνται συνεχώς σε υψηλότερα στρώματα και στη θέση του, ο αέρας θα ρέει στο κάτω στρώμα, το οποίο δεν περιέχει μόρια νερού. Επομένως, στο στρώμα που βρίσκεται πιο κοντά στο νερό, πάντα θα ελευθερώνονται θέσεις για νέα μόρια νερού. Το νερό θα εξατμίζεται συνεχώς, διατηρώντας την πίεση υδρατμών στην επιφάνεια ίση με την ελαστικότητα και η διαδικασία θα συνεχιστεί μέχρι να εξατμιστεί τελείως το νερό.

Ξεκινήσαμε με το παράδειγμα της κολόνιας και του νερού. Είναι γνωστό ότι εξατμίζονται με διαφορετικούς ρυθμούς. Ο αιθέρας εξατμίζεται εξαιρετικά γρήγορα, το αλκοόλ μάλλον γρήγορα και το νερό πολύ πιο αργά. Θα καταλάβουμε αμέσως τι συμβαίνει αν βρούμε στο βιβλίο αναφοράς τις τιμές της τάσης ατμών αυτών των υγρών, ας πούμε, σε θερμοκρασία δωματίου. Εδώ είναι οι αριθμοί: αιθέρας - 437 mm Hg. Art., αλκοόλ - 44,5 mm Hg. Τέχνη. και νερό - 17,5 mm Hg. Τέχνη.

Όσο μεγαλύτερη είναι η ελαστικότητα, τόσο περισσότεροι ατμοί βρίσκονται στο παρακείμενο στρώμα αέρα και τόσο πιο γρήγορα εξατμίζεται το υγρό. Γνωρίζουμε ότι η τάση ατμών αυξάνεται με τη θερμοκρασία. Είναι σαφές γιατί ο ρυθμός εξάτμισης αυξάνεται με τη θέρμανση.

Ο ρυθμός εξάτμισης μπορεί επίσης να επηρεαστεί με άλλο τρόπο. Αν θέλουμε να βοηθήσουμε την εξάτμιση, πρέπει να αφαιρέσουμε γρήγορα τον ατμό από το υγρό, δηλαδή να επιταχύνουμε την ανάμιξη του αέρα. Γι' αυτό η εξάτμιση επιταχύνεται πολύ με το φύσημα του υγρού. Το νερό, αν και έχει σχετικά μικρή τάση ατμών, θα εξαφανιστεί σχετικά γρήγορα εάν το πιατάκι τοποθετηθεί στον αέρα.

Είναι κατανοητό, λοιπόν, γιατί ένας κολυμβητής που βγαίνει από το νερό νιώθει κρύο στον αέρα. Ο άνεμος επιταχύνει την ανάμειξη του αέρα με τον ατμό και, ως εκ τούτου, επιταχύνει την εξάτμιση, και η θερμότητα για την εξάτμιση αναγκάζεται να εγκαταλείψει το ανθρώπινο σώμα.

Η ευημερία ενός ατόμου εξαρτάται από το αν υπάρχει πολύς ή λίγος υδρατμός στον αέρα. Τόσο ο ξηρός όσο και ο υγρός αέρας είναι δυσάρεστοι. Η υγρασία θεωρείται φυσιολογική όταν είναι 60%. Αυτό σημαίνει ότι η πυκνότητα των υδρατμών είναι το 60% της πυκνότητας των κορεσμένων υδρατμών στην ίδια θερμοκρασία.

Εάν ο υγρός αέρας ψύχεται, τότε τελικά η πίεση των υδρατμών σε αυτόν θα είναι ίση με την πίεση ατμών σε αυτή τη θερμοκρασία. Ο ατμός θα κορεστεί και, καθώς η θερμοκρασία πέφτει περαιτέρω, θα αρχίσει να συμπυκνώνεται σε νερό. Η πρωινή δροσιά, το ενυδατικό γρασίδι και τα φύλλα, εμφανίζεται ακριβώς εξαιτίας αυτού του φαινομένου.

Στους 20°C, η πυκνότητα των κορεσμένων υδρατμών είναι περίπου 0,00002 g/cm3. Θα νιώθουμε καλά αν ο αέρας περιέχει το 60% αυτού του αριθμού υδρατμών - που σημαίνει μόνο λίγο περισσότερο από το εκατό χιλιοστό του γραμμαρίου σε 1 cm 3.

Αν και αυτός ο αριθμός είναι μικρός, θα οδηγήσει σε εντυπωσιακές ποσότητες ατμού για ένα δωμάτιο. Είναι εύκολο να υπολογιστεί ότι σε ένα δωμάτιο μεσαίου μεγέθους με επιφάνεια 12 m 2 και ύψος 3 m, περίπου ένα κιλό νερού μπορεί να "χωρέσει" με τη μορφή κορεσμένου ατμού.

Έτσι, αν κλείσετε καλά ένα τέτοιο δωμάτιο και βάλετε ένα ανοιχτό βαρέλι με νερό, τότε ένα λίτρο νερό θα εξατμιστεί, ανεξάρτητα από την χωρητικότητα του βαρελιού.

Είναι ενδιαφέρον να συγκρίνουμε αυτό το αποτέλεσμα για το νερό με τα αντίστοιχα στοιχεία για τον υδράργυρο. Στην ίδια θερμοκρασία 20°C, η πυκνότητα του κορεσμένου ατμού υδραργύρου είναι 10 -8 g/cm 3 .

Στο δωμάτιο που μόλις συζητήσαμε, δεν χωράει περισσότερο από 1 g ατμού υδραργύρου.

Παρεμπιπτόντως, οι ατμοί υδραργύρου είναι πολύ τοξικοί και 1 g ατμού υδραργύρου μπορεί να βλάψει σοβαρά την υγεία οποιουδήποτε ατόμου. Όταν εργάζεστε με υδράργυρο, πρέπει να προσέχετε ώστε να μην χυθεί και η παραμικρή σταγόνα υδραργύρου.

Κρίσιμη θερμοκρασία

Πώς να μετατρέψετε το αέριο σε υγρό; Το γράφημα βρασμού απαντά σε αυτή την ερώτηση. Μπορείτε να μετατρέψετε ένα αέριο σε υγρό είτε μειώνοντας τη θερμοκρασία είτε αυξάνοντας την πίεση.

Τον 19ο αιώνα, η αύξηση της πίεσης φαινόταν ευκολότερη από τη μείωση της θερμοκρασίας. Στις αρχές αυτού του αιώνα, ο μεγάλος Άγγλος φυσικός Michael Farada κατάφερε να συμπιέσει τα αέρια στις τιμές της τάσης ατμών και με αυτόν τον τρόπο να μετατρέψει πολλά αέρια (χλώριο, διοξείδιο του άνθρακα κ.λπ.) σε υγρό.

Ωστόσο, ορισμένα αέρια - υδρογόνο, άζωτο, οξυγόνο - δεν προσφέρθηκαν για ρευστοποίηση. Όσο κι αν αυξήθηκε η πίεση, δεν μετατράπηκαν σε υγρό. Κάποιος θα μπορούσε να σκεφτεί ότι το οξυγόνο και άλλα αέρια δεν θα μπορούσαν να είναι υγρά. Ταξινομήθηκαν ως αληθινά ή μόνιμα αέρια.

Στην πραγματικότητα, οι αποτυχίες προκλήθηκαν από παρανόηση μιας σημαντικής περίστασης.

Θεωρήστε ένα υγρό και έναν ατμό σε ισορροπία και σκεφτείτε τι τους συμβαίνει καθώς αυξάνεται το σημείο βρασμού και, φυσικά, καθώς αυξάνεται η πίεση ανάλογα. Με άλλα λόγια, φανταστείτε ότι ένα σημείο στο γράφημα βρασμού κινείται προς τα πάνω κατά μήκος της καμπύλης. Είναι σαφές ότι το υγρό διαστέλλεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και η πυκνότητά του μειώνεται. Όσο για τον ατμό, αύξηση του σημείου βρασμού; Φυσικά, συμβάλλει στη διαστολή του, αλλά, όπως έχουμε ήδη πει, η πίεση των ατμών κορεσμού αυξάνεται πολύ πιο γρήγορα από το σημείο βρασμού. Επομένως, η πυκνότητα των ατμών δεν πέφτει, αλλά, αντίθετα, αυξάνεται γρήγορα με την αύξηση του σημείου βρασμού.

Εφόσον η πυκνότητα του υγρού πέφτει, και η πυκνότητα του ατμού αυξάνεται, τότε, κινούμενοι «επάνω» κατά μήκος της καμπύλης βρασμού, αναπόφευκτα θα φτάσουμε σε ένα σημείο στο οποίο οι πυκνότητες του υγρού και του ατμού γίνονται ίσες (Εικ. 4.3).

Ρύζι. 4.3

Σε αυτό το αξιοσημείωτο σημείο, που ονομάζεται κρίσιμο σημείο, τελειώνει η καμπύλη βρασμού. Δεδομένου ότι όλες οι διαφορές μεταξύ αερίου και υγρού οφείλονται στη διαφορά πυκνότητας, στο κρίσιμο σημείο οι ιδιότητες του υγρού και του αερίου γίνονται ίδιες. Κάθε ουσία έχει τη δική της κρίσιμη θερμοκρασία και τη δική της κρίσιμη πίεση. Άρα, για το νερό, το κρίσιμο σημείο αντιστοιχεί σε θερμοκρασία 374°C και πίεση 218,5 atm.

Εάν συμπιέσετε ένα αέριο του οποίου η θερμοκρασία είναι κάτω από την κρίσιμη, τότε η διαδικασία συμπίεσής του θα απεικονιστεί με ένα βέλος που διασχίζει την καμπύλη βρασμού (Εικ. 4.4). Αυτό σημαίνει ότι τη στιγμή της επίτευξης πίεσης ίσης με την τάση ατμών (το σημείο τομής του βέλους με την καμπύλη βρασμού), το αέριο θα αρχίσει να συμπυκνώνεται σε υγρό. Αν το αγγείο μας ήταν διαφανές, τότε αυτή τη στιγμή θα βλέπαμε την αρχή του σχηματισμού ενός υγρού στρώματος στον πυθμένα του αγγείου. Σε σταθερή πίεση, το στρώμα του υγρού θα αναπτυχθεί έως ότου, τελικά, όλο το αέριο μετατραπεί σε υγρό. Περαιτέρω συμπίεση θα απαιτήσει αύξηση της πίεσης.

Ρύζι. 4.4

Η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική όταν το αέριο συμπιέζεται, η θερμοκρασία του οποίου είναι υψηλότερη από την κρίσιμη. Η διαδικασία συμπίεσης μπορεί και πάλι να απεικονιστεί ως βέλος που πηγαίνει από κάτω προς τα πάνω. Αλλά τώρα αυτό το βέλος δεν διασχίζει την καμπύλη βρασμού. Αυτό σημαίνει ότι κατά τη συμπίεση, ο ατμός δεν θα συμπυκνωθεί, αλλά θα συμπυκνωθεί μόνο συνεχώς.

Σε μια θερμοκρασία πάνω από την κρίσιμη, η ύπαρξη ενός υγρού και ενός αερίου που χωρίζονται από μια διεπαφή είναι αδύνατη: Όταν συμπιέζεται σε οποιαδήποτε πυκνότητα, μια ομοιογενής ουσία θα βρίσκεται κάτω από το έμβολο και είναι δύσκολο να πούμε πότε μπορεί να ονομαστεί αέριο και πότε μπορεί να ονομαστεί υγρό.

Η παρουσία ενός κρίσιμου σημείου δείχνει ότι δεν υπάρχει θεμελιώδης διαφορά μεταξύ της υγρής και της αέριας κατάστασης. Με την πρώτη ματιά, μπορεί να φαίνεται ότι δεν υπάρχει τέτοια θεμελιώδης διαφορά μόνο στην περίπτωση που μιλάμε για θερμοκρασίες πάνω από την κρίσιμη. Αυτό, όμως, δεν ισχύει. Η ύπαρξη ενός κρίσιμου σημείου υποδηλώνει τη δυνατότητα μετατροπής ενός υγρού - ενός πραγματικού υγρού που μπορεί να χυθεί σε ένα ποτήρι - σε αέρια κατάσταση χωρίς καμία εμφάνιση βρασμού.

