Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 18 dotazů obsahujících »rovnovážné«
5) Tlaková závislost bodu varu
11. 10. 2007
Dotaz: Dobrý den přeji. Mám dotaz: Při jaké teplotě začne vařit voda pod tlakem
28Atm.Při stoupajícím tlaku je tato teplota úměrná? Děkuji za odpověď. Ryska
Pavel (Pavel Ryska)
Odpověď:
Při tlaku 28 atm (tedy přibližně 2,8 MPa) vře voda při teplotě asi 227 °C. Závislost teploty varu na tlaku přímo úměrná není.
Obšírnější odpověď
K hlubšímu pochopení doporučuji nejprve se seznámit s pojmem sytá pára (před časem jsme o tom psali něco i v odpovědně).
Kapalina (tedy i voda) začne vřít tehdy, když tlak sytých par této kapaliny (v případě vody jde o syté vodní páry) dosáhne okolního tlaku. Ve fázovém diagramu je závislost tlaku sytých par na teplotě znázorněna tzv. křivkou sytých par, tedy takovými tlaky a teplotami, při kterých je kapalina v dynamické rovnováze se svými parami.
Na svislé ose je tlak v pascalech v logaritmické škále. Logaritmická škála je použita proto, aby v grafu bylo možno dobře znázornit obrovský rozsah tlaků od 0 Pa do 1012 Pa). Na vodorovné ose je teplota v kelvinech. Vapor označuje oblast, tlaků a teplot, při kterých je H2O v plynné fázi, liquid označuje kapalnou fázi, solid pevnou fázi (led), přičemž římské číslice označují různé krystalové modifikace ledu (my se pochopitelně v běžných podmínkách setkáváme pouze s hexagonální krystalovou modifikací Ih, ostatní tlaky a teploty jsou značně neběžné). Tlusté čáry označují rovnovážné tlaky a teploty mezi jednotlivými fázemi. Lze tak například snadno odečíst, že při tlaku 105 Pa (1 atm) je rovnovážná teplota mezi kapalinou a plynem (vodní párou) asi 380 K, tedy 100 °C. Jinými slovy při atmosférickém tlaku voda vře při teplotě 100 °C.
Posuneme-li se na křivce poněkud doleva, můžeme odečíst, že např. při tlaku 103,5 Pa vře voda při asi 290 K, což je asi 20 °C. Ještě více vlevo narazíme na tzv. trojný bod, ve kterém se stýkají křivka vypařování, křivka tání a křivka sublimace - při tomto tlaku a teplotě (a jen při nich) může existovat rovnováha mezi všemi třemi skupenstvími.
Posuneme-li se na křivce vypařování naopak doprava, můžeme z grafu odečíst třeba teplotu varu při oněch 28 atm. 28 atm je přibližně 2,8 MPa, což je asi 106,4 Pa. Tomu v grafu odpovídá hodnota přibližně 500 K, tedy 227 °C. Ještě více vpravo, při teplotě 647 K (374 °C) a tlaku asi 22 MPa (přibližně 107,3 Pa), je červeným puntíkem označen tzv. kritický bod, ve kterém je hustota plynu tak velká, že se vyrovná hustotě kapaliny - fázové rozhraní mezi kapalinou a plynnou látkou mizí. Jinými slovy: při vyšších teplotách a tlacích už nemá smysl rozlišovat mezi kapalinou a plynem, mluvíme pouze o tekutině. A proto při vyšších tlacích žádný var pozorovat nelze.
Shrnutí
Při tlaku 28 atm (tedy přibližně 2,8 MPa) vře voda při teplotě asi 227 °C. Závislost teploty varu na tlaku lze vyčíst z fázového diagramu, nejedná se o přímou úměrnost. Dokonce při tzv. kritickém tlaku (asi 22 MPa) tato křivka končí - při tlacích vyšších než je kritický tlak k varu vůbec nedochází.
Poznámka na závěr pro hloubavé
Z grafu se zdá, že s rostoucím tlakem roste rychlost zvyšování teploty varu (pro znalce: druhá derivace funkce p(t) je záporná). Jedná se ale jen o optický klam způsobený logaritmickou stupnicí. Ve skutečnosti se s rovnoměrným zvyšováním tlaku rychlost růstu teploty varu zpomaluje.
