Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →
60
Tính chất của hơi, bay hơi và sôi của chất lỏng
Phương trình trạng thái hơi nước
Trong điều kiện bình thường, mật độ hơi thấp và có thể bỏ qua sự tương tác giữa các phân tử hơi. Những cặp như vậy, giống như khí lý tưởng, mô tả phương trình Mendeleev-Clapeyron:
trong đó , và lần lượt là áp suất, thể tích và nhiệt độ của hơi, là khối lượng của nó, là khối lượng phân tử, là hằng số khí phổ quát ).
Bài toán 1. Tên mật độ hơi nước bão hòa và nước ở C. Áp suất hơi bão hòa của nước khi nhũ tương .
Mật độ hơi , trong đó là khối lượng, là thể tích hơi. Từ phương trình Mendeleev–Clapeyron chúng ta có
Tỷ lệ của mật độ này với mật độ của nước là rất nhỏ:
Sử dụng phương trình Mendeleev-Clapeyron tại lời giải bài toán về tính chất của hơi, cần nhớ rằng khối lượng của hơi nằm trong một bình kín có thể thay đổi khi các thông số , và thay đổi. Khối lượng hơi giảm do sự ngưng tụ của nó và ngược lại, tăng lên khi chất lỏng trong bình bay hơi. Ví dụ, khi làm Skatin, hơi nước ở một thể tích nhất định sẽ trở nên bão hòa; khi thể tích giảm thêm , khối lượng của hơi cũng giảm tỷ lệ thuận với thể tích, do đó áp suất hơi không đổi (xem Hình 1, a và b).
Bài toán 2. được đổ vào một bình đã mở có thể tích . Xác định áp suất hơi trong bình ở nhiệt độ C. Áp suất này sẽ trở thành bao nhiêu nếu:
a) phương trình nhiệt độ C;
b) lượng chứa trong bình với một bình đã mở khác có thể có cùng thể tích và cùng nhiệt độ (Hình 2).
Áp suất của hơi nước bão hòa ở nhiệt độ C là , và ở C là .
Trước hết, hãy tìm lượng nước tối thiểu cần thiết để bão hòa thể tích . Từ phương trình Mendeleev–Clapeyron chúng ta có
trong đó là áp suất hơi bão hòa. Theo đó, đối với nhiệt độ K và K, chúng ta thu được
61
Khối lượng nước đổ là , nhưng lớn hơn .
Do đó, ở nhiệt độ hơi nước trong bình sẽ bão hòa và áp suất của nó
Áp suất của hơi nước chưa bão hòa ở nhiệt độ được tìm thấy từ khối lượng của nó từ phương trình Mendeleev-Clapeyron:
Khi kết nối bình thứ hai, thể tích chiếm giữ của hơi nước sẽ tăng gấp đôi. Do đó, khối lượng nước tối thiểu cần thiết để bão hòa thể tích này sẽ tăng gấp đôi. Tuy nhiên, nó vẫn nhỏ hơn khối lượng nước đổ. Vì vậy, hơi nước sẽ bão hòa và áp suất của nó
Lưu ý rằng tại lời giải bài toán thể tích chiếm bởi nước trong bình không được tính đến. Điều này có thể thực hiện được vì thể tích của nước nhỏ so với thể tích của bình.
Độ ẩm
Sự hiện diện của hơi nước trong không khí có thể được mô tả một cách định lượng bằng hai đặc điểm - độ ẩm không khí tuyệt đối và tương đối.
Độ ẩm không khí tuyệt đối, như đã biết, được gọi là mật độ hơi nước , và độ ẩm tương đối là tỷ lệ phần trăm của mật độ hơi nước với mật độ hơi bão hòa ở cùng nhiệt độ, nghĩa là . Độ ẩm không khí tương đối cũng có thể được định nghĩa là tỷ số giữa áp suất hơi nước và áp suất hơi bão hòa ở cùng nhiệt độ. Thật vậy, ở nhiệt độ không đổi, mật độ hơi tỷ lệ với
62
Khi nhiệt độ thay đổi, ngay cả khi độ ẩm tuyệt đối không đổi thì độ ẩm tương đối cũng thay đổi. Do đó, khi không khí ẩm nguội đi ở nhiệt độ nhất định , độ ẩm tương đối của nó đạt 100% và hơi chứa trong không khí trở nên bão hòa. Khi làm mát thêm, hơi nước sẽ ngưng tụ. Nhiệt độ được gọi là điểm sương (ở nhiệt độ này sương rơi).
Bài toán 3. Ở độ ẩm không khí tương đối tối đa trong phòng, chúng ta sẽ không đổ đầy một miếng sữa lấy ra khỏi tủ lạnh chứ? Nhiệt độ trong tủ lạnh là , và trong phòng là . Áp suất của nước bão hòa ở và ở .
