Зависимость давления от температуры замерзания воды: Температура замерзания воды по отношению к давлению.

Содержание

Температура плавления льда = температура замерзания воды в зависимости от давления 1-2100 бар. Таблица.





Адрес этой страницы (вложенность) в справочнике dpva.ru:  главная страница  / / Техническая информация / / Физический справочник / / Тепловые величины: теплоемкость, теплопроводность, температуры кипения, плавления, пламени. Удельные теплоты сгорания и парообразования. Термические константы. Коэффициенты теплообмнена и расширения / / Температуры, кипения, плавления, прочие... Перевод единиц измерения температуры. Воспламеняемость. / / Температуры плавления, застывания, замерзания  / / Температура плавления льда = температура замерзания воды в зависимости от давления 1-2100 бар. Таблица.

Поделиться:   

Температура плавления льда = температура замерзания воды в зависимости от давления 1-2100 бар. Таблица.

Имеется в виду обычный Лед I. Практически несжимаем, сжимаемость в 4 раза хуже, чем у воды. Плотность примерно 920 кг/м3

Температура плавления(oC) Давление (МПа)
0,00 0,1
-0,06 1
-0,14 2
-0,21 3
-0,29 4
-0,36 5
-0,74 10
-1,52 20
-2,32 30
-3,15 40
-4,02 50
-4,91 60
-5,83 70
-6,79 80
-7,78 90
-8,80 100
Температура плавления(oC) Давление (МПа)
-9,86 110
-10,95 120
-12,07 130
-13,22 140
-14,40 150
-15,62 160
-16,85 170
-18,11 180
-19,39 190
-20,69 200
-22,00 210
Данные по: Wagner W., Saul A., Pruss A. International equations for the pressure along the melting and along the sublimation curve of ordinary water substance // J. Phys. 1994
Поиск в инженерном справочнике DPVA. Введите свой запрос:
Поиск в инженерном справочнике DPVA. Введите свой запрос:
Если Вы не обнаружили себя в списке поставщиков, заметили ошибку, или у Вас есть дополнительные численные данные для коллег по теме, сообщите , пожалуйста.
Вложите в письмо ссылку на страницу с ошибкой, пожалуйста.
Коды баннеров проекта DPVA.ru
Начинка: KJR Publisiers

Консультации и техническая
поддержка сайта: Zavarka Team

Проект является некоммерческим. Информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Владельцы сайта www.dpva.ru не несут никакой ответственности за риски, связанные с использованием информации, полученной с этого интернет-ресурса. Free xml sitemap generator

Температура замерзания воды - Справочник химика 21

    Иногда денатурированный спирт находит применение в автомобилях. У этилового спирта очень низкая температура замерзания — минус 117 С. А температура замерзания воды О "С. Эти две цифры зимой становятся очень важными для владельцев автомобилей. Водой заполняют [c.93]
    Свойство растворов понижать температуру замерзания воды широко используется в практике для приготовления так называемых антифризов, которые представляют собой водные растворы некоторых органических и неорганических веществ. Эти растворы не замерзают при низких температурах и потому широко применяются для охлаждения двигателей автомобилей и тракторов в условиях Крайнего Севера. Например, такой антифриз, как 55%-ный раствор этиленгликоля в воде, не замерзает даже при температуре 233 К- 
[c.106]

    Температура замерзания раствора, содержащего 2,6152 10 кг эфира этиленгликоля в 0,1 кг воды, ниже температуры замерзания воды на 0,5535°. Определите молекулярную массу эфира, если теплота плавления воды 6029 Дж/моль. [c.194]

    Диаграмма состояния воды. На рис. 82 показана в схематической форме (т. е. без строгого соблюдения масштаба) диаграмма состояния воды в области невысоких давлений. Кривая ОС представляет зависимость давления насыщенного пара жидкой воды от температуры, кривая О А — зависимость давления насыщенного пара льда от темпе-, ратуры и кривая ОВ — зависимость температур замерзания воды от внешнего давления. Эти три кривые разделяют диаграмму на поля, каждое из которых отвечает одному из агрегатных состояний воды —пару, жидкости и льду. 

[c.248]

    Какова температура замерзания воды по Фаренгейту при нормальных условиях  [c.24]

    Ученые пользуются для измерения температуры стоградусной шкалой, или шкалой Цельсия. В этой шкале температуре замерзания воды соответствует иоль градусов — это пишется О "С. Комнатная температура — примерно 25 °С, а температура кипения воды — 100 "С. Температура кипения четыреххлористого углерода 77 С, так что он, как видите, закипает и превращается в пар легче, чем вода. Температуры более низкие, чем температура замерзания воды, пишутся со знаком минус. Например, метан кипит при температуре на 161 градус ниже, чем температура замерзания воды, это пишется — 161°С. В США для измерения температуры обычно. применяется шкала Фаренгейта. Кое-где автор приводит в скобках температуру по Фаренгейту. Например, температура кипения воды 100 С (212 F), а четыреххлористого углерода 77 "С (171"Р). [c.69]

    Можно было бы считать прямыми ответами на этот вопрос как истинное предложение Температура замерзания воды при нормальных условиях 32°F , так и ложное Температура замерзания воды при нормальных условиях 0°Ру>. С другой стороны, хотя не требуется, чтобы прямой ответ был истинным, необходимо, чтобы он имел правильную форму в противном случае ответ не считается прямым. Так, предложение Температура замерзания воды при нормальных условиях указана в Справочнике по химии и физике- - не является прямым ответом на вопрос (1), поскольку в нем содержится всего лишь инструкция, по которой спрашивающий может сам найти истинный и прямой ответ на вопрос. Кроме того, следует подчеркнуть, что этим предложением не ограничивается выполнение задания, поставленного в вопросе,— после того как спрашивающий получит такой ответ на вопрос (1), ему предстоит еще проделать определенную работу, чтобы получить окончательный и удовлетворяющий его ответ. То же самое, хотя и в меньшей степени, верно для предложений типа Температура замерзания воды при нормальных условиях на 211° F выше, чем температура замерзания спирта- или Температура замерзания ва ы при нормальных условиях Итак, хотя для какой-то части спрашивающих эти предложения могут оказаться небесполезными, ни одно из 

[c.24]

    Равновесие в двухфазной системе жидкая вода — лед характеризуется кривой ОВ, выражающей зависимость температуры замерзания воды от давления. Следует обратить внимание, что в отличие от большинства других веществ для воды в известных пределах повышение давления вызывает понижение температуры ее замерзания. Это объясняется тем, что плотность льда меньше плотности воды, а повышение давления всегда способствует образованию той фазы, которая обладает меньшим объемом, т. е. большей плотностью (принцип смещения равновесий см. 87). 

[c.249]

    Плавление льда сопровождается поглощением теплоты в количестве 1,436 ккал/моль при 0°С. Большая часть ее расходуется на указанный частичный разрыв водородных связей между молекулами воды в кристаллах льда. Плавление льда в отличие от плавления большинства других веществ сопровождается уменьшением объема (лед легче воды и плавает на ней). Это уменьшение объема достигает 10%, т. е. весьма значительно. Все это показывает, что расположение молекул воды в кристаллах льда является Менее плотным, чем в жидкой воде . Увеличение объема воды при ее замерзании означает, что с повышением давления температура замерзания воды должна несколько понижаться. Она понижается до —1°С примерно при 130 атм. 

[c.166]

    Наибольшее значение имеют водные растворы, так как вода — самый распространенный и универсальный растворитель. Она играет очень важную роль в нашей жизни и обладает рядом особенностей, обусловленных наличием различных структур, отличающихся как энергетически, так и химически. Важно также следующее так как водные растворы обычно изучаются при температурах, близких к температуре замерзания воды, то ее структурность выражена весьма четко. [c.131]

    Если бы мы задали этот вопрос достаточно глупому отвечающему, то даже после нахождения удовлетворяющего условию числа 32°Р тот мог бы продолжать проверять все целые числа до бесконечности, справляясь в энциклопедиях или проводя эксперименты и тщетно пытаясь найти еще какие-нибудь числа для составления полного списка. Если, бы спрашивающий, зная, что существует только одна температура замерзания воды в градусах Фаренгейта при нормальных условиях, но не зная, какая именно, использовал одно-альтернативную спецификацию, как в вопросе (1), то отвечающий, обнаружив, что 32°Р удовлетворяет условию, понял бы, что нашел необходимый материал для построения адекватного прямого ответа. И понял бы он это не в результате логического или физического эксперимента, а непосредственно по логической форме вопроса. 

[c.49]


    На рис. 141 представлена фазовая диаграмма системы этан—вода . Подобная общая характеристика может быть применена ко всем углеводородным системам. Линия ВЕ соответствует равновесию системы, содержащей газ, гидраты и воду, линия FEG представляет собой точки росы углеводородов (в данном случае этана). Точкам является квадрупольной в ней существует две жидкие фазы (вода и углеводород), одна твердая фаза (гидрат) и газовая фаза. Линия BD соответствует температуре замерзания воды, левее нее могут существовать две твердые фазы (лед и гидрат). [c.216]

    Для расчета константы замерзания воды использовать известные значения теп лоты плавления льда (A/i = 333,3 Дж/г) и температуры замерзания воды (273,15 К). [c.87]

    Консганты Генри для кислорода и азота при растворении их в воде при 273,2 К равны соответственно 1,91 10 и 4,09 10 мм рт. ст. Рассчитайте понижение температуры замерзания воды, вызванное растворением воздуха (80% N2 и 20% Оа) при 1,0133 10 Па. 

[c.195]

    Калибровка обоих термометров нри температуре замерзания воды и затем через 20°. [c.379]

    Температура замерзания воды по термометру Бекмана  [c.48]

    В выполнении работы следует выделить 4 этапа подготовка установки для охлаждения, настройка термометра Бекмана, определение температуры замерзания раствора, определение температуры замерзания воды. [c.25]

    Определение температуры замерзания растворителя. Вымытый криоскоп споласкивают дистиллированной водой, затем в него наливают 20—25 мл воды, не взвешивая. Криоскоп помещают в холодильную камеру, а через 10—15 мин, когда вода охладится, опускают в криоскоп термометр Бекмана с мешалкой и проводят процесс охлаждения воды аналогично охлаждению раствора. Можно допустить переохлаждение воды на 1 град по сравнению с температурой, установленной по смеси воды и льда. Температуру замерзания воды определяют 2—3 раза, пока не получатся воспроизводимые результаты. [c.27]

    Задачи работы экспериментально определить температуры замерзания воды и раствора, рассчитать осмотическую концентрацию. 

[c.28]

    Температура замерзания воды с увеличением давления понижается, а не повышается, как этого следовало бы ожидать. [c.12]

    Так как / > Уж, то Л /> 0. В процессе испарения теплота подводится к системе, поэтому 0. Отсюда следует, что при росте температуры давление увеличивается и кривая наклонена вправо. Линия ОА показывает зависимость температуры замерзания воды от внешнего давления. Для этого случая применимо уравнение (4.9) в форме [c.67]

    Растворимость азота и кислорода в воде при 0°С и 101325 Па равна соответственно 23,5 и 48,9 мл/л. Вычислите температуру замерзания воды, насыщенной воздухом. [c.182]

    Если благодаря калибровке или градуировке устанавливается величина систематической ошибки, то она называется, поправкой, и из результатов измерений следует вычесть ее величину. Разница между нулем температуры (°С) и той отметкой на шкале термометра, где остановился столбик ртути при-определении температуры замерзания воды, есть систематическая ошибка, если ее не учитывать, и одновременно поправка к показаниям термометра. [c.73]

    Кривая ОА показывает равновесные условия между льдом и паром и характеризует зависимость давления насыщенного пара льда от температуры. Кривая ОВ отвечает равновесным условиям между льдом и жидкостью и представляет зависимость температуры замерзания воды от давления. Кривая ОК изображает равновесные условия между жидкостью и паром и представляет зависимость давления насыщенного пара жидкой воды от температуры или зависимость температуры кипения воды от внешнего давления. [c.29]

    В соответствии с принципом Ле Шателье увеличение объема воды при ее замерзании означает, что с повышением давления температура замерзания воды должна несколько понижаться. Она понижается примерно на ГС на каждые 130 атм (при давлениях до 2000 атм). [c.11]

    Предположим, что ответом на вопрос (1) будет не предложение Температура замерзания воды при нормальных условиях 32°Ту/, а просто существительное 32у>. Очевидно, что его статус как ответа иа вопрос, равно как и значение, зависит от контекста. Поэтому, раз мы предполагаем формализовать наш анализ и при этом не хотим, чтобы ассерторическое значение зависело от контекста, мы не будем считать 52 прямым ответом на вопрос (1). Мы будем рассматривать его как сокращенный вариант приведенного выше полного предложения и вслед за К. Хэмблином [19581 назовем его кодифицированным ( oded) ответом на вопрос. Кодифицированные ответы, куда входят, помимо слов, жесты и кивки, благодаря своей высокой эффективности играют ведущую роль в процессе коммуникации, однако за ними всегда стоят полные, неэллиптичные предложения. [c.25]

    При записи вопроса (1) Какова температура замерзания воды по Фаренгейту при нормальных условиях можно было бы употребить субъект (л — целое число // температура замерзания воды при нормальных условиях x°F). Здесь категорное условие х — целое число требует заполнения, и, заполняя эту лакуну, мы делаем вопрос более точным. С другой стороны, вопрос (12) содержит именные группы, которые навязывают субъекту форму х — мальчик, у — девочка // х брат у). Впрочем, можно было бы предпочесть иной вид субъекта — категорно-свободный х // х— мальчик 8с у — девочка х брат у) и считать, что при таком субъекте мы лучше понимаем смысл вопроса. Наша логическая схема не указывает ни на то, как ее нужно использовать, ни на то, какие формальные интеррогативы лучше всего передают значение данного вопросительного предложения естественного языка, и в этом отношении она сходна с формальной ассерторической логикой. Мы можем лишь предлагать приемлемые альтернативы и комментировать различия между ними. Например, первый из вышеуказанных субъектов определяет меньшую именную область, состоящую только из предложений вида Ь брат с, где Ь — имя мальчика, ас — имя девочки, в то время как именная область второго из указанных субъектов включает в себя [c.39]

