Можно ли нарушить равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром как это сделать
Добавил пользователь Alex Обновлено: 18.09.2024
Рассмотрим герметично закрытый сосуд, в котором нагревается вода. Нам известно, что при нагреве вода испаряется, то есть превращается в пар. Плотность пара над поверхностью жидкости начнет увеличиваться, так как выйти ему некуда и частицы пара будут мешать молекулам жидкости вылетать наружу, то есть скорость испарения начинает уменьшаться. При этом число молекул, которые возвращаются в жидкость, будет становиться больше, из-за увеличения объема пара, то есть скорость конденсации будет возрастать.
В момент, когда скорость испарения будет равна скорости конденсации наступит динамическое равновесие.
Таким образом, динамическое равновесие представляет собой состояние, при котором количество молекул, покинувших жидкость, равно количеству молекул пара, вернувшись в жидкость, за один и тот же промежуток времени.
При этом пар, который находится в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.
Стоит отметить, что в некотором объеме пара при данной температуре не может находиться большее количество пара.
Видео
Температура кипения
При температуре кипения давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению на жидкость — чаще всего это атмосферное давление. Значит, чем больше внешнее давление, тем при более высокой температуре начнется кипение.
При нормальном атмосферном давлении, которое приблизительно равно 100 кПа, температура кипения воды равна 100°C. Поэтому можно сразу сказать, что давление насыщенного водяного пара при температуре 100 градусов по Цельсию равно 100 кПа. Это значение пригодится при решении задач.
Чем выше мы поднимаемся, тем меньше становится атмосферное давление, потому что масса атмосферы над нами уменьшается. Так, например, на вершине Эльбруса атмосферное давление составляет 5 × 104 Па — в два раза меньше, чем нормальное атмосферное давление. Поэтому и температура кипения на вершине Эльбруса будет ниже, чем на уровне моря. Вода там закипит при температуре 82°C.
Температура кипения при нормальном атмосферном давлении — это строго определенная величина для каждой жидкости.
Понятие удельной теплоты парообразования
Вода закипает и поглощает теплоту. Основная теплота тратится на разрыв этих тонких связей, остальное затрачивается на работу, происходящую в момент расширения пара. Увеличивается энергия взаимодействия частиц пара и становится в разы больше, чем между частицами жидкости. Внутренняя энергия пара больше внутренней энергии воды. Теплота рассчитывается по следующей формуле: Q = Lm. Удельная теплота – это необходимое количество теплоты, требующееся на превращение воды в пар при кипении. Удельная теплота обозначается как L и в системе СИ определяется в 1 Дж/ кг.
Наша планета покрыта водой более чем на 80 %, сюда входят все льды, моря, океаны, реки и многое другое. Организм человека тоже не может существовать без воды, в нем происходят такие же процессы как везде, где есть вода. Бинарное соединение относится к неорганическим соединениям и имеет формулу H2O — это молекулярный состав из трех молекул. Три состояния воды встретить может каждый, причем при 0°C оно твердое, и при 100°C появляется пар. Вода исследуется с древнего мира и наука о ней называется гидрологией. Все начиналось с исследования рек, а сейчас известные ученые, сделав много подтвержденных выводов доказали и объяснили множество явлений.
Свойства насыщенного пара
При постоянной температуре плотность насыщенного пара не зависит от его объема.
Представьте, что объем сосуда с насыщенным паром уменьшили, не изменив температуры.
Количество молекул, переходящих от пара к жидкости, превысит количество испаряющихся молекул, но при этом часть пара сконденсируется, а оставшийся пар снова придет в динамическое равновесие. В итоге плотность этого пара будет равна начальной плотности.
Давление насыщенного пара не зависит от его объема.
Это связано с тем, что давление и плотность связаны через уравнение Менделеева-Клапейрона, и следует из первого свойства насыщенного пара.
Кстати, уравнение Менделеева-Клапейрона справедливо для насыщенного пара. При этом нужно быть внимательным с частными случаями. Так, например, закон Бойля-Мариотта для насыщенного пара не выполняется.
pV = νRT
p — давление газа [Па]
V — объем [м3]
ν — количество вещества [моль]
T — температура [К]
R — универсальная газовая постоянная
R = 8,31 м 2 × кг × с -2 × К -1 × моль -1
При неизменном объеме плотность насыщенного пара растет с повышением температуры и уменьшается с понижением температуры.