Αυτή η διαδρομή μετασχηματισμού φαίνεται στο Σχ. 4.4. Το γνωστό υγρό σημειώνεται με σταυρό. Αν χαμηλώσεις λίγο την πίεση (βέλος προς τα κάτω), θα βράσει, θα βράσει αν ανεβάσεις λίγο τη θερμοκρασία (βέλος προς τα δεξιά). Θα κάνουμε όμως κάτι τελείως διαφορετικό.Θα συμπιέσουμε το υγρό πολύ δυνατά, σε πίεση πάνω από την κρίσιμη. Το σημείο που αντιπροσωπεύει την κατάσταση του υγρού θα πάει κατακόρυφα προς τα πάνω. Στη συνέχεια θερμαίνουμε το υγρό - αυτή η διαδικασία απεικονίζεται με μια οριζόντια γραμμή. Τώρα, αφού βρεθήκαμε στα δεξιά της Κρίσιμης θερμοκρασίας, θα χαμηλώσουμε την πίεση στην αρχική. Αν τώρα μειώσουμε τη θερμοκρασία, τότε μπορούμε να πάρουμε τον πιο πραγματικό ατμό, που θα μπορούσε να ληφθεί από αυτό το υγρό με πιο απλό και συντομότερο τρόπο.

Έτσι, είναι πάντα δυνατό, μεταβάλλοντας την πίεση και τη θερμοκρασία να παρακαμφθεί το κρίσιμο σημείο, να ληφθεί ατμός με συνεχή μετάβαση από υγρό ή υγρό από ατμό. Μια τέτοια συνεχής μετάβαση δεν απαιτεί βρασμό ή συμπύκνωση.

Οι πρώτες προσπάθειες υγροποίησης αερίων όπως το οξυγόνο, το άζωτο, το υδρογόνο ήταν επομένως ανεπιτυχείς επειδή δεν ήταν γνωστή η ύπαρξη μιας κρίσιμης θερμοκρασίας. Αυτά τα αέρια έχουν πολύ χαμηλές κρίσιμες θερμοκρασίες: το άζωτο έχει -147°C, το οξυγόνο έχει -119°C, το υδρογόνο έχει -240°C ή 33 Κ. Ο κάτοχος του ρεκόρ είναι το ήλιο, η κρίσιμη θερμοκρασία του είναι 4,3 Κ. Μετατρέψτε αυτά τα αέρια σε υγρό μπορεί να γίνει μόνο με έναν τρόπο - είναι απαραίτητο να μειωθεί η θερμοκρασία τους κάτω από την καθορισμένη.

Λήψη χαμηλών θερμοκρασιών

Μια σημαντική μείωση της θερμοκρασίας μπορεί να επιτευχθεί με διάφορους τρόπους. Αλλά η ιδέα όλων των μεθόδων είναι η ίδια: πρέπει να αναγκάσουμε το σώμα που θέλουμε να κρυώσει να ξοδέψει την εσωτερική του ενέργεια.

Πως να το κάνεις? Ένας τρόπος είναι να κάνετε το υγρό να βράσει χωρίς να παρέχεται θερμότητα από έξω. Για να γίνει αυτό, όπως γνωρίζουμε, είναι απαραίτητο να μειωθεί η πίεση - να μειωθεί στην τιμή της πίεσης ατμών. Η θερμότητα που δαπανάται για βρασμό θα δανειστεί από το υγρό και τη θερμοκρασία του υγρού και των ατμών, και μαζί με αυτήν θα πέσει η τάση ατμών. Επομένως, για να μην σταματήσει ο βρασμός και να γίνει πιο γρήγορα, πρέπει να αντλείται συνεχώς αέρας από το δοχείο με το υγρό.

Ωστόσο, υπάρχει ένα όριο στην πτώση της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας: η τάση ατμών τελικά γίνεται εντελώς ασήμαντη και ακόμη και οι ισχυρότερες αντλίες άντλησης δεν μπορούν να δημιουργήσουν την απαιτούμενη πίεση.

Για να συνεχιστεί η μείωση της θερμοκρασίας, είναι δυνατόν, ψύχοντας το αέριο με το υγρό που προκύπτει, να μετατραπεί σε υγρό με χαμηλότερο σημείο βρασμού.

Τώρα η διαδικασία άντλησης μπορεί να επαναληφθεί με τη δεύτερη ουσία και έτσι να επιτευχθούν χαμηλότερες θερμοκρασίες. Εάν είναι απαραίτητο, μια τέτοια μέθοδος "καταρράκτη" για τη λήψη χαμηλών θερμοκρασιών μπορεί να επεκταθεί.

Αυτό ακριβώς έκαναν στα τέλη του περασμένου αιώνα. η υγροποίηση των αερίων πραγματοποιήθηκε σε στάδια: αιθυλένιο, οξυγόνο, άζωτο, υδρογόνο, ουσίες με σημεία βρασμού -103, -183, -196 και -253°C, μετατράπηκαν διαδοχικά σε υγρό. Έχοντας υγρό υδρογόνο, μπορείτε επίσης να πάρετε το χαμηλότερο βραστό υγρό - ήλιο (-269 ° C). Ο γείτονας στα «αριστερά» βοήθησε να φτάσει ο γείτονας στα «δεξιά».

Η μέθοδος καταρράκτη ψύξης είναι σχεδόν εκατό ετών. Το 1877 λήφθηκε υγρός αέρας με αυτή τη μέθοδο.

Το 1884-1885. υγρό υδρογόνο παρήχθη για πρώτη φορά. Τελικά, μετά από άλλα είκοσι χρόνια, καταλήφθηκε το τελευταίο φρούριο: το 1908, ο Kamerling-Onnes στην πόλη Leiden της Ολλανδίας μετέτρεψε το ήλιο σε υγρό - μια ουσία με τη χαμηλότερη κρίσιμη θερμοκρασία. Η 70ή επέτειος αυτού του σημαντικού επιστημονικού επιτεύγματος γιορτάστηκε πρόσφατα.

Για πολλά χρόνια το εργαστήριο του Leiden ήταν το μόνο εργαστήριο «χαμηλών θερμοκρασιών». Τώρα σε όλες τις χώρες υπάρχουν δεκάδες τέτοια εργαστήρια, για να μην αναφέρουμε φυτά που παράγουν υγρό αέρα, άζωτο, οξυγόνο και ήλιο για τεχνικούς σκοπούς.

Η μέθοδος καταρράκτη για τη λήψη χαμηλών θερμοκρασιών χρησιμοποιείται πλέον σπάνια. Σε τεχνικές εγκαταστάσεις, για τη μείωση της θερμοκρασίας, χρησιμοποιείται μια άλλη μέθοδος για τη μείωση της εσωτερικής ενέργειας του αερίου: το αέριο αναγκάζεται να διαστέλλεται γρήγορα και να εκτελεί εργασίες σε βάρος της εσωτερικής ενέργειας.

Εάν, για παράδειγμα, αέρας συμπιεσμένος σε πολλές ατμόσφαιρες τοποθετηθεί σε έναν διαστολέα, τότε όταν ολοκληρωθεί η εργασία της κίνησης του εμβόλου ή της περιστροφής του στροβίλου, ο αέρας θα κρυώσει τόσο απότομα που θα μετατραπεί σε υγρό. Το διοξείδιο του άνθρακα, αν απελευθερωθεί γρήγορα από τον κύλινδρο, ψύχεται τόσο απότομα που μετατρέπεται σε «πάγο» εν κινήσει.

Τα υγρά αέρια χρησιμοποιούνται ευρέως στη μηχανική. Το υγρό οξυγόνο χρησιμοποιείται στην εκρηκτική τεχνολογία ως συστατικό του μείγματος καυσίμου σε κινητήρες αεριωθουμένων.

Η υγροποίηση του αέρα χρησιμοποιείται στη μηχανική για τον διαχωρισμό των αερίων που συνθέτουν τον αέρα.

Σε διάφορους τομείς της τεχνολογίας, απαιτείται η εργασία σε θερμοκρασία υγρού αέρα. Αλλά για πολλές φυσικές μελέτες, αυτή η θερμοκρασία δεν είναι αρκετά χαμηλή. Πράγματι, αν μεταφράσουμε τους βαθμούς Κελσίου σε απόλυτη κλίμακα, θα δούμε ότι η θερμοκρασία του υγρού αέρα είναι περίπου το 1/3 της θερμοκρασίας δωματίου. Πολύ πιο ενδιαφέρουσες για τη φυσική είναι οι θερμοκρασίες «υδρογόνου», δηλαδή οι θερμοκρασίες της τάξης των 14-20 Κ, και ιδιαίτερα οι θερμοκρασίες «ηλίου». Η χαμηλότερη θερμοκρασία που επιτυγχάνεται όταν αντλείται υγρό ήλιο είναι 0,7 Κ.

Οι φυσικοί έχουν καταφέρει να έρθουν πολύ πιο κοντά στο απόλυτο μηδέν. Επί του παρόντος, έχουν επιτευχθεί θερμοκρασίες που υπερβαίνουν το απόλυτο μηδέν μόνο κατά μερικά χιλιοστά του βαθμού. Ωστόσο, αυτές οι εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες επιτυγχάνονται με τρόπους που δεν είναι παρόμοιοι με αυτούς που περιγράψαμε παραπάνω.

Τα τελευταία χρόνια, η φυσική χαμηλής θερμοκρασίας έχει δημιουργήσει έναν ειδικό κλάδο της βιομηχανίας που ασχολείται με την παραγωγή συσκευών που καθιστά δυνατή τη διατήρηση μεγάλων όγκων σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν. Έχουν αναπτυχθεί καλώδια τροφοδοσίας των οποίων οι ζυγοί λειτουργούν σε θερμοκρασία μικρότερη από 10 Κ.

Υπερψυγμένος ατμός και υπερθερμασμένο υγρό

Κατά τη μετάβαση του σημείου βρασμού, ο ατμός πρέπει να συμπυκνωθεί, να μετατραπεί σε υγρό. Ωστόσο,; Αποδεικνύεται ότι εάν ο ατμός δεν έρθει σε επαφή με το υγρό και εάν ο ατμός είναι πολύ καθαρός, τότε είναι δυνατό να ληφθεί ένας υπερψυγμένος ή υπερκορεσμένος ατμός - ένας ατμός που θα έπρεπε να είχε γίνει υγρό εδώ και πολύ καιρό.

Ο υπερκορεσμένος ατμός είναι πολύ ασταθής. Μερικές φορές ένα σπρώξιμο ή ένας κόκκος ατμού που ρίχνεται στο διάστημα είναι αρκετός για να ξεκινήσει μια καθυστερημένη συμπύκνωση.

Η εμπειρία δείχνει ότι η συμπύκνωση των μορίων ατμού διευκολύνεται πολύ από την εισαγωγή μικρών ξένων σωματιδίων στον ατμό. Σε σκονισμένο αέρα, δεν υπάρχει υπερκορεσμός υδρατμών. Μπορεί να προκαλέσει συμπύκνωση με ρουφηξιές καπνού. Άλλωστε, ο καπνός αποτελείται από μικρά στερεά σωματίδια. Μπαίνοντας στον ατμό, αυτά τα σωματίδια συλλέγουν μόρια γύρω τους και γίνονται κέντρα συμπύκνωσης.

Έτσι, αν και ασταθής, ο ατμός μπορεί να υπάρχει στο εύρος θερμοκρασίας προσαρμοσμένο για τη «ζωή» του υγρού.

Μπορεί ένα υγρό να «ζήσει» στην περιοχή των ατμών υπό τις ίδιες συνθήκες; Με άλλα λόγια, είναι δυνατόν να υπερθερμανθεί ένα υγρό;

Αποδεικνύεται ότι μπορείτε. Για να γίνει αυτό, είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί ότι τα μόρια του υγρού δεν αποσπώνται από την επιφάνειά του. Η ριζική θεραπεία είναι η εξάλειψη της ελεύθερης επιφάνειας, δηλαδή η τοποθέτηση του υγρού σε ένα δοχείο όπου θα συμπιέζεται από όλες τις πλευρές από συμπαγή τοιχώματα. Με αυτόν τον τρόπο, είναι δυνατό να επιτευχθεί υπερθέρμανση της τάξης πολλών μοιρών, δηλαδή να μετακινηθεί το σημείο που απεικονίζει την κατάσταση των υγρών στα δεξιά της καμπύλης βρασμού (Εικ. 4.4).

Η υπερθέρμανση είναι μια μετατόπιση ενός υγρού σε μια περιοχή ατμού, επομένως η υπερθέρμανση ενός υγρού μπορεί να επιτευχθεί τόσο με την παροχή θερμότητας όσο και με τη μείωση της πίεσης.

