"Ein beobachteter Topf kocht nie" mag beim Kochen wie die ultimative Binsenweisheit erscheinen, aber unter den richtigen Umständen kocht der Topf noch schneller als erwartet. Ob Camping oder Chemie, die Vorhersage des Siedepunkts kann eine Herausforderung sein.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Die Bestimmung des Siedepunkts basierend auf dem Druck kann mithilfe von Gleichungen, Schätzungen, Nomogrammen, Online-Rechnern, Tabellen und Grafiken erfolgen.
Siedepunkt verstehen
Sieden tritt auf, wenn der Dampfdruck einer Flüssigkeit dem Luftdruck der Atmosphäre über der Flüssigkeit entspricht. Auf Meereshöhe siedet Wasser beispielsweise bei 100 °C. Mit zunehmender Höhe nimmt die Atmosphäre über der Flüssigkeit ab, so dass die Siedetemperatur der Flüssigkeit abnimmt. Im Allgemeinen ist die Siedetemperatur einer Flüssigkeit umso niedriger, je niedriger der Atmosphärendruck ist. Neben dem atmosphärischen Druck beeinflusst die molekulare Struktur und die Anziehung zwischen den Molekülen der Flüssigkeit den Siedepunkt. Flüssigkeiten mit schwachen intermolekularen Bindungen sieden im Allgemeinen bei niedrigeren Temperaturen als Flüssigkeiten mit starken intermolekularen Bindungen.
Berechnung des Siedepunkts
Die Berechnung des Siedepunkts basierend auf dem Druck kann mit verschiedenen Formeln erfolgen. Diese Formeln variieren in Komplexität und Genauigkeit. Im Allgemeinen werden die Einheiten in diesen Berechnungen im metrischen oder System International (SI)-System angegeben, was zu Temperaturen in Grad Celsius führt (ÖC). Umrechnen in Fahrenheit (ÖF), verwenden Sie die Umrechnung:
T(^oF)=\frac{9}{5}T(^oC)+32
wobei T Temperatur bedeutet. Beim atmosphärischen Druck heben sich die Druckeinheiten auf, also welche Einheiten verwendet werden, ob mmHg, bar, psi oder einer anderen Einheit, ist weniger wichtig, als sicher zu sein, dass alle Druckmessungen gleich sind Einheiten.
Eine Formel zur Berechnung des Siedepunkts von Wasser verwendet den bekannten Siedepunkt auf Meereshöhe, 100°C, der atmosphärischer Druck auf Meereshöhe und der atmosphärische Druck zu der Zeit und Höhe, wo das Sieden stattfindet Platz.
In höheren Lagen erfordert der niedrigere Siedepunkt des Wassers längere Garzeiten, um eine angemessene Innentemperatur zu gewährleisten. Verwenden Sie zur Sicherheit ein Fleischthermometer, um die Temperaturen zu überprüfen.
Die Formel:
BP_{korr}=BP_{obs}-(P_{obs}-760\text{ mmHg})\times 0.045^o\text{C/mmHg}
kann verwendet werden, um eine unbekannte Siedetemperatur für Wasser zu finden.
In dieser Formel bedeutet BPcorr Siedepunkt auf Meereshöhe, BPobs ist die unbekannte Temperatur und Pobs bedeutet den atmosphärischen Druck am Standort. Der Wert 760 mmHg ist der Standard-Atmosphärendruck in Millimeter Quecksilbersäule auf Meereshöhe und 0,045ÖC/mmHg ist die ungefähre Änderung der Wassertemperatur mit jedem Millimeter Quecksilberdruckänderung.
