Tlak nasycených par

Tlak nasycených par je tlak, při kterém stupeň plyn látky je v rovnováze se svou fázi kapaliny nebo pevné látky při dané teplotě v uzavřeném systému. Termín tlak par se někdy používá k označení tlaku nasycených par. Výraz tlak páry naopak označuje parciální tlak par, nikoli tlak nasycených par. Nejednoznačnost mezi těmito dvěma pojmy je posílena anglickým výrazem tlak par, který označuje tlak nasycených par.

Tlak nasycených par souvisí s tendencí molekul přecházet z kapalného (nebo pevného) stavu do plynného stavu: o látce, která má vysoký tlak nasycených par (s ohledem na atmosférický tlak) na teplotu okolí, se říká, že je těkavá . Tlak nasycených par látky se zvyšuje nelineárně s teplotou podle Clausius-Clapeyronova vzorce .

Historický

V XIX th století , John Dalton studoval objem páry vody, která byla zapotřebí k nasycení vzduchu. Všiml si, že tento objem hodně závisí na teplotě.

Definice

V případě čisté látky umístěné v uzavřené komoře je tlakem nasycených par tlak plynné fáze, když je v rovnováze s kapalnou nebo pevnou fází. Pojem rovnováhy znamená, že tok molekul procházejících z kapalného (nebo pevného) stavu do plynného stavu je v daném časovém intervalu ekvivalentní toku molekul procházejících z plynného stavu do plynného stavu. Kapalina (nebo pevný).

V případě otevřeného média, ve styku se vzduchem, je tlak nasycených par parciální tlak páry, ze kterého již nelze vytvářet další molekuly ve formě páry ve vzduchu, vzduch je nasycený. Rovněž se říká, že se jedná o maximální tlak jeho „suché“ páry (tj. Bez kapalné fáze).

Pokud parciální tlak páry překročí tlak nasycených par, dojde ke zkapalnění nebo kondenzaci pevných látek. Ze situace rovnováhy to lze provést buď zvýšením parciálního tlaku par (například snížením objemu ), nebo snížením hodnoty tlaku nasycených par, což je možné snížením teploty.

Standardní teplota varu tělesa, běžně známá jako teplota varu , je teplota, při které se tlak nasycených par rovná 1 atm . Když teplota kapaliny stoupne nad tuto hodnotu, je uvnitř látky pozorována tvorba bublin: jedná se o jev varu . Tvorba bublin hluboko v kapalině však vyžaduje vyšší tlak (a tedy i teplotu), protože tlak kapaliny se zvyšuje s hloubkou.

Případ čistého těla

Umělým zvyšováním objemu zásobníku, ve kterém je jediné čisté tělo, a udržováním teploty na konstantní úrovni, v závislosti na úrovni této teploty, může být tělo v různých fázích současně. V případě, že je teplotní úroveň taková, že je člověk v přítomnosti kapalné a plynné fáze, nastává rovnováha, když se hmotnostní podíl každé fáze již nemění s časem. Tlak v tomto zásobníku, jakmile je dosaženo této rovnováhy, se nazývá tlak nasycených par ( p sat ).

Pokud je možné externím způsobem upravit tlak v komoře ( p res ), beze změny složení plynu a při zachování konstantní teploty (například snížením objemu pomocí pístu a chlazení stěn) ), pak existují dva případy:

zvýšený tlak v nádrži

pak p res > p satV důsledku toho bude docházet ke kondenzaci plynné frakce, a to buď do doby, než se tlak v krytu sníží tak, že dosáhne tlaku nasycených par odpovídající této teplotě, nebo dokud již nebude kondenzovat žádná pára. V druhém případě je okolní tlak na konci transformace větší než tlak nasycených par odpovídající této teplotě. Ve skutečnosti již neexistuje rovnováha mezi fázemi, protože existuje pouze kapalná fáze;

pokles tlaku v nádrži:

pak p sat > p resV důsledku toho bude docházet k odpařování kapaliny, dokud se nezvýší tlak v pouzdře, takže se dosáhne úrovně tlaku nasycených par odpovídající této teplotě, nebo dokud se veškerá kapalná fáze nepřemění na plynnou fázi.V druhém případě je okolní tlak na konci transformace nižší než tlak nasycených par odpovídající této teplotě. Stejně tak již neexistuje žádná rovnováha mezi fázemi, protože existuje pouze plynná fáze. Koncept bodu varu čisté látky