Ο τελευταίος τρόπος για να επιτύχετε εκπληκτικά αποτελέσματα. Το νερό ή άλλο υγρό, απαλλαγμένο προσεκτικά από τα διαλυμένα αέρια (αυτό δεν είναι εύκολο να γίνει), τοποθετείται σε δοχείο με έμβολο που φτάνει στην επιφάνεια του υγρού. Το δοχείο και το έμβολο πρέπει να διαβρέχονται με υγρό. Εάν τώρα τραβήξετε το έμβολο προς το μέρος σας, τότε το νερό που έχει προσκολληθεί στο κάτω μέρος του εμβόλου θα το ακολουθήσει. Αλλά το στρώμα του νερού, που προσκολλάται στο έμβολο, θα τραβήξει το επόμενο στρώμα νερού, αυτό το στρώμα θα τραβήξει το υποκείμενο, ως αποτέλεσμα, το υγρό θα τεντωθεί.

Στο τέλος, η στήλη του νερού θα σπάσει (είναι η στήλη του νερού, και όχι το νερό, που θα ξεκολλήσει από το έμβολο), αλλά αυτό θα συμβεί όταν η δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας φτάσει τα δεκάδες κιλά. Δημιουργείται δηλαδή αρνητική πίεση δεκάδων ατμοσφαιρών στο υγρό.

Ακόμη και σε χαμηλές θετικές πιέσεις, η κατάσταση ατμού της ύλης είναι σταθερή. Ένα υγρό μπορεί να τεθεί σε αρνητική πίεση. Δεν μπορείτε να φανταστείτε πιο εντυπωσιακό παράδειγμα «υπερθέρμανσης».

Τήξη

Δεν υπάρχει τέτοιο στερεό σώμα που να αντιστέκεται στην αύξηση της θερμοκρασίας όσο χρειάζεται. Αργά ή γρήγορα ένα στερεό κομμάτι μετατρέπεται σε υγρό. σωστά, σε ορισμένες περιπτώσεις δεν θα μπορέσουμε να φτάσουμε στο σημείο τήξης - μπορεί να συμβεί χημική αποσύνθεση.

Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, τα μόρια κινούνται όλο και πιο γρήγορα. Τέλος, έρχεται μια στιγμή που η διατήρηση της τάξης "μεταξύ ισχυρά" ταλαντευόμενων "μορίων γίνεται αδύνατη. Το στερεό σώμα λιώνει. Το βολφράμιο έχει το υψηλότερο σημείο τήξης: 3380 ° C. Ο χρυσός λιώνει στους 1063 ° C, ο σίδηρος στους 1539 ° C. Ωστόσο , υπάρχουν μέταλλα χαμηλής τήξης.Ο υδράργυρος, ως γνωστόν, λιώνει ήδη σε θερμοκρασία -39 ° C. Οι οργανικές ουσίες δεν έχουν υψηλά σημεία τήξης. Το ναφθαλίνιο λιώνει στους 80 ° C, το τολουόλιο - στους -94,5 ° C.

Δεν είναι καθόλου δύσκολο να μετρήσεις το σημείο τήξης ενός σώματος, ειδικά αν λιώνει στο εύρος θερμοκρασίας που μετριέται με ένα συνηθισμένο θερμόμετρο. Δεν είναι καθόλου απαραίτητο να ακολουθείς το σώμα που λιώνει με τα μάτια σου. Αρκεί να κοιτάξετε τη στήλη υδραργύρου του θερμομέτρου. Μέχρι να αρχίσει η τήξη, η θερμοκρασία του σώματος αυξάνεται (Εικ. 4.5). Μόλις ξεκινήσει η τήξη, η άνοδος της θερμοκρασίας σταματά και η θερμοκρασία θα παραμείνει αμετάβλητη μέχρι να ολοκληρωθεί η διαδικασία τήξης.

Ρύζι. 4.5

Όπως η μετατροπή ενός υγρού σε ατμό, η μετατροπή ενός στερεού σε υγρό απαιτεί θερμότητα. Η θερμότητα που απαιτείται για αυτό ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης. Για παράδειγμα, η τήξη ενός κιλού πάγου απαιτεί 80 kcal.

Ο πάγος είναι ένα από τα σώματα με υψηλή θερμότητα σύντηξης. Το λιώσιμο του πάγου απαιτεί, για παράδειγμα, 10 φορές περισσότερη ενέργεια από το λιώσιμο της ίδιας μάζας μολύβδου. Φυσικά, μιλάμε για την ίδια την τήξη, δεν λέμε εδώ ότι πριν αρχίσει η τήξη του μολύβδου, πρέπει να θερμανθεί στους + 327 ° C. Λόγω της υψηλής θερμότητας του λιώσιμου πάγου, το λιώσιμο του χιονιού επιβραδύνεται. Φανταστείτε ότι η θερμότητα της τήξης θα ήταν 10 φορές μικρότερη. Τότε οι ανοιξιάτικες πλημμύρες θα έφερναν κάθε χρόνο αφάνταστες καταστροφές.

Άρα, η θερμότητα τήξης του πάγου είναι μεγάλη, αλλά είναι επίσης μικρή σε σύγκριση με την ειδική θερμότητα εξάτμισης των 540 kcal/kg (επτά φορές λιγότερο). Ωστόσο, αυτή η διαφορά είναι αρκετά φυσική. Όταν μετατρέπουμε ένα υγρό σε ατμό, πρέπει να σκίζουμε τα μόρια το ένα από το άλλο και όταν λιώσουμε, δεν έχουμε παρά να καταστρέψουμε την τάξη στη διάταξη των μορίων, αφήνοντάς τα σχεδόν στις ίδιες αποστάσεις. Είναι σαφές ότι απαιτείται λιγότερη δουλειά στη δεύτερη περίπτωση.

Η παρουσία ενός συγκεκριμένου σημείου τήξης είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό των κρυσταλλικών ουσιών. Σε αυτή τη βάση είναι εύκολο να διακριθούν από άλλα στερεά, που ονομάζονται άμορφα ή γυαλιά. Τα ποτήρια βρίσκονται ανάμεσα σε ανόργανες και οργανικές ουσίες. Τα τζάμια παραθύρων κατασκευάζονται συνήθως από πυριτικά άλατα νατρίου και ασβεστίου. συχνά οργανικό γυαλί τοποθετείται στο γραφείο (λέγεται επίσης plexiglass).

Οι άμορφες ουσίες, σε αντίθεση με τους κρυστάλλους, δεν έχουν καθορισμένο σημείο τήξης. Το γυαλί δεν λιώνει, αλλά μαλακώνει. Όταν θερμαίνεται, ένα κομμάτι γυαλιού γίνεται πρώτα μαλακό από σκληρό, μπορεί εύκολα να λυγίσει ή να τεντωθεί. σε υψηλότερη θερμοκρασία, το κομμάτι αρχίζει να αλλάζει το σχήμα του υπό την επίδραση της δικής του βαρύτητας. Καθώς θερμαίνεται, η παχύρρευστη παχύρρευστη μάζα γυαλιού παίρνει το σχήμα του δοχείου στο οποίο βρίσκεται. Αυτή η μάζα είναι στην αρχή πηχτή, σαν μέλι, μετά σαν κρέμα γάλακτος και, τέλος, γίνεται σχεδόν τόσο χαμηλού ιξώδους υγρό όσο το νερό. Με όλη μας την επιθυμία, δεν μπορούμε να υποδείξουμε εδώ μια συγκεκριμένη θερμοκρασία για τη μετάβαση ενός στερεού σε ένα υγρό. Οι λόγοι για αυτό βρίσκονται στη θεμελιώδη διαφορά μεταξύ της δομής του γυαλιού και της δομής των κρυσταλλικών σωμάτων. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, τα άτομα σε άμορφα σώματα είναι διατεταγμένα τυχαία. Τα γυαλιά στη δομή τους μοιάζουν με υγρά.Ακόμα και στο συμπαγές γυαλί, τα μόρια είναι διατεταγμένα τυχαία. Αυτό σημαίνει ότι η αύξηση της θερμοκρασίας του γυαλιού αυξάνει μόνο το εύρος των δονήσεων των μορίων του, δίνοντάς τους σταδιακά όλο και μεγαλύτερη ελευθερία κινήσεων. Επομένως, το γυαλί μαλακώνει σταδιακά και δεν εμφανίζει απότομη μετάβαση "στερεό" - "υγρό", που είναι χαρακτηριστικό της μετάβασης από τη διάταξη των μορίων με αυστηρή σειρά σε μια τυχαία διάταξη.

Όσον αφορά την καμπύλη βρασμού, είπαμε ότι το υγρό και ο ατμός μπορούν, αν και σε ασταθή κατάσταση, να ζουν σε ξένες περιοχές - ο ατμός μπορεί να υπερψυχθεί και να μεταφερθεί στα αριστερά της καμπύλης βρασμού, το υγρό μπορεί να υπερθερμανθεί και να τραβηχτεί προς τα δεξιά αυτής της καμπύλης.

Είναι πιθανά παρόμοια φαινόμενα στην περίπτωση ενός κρυστάλλου με ένα υγρό; Αποδεικνύεται ότι η αναλογία εδώ είναι ελλιπής.

Εάν θερμάνετε τον κρύσταλλο, θα αρχίσει να λιώνει στο σημείο τήξης του. Ο κρύσταλλος δεν μπορεί να υπερθερμανθεί. Αντίθετα, με την ψύξη του υγρού, είναι δυνατό, εάν ληφθούν συγκεκριμένα μέτρα, να «γλιστρήσει» σχετικά εύκολα το σημείο τήξης. Σε ορισμένα υγρά, μπορούν να επιτευχθούν μεγάλες υποψύξεις. Υπάρχουν ακόμη και υγρά που είναι εύκολο να υπερψυχθούν, αλλά δύσκολο να κρυσταλλωθούν. Καθώς ένα τέτοιο υγρό ψύχεται, γίνεται όλο και πιο παχύρρευστο και τελικά στερεοποιείται χωρίς να κρυσταλλώνεται. Τέτοιο είναι το γυαλί.

Μπορείτε επίσης να ξαναψύξετε νερό. Τα σταγονίδια ομίχλης μπορεί να μην παγώσουν ακόμη και σε σοβαρούς παγετούς. Εάν ένας κρύσταλλος μιας ουσίας, ένας σπόρος, ριχθεί σε ένα υπερψυγμένο υγρό, τότε θα αρχίσει αμέσως η κρυστάλλωση.

Τέλος, σε πολλές περιπτώσεις η καθυστερημένη κρυστάλλωση μπορεί να ξεκινήσει από ένα κούνημα ή άλλα τυχαία γεγονότα. Είναι γνωστό, για παράδειγμα, ότι η κρυσταλλική γλυκερίνη λήφθηκε για πρώτη φορά κατά τη σιδηροδρομική μεταφορά. Τα ποτήρια μετά από πολύωρη παραμονή μπορεί να αρχίσουν να κρυσταλλώνονται (αποϋαλοποιούνται, ή «καταρρέουν», όπως λένε στην τεχνολογία).

Πώς να καλλιεργήσετε έναν κρύσταλλο

Σχεδόν οποιαδήποτε ουσία μπορεί να δώσει κρυστάλλους υπό ορισμένες συνθήκες. Οι κρύσταλλοι μπορούν να ληφθούν από ένα διάλυμα ή από ένα τήγμα μιας δεδομένης ουσίας, καθώς και από τους ατμούς της (για παράδειγμα, μαύροι κρύσταλλοι ιωδίου σε σχήμα ρόμβου καθιζάνουν εύκολα από τους ατμούς του σε κανονική πίεση χωρίς ενδιάμεση μετάβαση σε υγρή κατάσταση) .

Ξεκινήστε να διαλύετε το επιτραπέζιο αλάτι ή τη ζάχαρη στο νερό. Σε θερμοκρασία δωματίου (20°C), θα μπορείτε να διαλύσετε μόνο 70 g αλατιού σε ένα πολύπλευρο ποτήρι. Περαιτέρω προσθήκες αλατιού δεν θα διαλυθούν και θα καθιζάνουν στον πυθμένα με τη μορφή ιζήματος. Ένα διάλυμα στο οποίο δεν συμβαίνει περαιτέρω διάλυση ονομάζεται κορεσμένο. .Αν αλλάξετε τη θερμοκρασία, τότε θα αλλάξει και ο βαθμός διαλυτότητας της ουσίας. Όλοι γνωρίζουν καλά ότι το ζεστό νερό διαλύει τις περισσότερες ουσίες πολύ πιο εύκολα από το κρύο νερό.