    Важными физическими свойствами воды являются ее гочки кипения и замерзания. При построении наиболее популярной температурной шкалы Цельсия интервал между температурами кипения и замерзания воды был разделен на 100 частей. Температура замерзания воды была принята за О С, температура кипения при обычных условиях - за 100 С [c.34]

    На основе нашего графика определите, какая температура в кельвинах соответствует 0°С — температуре замерзания воды, 100° С — температуре ее кипения при атм(1Сферном давлении  [c.391]

    Часто используется другой метод калибровки — калибровка по стандартным веи ествам. Так, термометры и термопары проверяют и калибруют по температурам фазовых переходов веществ. Наиболее часто используют температуру плавления льда (0°С) и температуру кипения воды (100°С). В работе по кри-оскопическому определению мольной массы растворенного вещества требуется найти понижение температуры замерзания раствора, для чего сначала измеряется температура замерзания воды, а затем температура замерзания раствора. Определение температуры замерзания воды — это и есть калибровка термометра, а отметка на шкале термометра, соответствующая этой температуре, принимается за нулевую. [c.73]

    Выньте внутреннюю пробирку, дождитесь, пока кристаллы не расплавятся, и еще раз (или два) определите температуру замерзания чистого растворителя (ноды). Температура замерзания воды из-за неточности тер.мометра может не совпадать с нулем на шкале, В этом случае показание термометра, соответ-ств) ющее те.мпературе замерзания воды, принимается за 0° С и в дальнейшем другие температуры отсчитываются от этого показания. Не забудьте, что точность определения температуры должна быть не хуже 0,02—0,03 С (малое деление шкалы разделите на 3—5 частей можно пользоваться увеличительным С1 еклом). [c.155]

    На рис. 126 Л и Б на примере системы HgO — Na l — K l изображены изотермические диаграммы растворимости солей (с общим ионом), не вступающих в соединение ни друг с другом, ни с водой. Этот график совпадает с чертежом, полученным при проведении через призму рис. 124 изотермического сечения при условии, что С и В — соли, А — вода и изотерма лежит ниже температуры эвтектики соль — соль, но выше температуры замерзания воды. Если последнее условие не соблюдается и i [c.322]


Классическая теория объяснила расхождения экспериментов по образованию льда-VII

P. Myint et al. / Physical Review Letters

Физики из США теоретически объяснили результаты экспериментов, в которых вода, переохлажденная до температуры порядка 150 кельвинов и сжатая до давления более 70 тысяч атмосфер, превращается в лед-VII. Для этого ученые использовали классическую теорию нуклеации и показали, что при сравнительно низких давлениях лед образуется на обкладках, сжимающих воду (гетерогенная нуклеация), а при высоких давлениях — в объеме воды (гомогенная нуклеация). Статья опубликована в Physical Review Letters.

При атмосферном давлении воду очень сложно переохладить ниже температуры кристаллизации, поскольку она легко выводится из равновесия. Для сверхчистой воды, практически полностью очищенной от примесей, рекорд температуры составляет примерно 225 кельвинов (−48 градусов Цельсия) — при дальнейшем охлаждении сжимаемость и теплоемкость жидкости резко вырастает, и удержать ее от кристаллизации становится невозможно. С другой стороны, при сверхвысоких давлениях вода может быть переохлаждена до гораздо более низких температур. В экспериментах по динамическому сжатию, в ходе которых небольшое количество жидкости быстро сжимается до давлений более 10 тысяч атмосфер, вода остается метастабильной при температуре около 150 кельвинов (−120 градусов Цельсия) в течение нескольких микросекунд.

Эксперименты по динамическому сжатию выполняются по одной из двух схем, в обеих из которых тонкий слой воды помещается между двумя толстыми обкладками, а затем быстро сжимается так, чтобы его энтропия сохранялась. В частности, для такого сжатия можно использовать ударную волну, возникающую при подрыве взрывчатки, которой обложены обкладки. В результате такого сжатия вода переходит в область, в которой становится стабильной фаза льда-VII — кубическая модификация льда, кристаллическая структура которой состоит из двух взаимопроникающих подрешеток. После небольшого промежутка времени переохлажденная жидкость целиком превращается в лед-VII. При давлении менее 50 тысяч атмосфер время существования метастабильной фазы сильно зависит от материала обкладок — например, для кремнеземных обкладок оно находится на уровне сотен наносекунд, а для сапфировых обкладок достигает нескольких микросекунд. В то же время, при давлениях более 60–70 тысяч атмосфер замерзание происходит гораздо быстрее (за время порядка 10 наносекунд), причем независимо от материала обкладок. Несмотря на то, что физики довольно хорошо изучили эти процессы экспериментально, теоретически объяснить расхождения им не удавалось.

Группа ученых под руководством Джонатана Белофа (Jonathan Belof) объяснила наблюдаемое на практике поведение переохлажденной жидкости с помощью классической теории нуклеации (classical nucleation theory, CNT). Эта теория предсказывает, что скорость образования зародышей льда-VII (то есть скорость нуклации) экспоненциально зависит от энергии, которую нужно затратить на образования зародышей: J = Bexp(−ΔG/kT). Здесь B — это некоторый предэкспоненциальный фактор, который связан с числом доступных для нуклеации областей, T — температура жидкости, а k — постоянная Больцмана. Если система остается гомогенной (однородной) в ходе замерзания, то есть ее давление, температура и концентрация одинаковы во всем объеме, энергия образования зародышей ΔGhomo оказывается меньше — следовательно, при фиксированной температуре скорость нуклеации вырастает, а время жизни метастабильной фазы переохлажденной жидкости уменьшается. В обратном случае, когда параметры жидкости и льда заметно отличаются (система гетерогенна), энергия ΔGhetero вырастает, скорость нуклеации падает, а время полного замерзания увеличивается.

Поскольку лед-VII намерзает на неоднородностях границы между жидкостью и обкладками, энергия ΔGhetero зависит от угла смачивания воды и льда. Чем меньше угол смачивания, тем меньше значение ΔGhetero; при низких давлениях, когда лед «смачивает» обкладки лучше, чем вода, эта разница сильно выражена, однако она сглаживается при увеличении давления. С другой стороны, предэкспоненциальный множитель B практически не зависит от давления, причем Bhomo во много раз больше, чем Bhetero, поскольку число доступных для нуклеации областей значительно больше в объеме воды, чем в узком слое около обкладок. В результате получается, что при низких давлениях эффект, связанный с низкой энергией ΔGhetero, «перевешивает», и реализуется «медленный» процесс гетерогенного замерзания. При увеличении давления предэкспоненциальный фактор оказывается важнее, а потому «побеждает» процесс гомогенного замерзания. Это согласуется с тем фактом, что при низких давлениях материал обкладок играет важную роль, но становится несущественным при высоких давлениях.

Отношение экспонент (сплошные линии) и предэкспоненциальных факторов (пунктриные линии) для гетерогенного и гомогенного замерзания в зависимости от угла смачивания

P. Myint et al. / Physical Review Letters

Зависимость Зависимость от времени отношения объема льда-VII и переохлажденной воды ϕ для гетерогенного (синяя и пунктирные линии) и гомогенного замерзания (красная линия)

P. Myint et al. / Physical Review Letters

Затем ученые дополнили классическую теорию нуклеации уравнениями гидродинамики, чтобы получить не только качественное, но и количественно объяснение экспериментальных данных. При давлении около 70 тысяч атмосфер температура переохлажденной воды достигает TU ≈ 150 кельвинов, а нагревание в результате затвердевания примерно равно TQ = ΔH/Cp ≈ 100 кельвинов, где ΔH — энтальпия затвердевания, а Cp — теплоемкость жидкости при постоянном давлении. Поскольку TQ < TU, большинство выделяющегося тепла поглощается растущим кристаллом льда-VII, и температура воды практически не изменяется. Чтобы ухватить эту особенность процесса, ученые считали, что температуры воды и льда постоянны, но различны. Используя это приближение, физики численно проинтегрировали уравнение KJMA (Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami) и нашли, как изменяется со временем отношение объема льда-VII и переохлажденной воды ϕ. Полученная зависимость практически в точности совпала с данными реальных экспериментов.

Сравнение результатов численных расчетов (цветные линии) и экспериментальных данных (черные линии)

P. Myint et al. / Physical Review Letters

Физики отмечают, что описанный ими переход может происходить в недрах холодных экзопланет, внутри которых давление может достигать десятков тысяч атмосфер — например, в планетах Глизе 581d и Глизе 1214b. Кроме того, авторы надеются, что их работа поможет лучше понять фазовые переходы воды и льда.

В сентябре прошлого года японские физики с помощью численного моделирования обнаружили, что при отрицательных давлениях и низких температурах молекулы воды могут выстроиться в кристаллическую решетку, которая напоминает минералы группы цеолитов. Правда, на практике такой лед получить пока не удалось.

Подробнее прочитать, как под огромным давлением меняются свойства материалов — в том числе льда — можно прочитать в материале «Путешествие к центру Земли».

Дмитрий Трунин

Вода, лёд и противогололёдные реагенты

Несмотря на то, что капли и небольшие лужицы воды выглядят вполне безобидно, они могут превращаться в мощную силу, способную разрушать скалы и бетонные сооружения. Правда, не очень быстро.

Как известно, вода, замерзая и превращаясь в лёд, увеличивается в объёме примерно на 10 %, что связано с образованием кристаллической структуры.
Плотность льда при 0 °С примерно на 10 % меньше плотности воды, именно поэтому лёд не тонет. И это весьма важно для живых организмов, живущих в водоёмах умеренной и арктической зоны. Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твёрдое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то, при приближении зимы, поверхностные слои озёр и рек охлаждались бы до 0 °С и опускались на дно, освобождая место более тёплым слоям. Так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоёма не приобрела бы температуру 0 °С — реки и озера промёрзли бы до дна, погубив большую часть водных обитателей.

Развивающееся при замерзании воды давление льда может достигать 2500 кг/см2. Каждый, кто оставлял на даче на зиму наполненную водой ёмкость, знает, к чему это приводит — к необходимости приобретать новую бочку.

Когда капля воды попадёт в небольшую трещину на асфальте, бетоне или горной породе, то при замерзании она увеличивается в объёме и расширяет трещину. Этот процесс называется морозным выветриванием.

Чем больше раз вода замёрзнет и оттает, тем большую работу совершит. Именно поэтому весной и осенью, когда частота перехода от положительных к отрицательным температурам максимальна, в умеренной и арктической зоне вода и лёд совершают самый большой объём разрушительной работы. Вспомните, как выглядят весной дороги, на которые осенью под дождём укладывали асфальт?
По той же самой причине достаточно быстро разрушаются здания, покинутые человеком — ведь внутри них никто не поддерживает положительную температуру, а вода и лёд, отыскивая поры, зазоры и трещины, способны раскрыть весь свой разрушительный потенциал.

Нетрудно догадаться, когда разрушительная сила льда и воды временно приостанавливается — в тот период времени, при котором переход от плюсовой к минусовой температуре прекращается. То есть либо летом, когда и днём и ночью тепло, либо зимой, когда, соответственно, температура постоянно не поднимается выше –1 °С.

Тем не менее, есть участки, на которых и зимой, при –10 °С, вода находится в жидком состоянии. Это городские дороги, на которых применяются противогололёдные реагенты. Принцип использования противогололёдных реагентов основан на том, что температура замерзания воды, с разведёнными в ней хлоридами солей ниже, чем температура замерзания естественных осадков.

Можно легко увидеть, как это работает, если поставить в морозильную камеру стакан с концентрированным раствором пищевой соли.

Снег и лёд при контакте с реагентами превращаются в жидкость — не совсем в воду, а в водный раствор хлористого кальция, калия и натрия. В зависимости от концентрации солей, такой раствор может замёрзнуть как при –8 °С, а может и при –16 °С остаться жидким.

Поскольку новые порции выпавшего снега превращаются в воду, они разбавляют солевой раствор и, соответственно, изменяют его концентрацию и постоянно смещают точку замерзания.

Таким образом, даже зимой на дорогах, на которых применяются противогололёдные реагенты, разрушительная работа воды и льда продолжается.

Совсем неудивительно, что бетонные дорожные бордюры, в особенности, выполненные из некачественного бетона, в холодное время года быстро разрушаются под действием именно морозного выветривания и именно на тех участках, на которых применяют противогололёдные реагенты.

Подобные выводы подтверждены компанией The Dow Chemical Company, которая проводила многочисленные испытания восьми наиболее распространённых противогололёдных реагентов, включающих в состав хлориды кальция, магния, натрия, а также мочевины. После 500 циклов замораживания-оттаивания, даже качественные бетоны, с плотностью 2,31 г/см3, продемонстрировали умеренное растрескивание.

Можно предположить, что подобное явление может обеспечить сокращение срока эксплуатации бетонных конструкций, и активно применять противогололёдные реагенты в непосредственной близости от жилых зданий не следует.

В этой связи, сотрудники Института экологии и географии, а также эксперты экологического штаба Красноярского края подготовили рекомендации и приняли участие в экспертизе Технического регламента применения противогололёдных материалов при содержании автомобильных дорог города Красноярска, который был утверждён приказом № 314-гх от 21 июня 2019 года.

Руслан Шарафутдинов
канд. геогр. наук, доцент кафедры экологии и природопользования ИЭиГ СФУ.

Второй закон Рауля и температура замерзания

Некоторые автолюбители, насколько мне известно, предпочитают зимой заливать в бачок стеклоочистителя водку. Водка зимой не замерзает, а почему и вплоть до какой температуры? Ответ на этот вопрос даст нам химия.

Начнем с определений.

Как известно, водка — это раствор этилового спирта в воде.

А что такое раствор? Это однородная смесь не менее двух компонентов, один из которых называется растворителем, а другой растворимым веществом. Растворитель, это компонент, агрегатное состояние которого не изменилось при образовании раствора (например, сахар в воде переходит из твердой фазы в жидкую, вода — растворитель) либо, в случае веществ, находящихся в одной и той же фазе, компонент, которого больше. Растворы бывают твердые, жидкие и газообразные (воздух, как смесь газов — газообразный раствор).