Ở gần chai, nhiệt độ của không khí ẩm trở thành . Chai không được đổ đầy nếu độ ẩm tương đối ở nhiệt độ này không vượt quá 100%:
trong đó là mật độ hơi nước bão hòa tại , là độ ẩm tuyệt đối của không khí trong phòng, không phụ thuộc vào nhiệt độ. Do đó, độ ẩm không khí tuyệt đối tối đa mà chai chưa được đổ đầy là . Độ ẩm tương đối tương ứng ở nhiệt độ sẽ là:
Bài toán 4. Máy điều hòa bỏ phòng mỗi giây
63
Bài 5. Trong phòng có thể tích độ ẩm không khí ở nhiệt độ và áp suất . Khối lượng của không khí ẩm trong phòng là bao nhiêu? Khối lượng này sẽ thay đổi như thế nào nếu độ ẩm tăng khi nhiệt độ và áp suất thay đổi? Điều này có làm thay đổi tổng số phân tử không khí ẩm trong phòng không? Áp suất hơi bão hòa ở .
Khối lượng không khí ẩm là tổng khối lượng không khí khô và khối lượng hơi nước :
Từ phương trình Mendeleev-Clapeyron
trong đó và là khối lượng phân tử của không khí và hơi nước, và tương ứng với áp suất riêng phần. Theo điều kiện bài toán , và theo định luật Dalton .
Sau đó, cuối cùng chúng tôi nhận được
Như có thể thấy từ công thức cuối cùng, khi độ ẩm tăng với hằng số và , khối lượng không khí ẩm trong phòng sẽ giảm xuống . Sự thay đổi khối lượng khi độ ẩm tăng sẽ bằng
Sự giảm khối lượng không khí ẩm trong phòng có độ ẩm ngày càng tăng có thể được hiểu bằng định luật Avogadro: các thể tích bằng nhau ở cùng áp suất và nhiệt độ chứa cùng số lượng phân tử của bất kỳ loại khí nào. Khi độ ẩm không khí trong phòng tăng lên, nó không thay đổi mà chỉ một phần phân tử không khí được thay thế bằng phân tử nước (xem Hình 3): số lượng phân tử hơi nước tăng lên và số lượng phân tử không khí khô giảm đi. Vì , khối lượng không khí ẩm sẽ giảm đi.
Nhiệt hóa hơi. Đun sôi
Như đã biết, quá trình chuyển đổi chất lỏng thành hơi đòi hỏi phải cung cấp năng lượng. Lượng nhiệt cần cung cấp để làm bay hơi một đơn vị khối lượng chất lỏng ở nhiệt độ thay đổi (đẳng nhiệt) và áp suất bên ngoài bằng áp suất của hơi bão hòa được gọi là nhiệt dung riêng của sự bay hơi. Chúng ta cũng có thể nói rằng nhiệt dung riêng của sự hóa hơi là lượng nhiệt cần tiêu thụ để chuyển một đơn vị khối lượng chất lỏng thành hơi khi nó sôi. Năng lượng thường xuyên sẽ làm tăng thế năng của các phân tử (để hoạt động
64
chống lại lực hút phân tử) và một phần - về công việc phân phối chống lại lực của áp suất bên ngoài (vì thể tích riêng *) của hơi lớn hơn thể tích riêng của chất lỏng).
Bài toán 6. Xác định phần nào của nhiệt độ riêng của sự hóa hơi nước sẽ làm tăng nội năng của hệ tại . j/kg.
Từ định luật bảo toàn năng lượng ta có
trong đó là sự thay đổi nội năng trong quá trình bay hơi 1 kcal, là công phân phối. Vì sự phân phối là đẳng áp nên
trong đó là thể tích riêng của hơi bão hòa và là thể tích riêng của nước, có thể bỏ qua so với (xem bài toán 1). Như vậy
Nghĩa là, 90% nhiệt lượng cung cấp được dùng để khắc phục lực tương tác giữa các phân tử trong quá trình bay hơi của nước ở .
*) Chúng ta hãy nhớ lại rằng thể tích riêng là nghịch đảo của mật độ, tức là thể tích của một đơn vị khối lượng của một chất.
Bài toán 7. Một bình hình trụ dài có pít-tông cố định có diện tích m2 chứa nước ở nhiệt độ . Pít-tông vừa khít với thành tàu, nhưng di chuyển mà không cần giả vờ và tại những thời điểm ban đầu nó ở trên mặt nước (Hình 4, a). Nước được đun sôi và khả năng sôi kkm là không đổi, có thể bỏ qua ít nước xuyên qua thành bình và pít-tông hơn. Vẽ đồ thị chiều cao của piston tăng dần theo thời gian . Áp suất khí quyển n/m2.
Cho đến khi áp suất của hơi nước bão hòa bằng áp suất khí quyển bình thường (điều này sẽ xảy ra ở nhiệt độ ), piston sẽ ở trên bề mặt nước, chỉ tăng lên do sự phân bố nhiệt của nó. Có thể dễ dàng tìm thấy thời gian vận hành để làm nóng , cần thiết để đun nóng nước đến nhiệt độ :
(ở đây là nhiệt độ riêng của nước). Phần tương ứng trên biểu đồ (xem Hình 5) được hiển thị dưới dạng đường thẳng không có độ dốc:
vì hệ số phân bố nhiệt của nước không đáng kể.