Φανταστείτε τώρα - ότι έχετε ετοιμάσει ένα κορεσμένο διάλυμα, για παράδειγμα, ζάχαρης σε θερμοκρασία 30 ° C και αρχίζετε να το ψύχετε στους 20 ° C. Στους 30°C, μπορούσατε να διαλύσετε 223 g ζάχαρης σε 100 g νερό, στους 20°C, διαλύονται 205 g. Στη συνέχεια, όταν κρυώσουν από τους 30 στους 20°C, τα 18 g θα είναι "έξτρα" και, όπως λένε, θα πέσει εκτός λύσης. Έτσι, ένας από τους πιθανούς τρόπους λήψης κρυστάλλων είναι η ψύξη του κορεσμένου διαλύματος.

Μπορείτε να το κάνετε διαφορετικά. Ετοιμάστε ένα κορεσμένο διάλυμα αλατιού και αφήστε το σε ένα ανοιχτό ποτήρι. Μετά από λίγο, θα βρείτε την εμφάνιση κρυστάλλων. Γιατί σχηματίστηκαν; Η προσεκτική παρατήρηση θα δείξει ότι ταυτόχρονα με το σχηματισμό κρυστάλλων, συνέβη μια άλλη αλλαγή - η ποσότητα του νερού μειώθηκε. Το νερό εξατμίστηκε, και η «επιπλέον» ουσία εμφανίστηκε στο διάλυμα. Έτσι, ένας άλλος πιθανός τρόπος για τον σχηματισμό κρυστάλλων είναι η εξάτμιση ενός διαλύματος.

Πώς σχηματίζονται οι κρύσταλλοι από το διάλυμα;

Είπαμε ότι οι κρύσταλλοι "πέφτουν" από το διάλυμα. Είναι απαραίτητο να το καταλάβουμε αυτό με τέτοιο τρόπο ώστε να μην υπήρχε κρύσταλλος για μια εβδομάδα και σε μια στιγμή εμφανίστηκε ξαφνικά αμέσως; Όχι, δεν είναι έτσι: οι κρύσταλλοι μεγαλώνουν. Δεν είναι δυνατόν, φυσικά, να ανιχνευθούν οι πρώτες στιγμές ανάπτυξης με το μάτι. Στην αρχή, μερικά από τα τυχαία κινούμενα μόρια ή άτομα της διαλυμένης ουσίας συγκεντρώνονται με την κατά προσέγγιση σειρά που απαιτείται για να σχηματίσουν το κρυσταλλικό πλέγμα. Μια τέτοια ομάδα ατόμων ή μορίων ονομάζεται πυρήνας.

Η εμπειρία δείχνει ότι οι πυρήνες σχηματίζονται συχνότερα παρουσία οποιωνδήποτε ξένων μικροσκοπικών σωματιδίων σκόνης στο διάλυμα. Η ταχύτερη και ευκολότερη κρυστάλλωση ξεκινά όταν ένας μικρός κρύσταλλος σπόρων τοποθετείται σε κορεσμένο διάλυμα. Σε αυτή την περίπτωση, η απομόνωση ενός στερεού από το διάλυμα δεν θα συνίσταται στο σχηματισμό νέων κρυστάλλων, αλλά στην ανάπτυξη του σπόρου.

Η ανάπτυξη του εμβρύου δεν διαφέρει φυσικά από την ανάπτυξη του σπόρου. Το νόημα της χρήσης ενός σπόρου είναι ότι «τραβάει» την απελευθερωμένη ουσία πάνω του και έτσι εμποδίζει τον ταυτόχρονο σχηματισμό μεγάλου αριθμού πυρήνων. Εάν σχηματιστούν πολλοί πυρήνες, τότε θα παρεμβαίνουν μεταξύ τους κατά την ανάπτυξη και δεν θα μας επιτρέψουν να αποκτήσουμε μεγάλους κρυστάλλους.

Πώς κατανέμονται στην επιφάνεια του πυρήνα τα τμήματα των ατόμων ή των μορίων που απελευθερώνονται από το διάλυμα;

Η πείρα δείχνει ότι η ανάπτυξη ενός πυρήνα ή ενός σπόρου συνίσταται, ας πούμε, στη μετακίνηση των όψεων παράλληλα με τον εαυτό τους σε κατεύθυνση κάθετη προς το πρόσωπο. Σε αυτή την περίπτωση, οι γωνίες μεταξύ των όψεων παραμένουν σταθερές (γνωρίζουμε ήδη ότι η σταθερότητα των γωνιών είναι το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό ενός κρυστάλλου, το οποίο προκύπτει από τη δομή του πλέγματος).

Στο σχ. 4.6 δίνονται τα περιγράμματα τριών κρυστάλλων της ίδιας ουσίας που εμφανίζονται κατά την ανάπτυξή τους. Παρόμοια μοτίβα μπορούν να παρατηρηθούν στο μικροσκόπιο. Στην περίπτωση που φαίνεται στα αριστερά, ο αριθμός των προσώπων διατηρείται κατά την ανάπτυξη. Το μεσαίο σχέδιο δίνει ένα παράδειγμα ενός νέου προσώπου που εμφανίζεται (επάνω δεξιά) και εξαφανίζεται ξανά.

Ρύζι. 4.6

Είναι πολύ σημαντικό να σημειωθεί ότι ο ρυθμός ανάπτυξης των προσώπων, δηλαδή η ταχύτητα της κίνησής τους παράλληλα με τον εαυτό τους, δεν είναι ο ίδιος για διαφορετικά πρόσωπα. Σε αυτήν την περίπτωση, ακριβώς εκείνα τα πρόσωπα που κινούνται πιο γρήγορα, για παράδειγμα, το κάτω αριστερό πρόσωπο στη μεσαία φιγούρα, «υπερμεγαλώνουν» (εξαφανίζονται). Αντίθετα, τα πρόσωπα που αναπτύσσονται αργά είναι τα πιο φαρδιά, όπως λένε, τα πιο ανεπτυγμένα.

Αυτό είναι ιδιαίτερα σαφές στο τελευταίο σχήμα. Το άμορφο θραύσμα αποκτά το ίδιο σχήμα με άλλους κρυστάλλους ακριβώς λόγω της ανισοτροπίας του ρυθμού ανάπτυξης. Οι καλά καθορισμένες όψεις αναπτύσσονται σε βάρος άλλων πιο έντονα και δίνουν στον κρύσταλλο μια χαρακτηριστική μορφή όλων των δειγμάτων αυτής της ουσίας.

Πολύ όμορφες μεταβατικές μορφές παρατηρούνται όταν μια μπάλα λαμβάνεται ως σπόρος και το διάλυμα ψύχεται και θερμαίνεται εναλλάξ ελαφρώς. Όταν θερμαίνεται, το διάλυμα γίνεται ακόρεστο και ο σπόρος διαλύεται μερικώς. Η ψύξη οδηγεί σε κορεσμό του διαλύματος και ανάπτυξη του σπόρου. Αλλά τα μόρια κατακάθονται με διαφορετικό τρόπο, σαν να δίνουν προτίμηση σε ορισμένα μέρη. Η ουσία μεταφέρεται έτσι από τη μια θέση της μπάλας στην άλλη.

Αρχικά, στην επιφάνεια της μπάλας εμφανίζονται μικρά πρόσωπα σε σχήμα κύκλου. Οι κύκλοι σταδιακά αυξάνονται και, αγγίζοντας ο ένας τον άλλον, συγχωνεύονται κατά μήκος ευθειών άκρων. Η μπάλα μετατρέπεται σε πολύεδρο. Τότε κάποια πρόσωπα ξεπερνούν τα άλλα, κάποια από τα πρόσωπα υπερφυτρώνουν και ο κρύσταλλος αποκτά το χαρακτηριστικό του σχήμα (Εικ. 4.7).

Ρύζι. 4.7

Παρατηρώντας την ανάπτυξη των κρυστάλλων, το κύριο χαρακτηριστικό της ανάπτυξης είναι εντυπωσιακό - η παράλληλη κίνηση των προσώπων. Αποδεικνύεται ότι η απελευθερωμένη ουσία συσσωρεύει το πρόσωπο σε στρώσεις: μέχρι να ολοκληρωθεί το ένα στρώμα, το επόμενο δεν αρχίζει να χτίζεται.

Στο σχ. Το 4.8 δείχνει την «ημιτελή» συσκευασία των ατόμων. Σε ποια από τις θέσεις που υποδεικνύονται με γράμματα θα συγκρατηθεί πιο σταθερά το νέο άτομο, προσκολλημένο στον κρύσταλλο; Χωρίς αμφιβολία στο Α, αφού εδώ βιώνει την έλξη των γειτόνων από τρεις πλευρές, ενώ στο Β - από δύο, και στο Γ - μόνο από τη μια πλευρά. Επομένως, ολοκληρώνεται πρώτα η στήλη, μετά ολόκληρο το επίπεδο και μόνο τότε αρχίζει η τοποθέτηση ενός νέου επιπέδου.

Ρύζι. 4.8

Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι κρύσταλλοι σχηματίζονται από μια λιωμένη μάζα - από ένα τήγμα. Στη φύση, αυτό συμβαίνει σε τεράστια κλίμακα: βασάλτες, γρανίτες και πολλά άλλα πετρώματα προέκυψαν από πύρινο μάγμα.

Ας αρχίσουμε να θερμαίνουμε κάποια κρυσταλλική ουσία, για παράδειγμα, αλάτι. Μέχρι τους 804°C, οι κρύσταλλοι αλατιού θα αλλάξουν ελάχιστα: διαστέλλονται ελάχιστα και η ουσία παραμένει στερεή. Ένας μετρητής θερμοκρασίας που τοποθετείται σε ένα δοχείο με μια ουσία παρουσιάζει συνεχή αύξηση της θερμοκρασίας όταν θερμαίνεται. Στους 804°C, θα ανακαλύψουμε αμέσως δύο νέα, αλληλένδετα φαινόμενα: η ουσία θα αρχίσει να λιώνει και η άνοδος της θερμοκρασίας θα σταματήσει. Μέχρι να γίνει όλη η ύλη σε υγρό, η θερμοκρασία δεν θα αλλάξει. μια περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας ήδη θερμαίνει το υγρό. Όλες οι κρυσταλλικές ουσίες έχουν ένα ορισμένο σημείο τήξης. Ο πάγος λιώνει στους 0°C, ο σίδηρος λιώνει στους 1527°C, ο υδράργυρος λιώνει στους -39°C κ.λπ.

Όπως ήδη γνωρίζουμε, σε κάθε κρύσταλλο τα άτομα ή τα μόρια μιας ουσίας σχηματίζουν μια διατεταγμένη συσκευασία G και εκτελούν μικρές δονήσεις γύρω από τις μέσες θέσεις τους. Καθώς το σώμα θερμαίνεται, η ταχύτητα των ταλαντούμενων σωματιδίων αυξάνεται μαζί με το πλάτος των ταλαντώσεων. Αυτή η αύξηση της ταχύτητας των σωματιδίων με την αύξηση της θερμοκρασίας είναι ένας από τους βασικούς νόμους της φύσης, που ισχύει για την ύλη σε οποιαδήποτε κατάσταση - στερεή, υγρή ή αέρια.

Όταν επιτυγχάνεται μια ορισμένη, αρκετά υψηλή θερμοκρασία του κρυστάλλου, οι δονήσεις των σωματιδίων του γίνονται τόσο ενεργητικές που η ακριβής διάταξη των σωματιδίων καθίσταται αδύνατη - ο κρύσταλλος λιώνει. Με την έναρξη της τήξης, η θερμότητα που παρέχεται δεν χρησιμοποιείται πλέον για την αύξηση της ταχύτητας των σωματιδίων, αλλά για την καταστροφή του κρυσταλλικού πλέγματος. Ως εκ τούτου, η άνοδος της θερμοκρασίας αναστέλλεται. Η επακόλουθη θέρμανση είναι μια αύξηση στην ταχύτητα των υγρών σωματιδίων.

