"Una pentola sorvegliata non bolle mai" può sembrare l'ultima verità quando si cucina, ma nelle giuste circostanze, la pentola bolle ancora più velocemente del previsto. Che si tratti di campeggio o chimica, prevedere il punto di ebollizione può essere difficile.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
La determinazione del punto di ebollizione in base alla pressione può essere ottenuta utilizzando equazioni, stime, nomografi, calcolatori in linea, tabelle e grafici.
Capire il punto di ebollizione
L'ebollizione si verifica quando la pressione di vapore di un liquido è uguale alla pressione dell'aria dell'atmosfera sopra il liquido. Ad esempio, a livello del mare, l'acqua bolle a 212°F (100°C). All'aumentare dell'elevazione, la quantità di atmosfera sopra il liquido diminuisce, quindi la temperatura di ebollizione del liquido diminuisce. In generale, minore è la pressione atmosferica, minore è la temperatura di ebollizione di qualsiasi liquido. Oltre alla pressione atmosferica, la struttura molecolare e l'attrazione tra le molecole del liquido influiscono sul punto di ebollizione. I liquidi con legami intermolecolari deboli bollono, in generale, a temperature inferiori rispetto ai liquidi con legami intermolecolari forti.
Calcolo del punto di ebollizione
Il calcolo del punto di ebollizione in base alla pressione può essere eseguito utilizzando diverse formule. Queste formule variano in complessità e precisione. In generale, le unità in questi calcoli saranno nel sistema metrico o System International (SI), risultando in temperature in gradi Celsius (oC). Per convertire in Fahrenheit (oF), utilizzare la conversione:
T(^oF)=\frac{9}{5}T(^oC)+32
dove T significa temperatura. Per quanto riguarda la pressione atmosferica, le unità di pressione si annullano, quindi quali unità vengono utilizzate, se mmHg, bar, psi o un'altra unità, è meno importante dell'essere sicuri che tutte le misurazioni della pressione siano le stesse unità.
Una formula per calcolare il punto di ebollizione dell'acqua utilizza il punto di ebollizione noto a livello del mare, 100°C, il la pressione atmosferica al livello del mare e la pressione atmosferica al momento e all'altitudine in cui avviene l'ebollizione posto.
Ad altitudini più elevate, il punto di ebollizione più basso dell'acqua richiede la cottura degli alimenti per tempi più lunghi per garantire temperature interne adeguate. Per sicurezza, usa un termometro per carne per controllare le temperature.
La formula:
BP_{corr}=BP_{obs}-(P_{obs}-760\text{ mmHg})\times 0,045^o\text{C/mmHg}
può essere utilizzato per trovare una temperatura di ebollizione sconosciuta per l'acqua.
In questa formula, BPcorr significa punto di ebollizione a livello del mare, BPobs è la temperatura sconosciuta e Pobs indica la pressione atmosferica nel luogo. Il valore 760 mmHg è la pressione atmosferica standard in millimetri di mercurio a livello del mare e 0,045oC/mmHg è la variazione approssimativa della temperatura dell'acqua per ogni millimetro di variazione di pressione del mercurio.
Se la pressione atmosferica è uguale a 600 mmHg e il punto di ebollizione è sconosciuto a quella pressione, allora l'equazione diventa
100°\text{C}=BP_{obs}-(600\text{ mmHg}-760\text{ mmHg})\times 0,045°\text{C/mmHg}
Calcolando l'equazione si ottiene:
100°\text{C}=BP_{obs}-(-160\text{ mmHg})\times 0,045°\text{C/mmHg} = BP_{obs}+7,2
Le unità di mmHg si annullano a vicenda, lasciando le unità come gradi Celsius. Risolta per il punto di ebollizione a 600 mmHg, l'equazione diventa:
BP_{oss}=100°\text{C}-7,2°\text{C}=92,8°\text{C}
Quindi il punto di ebollizione dell'acqua a 600 mmHg, un'altitudine di circa 6400 piedi sul livello del mare, sarà 92,8 ° C, o:
92,8\volte\frac{9}{5}+32=199°\testo{F}
Avvertenze
Equazioni per il calcolo del punto di ebollizione
L'equazione sopra descritta utilizza una relazione nota di pressione e temperatura con una nota variazione di temperatura con variazione di pressione. Altri metodi per calcolare i punti di ebollizione dei liquidi basati sulla pressione atmosferica, come l'equazione di Clausius-Clapeyron:
\ln{\frac{P_1}{P_2}}=-\frac{L}{R}\times (\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2})
incorporare fattori aggiuntivi. Nell'equazione di Clausius-Clapeyron, ad esempio, l'equazione incorpora il logaritmo naturale (ln) della pressione divisa per la pressione finale, il calore latente (L) del materiale e la costante universale dei gas (R). Il calore latente riguarda l'attrazione tra le molecole, una proprietà del materiale che influenza la velocità di vaporizzazione. I materiali con calore latente più elevato richiedono più energia per bollire perché le molecole hanno una maggiore attrazione l'una verso l'altra.
Stima del punto di ebollizione
In generale, un'approssimazione del calo del punto di ebollizione dell'acqua può essere effettuata in base all'altitudine. Per ogni 500 piedi di aumento di altitudine, il punto di ebollizione dell'acqua scende di circa 0,9°F.
Determinazione del punto di ebollizione utilizzando i nomografi
Un nomografo può essere utilizzato anche per stimare i punti di ebollizione dei liquidi. I nomografi utilizzano tre scale per prevedere il punto di ebollizione. Un nomografo mostra una scala di temperatura del punto di ebollizione, una scala di pressione del punto di ebollizione a livello del mare e una scala di pressione generale.
Per utilizzare il nomografo, collega due valori noti utilizzando un righello e leggi il valore sconosciuto sulla terza scala. Inizia con uno dei valori noti. Ad esempio, se si conosce il punto di ebollizione al livello del mare e si conosce la pressione barometrica, collegare questi due punti con un righello. L'estensione della linea dai due noti collegati mostra quale dovrebbe essere la temperatura del punto di ebollizione a quell'elevazione. Viceversa, se si conosce la temperatura del punto di ebollizione e si conosce il punto di ebollizione a livello del mare, utilizzare un righello per collegare i due punti, allungando la linea per trovare la pressione barometrica.
Utilizzo di calcolatrici in linea
Diversi calcolatori in linea forniscono temperature del punto di ebollizione a diverse altezze. Molti di questi calcolatori mostrano solo la relazione tra la pressione atmosferica e il punto di ebollizione dell'acqua, ma altri mostrano ulteriori composti comuni.
Utilizzo di grafici e tabelle
Sono stati sviluppati grafici e tabelle dei punti di ebollizione di molti liquidi. Nel caso delle tabelle, il punto di ebollizione del liquido è mostrato per diverse pressioni atmosferiche. In alcuni casi, la tabella mostra un solo liquido e il punto di ebollizione a varie pressioni. In altri casi, possono essere visualizzati più liquidi a pressioni diverse.
I grafici mostrano le curve del punto di ebollizione in base alla temperatura e alla pressione atmosferica. I grafici, come il nomografo, utilizzano valori noti per creare una curva o, come con l'equazione di Clausius-Clapeyron, utilizzano il logaritmo naturale della pressione per sviluppare una linea retta. La linea grafica mostra le relazioni note del punto di ebollizione, dato un insieme di valori di pressione e temperatura. Conoscendo un valore, seguire la linea del valore fino alla linea grafica della pressione-temperatura, quindi ruotare sull'altro asse per determinare il valore sconosciuto.