65
Ở nhiệt độ K, áp suất của hơi bão hòa bằng áp suất bên ngoài và pít-tông bắt đầu nổi lên trên mặt nước (xem Hình 4, 6) (hơi nước bão hòa được hình thành dưới pít-tông). Vì công suất của lò sưởi không đổi nên khối lượng hơi nước (trong đó là nhiệt dung riêng bay hơi của nước) tỷ lệ thuận với thời gian hoạt động của lò sưởi sau khi đạt nhiệt độ . Từ phương trình Mendeleev-Clapeyron, thể tích hơi nước cũng tỷ lệ thuận với thời gian này (vì và không đổi). Đối với chiều cao nâng piston cuối cùng chúng ta cũng có
tại ,
ở đâu
- thời điểm mà toàn bộ nước trong bình đã bay hơi hết. Trên biểu đồ, phần này được mô tả dưới dạng một đường thẳng có góc dốc và
Sau đó, nhiệt độ của hơi nước sẽ tăng lên và nó sẽ không còn bão hòa nữa. Sự thay đổi nhiệt độ hơi nước xảy ra theo định luật: , trong đó là nhiệt dung riêng của hơi nước khi đun nóng đẳng áp. Những thay đổi tương ứng về thể tích từ phương trình tuần hoàn—
Đối với chiều cao nâng piston chúng ta có
tại ,
trong đó là chiều cao của lực nâng piston tại thời điểm hoàn thành quá trình bay hơi nước. Trên biểu đồ, phần này được mô tả là một đường thẳng có góc nghiêng và
Ở lời giải cuối cùng bài toán câu hỏi được đặt ra: liệu nước trong bình có sôi ở K không? Như bạn đã biết, để đun sôi, các bọt khí ở đáy bình bắt đầu phát triển do sự bay hơi của chất lỏng bên trong chúng. Nói đúng ra, điều này xảy ra khi áp suất hơi bão hòa vượt quá áp suất khí quyển bên ngoài một chút, cụ thể là bằng tổng các giá trị áp suất vượt quá.
trong đó là hệ số căng bề mặt của chất lỏng và là bán kính của bong bóng và áp suất thủy tĩnh , trong đó là mật độ và là chiều cao của chất lỏng trong bình. Do đó, quá trình sôi của chất lỏng ở áp suất bên ngoài bình thường bắt đầu ở nhiệt độ cao hơn một chút so với K), và trong bài toán được xem xét sẽ không có chất lỏng. Rõ ràng, quy luật là việc thay thế chất lỏng quá nóng không xảy ra, vì áp suất bổ sung nhỏ so với áp suất bên ngoài. Để làm nóng quá mức một chất lỏng, nó và thành bình phải được làm sạch hoàn toàn khí.
Nhiệm vụ 8. Xác định bọt khí cho phép nhất mà tại đó nước nóng lên . Bình thường
*) Trong trường hợp này, họ nói rằng chất lỏng quá nóng.
66
áp suất nguyên tử thấp . Hệ số căng bề mặt của nước ở và sự thay đổi áp suất hơi bão hòa của nước gây ra có thể coi là tỷ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ với hệ số tỷ lệ .
Khi quá nhiệt , áp suất hơi bão hòa tăng . Tương đương với áp suất dư ta thu được bán kính của bong bóng
Hãy tự đánh giá ảnh hưởng của áp suất tĩnh đơn đến nhiệt độ tắm.
Bài tập
-
Nước được đổ vào một bình thông rộng ở nhiệt độ . Một trong những tàu được đóng chặt. Xác định sự chênh lệch mực nước trong bình nếu áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ này là . Bạn có thể thay đổi áp suất hơi của nước trong bình hở.
-
Một cái chảo nặng úp ngược, nổi trên mặt nước. Ở nhiệt độ nước , không khí chỉ chiếm 1/15 thể tích của chảo và khi nước được làm nóng đến , nó sẽ lấp đầy 2/3 thể tích của nó. Xác định khối lượng của chảo , coi nó là một hình trụ có thành mỏng có diện tích đáy . Áp suất khí quyển . Bỏ qua áp suất hơi bão hòa của nước ở nhiệt độ ban đầu. Nhiệt độ không khí trong chảo được coi là bằng nhiệt độ nước.
-
Một bình rộng chứa nước ở nhiệt độ . Không khí trong tàu nhanh chóng được bơm ra ngoài. Đồng thời, một phần nước đóng băng do bốc hơi mạnh. Xác định khối lượng nước đóng băng, giả sử rằng hệ thống bị dịch chuyển. Nhiệt dung riêng bay hơi của nước là , nhiệt dung riêng của nước đá tan chảy là .
-
Hai bình đựng nước được đặt dưới nắp kính. Mực nước trong các bình khác nhau. Giải thích chiều cao của các cấp độ sẽ thay đổi như thế nào theo thời gian.
-
Giải thích vì sao nước thô sôi nhanh hơn nước đun sôi. Liệu nước thô có sôi trong chảo nổi trong nước sôi đang sôi không?