В начальный момент испарения динамическое равновесие будет нарушено (некоторая часть жидкости испарится дополнительно). Плотность пара будет расти, пока динамическое равновесие не восстановится.
Давление и температура насыщенного пара растут быстрее, чем по линейному закону, который справедлив для идеального газа.
В случае идеального газа рост давления обусловлен только ростом температуры, а в случае с насыщенном паром имеют значение два фактора: температура и масса пара.
В случае нагревания насыщенного пара молекулы начинают ударяться чаще, так как их в целом стало больше, потому что пара стало больше.
Главное отличие насыщенного пара от идеального газа: пар сам по себе не является замкнутой системой, а находится в постоянном контакте с жидкостью.
Динамическое равновесие
А что будет, если сосуд с жидкостью герметично закрыть? Плотность пара над поверхностью жидкости начнёт увеличиваться; частицы пара будут всё сильнее мешать другим молекулам жидкости вылетать наружу, и скорость испарения станет уменьшаться. Одновременно начнёт увеличиваться скорость конденсации, так как с возрастанием концентрации пара число молекул, возвращающихся в жидкость, будет становиться всё больше.
Насыщенный пар — это пар, который находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью. Пар, не достигший состояния динамического равновесия с жидкостью, называется ненасыщенным.
Давление и плотность насыщенного пара обозначаются и . Очевидно, и — это максимальные давление и плотность, которые может иметь пар при данной температуре. Иными словами, давление и плотность насыщенного пара всегда превышают давление и плотность ненасыщенного пара.
Скорость испарения и температура
В жидкостях всегда имеется некоторое число быстро движущихся молекул. Значит,
Испарение происходит при любой температуре.
Наполним два одинаковых сосуда водой одинаковой массы. Но в один сосуд нальем воду комнатной температуры, а в другой – подогретую до высокой температуры (рисунок 2).
Рисунок 2. Зависимость скорости испарения от температуры жидкости
Наблюдения покажут, что количество подогретой жидкости в сосуде уменьшилось быстрее, чем жидкости комнатной температуры.
Испарение происходит тем быстрее, чем выше температура жидкости.
При увеличении температуры жидкости, увеличивается ее внутренняя энергия. При этом увеличивается средняя кинетическая энергия молекул и средняя скорость их движения. Значит, чем выше температура жидкости, тем больше в ней быстро движущихся молекул, которыe способны вылететь с поверхности.
Например, после дождя на улице остаются лужи. Дождь может пройти и холодной осенью, и жарким летом. Когда лужи высыхают быстрее? Конечно же летом, когда на улице более высокая температура.
Насыщенный пар и динамическое равновесие между паром и жидкостью
Рассмотрим испарение жидкости в закрытом сосуде (рисунок 5).
Рисунок 5. Жидкость и пар в динамическом равновесии
Вначале испарение будет идти точно так же как и в открытом сосуде: количество вылетающих молекул будет больше количества молекул, которые возвращаются обратно в жидкость. Но они не могут улететь в окружающую среду, поэтому плотность пара над поверхностью жидкости будет постепенно увеличиваться.
С увеличением плотности пара будет увеличиваться и число молекул, возвращающихся обратно в жидкость. Постепенно, число молекул, вылетающих из жидкости, станет равным числу молекул, возвращающихся в нее. Число молекул пара над жидкостью станет постоянным – наступит динамическое равновесие между паром и жидкостью.
В таком случае пар называют насыщенным.
Насыщенный пар – это пар, находящийся в динамическим равновесии со своей жидкостью.
При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде несмотря на испарение не изменяется.
Влажность воздушных масс
Водяные пары в воздухе находятся постоянно, только их количество всегда разное. Количество водяного пара делает воздух сырым либо сухим. Ежедневно в метеопрогнозах озвучивается не только погода, но и влажность, так как эта величина имеет огромное значение в нашей жизни. Относительной влажностью называется величина отношения площади водяного пара к плотности пара насыщенного и выражается в процентах. Измерить влажность можно гигрометром, эти измерительные приборы бывают психрометрическими и волосными. Давление водяного пара сложно измерять, но относительную влажность можно очень просто измерить косвенным методом. Психрометр дает точные измерительные данные. Важно отметить, что для человека опасен сухой воздух и сильная влажность, человек себя чувствует комфортно при влажности 40-60 %. Если очень высокая температура на улице, то лучше, если воздух будет сухим, об этом свидетельствуют пустыни. Такое явление как испарение через кожу при высокой температуре и низкой влажности помогает облегчить работу почек человека, поэтому в медицине врачи советуют больным с болезнями почек поехать в те регионы и страны, где именно такой климат.
