Πειραματικός προσδιορισμός της τάσης ατμών του νερού Flashcards
Τι είναι η τάση ατμών του νερού και ποια η σχέση του με την θερμοκρασία κορεσμού και το σημείο βρασμού;
Τάση ατμών: η πίεση (N/m2) που ασκούν στην επιφάνεια ενός υγρού οι ατμοί του υγρού αυτού όταν υπάρχει ισορροπία μεταξύ της υγρής και της αέριας φάσης. Η ισορροπία αυτή αποκαθίσταται όταν η μάζα της υγρής φάσης που μετατρέπεται εξατμιζόμενη σε αέρια, ισούται με την μάζα των ατμών που μετατρέπεται σε υγρό. Η θερμοκρασία στην συγκεκριμένη φάση ονομάζεται θερμοκρασία κορεσμού και η τάση ατμών είναι ανάλογη της. Όταν η τάση ατμών του υγρού ισούται με την ατμοσφαιρική πίεση τότε η θερμοκρασία κορεσμού είναι ίση με το σημείο βρασμού ή ΣΖ του συγκεκριμένου υγρού.
Τι είναι βρασμός ,τι εξάτμιση και τι κορεσμένος αέρας ;
Βρασμός: αφορά το σύνολο της μάζας του ρευστού και δεν εξαρτάται από το υπερκείμενο υλικό
Εξάτμιση: περιορισμός ισορροπίας σε διεπιφάνεια υγρού/ αέρα όπου οι μερικές πιέσεις αναγκάζουν την επιφανειακή εξάτμιση ποσότητας υγρού
Κορεσμένος αέρας:όταν η τάση ατμών του υγρού που περιέχει ο αέρας εξισωθεί με την τάση ατμών του υγρού (μηδενικός ρυθμός εξάτμισης)
Ποιος είναι ο συσχετισμός της τάσης ατμών με την θερμοκρασία κορεσμού ;
Ο συσχετισμός της τάσης ατμών με την θερμοκρασία κορεσμού από την σχέση:
ln(P_κ )=C1/T+C2+C3∙T+C4∙T^2+C5∙ T^3+C6 ln(T) όπου Ρκ είναι η τάση ατμών του νερού και Τ η θερμοκρασία κορεσμού
Γιατί περιστρέφεται η φιάλη εξάτμισης ;
Η φιάλη εξάτμισης περιστρέφεται για καλύτερη ανάδευση του προς εξάτμιση δείγματος (νερού στην συγκεκριμένη περίπτωση) αλλά και για καλύτερη εξάτμιση λόγω αύξησης της επιφάνειας επαφής με την σφαιρική φιάλη αλλά και για να αποφεύγονται οι αποθέσεις στα τοιχώματα.
Γιατί έχει η συσκευή αυτή την πλευρική κλίση και τι θα γινόταν εάν τα συμπυκνώματα επέστρεφαν ξανα στην φιάλη ζέσεως ;
Η συσκευή έχει αυτή την κλίση για να βοηθήσει την άνοδο των ατμών που έχουν μικρότερη πυκνότητα από το νερό προς τον συμπυκνωτήρα. Κατά την συμπύκνωση πέφτει το νερό λόγω βαρύτητας και αύξησης της πυκνότητας και συλλέγεται κατά την κάθοδο του στο δοχείο συλλογής συμπυκνωμάτων. Εάν αντί για το δοχείο συλλογής ,το συμπυκνωμένο υγρό επέστρεφε στην σφαιρική φιάλη ζέσεως, το σύστημα θα θεωρούταν κλειστό σε ισορροπία αφού ίση ποσότητα υγρού θα εξατμιζόταν και θα συμπυκνωνόταν την ίδια στιγμή και η στάθμη του νερού στην σφαιρική φιάλη θα παρέμενε σταθερή. Ένα τέτοιο σύστημα θα ήταν πιο έμπιστο στις μετρήσεις που θα έδινε αλλά και εξαιρετικά χρονοβόρο.
Πως και από ποιο όργανο ρυθμίζεται η πίεση του συστήματος και πότε είναι ικανοποιητικός ένας βρασμός ;
Στην κορυφή της συμπυκνωτικής στήλης έχουμε προσαρμόσει τον πρεσσοστάτη που ελέγχει διαρκώς την πίεση του συστήματος σε σχέση με την τιμή που του έχουμε δώσει και την προσαρμόζει καταλλήλως. Προκειμένου να ελαττωθεί η πίεση πρέπει να συμπυκνωθούν οι ατμοί, γιατί η συμπύκνωση αυτή οδηγεί στην πτώση της πίεσης του συστήματος, έτσι ένα καλά ρυθμισμένο σύστημα ρυθμίζεται η πίεση από τον συμπυκνωτήρα. Για να είναι ο βρασμός ικανοποιητικός πρέπει να εμφανίζονται φυσαλίδες στο σύνολο της μάζας του υγρού στην σφαιρική φιάλη. Ο συμπυκνωτήρας λειτουργεί σε σύστημα αντιρροής με τον ατμό που εισέρχεται σε αυτόν λόγω του μεγαλύτερου συντελεστή μετάδοσης θερμότητας κατά την αντιρροή που εξηγήθηκε σε προηγούμενα πειράματα.