Pro danou čistou látku existuje jedinečný pár (tlak 1 , teplota 1 ), který se nazývá bod varu a je definován následovně:

pokud je teplota udržována konstantní, ale tlak je snížen pod tlak 1 , pak se čistá látka přivede k varu ;
pokud je tlak udržován konstantní, ale teplota se zvýší nad teplotu 1 , pak se čistá látka přivede také k varu .

Z této definice je patrné, že tlak 1 je jednoduše tlak nasycených par , o kterém víme, že závisí pouze na teplotě.

Případ smíchání čisté kapalné látky ve fázové rovnováze s jinou čistou plynnou látkou

Pokud je čistá látka 1 uzavřena v kapalném stavu v uzavřené nádobě s dalšími čistými sloučeninami přítomnými v plynném stavu, p partielle1 označuje parciální tlak plynné fáze tělního čistého .

p sat1 bude znamenat tlak nasycených par čisté látky 1;
P res bude označovat celkový tlak převládající v zásobníku na začátku experimentu.

V rovnováze: p partielle1 = p sat1 . Pokud je systém v jiném stavu, bude mít tendenci k této rovnováze, a protože tlak nasycených par je fyzickým vztažným bodem (pro danou teplotu), který se proto nemůže přímo upravit, je to parciální tlak (a tedy celkový tlak) který se upraví. K tomu dojde buď kondenzací, pokud je příliš vysoká (tj. Vyšší než p sat1 ), nebo odpařováním, pokud je příliš nízká (resp. Nižší než p sat1 ). Tyto dva jevy však uvolňují nebo využívají energii, a tak upravují teplotu a nepřímo upravují tlak nasycených par.

Změna tlaku

Při změně tlaku v nádrži existují tři možné případy pro jednu danou teplotu:

1) Celkový tlak se mění beze změny parciálního tlaku těla 1 pro tělo 1 se nic neděje! Přidání nebo evakuace jiného plynu je pro kapalinu neutrální, i když se celkový tlak značně zvyšuje, nebo se snižuje, dokud se nerovná pouze parciálnímu tlaku plynu 1 (nemůže klesnout). 2) Parciální tlak těla 1 se zvyšuje a je větší než tlak nasycených par čistého těla 1 plyn 1 kondenzuje , dokud se parciální tlak nesníží na tlak nasycených par čisté látky 1. Kondenzace uvolňuje teplo, zvyšuje teplotu, a proto tlak nasycených par čisté látky 1 přispívá k rovnováze. 3) Parciální tlak tělesa 1 klesá a je menší než tlak nasycených par čistého tělesa 1 kapalina 1 přechází do plynného stavu, dokud se parciální tlak nezvýší na úroveň tlaku nasycených par čistého tělesa 1. Tato změna plynného stavu bude záviset na celkovém tlaku: pokud celkový tlak zůstal vyšší na nasyceném tlak páry čistého těla 1 ( p res > p sat1 ), dojde k odpařování , zatímco pokud poklesne níže ( p res < p sat1 ), dojde k varu (rychlý jev). V obou případech se používá teplo a teplota v nádrži klesá, čímž se snižuje tlak nasycených par čistého tělesa 1, což pomáhá obnovit rovnováhu. Poznámka

Abychom to shrnuli , případ, kdy může existovat p sat1 > p partielle1 > p res, nemůže být tlak v zásobníku, který je celkovým tlakem, ze své podstaty menší než parciální tlak.
Proto varu je fenomén, který zasahuje jak čisté látky a směsi, přičemž odpařování může existovat pouze v případě směsi.

