Bod varu a tlak par: co, jak, vztahy a fakta

by

V tomto článku budeme diskutovat o vztahu mezi bodem varu a tlakem par.

Bod varu látky závisí na tlaku systému a tlak par látky závisí na teplotě systému.

V době naší základní školy nás naše přírodovědná učebnice učila, že voda se vaří při 100 stupních Celsia. Když jsme se dostali do vyšších tříd, zjistili jsme, že voda se vaří při 100 stupních Celsia při atmosférickém tlaku na úrovni moře a bod varu klesá, jak stoupáme do výše.

To vysvětluje především jev závislosti bodu varu na tlaku.

Takže, co je to vaření? Fyzikálně se jedná o jev přeměny kapaliny na páru. Abychom porozuměli varu více podivínským způsobem, musíme porozumět druhému termínu, kterým je tlak par. Tlak páry je tlak vyvíjený jakoukoliv kapalinou nad jejím povrchem při určité teplotě.

Tento tlak par se zvyšuje se zvyšující se teplotou kapaliny. Teplota, při které jsou tlak par a celkový tlak systému stejné, je známá jako Bod Varu látky.

Je tlak par stejný jako bod varu?

Ne, tlak par a bod varu nejsou stejné, ale tlak par je specifický pro kapalinu a stejný se mění s teplotou. Vzhledem ke stejnému bodu varu je také specifický pro kapalinu.

Různé kapaliny vyvíjejí různé tlaky par při určité teplotě. Tlak par vyvíjený kapalinou závisí na intermolekulárních silách přítomných mezi molekulami složky kapaliny.

Při určité teplotě, pro nižší intermolekulární síly mezi molekulami kapaliny, má za následek vyšší tlak par vyvíjený kapalinou. POKUD je tlak par při určité teplotě vyšší, bude bod varu kapaliny nižší. Lze tedy dojít k závěru, že ačkoli tlak par a bod varu nejsou stejné, jsou vzájemně propojeny a jsou specifické pro kapalinu.

Co je bod varu a tlak par?

Var je charakterizován prudkým odpařováním kapaliny na páru, kdy tlak par kapaliny dosáhne tlaku kapaliny nad ní, což se také nazývá systémový tlak.

Za atmosférických podmínek se bod varu nazývá také normální bod varu. Jakmile var začne, teplota zůstává konstantní, pokud je tlak nad hladinou kapaliny udržován konstantní, dokud se všechna kapalina nevyvaří.

Jak ukazuje obrázek níže, molekuly v kapalině obsažené v nádobě jsou v neustálém pohybu. Některé z molekul unikají z povrchu kapaliny do atmosféry a některé udeří zpět z atmosféry do kapaliny.

Při určité teplotě se vytvoří rovnováha mezi molekulami unikajícími z objemové kapaliny a molekulami, které dopadají zpět na objemovou kapalinu.

Množství molekul, které zůstávají v parním prostoru při určité teplotě, závisí na mezimolekulárních silách kapaliny. Tyto molekuly, které zůstávají v parním prostoru nad kapalinou, vytvářejí tlak par kapaliny.

bod varu a tlak par
Vařící voda; Kredit obrázku: Wikimedia

Vliv tlaku par na bod varu

Tlak par je nepřímo úměrný bodu varu kapaliny.

Když se tlak par snižuje, bod varu se zvyšuje, protože je potřeba více energie k odpaření požadovaného množství rozpouštědla k dosažení tlaku v systému. Pro konkrétní kapalinu závisí tlak par na prostoru, který mají molekuly rozpouštědla k dispozici pro únik z objemné kapaliny na rozhraní kapalina-pára.

Pokud je v kapalině rozpuštěno více pevné látky jako v cukerném roztoku, bude na rozhraní pára-kapalina k dispozici méně prostoru pro únik molekul rozpouštědla do prostoru páry, a proto se vyvine nižší tlak páry.

To vede k požadavku vyšší energie k dosažení stejného tlaku par ve srovnání s čistým rozpouštědlem, což vede k vyššímu normálnímu bodu varu.

zajetí
Nadmořská výška bodu varu

Vztah mezi bodem varu a tlakem

Vyšší systémový tlak má za následek vyšší bod varu a nižší systémový tlak má za následek nižší bod varu, tj. systém tlak je přímo úměrný bodu varu.

Pokud je tlak v systému vyšší, bylo by zapotřebí více energie k vytvoření tlaku páry ekvivalentního tlaku v systému. Podobně, pokud je tlak v systému nižší, dosáhne se bodu varu při nižší teplotě, protože požadavek na tlak par je nižší.