Τι είναι η ανύψωση του σημείου ζέσεως και γιατί συμβαίνει ;
Η τάση ατμών του νερού στα περισσότερα υδατικά διαλύματα είναι μικρότερη από αυτή του καθαρού νερού λόγω των δεσμών μεταξύ διαλύτη και διαλυμένης ουσίας, που πρακτικά αυτές οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις εμποδίζουν την μετατροπή του νερού σε αέρια φάση. Επομένως για δεδομένη πίεση το σημείο ζέσεως των υδατικών διαλυμάτων αναμένεται να είναι μεγαλύτερο από αυτό του καθαρού νερού και η διαφορά αυτή ονομάζεται ανύψωση του σημείου ζέσεως η οποία για αραιά διαλύματα είναι μικρή αλλά για συμπυκνωμένα διαλύματα ανόργανων αλάτων μπορεί να φτάσει και τους 80°C.
Ποιοι οι τύποι που χρησιμοποιούνται για την εύρεση της ανύψωσης του σημείου ζέσεως και ποιες οι προϋποθέσεις τους;
Η σχέση για τον υπολογισμό της ανύψωσης είναι :
〖ΔΤ〗_bp=T_L−T_w=(R〖 T〗_w^2)/1000L m όπου ΔΤ είναι η ανύψωση, TL και Τw είναι τα ΣΖ του διαλύματος και του καθαρού νερού αντίστοιχα , L η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμησης του νεορύ σε Τw, R η παγκόσμια σταθερά των τέλειων αερίων (8,314 J/mole K) και m η μοριακότητα διαλύματος κατά βάρος (moles ουσίας/100g H2O)
Έτσι το σημείο ζέσεως ενός διαλύματος σε συγκεκριμένη πίεση είναι γραμμική συνάρτηση της συγκέντρωσης της διαλυμένης ουσίας. Για ατμοσφαιρική πίεση το ΣΖ του καθαρού νερού είναι Τw=373Κ και το L=2256.9 kJ/kg και ο συντελεστής συγκέντρωσης m υπολογίζεται ως C_bp=(R〖 T〗_w^2)/1000L=0.513 K/mol και ο συντελεστής Cbp ονομάζεται ζεσεωσκοπική σταθερά και είναι συνάρτηση της πίεσης που ασκείται στην επιφάνεια του διαλύματος. Προκειμένου να χρησιμοποιηθεί η εξίσωση με τις απλουστεύσεις της απαιτείται αραιό διάλυμα, και εάν πρόκειται για σύνθετα διαλύματα (υγρά τρόφιμα) θα πρέπει να είναι γνωστό το συστατικό που επηρεάζει το ΣΖ.
Τι είναι το διάγραμμα Durhing;
Μέσω του διαγράμματος Durhing απεικονίζεται η μεταβολή του ΣΖ διαλυμάτων προς το σημείο ζέσεως του καθαρού νερού σε διαφορετικές συγκεντρώσεις όπου για τον προσδιορισμό του ΣΖ απαιτείται γνωστή η περιεκτικότητα του διαλύματος σε σακχαρόζη και η πίεση του
Ποια η οργανολογία του πειράματος ;
Το σύστημα αποτελείται από μια διάταξη απόσταξης, μια αντλία κενού και ένα θερμόμετρο. Το υπο εξέταση υγρό τοποθετείται στον βραστήρα της αποστακτικής στήλης ο οποίος θερμαίνεται σε υδατόλουτρο και η θερμοκρασία αυτού ρυθμίζεται με θερμοστάτη που ελέγχει την ηλεκτρική αντίσταση. Μέσα στην σφαιρική περιστρεφώμενη φιάλη ζέσεως τοποθετείται αισθητήριο ψηφιακού θερμομέτρου για να μετριέται η θερμοκρασία του υγρού. Στην κορυφή του ψυκτήρα είναι ελαστικός σωλήνας που απολήγει στην αναρρόφηση της αντλίας κενού η οποία ελέγχεται από ρυθμιστή πίεση (ταμπλό) που ρυθμίζεται η επιθυμητή πίεση (mbar). Η ελάττωση της θερμοκρασίας βρασμού που προκαλείται από την ελάττωση της πίεσης μειώνει τις απώλειες σε θερμοευαίσθητες ουσίες όπως βιταμίνες, χρωστικές και αρωματικές ύλες και για τον λόγο αυτό προτιμάται έναντι της συμβατικής συμπύκνωσης (ή απόσταξης ) υπό ατμοσφαιρική πίεση. Η αντλία κενού προσαρμόζει την πίεση στην αρχή αφαιρώντας τον αέρα αλλά κατά την διάρκεια λειτουργίας, η εξισορρόπηση της πίεσης γίνεται μέσω του ψυκτήρα.