С химической точки зрения, раствор — это дисперсная система, т.е., система, в которой два или несколько веществ находятся в раздробленном состоянии, и частицы их равномерно распределены относительно друг друга и взаимодействуют между собой.

Разница здесь есть в степени дисперсности.
Если размеры частиц веществ, составляющих систему, равны или меньше (размер атомов, молекул и ионов), то это молекулярно-дисперсная система, или истинный раствор.
Если размеры частиц веществ имеют размеры , то это коллоидно-дисперсная система, или коллоидный раствор.
Если же размеры частиц больше , то это грубодисперсная система.

Среди истинных растворов, в свою очередь выделяют два класса — растворы электролитов (ионов), которые проводят электрический ток, и растворы не электролитов (молекул).

Смешавшиеся в растворе частицы веществ могут взаимодействовать между собой. В связи с наличием или отсутствием взаимодействия частиц раствора между собой растворы можно разделить на реальные и идеальные. В реальных растворах изменяются свойства исходных молекул из-за межмолекулярного и химического взаимодействия частиц в растворе. В идеальных растворах взаимодействие частиц практически отсутствует, и растворяемое вещество сохраняет свои свойства. Идеальными при любых концентрациях являются растворы, компоненты которых очень близки по физическим и химическим свойствам, и образование которых не сопровождается изменением объема и выделением либо поглощением теплоты.

В 1887 году французский химик Франсуа Мари Рауль (1830-1901), изучая понижение температуры кристаллизации (замерзания), а также понижение давления пара (или повышения температуры кипения) растворителя при введении в него растворенного вещества, открыл ряд законов, называемых ныне законы Рауля. Это количественные закономерности, описывающие коллигативные, то есть зависящие от концентрации, но не от природы растворенного вещества, свойства растворов. Эти законы и описывают поведение идеальных растворов.

Первый закон Рауля гласит (см. Закон Рауля), что

Парциальное давление насыщенного пара компонента раствора прямо пропорционально его мольной доле в растворе, причём коэффициент пропорциональности равен давлению насыщенного пара над чистым компонентом.

Либо, в случае двухкомпонентного раствора, что

Относительное понижение парциального давления пара растворителя (A) над раствором не зависит от природы растворённого вещества и равно его мольной доле в растворе.

Из этого закона есть два следствия, которые называют вторым законом Рауля.

Второй закон Рауля гласит, что

Понижение температуры кристаллизации бесконечно разбавленных растворов не зависит от природы растворённого вещества и прямо пропорционально моляльной концентрации раствора.

и

Повышение температуры кипения бесконечно разбавленных растворов нелетучих веществ не зависит от природы растворённого вещества и прямо пропорционально моляльной концентрации раствора

Коэффициенты пропорциональности K и E в этих уравнениях — криоскопическая и эбулиоскопическая постоянные растворителя, имеющие физический смысл температуры кристаллизации и повышения температуры кипения раствора с моляльной концентрацией 1 моль/кг. Растворы с такой концентрацией — 1 моль/кг, вообще говоря, никак не назвать бесконечно разбавленными, так что при определении этих постоянных речь идет об экстраполяции зависимости из области малых концентраций. Напомним, что моляльная концентрация (не путать с молярной) — это отношение количества растворенного вещества в молях к массе растворителя.

Если какой-либо раствор подчиняется законам идеальных растворов при любых концентрациях, то его называют совершенный раствор. Если раствор начинает подчиняться законам идеальных растворов только при достаточно большом разведении, то это бесконечно разбавленный раствор (концентрация растворенного вещества стремится к нулю). Во всех прочих случаях раствор считается реальным.

Все растворы электролитов — реальные растворы, так как растворяемое вещество в них диссоциирует на ионы. Законы Рауля для этих растворов не выполняются, даже в случае бесконечно разбавленных растворов.

В случае растворов не электролитов — чем более разбавлен раствор, тем ближе его свойства к идеальному. Однородные смеси неполярных веществ (углеводородов) близки к идеальным растворам при всех концентрациях.

Теперь вернемся к водке.

----------------------Обновление------------------------

Так вот, благодаря пытливым пользователям (смотри комментарии к калькулятору), автору пришлось выяснить, что второй закон Рауля не имеет к водке никакого отношения. Дело в том, что в законах Рауля речь идет о растворах нелетучих веществ (ну там, соль, например), которые уменьшают давление пара растворителя над раствором, а спирт — вещество вполне себе летучее и также создает давление пара над раствором. Для кипения водки применимы законы Коновалова, и выкипать спирт из водки начинает при температуре кипения спирта (как я понимаю).

Впрочем, в нескольких местах в Интернете я встречал использование второго закона Рауля для оценки температуры замерзания водки. Ничего точного на счет замерзания водки и применимости к этому второго закона Рауля я так и не нашел (химика бы сюда), однако полученные данные довольно близки к табличным, поэтому весь расчет ниже я оставлю без изменений, для иллюстрации использования калькулятора, однако с оговоркой, что температура кипения водки по второму закону Рауля не определяется, и замерзания, возможно, тоже.

---------------------Конец обновления-----------------------

Водка, это раствор углеводорода в воде, поэтому применим второй закон Рауля для определения температуры замерзания водки.

Растворителем в данном случае является вода. Криоскопическая и эбулиоскопическая константы для нее приведены в справочнике Эбулиоскопические и криоскопические константы растворителей. Процентное соотнощение спирта и воды известно — 40%. Из этого можно определить моляльную концентрацию водки.

Определим, сколько спирта (m1) надо добавить в килограмм воды (m2), чтобы получить 40% соотношение (K)
,
следовательно

Таким образом, чтобы получить 40% раствор, в 1 кг воды надо влить примерно 666,6(6) грамм спирта (чем не повод отказаться от ее употребления).

Теперь осталось определить, сколько это молей вещества. Для этого надо знать молярную массу спирта. С учетом того, что формула этилового спирта известна всем , то воспользовавшись калькулятором Молярная масса соединений, находим, что молярная масса спирта 46 г/моль. Поделив массу спирта на его молярную массу находим что на килограмм растворителя приходится 14,49 моль спирта.

Далее умножением на криоскопическую константу мы находим изменение температуры замерзания. Уменьшив температуру кристаллизации (замерзания) растворителя — воды, на полученную величину, мы и найдем температуру кристаллизации (-27) водки.

Впрочем, применительно к растворам, не говорят о «температуре кристаллизации раствора» и «температуре кипения раствора». Говорят так — «температура начала кристаллизации» и «температура начала кипения».

Дело в том, что как при кипении (испаряется растворитель), так и при кристаллизации (выделяются кристаллы растворителя) в оставшемся растворе увеличивается концентрация растворенного вещества, а следовательно, происходит дальнейшее уменьшение температуры кристаллизации либо увеличение температуры кипения.
На этом эффекте основаны методы очистки веществ, то есть очистки растворителя, например, воды — от примесей, которые нельзя удалить обычной фильтрацией. Кристаллизирующийся растворитель (особенно в начале кристаллизации), содержит меньше примесей (растворенных веществ), чем в остающемся растворе. Многократно повторяя кристаллизацию раствора и удаляя каждый раз обогащенный примесями остаток раствора, можно добиться значительной степени очистки (метод перекристаллизации). Тоже самое происходит и при кипячении — пар содержит меньше примесей по сравнению с остающимся раствором. Полученный пар заново конденсируют и снова испаряют, добиваясь очистки от примесей (метод дистилляции).

Ниже приведен калькулятор для определения температур начала замерзания и кипения растворов, повторяющий вышеприведенные расчеты.
Значения по умолчанию как раз соответствуют случаю водки.

Температура начала кипения и кристаллизации (замерзания) растворов не электролитов

Доля растворенного вещества, проценты

Молярная масса растворенного вещества, г/моль

РастворительОбновление...Точность вычисления

Знаков после запятой: 1

Температура начала кристаллизации (замерзания)

 

Температура начала кипения

 

content_copy Ссылка save Сохранить extension Виджет

Кстати сказать, второй закон Рауля также используется для экспериментального определения молярной массы неизвестных веществ. Для этого некоторую массу исследуемого вещества растворяют в подходящем растворителе и замеряют понижение температуры начала кристаллизации или повышение температуры начала кипения раствора.
Дальше расчет идет обратно приведенному выше. Исходя из полученной разницы температур и известных эбулиоскопических и криоскопических постоянных растворителя, определяется моляльная концентрация растворенного вещества в растворе, и соответственно, его молярная масса.

Исследование свойств воды при кристаллизации

  • Участник:Ковалёв Павел Алексеевич
  • Руководитель:Шик Галина Яковлевна
Цель работы: провести опыты по кристаллизации воды и подготовить предложения по их проведению.

Вступление

Вода является не только одним из самых необходимых, но и самых удивительных явлений на нашей планете. Исключительно важна роль воды в возникновении и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. Вода является важнейшим веществом для всех живых существ на Земле.

Введение

Большая часть поверхности Земли покрыта водой (океаны, моря, озёра, реки, льды). На Земле примерно 96,5 % воды приходится на океаны, 1,7 % мировых запасов составляют грунтовые воды, ещё 1,7 % – ледники и ледяные шапки Антарктиды и Гренландии, небольшая часть находится в реках, озёрах и болотах, и 0,001 % в облаках, которые образуются из взвешенных в воздухе частиц льда и жидкой воды.

Вода при нормальных условиях находится в жидком состоянии, однако при температуре в 0 °C она переходит в твердое состояние – лед и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C.

Значения 0 °C и 100 °C были выбраны как соответствующие температурам таяния льда и кипения воды при создании температурной шкалы «по Цельсию».

Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного), а также в виде снега, инея, изморози. Под действием собственного веса лёд приобретает пластические свойства и текучесть.

Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в первую очередь в решётку встают молекулы воды.

Общие запасы льда на Земле около 30 млн. км³. Основные запасы льда сосредоточены в полярных шапках (главным образом, в Антарктиде, где толщина слоя льда достигает 4 км).

В мировом океане вода солёная и это препятствует образованию льда, поэтому лёд образуется только в полярных и субполярных широтах, где зима долгая и очень холодная. Замерзают некоторые неглубокие моря, расположенные в умеренном поясе.

Кроме того, имеются данные о наличии льда на планетах Солнечной системы (например, на Марсе), их спутниках, на карликовых планетах и в ядрах комет.

Исследование свойств воды необходимо для человечества.

При этом процесс кристаллизации воды можно изучать в домашних условиях, а также на уроках в средней школе.

Актуальность работы использование на уроках физики, для знакомства учащихся со свойствами воды при кристаллизации.

Объектом исследования является кристаллизация воды.

Предмет исследования – изучения свойств воды при кристаллизации.

Цель работы провести опыты по кристаллизации воды и подготовить предложения по их проведению.

Главной задачей является изучение свойств воды при кристаллизации.

Для решения главной задачи необходимо:

  1. Повести анализ основных свойств воды.
  2. Изучить значение кристаллизации воды для флоры и фауны Земли.
  3. Определить основные опыты для проведения исследования.
  4. Провести опыты и описать основные результаты.
  5. Подготовить предложения по проведению опытов на уроках в средней школе.

Теоретическая значимость работы заключается в систематизации основных свойств воды и значения кристаллизации воды для флоры и фауны Земли.

Практическая значимость работы – изучение процесса кристаллизации воды во время проведение опытов, а также подготовка предложений по проведению опытов на уроках в средней школе.


1. Подготовка к исследованию

1.1 Анализ основных свойств воды

Вода является одним из самых удивительных веществ на планете Земля. Встретить воду можно практически везде в естественных условиях как на поверхности планеты, так и в ее недрах в трех возможных физических состояниях для веществ: жидкое, твердое, газообразное (то есть вода, лед, водяной пар).

Конечно, существуют вещества, которые можно получить в виде жидкости, твердого тела или газа. Однако, не существует подобного химического вещества, которое именно в естественных условиях встречается в указанных выше трех физических состояниях.

Свойства воды:

  1. Вода является веществом, которое не имеет ни цвета, ни запаха, ни вкуса.
  2. Вода является единственным на планете Земля известным науке веществом, встречающимся в природных условиях в трех физических состояниях: твердое тело, жидкость, газ.
  3. Вода является универсальным растворителем, имея возможность растворять большее количество солей, а также других веществ, чем какие-либо другие вещества.
  4. Вода с большим трудом поддается окислению. Вода — достаточно химически устойчива, то есть разложить ее на составные части или сжечь достаточно проблематично.
  5. Окислению водой поддаются практически все естественные металлы, так же под ее воздействием разрушаются особо твердые горные породы.
  6. При замерзании вода обладает уникальными свойствами расширения. Благодаря таким свойствам лед на воде, которая находится в виде жидкости, плавает.
  7. Вода, как физическое вещество, характеризуется большим сродством сама с собой. Такое сродство у воды является самым большим среди всех жидкостей. Вследствие этого вода на поверхности размещается в виде капель сферической формы, поскольку сфера обладает наименьшей при заданном объеме поверхностью.
  8. Замерзание воды происходит не при температурных условиях ее наибольшей плотности (при 4 градусах Цельсия), а при нуле градусов Цельсия. Это свойства пресной воды. Однако, замерзание морской воды происходит при более низких температурах: минус 1,9 градусов Цельсия, при солености 35%.
  9. Вода обладает очень высокой теплоемкостью, относительно мало нагреваясь при этом. Также вода обладает достаточно высокой скрытой теплотой плавления (порядка 80 кал/г), а также испарения ( порядка 540 кал/г). Вода способна поглощать значительные объемы дополнительного тепла. Температура же в процессе замерзания или при кипении остается неизменной.
  10. Дистиллированная вода практически не проводит электрический ток, однако наличие в воде даже небольшого количества солей значительно увеличивает ее токопроводящие свойства.

