„O oală urmărită nu fierbe niciodată” poate părea adevărul suprem când gătești, dar în condițiile potrivite, oala fierbe chiar mai repede decât se aștepta. Indiferent dacă este camping sau chimie, prezicerea punctului de fierbere poate fi o provocare.
TL; DR (Prea lung; Nu am citit)
Determinarea punctului de fierbere pe baza presiunii poate fi realizată folosind ecuații, estimare, nomografe, calculatoare on-line, tabele și grafice.
Înțelegerea punctului de fierbere
Fierberea are loc atunci când presiunea de vapori a unui lichid este egală cu presiunea aerului din atmosferă deasupra lichidului. De exemplu, la nivelul mării, apa fierbe la 212 ° F (100 ° C). Pe măsură ce cota crește, cantitatea de atmosferă peste lichid scade, astfel încât temperatura de fierbere a lichidului scade. În general, cu cât este mai mică presiunea atmosferică, cu atât temperatura de fierbere a oricărui lichid este mai mică. Pe lângă presiunea atmosferică, structura moleculară și atracția dintre moleculele lichidului afectează punctul de fierbere. Lichidele cu legături intermoleculare slabe fierb, în general, la temperaturi mai scăzute decât lichidele cu legături intermoleculare puternice.
Calculul punctului de fierbere
Calculul punctului de fierbere pe baza presiunii se poate face folosind mai multe formule diferite. Aceste formule variază în ceea ce privește complexitatea și acuratețea. În general, unitățile din aceste calcule vor fi în sistemul metric sau System International (SI), rezultând temperaturi în grade Celsius (oC). Pentru a converti în Fahrenheit (oF), utilizați conversia:
T (^ oF) = \ frac {9} {5} T (^ oC) +32
unde T înseamnă temperatură. În ceea ce privește presiunea atmosferică, unitățile de presiune se anulează, deci ce unități sunt utilizate, indiferent dacă mmHg, bare, psi sau o altă unitate, este mai puțin important decât să fii sigur că toate măsurătorile de presiune sunt aceleași unități.
O formulă pentru calcularea punctului de fierbere a apei folosește punctul de fierbere cunoscut la nivelul mării, 100 ° C, presiunea atmosferică la nivelul mării și presiunea atmosferică la momentul și cota în care durează fierberea loc.
La cote mai mari, punctul de fierbere mai scăzut al apei necesită gătirea alimentelor pentru perioade mai lungi de timp pentru a asigura temperaturi interne adecvate. Pentru siguranță, utilizați un termometru pentru carne pentru a verifica temperaturile.
Formula:
BP_ {corr} = BP_ {obs} - (P_ {obs} -760 \ text {mmHg}) \ times 0,045 ^ o \ text {C / mmHg}
poate fi folosit pentru a găsi o temperatură de fierbere necunoscută pentru apă.
În această formulă, BPcorr înseamnă punctul de fierbere la nivelul mării, BPobs este temperatura necunoscută, iar Pobs înseamnă presiunea atmosferică la locul respectiv. Valoarea 760mmHg este presiunea atmosferică standard în milimetri de mercur la nivelul mării și 0,045oC / mmHg este modificarea aproximativă a temperaturii apei cu fiecare modificare milimetrică a presiunii cu mercur.