Změna teploty

Chcete-li změnit pořadí termínů ve třech výše uvedených nerovnostech, je možné jednat a změnit úroveň nasyceného tlaku prostřednictvím teploty. Čím vyšší je teplota, tím více se zvyšuje tlak nasycených par. Z rovnovážné situace, kdy p sat1 = p partielle1 :

snižování teploty, p sat1 klesá pod hladinu p partielle1 a par zkapalňuje ;
mírným zvýšením teploty, p SAT1 zvyšuje a prochází nad úroveň částečného p zatímco zůstane pod p res : je odpařování z kapaliny;
silným zvýšením teploty se pak zvýší p sat a projde nad úroveň p res . Teplota varu je překročena a ke změně stavu dochází mnohem rychleji: mluvíme o varu .

Změna objemu nádrže

Chcete-li upravit pořadí termínů ve třech výše uvedených nerovnostech, je možné jednat a změnit úroveň parciálních a celkových tlaků změnou objemu nádrže a množství čisté látky 2. Z rovnovážné situace:

zvýšením tlaku v zásobníku na hodnotu větší než p sat1 dochází ke zkapalnění plynné fáze čisté látky 1;
snížením tlaku v zásobníku při ovlivňování parciálního tlaku čisté látky 2 tak, aby tlak v zásobníku zůstal větší než p sat1 , dojde k odpaření kapalné fáze čisté látky 1;
snížením tlaku nádrž na hodnotu menší než p SAT1 , kapalná fáze čisté látky 1 a pak se vaří .

Pouzdro z čistého pevného těla

Tlak nasycených par většiny pevných látek je obecně velmi nízký při teplotách blízkých okolnímu prostředí (kolem 20 ° C ). Například tlak nasycených par železa při 20 ° C je tak nízký, že je nepravděpodobné, že bude v místnosti přítomen jediný atom železa jako pára, i když přítomná ocel je v rovnováze se svou párou (zde vstupujeme do kvantových úvah o pravděpodobnost přítomnosti). Velmi nízké tlaky par pevných látek lze měřit metodou Knudsenovy efuzní cely .

Kromě toho soudržnost atomů pevné látky znemožňuje vznik varu. V materiálu se však mohou tvořit póry a v rámci této pórovitosti prochází pevná část v plynné formě (se stejnou péčí jako výše). To však nesouvisí s atmosférickým tlakem jako u kapalin (s výjimkou extrémních tlaků), ale spíše s vlastnostmi materiálu, jako je přítomnost bodových defektů v krystalu ( prázdná místa ) a povrchové napětí .

Z rovnovážné situace p sat ( T ) = p vap

úprava okolní teploty:
- pod touto teplotou se pára kondenzuje na pevnou látku;
- nad touto teplotou pevná látka sublimuje , to znamená, že se transformuje přímo z pevné látky na páru, aniž by prošla kapalnou fází;
úprava okolního tlaku:
- nad tímto tlakem kondenzuje pára na pevnou látku;
- pod tímto tlakem pevná látka sublimuje .

Pro daný tlak je tedy bodem sublimace látky teplota, při které je tlak par dané látky roven tlaku okolí.

Máme tedy pouze tři případy:

p sat ( T )> p vap : sublimace ;
p sat ( T ) = p vap : rovnováha;
p vap > p sat ( T ): kondenzace .

Tlak nasycených par a další fázové změny

Tlak nasycených par látky v kapalné fázi se může - a obvykle je - lišit od tlaku par téže látky v pevné fázi. Pokud je teplota taková, že tlak páry kapaliny je vyšší než tlak páry, kapalina se odpaří, ale pára kondenzuje na pevnou látku, to znamená, že kapalina zamrzne. Pokud je teplota taková, že tlak páry kapaliny je nižší než tlak páry, pevná látka se odpaří, ale pára kondenzuje na kapalinu, to znamená, že se pevná látka roztaví.

Při teplotě, při které jsou dva tlaky par stejné, existuje rovnováha mezi pevnou a kapalnou fází. Tato teplota se označuje jako teplota tání.

Výpočet tlaku nasycených par

Přibližný výpočet tlaku nasycených par lze provést pomocí vzorce odvozeného z Clapeyronova vzorce za předpokladu - mimo jiné - že se pára chová jako ideální plyn a že entalpie odpařování se lineárně mění s teplotou v uvažovaném rozsahu ( L v initial - L v final = a T ).

