„Podglądany garnek nigdy się nie gotuje” może wydawać się ostatecznym truizmem podczas gotowania, ale w odpowiednich okolicznościach garnek wrze jeszcze szybciej niż oczekiwano. Niezależnie od tego, czy chodzi o kemping czy chemię, przewidywanie temperatury wrzenia może być trudne.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
Wyznaczanie temperatury wrzenia na podstawie ciśnienia można przeprowadzić za pomocą równań, oszacowań, nomogramów, kalkulatorów on-line, tabel i wykresów.
Zrozumienie temperatury wrzenia
Wrzenie ma miejsce, gdy ciśnienie pary cieczy jest równe ciśnieniu powietrza w atmosferze nad cieczą. Na przykład na poziomie morza woda wrze w temperaturze 100°C (212°F). Wraz ze wzrostem wysokości zmniejsza się ilość atmosfery nad cieczą, więc temperatura wrzenia cieczy spada. Ogólnie rzecz biorąc, im niższe ciśnienie atmosferyczne, tym niższa temperatura wrzenia jakiejkolwiek cieczy. Oprócz ciśnienia atmosferycznego na temperaturę wrzenia wpływa struktura molekularna i przyciąganie między cząsteczkami cieczy. Ciecze o słabych wiązaniach międzycząsteczkowych wrze na ogół w niższych temperaturach niż ciecze o silnych wiązaniach międzycząsteczkowych.
Obliczanie temperatury wrzenia
Obliczanie temperatury wrzenia na podstawie ciśnienia można wykonać przy użyciu kilku różnych wzorów. Te formuły różnią się złożonością i dokładnością. Ogólnie rzecz biorąc, jednostki w tych obliczeniach będą w systemie metrycznym lub System International (SI), co daje temperatury w stopniach Celsjusza (oDO). Aby przekonwertować na stopnie Fahrenheita (oF), użyj przeliczenia:
T(^oF)=\frac{9}{5}T(^oC)+32
gdzie T oznacza temperaturę. Jeśli chodzi o ciśnienie atmosferyczne, jednostki ciśnienia znoszą się, więc jakie jednostki są używane, czy mmHg, bary, psi lub inna jednostka, jest mniej ważne niż upewnienie się, że wszystkie pomiary ciśnienia są takie same jednostki.
Jeden wzór do obliczania temperatury wrzenia wody wykorzystuje znaną temperaturę wrzenia na poziomie morza, 100°C, ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza oraz ciśnienie atmosferyczne w czasie i wysokości, na której następuje wrzenie miejsce.
Na wyższych wysokościach niższa temperatura wrzenia wody wymaga dłuższego gotowania żywności, aby zapewnić odpowiednią temperaturę wewnętrzną. Dla bezpieczeństwa użyj termometru do mięsa, aby sprawdzić temperaturę.
Formuła:
BP_{corr}=BP_{obs}-(P_{obs}-760\text{mmHg})\razy 0,045^o\text{C/mmHg}
może służyć do znalezienia nieznanej temperatury wrzenia wody.
W tym wzorze BPcorr oznacza temperaturę wrzenia na poziomie morza, BPobs to nieznana temperatura, a Pobs oznacza ciśnienie atmosferyczne w miejscu. Wartość 760mmHg to standardowe ciśnienie atmosferyczne w milimetrach słupa rtęci na poziomie morza i 0,045oC/mmHg to przybliżona zmiana temperatury wody przy każdej milimetrowej zmianie ciśnienia rtęci.