Посмотрев данный видеоурок, учащиеся вспомнят, что такое испарение и конденсация. Узнают, какой пар называется насыщенным, и от чего зависит давление насыщенного пара. А также вспомнят, какой процесс называется кипением и от каких параметров он зависит.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока "Насыщенный пар. Давления насыщенного пара. Кипение"
Из повседневного опыта мы знаем, что жидкости, например вода, находясь в открытых сосудах, с течением времени переходят в газообразное состояние. Такой процесс в физике называется парообразованием.
Переход вещества из жидкого состояния в газообразное возможен двумя различными процессами: испарением и кипением.
Под испарением мы с вами будем понимать процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости, граничащей с газообразной средой или вакуумом.
Рассмотрим процесс испарения с точки зрения молекулярно-кинетической теории вещества. Но для начала давайте вспомним, что молекулы вещества в любом его агрегатном состоянии находятся в непрерывном движении. Их скорости меняются самым случайным образом. И несмотря на то, что среднее значение кинетической энергии молекул при заданной температуре имеет определённое значение, кинетическая энергия отдельной молекулы может быть как больше, так и меньше средней:
Наиболее быстрые молекулы, находящиеся в верхних слоях жидкости, могут преодолеть силы притяжения к другим молекулам и покинуть жидкость. А так как молекулы с большой энергией есть всегда, то со временем количество жидкости будет уменьшаться, а над жидкостью будет образовываться пар.
Поскольку при испарении поверхность жидкости покидают самые быстрые молекулы, то средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, и в результате температура жидкости понижается.
Скорость испарения жидкости зависит от многих факторов: от её рода, температуры, площади свободной поверхности и от притока воздуха.
Вылетевшая из жидкости молекула принимает участие в беспорядочном тепловом движении газа. Хаотично двигаясь, она может навсегда удалиться от поверхности жидкости, находящейся в открытом сосуде, а может и вернуться снова в жидкость.
Процесс превращения пара в жидкость называется конденсацией. При этом процессе число молекул, возвращающихся в жидкость за определённый промежуток времени, всегда больше числа молекул, покидающих её.
Процессы испарения и конденсации широко распространены в природе и технике. Так, например, вследствие испарения воды с поверхности водной оболочки Земли — гидросферы, с поверхности почвы и растительного покрова в воздухе всегда находятся водяные пары, которые могут конденсироваться, образовывать облака и выпадать в виде осадков.
Над свободной поверхностью жидкости всегда имеются пары этой жидкости. И если сосуд с жидкостью не закрыт, то концентрация частиц пара при постоянной температуре может изменяться достаточно в широких пределах как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения.
Однако процесс испарения в замкнутое пространство при данной температуре может происходить только до определённого предела. Объясняется это достаточно просто. Вот есть сосуд, который частично заполнили водой и плотно закрыли. В сосуде одновременно протекают два противоположно направленных процесса — это испарение и переход водяного пара в жидкость, то есть конденсация.
В течение некоторого промежутка времени после герметизации сосуда испарение жидкости преобладает над конденсацией её пара. Количество жидкости в сосуде будет уменьшаться, а плотность пара над ней — увеличиваться. Но концентрация пара в закрытом сосуде не может расти вечно. Со временем число молекул, покидающих жидкость, станет равным числу молекул, возвращающихся в неё, за тот же промежуток времени. В этом случае говорят, что между жидкостью и паром устанавливается состояние динамического равновесия.
Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называют насыщенным.
А теперь давайте нагреем наш сосуд, в котором жидкость и пар находятся в состоянии динамического равновесия. Нетрудно заметить, что при увеличении температуры, количество молекул, которые покидают поверхность жидкости, возрастает. При этом в начале количество молекул, покидающих жидкость, больше, чем тех, которые возвращаются обратно, то есть нарушается динамическое равновесие. Однако через какое-то время равновесие вновь восстанавливается. Но так как число молекул в единице объёма пара увеличилось по сравнению с первоначальным, то увеличилась и плотность насыщенного пара. А мы уже знаем, что при увеличении плотности газа возрастает и его давление.
Значит, с увеличением температуры, плотность и давление насыщенного пара увеличиваются. Приближённо зависимость давления насыщенного пара от температуры можно описать уравнением состояния идеального газа:
p = nkT.
Почему приближённо? Дело в том, что давление насыщенного пара при постоянном объёме растёт не только вследствие повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул пара и, как следствие, его плотности и массы.
Поэтому вначале давление насыщенного пара растёт быстрее, чем давление идеального газа. И лишь когда вся жидкость испарится, пар перестанет быть насыщенным и его давление при постоянном объёме будет расти прямо пропорционально температуре.
Вернём нашу систему в исходное состояние и посмотрим, как поведёт себя насыщенный пар, если уменьшить занимаемый им объём. Сразу при уменьшении объёма пара его давление увеличивается, что тут же приводит к возрастанию количества молекул, переходящих в жидкость, и динамическое равновесие нарушается. Но вот число молекул, которые покидают поверхность жидкости, не меняется, так как оно зависит только от температуры, которая у нас остаётся неизменной. В результате количество молекул пара уменьшается. Этот процесс продолжается до тех пор, пока вновь не установится динамическое равновесие и плотность пара, а, следовательно, его давление и концентрация молекул не примут своих прежних значений.
Таким образом, при постоянной температуре давление и плотность насыщенного пара не зависят от занимаемого им объёма.
Давление и плотность насыщенного пара при данной температуре — это максимальные давление и плотность, которое может иметь пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью при этой температуре.
Пар, давление (или плотность) которого меньше давления (или плотности) насыщенного пара при той же температуре, называют ненасыщенным паром.
При уменьшении объёма давление ненасыщенного пара увеличивается подобно тому, как изменяется давление при уменьшении объёма идеального газа. Достигнув определённого объёма, пар становится насыщенным, и при дальнейшем сжатии будет происходить превращение пара в жидкость. А как только весь пар превратится в жидкость, дальнейшее уменьшение объёма вызовет резкое увеличение давления, так как жидкости малосжимаемы.
Но самое интересное в этом то, что если температура пара выше некоторого значения, то, как бы мы ни сжимали его, он никогда не превратится в жидкость. То есть превращение пара в жидкость происходит не при любой температуре. Максимальная температура, при которой пар ещё может превратиться в жидкость, называется критической температурой.
У каждого вещества своя критическая температура.
Запомните, что состояние вещества при температуре выше критической называется газом; при температуре ниже критической, когда у пара есть возможность превратиться в жидкость, — паром.
Обобщив всё вышесказанное, можно утверждать, что газовые законы для насыщенного пара не применимы, так как при любом объёме при постоянной температуре давление насыщенного пара одинаково. Однако состояние насыщенного пара достаточно точно описывается уравнением Клайперона — Менделеева.
А теперь давайте посмотрим, как будет происходить испарение жидкости, если к ней постоянно подводить теплоту. Возьмём сосуд с водой и установим под него какой-нибудь нагреватель (например, спиртовку или электроплитку). С помощью термометра будем следить за показаниями температуры в сосуде. Понаблюдаем за жидкостью. Как видим, по мере роста температуры на дне сосуда появляется множество пузырьков. Это растворённый в жидкости газ, который всегда присутствует в жидкости, и степень растворения которого понижается с ростом температуры. При нагревании жидкости снизу газ начинает выделяться в виде пузырьков у дна и стенок сосуда.
В эти пузырьки происходит испарение жидкости. Поэтому в них, кроме воздуха, находится насыщенный пар, давление которого с ростом температуры быстро увеличивается, и пузырьки растут в объёме, а следовательно, увеличиваются действующие на них силы Архимеда. Когда выталкивающая сила станет больше силы тяжести пузырька, он начинает всплывать. Но пока жидкость не будет равномерно прогрета, по мере всплытия объём пузырька уменьшается. Давление стремительно падает, и, не достигнув свободной поверхности, пузырьки исчезают (захлопываются). Этот процесс происходит настолько быстро, что стенки пузырька, сталкиваясь, производят нечто вроде взрыва. Вот почему мы слышим характерный шум перед закипанием воды.
Когда температура жидкости выровняется, объём пузырька при подъёме будет возрастать, так как давление насыщенного пара не изменяется, а внешнее давление на пузырёк, представляющее собой сумму гидростатического давления жидкости, находящейся над пузырьком, и атмосферного давления, уменьшается. Пузырёк достигает свободной поверхности жидкости, лопается, и насыщенный пар выходит наружу — жидкость закипает.
Кипение — это процесс парообразования, происходящий по всему объёму жидкости.
Температура, при которой происходит кипение жидкости, называется температурой кипения.
Конечно же, температура кипения у разных жидкостей различна. Это и понятно, ведь различна энергия взаимодействия их молекул. В таблице, которую вы сейчас видите на экране, приведены температуры кипения жидкостей при нормальном атмосферном давлении. А как выдумаете, случайно ли мы, говоря о температуре кипения жидкости, указываем давление?
Конечно же, неслучайно. Пузырьки кипящей жидкости лопаются при условии, что давление пара в них не меньше, чем давление снаружи. Значит, чем меньше внешнее давление, тем при более низкой температуре закипит жидкость. И наоборот.
Для подтверждения наших слов, проведём такой опыт. Возьмём три сосуда с водой, находящихся в герметичных камерах. Тепло к сосудам будем подводить при помощи электрических нагревателей, а температуру измерять термометрами. Пусть во второй камере давление воздуха составляет одну атмосферу, в первой камере мы снизим давление в два раза, откачав воздух. А в третьей камере мы давление воздуха увеличим до пяти атмосфер.
Включи́м плитки и пронаблюдаем за жидкостями. Первой у нас закипает вода в первой камере. При этом обратите внимание: кипит она при температуре всего 81 о С. Вода в камере с нормальным давлением, как и ожидалось, закипела при 100 о С.
А что же в камере номер три? Вода кипит в ней при температуре более 151 о С.
Таким образом, мы показали, что действительно чем меньше внешнее давление, тем при более низкой температуре закипит жидкость, и наоборот.
Если же предварительно освободить жидкость от растворенного в ней газа, то её можно перегреть, то есть нагреть выше температуры кипения. Это неустойчивое состояние жидкости. Достаточно небольших сотрясений и жидкость закипает, а её температура сразу понижается до температуры кипения.
В случае совершенного раствора состояние равновесных жидкости и пара в общем случае не совпадает. На диаграмме давление-состав принято наносить точки, которые характеризуют состояние равновесного пара. Для совершенного раствора состоящего их 3-х компонентов завис. общего давления пара над раствором от состава выражается прямой линией.
Если на эту диаграмму нанести точку выражающую состояние равновесного пара, то каждый давление. На диаграмме будут соответствовать - состояние жидкости в соответствии равновесного пара. Точка, выражающая состояние пара при различных давлениях соединяется плавной линией (линия пара). Т.о. на диаграмме 2 линии одна из которых (верхняя) характеризует состояние жидкост. раствора, она же является зависимостью общего давления пара над раствором от состояния. Эта линия называется линия жидкости. 2-ая линия (нижняя) называется линией пара и характеризует состояние равновесного пара. Чтобы определить состояние пара, находят равновесное с жидким состоянием: 1. мы должны из точки, характеризующей состояние жидкости восстановить перпендикуляр до пересечения с линией жидкости, через точку пересечения провести изобару до пересечения её с линией пара. Как видно из диаграммы в случае совершенного раствора равновесный пар всегда обогащен по сравнению с жидкостью более летучим компонентом, то есть тем компонентом, давление насыщенного пара которого выше. Линия жидкости и линия пара разделяют диаграмму на три области. Выше линии жидкости характеризуется жидким составом. Ниже линии пара – пар. Между линиями жидкости и пара характеризуется гетерогенной системой, состоящей из двух фаз – жидкости и насыщенного пара. В случае отклонения от закона Рауля линия жидкости перестаёт быть прямой, а в случае очень большого отклонения могут образовываться диаграммы с экстремами точек на линии общего давления.
В реальной системе как показывает опыт, пар не всегда обогащен по сравнению с жидкостью более летучим компонентом в отношении составом равновесной жидкости и пара. Коноваловым были сформулированы два закона. Первый закон: а) повышение относительного содержания данного компонента в жидкой фазе всегда вызывает увеличение относительного содержания его в паровой фазе. б) пар более богат тем компонентом раствора, добавление которого повышает общее давление пара или понижает температуру кипения при данном давлении. Второй закон: в экстремальной точке на кривой давления пара состав пара совпадает с составом жидкости. Растворы такого состава называются постоянно кипящими или азеотропными. Законы Коновалова выводят исходя из уравнения Гиббса-Дюгема. Т/д вывод приводит к следующему выражению: для бинарного раствора соединений компонента А и В. – всегда >0, т к с ростом содержания компонента В в жидкости парциальное давление его насыщенного пара может только возрасти. В экстремальной точке на линии общего давления пара , т к , , то есть содержание компонента В в паровой фазе равно его содержанию в жидкости, то есть соблюдается второй закон Коновалова.
Диаграммы давление-состав и температура кипения-состав
Диаграмма давление-состав с экстремальными точками имеет вид:
Совокупность равновесных состояний в двойной жидкостной системе может быть изображена в виде диаграммы давление-состав построенной при .
Если взять точку гетерогенной области, то она характеризует состав гетерогенной системы состоящей из жидкости и насыщенного пара. Чтобы определить состав насыщенной жидкости и пара нужно через эту точку провести изобару до пересечения её с линиями жидкости и пара. Точка в укажет на состав жидкости. Следовательно, в соответствии с первым законом Коновалова пар по сравнению с жидкостью будет более богат компонентом В. Массы равновесных фаз могут выражаться в массовых долях. Состояние равновесных жидкости и пара называется сопряжёнными. Диаграмма кипение–состав напоминает обратную диаграмму давление-состав. На диаграмме кипение – состав верхняя линяя – пар, нижняя – жидкость. Через точку проводим изотерму. Можно применить правила расчёта для определения качества равновесных фаз. Диаграмма кипение-состав и давление-состав широко используются для анализа и расчёта продуктов перегонки и ректификации.
Дробная перегонка и ректификация
Дистилляцией называется процесс разделения раствора на те или другие составляющие части путём перегонки. В основе метода лежит различие в составе равновесных жидкости и пара. Чем больше это различие, тем легче осуществляется разделение. Для количественной характеристики раствора в этом отношении пользуются величиной коэффициента разделения
.
В случае совершенных растворов коэффициент разделения не зависит от состава . Процесс фракционной перегонки заключается в чередовании операций испарения и конденсации раствора. Процесс легко рассмотреть на примере диаграммы давление-состав или - состав использующийся законом Коновалова. Двойная система образующая диаграмму давления-состав без экстремальных точек путём фракционной перегонки можно разделить на практические чистые компоненты А и В. если же диаграмма с экстремальными точками, то систему этих компонентов дробной перегонкой можно разделить либо на компонент А и азеотропный раствор, либо на компонент В и азеотропный раствор В зависимости от свойства исходных жидкостей. Процесс дробной перегонки сложен и трудоёмок в промышленном масштабе. Разделение удаётся осуществить более успешно, проводя перегонку в форме непрерывного процесса, в котором операции конденсации и дистилляции отдельных фракций автоматизированы - ректификация. Разделение зависит от 3 факторов: 1) коэффициент разделения который свойственен данному раствору и зависимость его от состава в данной системе 2) от числа тарелок в колонне 3) от эффективности работы каждой тарелки.
Зависимость состава паровой фазы от температуры
При повышении температуры пар равновесный с летучей смесью постоянного состава, обогащается тем компонентом, парциальная молярная теплота испарения которого больше. Этот закон справедлив для летучих смесей как без азеотропа, так и с азеотропом.
В системе с макс. на кривой давления пара при повышении температуры в азеотропной смеси возрастает относительное содержание компонентов с большим парциальным молярной теплотой испарения, а в летучей смеси с мин. На кривой давления пара относительной содержание компонентов обратное.
При повышении температуры в системе с макс на кривой давления пара состав равновесного пара и состав азеотропной смеси изменяется в одном направлении. В системе с мин состав равновесного пара и азеотропной смеси изменяется в противоположных направлениях.
Многие жидкости обладают ограниченной взаимной растворимостью и в некотором интервале температур и состав при их смешении образует 2 фазы. Например, анилин – вода: АВ – характеризует изменение растворимости анилина в воде с изменением температуры. ВС – характеризует изменение растворимости воды в анилине при изменение Т. АВ и ВС сходятся в точке В которая называется верхней критической температурой растворимости. Выше этой температуры объёмы жидкостей смешиваются в любых соотношениях. Если провести изотерму , то она пересечёт кривую АВС, то она пересечёт в точке а и в, а характеризует состав водного слоя, а в – состав анилинового слоя. Растворы, соответствующие по составам точкам А и В называются сопряжёнными, а отрезок АВ называется нодой. Если взять смеси анилина и воды состава тачки d и нагреть эту смеси до температуры , то мы будем наблюдать в стакане 2 фазы: 1) водный раствор d1, а другой анилиновый слой. Массы сопряжённых фаз растворов можно определить по правилу рычага . Для нахождения критической температуры растворимость можно использовать правило прямолинейного диаметра.
Давление насыщенного пара в системах с ограниченной взаимной растворимостью компонентов
В подобных рассмотренных системах оба жидких слоя при равновесии обладают одинаковым паром (по общему давлению состава и по парциальному давлению компонента С).
Различие в общем составе жидкости предельной гетерогенной области означает только разницу относительного количества того и другого слоя при постоянном составе каждого из них. Как общее так и парциальное давление насыщенного пара для всей указанной области сохраняет постоянные значения.
Взаимно нерастворимые жидкости
Если жидкости взаимно нерастворимы, то они образуют гетерогенные системы в которых каждый компонент существует независимо от другого. Давление пара каждого из компонентов над смесью равно давлению пара чистого компонента.
Общее давление пара смеси взаимно нерастворимых жидкостей равно сумме давлений насыщенного пара чистых компонентов при той же температуре. Поэтому такие смеси кипят при температуре более низкой чем температура кипения каждого из компонентов. По мере испарения гетерогенной смеси температура её кипения остаётся постоянной пока полностью не испарится одним из компонентов, после этого температура кипения системы скачкообразно изменяется до температуры кипения оставшегося компонента. Это используется в технике и лабораторной практике для перегонки с водяным паром. Состав насыщенного пара не зависит от соотношения компонентов в жидкости. обозначая и числа молей компонентов А и В в паре и полученного из пара конденсате. Если - V пара, то уравнение Менд-Клап можно записать . Если вторым компонентом является вода, то . – расходный коэффициент пара. Он тем больше, чем меньше и . Перегонка с водяным паром применяется для отгонки бензола из каменноугольной смолы, очистки анилина.
Испарение и конденсация. Из повседневного опыта мы знаем, что жидкости, например вода, находясь в открытых сосудах, с течением времени переходят в газообразное состояние — испаряются. Причём скорость испарения зависит от рода жидкости, её температуры, площади свободной поверхности и от притока воздуха. Вследствие испарения воды с поверхности водяной оболочки Земли (гидросферы), с поверхности почвы и растительного покрова в воздухе всегда находятся водяные пары, которые могут конденсироваться, образовывать облака, выпадать в виде осадков. Процессы испарения и конденсации распространены в природе и технике, и изучение их особенностей имеет большое практическое значение.
Рассмотрим плотно закрытый сосуд, в котором вода занимает нижнюю часть, а остальное пространство заполнено паром. Молекулы в воде и паре находятся в непрерывном движении и могут как вылетать из воды в пар, так и из пара возвращаться в воду. Таким образом, в сосуде одновременно протекают два противоположно направленных процесса — переход воды в газообразное состояние (испарение) и переход водяного пара в жидкость (конденсация) (рис. 58).
При испарении жидкости в плотно закрытом сосуде плотность пара над ней увеличивается, и одновременно растёт число молекул, влетающих обратно в жидкость. Концентрация молекул пара возрастает до тех пор, пока число N1 молекул, покидающих жидкость (рис. 59), не станет равным числу N2 молекул, возвращающихся в неё за тот же промежуток времени: N1 = N2. Уровень жидкости в сосуде при этом не изменяется с течением времени. Между жидкостью и её паром устанавливается состояние динамического равновесия. Оно будет существовать до тех пор, пока не изменится температура или объём системы.
1. Обычно при испарении жидкость охлаждается. Когда возможно испарение жидкости при постоянной температуре?
2. Если сосуд с водой плотно закрыть, то сначала количество воды уменьшится, а затем будет оставаться постоянным. Почему?
Читайте также: