Đun sôi chất lỏng

39

Chất lỏng sôi

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
A. I. BUZDIN,
Ứng viên khoa học hóa học
V. V. SOROKIN

Quá trình đun sôi chất lỏng đã quen thuộc với tất cả chúng ta. Chúng ta nói rằng nước trong ấm đang sôi khi sự hình thành hơi nước mạnh xảy ra trong toàn bộ thể tích chất lỏng. Đây là sự khác biệt giữa sôi và bay hơi, trong đó quá trình bay hơi chỉ xảy ra từ bề mặt mở.

Quá trình sôi bắt đầu khi áp suất hơi bão hòa trong bong bóng bằng với áp suất khí quyển bên ngoài.*) Nếu áp suất hơi bão hòa nhỏ hơn áp suất khí quyển, bong bóng hơi vô tình hình thành trong chất lỏng sẽ xẹp xuống và biến mất.

Đường sôi của chất lỏng

Người ta biết rằng mọi chất lỏng đều có đặc điểm là điểm sôi hoàn toàn xác định ở một áp suất khí quyển nhất định. Ví dụ, nước ở áp suất khí quyển bình thường ($p_0=760$ mmHg) sôi ở 100 °C, nhưng chỉ sôi ($C_7H_8$) ở 111 °C.

Và ở nhiệt độ bao nhiêu thì “hỗn hợp” chỉ gồm nước, hai loại nước sôi không trộn lẫn với nhau sẽ sôi? Có vẻ như điểm sôi phải nằm trong khoảng từ 100 °C đến 111 °C. Tuy nhiên, nếu bạn cẩn thận đổ một ít nước vào ống nghiệm (nó nổi lên trên mặt nước, vì mật độ của nó nhỏ hơn mật độ của nước) và đun nóng trong nồi cách thủy, thì hóa ra sôi bắt đầu ở khoảng 95 ° C! Lưu ý khi tiến hành thí nghiệm này cần sử dụng nhiệt kế khá chính xác.

Có chuyện gì vậy? Đáp số đề xuất thí nghiệm. Theo quan sát bên ngoài, rõ ràng là quá trình sôi bắt đầu ở bề mặt điểm sôi - chỉ có nước và chúng ta đang xử lý cái gọi là điểm sôi biên của chất lỏng. Trong trường hợp này, khí hình thành ở ranh giới

40

bong bóng làm bay hơi cả nước và không còn gì nữa, và bong bóng chứa hơi nước bão hòa và không còn gì nữa. Trong quá trình sôi, tổng áp suất hơi trong bong bóng, bằng áp suất khí quyển $p_0$, theo định luật Dalton, là tổng áp suất riêng phần của hơi bão hòa chỉ $p_T(T_K)$ và nước $p_B(T_K) : p_0 = p_T(T_K) + p_B(T_K)$. Do đó, áp suất hơi bão hòa của nước và chỉ mỗi nước riêng lẻ nhỏ hơn áp suất khí quyển, có nghĩa là điểm sôi biên $T_K$ phải nhỏ hơn điểm sôi của cả nước và chỉ.

Một thí nghiệm trình diễn tương tự đặc biệt thành công nếu bạn đổ một ít cacbon tetraclorua ($\text{CCl}_4$), có nhiệt độ $76,7\degree\text{C}$, vào ống nghiệm và đổ nước lên trên. Để làm cho giao diện chất lỏng dễ dàng thay thế hơn, carbon tetrachloride có thể được pha màu trước bằng dung môi.

Hình 1.

40

41

cacbon clorua: $T_{\text{к}} = 65^{\circ}\text{C}$. Trong trường hợp này, áp suất hơi $\text{H}_2\text{O}$ bằng 190 mm pt. Art., và áp suất hơi $\text{CCl}_4$ là 570 mm pt. Art., tổng cộng mang lại áp suất khí quyển bình thường, tức là 760 mm pt. Nghệ thuật.

Thật không may, một phép tính đơn giản như vậy không phải lúc nào cũng dẫn đến một kết quả đáng tin cậy - thường phải tính đến sự hòa tan lẫn nhau của các thành phần.

Điều đáng tò mò là nếu bạn duy trì mức sôi giới hạn trong một thời gian, bạn sẽ nhận thấy cacbon tetraclorua sôi nhanh hơn nhiều so với nước. Bạn nghĩ lý do cho điều này là gì? Hãy thử ước tính xem $\text{CCl}_4$ sôi bao nhiêu lần so với nước (mật độ cacbon tetraclorua $q = 1600 \text{ кг/м}^3$).

Áp suất hơi

Chúng tôi đã đi đến kết luận rằng để xác định áp suất hơi bão hòa của nước ở nhiệt độ nhất định, người ta phải sử dụng bảng tham khảo. Có thể tự mình cố gắng đạt được sự phụ thuộc nhiệt độ của áp suất hơi bão hòa, tức là đóng vai trò là người thí nghiệm - người biên soạn bảng không?

Hãy xem xét một trong những phương pháp đơn giản để có được sự phụ thuộc mà bạn có thể sử dụng. Thiết bị để tiến hành thí nghiệm bao gồm một cốc hóa chất chứa đầy nước lạnh, trong đó một ống nghiệm có vạch chia được đánh dấu trên thành được nhúng ngược xuống. Ống nghiệm và nhiệt kế có thể được giấu trong quần phòng thí nghiệm với bàn chân đặt trên bàn.

Đổ đầy nước vào một phần ống nghiệm, đặt cốc thủy tinh chứa ống nghiệm úp ngược và nhiệt kế lên bếp điện tử và bắt đầu đun nóng. Khi nhiệt độ nước tăng lên, chúng ta sẽ ghi lại dữ liệu về sự thay đổi thể tích khí trong ống nghiệm, tức là ghi lại các vạch chia được đánh dấu trên thành ống nghiệm.

Khí trong ống nghiệm là hỗn hợp của không khí và hơi nước bão hòa. Đương nhiên, áp suất tổng bằng áp suất khí quyển (có thể bỏ qua áp suất của cột nước trong thủy tinh vì nó chỉ là 17 mm pt. Nghệ thuật. Tuy nhiên, khi nhiệt độ ngày càng tăng, hơi nước đóng góp ngày càng đáng chú ý.

Sử dụng phương trình Mendleev-Clapeyron, đối với không khí trong ống nghiệm, chúng ta viết

$$\frac{p_0 V_0}{T_0} = \frac{p_B V}{T}, \quad p_B = p_0 \frac{V_0}{V} \frac{T}{T_0},$$

trong đó $p_0$ là áp suất ban đầu (bằng áp suất khí quyển), $V_0$ và $T_0$ lần lượt là thể tích ban đầu và nhiệt độ không khí. Bây giờ, khi biết thể tích và nhiệt độ thay đổi như thế nào, chúng ta có thể tìm áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ nhất định:

$$p_H = p_0 \left( 1 - \frac{T}{T_0} \frac{V_0}{V} \right).$$

Sự phụ thuộc thực nghiệm của áp suất hơi bão hòa vào nhiệt độ thu được theo cách này là tốt theo số liệu tham khảo. Sự thỏa thuận đặc biệt tốt ở nhiệt độ trên 80 ° C, với sai số dưới 5%. Ở nhiệt độ thấp, độ chính xác của phương pháp này giảm. Hãy suy nghĩ xem điều này có liên quan gì, nguồn lỗi chính là gì và làm thế nào để cải thiện độ chính xác của phương pháp được đề xuất. Hãy thử thực hiện công việc trong phòng thí nghiệm để xác định sự phụ thuộc nhiệt độ của áp suất hơi bão hòa trong lớp học vật lý ở trường của bạn.