"Gledan lonec nikoli ne zavre" se morda zdi popolna resničnost pri kuhanju, vendar v pravih okoliščinah lonec zavre še hitreje, kot je bilo pričakovano. Naj gre za kampiranje ali kemijo, napovedovanje vrelišča je lahko izziv.
TL; DR (predolgo; Nisem prebral)
Določanje vrelišča na podlagi tlaka lahko dosežemo z uporabo enačb, ocen, nomografov, spletnih kalkulatorjev, tabel in grafov.
Razumevanje vrelišča
Vrenje se zgodi, ko je parni tlak tekočine enak zračnemu tlaku ozračja nad tekočino. Na primer, na morski gladini voda vre pri 100 ° C (212 ° F). Ko se višina poveča, se količina atmosfere nad tekočino zmanjša, zato se temperatura vrelišča tekočine zmanjša. Na splošno je nižji atmosferski tlak, nižja je temperatura vrelišča katere koli tekočine. Poleg atmosferskega tlaka na vrelišče vpliva tudi molekularna struktura in privlačnost med molekulami tekočine. Tekočine s šibkimi medmolekularnimi vezmi običajno vrejo pri nižjih temperaturah kot tekočine z močnimi medmolekularnimi vezmi.
Izračun vrelišča
Izračun vrelišča na podlagi tlaka lahko izvedemo z uporabo več različnih formul. Te formule se razlikujejo po zapletenosti in natančnosti. Na splošno bodo enote v teh izračunih v metričnem sistemu ali System International (SI), kar povzroči temperature v stopinjah Celzija (oC). Če želite pretvoriti v Fahrenheit (oF) uporabite pretvorbo:
T (^ oF) = \ frac {9} {5} T (^ oC) +32
kjer T pomeni temperaturo. Kar zadeva atmosferski tlak, se tlačne enote izničijo, torej katere enote se uporabljajo, ali mmHg, palice, psi ali drugo enoto, je manj pomembno kot prepričani, da so vse meritve tlaka enake enote.
Ena formula za izračun vrelišča vode uporablja znano vrelišče na morski gladini, 100 ° C, atmosferski tlak na morski gladini in atmosferski tlak v času in nadmorski višini, kjer traja vrenje kraj.
Pri višjih nadmorskih višinah nižje vrelišče vode zahteva daljše kuhanje hrane, da se zagotovijo ustrezne notranje temperature. Zaradi varnosti za preverjanje temperatur uporabite termometer za meso.
Formula:
BP_ {corr} = BP_ {obs} - (P_ {obs} -760 \ text {mmHg}) \ krat 0,045 ^ o \ text {C / mmHg}
lahko uporabimo za iskanje neznane temperature vrelišča vode.
V tej formuli BPcorr pomeni vrelišče na morski gladini, BPobs je neznana temperatura, Pobs pa atmosferski tlak na lokaciji. Vrednost 760 mmHg je standardni atmosferski tlak v milimetrih živega srebra na morski gladini in 0,045oC / mmHg je približna sprememba temperature vode z vsako milimetrsko spremembo tlaka živega srebra.
Če je atmosferski tlak enak 600 mmHg in vrelišče pri tem tlaku ni znano, potem enačba postane
100 ° \ besedilo {C} = BP_ {obs} - (600 \ besedilo {mmHg} -760 \ besedilo {mmHg}) \ krat 0,045 ° \ besedilo {C / mmHg}
Izračun enačbe daje:
100 ° \ besedilo {C} = BP_ {obs} - (- 160 \ besedilo {mmHg}) \ krat 0,045 ° \ besedilo {C / mmHg} = BP_ {obs} +7,2
Enote mmHg se medsebojno izničijo, enote pa ostanejo v stopinjah Celzija. Rešena za vrelišče pri 600 mmHg, enačba postane:
BP_ {obs} = 100 ° \ besedilo {C} -7,2 ° \ besedilo {C} = 92,8 ° \ besedilo {C}
Torej bo vrelišče vode pri 600 mmHg, nadmorski višini približno 6400 čevljev, 92,8 ° C ali:
92,8 \ krat \ frac {9} {5} + 32 = 199 ° \ besedilo {F}
Opozorila
Enačbe za izračun vrelišča
Zgornja enačba uporablja znano razmerje med tlakom in temperaturo z znano spremembo temperature s spremembo tlaka. Druge metode za izračun vrelišč tekočin na podlagi atmosferskega tlaka, kot je enačba Clausius – Clapeyron:
\ ln {\ frac {P_1} {P_2}} = - \ frac {L} {R} \ krat (\ frac {1} {T_1} - \ frac {1} {T_2})
vključiti dodatne dejavnike. V enačbi Clausius-Clapeyron na primer enačba vključuje naravni log (ln) začetne tlak, deljen s končnim tlakom, latentno toploto (L) materiala in univerzalno plinsko konstanto (R). Latentna toplota se nanaša na privlačnost med molekulami, lastnost materiala, ki vpliva na hitrost uparjanja. Materiali z višjo latentno toploto zahtevajo več energije za vrenje, ker imajo molekule močnejšo privlačnost med seboj.
Ocenjevanje vrelišča
Na splošno lahko približno padec vrelišča za vodo določimo glede na nadmorsko višino. Na vsakih 500 metrov višine se vrelišče vode spusti približno 0,9 ° F.
Določanje vrelišča z uporabo nomografov
Za oceno vrelišč tekočin lahko uporabimo tudi nomograf. Nomografi uporabljajo tri lestvice za napovedovanje vrelišča. Nomograf prikazuje lestvico temperature vrelišča, temperaturo vrelišča na lestvici morske gladine in splošno lestvico tlaka.
Če želite uporabiti nomograf, z ravnilom povežite dve znani vrednosti in preberite neznano vrednost na tretji lestvici. Začnite z eno od znanih vrednosti. Če je na primer znano vrelišče na morski gladini in je znan zračni tlak, povežite ti dve točki z ravnilom. Razširitev črte od dveh povezanih znanj kaže, kakšna naj bo temperatura vrelišča na tej višini. Če je temperatura vrelišča znana in je vrelišče na morski gladini znano, uporabite ravnilo, da povežete dve piki in razširite črto, da najdete zračni tlak.
Uporaba spletnih kalkulatorjev
Več spletnih kalkulatorjev zagotavlja temperature vrelišča pri različnih višinah. Mnogi od teh kalkulatorjev prikazujejo le razmerje med atmosferskim tlakom in vreliščem vode, drugi pa kažejo dodatne pogoste spojine.
Uporaba grafov in tabel
Razviti so bili grafi in tabele vrelišč številnih tekočin. V primeru tabel je vrelišče tekočine prikazano za različne atmosferske tlake. V nekaterih primerih tabela prikazuje samo eno tekočino in vrelišče pri različnih tlakih. V drugih primerih je lahko prikazanih več tekočin pri različnih tlakih.
Grafi prikazujejo krivulje vrelišča, ki temeljijo na temperaturi in zračnem tlaku. Grafi, tako kot nomograf, uporabljajo znane vrednosti za ustvarjanje krivulje ali, kot pri Clausius-Clapeyronovi enačbi, uporabljajo naravni dnevnik tlaka za razvoj ravne črte. Grafična črta prikazuje znana razmerja vrelišča glede na niz vrednosti tlaka in temperature. Če poznate eno vrednost, sledite črti vrednosti do grafisane črte tlak-temperatura, nato pa se obrnite na drugo os, da določite neznano vrednost.