Toto je Duprého vzorec :

{\ displaystyle \ ln {\ frac {p _ {\ text {sat}}} {p_ {0}}} = {\ frac {M.L _ {\ text {v}}} {R}} \ vlevo ({\ frac {1} {T_ {0}}} - {\ frac {1} {T}} \ vpravo) - {\ frac {Ma} {R}} \ ln \ vlevo ({\ frac {T} {T_ { 0}}} \ vpravo)}

T 0 : teplota varu látky při daném tlaku p 0 , v K;
p sat : tlak nasycených par, ve stejné jednotce jako p 0 ;
a : faktor linearity změny entalpie tekutiny s teplotou;
M : molární hmotnost látky, v kg / mol;
L v : latentní teplo odpařování látky, v J / kg;
R : konstanta ideálního plynu , rovna 8,144 47 J mol -1 K 1 ;
T : teplota páry v K.

Například pro vodu:

M = 0,018 kg / mol;
L v = 2,26 x 10 6 J / kg (při 100 ° C );
p 0 = 1013 mbar ;
T 0 = 373 K .

Tlak nasycených par vody ve vzduchu

V případě vody ve vzduchu , relativní vlhkost (nebo hygrometrie) představuje poměr mezi tlakem vodní páry ve vzduchu a tlak nasycených par při dané teplotě. Tato sazba je vyjádřena v procentech:

{\ displaystyle \ mathrm {vlhkost {\ akutní {e}} \ relativní} = {\ frac {p _ {\ text {vap}}} {p _ {\ text {sat}} (T)}} \ krát 100 }

Existuje mnoho projevů nasycení vodní páry v atmosféře: výskyt „páry“ (ve skutečnosti malé kapičky vody) nad pánví horké vody, tvorba mlhy , rosa , mráz (nasycení ve srovnání s ledem), mlha , srážky nebo mraky .

Dupré vzorec

Tlak nasycených par vlhkého vzduchu proto představuje relativní vlhkost 100% ( absolutní vlhkost nasycení ). Zvyšuje se s teplotou (viz tabulka níže).

Teplota (° C)	Tlak nasycených par (mbar)
-60	0,001
-40	0,13
-20	1,03
-10	2.6
0	6.10

Teplota (° C)	Tlak nasycených par (mbar)
5	8,72
10	12.3
15	17.0
20	23.4
25	31.7

Teplota (° C)	Tlak nasycených par (mbar)
30	42.4
40	73,8
50	123
60	199
100	1013

Rankinův vzorec

Rankinův vzorec, zjednodušení Dupréova vzorce, udává hodnoty tlaku nasycených par ve vodě s mírně odlišnými koeficienty (rozmezí 0,39 až 4,1% v rozmezí 5 až 140 ° C ve srovnání s termodynamickými tabulkami):

{\ displaystyle \ ln p _ {\ text {sat}} = 13,7 - {\ frac {5 \; 120} {T}}}

p sat : tlak nasycených par vody v atm;
T : absolutní teplota v K.

Duperrayův vzorec

Pro vyšší teploty lze použít vzorec Duperray (rozsah 0,12 až 7,7% v rozsahu 90 až 300 ° C ):

{\ displaystyle p _ {\ text {sat}} = \ left ({\ frac {t} {100}} \ right) ^ {4}}

p sat : tlak nasycených par vody v atm;
t : teplota ve ° C

Příklady použití

První případ („násilný“ jev): var vody.

Voda se přivede k varu v hrnci pod tlakem jedné atmosféry. Za těchto teplotních a tlakových podmínek máme:

p sat_eau > p totale_atmosphère > p partielle_eau .

V tomto případě přívod energie do pánve způsobil zvýšení teploty kapalné vody a také se zvýšil saturační tlak vody. Tato skutečnost vede k tvorbě parních bublin, které zvýší parciální tlak vody v plynném stavu v atmosféře, ideálně, dokud tento tlak nedosáhne úrovně nasyceného tlaku 1. vody (nebo, což je samozřejmě obecný (dokud není nádoba prázdná).