To lze také vysvětlit změnou bodu varu vody s rozdílem nadmořské výšky. Jak je uvedeno níže, voda vře při 100 °C na hladině moře při tlaku 1 atmosféry.

Ale jak stoupáme na vrchol kopce, atmosférický tlak klesá a voda se vaří při nižší teplotě. Kvůli tomu by člověk, který vaří rýži v otevřené nádobě, potřeboval na vaření více času, protože vaření probíhá při nižších teplotách.

Na druhou stranu, pokud se vaření provádí v tlakovém systému, jako je tlakový hrnec, vaření je mnohem rychlejší, protože vaření probíhá při vyšší teplotě.

Proč spolu bod varu a tlak par nepřímo souvisí?

Bod varu a tlak par jsou nepřímo úměrné, protože k odpaření dostatečného množství kapaliny do plynné fáze a vytvoření tlaku páry ekvivalentního tlaku v systému (atmosférickému tlaku, pokud je nádoba otevřena atmosféře) bude zapotřebí vyšší energie, čímž se dosáhne bodu varu.

Tlak par bude nižší pro kapaliny, které mají vyšší mezimolekulární síly a naopak. Kapalina s nižším tlakem par při určité teplotě by tedy vyžadovala vyšší spotřebu energie, aby překonala mezimolekulární síly v kapalné formě a unikají do páry ve srovnání s kapalinami s vyšším tlakem par.

Podobně, pokud se tlak par rozpouštědla sníží přidáním rozpuštěných látek do něj, čímž se sníží exponovaná plocha povrchu na rozhraní pára-kapalina, energie potřebná k odpaření se zvýší. To vede ke zvýšení bodu varu takto vytvořeného roztoku.

Co ovlivňuje tlak par?

Tlak páry pro konkrétní kapalinu závisí na její teplotě

Tlak par různých kapalin je pro konkrétní teplotu různý. Tlak par několika kapalin je uveden níže při 25 °C.

látkatlak par při 25oC
diethylether70 kpa
bróm30 kpa
voda3 kpa

Tlak par je pro různé látky odlišný, protože tyto kapaliny mají různé mezimolekulární síly. Obecně platí, že kapaliny s nižšími hustotami, které budou mít nižší molekulovou velikost a tudíž nižší intermolekulární síly, mají vyšší tlak par při určité teplotě.

Pokud se v systému zvýší teplota, kinetická energie molekul se zvýší, v důsledku toho se molekuly rychle pohybují a větší počet molekul uniká do páry. Tímto způsobem se tlak par zvyšuje s rostoucí teplotou.

Tlak par však není ovlivněn tvarem nebo velikostí nádoby, kde je kapalina uchovávána. Nepřítel, kapalina ve vertikále plavidlo nebo horizontální nádoba musí mít stejný tlak par.

1 1
Faktory, které ovlivňují tlak par

Co způsobuje zvýšení tlaku par?

Tlak páry se zvyšuje s rostoucí teplotou.

Pára je vždy v rovnováze s hladinou kapaliny pod ní. Počet molekul ve formě páry závisí na kinetické energii jednotlivých molekul, která rozhoduje o jejich pravděpodobnosti existence ve formě páry nebo kapaliny.

Pro konkrétní kapalinu, pokud se teplota zvýší, kinetická energie molekul v kapalině se zvýší, takže více z nich je způsobilých překonat mezimolekulární síly a existovat ve formě páry.

Vyšší počet molekul ve formě páry zvyšuje tlak páry. Typická změna tlaku par vody s teplotou je znázorněna na obrázku níže.

3
Tlak par vs teplota

Faktory ovlivňující bod varu

Faktory, které ovlivňují bod varu, jsou tlak, nečistoty v kapalině a kapalné mezimolekulární síly.

Pokud je tlak v systému vyšší, bude ke zvýšení tlaku par kapaliny zapotřebí více tepla dosáhnout tlaku v systému. Vliv bodu varu na vnější tlak vody ukazuje křivka níže.

2
Faktory ovlivňující bod varu

Pokud vezmeme v úvahu čisté rozpouštědlo a stejnou rozpuštěnou látku s nečistotami, je bod varu čistého rozpouštědla vždy nižší. Je to proto, že pro čisté rozpouštědlo je k dispozici větší plocha povrchu pro únik z kapalného stavu ve srovnání s rozpuštěnou látkou s nečistotami, kde jsou některá místa na rozhraní pára a kapalina obsazena.

Kapalina s většími molekulami s vyššími intermolekulárními silami bude mít vyšší bod varu. Je to proto, že se nad povrchem kapaliny může uvolnit méně páry překonáním mezimolekulárních sil při určité teplotě ve srovnání s kapalinou s menšími molekulami složek s nižšími mezimolekulárními silami.