Wenn der Atmosphärendruck 600 mmHg beträgt und der Siedepunkt bei diesem Druck unbekannt ist, dann lautet die Gleichung equation
100°\text{C}=BP_{obs}-(600\text{ mmHg}-760\text{ mmHg})\times 0,045°\text{C/mmHg}
Die Berechnung der Gleichung ergibt:
100°\text{C}=BP_{obs}-(-160\text{ mmHg})\times 0.045°\text{C/mmHg} = BP_{obs}+7.2
Die Einheiten von mmHg heben sich gegenseitig auf, so dass die Einheiten in Grad Celsius bleiben. Aufgelöst für den Siedepunkt bei 600 mmHg lautet die Gleichung:
BP_{obs}=100°\text{C}-7,2°\text{C}=92,8°\text{C}
Der Siedepunkt von Wasser bei 600 mmHg, einer Höhe von ungefähr 6400 Fuß über dem Meeresspiegel, beträgt also 92,8 ° C oder:
92,8\times\frac{9}{5}+32=199°\text{F}
Warnungen
Gleichungen zur Berechnung des Siedepunkts
Die oben beschriebene Gleichung verwendet eine bekannte Druck- und Temperaturbeziehung mit einer bekannten Temperaturänderung mit einer Druckänderung. Andere Methoden zur Berechnung der Siedepunkte von Flüssigkeiten basierend auf dem atmosphärischen Druck, wie die Clausius-Clapeyron-Gleichung:
\ln{\frac{P_1}{P_2}}=-\frac{L}{R}\times (\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2})
zusätzliche Faktoren einbeziehen. In der Clausius-Clapeyron-Gleichung zum Beispiel enthält die Gleichung den natürlichen Logarithmus (ln) des Ausgangs Druck geteilt durch den Enddruck, die latente Wärme (L) des Materials und die universelle Gaskonstante (R). Latentwärme bezieht sich auf die Anziehung zwischen Molekülen, eine Eigenschaft des Materials, die die Verdampfungsgeschwindigkeit beeinflusst. Materialien mit höherer latenter Wärme benötigen zum Sieden mehr Energie, da die Moleküle eine stärkere Anziehungskraft aufeinander haben.
Siedepunkt schätzen
Im Allgemeinen kann eine Annäherung an den Siedepunktsabfall für Wasser basierend auf der Höhe erfolgen. Pro 500 Fuß Höhenzunahme sinkt der Siedepunkt von Wasser um etwa 0,9 ° F.
Siedepunktbestimmung mit Nomographen
Ein Nomograph kann auch verwendet werden, um die Siedepunkte von Flüssigkeiten abzuschätzen. Nomographen verwenden drei Skalen, um den Siedepunkt vorherzusagen. Ein Nomograph zeigt eine Siedepunkttemperaturskala, eine Siedepunkttemperatur auf Meereshöhe-Druckskala und eine allgemeine Druckskala.
Um den Nomographen zu verwenden, verbinden Sie zwei bekannte Werte mit einem Lineal und lesen Sie den unbekannten Wert auf der dritten Skala ab. Beginnen Sie mit einem der bekannten Werte. Wenn beispielsweise der Siedepunkt auf Meereshöhe und der Luftdruck bekannt sind, verbinden Sie diese beiden Punkte mit einem Lineal. Das Verlängern der Linie von den beiden verbundenen Bekannten zeigt, wie hoch die Siedepunkttemperatur bei dieser Höhe sein sollte. Umgekehrt, wenn die Siedepunkttemperatur bekannt ist und der Siedepunkt auf Meereshöhe bekannt ist, verwenden Sie ein Lineal, um die beiden Punkte zu verbinden und die Linie zu verlängern, um den Luftdruck zu ermitteln.
Verwenden von Online-Rechnern
Mehrere Online-Rechner liefern Siedepunkttemperaturen in verschiedenen Höhen. Viele dieser Rechner zeigen nur die Beziehung zwischen dem atmosphärischen Druck und dem Siedepunkt von Wasser, aber andere zeigen weitere häufige Verbindungen.
Verwenden von Grafiken und Tabellen
Diagramme und Tabellen der Siedepunkte vieler Flüssigkeiten wurden entwickelt. Bei den Tabellen wird der Siedepunkt der Flüssigkeit für verschiedene atmosphärische Drücke angezeigt. In einigen Fällen zeigt die Tabelle nur eine Flüssigkeit und den Siedepunkt bei verschiedenen Drücken. In anderen Fällen können mehrere Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Drücken angezeigt werden.
Grafiken zeigen Siedepunktkurven basierend auf Temperatur und Luftdruck. Die Graphen verwenden wie der Nomograph bekannte Werte, um eine Kurve zu erstellen, oder verwenden, wie bei der Clausius-Clapeyron-Gleichung, den natürlichen Logarithmus des Drucks, um eine Gerade zu entwickeln. Die grafisch dargestellte Linie zeigt die bekannten Siedepunktbeziehungen bei gegebenen Druck- und Temperaturwerten. Wenn Sie einen Wert kennen, folgen Sie der Wertelinie bis zur graphischen Druck-Temperatur-Linie und drehen Sie sich dann zur anderen Achse, um den unbekannten Wert zu bestimmen.