Свойства снега:

  1. При смешивании соли со снегом наблюдается два процесса: разрушение кристаллической структуры соли, которое происходит с поглощением тепла, и гидрация ионов. Последний процесс происходит с выделением тепла в окружающую среду. Для поваренной соли и хлористого кальция первый процесс превалирует над вторым. Поэтому при смешивании снега с этими солями происходит активный отбор тепла из окружающей среды. Ещё одна особенность соляных растворов состоит в том, что их точка замерзания ниже 0 градусов. Чтобы снег на тротуарах таял при температуре ниже 0 градусов, его посыпают этими солями.
  2. Снег обладает удивительным свойством – памятью. Он сохраняет следы. По следам можно, например, изучать физику. Чем крупнее животное, тем глубже от него след, следовательно, тем большее давление оно оказывает на снег. Следы собаки более глубокие, чем следы её щенков. Мыши, ласки оставляет неглубокие чёрточки. Природа снабдила копытных животных способностью раздвигать копыта и увеличивать площадь опоры. Это помогает им зимой при передвижение по заснеженному лесу и полям не так глубоко погружаться в снег.

1.2 Значение кристаллизации воды для флоры и фауны

Мы любим снег не только за то, что он дарит нам великолепные зимние пейзажи. У нашей любви к снегу немало рациональных причин. «Снег на полях — хлеб в закромах», «Зима без снега – лето без хлеба», – справедливо утверждают старинные русские пословицы. Снежный покров — это огромный запас влаги, столь необходимый полям, в то же время это своеобразное гигантское одеяло, защищающее поверхность земли от холодных ветров. Академик Б. И. Вернадский подчеркивал, что снежный покров — «не просто теплая покрышка озимых, это живительная покрышка», весной он дает талые воды, насыщенные кислородом. Известно, что количество азотистых соединений летом в почве пропорционально высоте сошедшего снежного покрова. Недаром снежная мелиорация рассматривается сегодня как одно из важнейших условий получения высоких и устойчивых урожаев.

Запасы снега существенно влияют на уровень воды в реках, определяют изменения климата на больших территориях.

Кроме того, снег является хорошим строительным материалом для различных построек на севере — от иглу (жилищ эскимосов) до больших складских помещений. Существует самая большая в мире гостиница, полностью сделанная изо льда и снега, находится она в шведской Лапландии в 200 километрах от Северного полярного круга.

Он служит основой зимних дорог и даже аэродромов.

Благодаря снегу мы каждый год любуемся сказочными зимними пейзажами, играем в снежки, строим снежные городки, крепости, катаемся на лыжах, санках, в снежном уборе приходит к нам прекрасный новогодний праздник.

Значение льда трудно недооценить. Лёд оказывает большое влияние на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных, на разные виды хозяйственной деятельности человека. Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего экрана, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого.

Лёд может вызывать ряд стихийных бедствий с вредными и разрушительными последствиями – обледенение летательных аппаратов, судов, сооружений, дорожного полотна и почвы, град, метели и снежные заносы, речные заторы с наводнениями, ледяные обвалы и др. Природный лёд используется для хранения и охлаждения пищевых продуктов, биологических и медицинских препаратов, для чего он специально производится и заготавливается.

1.3 Выбор и обоснование опытов для проведения исследования

Для проведения опытов с водой необходимо выбрать те, которые наиболее полно характеризуют и подтверждают свойства воды.

Проведенный анализ показал, что лучше всего это будет реализовано при выполнении следующих опытов:

  1. Замерзание соленой воды.
  2. Расширение воды при замерзании.
  3. Замерзание жидкости при внешнем воздействии снега.
  4. Замерзание мыльных пузырей.
  5. Срастание сосульки.
  6. Скрип сухого снега.
  7. Примерзание к поверхности.

2. Проведение исследования

2.1 Подготовка материальной части

Для проведения опытов были взяты:

  • предметы – кастрюля, стеклянная бутылка, пластиковая бутылка, одноразовые стаканы, тонкая медная проволока, трубочка;
  • вещества – снег, сосулька, соль, вода, мыльный раствор, сок.

2.2 Проведение опытов с описанием основных результатов

1. Замерзание соленой воды.

Налейте в две формочки воду – чистую и очень солёную. Вынесите формочки на мороз или поставьте в морозильную камеру. Вы заметите, что чистая пресная вода превратилась в лёд, а солёная замёрзнет при очень сильном морозе.

Замерзание воды происходит не при температурных условиях ее наибольшей плотности (при 4 градусах Цельсия), а при нуле градусов Цельсия. Это свойства пресной воды.

При этом, морской лед отличается от пресноводного в ряде отношений. У соленой воды температура замерзания понижается по мере увеличения солености. В диапазоне солености от 30 до 35 промилле точка замерзания меняется от -1.6 до -1.9 град. Образование морского льда можно рассматривать как замерзание пресной воды с вытеснением солей в ячейки морской воды внутри толщи льда. Когда температура достигает точки замерзания, образуются ледяные кристаллы, которые «окружают» не замерзшую воду.

2. Расширение воды при замерзании.

Наполните водой пластиковый стакан, пластиковую бутылку и стеклянную бутылку. Выставьте их на мороз. Замерзая, вода увеличивается в объёме, «вылезает» из стакана, стеклянную бутылку разрывает даже в том случае, когда она заполнена наполовину. Пластиковая бутылка остаётся без видимых изменений.

При замерзании вода обладает уникальными свойствами расширения. Благодаря таким свойствам лед на воде, которая находится в виде жидкости, плавает.

Зимой из-за этого свойства воды происходят аварии на водопроводах. В сильные морозы основная причина таких аварий – замерзание текучей воды. Происходит ее расширение, так что образующийся лед легко разрывает трубы, так как плотность льда – 917 кг/м3, а плотность воды – 1000 кг/м3, то есть объем увеличивается в 1,1 раза, что довольно существенно.

3. Замерзание жидкости при внешнем воздействии снега.

Налейте в пластиковый стакан (пробирку) сок и поставьте его в кастрюлю с солёным снегом. Сок замёрзнет, и очень скоро вы будете лакомиться фруктовым льдом.

При смешивании соли со снегом наблюдается разрушение кристаллической структуры соли, которое происходит с поглощением тепла. Поэтому при смешивании снега с солью происходит активный отбор тепла из сока и сок превращается в лед.

4. Замерзание мыльных пузырей.

Приготовьте мыльный раствор. Раствор на морозе держите в рукавице, чтобы он не замёрз. Выдувайте пузыри трубочкой для сока. Из-за разности температур изнутри пузыря и снаружи возникает большая подъёмная сила, мгновенно уносящая пузыри вверх. Тонкая мыльная плёнка на морозе быстро замерзает, превращая пузыри в ледяные шарики.

Таким образом, тончайшая пленка мыльного пузыря замерзает за считанные секунды.

5. Срастание сосульки.

Возьмите сосульку. Перекиньте через неё тонкую проволоку, концы которой утяжелите грузиками. Наблюдайте, как проволока растапливает лёд, проникает всё глубже в сосульку. Вода над сосулькой вновь замерзает.

Это подтверждает свойство поглощения тепла большей массой льда.

Лед нарастает снизу, сразу над проволокой, так как стекающая вниз талая вода замерзает при соприкосновении с холодными стенками сосульки.

6. Скрип сухого снега.

Насыпьте в тарелку сахарный песок горкой и начните давить его ложкой. Вы услышите характерный скрип. Намочите песок и вновь разотрите. Скрип исчез. В морозные дни звук распространяется на большие расстояния.

Снег скрипит только в мороз (ниже -5°C), и звук скрипа меняется в зависимости от температуры воздуха – чем крепче мороз, тем выше тон скрипа. При достаточном опыте можно оценивать температуру воздуха по звуку, который издает скрипящий снег. Скрип образуется из-за того, что при давлении разрушаются мельчайшие кристаллики снега. Причем каждый из них по отдельности очень мал, чтобы издавать звук, доступный уху человека, но вместе они ломаются довольно громко. Усиление морозов делает ледяные кристаллики более твердыми и хрупкими. При каждом шаге ледяные иглы ломаются. При температуре воздуха ниже -50°C скрип снега становится таким сильным, что его можно слышать через тройные стекла (этому способствует также большая плотность морозного воздуха).

7. Примерзание к поверхности.

Добавьте в кастрюлю со снегом поваренную соль в соотношении примерно 1 к 6. Тщательно размешайте смесь. Если теперь вы захотите переставить кастрюлю, то её придётся поднять вместе с табуретом.

Это также подтверждает поглощение тепла из окружающей среды.

При смешивании соли со снегом происходит образование раствора, сопровождающееся сильным охлаждением вследствие большого поглощения теплоты льдом при его плавлении и солью при ее растворении. Так, например, температура смеси из 29 грамм соли и 100 грамм льда понижается до – 21°С. А если взять 143 грамма соли и 100 грамм льда, то температура может быть понижена до – 55°С.

2.3 Предложения по проведению опытов

Опыты по изучению свойств воды целесообразно проводить на уроках в средней и начальной школе.

При этом для детей начальной школы рекомендуется проведение опытов № 1 и 2 в домашних условиях под присмотром родителей.

Для учеников средней школы возможно проведение опытов № 3, 6 и 7 на уроках под руководством учителя, а опыты № 4 и 5 – факультативно или самостоятельно в домашних условиях.


Заключение

Таким образом, исследование свойств воды необходимо для человечества.

Процесс кристаллизации воды можно изучать в домашних условиях, а также на уроках в средней и начальной школе.

В работе удалось решить следующие задачи:

  1. Повести анализ основных свойств воды.
  2. Изучить значение кристаллизации воды для флоры и фауны Земли.
  3. Определить основные опыты для проведения исследования.
  4. Провести опыты и описать основные результаты.
  5. Подготовить предложения по проведению опытов на уроках в средней школе.

Значимость работы по систематизации основных свойств воды и значения кристаллизации воды для флоры и фауны Земли подтвердилась.

Цель достигнута.

Обучение LIQUI MOLY

Одной из основных систем обеспечивающих работу двигателя внутреннего сгорания является система охлаждения двигателя. Система охлаждения двигателя позволяет поддерживать оптимальный тепловой режим работы двигателя. Эффективно отводить тепло от деталей, обеспечивает обогрев салона автомобиля. Работоспособность системы охлаждения зависит от использования высококачественной охлаждающей жидкости. Современные двигатели используют в качестве охлаждающей жидкости - антифризы.
Антифриз в системе охлаждения обеспечивает эффективный и своевременный отвод тепла от деталей и узлов двигателя.

Основные детали современного двигателя - кривошипно-шатунный механизм, поршни, цилиндры – изготовлены из разнородных материалов и при нагреве расширяются по-разному. Поэтому все тепловые зазоры двигателя рассчитаны на работу в узком интервале температур. Антифриз в системе охлаждения поддерживает эту рабочую температуру при различных режимах работы двигателя и нагрузках.

Кроме того он должен защищать систему охлаждения от коррозии, недопускать кавитации (схлопывания пузырьков пара, образующихся при работе водяного насоса), не замерзать при низких температурах и не кипеть при высоких.


Так-же, температура кипения антифриза при нормальном атмосферном давлении – около 100°С. При повышении давления температура кипения охлаждающей жидкости будет повышаться. В системе охлаждения двигателя специально создается давление порядка 0,9-1,2 атм. При таком давлении антифриз будет закипать, уже при температуре 115-125°С.

Существует масса комбинаций и цветов антифриза, что может легко ввести автовладельцев в заблуждение при выборе правильного антифриза. Для систематизации применимости антифризов, их можно разделить на несколько групп в зависимости от состава и пакета присадок.

Неорганические: (гибридные первого поколения)
Силикатные антифризы: могут быть зеленого, сине-зеленого или желтого цвета. Зеленые и сине-зеленые – Силикатные антифризы можно условно разделить на 2 подгруппы:
а) североамериканского типа и б) европейского типа.
В североамериканских антифризах присутствуют фосфаты, в европейских антифризах применение фосфатов запрещено. Европейский тип антифриза, не содержит аминов, а некоторые еще и нитритов.
В североамериканских также присутствует небольшая подгруппа антифризов с пониженным содержанием силикатов так называемых Low Silicate Formula. Сегодня, большинство современных антифризов, произведенных в Европе, отличает низкое содержание силикатов, и они могут рассматриваться как аналог американских Low Silicate Formula.
Антифризы силикатного типа маркируются как G11 или G48.
Органические:
Карбоксилатные антифризы: используют в качестве основного ингибитора коррозии органические кислоты. Окрашиваются в оранжевый, красный или розовый цвет, маркируются G12, G12+ и G30 (VW), G33 (PSA) и G34 (GM) окрашиваются в оранжевый, красный или розовый цвет.
Данный тип антифризов содержит в основном два типа карбоксилатных кислот (может быть и больше), но не содержит силикатов, фосфатов, боратов, нитратов, аминов и нитритов.
Лобридные (G40):
Данный тип использует один тип карбоксилатных кислот и небольшое количество силикатов. Такой тип антифриза окрашивается в следующие цвета: желтый зеленый и оранжевый.

Цвет антифриза зависит, прежде всего от того, каким автопроизводителем используется, модели автомобиля и даже от заливки: конвейер или сервис.

Все три группы содержат также некоторые другие ингибиторы коррозии и присадки. Таблица применимости типа антифриза в зависимости от марки автопроизводителя.