Στην περίπτωση κρυστάλλωσης από τήγμα που μας ενδιαφέρει, τα παραπάνω φαινόμενα παρατηρούνται με την αντίστροφη σειρά: καθώς το υγρό ψύχεται, τα σωματίδια του επιβραδύνουν τη χαοτική τους κίνηση. Όταν επιτευχθεί μια ορισμένη, αρκετά χαμηλή θερμοκρασία, η ταχύτητα των σωματιδίων είναι ήδη τόσο χαμηλή που μερικά από αυτά, υπό τη δράση ελκτικών δυνάμεων, αρχίζουν να προσκολλώνται το ένα στο άλλο, σχηματίζοντας κρυσταλλικούς πυρήνες. Μέχρι να κρυσταλλωθεί όλη η ουσία, η θερμοκρασία παραμένει σταθερή. Αυτή η θερμοκρασία είναι συνήθως ίδια με το σημείο τήξης.

Εάν δεν ληφθούν ειδικά μέτρα, τότε η κρυστάλλωση από το τήγμα θα ξεκινήσει αμέσως σε πολλά σημεία. Οι κρύσταλλοι θα αναπτυχθούν με τη μορφή κανονικών πολυέδρων που είναι χαρακτηριστικά τους με τον ίδιο ακριβώς τρόπο που περιγράψαμε παραπάνω. Ωστόσο, η ελεύθερη ανάπτυξη δεν διαρκεί πολύ: μεγαλώνοντας, οι κρύσταλλοι συγκρούονται μεταξύ τους, η ανάπτυξη σταματά στα σημεία επαφής και το σκληρυμένο σώμα αποκτά κοκκώδη δομή. Κάθε κόκκος είναι ένας ξεχωριστός κρύσταλλος, ο οποίος δεν κατάφερε να πάρει τη σωστή του μορφή.

Ανάλογα με πολλές συνθήκες, και κυρίως με τον ρυθμό ψύξης, ένα συμπαγές σώμα μπορεί να έχει περισσότερο ή λιγότερο μεγάλους κόκκους: όσο πιο αργή είναι η ψύξη, τόσο μεγαλύτεροι είναι οι κόκκοι. Τα μεγέθη κόκκων των κρυσταλλικών σωμάτων κυμαίνονται από το εκατομμυριοστό του εκατοστού έως αρκετά χιλιοστά. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η κοκκώδης κρυσταλλική δομή μπορεί να παρατηρηθεί με μικροσκόπιο. Τα στερεά έχουν συνήθως μια τέτοια λεπτόκοκκη δομή.

Για την τεχνολογία, η διαδικασία στερεοποίησης των μετάλλων παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον. Τα γεγονότα που συμβαίνουν κατά τη χύτευση και κατά τη στερεοποίηση του μετάλλου σε καλούπια έχουν μελετηθεί από τους φυσικούς με μεγάλη λεπτομέρεια.

Ως επί το πλείστον, κατά τη στερεοποίηση, αναπτύσσονται μονοκρυστάλλοι που μοιάζουν με δέντρα, οι οποίοι ονομάζονται δενδρίτες. Σε άλλες περιπτώσεις, οι δενδρίτες προσανατολίζονται τυχαία, σε άλλες περιπτώσεις είναι παράλληλοι μεταξύ τους.

Στο σχ. Το 4.9 δείχνει τα στάδια ανάπτυξης ενός δενδρίτη. Με αυτή τη συμπεριφορά, ένας δενδρίτης μπορεί να μεγαλώσει υπερβολικά πριν συναντήσει έναν άλλο παρόμοιο. Τότε δεν θα βρούμε δενδρίτες στο casting. Τα γεγονότα μπορούν επίσης να εξελιχθούν διαφορετικά: οι δενδρίτες μπορούν να συναντηθούν και να αναπτυχθούν μεταξύ τους (κλαδιά του ενός στα κενά μεταξύ των κλαδιών του άλλου) ενώ είναι ακόμα «νέοι».

Ρύζι. 4.9

Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να προκύψουν καλούπια των οποίων οι κόκκοι (που παρουσιάζονται στο Σχ. 2.22) έχουν πολύ διαφορετική δομή. Και οι ιδιότητες των μετάλλων εξαρτώνται σημαντικά από τη φύση αυτής της δομής. Είναι δυνατός ο έλεγχος της συμπεριφοράς του μετάλλου κατά τη στερεοποίηση αλλάζοντας τον ρυθμό ψύξης και το σύστημα απομάκρυνσης θερμότητας.

Τώρα ας μιλήσουμε για το πώς να μεγαλώσετε ένα μεγάλο μονοκρύσταλλο. Είναι σαφές ότι πρέπει να ληφθούν μέτρα για να διασφαλιστεί ότι ο κρύσταλλος μεγαλώνει από ένα μέρος. Και αν πολλοί κρύσταλλοι έχουν ήδη αρχίσει να αναπτύσσονται, τότε σε κάθε περίπτωση είναι απαραίτητο να βεβαιωθείτε ότι οι συνθήκες ανάπτυξης είναι ευνοϊκές μόνο για έναν από αυτούς.

Εδώ, για παράδειγμα, είναι πώς προχωρούν κατά την ανάπτυξη κρυστάλλων μετάλλων χαμηλής τήξης. Το μέταλλο τήκεται σε γυάλινο δοκιμαστικό σωλήνα με τραβηγμένο άκρο. Ένας δοκιμαστικός σωλήνας που αιωρείται από ένα νήμα μέσα σε έναν κατακόρυφο κυλινδρικό φούρνο κατεβαίνει αργά προς τα κάτω. Το τραβηγμένο άκρο βγαίνει σταδιακά από τον κλίβανο και ψύχεται. Αρχίζει η κρυστάλλωση. Στην αρχή σχηματίζονται αρκετοί κρύσταλλοι, αλλά αυτοί που αναπτύσσονται πλάγια ακουμπούν στο τοίχωμα του δοκιμαστικού σωλήνα και η ανάπτυξή τους επιβραδύνεται. Μόνο ο κρύσταλλος που αναπτύσσεται κατά μήκος του άξονα του δοκιμαστικού σωλήνα, δηλαδή βαθιά μέσα στο τήγμα, θα βρίσκεται σε ευνοϊκές συνθήκες. Καθώς ο δοκιμαστικός σωλήνας κατεβαίνει, νέα τμήματα του τήγματος, που πέφτουν στην περιοχή των χαμηλών θερμοκρασιών, θα «τροφοδοτήσουν» αυτόν τον μονοκρύσταλλο. Επομένως, από όλους τους κρυστάλλους, μόνο αυτός επιβιώνει. καθώς ο σωλήνας χαμηλώνει, συνεχίζει να αναπτύσσεται κατά μήκος του άξονά του. Στο τέλος, όλο το λιωμένο μέταλλο στερεοποιείται με τη μορφή ενός μόνο κρυστάλλου.

Η ίδια ιδέα βασίζεται στην ανάπτυξη πυρίμαχων κρυστάλλων ρουμπίνι. Μια λεπτή σκόνη της ουσίας εκτοξεύεται μέσω της φλόγας. Ταυτόχρονα, οι σκόνες λιώνουν. μικροσκοπικές σταγόνες πέφτουν σε ένα πυρίμαχο στήριγμα πολύ μικρής περιοχής, σχηματίζοντας πολλούς κρυστάλλους. Καθώς οι σταγόνες πέφτουν περισσότερο στο περίπτερο, όλοι οι κρύσταλλοι μεγαλώνουν, αλλά και πάλι, μόνο αυτός που βρίσκεται στην πιο ευνοϊκή θέση για να «δεχτεί» τις σταγόνες που πέφτουν μεγαλώνει.

Σε τι χρησιμεύουν οι μεγάλοι κρύσταλλοι;

Η βιομηχανία και η επιστήμη χρειάζονται συχνά μεγάλους μονοκρυστάλλους. Μεγάλη σημασία για την τεχνολογία έχουν οι κρύσταλλοι του άλατος Rochelle και του χαλαζία, που έχουν την αξιοσημείωτη ιδιότητα να μετατρέπουν μηχανικές ενέργειες (για παράδειγμα, πίεση) σε ηλεκτρική τάση.

Η οπτική βιομηχανία χρειάζεται μεγάλους κρυστάλλους ασβεστίτη, ορυκτό αλάτι, φθορίτη κ.λπ.

Η βιομηχανία ρολογιών χρειάζεται κρύσταλλα από ρουμπίνια, ζαφείρια και μερικούς άλλους πολύτιμους λίθους. Το γεγονός είναι ότι μεμονωμένα κινούμενα μέρη συνηθισμένων ρολογιών κάνουν έως και 20.000 δονήσεις την ώρα. Ένα τόσο υψηλό φορτίο δημιουργεί ασυνήθιστα υψηλές απαιτήσεις στην ποιότητα των άκρων και των ρουλεμάν του άξονα. Η τριβή θα είναι η μικρότερη όταν ένα ρουμπίνι ή ζαφείρι χρησιμεύει ως έδρανο για την άκρη ενός άξονα με διάμετρο 0,07-0,15 mm. Οι τεχνητοί κρύσταλλοι αυτών των ουσιών είναι πολύ ανθεκτικοί και πολύ λίγο τρίβονται από τον χάλυβα. Είναι αξιοσημείωτο ότι οι τεχνητές πέτρες αποδεικνύονται καλύτερες από τις ίδιες φυσικές πέτρες.

Ωστόσο, η ανάπτυξη μονοκρυστάλλων ημιαγωγών - πυριτίου και γερμανίου - έχει τη μεγαλύτερη σημασία για τη βιομηχανία.

Η επίδραση της πίεσης στο σημείο τήξης

Εάν αλλάξει η πίεση, θα αλλάξει και το σημείο τήξης. Με την ίδια κανονικότητα συναντιόμασταν όταν μιλούσαμε για βράσιμο. Όσο περισσότερη πίεση? τόσο υψηλότερο είναι το σημείο βρασμού. Κατά κανόνα, αυτό ισχύει και για την τήξη. Ωστόσο, υπάρχει ένας μικρός αριθμός ουσιών που συμπεριφέρονται ανώμαλα: το σημείο τήξης τους μειώνεται με την αύξηση της πίεσης.

Το γεγονός είναι ότι η συντριπτική πλειοψηφία των στερεών είναι πιο πυκνά από τα υγρά τους. Η εξαίρεση σε αυτό το ραβδί είναι μόνο εκείνες οι ουσίες των οποίων το σημείο τήξης δεν αλλάζει κανονικά με την πίεση, για παράδειγμα, το νερό. Ο πάγος είναι ελαφρύτερος από το νερό και το σημείο τήξης του πάγου μειώνεται καθώς αυξάνεται η πίεση.

Η συμπίεση προάγει το σχηματισμό μιας πιο πυκνής κατάστασης. Εάν ένα στερεό είναι πιο πυκνό από ένα υγρό, τότε η συμπίεση βοηθά στη στερεοποίηση και αποτρέπει την τήξη. Αλλά εάν η τήξη παρεμποδίζεται από τη συμπίεση, τότε αυτό σημαίνει ότι η ουσία παραμένει στερεή, ενώ νωρίτερα σε αυτή τη θερμοκρασία θα είχε ήδη λιώσει, δηλαδή με την αύξηση της πίεσης, το σημείο τήξης αυξάνεται. Στην ανώμαλη περίπτωση, το υγρό είναι πιο πυκνό από το στερεό και η πίεση βοηθά στο σχηματισμό του υγρού, δηλαδή μειώνει το σημείο τήξης.

Η επίδραση της πίεσης στο σημείο τήξης είναι πολύ μικρότερη από αυτή του βρασμού. Μια αύξηση της πίεσης κατά περισσότερο από 100 kgf / cm 2 μειώνει το σημείο τήξης του πάγου κατά 1°C.

Γιατί τα πατίνια γλιστρούν μόνο στον πάγο, αλλά όχι σε εξίσου λείο παρκέ; Προφανώς, η μόνη εξήγηση είναι ο σχηματισμός νερού, που λιπαίνει το πατίνι. Για να κατανοήσουμε την αντίφαση που έχει προκύψει, πρέπει να θυμόμαστε τα εξής: τα αμβλύ πατίνια γλιστρούν πολύ άσχημα στον πάγο. Τα πατίνια πρέπει να ακονιστούν για να κόψουν πάγο. Σε αυτή την περίπτωση, μόνο η άκρη της άκρης της κορυφογραμμής πιέζει τον πάγο. Η πίεση στον πάγο φτάνει τις δεκάδες χιλιάδες ατμόσφαιρες, ο πάγος εξακολουθεί να λιώνει.