Odkaz pro hravé
Na http://www.partyman.se/calculator.html je kalkulátor, který s využitím Clausiovy-Clapeyronovy rovnice počítá ze zadaného tlaku teplotu varu, případně k dané teplotě varu dopočítává příslušný tlak. Pozor na to, že tento kalkulátor vypočítává i fiktivní hodnoty v oblasti nadkritických teplot a tlaků a také dovoluje vkládat teploty pod absolutní nulou (menší než -273 °C). Ani jedno neodpovídá realitě.
Dotaz: Dobrý deň, doposiaµ neúspešne hµadám graf bodu varu butánu v závislosti na
teplote a tlaku. Prosím poraďte, kde by som ho mohol nájsť. Ďakujem. (Daniel Spišák)
Odpověď: Graf závislosti teploty varu butanu (n-butanu, tj. lineárního izomeru) na tlaku, resp. graf závislosti rovnovážné tenze páry butanu na teplotě, je zde:
Graf je uprostřed stránky, pozor, tlak je uveden v mm rtuťového sloupce (1mmHg
= 133,33 Pa) a osa má logaritmické měřítko, tj. červená mřížka zobrazuje jednotlivé desetiny (různě velké!) příslušného úseku vymezeného dvěma azurovými vodorovnými linkami. V tabulce nad grafem jsou uvedeny některé dvojice hodnot.
Dotaz: Dobrý den, můj dotaz se týká olověných akumulátorů: Výsledkem chemického děje
Pb+SO42- , který je na záporné elektrodě je sloučenina PbSO4 + 2e- . Aby se na
kladné elektrodě vytvořilo PbSO4 +2H2O je zapotřebí oněch dvou elektronů ze
záporné elektrody. Tyto elektrony se na kladnou elektrodu dostanou
prostřednictvím vnějšího obvodu. Nabízí se mi otázka, proč tyto elektrony
neprojdou skrz separátor a elektrolyt ke kladné elektrodě, když separátor i
elektrolyt mají relativně velkou vodivost, což se vyžaduje, protože jejich
vodivost tvoří část vnitřního odporu akumulátoru, který je mnohdy menší než
připojená zátěž. (Martin Gabzdyl)
Odpověď: Na elektrodě, o níž je řeč, probíhá samovolná oxidace olova - jde tedy o anodu. Na rozhraní povrchu elektrody a elektrolytu se samovolně ustavuje redukčně-oxidační rovnováha a vzniká zde určitý potenciál daný tím, že povrch elektrody je oproti elektrolytu "zápornější" (rovnováha produkuje určitý přebytek elektronů na povrchu elektrody). Rozdíl potenciálů katody a anody pak vytváří spád - tedy napětí - umožňující pohyb elektronů od anody ke katodě. To se může dít jednak cestou přes vodič, jednak cestou přes elektrolyt. Z výše napsaného však vyplývá, že cesta elektronů z anody do roztoku je zablokována "protisměrným" potenciálem na rozhraní ("+" v elektrolytu, "-" na elektrodě), nestačí tedy uvažovat pouze vodivosti.
Elektrony přecházející z povrchu elektrody do roztoku by se musely navázat na nějakou částici - tedy redukce - což je ovšem právě opačný děj než děj samovolně probíhající. Lze to uskutečnit pouze působením většího vnějšího napětí opačného směru, než je napětí rovnovážné - tedy při nabíjení akumulátoru - kdy elektrony dostatečně urychlené v opačném směru mohou "prorazit" energetickou bariéru protisměrného potenciálu a podstoupit původně energeticky nevýhodný děj (redukci - přechod do roztoku).
Toto blokování toku elektronů protisměrným potenciálem se využívá například při ochraně velkých kovových předmětů proti korozi. Jednou z možností je vložení určitého malého napětí opačného směru, než je rovnovážné napětí "článku" vznikajícího při korozních reakcích. Ačkoli chemické podmínky pro vznik koroze dále trvají, jedná se nyní o děj energeticky nevýhodný, který neprobíhá, nebo je významně utlumen.