Особенности антифриза в зависимости от его типа:
Силикаты: действуют очень быстро и в случае эрозии или коррозии быстро герметизируют поврежденные места. Их основным недостатком является низкая стабильность и быстрый расход. При выпадении в осадок представляют собой абразив, который может сокращать срок службы уплотнений водяного насоса.
Фосфаты: также как и силикаты эффективно защищают алюминиевые части и, в частности, водяной насос от коррозии, вызываемой кавитацией.
Большинство японских автомобилей имеют меньший объем системы охлаждения, чем европейские или американские автомобили, и для эффективного охлаждения скорость циркуляции антифриза в системе выше. Большинство японских производителей рекомендуют использовать антифризы безсиликатного, но фосфатного типа только лишь по этой причине.
В Европе фосфаты не используются, главным образом, по причине часто повышенной жесткости воды, из-за которой фосфаты выпадают в осадок (проблема решается использованием деминерализованной воды). Несмотря на то, что для борьбы с коррозией европейцы используют другие эффективные композиции ингибиторов коррозии, все-таки было бы более целесообразно использовать то, что рекомендуют японские производители для своих двигателей.
Карбоксилаты: действуют намного медленнее, но более продолжительное время. Эффективно защищают алюминий и другие металлы, но некоторые типы карбоксилатных антифризов не являются лучшим выбором для систем, в которых используется медно-латунный радиатор.
В качестве основных отрицательных моментов можно было бы отметить следующее:
• В двигателях, использующих чугун, иногда возникает коррозия из-за низкого уровня антифриза. При этом частички ржавчины могут забивать соты радиатора. • Один из ингибиторов коррозии (2- EHA - тот, который не используется в антифризах Honda и Toyota) может вызывать размягчение прокладок и являться причиной течи. Зарегистрировано уже достаточно много подобных случаев у разных производителей. • Низкая эффективность некоторых антифризов в защите припоя с высоким содержанием свинца. «Металлургия» систем охлаждения современных двигателей приблизительно одинаковая у всех производителей, и, если не принимать во внимание «отклонения» типа медно-латунных радиаторов, при этом использующих припой с высоким содержанием свинца, а также размягчение прокладок, то, теоретически, один тип антифриза может быть использован вместо другого.
Исследования некоторых OEM на своих двигателях показали, что использование с нуля классического синего (силикатного типа) антифриза вместо рекомендуемого красного (карбоксилатного типа), не имело никаких отрицательных последствий.
Более того, исследователи не зафиксировали каких-то преимуществ красного перед синим, за исключением срока службы.
Доливка.
Общее правило: при потере жидкости по причине испарения рекомендуется доливать воду, а при течи - обязательно антифриз требуемой концентрации (обычно 50:50). В первом случае, особенно если речь идет о силикатном антифризе, рекомендация о доливке воды объясняется тем, что при большом уходе существует вероятность превысить концентрацию, в том числе и силикатов. Поэтому можно рекомендовать концентрацию 20-25 % антифриза 75-80 % воды. В торговую сеть охлаждающие жидкости поступают обычно в виде концентратов. Неразбавленный концентрат не рекомендуется использовать в системе охлаждения! Крайне опасное заблуждение, что чем меньше воды в концентрате, тем лучше. Этиленгликоль (концентрат антифриза) замерзает при температуре всего -12,7°С. В то же время он обладает совершенно уникальным свойством понижать температуру замерзания водных растворов вплоть до -67°С. Поэтому чистый этиленгликоль замерзнет раньше, чем разбавленный на треть. Антифриз необходимо разбавить в соответствии с таблицей смешивания, которая находится на этикетке. Вода для разбавления должна быть чистой и нежесткой, а лучше - дистиллированной. В крайнем случае, допускается использование водопроводной воды, желательно отфильтрованной. В зависимости от соотношения антифриз/вода можно получать различные температуры замерзания охлаждающей жидкости. Оптимальное соотношение антифриз/вода - 1:1. Температура застывания такой смеси около -40°С. Изменение соотношения за счет увеличения в смеси количества воды приводит к повышению температуры кристаллизации антифриза и несколько ускоряет процессы коррозии деталей. Антифриз, помимо более высокой температуры кипения (около + 110°С) и низкой температуры кристаллизации (от -30°С до -70°С), имеет еще и смазывающие свойства, необходимые для нормальной работы насоса системы охлаждения.




Universal Kuhlerfrostschutz GTL11 / KFS 2000 G11

Готовый антифриз или его концентрат. Исключительная антикоррозионная, антипенная, антикавитационная защита на основе карбоксилатного комплекса. Для наиболее распространенных типов двигателей и радиаторов. Смешивается с любыми стандартными антифризами.

Допуски и соответствия:

VW-Bezeichnung G11
Audi TL 774-C bis Bj. 7/96
BMW/Mini GS 9400
MB 325.0/325.2
Opel GME L 1301
Porsche TL 774-C bis Bj. 95
Rolls-Royce GS 9400 ab Bj. 98
Saab 6901 599
Seat TL 774-C bis Bj. 7/96
Skoda TL 774-C bis Bj. 7/96
VW TL 774-C bis Bj. 7/96
Volvo Car 128 6083/002
Volvo Truck 128 6083/002
Fiat 9.55523
Alfa Romeo 9.55523
Iveco Standard 18-1830
Lada TTM VAZ 1.97.717-97
MAN 324 Typ NF
MTU MTL 5048

Kuhlerfrostschutz GTL12 Plus / KFS 2001 Plus G12

Для всех систем охлаждения и двигателей, в особенности высоконагруженных алюминиевых двигателей легковых и грузовых автомобилей, автобусов, с/х техники и стационарных двигателей. Для максимальных интервалов замены.

Допуски и соответствия:

VW G12
BASF G 30
Audi TL 774-D, начиная с 8/96 года выпуска
Porsche TL 774-D
Mercedes Benz 325.3
Seat TL 774-D, начиная с 8/96 года выпуска
Ford WSS-M 97B44-D
Skoda TL 774-D, начиная с 8/96 года выпуска
MAN 324
VW TL 774-D, начиная с 8/96 года выпуска
MTU MTL 5048

Kuhlerfrostschutz GTL12 ++

Для всех систем охлаждения и двигателей, в особенности высоконагруженных алюминиевых двигателей легковых и грузовых автомобилей, автобусов, с/х техники и стационарных двигателей. Для максимальных интервалов замены. Соответствует требованиям VAG G12++ (TL-774 G).

Допуски и соответствия:

Audi TL-774 G
Seat TL-774 G
Skoda TL-774 G
MAN 324 Type Si-OAT
MB 325.5
VW TL-774 G

Kuhlerfrostschutz KFS 13

Для всех систем охлаждения и двигателей, в особенности высоконагруженных алюминиевых двигателей легковых и грузовых автомобилей, автобусов, с/х техники и стационарных двигателей. Для максимальных интервалов замены. Соответствует требованиям VAG G13 (TL-774 J).

Допуски и соответствия:

Audi TL-774 G
Seat TL-774 G
Skoda TL-774 G
VW TL-774 G

Kuhlerfrostschutz KFS 33

Для всех систем охлаждения и двигателей, в особенности высоконагруженных алюминиевых двигателей легковых и грузовых автомобилей, автобусов, с/х техники и стационарных двигателей. Для максимальных интервалов замены. Соответствует требованиям Peugeot Citroën PSA B71 5110 и Toyota Motor Corporation (TMC).

Допуски и соответствия:

PSA B71 5110
Toyota Motor Corporation

Лед / вода - точки плавления при более высоком давлении

Точка плавления: Температура, при которой твердое вещество превращается в жидкость.

Температура плавления воды зависит от давления над льдом (твердая вода), а точка плавления или температура замерзания уменьшается с увеличением давления. По определению 0 ° C соответствует температуре плавления воды при давлении в 1 атмосферу.

Онлайн-калькулятор точки плавления льда в воду

Калькулятор, представленный ниже, можно использовать для расчета точки плавления воды при заданном давлении.
Температура на выходе указывается в ° C, ° F, K и ° R.

Примечание! Давление должно быть в пределах 0,01–2000 бар, 0,1–29 000 фунтов на кв. Дюйм, 5–1500 000 мм рт. Ст. Или 0,2–59000 дюймов рт. Ст.

Термодинамические свойства при стандартных условиях см. В разделе «Вода и тяжелая вода».
См. Также другие свойства Вода при изменяющейся температуре и давлении : Точки кипения при высоком давлении, Точки кипения при вакуумном давлении, Плотность и удельный вес, Динамическая и кинематическая вязкость, Энтальпия и энтропия, Теплота испарения, Константа ионизации , pK w , нормальной и тяжелой воды, число Прандтля, свойства в условиях равновесия газ-жидкость, давление насыщения, удельный вес, удельная теплоемкость (теплоемкость), удельный объем, теплопроводность, температуропроводность и давление пара в газе. жидкое равновесие.

Давление Температура
[МПа] [бар] [фунт / кв. [дюйм рт. Ст.] [° C] [° F]
0,000612 0,00612 0,089 4,59 0.18 0,01 32,02
0,1 1,01325 14,7 750 29,5 0,0026 32,00
1 10 145 7501 295 - 0,064 31,88
2 20 290 15001 591 -0,14 31,75
5 50 725 37503 1476 -0.37 31,33
10 100 1450 75006 2953 -0,75 30,65
15 150 2176 112509 4429 -1,14 900 29,95
20 200 2901 150012 5906 -1,54 29,23
30 300 4351 225019 8859 -2.36 27,75
40 400 5802 300025 11812 -3,21 26,22
50 500 7252 375031 14765 -4.09 24,64
60 600 8702 450037 17718 -5,00 23,00
70 700 10153 525043 20671 -5.94 21,31
80 800 11603 600049 23624 -6,91 19,56
90 900 13053 675056 26577 -7 17,76
100 1000 14504 750062 29530 -8,94 15,91
120 1200 17405

4
35436 -11.09 12,04
140 1400 20305 1050086 41342 -13,35 7,97
160 1600 23206 120001599 47248 3,69
180 1800 26107 1350111 53154 -18,22 -0,80
200 2000 29008 1500123 59060 -20.83 -5,49

влияние растворенных веществ и давления

Понижение точки замерзания - это понижение равновесной точки замерзания. или температура плавления растворенных веществ в жидкой фазе. Растворы в жидкая фаза также повышает температуру равновесного кипения. Давление также влияет на температуру замерзания (немного) и температуру кипения (сильно).

Эта страница дает простое, нематематическое объяснение всех этих эффекты.Хотя явления носят более общий характер, в качестве знакомый пример, из-за вопросов типа:

  • Что происходит при кипении и замерзании, когда вы добавляете растворенные вещества (например, сахар или соль) в воду?
  • Почему солят дороги, когда идет снег?
  • Как работает антифриз?
  • Как живые ткани могут выдерживать отрицательные температуры?
  • Можно ли заварить хороший чай на вершине горы?
  • Работают ли коньки за счет снижения температуры таяния льда?
(Для тех, кто ищет формального лечения, эти эффекты анализируются в стандартных курсах физики второго года обучения под заголовками фазовые равновесия и уравнение Клаузиуса-Клапейрона, которое мы цитируем здесь без вывода.)

Почему вещества плавятся и закипают?

Чтобы немного упростить, Температура - это мера того, сколько энергии находится в молекулярном движении. Для начала рассмотрим воду. Когда вода молекулы достаточно холодные, у них мало тепловой энергии, поэтому они не слишком много толкаться. Следовательно, они могут собираться вместе в очень организованная структура, называемая ледяной. При достаточно высоких температурах у них так много энергии, чтобы они могли избежать притяжения своих соседей.Так они образуют пар, в котором молекулы летают повсюду в очень беспорядочный способ. При средних температурах это означает, что молекулы иметь умеренное количество энергии (и если давление высокое достаточно *) они образуют жидкую воду. Здесь у молекул достаточно энергии чтобы передвигаться, но этого недостаточно, чтобы полностью сбежать от соседей. Молекулы в жидкой воде более упорядочены, чем в паре, но менее упорядочены. чем лед.(В качестве примера порядка в жидкости мы можем заметить, что центр каждой молекулы находится примерно на один диаметр молекулы от центра его ближайшие соседи.)

Почему изменение так внезапно? При атмосферном давлении вода тает при 0 ° C и закипает при 100 ° C. От чего зависит температура плавления и кипения точка?

Ответ - это компромисс между молекулярной энергией (которую мы замечаем как температура) и молекулярный порядок: разница между очень организованная структура во льду, достаточно плотная упаковка в жидкой воде и почти полная дезорганизация в паре.При 0 ° C и 100 ° C порядок эффект и энергетический эффект точно сбалансированы, поэтому лед и вода сосуществуют при 0 ° C, вода и пар сосуществуют при 100 ° C (при атмосферном давление).

    Кристаллическую структуру льда довольно сложно показать двумя способами. размеры, поэтому на рисунках ниже схематично показано более простое кристаллическая, жидкая и паровая фаза. Узорчатые круги представляют упрощенно вещество, в плавлении и испарении которого мы находимся интересно.Цветные кружки представляют собой молекулы воздуха, которые в основном азот. Черные кружки (следующий рисунок) представляют растворенные вещества. Эскизы выполнены не в масштабе.

Влияние растворенных веществ

Что произойдет, если вместо чистого жидкая вода, в воду добавляем соль или сахар? Другими словами, что если наша жидкая фаза - это раствор? Это делает жидкое состояние менее организован, потому что молекулы сахара или ионы соли могут свободно перемещаться почти случайно.Таким образом, молекулы жидкой воды более неупорядочены (менее регламентировано) в растворе. Лед и пар остаются нетронутыми, однако: сахар и соль почти не растворяются во льду, и они не испаряется около 100 ° C.

Как это влияет на компромисс между молекулярной энергией и молекулярный порядок? Прирост беспорядка от испарения теперь меньше, потому что жидкая вода в растворе более неупорядочена. Энергетический эффект почти не изменился, поэтому энергетический эффект теперь преобладает над немного большим диапазон: молекулы воды в растворе должны иметь немного больше энергии (немного более высокой температуры), чтобы эти два эффекта были в балансе.Таким образом, температура кипения раствора выше.

И наоборот, когда мы смотрим на плавление, эффект беспорядка больше для раствор: при растворении молекулы воды уходят с порядок кристаллического льда в еще более неупорядоченное состояние, чем чистый жидкость. Таким образом, эффект беспорядка может преобладать даже при более низких температурах. Так температура замерзания раствора ниже.

Я упомянул выше равновесные температуры замерзания и кипения.Время объяснять. Представьте себе лед, плавающий в чистой воде при 0C. Если добавить немного тепла, немного льда растает. Уберите немного тепла, и вода замерзнет. Мы называем это равновесной температурой замерзания: 0C для воды. Однако, когда охлаждают достаточно чистую воду, она обычно охлаждается на несколько градусов ниже 0C, мы говорим, что она переохлаждена на несколько градусов до появления первого кристалла льда. Затем этот ледяной кристалл быстро расширяется, отдавая скрытое тепло, которое нагревает близлежащую воду примерно до 0C. Подробнее о переохлаждении и перегреве ниже.

