Πώς να προσδιορίσετε τα σημεία βρασμού με πίεση

Το "ποτ που παρακολουθείται ποτέ δεν βράζει" μπορεί να φαίνεται σαν η απόλυτη αλήθεια κατά το μαγείρεμα, αλλά κάτω από τις σωστές συνθήκες, το δοχείο βράζει ακόμη πιο γρήγορα από το αναμενόμενο. Είτε κάμπινγκ είτε χημεία, η πρόβλεψη του σημείου βρασμού μπορεί να είναι δύσκολη.

TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)

Ο προσδιορισμός του σημείου βρασμού με βάση την πίεση μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας εξισώσεις, εκτιμήσεις, ονοματογράφους, υπολογιστές on-line, πίνακες και γραφήματα.

Ο βρασμός συμβαίνει όταν η τάση ατμών ενός υγρού ισούται με την πίεση αέρα της ατμόσφαιρας πάνω από το υγρό. Για παράδειγμα, στο επίπεδο της θάλασσας, το νερό βράζει στους 212 ° F (100 ° C). Καθώς αυξάνεται η ανύψωση, η ποσότητα ατμόσφαιρας πάνω από το υγρό μειώνεται, έτσι η θερμοκρασία βρασμού του υγρού μειώνεται. Γενικά, όσο χαμηλότερη είναι η ατμοσφαιρική πίεση, τόσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία βρασμού οποιουδήποτε υγρού. Εκτός από την ατμοσφαιρική πίεση, η μοριακή δομή και έλξη μεταξύ των μορίων του υγρού επηρεάζει το σημείο βρασμού. Τα υγρά με ασθενείς διαμοριακούς δεσμούς βράζουν, γενικά, σε χαμηλότερες θερμοκρασίες από τα υγρά με ισχυρούς διαμοριακούς δεσμούς.

Ο υπολογισμός του σημείου βρασμού με βάση την πίεση μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας διάφορους τύπους. Αυτοί οι τύποι ποικίλλουν στην πολυπλοκότητα και την ακρίβεια. Γενικά, οι μονάδες σε αυτούς τους υπολογισμούς θα είναι στο σύστημα μετρικού ή συστήματος International (SI), με αποτέλεσμα θερμοκρασίες σε βαθμούς Κελσίου (^οΝΤΟ). Για να μετατρέψετε σε Φαρενάιτ (^οF), χρησιμοποιήστε τη μετατροπή:

όπου T σημαίνει θερμοκρασία. Όσον αφορά την ατμοσφαιρική πίεση, οι μονάδες πίεσης ακυρώνονται, οπότε ποιες μονάδες χρησιμοποιούνται, είτε mmHg, μπαρ, psi ή άλλη μονάδα, είναι λιγότερο σημαντικό από το να είμαστε σίγουροι ότι όλες οι μετρήσεις πίεσης είναι ίδιες μονάδες.

Ένας τύπος για τον υπολογισμό του σημείου βρασμού του νερού χρησιμοποιεί το γνωστό σημείο βρασμού στο επίπεδο της θάλασσας, 100 ° C, το ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας και η ατμοσφαιρική πίεση στο χρόνο και το υψόμετρο όπου παίρνει ο βρασμός θέση.

Η εξίσωση που περιγράφεται παραπάνω χρησιμοποιεί μια γνωστή σχέση πίεσης και θερμοκρασίας με μια γνωστή αλλαγή θερμοκρασίας με αλλαγή πίεσης. Άλλες μέθοδοι για τον υπολογισμό των σημείων βρασμού των υγρών με βάση την ατμοσφαιρική πίεση, όπως η εξίσωση Clausius-Clapeyron:

ενσωματώνουν επιπλέον παράγοντες. Στην εξίσωση Clausius-Clapeyron, για παράδειγμα, η εξίσωση ενσωματώνει το φυσικό ημερολόγιο (ln) της εκκίνησης πίεση διαιρούμενη με την τελική πίεση, τη λανθάνουσα θερμότητα (L) του υλικού και τη γενική σταθερά αερίου (R). Η λανθάνουσα θερμότητα σχετίζεται με την έλξη μεταξύ των μορίων, μια ιδιότητα του υλικού που επηρεάζει το ρυθμό εξάτμισης. Τα υλικά με υψηλότερη λανθάνουσα θερμότητα απαιτούν περισσότερη ενέργεια για να βράσουν επειδή τα μόρια έχουν ισχυρότερη έλξη μεταξύ τους.

Σε γενικές γραμμές, η προσέγγιση της πτώσης του σημείου βρασμού του νερού μπορεί να γίνει με βάση το υψόμετρο. Για κάθε 500 πόδια αύξηση σε υψόμετρο, το σημείο βρασμού του νερού πέφτει περίπου 0,9 ° F.

Ένας νομογράφος μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό των σημείων βρασμού των υγρών. Οι Nomographs χρησιμοποιούν τρεις κλίμακες για να προβλέψουν το σημείο βρασμού. Ένας νομογράφος δείχνει μια κλίμακα θερμοκρασίας σημείου βρασμού, μια θερμοκρασία σημείου βρασμού σε κλίμακα πίεσης στάθμης θάλασσας και μια γενική κλίμακα πίεσης.

Για να χρησιμοποιήσετε τον νομογράφο, συνδέστε δύο γνωστές τιμές χρησιμοποιώντας έναν χάρακα και διαβάστε την άγνωστη τιμή στην τρίτη κλίμακα. Ξεκινήστε με μία από τις γνωστές τιμές. Για παράδειγμα, εάν το σημείο βρασμού στο επίπεδο της θάλασσας είναι γνωστό και η βαρομετρική πίεση είναι γνωστή, συνδέστε αυτά τα δύο σημεία με ένα χάρακα. Η επέκταση της γραμμής από τα δύο συνδεδεμένα γνωστά δείχνει ποια είναι η θερμοκρασία του σημείου βρασμού σε αυτό το υψόμετρο. Αντίθετα, εάν η θερμοκρασία του σημείου βρασμού είναι γνωστή και το σημείο βρασμού στο επίπεδο της θάλασσας είναι γνωστό, χρησιμοποιήστε ένα χάρακα για να συνδέσετε τις δύο κουκκίδες, επεκτείνοντας τη γραμμή για να βρείτε την βαρομετρική πίεση.

Αρκετοί υπολογιστές on-line παρέχουν θερμοκρασίες σημείου βρασμού σε διαφορετικά υψόμετρα. Πολλοί από αυτούς τους υπολογιστές δείχνουν μόνο τη σχέση μεταξύ της ατμοσφαιρικής πίεσης και του σημείου βρασμού του νερού, αλλά άλλοι δείχνουν επιπλέον κοινές ενώσεις.

Έχουν αναπτυχθεί γραφήματα και πίνακες σημείων βρασμού πολλών υγρών. Στην περίπτωση των πινάκων, το σημείο βρασμού του υγρού εμφανίζεται για διαφορετικές ατμοσφαιρικές πιέσεις. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ο πίνακας δείχνει μόνο ένα υγρό και το σημείο βρασμού σε διάφορες πιέσεις. Σε άλλες περιπτώσεις, ενδέχεται να εμφανίζονται αρκετά υγρά σε διαφορετικές πιέσεις.

Τα γραφήματα δείχνουν καμπύλες σημείου βρασμού με βάση τη θερμοκρασία και την βαρομετρική πίεση. Τα γραφήματα, όπως ο νομογράφος, χρησιμοποιούν γνωστές τιμές για να δημιουργήσουν μια καμπύλη ή, όπως και με την εξίσωση Clausius-Clapeyron, χρησιμοποιούν το φυσικό ημερολόγιο της πίεσης για να αναπτύξουν μια ευθεία γραμμή. Η γραφική γραμμή δείχνει τις γνωστές σχέσεις σημείου βρασμού, δεδομένου ενός συνόλου τιμών πίεσης και θερμοκρασίας. Γνωρίζοντας μία τιμή, ακολουθήστε τη γραμμή τιμής στη γραφήματα πίεσης-θερμοκρασίας και, στη συνέχεια, γυρίστε στον άλλο άξονα για να προσδιορίσετε την άγνωστη τιμή.