Varianta prvního případu : var propanu a / nebo butanu nebo směsi jako LPG .

V lahvi skladované při pokojové teplotě ( 20 ° C ) je uzavřeno jediné čisté těleso v plynné formě. V případě, že při této teplotě je tlak nasycených par tohoto plynu vyšší než vnější atmosférický tlak, je možné plyn z láhve odvádět bez další pomoci (čerpadla). Za předpokladu, že určité množství tohoto plynu bude odebráno, po opětovném uzavření láhve budeme mít:

p sat_gaz > p partielle_gaz = p totale_gaz .

Ve skutečnosti v této lahvi není žádný jiný plyn než ten, který je v kapalné formě, takže jeho „parciální“ tlak je také celkovým tlakem. Proto, k obnovení rovnováhy, vroucí spontánně usadit, dokud se tlak v láhvi dosáhne tlak nasycených par tohoto plynu na 20 ° C .

Druhý případ : odpařování louže na slunci .

Za těchto teplotních a tlakových podmínek je tlak nasycených par vody větší než parciální tlak vodních par v atmosféře, ale je nižší než celkový atmosférický tlak.

p totale_atmosphère > p sat_eau > p partielle_eau .

Došlo k odpařování .

Třetí případ : déšť.

Za těchto teplotních a tlakových podmínek je tlak nasycených par ve vodě nižší než parciální tlak vodních par v atmosféře, a proto je nutně nižší než celkový atmosférický tlak.

p totale_atmosphère > p partielle_eau > p sat_eau .

Dochází ke změně stavu a kondenzaci vodní páry na kapky deště.

Směs čistých látek

Zákon Raoult upravuje přibližně tlak nasycených par kapalných směsí.

Vezměme si homogenní směs dvou plynů v nádrži: energie tepelného míchání je větší než rozdíl v potenciální energii gravitace a vzhledem k předpokladu homogenity nedochází ke stratifikaci. Za tohoto předpokladu je složení směsi od začátku do konce losování konstantní. Pro danou a konstantní teplotu natahování dojde k odpařování 2 plynů v poměrech měnících se podle natahovacího tlaku, což mění složení odtahované směsi. Plyn, jehož saturační tlak bude nejvyšší, bude mít nejprve vyšší podíl, protože v rovnováze bude jeho parciální tlak muset dosáhnout svého tlaku nasycených par. Protože je tento plyn vyšší než u druhého plynu, jeho parciální tlak bude také větší. Jak tlak v láhvi klesá, nakonec dojde k poklesu pod úroveň jeho tlaku nasycených par, úrovně parciálního tlaku jednoho plynu a poté druhého, tedy rekondenzace. Lahve se směsí plynů mají nastavenou teplotu skladování, aby bylo zajištěno, že složení skutečně odebíraného plynu je skutečně nominální složení, za předpokladu, že teplota odebírání je skladovací. Pokud je před odčerpáním předepsáno přivést směs zpět na definovanou teplotu, pro kterou jsou známy podíly odtažených plynů, lze skladovací teplotu zvolit libovolně.

Výbušná dekomprese

V případě tělesa obsaženého v uzavřeném prostoru může prasknutím krytu dojít k výbuchu varu (nebo k výbuchu ), pokud:

za podmínek teploty a vnějšího tlaku je tělo v plynné formě;
tlak je vyšší v krytu, který udržuje část těla v tekuté formě.

Poznámky a odkazy

Richard Taillet , Pascal Febvre a Loïc Villain , slovník fyziky , Brusel / Paříž, De Boeck ,2. listopadu 2009, 754 s. ( ISBN 978-2-8041-0248-7 a 2-8041-0248-3 , číst online ) , s. 175
Nicolas Vandewalle, „ Kapitola 7: Změna stavu “ , University of Lutych (přístup k 5. března 2015 )
„ Fyzikální vzorce - Tlak páry “ na webu formulas-physique.com (přístup 6. listopadu 2014 )

Související články