Dotaz: Dobrý den, máme dvě nádoby stejného objemu, ve kterých je voda, rovněž stejného
objemu (přičemž voda nezabírá celý objem nádoby). V jedné nádobě je nad hladinou
vody vzduch a v druhé je vzduch vypuštěn, tzn. nad hladinou vody se nachází
pouze vodní páry. Můj dotaz zní: bude v nádobě, ve které není vzduch, větší
množství vodních par, nebo bude v obou nádobách stejné množství vodní páry (nad
vodní hladinou)? (petr)
Odpověď: V nádobě, v níž je v rovnovážném stavu voda se svými parami, je tzv.
dynamická rovnováha. To znamená, že ačkoliv z makroskopického pohledu se
nic nemění (množství kapalné a plynné fáze je pořád stejné), na
mikroskopické úrovni se něco děje: molekuly vody se neustále chaoticky
pohybují, občas některá "vyskočí" z kapaliny a stane se součástí par
("vypaří se"), jindy se zase molekula páry vrátí do kapaliny
("zkondenzuje").
Rovnováha závisí tedy na tom, jak "husto" je molekul vodní páry v plynné
fázi nad kapalinou - pokud příliš mnoho, kondenzují, pokud příliš málo,
nastává vypařování z kapalné fáze. Přitom nezáleží na tom, mezi čím se
tyto molekuly vodní páry pohybují - zda mezi částicemi vzduchu, ve
vzduchoprázdnu nebo v jakémkoli jiném plynu; záleží pouze na jejich
množství v jednotce objemu. Selským rozumem usoudíme, že nemůže být tak
úplně jedno, zda se molekuly pohybují mezi "ničím" nebo mezi částicemi
vzduchu - ale za běžných podmínek je jakýkoli plyn natolik "řídký", že
částice v něm se pohybují dostatečně volně.
Je-li ve Vašich nádobách stejné množství kapalné fáze a v obou případech
jde o rovnovážný stav, musí v nich být také stejná množství vody v
plynném skupenství, v důsledku tedy stejný tlak molekul vodní páry. Liší
se pouze celkový tlak nad kapalinou v nádobě - v jednom případě je
plynná fáze tvořena pouze vodními parami, v druhém stejným množstvím
vodních par a navíc ještě vzduchem, takže celkový tlak je zde vyšší,
tvořený součtem tzv. parciálních (částečných) tlaků jednotlivých složek
(vodní pára, kyslík, dusík, oxid uhličitý... ).
A jaký je tlak syté vodní páry, tedy páry v dynamické rovnováze s
kapalnou vodou? To závisí na teplotě. Např. při 10 °C je to asi 1,2 kPa
(setina atmosférického tlaku), při 50 °C asi 12 kPa, při 100 °C je to
akorát atmosférický tlak a při 120 °C je to asi 2,5 násobek
atmosférického tlaku.
Dotaz: Jak by se měnila teplota na Zemi,kdyby Slunce najednou zhaslo? (Simona S.)
Odpověď: Podívejme se nejprve na lépe představitelný model: Když dám třeba sklenici s vodou k radiátoru topení, voda se sklenicí se začnou ohřívat a časem se systém dostane do rovnovážného stavu. Část tepelné energie z radiátoru bude proudit do sklenice s vodou a stejně velké množství energie sklenice s vodou vyzáří (sáláním tepla) do okolní místnosti. Voda ve sklenici bude mít v tomto stavu teplotu vyšší než je teplota v místnosti. Když topení vypnu či zakryji, přestane sklenice s vodou dostávat svůj díl tepelné energie, ale stále bude sama sálat, dokud se tím sama neochladí na teplotu okolí. Tím bude dosaženo nového rovnovážného stavu, v němž soustava setrvá.
A jak to tedy bude se Zemí? Jakmile Slunce zhasne, bude narušena rovnováha přijímaného a vyzařovanéhotepla úplně stejně, jako v případě sklenice a vypnutého topení. Země tedy bude nadále do vesmíru vyzařovat teplo, toto sálání ale nebude kompenzováno teď již nepřicházející energií ze Slunce. Země proto začne pomalu chladnout (s přibližně exponenciálním poklesem teploty) a v extrémním případě se po velmi velmi dlouhé době její teplota vyrovná s "teplotou" okolního vesmíru - tou dobou by Země měla jen několik málo Kelvinů, tedy asi -270 °C.
