Давление пара

редактировать

Микроскопический процесс испарения и конденсации на поверхности жидкости.

Если давление пара превышает термодинамическое равновесие, конденсация происходит в присутствии сайтов зародышеобразования. Этот принцип присущ камерам облачности, где ионизированные частицы образуют конденсационные дорожки при прохождении через них.

Воспроизвести медиа Пистолетный эксперимент с пробиркой. Трубка содержит спирт и закрывается куском пробки. При нагревании спирта пары заполняют пространство, увеличивая давление в трубке до точки, когда пробка выскакивает.

Давление пара (или давление пара в британском английском ; см. Различия в написании ) или равновесное давление пара определяется как давление, оказываемое паром в термодинамическом равновесии с его конденсированные фазы (твердые или жидкие) при заданной температуре в закрытой 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. По мере увеличения температуры жидкости увеличивается и кинетическая энергия ее молекул. По мере увеличения кинетической энергии молекул число молекул, переходящих в пар, также увеличивается, тем самым увеличивая давление пара.

Давление пара любого вещества нелинейно увеличивается с температурой в соответствии с соотношением Клаузиуса – Клапейрона. атмосферное давление точка кипения жидкости (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 объема вещества. Пузырь для образования более глубоких слоев жидкости требует более высокой температуры из-за более высокого давления жидкости, поскольку давление жидкости увеличивается выше атмосферного давления с увеличением 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 начальных 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 для воды, 78 кПа для азота, 21 кПа для кислорода и 0,9 кПа аргона, всего 102,2 кПа, что составляет основу для стандартного атмосферного давления.

Содержание

1 Измерение и единицы измерения
2 Оценка давления пара с помощью уравнения Антуана
3 Отношение к температуре кипения жидкостей
4 Жидкие смеси: закон Рауля
5 Твердые вещества
6 Точка кипения воды
7 Правило Дюринга
8 Примеры
9 Оценка давления пара по молекулярной структуре
10 Значение в метеорологии
11 См. Также
12 Ссылки
13 Внешние ссылки

Измерение и единицы измерения

Давление пара измеряется в стандартных единицах давления. Международная система единиц (СИ) распознает давление как производную единицу с величиной силы на площадь и обозначает паскаль (Па) в качестве стандартной единицы. Один паскаль равен одному ньютону на квадратный метр (Н · м или кг · м · с).

Экспериментальное измерение давления пара - это простая процедура для обычных значений давления от 1 до 200 кПа. 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. Часто это делается, например, с использованием изотенископа , путем погружения защитной зоны в ванну с жидкостью.

Очень низкое давление пара твердых веществ может быть измерено с помощью метода эффузионной ячейки Кнудсена.

В медицинском контексте давление пара иногда выражается в других единицах, а именно 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

Уравнение Антуана - это 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:

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

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

, и его можно преобразовать в эту явную форму температуры:

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

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

где:

P {\ displaystyle P}

P

- абсолютное давление пара вещества.

T {\ displaystyle T}

T

- температура вещества

A {\ displaystyle A}

A

B {\ displaystyle B}

B

C {\ displaystyle C}

C

- коэффициенты для конкретных веществ (т. Е. Константы или параметры)

log {\ displaystyle \ log}

\ log

обычно либо

log 10 {\ displaystyle \ log _ {10}}

\ log _ {10}

, либо

log e {\ displaystyle \ log _ {e}}

\ журнал _ {e}

Иногда используется более простая форма уравнения только с двумя коэффициентами:

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

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

который может быть преобразовано в:

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

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

Сублимации и испарения th Одно и то же вещество имеет отдельные наборы коэффициентов Антуана, как и компоненты в смесях. 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 низка, когда давление пара ниже 10 Торр из-за ограничений аппарата, используемого для определения значений параметра Антуана.

Уравнение Вагнера дает "одно из лучших" совпадений с экспериментальными данными, но является довольно сложным. Он выражает пониженное давление пара как функцию пониженной температуры.

Отношение к температуре кипения жидкостей

Диаграмма давления паров по логарифмической шкале для различных жидкостей

Как правило, давление пара жидкостей при температуре окружающей среды увеличивается с понижением точки кипения. Это показано на диаграмме давления пара (см. Справа), которая показывает графики зависимости давления пара от температуры для различных жидкостей. При нормальной температуре кипения жидкости давление пара равно стандартному атмосферному давлению, определяемому как 1 атмосфера, 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), в которой кривая давления паров хлористого метила (синяя линия) пересекает горизонтальную линию давления одной атмосферы (атм ) абсолютного пара. давление.

Хотя связь между давлением пара и температурой нелинейна, на диаграмме используется логарифмическая вертикальная ось для создания слегка изогнутых линий, поэтому на одной диаграмме можно отобразить множество жидкостей. Почти прямая линия получается, когда логарифм давления пара наносится на график против 1 / (T + 230), где T - температура в градусах Цельсия. Давление пара жидкости в точке кипения равно давлению окружающей среды.

Жидкие смеси: закон Рауля

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:

P tot = ∑ i P yi = ∑ я P isatxi {\ displaystyle P _ {\ rm {tot}} = \ sum _ {i} Py_ {i} = \ sum _ {i} P_ {i} ^ {\ rm {sat}} x_ {i} \,}

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

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

Системы, у которых давление пара выше, чем указано в приведенной выше формуле, считаются имеющими 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 вещества

Давление пара жидкого и твердого бензола

Равновесное давление пара можно определить как давление, достигаемое, когда конденсированная фаза находится в равновесии со своим собственным паром. В случае равновесного твердого вещества, такого как кристалл , это можно определить как давление, когда скорость сублимации твердого вещества 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 льда. 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 транспирации газа.

Существует несколько методов расчета давления сублимации (т. Е. Давления пара) твердого тела. Один из методов заключается в оценке давления сублимации на основе экстраполированных значений давления пара жидкости (переохлажденной жидкости), если известна теплота плавления, с использованием этой конкретной формы соотношения Клаузиуса – Клапейрона:

ln P ssub = пер п lsub - Δ fus HR (1 T sub - 1 T fus) {\ 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)}

{\ 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)}

где:

$P ssub {\ displaystyle P _ {\ rm {s}} ^ {\ rm {sub}}}$ ${\ displaystyle P _ {\ rm {s}} ^ {\ rm {sub}}}$ - давление сублимации твердого компонента при температуре $T sub < T f u s {\displaystyle T_{\rm {sub}}$ ${\ displaystyle T _ {\ rm {sub}} <T _ {\ rm {fus}}}$ .
$P lsub {\ displaystyle P _ {\ rm {l}} ^ {\ rm {sub }}}$ ${\ displaystyle P _ {\ rm {l}} ^ {\ rm {sub}}}$ - экстраполированное давление пара жидкого компонента при температуре $T sub < T f u s {\displaystyle T_{\rm {sub}}$ ${\ displaystyle T _ {\ rm {sub}} <T _ {\ rm {fus}}}$ .
$Δ fus H {\ displaystyle \ Delta _ {\ rm {fus}} H}$ ${\ displaystyle \ Delta _ {\ rm {fus}} H}$ - теплота плавления.
$R {\ displaystyle R}$ $R$ - газовая постоянная.
$T sub {\ displaystyle T _ {\ rm {sub}}}$ ${\ displaystyle T _ {\ rm {sub}}}$ - сублиматический от температуры.
$T fus {\ displaystyle T _ {\ rm {fus}}}$ ${\ displaystyle T _ {\ rm {fus}}}$ - температура точки плавления.

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

Температура кипения воды

График зависимости давления водяного пара от температуры. При нормальной температуре кипения 100 ° C это соответствует стандартному атмосферному давлению 760 Торр или 101,325 кПа.

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 для атмосферного давления можно приблизительно определить по уравнению Антуана :

log 10 ⁡ (P 1 Торр) = 8,07131 - 1730,63 C 233,426 ∘ C + T b {\ 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}}}}

{\ 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 преобразовано в эту явную для температуры форму:

T b = 1730,63 C 8.07131 - log 10 ⁡ (P 1 торр) - 233,426 ∘ C {\ 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}}}

{\ 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 $T b { \ displaystyle T_ {b}}$ $T_ {b}$ - точка кипения в градусах Цельсия, а давление $P {\ displaystyle P}$ $P$ в торр..

Правило Дюринга

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

Примеры

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

Вещество	Давление пара			Температура. (° C)
Вещество	(Па)	(бар)	(мм рт. Ст.)	Температура. (° C)
Вольфрам	100 Па	0,001	0,75	3203
Этиленгликоль	500 Па	0,005	3,75	20
Дифторид ксенона	600 Па	0,006	4,50	25
Вода (H2O)	2,3 кПа	0,023	17,5	20
Пропанол	2,4 кПа	0,024	18,0	20
Метилизобутилкетон	2,66 кПа	0,0266	19,95	25
Этанол	5,83 кПа	0,0583	43,7	20
Фреон 113	37,9 кПа	0,379	284	20
Ацетальдегид	98,7 кПа	0,987	740	20
Бутан	220 кПа	2,2	1650	20
Формальдегид	435,7 кПа	4,357	3268	20
Пропан	997,8 кПа	9,978	7584	26,85
Сульфид карбонила	1,255 МПа	12,55	9412	25
Закись азота	5,660 МПа	56,60	42453	25
Двуокись углерода	5,7 МПа	57	42753	20

Оценка давления пара по молекулярной структуре

Существует несколько эмпирических методов для оценки давления пара по молекулярной структуре для органических молекул. Некоторыми примерами являются метод SIMPOL.1, метод Моллера и др. И EVAPORATION (оценка давления пара органических веществ, учет температуры, внутримолекулярных эффектов и эффектов неаддитивности).

Значение в метеорологии

В метеорологии термин «давление пара» используется для обозначения парциального давления водяного пара в атмосфере, даже если он не находится в равновесии, и равновесного давления пара. указано 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.

См. также

Ссылки

Внешние ссылки