Εξάτμιση στερεών

Όταν λένε "μια ουσία εξατμίζεται", συνήθως εννοούν ότι ένα υγρό εξατμίζεται. Αλλά τα στερεά μπορούν επίσης να εξατμιστούν. Μερικές φορές η εξάτμιση των στερεών ονομάζεται εξάχνωση.

Το εξατμιζόμενο στερεό είναι, για παράδειγμα, η ναφθαλίνη. Η ναφθαλίνη λιώνει στους 80°C και εξατμίζεται σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτή η ιδιότητα της ναφθαλίνης είναι που της επιτρέπει να χρησιμοποιηθεί για την εξόντωση των σκόρων.

Ένα γούνινο παλτό καλυμμένο με ναφθαλίνη είναι κορεσμένο με ατμό ναφθαλίνης και δημιουργεί μια ατμόσφαιρα που οι σκώροι δεν αντέχουν. Οποιοδήποτε στερεό μυρίζει εξαχνώνεται σε μεγάλο βαθμό. Άλλωστε, η μυρωδιά δημιουργείται από μόρια που έχουν αποκολληθεί από την ουσία και έχουν φτάσει στη μύτη μας. Ωστόσο, υπάρχουν συχνότερες περιπτώσεις όπου η ουσία εξαχνώνεται σε ασήμαντο βαθμό, μερικές φορές σε βαθμό που δεν μπορεί να ανιχνευθεί ακόμη και με πολύ προσεκτική έρευνα. Καταρχήν, οποιαδήποτε στερεή ουσία (ακριβώς οποιαδήποτε, ακόμη και ο σίδηρος ή ο χαλκός) εξατμίζεται. Εάν δεν ανιχνεύσουμε εξάχνωση, αυτό σημαίνει μόνο ότι η πυκνότητα του κορεσμένου ατμού είναι πολύ χαμηλή.

Μπορεί να φανεί ότι ορισμένες ουσίες που έχουν μια πικάντικη οσμή σε θερμοκρασία δωματίου τη χάνουν σε χαμηλή θερμοκρασία.

Η πυκνότητα των κορεσμένων ατμών σε ισορροπία με ένα στερεό αυξάνεται γρήγορα με την αύξηση της θερμοκρασίας. Εικονογραφήσαμε αυτή τη συμπεριφορά με την καμπύλη για τον πάγο που φαίνεται στο Σχ. 4.10. Είναι αλήθεια ότι ο πάγος δεν μυρίζει ...

Ρύζι. 4.10

Στις περισσότερες περιπτώσεις, είναι αδύνατο να αυξηθεί σημαντικά η πυκνότητα των κορεσμένων ατμών ενός στερεού για έναν απλό λόγο - η ουσία θα λιώσει νωρίτερα.

Ο πάγος επίσης εξατμίζεται. Αυτό το γνωρίζουν καλά οι νοικοκυρές που κρεμούν βρεγμένα ρούχα για να στεγνώσουν σε κρύο καιρό.Το νερό πρώτα παγώνει και μετά εξατμίζεται ο πάγος και τα ρούχα είναι στεγνά.

τριπλό σημείο

Άρα, υπάρχουν συνθήκες υπό τις οποίες ατμός, υγρό και κρύσταλλος μπορούν να υπάρχουν σε ζεύγη σε ισορροπία. Μπορούν και οι τρεις καταστάσεις να βρίσκονται σε ισορροπία; Ένα τέτοιο σημείο στο διάγραμμα πίεσης-θερμοκρασίας υπάρχει, ονομάζεται τριπλό. Που είναι αυτή?

Εάν τοποθετήσετε νερό με πλωτό πάγο σε ένα κλειστό δοχείο σε μηδέν μοίρες, τότε οι ατμοί του νερού (και του «πάγου») θα αρχίσουν να ρέουν στον ελεύθερο χώρο. Σε τάση ατμών 4,6 mm Hg. Τέχνη. Η εξάτμιση θα σταματήσει και θα αρχίσει ο κορεσμός. Τώρα οι τρεις φάσεις - πάγος, νερό και ατμός - θα είναι σε ισορροπία. Αυτό είναι το τριπλό σημείο.

Η σχέση μεταξύ των διαφόρων καταστάσεων φαίνεται καθαρά και ξεκάθαρα από το διάγραμμα για το νερό που φαίνεται στο σχ. 4.11.

Ρύζι. 4.11

Ένα τέτοιο διάγραμμα μπορεί να κατασκευαστεί για οποιοδήποτε σώμα.

Οι καμπύλες στο σχήμα είναι γνωστές σε εμάς - αυτές είναι καμπύλες ισορροπίας μεταξύ πάγου και ατμού, πάγου και νερού, νερού και ατμού. Ως συνήθως, η πίεση απεικονίζεται κατακόρυφα και η θερμοκρασία απεικονίζεται οριζόντια.

Οι τρεις καμπύλες τέμνονται στο τριπλό σημείο και χωρίζουν το διάγραμμα σε τρεις περιοχές - τους χώρους διαβίωσης του πάγου, του νερού και των υδρατμών.

Το διάγραμμα κατάστασης είναι μια συνοπτική αναφορά. Σκοπός του είναι να απαντήσει στο ερώτημα ποια κατάσταση του σώματος είναι σταθερή σε τάδε πίεση και σε τάδε θερμοκρασία.

Εάν τοποθετηθεί νερό ή ατμός στις συνθήκες της «αριστερής περιοχής», θα γίνουν πάγος. Εάν ένα υγρό ή ένα στερεό σώμα εισαχθεί στην "κάτω περιοχή", τότε θα ληφθεί ατμός. Στη «σωστή περιοχή» οι ατμοί θα συμπυκνωθούν και ο πάγος θα λιώσει.

Το διάγραμμα της ύπαρξης φάσεων σάς επιτρέπει να απαντήσετε αμέσως τι συμβαίνει στην ουσία όταν θερμαίνεται ή όταν συμπιέζεται. Η θέρμανση σε σταθερή πίεση φαίνεται ως οριζόντια γραμμή στο διάγραμμα. Μια κουκκίδα κινείται κατά μήκος αυτής της γραμμής από αριστερά προς τα δεξιά, αντιπροσωπεύοντας την κατάσταση του σώματος.

Το σχήμα δείχνει δύο τέτοιες γραμμές, μία από τις οποίες θερμαίνεται σε κανονική πίεση. Η γραμμή βρίσκεται πάνω από το τριπλό σημείο. Επομένως, θα διασχίσει πρώτα την καμπύλη τήξης και μετά, έξω από το σχέδιο, την καμπύλη εξάτμισης. Ο πάγος σε κανονική πίεση θα λιώσει στους 0°C και το νερό που θα προκύψει θα βράσει στους 100°C.

Η κατάσταση θα είναι διαφορετική για τον πάγο που θερμαίνεται σε πολύ χαμηλή πίεση, ας πούμε λίγο κάτω από τα 5 mm Hg. Τέχνη. Η διαδικασία θέρμανσης αντιπροσωπεύεται από μια γραμμή κάτω από το τριπλό σημείο. Οι καμπύλες τήξης και βρασμού δεν τέμνονται με αυτή τη γραμμή. Σε μια τέτοια ελαφρά πίεση, η θέρμανση θα οδηγήσει σε άμεση μετάβαση του πάγου σε ατμό.

Στο σχ. 4.12, το ίδιο διάγραμμα δείχνει τι ενδιαφέρον φαινόμενο θα συμβεί όταν οι υδρατμοί συμπιέζονται στην κατάσταση που σημειώνεται με ένα σταυρό στο σχήμα. Ο ατμός θα μετατραπεί πρώτα σε πάγο και μετά θα λιώσει. Το σχήμα σας επιτρέπει να πείτε αμέσως σε ποια πίεση θα ξεκινήσει η ανάπτυξη του κρυστάλλου και πότε θα συμβεί το λιώσιμο.

Ρύζι. 4.12

Τα διαγράμματα κατάστασης όλων των ουσιών είναι παρόμοια μεταξύ τους. Μεγάλες, από καθημερινή άποψη, προκύπτουν διαφορές λόγω του γεγονότος ότι η θέση του τριπλού σημείου στο διάγραμμα μπορεί να είναι πολύ διαφορετική για διαφορετικές ουσίες.

Άλλωστε, βρισκόμαστε κοντά σε «κανονικές συνθήκες», δηλαδή πρωτίστως σε πίεση κοντά σε μια ατμόσφαιρα. Το πώς βρίσκεται το τριπλό σημείο της ύλης σε σχέση με τη γραμμή της κανονικής πίεσης είναι πολύ σημαντικό για εμάς.

Εάν η πίεση στο τριπλό σημείο είναι μικρότερη από την ατμοσφαιρική, τότε για εμάς, που ζούμε σε «κανονικές» συνθήκες, η ουσία λιώνει. Όταν η θερμοκρασία ανεβαίνει, πρώτα μετατρέπεται σε υγρό και μετά βράζει.

Στην αντίθετη περίπτωση - όταν η πίεση στο τριπλό σημείο είναι υψηλότερη από την ατμοσφαιρική - δεν θα δούμε υγρό όταν θερμανθεί, το στερεό θα μετατραπεί απευθείας σε ατμό. Έτσι συμπεριφέρεται ο «ξηρός πάγος», που βολεύει πολύ τους παγοπώλες. Μπλοκ παγωτού μπορούν να μετακινηθούν με κομμάτια «ξηρού πάγου» και να μην φοβάστε ότι το παγωτό θα βραχεί. Ο "ξηρός πάγος" είναι στερεό διοξείδιο του άνθρακα CO 2 . Το τριπλό σημείο αυτής της ουσίας βρίσκεται στις 73 atm. Επομένως, όταν το στερεό CO 2 θερμαίνεται, το σημείο που αντιπροσωπεύει την κατάστασή του κινείται οριζόντια, διασχίζοντας μόνο την καμπύλη εξάτμισης του στερεού (όπως ακριβώς για τον συνηθισμένο πάγο σε πίεση περίπου 5 mm Hg).

Έχουμε ήδη πει στον αναγνώστη πώς προσδιορίζεται ένας βαθμός θερμοκρασίας στην κλίμακα Kelvin ή, όπως απαιτεί τώρα το σύστημα SI, ένας Κέλβιν. Ωστόσο, επρόκειτο για την αρχή του προσδιορισμού της θερμοκρασίας. Δεν έχουν όλα τα ινστιτούτα μετρολογίας ιδανικά θερμόμετρα αερίου. Επομένως, η κλίμακα θερμοκρασίας κατασκευάζεται με τη βοήθεια σημείων ισορροπίας που καθορίζονται από τη φύση μεταξύ διαφορετικών καταστάσεων της ύλης.

Το τριπλό σημείο του νερού παίζει ιδιαίτερο ρόλο σε αυτό. Ο βαθμός Kelvin ορίζεται τώρα ως το 273,16ο της θερμοδυναμικής θερμοκρασίας του τριπλού σημείου του νερού. Το τριπλό σημείο του οξυγόνου λαμβάνεται ίσο με 54,361 K. Η θερμοκρασία στερεοποίησης του χρυσού ορίζεται σε 1337,58 K. Χρησιμοποιώντας αυτά τα σημεία αναφοράς, κάθε θερμόμετρο μπορεί να βαθμονομηθεί με ακρίβεια.

Τα ίδια άτομα, αλλά ... διαφορετικοί κρύσταλλοι

Ο μαύρος ματς μαλακός γραφίτης με τον οποίο γράφουμε και το λαμπρό, διαφανές, σκληρό διαμάντι κοπής γυαλιού είναι κατασκευασμένα από τα ίδια άτομα άνθρακα. Γιατί οι ιδιότητες αυτών των δύο πανομοιότυπων ουσιών είναι τόσο διαφορετικές;

Θυμηθείτε το πλέγμα του πολυεπίπεδου γραφίτη, κάθε άτομο του οποίου έχει τρεις πλησιέστερους γείτονες, και το πλέγμα του διαμαντιού, του οποίου το άτομο έχει τέσσερις πλησιέστερους γείτονες. Αυτό το παράδειγμα δείχνει ξεκάθαρα ότι οι ιδιότητες των κρυστάλλων καθορίζονται από την αμοιβαία διάταξη των ατόμων. Ο γραφίτης χρησιμοποιείται για την κατασκευή πυρίμαχων χωνευτηρίων που αντέχουν σε θερμοκρασίες έως δύο έως τρεις χιλιάδες βαθμούς και καίγεται με διαμάντια σε θερμοκρασίες άνω των 700 ° C. Η πυκνότητα του διαμαντιού είναι 3,5 και του γραφίτη είναι 2,3. Ο γραφίτης άγει ηλεκτρισμό, το διαμάντι όχι κ.λπ.

