"Gledani lonac nikad ne kipi" može se činiti krajnjim truizmom prilikom kuhanja, ali u pravim okolnostima lonac vrije čak i brže nego što se očekivalo. Bilo da se radi o kampiranju ili kemiji, predviđanje točke vrenja može biti izazov.
TL; DR (predugo; Nisam pročitao)
Određivanje točke vrenja na temelju tlaka može se postići pomoću jednadžbi, procjena, nomografa, on-line kalkulatora, tablica i grafikona.
Razumijevanje vrelišta
Do vrenja dolazi kada je tlak pare tekućine jednak tlaku zraka atmosfere iznad tekućine. Primjerice, na razini mora voda ključa na 100 ° C. Kako se nadmorska visina povećava, količina atmosfere iznad tekućine opada, pa se temperatura ključanja tekućine smanjuje. Općenito, što je niži atmosferski tlak, niža je temperatura ključanja bilo koje tekućine. Osim atmosferskog tlaka, molekularna struktura i privlačnost između molekula tekućine utječe na točku vrenja. Tekućine sa slabim intermolekularnim vezama ključaju općenito na nižim temperaturama od tekućina s jakim intermolekularnim vezama.
Izračunavanje vrelišta
Izračunavanje točke vrenja na temelju tlaka može se izvršiti pomoću nekoliko različitih formula. Te se formule razlikuju u složenosti i točnosti. Općenito, jedinice u ovim izračunima bit će u metričkom sustavu ili System International (SI) sustavu, što će rezultirati temperaturama u stupnjevima Celzija (oC). Da biste pretvorili u Fahrenheit (oF), upotrijebite pretvorbu:
T (^ oF) = \ frac {9} {5} T (^ oC) +32
gdje T znači temperatura. Što se tiče atmosferskog tlaka, jedinice tlaka se poništavaju, pa koje se jedinice koriste, bilo mmHg, barovi, psi ili drugu jedinicu, manje je važno nego biti siguran da su sva mjerenja tlaka jednaka jedinice.
Jedna formula za izračunavanje vrelišta vode koristi poznato vrelište na razini mora, 100 ° C atmosferski tlak na razini mora i atmosferski tlak u vremenu i nadmorskoj visini gdje traje vrenje mjesto.
Na višim nadmorskim visinama, niže vrelište vode zahtijeva dulje kuhanje hrane kako bi se osigurale odgovarajuće unutarnje temperature. Radi sigurnosti upotrijebite termometar za meso za provjeru temperatura.
Formula:
BP_ {corr} = BP_ {obs} - (P_ {obs} -760 \ text {mmHg}) \ puta 0,045 ^ o \ text {C / mmHg}
može se koristiti za pronalaženje nepoznate temperature vrenja vode.
U ovoj formuli BPcorr znači tačku vrenja na razini mora, BPobs je nepoznata temperatura, a Pobs znači atmosferski tlak na tom mjestu. Vrijednost 760 mmHg je standardni atmosferski tlak u milimetrima žive na razini mora i 0,045oC / mmHg je približna promjena temperature vode sa svakom promjenom tlaka u milimetru žive.
Ako je atmosferski tlak jednak 600 mmHg, a točka ključanja nije poznata pri tom tlaku, tada jednadžba postaje
100 ° \ text {C} = BP_ {obs} - (600 \ text {mmHg} -760 \ text {mmHg}) \ puta 0,045 ° \ text {C / mmHg}
Izračun jednadžbe daje:
100 ° \ text {C} = BP_ {obs} - (- - 160 \ text {mmHg}) \ puta 0,045 ° \ text {C / mmHg} = BP_ {obs} +7,2
Jedinice mmHg međusobno se poništavaju, ostavljajući jedinice kao Celzijevi stupnjevi. Riješeno za točku vrenja na 600 mmHg, jednadžba postaje:
BP_ {obs} = 100 ° \ text {C} -7,2 ° \ text {C} = 92,8 ° \ text {C}
Dakle, točka ključanja vode na 600 mmHg, nadmorska visina od približno 6400 metara nadmorske visine, bit će 92,8 ° C, ili:
92,8 \ puta \ frac {9} {5} + 32 = 199 ° \ tekst {F}
Upozorenja
Jednadžbe za izračunavanje vrelišta
Jednadžba detaljno opisana koristi poznati odnos tlaka i temperature s poznatom promjenom temperature s promjenom tlaka. Ostale metode za izračunavanje vrelišta tekućina na temelju atmosferskog tlaka, poput Clausius-Clapeyronova jednadžba:
\ ln {\ frac {P_1} {P_2}} = - \ frac {L} {R} \ puta (\ frac {1} {T_1} - \ frac {1} {T_2})
uključiti dodatne čimbenike. Na primjer, u Clausius-Clapeyronovoj jednadžbi, jednadžba uključuje prirodni log (ln) početne tlak podijeljen završnim tlakom, latentnom toplinom (L) materijala i univerzalnom plinskom konstantom (R). Latentna toplina odnosi se na privlačenje između molekula, svojstvo materijala koje utječe na brzinu isparavanja. Materijali s većom latentnom toplinom zahtijevaju više energije da vriju, jer molekule imaju jaču privlačnost jedna prema drugoj.
Procjena vrelišta
Općenito, aproksimacija pada točke vrenja za vodu može se napraviti na temelju nadmorske visine. Za svakih 500 stopa porasta nadmorske visine, točka ključanja vode pada oko 0,9 ° F.
Određivanje vrelišta pomoću Nomografa
Nomograf se također može koristiti za procjenu vrelišta tekućina. Nomografi koriste tri skale za predviđanje točke vrenja. Nomograf prikazuje temperaturnu ljestvicu vrelišta, temperaturu vrelišta na skali tlaka na razini mora i opću ljestvicu tlaka.
Da biste koristili nomograf, spojite dvije poznate vrijednosti pomoću ravnala i pročitajte nepoznatu vrijednost na trećoj ljestvici. Počnite s jednom od poznatih vrijednosti. Primjerice, ako je poznato vrelište na razini mora i zračni tlak, te dvije točke spojite ravnalom. Proširivanje crte od dvije povezane spoznaje pokazuje kakva treba biti temperatura vrelišta na toj nadmorskoj visini. Suprotno tome, ako je poznata temperatura vrelišta i poznata točka vrenja na razini mora, upotrijebite ravnalo za povezivanje dviju točaka, produžujući liniju za pronalaženje barometarskog tlaka.
Korištenje on-line kalkulatora
Nekoliko on-line kalkulatora pruža temperature vrelišta na različitim povišenjima. Mnogi od ovih kalkulatora pokazuju samo odnos između atmosferskog tlaka i vrelišta vode, ali drugi pokazuju dodatne uobičajene spojeve.
Korištenje grafikona i tablica
Izrađeni su grafikoni i tablice vrelišta mnogih tekućina. U slučaju tablica, vrelište tekućine prikazano je za različite atmosferske pritiske. U nekim slučajevima tablica prikazuje samo jednu tekućinu i točku vrenja pod različitim tlakovima. U drugim slučajevima može se prikazati nekoliko tekućina pod različitim tlakovima.
Grafikoni prikazuju krivulje točke vrenja na temelju temperature i zračnog tlaka. Grafovi, poput nomografa, koriste poznate vrijednosti da bi stvorili krivulju ili, kao kod Clausius-Clapeyronove jednadžbe, koriste prirodni dnevnik tlaka da bi razvili ravnu crtu. Grafička crta prikazuje poznate odnose vrelišta, s obzirom na skup vrijednosti tlaka i temperature. Poznavajući jednu vrijednost, slijedite liniju vrijednosti do graficirane crte tlak i temperatura, a zatim se okrenite na drugu os da odredite nepoznatu vrijednost.