Водный раствор имеет более высокую температуру кипения и более низкую температуру замерзания. точка, чем чистая вода.

Если раствор не слишком концентрированный, эти два эффекта примерно не зависят от растворенного Вещество: молекула сахара оказывает такое же действие, как ион соли. Так, при условии, что вы не забываете считать каждый ион отдельно, эффект концентрация на повышении точки кипения или понижении точки замерзания составляет почти то же самое для всех мелких растворенных веществ в воде.(Макромолекулы, такие как полимеры ведут себя по-разному, потому что у них много соседнего растворителя молекулы, и поэтому влияют на растворитель гораздо больше, чем простые растворенные вещества.)

Антифриз. Итак, можно было ожидать, что антифриз в Радиатор не только предотвращает замерзание, но и предотвращает закипание. Однако на самом деле ситуация сложнее: антифриз имеет Недостаток в том, что он не так хорошо переносит тепло, как вода.Этиленгликоль - один из антифризов. Соль используется для растапливания снега и льда на дороги в холодных странах, но не используется в радиаторах, потому что это вызывает коррозию и легко кристаллизуется. Сахар не используется в некоторых применения, потому что концентрированные сахарные растворы вязкие, и потому что они поддерживают ошибки. Однако многие организмы используют сахар и другие небольшие органические молекулы в качестве антифриза. См. Криобиологию.

Интересное наблюдение: концентрация растворенных веществ в крови меньше, чем в морской воде, поэтому равновесная температура замерзания крови обычно выше, чем у морской воды.Следовательно, некоторые арктические и антарктические рыбы живут при температурах ниже равновесной температуры замерзания нормальной крови. Биоантифриз в их крови - это белок, который работает иначе, чем антифриз, используемый в автомобильных радиаторах: белок антифриза связывается с замерзающими ядрами и, таким образом, позволяет крови оставаться переохлажденной.

Влияние давления

Обратите внимание, что выше я включил оговорку «при атмосферном давлении» несколько раз.Причина, по которой давление важно то, что в паровой фазе определенное количество вещества занимает гораздо больший объем, чем в жидком виде. Часть энергии требуется для испарения, он направлен на то, чтобы «вытолкнуть воздух из пути», чтобы освободите место для испарившегося количества. (Объем проделанной работы произведение давления P на изменение объема ΔV. Технически там представляет собой член PΔV в скрытой теплоте.) Таким образом, при низком давлении легче образуют паровую фазу и поэтому температура кипения ниже.Зависимость температура перехода при давлении - это эффект Клаузиуса-Клапейрона. (Опять же, немного технически, отметим, что этот эффект включает в себя энергию - работа, выполняемая при вытеснении воздуха, тогда как эффект растворенного вещества включает энтропия - разупорядочение жидкой фазы.)

Вода сильно расширяется при кипении: один килограмм воды равен одному литру. жидкой воды, но при атмосферном давлении становится около 1700 литров пара. давление.Это означает, что даже небольшое увеличение высоты может ощутимо снизить температуру кипения. Некоторые люди жалуются, что это влияет приготовление и даже вкус чая на высоте.

Верно и то, что давление изменяет температуру плавления. Тем не мение, потому что объем, занимаемый килограммом жидкости, не сильно отличается от того, что занимает килограмм твердого тела, этот эффект очень мал если только давление не очень велико.Для большинства веществ замораживание точка поднимается, хотя и очень незначительно, с повышенным давлением.

Вода - одно из очень редких веществ, расширяющихся при замерзании. (поэтому лед плавает). Следовательно, его температура плавления очень незначительно падает, если давление увеличивается.

    Меня спросили: понижается ли температура замерзания? давлением объясните низкое трение под коньком? Я пишу это в Сиднее, так что вы можете правильно догадаться, что я не очень разбираюсь в фигурном катании, но давайте попробуем быть количественными.Уравнение Клаузиуса-Клапейрона говорит, что отношение изменения давления к изменению удельного объема к скрытая теплота фазового перехода равна отношению изменения температура перехода к (абсолютной) температуре плавления или кипения. Часто его записывают как dP / dT = L / T * Δv. (Как мы могли бы предположить из соображений размеров - то есть просто написать уравнение, включающее соответствующие параметры, чтобы единицы измерения были правильными.)

    Вес фигуриста составляет, скажем, 1 кН. Я не фигурист, но давайте начнем с оценки площади контакта коньков с льдом, скажем, 100 мм 2 . (Значение зависит от того, насколько далеко конек врезается в лед. Допустим, длина 200 мм на ширину 0,5 мм: фигуристы, это разумно?) Таким образом, с этим значением давление увеличивается на (1 кН) / 100 мм 2 = 10 МПа или 100 атмосфер. Кг воды (один литр) замерзает, чтобы дать около 1,1 литра льда, поэтому изменение удельного объема примерно 10 -4 м 3 кг -1 .Скрытое тепло плавление льда 330 кДж.кг -1 . Итак, пропорциональное изменение по температуре (10 МПа) (10 -4 м 3 кг -1 ) / (330 кДж.кг -1 ), что составляет 0,3%. Умножьте это на температуру плавления льда (273 K). и для этой области мы получаем оценку изменения температуры примерно на 1 K = 1 ° C. Итак, с эти значения, расчет предполагает, что давление конька снизит температуру таяния льда примерно на 1 ° С.Итак, с этой оценкой площади и, если это было причиной скользкости, лед кататься на коньках можно будет только при температуре всего один или несколько градусов ниже нуля. По наблюдениям, кататься на коньках по льду можно в гораздо более низкие температуры, чем эта. Чтобы утверждать, что понижение точки замерзания работает, скажем, при 10 ° C, нам понадобится область контакта конька около 10 мм 2 или меньше. Если бы только острые кромки соприкасались со льдом, это было бы возможно, но мне это кажется очень низким, потому что давление на лед было бы 100 МПа или 1000 атмосфер, и с этим напряжением я бы ожидал, что кромки разрезать лед и увеличить площадь соприкосновения.(Опять же, я прошу совета у фигуристов по этому поводу, и желательно у физиков, которые тоже фигуристы.)

    Если отбросить эффект Клаузиуса-Клапейрона и в условиях лишь небольшого приложенного давления, мы ожидаем, что поверхность льда уже несколько скользкий. На поверхности льда молекулы воды имеют возможности только для водорода. узы со своими соседями, так сказать, «с одной стороны». Следовательно, их энергия не так низко, как у насыпного льда.Таким образом, в состоянии равновесия они должны иметь более высокий энтропия. Таким образом, даже при отрицательных температурах лед должен иметь на поверхности тонкий водоподобный слой, который ожидается, что толщина будет увеличиваться при температурах, близких к температуре плавления. [ PS. Спустя несколько лет после написания этой статьи я рад сообщить, что недавнее научное исследование поддерживает идею о том, что поверхностный слой льда делает его скользким, а не депрессией точки замерзания. ]

    Сопоставимый расчет для изменения точки кипения немного больше сложный.Скрытая теплота в этом случае больше (2,3 МДж -1 ), но изменение удельного объема значительно больше (обычно в несколько раз 10 -2 м 3 кг -1 ). Итак, изменения в высота может изменить температуру кипения, а подъем в гору может уменьшите его на несколько градусов.

Когда равны температура кипения и температура замерзания? равный? Что тогда происходит?

Для всех веществ при понижении давления кипение температура падает намного быстрее, чем температура замерзания.(Для воды температура замерзания немного повышается при низком давлении.) Отсюда очевидный вопрос: температура кипения и замерзания температура когда-либо равнялась?

Ответ - да. При низком давлении 611 Па (всего 0,006 раза атмосферное давление), чистая вода кипит при 0,01 ° C, а также замерзает при 0,01 ° C. Комбинация условий (P, T) = (611 Па, 0,01 ° C) называется тройной точкой вода , потому что при таком давлении и температуре лед, жидкая вода и пар может сосуществовать в равновесии.Эта точка используется для определения нашего масштаба температуры: по определению тройная точка воды находится в 273,16 К, где К - градус Кельвина. 273,16 К = 0,01 ° С

* Это объясняет, почему выше я написал, что жидкая вода существует только в том случае, если давление достаточно высокое. При давлениях ниже 611 Па всего две фазы, и лед возгоняется, образуя пар напрямую, без прохождения через жидкую фазу. (В этом контексте обратное "возвышенному" не, как можно было бы надеяться, «высмеивать».При низком давлении пар конденсируется, образуя лед.)

Что вызывает более низкую точку замерзания?

Два вида изменений, химические и физические, могут повлиять на точку замерзания вещества. Вы можете снизить температуру замерзания некоторых жидкостей, добавив в них второе, растворимое вещество; именно так дорожная соль предотвращает повторное замерзание талой воды при низких температурах. Физический подход, изменение давления, также может снизить температуру замерзания жидкости; Он также может производить необычные твердые формы вещества, невидимые при нормальном атмосферном давлении.

TL; DR (слишком долго; не читал)

Антифриз снижает точку замерзания воды, сохраняя ее жидкую при низких температурах. И сахар, и соль тоже подойдут, хотя и в меньшей степени.

When Molecules Freeze

Электрические силы между молекулами определяют температуры, при которых вещество замерзает и закипает; чем сильнее силы, тем выше температура. Например, многие металлы связаны сильными силами; температура плавления железа составляет 1535 градусов по Цельсию (2797 градусов по Фаренгейту).Силы между молекулами воды значительно слабее; вода замерзает при нуле градусов Цельсия (32 градуса по Фаренгейту). Смеси растворителей и колебания давления уменьшают силы между молекулами, понижая температуру замерзания жидкостей.

Смешивание

Смешивая одну жидкость с другим совместимым веществом, вы понижаете точку замерзания жидкости. Вещества должны быть совместимы, чтобы гарантировать полное смешивание; например, масло и вода разделяются и не изменяют температуру замерзания.Смесь поваренной соли и воды имеет более низкую температуру замерзания, как и водно-спиртовая смесь. Химики могут предсказать разницу температур точки замерзания, применив формулу, которая учитывает количество вещества и константу, связанную со вторым веществом. Например, если вы рассчитываете для воды и хлорида натрия и результат равен -2, это означает, что точка замерзания смеси на 2 градуса Цельсия (3,6 градуса F) ниже, чем для чистой воды.

Снятие давления

Изменения давления могут повысить или понизить точку замерзания вещества.Обычно давление ниже 1 атмосферы ниже температуры замерзания вещества, но для воды более высокое давление дает более низкую точку замерзания. Сила изменения давления входит в молекулярные силы, уже действующие в веществе. Для воды при низком давлении пар напрямую превращается в лед, не превращаясь в жидкость.

Amazing Hot Ice

Вода состоит из нескольких твердых фаз, каждая из которых наблюдается при разном давлении. Стандартный лед, который ученые называют «Лед I», существует при атмосферном давлении и имеет характерную гексагональную кристаллическую структуру.При температуре ниже минус 80 градусов по Цельсию (минус 112 градусов по Фаренгейту) кубические кристаллы льда могут образовываться из пара при давлении в 1 атмосферу. При высоких давлениях образуются экзотические виды льда; ученые идентифицируют их как от льда II до льда XV. Эти формы льда могут оставаться твердыми при температуре, превышающей 100 градусов по Цельсию (212 градусов по Фаренгейту) - точка кипения воды при давлении в 1 атмосферу.

Депрессия точки замерзания | Введение в химию

Цель обучения
  • Обсудить влияние растворенного вещества на температуру замерзания растворителя

Ключевые моменты
    • Понижение температуры замерзания можно рассчитать, используя точку замерзания чистого растворителя и моляльность раствора.
    • В точке замерзания давление пара твердой и жидкой формы соединения должно быть одинаковым.
    • Точка замерзания вещества - это температура, при которой твердая и жидкая формы находятся в равновесии.
    • Для восстановления равновесия температура замерзания смеси растворенного вещества и растворителя понижается по сравнению с исходным чистым растворителем.

Условия
  • Понижение точки замерзания Добавление растворенного вещества к растворителю снижает температуру, при которой жидкий растворитель становится твердым.
  • давление пара: Давление, которое оказывает пар, или парциальное давление, если он смешивается с другими газами.
  • Фактор Ван 'т Гоффа Мера влияния растворенного вещества на коллигативные свойства.
  • точка замерзания Температура, при которой жидкость замерзает, а твердая и жидкая фазы находятся в равновесии; обычно такая же, как температура плавления.

Понижение точки замерзания - это явление, которое описывает, почему добавление растворенного вещества к растворителю приводит к снижению точки замерзания растворителя.Когда вещество начинает замерзать, молекулы замедляются из-за снижения температуры, и начинают действовать межмолекулярные силы. Затем молекулы образуют узор и, таким образом, превращаются в твердое тело. Например, когда вода охлаждается до точки замерзания, ее молекулы становятся медленнее, а водородные связи начинают больше «прилипать», в конечном итоге создавая твердое тело. Если в воду добавляется соль, ионы Na + и Cl - притягиваются к молекулам воды и препятствуют образованию крупной твердой сетки, известной как лед.Чтобы добиться твердого состояния, раствор необходимо охладить до еще более низкой температуры.

Понижение температуры замерзания можно также объяснить с точки зрения давления пара. Добавление растворенного вещества в растворитель будет существенно разбавлять молекулы растворителя, и, согласно закону Рауля, это приводит к снижению давления пара. Принимая во внимание тот факт, что давление пара твердой и жидкой форм должно быть одинаковым в точке замерзания, поскольку в противном случае система не была бы в равновесии, снижение давления пара приводит к понижению температуры, при которой давление пара жидкая и замороженная формы раствора будут равны.

Влияние растворенных веществ на физические свойства Трехфазная диаграмма, которая показывает давление и температуру при нормальных точках кипения и замерзания растворителя (зеленые линии), а также точки кипения и замерзания раствора (фиолетовые линии). Обратите внимание, что при давлении 1 атм точка замерзания была понижена (обозначена цифрами 2 и 4).