Δεν είναι μόνο ο άνθρακας που έχει αυτό το χαρακτηριστικό της παραγωγής διαφορετικών κρυστάλλων. Σχεδόν κάθε χημικό στοιχείο, και όχι μόνο ένα στοιχείο, αλλά οποιαδήποτε χημική ουσία, μπορεί να υπάρχει σε διάφορες ποικιλίες. Είναι γνωστές έξι ποικιλίες πάγου, εννέα ποικιλίες θείου, τέσσερις ποικιλίες σιδήρου.

Όταν συζητούσαμε το διάγραμμα κατάστασης, δεν μιλήσαμε για διαφορετικούς τύπους κρυστάλλων και σχεδιάσαμε μια ενιαία περιοχή ενός στερεού σώματος. Και αυτή η περιοχή για πάρα πολλές ουσίες χωρίζεται σε τμήματα, καθένα από τα οποία αντιστοιχεί σε μια ορισμένη "βαθμίδα" ενός στερεού σώματος ή, όπως λένε, σε μια συγκεκριμένη στερεά φάση (μια ορισμένη κρυσταλλική τροποποίηση).

Κάθε κρυσταλλική φάση έχει τη δική της περιοχή σταθερής κατάστασης, που περιορίζεται από ένα ορισμένο εύρος πιέσεων και θερμοκρασιών. Οι νόμοι της μετατροπής μιας κρυσταλλικής ποικιλίας σε μια άλλη είναι οι ίδιοι με τους νόμους της τήξης και της εξάτμισης.

Για κάθε πίεση, μπορείτε να καθορίσετε τη θερμοκρασία στην οποία θα συνυπάρχουν ειρηνικά και οι δύο τύποι κρυστάλλων. Εάν η θερμοκρασία αυξηθεί, ένας κρύσταλλος ενός είδους θα μετατραπεί σε κρύσταλλο του δεύτερου είδους. Εάν η θερμοκρασία μειωθεί, θα συμβεί η αντίστροφη μετατροπή.

Για να γίνει κίτρινο το κόκκινο θείο σε κανονική πίεση, απαιτείται θερμοκρασία κάτω από 110 ° C. Πάνω από αυτή τη θερμοκρασία, μέχρι το σημείο τήξης, η διάταξη των χαρακτηριστικών ατόμων του κόκκινου θείου είναι σταθερή. Η θερμοκρασία πέφτει, οι δονήσεις των ατόμων μειώνονται και, ξεκινώντας από τους 110 ° C, η φύση βρίσκει μια πιο βολική διάταξη ατόμων. Υπάρχει μια μετατροπή ενός κρυστάλλου σε έναν άλλο.

Κανείς δεν βρήκε ονόματα για έξι διαφορετικούς πάγους. Λένε λοιπόν: πάγος ένα, πάγος δύο, ...., πάγος επτά. Τι θα λέγατε για επτά, αν υπάρχουν μόνο έξι ποικιλίες; Το γεγονός είναι ότι το ice four δεν ανιχνεύθηκε κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενων πειραμάτων.

Εάν το νερό συμπιέζεται σε θερμοκρασία περίπου μηδέν, τότε σε πίεση περίπου 2000 atm σχηματίζεται πάγος πέντε και σε πίεση περίπου 6000 atm σχηματίζεται πάγος έξι.

Ο πάγος δύο και ο πάγος τρία είναι σταθεροί σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν.

Πάγος επτά - ζεστός πάγος. συμβαίνει όταν το ζεστό νερό συμπιέζεται σε πιέσεις περίπου 20.000 atm.

Όλος ο πάγος, εκτός από τον συνηθισμένο πάγο, είναι βαρύτερος από το νερό. Ο πάγος που παράγεται υπό κανονικές συνθήκες συμπεριφέρεται ανώμαλα. Αντίθετα, ο πάγος που λαμβάνεται υπό συνθήκες διαφορετικές από τον κανόνα συμπεριφέρεται κανονικά.

Λέμε ότι κάθε κρυσταλλική τροποποίηση χαρακτηρίζεται από μια συγκεκριμένη περιοχή ύπαρξης. Αλλά αν ναι, πώς υπάρχουν ο γραφίτης και το διαμάντι υπό τις ίδιες συνθήκες;

Τέτοια «ανομία» στον κόσμο των κρυστάλλων είναι πολύ συνηθισμένη. Η ικανότητα να ζεις σε «ξένες» συνθήκες για τους κρυστάλλους είναι σχεδόν ο κανόνας. Εάν για να μεταφέρει κανείς έναν ατμό ή ένα υγρό σε άλλες περιοχές της ύπαρξης, πρέπει να καταφύγει σε διάφορα κόλπα, τότε ένας κρύσταλλος, αντίθετα, δεν μπορεί σχεδόν ποτέ να αναγκαστεί να παραμείνει εντός των ορίων που του έχει ορίσει η φύση.

Η υπερθέρμανση και η υπερψύξη των κρυστάλλων εξηγούνται από τη δυσκολία μετατροπής μιας τάξης σε άλλη υπό συνθήκες ακραίου συνωστισμού. Το κίτρινο θείο πρέπει να γίνει κόκκινο στους 95,5°C. Με περισσότερο ή λιγότερο γρήγορη θέρμανση, θα "παρακάμψουμε" αυτό το σημείο μετασχηματισμού και θα φέρουμε τη θερμοκρασία στο σημείο τήξης του θείου στους 113°C.

Η πραγματική θερμοκρασία μετασχηματισμού είναι πιο εύκολο να ανιχνευθεί όταν οι κρύσταλλοι έρχονται σε επαφή. Αν τοποθετηθούν κοντά το ένα πάνω στο άλλο και διατηρηθούν στους 96°C, τότε το κίτρινο θα φάει το κόκκινο και στους 95°C το κίτρινο θα απορροφήσει το κόκκινο. Σε αντίθεση με τη μετάβαση "κρύσταλλο-υγρό", οι μετασχηματισμοί "κρύσταλλο-κρύσταλλο" συνήθως καθυστερούν τόσο κατά την υπερψύξη όσο και κατά την υπερθέρμανση.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, έχουμε να κάνουμε με τέτοιες καταστάσεις ύλης, οι οποίες υποτίθεται ότι ζουν σε εντελώς διαφορετικές θερμοκρασίες.

Ο λευκός κασσίτερος πρέπει να γίνει γκρίζος όταν η θερμοκρασία πέσει στους +13°C. Συνήθως ασχολούμαστε με το λευκό τενεκέ και ξέρουμε ότι δεν γίνεται τίποτα με αυτόν τον χειμώνα. Αντέχει τέλεια σε υποθερμία 20-30 βαθμών. Ωστόσο, σε έντονες χειμερινές συνθήκες, ο λευκός κασσίτερος γίνεται γκρίζος. Η άγνοια αυτού του γεγονότος ήταν μια από τις συνθήκες που κατέστρεψαν την αποστολή του Σκοτ ​​στον Νότιο Πόλο (1912). Το υγρό καύσιμο που έπαιρνε η αποστολή βρισκόταν σε δοχεία συγκολλημένα με κασσίτερο. Σε μεγάλα κρυολογήματα, ο λευκός κασσίτερος μετατράπηκε σε γκρίζα σκόνη - τα δοχεία ήταν ασυγκολλημένα. και το καύσιμο χύθηκε έξω. Δεν είναι περίεργο που η εμφάνιση γκρίζων κηλίδων σε λευκό κασσίτερο ονομάζεται πανούκλα κασσίτερου.

Όπως και στην περίπτωση του θείου, ο λευκός κασσίτερος μπορεί να μετατραπεί σε γκρι σε θερμοκρασία λίγο κάτω από τους 13 ° C. αν μόνο ένας μικροσκοπικός κόκκος της γκρίζας ποικιλίας πέσει σε ένα αντικείμενο κασσίτερου.

Η ύπαρξη πολλών ποικιλιών της ίδιας ουσίας και οι καθυστερήσεις στους αμοιβαίους μετασχηματισμούς τους έχουν μεγάλη σημασία για την τεχνολογία.

Σε θερμοκρασία δωματίου, τα άτομα σιδήρου σχηματίζουν ένα κυβικό πλέγμα με κέντρο το σώμα στο οποίο τα άτομα καταλαμβάνουν θέσεις στις κορυφές και στο κέντρο του κύβου. Κάθε άτομο έχει 8 γείτονες. Σε υψηλές θερμοκρασίες, τα άτομα σιδήρου σχηματίζουν μια πιο πυκνή «συσκευασία» - κάθε άτομο έχει 12 γείτονες. Το σίδερο με 8 γείτονες είναι μαλακό, το σίδερο με 12 γείτονες είναι σκληρό. Αποδεικνύεται ότι είναι δυνατή η λήψη σιδήρου του δεύτερου τύπου σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτή η μέθοδος - σκλήρυνση - χρησιμοποιείται ευρέως στη μεταλλουργία.

Η σκλήρυνση πραγματοποιείται πολύ απλά - ένα μεταλλικό αντικείμενο είναι καυτό και στη συνέχεια ρίχνεται σε νερό ή λάδι. Η ψύξη συμβαίνει τόσο γρήγορα που ο μετασχηματισμός της δομής, η οποία είναι σταθερή σε υψηλή θερμοκρασία, δεν έχει χρόνο να συμβεί. Έτσι, μια δομή υψηλής θερμοκρασίας θα υπάρχει επ' αόριστον υπό ασυνήθιστες συνθήκες για αυτήν: η ανακρυστάλλωση σε μια σταθερή δομή προχωρά τόσο αργά που είναι πρακτικά ανεπαίσθητη.

Μιλώντας για τη σκλήρυνση του σιδήρου, δεν ήμασταν απόλυτα ακριβείς. Ο χάλυβας είναι σκληρυμένος, δηλαδή σίδηρος που περιέχει κλάσματα ενός τοις εκατό άνθρακα. Η παρουσία πολύ μικρών ακαθαρσιών άνθρακα καθυστερεί τη μετατροπή του σκληρού σιδήρου σε μαλακό και επιτρέπει τη σκλήρυνση. Όσον αφορά τον εντελώς καθαρό σίδηρο, δεν είναι δυνατό να σκληρυνθεί - ο μετασχηματισμός της δομής έχει χρόνο να συμβεί ακόμη και με την πιο απότομη ψύξη.

Ανάλογα με τον τύπο του διαγράμματος κατάστασης, με την αλλαγή της πίεσης ή της θερμοκρασίας, επιτυγχάνονται ορισμένοι μετασχηματισμοί.

Πολλοί μετασχηματισμοί κρυστάλλου σε κρύσταλλο παρατηρούνται μόνο με αλλαγή της πίεσης. Με αυτόν τον τρόπο προέκυψε μαύρος φώσφορος.

Ρύζι. 4.13

Ήταν δυνατό να μετατραπεί ο γραφίτης σε διαμάντι μόνο χρησιμοποιώντας τόσο υψηλή θερμοκρασία όσο και υψηλή πίεση ταυτόχρονα. Στο σχ. Το 4.13 δείχνει το διάγραμμα κατάστασης του άνθρακα. Σε πιέσεις κάτω από δέκα χιλιάδες ατμόσφαιρες και σε θερμοκρασίες κάτω από 4000 K, ο γραφίτης είναι μια σταθερή τροποποίηση. Έτσι, το διαμάντι ζει σε «ξένες» συνθήκες, οπότε μπορεί εύκολα να μετατραπεί σε γραφίτη. Αλλά το αντίστροφο πρόβλημα έχει πρακτικό ενδιαφέρον. Δεν είναι δυνατό να πραγματοποιηθεί η μετατροπή του γραφίτη σε διαμάντι μόνο με την αύξηση της πίεσης. Ο μετασχηματισμός φάσης στη στερεά κατάσταση προφανώς προχωρά πολύ αργά. Η εμφάνιση του διαγράμματος κατάστασης προτείνει τη σωστή λύση: αυξήστε την πίεση και τη θερμότητα ταυτόχρονα. Στη συνέχεια παίρνουμε (δεξιά γωνία του διαγράμματος) λιωμένο άνθρακα. Ψύχοντας το σε υψηλή πίεση, πρέπει να μπούμε στην περιοχή του διαμαντιού.