Dacă presiunea atmosferică este egală cu 600 mmHg și punctul de fierbere este necunoscut la acea presiune, atunci ecuația devine
100 ° \ text {C} = BP_ {obs} - (600 \ text {mmHg} -760 \ text {mmHg}) \ ori 0,045 ° \ text {C / mmHg}
Calculul ecuației dă:
100 ° \ text {C} = BP_ {obs} - (- 160 \ text {mmHg}) \ times 0,045 ° \ text {C / mmHg} = BP_ {obs} +7,2
Unitățile de mmHg se anulează reciproc, lăsând unitățile ca grade Celsius. Rezolvată pentru punctul de fierbere la 600 mmHg, ecuația devine:
BP_ {obs} = 100 ° \ text {C} -7,2 ° \ text {C} = 92,8 ° \ text {C}
Deci, punctul de fierbere al apei la 600 mmHg, o altitudine de aproximativ 6400 de picioare deasupra nivelului mării, va fi de 92,8 ° C sau:
92,8 \ times \ frac {9} {5} + 32 = 199 ° \ text {F}
Avertizări
Ecuații pentru calcularea punctului de fierbere
Ecuația detaliată mai sus folosește o relație cunoscută de presiune și temperatură cu o schimbare cunoscută de temperatură cu o schimbare de presiune. Alte metode pentru calcularea punctelor de fierbere a lichidelor pe baza presiunii atmosferice, cum ar fi ecuația Clausius-Clapeyron:
\ ln {\ frac {P_1} {P_2}} = - \ frac {L} {R} \ times (\ frac {1} {T_1} - \ frac {1} {T_2})
încorporează factori suplimentari. În ecuația Clausius-Clapeyron, de exemplu, ecuația încorporează jurnalul natural (ln) al începutului presiunea împărțită la presiunea finală, căldura latentă (L) a materialului și constanta universală de gaz (R). Căldura latentă se referă la atracția dintre molecule, o proprietate a materialului care influențează rata de vaporizare. Materialele cu călduri latente mai mari necesită mai multă energie pentru a fierbe, deoarece moleculele au o atracție mai puternică unul față de celălalt.
Estimarea punctului de fierbere
În general, o aproximare a scăderii punctului de fierbere pentru apă se poate face în funcție de altitudine. Pentru fiecare creștere de altitudine de 500 de picioare, punctul de fierbere al apei scade aproximativ 0,9 ° F.
Determinarea punctului de fierbere folosind nomografe
Un nomograf poate fi, de asemenea, utilizat pentru a estima punctele de fierbere ale lichidelor. Nomografele folosesc trei scale pentru a prezice punctul de fierbere. Un nomograf prezintă o scală de temperatură a punctului de fierbere, o temperatură a punctului de fierbere la scara de presiune la nivelul mării și o scală de presiune generală.
Pentru a utiliza nomograful, conectați două valori cunoscute folosind o riglă și citiți valoarea necunoscută pe a treia scară. Începeți cu una dintre valorile cunoscute. De exemplu, dacă punctul de fierbere la nivelul mării este cunoscut și presiunea barometrică este cunoscută, conectați aceste două puncte cu o riglă. Extinderea liniei de la cele două cunoscute conectate arată care ar trebui să fie temperatura punctului de fierbere la acea altitudine. În schimb, dacă temperatura punctului de fierbere este cunoscută și se cunoaște punctul de fierbere la nivelul mării, utilizați o riglă pentru a conecta cele două puncte, extinzând linia pentru a găsi presiunea barometrică.
Utilizarea calculatoarelor on-line
Mai multe calculatoare online oferă temperaturi ale punctului de fierbere la diferite altitudini. Multe dintre aceste calculatoare arată doar relația dintre presiunea atmosferică și punctul de fierbere al apei, dar altele prezintă compuși comuni suplimentari.
Utilizarea graficelor și tabelelor
Au fost elaborate grafice și tabele ale punctelor de fierbere ale multor lichide. În cazul tabelelor, punctul de fierbere al lichidului este prezentat pentru diferite presiuni atmosferice. În unele cazuri, tabelul arată doar un lichid și punctul de fierbere la diferite presiuni. În alte cazuri, pot fi prezentate mai multe lichide la presiuni diferite.
Graficele arată curbele punctului de fierbere pe baza temperaturii și a presiunii barometrice. Graficele, precum nomograful, folosesc valori cunoscute pentru a crea o curbă sau, ca și în cazul ecuației Clausius-Clapeyron, folosesc jurnalul natural al presiunii pentru a dezvolta o linie dreaptă. Linia grafică arată relațiile cunoscute ale punctului de fierbere, date fiind un set de valori ale presiunii și temperaturii. Cunoscând o valoare, urmați linia valorică până la linia grafică presiune-temperatură, apoi întoarceți-vă către cealaltă axă pentru a determina valoarea necunoscută.