Понижение температуры замерзания можно рассчитать по формуле:

[латекс] \ Delta T_f = i \ times K_f \ times моляльность [/ латекс]

В этом уравнении [латекс] \ Delta T_f [/ latex] - это депрессия точки замерзания, Kf, - константа депрессии точки замерзания, а i - фактор Ван 'т Хоффа.Константа понижения температуры замерзания изменяется в зависимости от растворителя, а коэффициент ван т Хоффа учитывает количество частиц, которые растворяющееся вещество создает в растворе.

Пример

Какова точка замерзания водного раствора при добавлении достаточного количества NaCl для создания 0,25 м раствора? Значение K f для воды составляет 1,858 o C / м.

Чтобы решить эту проблему, вы должны помнить, что NaCl распадается на два иона, Na + и Cl - , когда он растворяется в воде.oC [/ латекс]

Может показаться, что проблема решена, но это не так. Значение 0,93 o C - это изменение точки замерзания. Новая точка замерзания воды, которая обычно составляет 0 o C, равна: 0 - 0,93 = -0,93 o C.

Показать источники

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

Фазовые диаграммы

| Химия для основных специалистов: сначала атомы

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объясните устройство и использование типовой фазовой диаграммы
  • Используйте фазовые диаграммы для определения стабильных фаз при заданных температурах и давлениях и для описания фазовых переходов, возникающих в результате изменения этих свойств
  • Опишите сверхкритическую жидкую фазу вещества

В предыдущем модуле было описано изменение равновесного давления пара жидкости в зависимости от температуры.Учитывая определение точки кипения, графики зависимости давления пара от температуры показывают, как точка кипения жидкости изменяется с давлением. Также было описано использование кривых нагрева и охлаждения для определения точки плавления (или замерзания) вещества. Выполнение таких измерений в широком диапазоне давлений дает данные, которые могут быть представлены графически в виде фазовой диаграммы. Фазовая диаграмма объединяет графики зависимости давления от температуры для равновесия фазового перехода жидкость-газ, твердое тело-жидкость и твердое тело-газ в веществе.Эти диаграммы показывают физические состояния, которые существуют при определенных условиях давления и температуры, а также обеспечивают зависимость от давления температур фазовых переходов (точки плавления, точки сублимации, точки кипения). Типичная фазовая диаграмма чистого вещества показана на рисунке 1.

Рис. 1. Физическое состояние вещества и температуры его фазовых переходов графически представлены на фазовой диаграмме.

Чтобы проиллюстрировать полезность этих графиков, рассмотрим фазовую диаграмму для воды, показанную на рисунке 2.

Рис. 2. Оси давления и температуры на этой фазовой диаграмме воды построены не в постоянном масштабе, чтобы проиллюстрировать несколько важных свойств.

Мы можем использовать фазовую диаграмму для определения физического состояния образца воды при заданных условиях давления и температуры. Например, давление 50 кПа и температура -10 ° C соответствуют области диаграммы, обозначенной «лед». В этих условиях вода существует только в твердом виде (лед).Области «воды» соответствуют давление 50 кПа и температура 50 ° C - здесь вода существует только в виде жидкости. При 25 кПа и 200 ° C вода существует только в газообразном состоянии. Обратите внимание, что на фазовой диаграмме H 2 O оси давления и температуры не приведены в постоянном масштабе, чтобы можно было проиллюстрировать некоторые важные особенности, как описано здесь.

Кривая BC на рисунке 2 представляет собой график зависимости давления пара от температуры, как описано в предыдущем модуле этой главы.Эта кривая «жидкость-пар» разделяет жидкую и газообразную области на фазовой диаграмме и обеспечивает точку кипения воды при любом давлении. Например, при 1 атм температура кипения составляет 100 ° C. Обратите внимание, что кривая жидкость-пар заканчивается при температуре 374 ° C и давлении 218 атм, что указывает на то, что вода не может существовать как жидкость выше этой температуры, независимо от давления. По физическим свойствам вода в этих условиях занимает промежуточное положение между ее жидкой и газообразной фазами.Это уникальное состояние вещества называется сверхкритической жидкостью, и эта тема будет описана в следующем разделе этого модуля.

Рис. 3 Лиофилизированные продукты, такие как это мороженое, обезвоживаются путем сублимации при давлениях ниже тройной точки для воды. (кредит: ʺlwaoʺ / Flickr)

Кривая твердое тело-пар, обозначенная AB на рисунке 2, показывает температуры и давления, при которых лед и водяной пар находятся в равновесии. Эти пары данных температура-давление соответствуют точкам сублимации или осаждения воды.Если бы мы могли увеличить масштаб линии твердое тело - газ на рисунке 2, мы бы увидели, что лед имеет давление пара около 0,20 кПа при -10 ° C. Таким образом, если мы поместим замороженный образец в вакуум с давлением менее 0,20 кПа, лед возгонится. Это основа для процесса «сублимационной сушки», который часто используется для консервирования пищевых продуктов, таких как мороженое, показанное на Рисунке 3.

Кривая твердое тело-жидкость, обозначенная BD, показывает температуру и давление, при которых лед и жидкая вода находятся в равновесии, представляя точки плавления / замерзания воды.Обратите внимание, что эта кривая имеет небольшой отрицательный наклон (сильно преувеличенный для ясности), что указывает на то, что температура плавления воды немного снижается с увеличением давления. Вода - необычное вещество в этом отношении, так как большинство веществ демонстрируют повышение температуры плавления с увеличением давления. Такое поведение частично отвечает за движение ледников, как показано на рисунке 4. Дно ледника испытывает огромное давление из-за своего веса, которое может растопить часть льда, образуя слой жидкой воды, на котором ледник может легче скользить.

Рис. 4. Огромное давление под ледниками приводит к частичному таянию с образованием слоя воды, обеспечивающей смазку, способствующую движению ледников. На этом спутниковом снимке показан приближающийся край ледника Перито-Морено в Аргентине. (кредит: НАСА)

Точка пересечения всех трех кривых обозначена буквой B на рисунке 2. При давлении и температуре, представленных этой точкой, все три фазы воды сосуществуют в равновесии. Эта пара данных температура-давление называется тройной точкой .При давлениях ниже тройной точки вода не может существовать в виде жидкости независимо от температуры.

Пример 1:

Определение состояния воды

Используя фазовую диаграмму для воды, приведенную на рисунке 10.30, определите состояние воды при следующих температурах и давлениях:

  1. −10 ° C и 50 кПа
  2. 25 ° C и 90 кПа
  3. 50 ° C и 40 кПа
  4. 80 ° C и 5 кПа
  5. −10 ° C и 0,3 кПа
  6. 50 ° C и 0.3 кПа
Показать ответ Используя фазовую диаграмму для воды, мы можем определить, что состояние воды при каждой заданной температуре и давлении выглядит следующим образом:
  1. цельный
  2. жидкость
  3. жидкость
  4. газ
  5. цельный
  6. газ
Проверьте свои знания

Какие фазовые изменения могут претерпеть вода при изменении температуры, если давление поддерживается на уровне 0,3 кПа? Если давление удерживается на уровне 50 кПа?

Покажи ответ

При 0.3 кПа: [латекс] \ text {s} \ longrightarrow \ text {g} [/ latex] при –58 ° C. При 50 кПа: [латекс] \ text {s} \ longrightarrow \ text {l} [/ latex] при 0 ° C, l ⟶ г при 78 ° C

Рассмотрим фазовую диаграмму для диоксида углерода, показанную на рисунке 5, в качестве другого примера. Кривая твердое тело-жидкость имеет положительный наклон, что указывает на то, что температура плавления CO 2 увеличивается с давлением, как и для большинства веществ (вода является заметным исключением, как описано ранее). Обратите внимание, что тройная точка намного выше 1 атм, что указывает на то, что диоксид углерода не может существовать в виде жидкости в условиях атмосферного давления.Вместо этого охлаждение газообразного диоксида углерода до 1 атм приводит к его осаждению в твердом состоянии. Точно так же твердый диоксид углерода не плавится при давлении 1 атм, а вместо этого сублимируется с образованием газообразного CO 2 . Наконец, обратите внимание, что критическая точка для углекислого газа наблюдается при относительно умеренных температуре и давлении по сравнению с водой.

Рис. 5. Оси давления и температуры на этой фазовой диаграмме диоксида углерода не показаны в постоянном масштабе, чтобы проиллюстрировать несколько важных свойств.

Пример 2:

Определение состояния двуокиси углерода

Используя фазовую диаграмму для диоксида углерода, показанную на рисунке 5, определите состояние CO 2 при следующих температурах и давлениях:

  1. −30 ° C и 2000 кПа
  2. −60 ° C и 1000 кПа
  3. −60 ° C и 100 кПа
  4. 20 ° C и 1500 кПа
  5. 0 ° C и 100 кПа
  6. 20 ° C и 100 кПа
Показать ответ Используя приведенную фазовую диаграмму для диоксида углерода, мы можем определить, что состояние CO 2 при каждой заданной температуре и давлении выглядит следующим образом:
  1. жидкость
  2. цельный
  3. газ
  4. жидкость
  5. газ
  6. газ
Проверьте свои знания

Определить фазовые изменения, которым диоксид углерода претерпевает при изменении его температуры, таким образом поддерживая его давление постоянным на уровне 1500 кПа? При 500 кПа? При каких примерных температурах происходят эти фазовые переходы?

Покажи ответ

при 1500 кПа: [латекс] \ text {s} \ longrightarrow \ text {l} [/ latex] при –45 ° C, [латекс] \ text {l} \ longrightarrow \ text {g} [/ latex] при −10 ° С; при 500 кПа: [латекс] \ text {s} \ longrightarrow \ text {g} [/ latex] при –58 ° C

Сверхкритические жидкости

Если мы поместим образец воды в герметичный контейнер при 25 ° C, удалим воздух и позволим установиться равновесию испарения и конденсации, у нас останется смесь жидкой воды и водяного пара с давлением 0.03 атм. Четко прослеживается четкая граница между более плотной жидкостью и менее плотным газом. По мере увеличения температуры давление водяного пара увеличивается, как это описано кривой жидкость-газ на фазовой диаграмме для воды (рис. 2), и сохраняется двухфазное равновесие жидкой и газообразной фаз. При температуре 374 ° C давление пара повысилось до 218 атм, и любое дальнейшее повышение температуры приводит к исчезновению границы между жидкой и паровой фазами.Вся вода в контейнере теперь находится в одной фазе, физические свойства которой являются промежуточными между газообразным и жидким состояниями. Эта фаза вещества называется сверхкритической жидкостью , а температура и давление, выше которых существует эта фаза, составляют критическую точку . Выше критической температуры газ не может быть сжижен независимо от того, какое давление приложено. Давление, необходимое для сжижения газа при его критической температуре, называется критическим давлением.Критические температуры и критические давления некоторых распространенных веществ приведены в таблице 1.

Таблица 1.
Вещество Критическая температура (К) Критическое давление (атм.)
водород 33,2 12,8
азот 126,0 33,5
кислород 154,3 49,7
двуокись углерода 304.2 73,0
аммиак 405,5 111,5
диоксид серы 430,3 77,7
вода 647,1 217,7

Рис. 6. (a) Герметичный контейнер с жидким диоксидом углерода немного ниже его критической точки нагревается, что приводит к (b) образованию сверхкритической жидкой фазы. Охлаждение сверхкритической жидкости снижает ее температуру и давление ниже критической точки, что приводит к восстановлению отдельных жидких и газообразных фаз (c и d).Цветные поплавки показывают разницу в плотности между жидким, газообразным и сверхкритическим состояниями текучей среды. (кредит: модификация работы «mrmrobin» / YouTube)

Понаблюдайте за переходом из жидкости в сверхкритическую жидкость для диоксида углерода в этом видео.

Подобно газу, сверхкритическая жидкость будет расширяться и заполнять контейнер, но ее плотность намного больше, чем типичная плотность газа, обычно близкая к плотности жидкости. Подобно жидкостям, эти жидкости способны растворять нелетучие растворенные вещества.Однако они практически не проявляют поверхностного натяжения и обладают очень низкой вязкостью, поэтому они могут более эффективно проникать в очень маленькие отверстия в твердой смеси и удалять растворимые компоненты. Эти свойства делают сверхкритические жидкости чрезвычайно полезными растворителями для широкого спектра применений. Например, сверхкритический диоксид углерода стал очень популярным растворителем в пищевой промышленности, который используется для удаления кофеина из кофе, удаления жиров из картофельных чипсов и экстракции вкусовых и ароматических соединений из цитрусовых масел.Это нетоксично, относительно недорого и не считается загрязняющим веществом. После использования CO 2 можно легко восстановить, снизив давление и собрав образовавшийся газ.

Пример 3:

Критическая температура диоксида углерода

Если встряхнуть углекислый огнетушитель в прохладный день (18 ° C), мы услышим, как внутри цилиндра плещется жидкий CO 2 . Однако в жаркий летний день (35 ° C) в этом же цилиндре нет жидкости.Объясните эти наблюдения.

Покажи ответ

В прохладный день температура CO 2 ниже критической температуры CO 2 , 304 K или 31 ° C (Таблица 10.3), поэтому в баллоне присутствует жидкий CO 2 . В жаркий день температура CO 2 превышает его критическую температуру 31 ° C. Выше этой температуры никакое давление не может привести к сжижению CO 2 , поэтому в огнетушителе нет жидкого CO 2 .

Проверьте свои знания

Аммиак можно сжижать путем сжатия при комнатной температуре; кислород не может быть сжижен в этих условиях. Почему два газа ведут себя по-разному?

Покажи ответ

Критическая температура аммиака составляет 405,5 К, что выше комнатной температуры. Критическая температура кислорода ниже комнатной; таким образом кислород нельзя сжижать при комнатной температуре.

Кофе без кофеина с использованием сверхкритического CO

2

Кофе - второй по популярности товар в мире после нефти.Во всем мире люди любят кофе за аромат и вкус. Многие из нас также зависят от одного компонента кофе - кофеина - который помогает нам двигаться утром или оставаться бодрым днем. Но в конце дня стимулирующий эффект кофе может помешать вам уснуть, поэтому вы можете пить кофе без кофеина вечером.