Η πρακτική δυνατότητα μιας τέτοιας διαδικασίας αποδείχθηκε το 1955 και προς το παρόν το πρόβλημα θεωρείται ότι έχει λυθεί τεχνικά.

Καταπληκτικό υγρό

Εάν χαμηλώσετε τη θερμοκρασία του σώματος, τότε αργά ή γρήγορα θα σκληρύνει και θα αποκτήσει κρυσταλλική δομή. Δεν έχει σημασία σε ποια πίεση συμβαίνει η ψύξη. Αυτή η περίσταση φαίνεται αρκετά φυσική και κατανοητή από την άποψη των νόμων της φυσικής, με τους οποίους έχουμε ήδη εξοικειωθεί. Πράγματι, χαμηλώνοντας τη θερμοκρασία, μειώνουμε την ένταση της θερμικής κίνησης. Όταν η κίνηση των μορίων γίνεται τόσο αδύναμη που δεν παρεμβαίνει πλέον στις δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ τους, τα μόρια ευθυγραμμίζονται με μια καθαρή σειρά - σχηματίζουν έναν κρύσταλλο. Η περαιτέρω ψύξη θα αφαιρέσει όλη την ενέργεια της κίνησής τους από τα μόρια, και στο απόλυτο μηδέν η ουσία πρέπει να υπάρχει με τη μορφή μορίων σε ηρεμία διατεταγμένα σε ένα κανονικό πλέγμα.

Η εμπειρία δείχνει ότι όλες οι ουσίες συμπεριφέρονται με αυτόν τον τρόπο. Όλα, εκτός από ένα και μοναδικό: ένα τέτοιο «φρικιό» είναι το ήλιο.

Έχουμε ήδη δώσει στον αναγνώστη κάποιες πληροφορίες για το ήλιο. Το ήλιο κατέχει το ρεκόρ για την κρίσιμη θερμοκρασία του. Καμία ουσία δεν έχει κρίσιμη θερμοκρασία χαμηλότερη από 4,3 Κ. Ωστόσο, αυτό το ρεκόρ από μόνο του δεν σημαίνει κάτι περίεργο. Ένα άλλο πράγμα είναι εντυπωσιακό: ψύχοντας ήλιο κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία, φτάνοντας σχεδόν το απόλυτο μηδέν, δεν θα πάρουμε στερεό ήλιο. Το ήλιο παραμένει υγρό ακόμα και στο απόλυτο μηδέν.

Η συμπεριφορά του ηλίου είναι εντελώς ανεξήγητη από τη σκοπιά των νόμων κίνησης που περιγράψαμε και είναι ένα από τα σημάδια της περιορισμένης ισχύος τέτοιων νόμων της φύσης, που φαινόταν να είναι καθολικοί.

Εάν το σώμα είναι υγρό, τότε τα άτομά του βρίσκονται σε κίνηση. Αλλά τελικά, έχοντας ψύξει το σώμα στο απόλυτο μηδέν, αφαιρέσαμε όλη την ενέργεια της κίνησης από αυτό. Πρέπει να παραδεχτούμε ότι το ήλιο έχει τέτοια ενέργεια κίνησης που δεν μπορεί να αφαιρεθεί. Αυτό το συμπέρασμα είναι ασυμβίβαστο με τη μηχανική που έχουμε να κάνουμε μέχρι τώρα. Σύμφωνα με αυτή τη μηχανική που μελετήσαμε, η κίνηση ενός σώματος μπορεί πάντα να επιβραδυνθεί σε πλήρη διακοπή αφαιρώντας όλη την κινητική του ενέργεια. με τον ίδιο τρόπο, είναι δυνατό να σταματήσει η κίνηση των μορίων αφαιρώντας την ενέργειά τους όταν συγκρούονται με τα τοιχώματα ενός ψυχρού σκάφους. Για το ήλιο, τέτοια μηχανική σαφώς δεν είναι κατάλληλη.

Η «περίεργη» συμπεριφορά του ηλίου είναι ένδειξη ενός γεγονότος μεγάλης σημασίας. Πρώτα συναντήσαμε την αδυναμία εφαρμογής στον κόσμο των ατόμων των βασικών νόμων της μηχανικής, που θεσπίστηκαν με την άμεση μελέτη της κίνησης των ορατών σωμάτων, νόμους που φαινόταν να είναι το ακλόνητο θεμέλιο της φυσικής.

Το γεγονός ότι το ήλιο «αρνείται» να κρυσταλλωθεί στο απόλυτο μηδέν δεν μπορεί να συμβιβαστεί με κανέναν τρόπο με τη μηχανική που έχουμε μελετήσει μέχρι τώρα. Η αντίφαση με την οποία συναντηθήκαμε για πρώτη φορά - η ανυπακοή του κόσμου των ατόμων στους νόμους της μηχανικής - είναι μόνο ο πρώτος κρίκος στην αλυσίδα των ακόμα πιο έντονων και οξύτερες αντιφάσεις στη φυσική.

Αυτές οι αντιφάσεις οδηγούν στην ανάγκη αναθεώρησης των θεμελίων της μηχανικής του ατομικού κόσμου. Αυτή η αναθεώρηση είναι πολύ βαθιά και οδηγεί σε μια αλλαγή σε ολόκληρη την κατανόησή μας για τη φύση.

Η ανάγκη για μια ριζική αναθεώρηση της μηχανικής του ατομικού κόσμου δεν σημαίνει ότι πρέπει να βάλουμε τέλος στους νόμους της μηχανικής που μελετήσαμε. Θα ήταν άδικο να αναγκάσουμε τον αναγνώστη να μάθει περιττά πράγματα. Η παλιά μηχανική ισχύει απόλυτα στον κόσμο των μεγάλων σωμάτων. Ήδη αυτό είναι αρκετό για να αντιμετωπίσουμε τα σχετικά κεφάλαια της φυσικής με απόλυτο σεβασμό. Ωστόσο, είναι επίσης σημαντικό ότι μια σειρά από νόμους της «παλιάς» μηχανικής περνούν στη «νέα» μηχανική. Αυτό περιλαμβάνει, ειδικότερα, το νόμο της διατήρησης της ενέργειας.

Η παρουσία «μη αφαιρέσιμης» ενέργειας στο απόλυτο μηδέν δεν είναι ειδική ιδιότητα του ηλίου. Καταλήγει; «μηδενική» ενέργεια υπάρχει σε όλες τις ουσίες.

Μόνο στο ήλιο αυτή η ενέργεια είναι αρκετή για να εμποδίσει τα άτομα να σχηματίσουν το σωστό κρυσταλλικό πλέγμα.

Δεν είναι απαραίτητο να πιστεύουμε ότι το ήλιο δεν μπορεί να βρίσκεται σε κρυσταλλική κατάσταση. Για την κρυστάλλωση του ηλίου, είναι απαραίτητο μόνο να αυξηθεί η πίεση σε περίπου 25 atm. Η ψύξη που πραγματοποιείται σε υψηλότερη πίεση θα οδηγήσει στο σχηματισμό στερεού κρυσταλλικού ηλίου με αρκετά συνηθισμένες ιδιότητες. Το ήλιο σχηματίζει ένα επικεντρωμένο κυβικό πλέγμα.

Στο σχ. Το 4.14 δείχνει ένα διάγραμμα της κατάστασης του ηλίου. Διαφέρει απότομα από τα διαγράμματα όλων των άλλων ουσιών απουσία τριπλού σημείου. Οι καμπύλες τήξης και βρασμού δεν τέμνονται.

Ρύζι. 4.14

Και αυτό το μοναδικό διάγραμμα κατάστασης έχει ένα ακόμη χαρακτηριστικό: υπάρχουν δύο διαφορετικά υγρά ηλίου Ποια είναι η διαφορά τους - θα μάθετε λίγο αργότερα.

Πάνω από όλα τα υγρά, ως αποτέλεσμα της εξάτμισης τους, δημιουργείται μια ισορροπία μεταξύ υγρού και ατμού και, κατά συνέπεια, μια ορισμένη τάση ατμών. Το μέγεθος αυτής της πίεσης εξαρτάται από τη φύση του υγρού και από τη θερμοκρασία. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η κινητική ενέργεια των μορίων στο υγρό αυξάνεται, ένας αυξανόμενος αριθμός από αυτά μπορούν να περάσουν στην αέρια φάση και, κατά συνέπεια, η τάση ατμών πάνω από το υγρό αυξάνεται (Εικόνα 4).

Εικόνα 4 - Καμπύλη πίεσης υδρατμών

Η θερμοκρασία στην οποία η τάση ατμών γίνεται ίση με την εξωτερική πίεση ονομάζεται σημείο βρασμού.Το σημείο τομής (Εικόνα 4) της οριζόντιας γραμμής που αντιστοιχεί σε πίεση 760 mm Hg. Art., και η καμπύλη πίεσης ατμών αντιστοιχεί στο σημείο βρασμού σε κανονική πίεση. Κάθε υγρό που δεν αποσυντίθεται όταν θερμαίνεται σε θερμοκρασία στην οποία η τάση ατμών γίνεται 760 mm Hg. Art., έχει το δικό του χαρακτηριστικό σημείο βρασμού σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση. Το σχήμα 4 δείχνει επίσης ότι σε πίεση 200 mm Hg. Τέχνη. το νερό θα βράσει στους 66°C περίπου. Αυτή η εξάρτηση του σημείου βρασμού από την πίεση χρησιμοποιείται στην εργαστηριακή πρακτική και στη βιομηχανία για απόσταξη χωρίς αποσύνθεση ουσιών που βράζουν σε υψηλές θερμοκρασίες (απόσταξη κενού). Σε μια σειρά βοηθημάτων αναφοράς και διδασκαλίας, δίνονται νομογράμματα που καθιστούν δυνατή τη συσχέτιση των σημείων βρασμού στην ατμοσφαιρική πίεση και στο κενό, δηλαδή τον προσδιορισμό της μέγιστης υπολειμματικής πίεσης που πρέπει να υπάρχει στη μονάδα απόσταξης έτσι ώστε η ουσία να αποσταχθεί παρακάτω θερμοκρασία αποσύνθεσής του (βλ. για παράδειγμα, /3, σελ. 32/).

Άλλες τροποποιήσεις της απόσταξης εξυπηρετούν τον ίδιο σκοπό (καθαρισμός ουσιών υψηλού βρασμού). Για παράδειγμα, η απόσταξη με ατμό καθιστά δυνατή την απόσταξη μιας ουσίας υψηλού βρασμού σε ατμοσφαιρική πίεση, αλλά η τάση ατμών πάνω από την επιφάνεια του υγρού, η οποία είναι ίση με την ατμοσφαιρική πίεση, είναι το άθροισμα των μερικών πιέσεων της ίδιας της ουσίας και των υδρατμών. Οι υδρατμοί σε αυτή τη μέθοδο διοχετεύονται (διοχετεύονται) μέσω του πάχους της ουσίας στον κύβο απόσταξης.

Στις περισσότερες περιπτώσεις, ο προσδιορισμός του σημείου βρασμού πραγματοποιείται κατά την απόσταξη μιας ουσίας κατά τον καθαρισμό της. Εάν είναι απαραίτητο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο προσδιορισμός του σημείου βρασμού μιας μικρής ποσότητας υγρού Η μικρομέθοδος του Sivolobov(Εικόνα 6).

Για να το εκτελέσετε, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την τυπική συσκευή για τον προσδιορισμό του σημείου τήξης που περιγράφεται παραπάνω (Εικόνα 5). Μια σταγόνα υγρού τοποθετείται σε ένα γυάλινο σωλήνα με λεπτό τοίχωμα (6) σφραγισμένο στο ένα άκρο (διάμετρος ~ 3 mm). Ένα τριχοειδές (4), σφραγισμένο από το πάνω άκρο, χαμηλώνεται στο σωλήνα, ο σωλήνας συνδέεται στο θερμόμετρο με μια ελαστική ταινία (5) και θερμαίνεται στη συσκευή μέχρι να αρχίσουν να βγαίνουν φυσαλίδες από το τριχοειδές σε συνεχή ροή. Σημειώστε τη θερμοκρασία στην οποία άρχισε η συνεχής φυσαλίδα. Αντιστοιχεί στο σημείο βρασμού του υγρού. Φροντίστε να καταγράψετε τη βαρομετρική πίεση. Με την τιμή του σημείου βρασμού, μπορεί να αναγνωριστεί μια ουσία και να προσδιοριστεί η καθαρότητά της.