Jeżeli ciśnienie atmosferyczne wynosi 600 mmHg, a temperatura wrzenia przy tym ciśnieniu jest nieznana, wówczas równanie przyjmuje postać
100°\text{C}=BP_{obs}-(600\text{ mmHg}-760\text{ mmHg})\razy 0,045°\text{C/mmHg}
Obliczenie równania daje:
100°\text{C}=BP_{obs}-(-160\text{ mmHg})\razy 0,045°\text{C/mmHg} = BP_{obs}+7,2
Jednostki mmHg znoszą się nawzajem, pozostawiając jednostki jako stopnie Celsjusza. Rozwiązane dla temperatury wrzenia przy 600 mmHg równanie staje się:
BP_{obs}=100°\text{C}-7,2°\text{C}=92,8°\text{C}
Tak więc temperatura wrzenia wody przy 600 mmHg, na wysokości około 6400 stóp nad poziomem morza, wyniesie 92,8°C, czyli:
92.8\times\frac{9}{5}+32=199°\text{F}
Ostrzeżenia
Równania do obliczania temperatury wrzenia
Opisane powyżej równanie wykorzystuje znaną zależność ciśnienia i temperatury ze znaną zmianą temperatury ze zmianą ciśnienia. Inne metody obliczania temperatury wrzenia cieczy na podstawie ciśnienia atmosferycznego, takie jak równanie Clausiusa-Clapeyrona:
\ln{\frac{P_1}{P_2}}=-\frac{L}{R}\times (\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2})
uwzględniają dodatkowe czynniki. Na przykład w równaniu Clausiusa-Clapeyrona równanie zawiera logarytm naturalny (ln) początkowego ciśnienie podzielone przez ciśnienie końcowe, ciepło utajone (L) materiału i uniwersalną stałą gazową (R). Ciepło utajone odnosi się do przyciągania między cząsteczkami, właściwości materiału, która wpływa na szybkość parowania. Materiały o wyższych temperaturach utajonych wymagają więcej energii do wrzenia, ponieważ cząsteczki silniej się do siebie przyciągają.
Szacowanie temperatury wrzenia
Ogólnie rzecz biorąc, przybliżenie spadku temperatury wrzenia wody można wykonać na podstawie wysokości. Na każde 500 stóp wzrostu wysokości temperatura wrzenia wody spada o około 0,9°F.
Określanie temperatury wrzenia za pomocą nomografów
Nomograf może być również wykorzystany do oszacowania temperatury wrzenia cieczy. Nomografy wykorzystują trzy skale do przewidywania temperatury wrzenia. Nomograf pokazuje skalę temperatury wrzenia, temperaturę wrzenia na skali ciśnienia na poziomie morza i ogólną skalę ciśnienia.
Aby skorzystać z nomografu, połącz dwie znane wartości za pomocą linijki i odczytaj nieznaną wartość na trzeciej skali. Zacznij od jednej ze znanych wartości. Na przykład, jeśli znana jest temperatura wrzenia na poziomie morza i ciśnienie atmosferyczne, połącz te dwa punkty linijką. Przedłużenie linii od dwóch połączonych znanych pokazuje, jaka powinna być temperatura wrzenia na tej wysokości. I odwrotnie, jeśli znana jest temperatura wrzenia i znana jest temperatura wrzenia na poziomie morza, użyj linijki, aby połączyć dwie kropki, przedłużając linię, aby znaleźć ciśnienie barometryczne.
Korzystanie z kalkulatorów on-line
Kilka kalkulatorów on-line podaje temperatury wrzenia na różnych wysokościach. Wiele z tych kalkulatorów pokazuje tylko zależność między ciśnieniem atmosferycznym a temperaturą wrzenia wody, ale inne pokazują dodatkowe wspólne związki.
Korzystanie z wykresów i tabel
Opracowano wykresy i tabele temperatur wrzenia wielu cieczy. W przypadku tabel podano temperaturę wrzenia cieczy dla różnych ciśnień atmosferycznych. W niektórych przypadkach tabela pokazuje tylko jedną ciecz i temperaturę wrzenia przy różnych ciśnieniach. W innych przypadkach może być pokazanych kilka cieczy pod różnymi ciśnieniami.
Wykresy przedstawiają krzywe temperatury wrzenia w oparciu o temperaturę i ciśnienie atmosferyczne. Wykresy, podobnie jak nomograf, wykorzystują znane wartości do utworzenia krzywej lub, jak w przypadku równania Clausiusa-Clapeyrona, wykorzystują logarytm naturalny ciśnienia do utworzenia linii prostej. Linia wykresu pokazuje znane zależności temperatur wrzenia, przy danym zestawie wartości ciśnienia i temperatury. Znając jedną wartość, podążaj za linią wartości do wykreślonej linii ciśnienie-temperatura, a następnie obróć się do drugiej osi, aby określić nieznaną wartość.