С начала 1900-х годов для обеззараживания кофе использовалось множество методов. У всех есть свои преимущества и недостатки, и все они зависят от физических и химических свойств кофеина.Поскольку кофеин представляет собой несколько полярную молекулу, он хорошо растворяется в воде, полярной жидкости. Однако, поскольку многие из более чем 400 соединений, которые способствуют вкусу и аромату кофе, также растворяются в H 2 O, процессы декофеинизации горячей водой также могут удалить некоторые из этих соединений, отрицательно влияя на запах и вкус кофе без кофеина. Дихлорметан (CH 2 Cl 2 ) и этилацетат (CH 3 CO 2 C 2 H 5 ) имеют сходную полярность с кофеином и поэтому являются очень эффективными растворителями для экстракции кофеина, но оба также удаляют некоторые компоненты вкуса и аромата, а их использование требует длительного времени экстракции и очистки.Поскольку оба эти растворителя токсичны, высказывались опасения по поводу воздействия остаточного растворителя, остающегося в кофе без кофеина.

Сверхкритическая флюидная экстракция с использованием диоксида углерода в настоящее время широко используется как более эффективный и экологически безопасный метод удаления кофеина (рис. 7). При температурах выше 304,2 К и давлениях выше 7376 кПа CO 2 представляет собой сверхкритическую жидкость, обладающую свойствами как газа, так и жидкости. Как газ, он проникает глубоко в кофейные зерна; как жидкость, он эффективно растворяет определенные вещества.Сверхкритическая экстракция углекислым газом из пропаренных кофейных зерен удаляет 97-99% кофеина, оставляя неизменными вкусовые и ароматические соединения кофе. Поскольку CO 2 представляет собой газ при стандартных условиях, его удаление из экстрагированных кофейных зерен легко осуществляется, как и извлечение кофеина из экстракта. Кофеин, полученный из кофейных зерен с помощью этого процесса, является ценным продуктом, который впоследствии можно использовать в качестве добавки к другим продуктам питания или лекарствам.

Рисунок 7.(а) Молекулы кофеина имеют как полярные, так и неполярные области, что делает его растворимым в растворителях различной полярности. (b) На схеме показан типичный процесс удаления кофеина с участием сверхкритического диоксида углерода.

Ключевые концепции и резюме

Условия температуры и давления, при которых вещество находится в твердом, жидком и газообразном состояниях, суммированы на фазовой диаграмме для этого вещества. Фазовые диаграммы представляют собой комбинированные графики трех кривых равновесия давления-температуры: твердое тело-жидкость, жидкость-газ и твердое тело-газ.Эти кривые представляют отношения между температурами фазовых переходов и давлениями. Точка пересечения всех трех кривых представляет тройную точку вещества - температуру и давление, при которых все три фазы находятся в равновесии. При давлениях ниже тройной точки вещество не может существовать в жидком состоянии независимо от его температуры. Конец кривой жидкость-газ представляет собой критическую точку вещества, давление и температуру, выше которых жидкая фаза не может существовать.

Упражнения

  1. По фазовой диаграмме воды (Рисунок 2) определите состояние воды при:
    1. 35 ° C и 85 кПа
    2. −15 ° C и 40 кПа
    3. −15 ° C и 0,1 кПа
    4. 75 ° C и 3 кПа
    5. 40 ° C и 0,1 кПа
    6. 60 ° C и 50 кПа
  2. Какие фазовые изменения произойдут, когда вода подвергнется воздействию переменного давления при постоянной температуре 0,005 ° C? При 40 ° C? При -40 ° С?
  3. Скороварки позволяют еде готовиться быстрее, поскольку более высокое давление внутри скороварки увеличивает температуру кипения воды.В конкретной скороварке есть предохранительный клапан, который настроен на выпуск пара, если давление превышает 3,4 атм. Какая приблизительная максимальная температура может быть достигнута внутри этой скороварки? Объясните свои рассуждения.
  4. Из фазовой диаграммы диоксида углерода на рисунке 5 определите состояние CO 2 при:
    1. 20 ° C и 1000 кПа
    2. 10 ° C и 2000 кПа
    3. 10 ° C и 100 кПа
    4. −40 ° C и 500 кПа
    5. −80 ° C и 1500 кПа
    6. −80 ° C и 10 кПа
  5. Определить фазовые изменения, которым подвергается углекислый газ при изменении давления, если температура поддерживается на уровне -50 ° C? Если поддерживать температуру -40 ° C? При 20 ° C? (См. Фазовую диаграмму на рисунке 5).
  6. Рассмотрим баллон, содержащий смесь жидкой двуокиси углерода в равновесии с газообразной двуокисью углерода при начальном давлении 65 атм и температуре 20 ° C. Нарисуйте график, изображающий изменение давления в цилиндре со временем, когда газообразный диоксид углерода выделяется при постоянной температуре.
  7. Сухой лед, CO 2 ( s ), не тает при атмосферном давлении. Он сублимируется при температуре −78 ° C. При каком минимальном давлении CO 2 ( s ) расплавится с образованием CO 2 ( л )? Примерно при какой температуре это произойдет? (См. Диаграмму фазы на рисунке 5.)
  8. Если сильный шторм приводит к отключению электричества, возможно, потребуется использовать веревку для белья для сушки белья. Во многих частях страны в разгар зимы одежда быстро замерзает, если ее повесить на веревке. Если не пойдет снег, они все равно высохнут? Поясните свой ответ.
  9. Можно ли сжижать азот при комнатной температуре (около 25 ° C)? Можно ли сжижать диоксид серы при комнатной температуре? Объясни свои ответы.
  10. Элементарный углерод состоит из одной газовой фазы, одной жидкой фазы и трех различных твердых фаз, как показано на фазовой диаграмме:
    1. На фазовой диаграмме отметьте газовую и жидкую области.
    2. Графит - наиболее стабильная фаза углерода при нормальных условиях. На фазовой диаграмме обозначьте графитовую фазу.
    3. Если графит при нормальных условиях нагреть до 2500 К при увеличении давления до 10 5 атм, он превращается в алмаз. Обозначьте алмазную фазу.
    4. Обведите каждую тройную точку на фазовой диаграмме.
    5. В какой фазе находится углерод при 4000 К и 10 5 атм?
    6. Если температура образца углерода повышается с 4000 K до 5000 K при постоянном давлении 10 2 атм, какой фазовый переход происходит, если он есть?
Показать выбранные ответы

2.При низком давлении и 0,005 ° C вода представляет собой газ. Когда давление увеличивается до 4,6 торр, вода становится твердой; по мере увеличения давления он становится жидкостью. При 40 ° C вода при низком давлении представляет собой пар; при давлениях выше примерно 75 торр он превращается в жидкость. При -40 ° C вода переходит из газа в твердое тело, когда давление увеличивается выше очень низких значений.

4. Используя приведенную фазовую диаграмму для диоксида углерода, мы можем определить, что состояние CO 2 при каждой заданной температуре и давлении следующее:

  1. жидкость
  2. цельный
  3. газ
  4. газ
  5. газ
  6. газ

6.Сюжет будет выглядеть примерно так:

8. Да, лед будет возвышенным, хотя на это может потребоваться несколько дней. Лед имеет небольшое давление пара, и некоторые молекулы льда образуют газ и выходят из кристаллов льда. Со временем все больше и больше твердого вещества превращается в газ, пока в конечном итоге одежда не высохнет.

10. Ответы

  1. жидкая фаза
  2. сублимация

Глоссарий

критическая точка: температура и давление, выше которых газ не может конденсироваться в жидкость

фазовая диаграмма: диаграмма давление-температура, обобщающая условия, при которых могут существовать фазы вещества

сверхкритический флюид: вещество при температуре и давлении выше его критической точки; обладает промежуточными свойствами между газообразным и жидким состояниями

тройная точка: температура и давление, при которых паровая, жидкая и твердая фазы вещества находятся в равновесии

Замораживание и кипячение

Замораживание и кипячение

Повышение температуры кипения / точка замерзания Депрессия

Понижение давления паров вещества имеет очевидный эффект по температуре кипения; температура кипения повышается.АД увеличивается, потому что требуется больше энергии, чтобы давление паров растворителя достигло внешнее давление.

Логика / изображение, которое использовалось для объяснения давления пара понижение может быть использовано для объяснения изменения температуры кипения. Там меньше молекул растворителя на поверхности, способных к испарению, поэтому давление пара падает. Таким образом, температура точки кипения должен быть увеличен.

Еще одним следствием пониженного давления пара является уменьшение Точка замерзания.Для объяснения этого можно также использовать картинку.

Вместо исследования границы раздела пар-жидкость мы посмотрите на границу раздела твердое тело-жидкость.

При нормальной температуре плавления твердого тела определяется для материалов ниже 1 атм. давления как температура, при которой твердое тело находится в равновесие с жидкостью.

При температуре замерзания скорость плавления твердого вещества равна скорости замерзания жидкости A . Если растворенное вещество введена скорость, с которой твердое тело плавится, не меняется, но поскольку рядом с твердым телом находится меньше молекул жидкости, скорость при замораживающая жидкость капли - ( B ) три молекулы плавятся и только один замерзает - равновесия больше нет и твердое тело тает.Чтобы восстановить равновесие, скорость, с которой твердое плавки необходимо опустить; т.е. температура должна быть понижена.


Изменение температуры замерзания и кипения равно прямо пропорционально количеству материала, растворенного в раствор

Это;

а также

Поскольку K положителен как для повышения температуры кипения, так и для депрессия точки замерзания для повышения АД и для точки замерзания депрессия должна рассчитываться иначе.

Простой способ запомнить это: для депрессии замерзания - это величина, на которую точка замерзания подавленный (или пониженный), а для повышения точки кипения - это величина, на которую точка кипения приподнятый (или приподнятый). Если вы помните направление, то справляйтесь с знаки легко.

Важно отметить, что K b и K f являются константы для данного материала, но варьируются от материала к материал.

K f для воды - 1.86 ° C • кг • моль -1 ; тогда как K f для бензола 5,12 ° С • кг • моль -1 .

Фазовые диаграммы

Фазовые диаграммы


На рисунке ниже показан пример фазовой диаграммы , которая обобщает влияние температуры и давления на вещество в закрытой таре. Каждая точка на этой диаграмме представлена ​​возможная комбинация температуры и давления для система. Диаграмма разделена на три области, которые представляют твердое, жидкое и газовые состояния вещества.

Лучший способ запомнить, какая область соответствует каждому из этих состояний, - это запомнить условия температуры и давления, которые, скорее всего, связаны с твердое тело, жидкость и газ. Низкие температуры и высокое давление способствуют образованию твердый. С другой стороны, газы чаще всего встречаются при высоких температурах и низких температурах. давления. Жидкости находятся между этими крайностями.

Таким образом, вы можете проверить, правильно ли вы пометили фазовую диаграмму, нарисовав линия слева направо в верхней части диаграммы, что соответствует увеличению температура системы при постоянном давлении.Когда твердое тело нагревается при постоянном под давлением он плавится, образуя жидкость, которая в конечном итоге закипает, образуя газ.

Фазовые диаграммы можно использовать по-разному. Мы можем сосредоточиться на регионах, разделенных линий на этих диаграммах, и получите некоторое представление об условиях температуры и давление, которое с наибольшей вероятностью приведет к образованию газа, жидкости или твердого вещества. Мы также можем сосредоточиться на линии, разделяющие диаграмму на состояния, которые представляют собой комбинации температура и давление, при которых два состояния находятся в равновесии.

Точки на линии, соединяющие точки A и B в фазе Диаграмма на рисунке выше представляет все комбинации температуры и давления при твердое тело находится в равновесии с газом. При таких температурах и давлениях скорость, с которой твердое вещество возгоняется с образованием газа, равна скорости, с которой газ конденсируется с образованием твердого вещества.

Вдоль линии AB :
Скорость возгонки твердого вещества с образованием газа = скорость, с которой газ конденсируется с образованием твердого вещества

Сплошная линия между точками B и C идентична графику температурной зависимости пара. давление жидкости.Он содержит все комбинации температуры и давление, при котором жидкость закипает. В каждой точке на этой линии жидкость закипает до образуют газ, и с той же скоростью газ конденсируется с образованием жидкости.

Вдоль линии BC :
скорость, с которой жидкость закипает с образованием газа = скорость, с которой газ конденсируется с образованием жидкости

Сплошная линия между точками B и D содержит комбинации температура и давление, при которых твердое тело и жидкость находятся в равновесии.В каждой точке вдоль этой линии твердое вещество плавится с той же скоростью, с которой замерзает жидкость.

Вдоль линии BD :
скорость, с которой твердое вещество плавится с образованием жидкости = скорость, с которой жидкость замерзает с образованием твердого вещества

Линия BD почти вертикальна, потому что температура плавления твердого тела очень чувствителен к перепадам давления.Для большинства соединений эта линия имеет небольшой положительный наклон, как показано на рисунке выше. Наклон этой линии немного отрицательный для вода, однако. В результате вода может таять при температурах, близких к точке замерзания, когда подвергается давлению. Легкость, с которой фигуристы скользят по замерзшему пруду, может быть объясняется тем, что давление, оказываемое их коньками, плавит небольшую часть лед, лежащий под лезвиями.

Точка B на этой фазовой диаграмме представляет единственную комбинацию температур и давление, при котором чистое вещество может существовать одновременно как твердое тело, жидкость и газ.Поэтому она называется тройной точкой вещества, и представляет собой единственную точку на фазовой диаграмме, в которой все три состояния находятся в равновесие. Точка C - критическая точка вещества, которая является наивысшей температура и давление, при которых газ и жидкость могут сосуществовать в равновесии.

На рисунке ниже показано, что происходит, когда мы проводим горизонтальную линию через фазу. диаграмма при давлении ровно 1 атм. Эта линия пересекает линию между точками B и D при температуре плавления вещества, поскольку твердые вещества обычно плавятся при температуре температура, при которой твердое вещество и жидкость находятся в равновесии при давлении 1 атм.Линия пересекает линию между точками B и C в точке кипения вещества, потому что нормальная точка кипения жидкости - это температура, при которой жидкость и газ находятся в равновесии при давлении 1 атм и давлении пара жидкости поэтому равен 1 атм.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *