Õppetund
Teooria — Aururõhk ja keemistemperatuur (Clausius-Clapeyron)
Vedeliku aururõhk on sellega tasakaalus oleva enda auru rõhk ja see tõuseb temperatuuriga järsult. Vedelik keeb temperatuuril, kus see rõhk saavutab vedeliku kohal oleva rõhu taseme. Clausius-Clapeyroni võrrand annab selle tõusu: ln(P2/P1) = −(ΔHvap/R)(1/T2 − 1/T1), seega on ln P sõltuvus 1/T-st sirge, mille tõus on −ΔHvap/R. Ühtpidi lugedes muudab see rõhu keemistemperatuuriks; teistpidi lugedes muudab see kaks keemistemperatuuri peitsoojuseks.
Mida iga sümbol tähendab
P- vedeliku kohal olev rõhk, absoluutne, baarides: 1,01325 merepinnal
T_b- keemistemperatuur, valemis kelvinites
ΔH_vap- molaarne aurustumise peitsoojus: vee puhul 100 °C juures 40,65 kJ/mol
R- gaasikonstant, 8,314 J/(mol·K)
- Eeldab
- Kolme asja, mis kõik on kuskil valed. Peitsoojus on igal temperatuuril sama, olgugi et kolmikpunktis on see 45,05 kJ/mol ja kriitilises punktis null. Aur on ideaalgaas. Vedelik ei võta selle kõrval ruumi. Selle lehe keskmises vahemikus taandavad vead üksteist suures osas välja, mis ongi teine õppetund. Ankruks on 100 °C 1 atm juures, nagu koliigatiivsete omaduste lehel, mis võtab oma ebullioskoopilise konstandi samast 40,65 kJ/mol väärtusest; ITS-90 skaalal on mõõdetud normaalne keemistemperatuur 99,97 °C. Lisaks on rõhk absoluutne: autoklaavi manomeeter näitab ülerõhku õhu suhtes.
- Ei kehti, kui
- Kriitilise punkti lähedal (373,95 °C ja 220,64 baari), kus peitsoojus langeb nulli ning vedelik ja aur lakkavad olemast erinevad asjad; mudelil kriitiline punkt puudub ja see muudkui jätkub. Allpool kolmikpunkti pole vedelikku üldse olemas ning jääl on oma kõver, mille määrab sublimatsiooni peitsoojus. Segude puhul, kus aururõhk jaguneb komponentide vahel ja keemistemperatuur tõuseb lenduvama aine lahkudes, ei piisa ainult ühe vedeliku kõverast.
Ülesanne täielikult lahendatud
-
Autoklaav Everesti baaslaagris 4 sammu
Autoklaavi raskus hoiab auru kindlal rõhul ümbritseva õhu suhtes. Merepinnal annab manomeetri näit 10,5 psi USDA soovitatud 240 °F. Millist manomeetri rõhku on 240 °F saavutamiseks vaja Everesti baaslaagris, kus Westi ekspeditsioon mõõtis 400,4 torri, ja kui kuumaks läheb seal 15 psi raskusega autoklaav? Merepinna juhu jaoks vajuta Autoklaav 10,5 psi.
-
Manomeeter näitab õhurõhku ületavat osa, aga vesi keeb absoluutsel rõhul. Merepinnal on 10,5 psi võrdne 0,7239 baariga, mis lisandub 1,01325 baarile, tehes kokku 1,7372 baari, ja leht annab sealseks keemistemperatuuriks 116,01 °C.
-
Baaslaagris annab õhk 400,4 torri ehk 0,5338 baari. Sama 10,5 psi teeb nüüd kokku vaid 1,2578 baari ja vesi keeb 106,26 °C juures.
-
Kasuta mudelit tagurpidi: milline absoluutne rõhk paneb vee keema temperatuuril 240 °F ehk 115,56 °C?
-
Lahuta õhu poolt juba antav osa ja teisenda ülejäänu manomeetri ühikuteks.
Vastus
Manomeetril 17,08 psi, 1,1779 baari üle õhurõhu. 15 psi raskus hoiab baaslaagris 1,5680 baari ning vesi keeb mudeli järgi 112,86 °C ja IAPWS-95 järgi 112,69 °C juures: esimesel jääb 240 °F tasemest puudu 2,69 K ja teisel 2,87 K. Raskus määrab, kui palju tohib aur õhurõhku ületada, ja mägi võttis ära just õhurõhu. Seetõttu soovitabki USDA igaühel, kes konserveerib kõrgemal kui 1000 jalga, rõhku lisada.
-
Õpitee
Segud ja lahused
Allikad (3)
- The measured curve the page holds its model against: water's saturation table, from the triple point to the critical point, as the NIST WebBook evaluates IAPWS-95: NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database 69: "Thermophysical Properties of Fluid Systems", water, saturation properties. Source equation: W. Wagner and A. Pruß, J. Phys. Chem. Ref. Data 31(2), 2002, pp. 387-535.
- The canner: 240 °F at 10.5 psi on the gauge at sea level, why low-acid food needs it, and the instruction to add pressure above 1,000 feet: U.S. Department of Agriculture, Complete Guide to Home Canning. Agriculture Information Bulletin No. 539, revised 2015.
- The two Everest pressures, 253.0 Torr on the summit and 400.4 Torr at base camp, measured on the American Medical Research Expedition to Everest: J. B. West, S. Lahiri, K. H. Maret, R. M. Peters Jr and C. J. Pizzo, "Barometric pressures at extreme altitudes on Mt. Everest: physiological significance." Journal of Applied Physiology 54(5), 1983, pp. 1188-1194. DOI 10.1152/jappl.1983.54.5.1188