hepnotSaf sıvı: dinamik buhar dengesi,doyma ve kaynama
Konunun mantığı
Saf bir sıvının yüzeyinden bazı moleküller gaz fazına geçebilir;bu buharlaşma,kaynama sıcaklığına ulaşmayı zorunlu kılmaz. Buharlaşma hızını birim zamanda geçen miktar olarak tanımlarız. Uygun aynı koşullarda yüzey alanı hız üzerinde etkili olabilir;ancak hız bilgisi tek başına son denge basıncı değildir. Açık ortama giden buhar uzaklaşabilir;bu durumda kapalı sistemdeki doygun dengeyi otomatik varsayamayız. Buradaki bütün örnekler kurmaca kâğıt üstü verilerdir;gerçek ısıtma/deney tarifi yoktur.
Kapalı ve sabit sıcaklıklı modelde sıvı ile buhar birlikte kalabiliyorsa,buharlaşan moleküllere karşı yoğuşanlar da vardır. Dengede buharlaşma ve yoğuşma hızları eşittir;net faz miktarları sabittir ama moleküler geçişler durmaz. Saf sıvıyla denge hâlindeki buharın kısmi basıncına bu sıcaklıktaki doygun denge buhar basıncıP°(T)diyoruz. Kapta başka gaz varsa onun katkısı toplam basınca eklenebilir;P°tek başına toplam gaz basıncıyla özdeş değildir.
Sıvı faz sürerken,aynı saf madde ve sıcaklık için bu modelde doygun basınç yüzey alanıyla veya sıvının miktarıyla doğrudan çarpılmaz. Daha geniş yüzey geçiş hızlarını ve dengeye yaklaşmayı etkileyebilir;denge değerini iki kat yapmaz. Bu ifade çok küçük eğrilik/kılcallık etkileri,çözelti bileşimi veya önemli basınç düzeltmelerini dışlayan basit lise modelidir. Sıcaklık yükselince aynı saf sıvınınP°değeri artar;bu bütün sıcaklık aralığında doğrusal artış veya farklı maddeler arasında tek etkileşim etiketinden kesin sıra demek değildir.
Toplam madde tümüyle buharlaşsa bile P°ye yetecek mol olmayabilir. İdeal buhar ve ihmal edilen sıvı hacmi modelinde doyma için gerekli buhar molü n*=P°V/(RT). Toplam mol nTop<n*ise sıvı kalmaz ve basınç nTopRT/V<P°olur. nTop>n*ise n*kadarı buhar,sıvı olarak kalan miktar nTop−n*ve basınçP°olabilir. Eşitlikte bütün maddenin tam doymuş buhar olduğu sınır vardır;pozitif sıvı miktarı var denmez. Faz varlığı ve verilen ideal buhar koşulu açıkça kontrol edilir.
Kaynama,sıvının içinde buhar kabarcıklarının sürdüğü faz geçişidir;yalnız yüzey buharlaşmasıyla aynı değildir. Makroskopik,dengeye yakın saf sıvı modelinde kaynamaya başlama sıcaklığı P°(T)=Pdışkoşuluyla bulunur;hidrostatik fark ve yüzey gerilimi kaynaklı kabarcık düzeltmeleri burada ihmal edilir. Dış basınç düşerse aynı saf sıvı daha düşük sıcaklıkta bu koşula ulaşabilir. Isıtma gücü bu denge sıcaklığını tek başına belirlemez;ulaşma süresini veya enerji aktarım hızını etkileyebilir. Bu dar ders gerçek cihaz,basınçlı düzenek veya bütün faz diyagramları kapsamı değildir.
Hız ile denge basıncı farklıdır. Aynı saf sıvı,Tve pozitif sıvı faz varkenP°sabit;alan artışı P°yi çarpmaz. Yetersiz toplam madde tamamen buharlaşınca P<P°olabilir. Kaynama için uygun modeldeP°(T)=Pdış;dış basınç koşulu korunur.
Adım adım bir örnek
Kurmaca saf S için sabitTde P°=20kPa. İki ayrı kapalı durumun buhar boşluğuVaynı;ideal buhar modelindeRT/V=50kPa/mol ve sıvı hacmi ihmal. Başka gaz/çözünen/tepkime yok,dengeye erişim var. Itoplam0,10molS, IItoplam0,80molS içeriyor. Son basınç ve faz miktarlarını karşılaştırın.
Önce doymaya gereken miktarı bul
- n*=20/50=0,40molbuhar gerekir.
- I0,10<0,40:hepsi buhar,P=0,10·50=5kPa;sıvı0.
- II0,80>0,40:0,40molbuhar ve0,40molsıvı;P=20kPa.
Sınır: AynıTve Vkorunur,ideal buhar/sıvı hacmi ihmal/denge veridir. Gerçek madde miktarı veya deney yöntemi önerilmez.
Bütün miktar buhar olsaydı basıncı sınırla karşılaştır
- Iin tüm buhar adayı5kPa,P°den küçük;yoğuşma gerektiren doyma aşılmamıştır.
- IIin tüm buhar adayı40kPaolurdu;dengeye erişen modelde bu,20kPa sınırında bir bölümün sıvıda kalmasına yol açar.
- Bu yüzden tüm-buhar adayı yalnız adaydır;son basıncı40kPadiye ilan etmeyiz. Sonra buhar molü20/50=0,40bulunur.
Sınır: Bu makroskopik saf faz/ideal buhar karşılaştırmasıdır;kararsız aşırı doymuş durumlar veya ileri faz denklemleri öğretilmiş sayılmaz.
IveIIiçin yalnız aynı madde,TveVvar diyerek her iki basıncı20kPaseçmek hangi varlık koşulunu atlar?
Hatayı bul
“Kapalı kapta aynı sıvı ve sıcaklık varsa,ne kadar az madde kalsa da basınç P°dir;dengeye gelince moleküller de geçiş yapmaz.” İlk eksik koşul nedir?
İlk hatayı göster
İlk hata: Sıvı-buhar doygun dengesi için yeterli toplam madde ve sıvı faz varlığını kontrol etmemek.
Tüm madde buharlaşıp doyma için yetersiz kalabilir;basınç nRT/V<P°olur. Sıvı-buhar dengesi varsa geçişler yine sürer,karşıt hızlar eşittir. Sabit makroskopik miktar moleküler durma değildir.
ÇalışılmışIItoplam0,80molSdurumundaVaynıkalıpTdeğişince yeniP°=50kPaveRT/V=60kPa/molverilsin. Eski20kPadeğerini kullanabilir miyiz;son faz/basınç ne olur?
Yeni doyma gereksinimi50/60=5/6mol,toplam0,80molbundan az. Hepsi buhar olur,P=0,80·60=48kPa<50kPa;sıvı kalmaz. Hem sıcaklığa bağlı P°hem ideal gaz katsayısı yenilenir;önceki iki-faz20kPadeğeri taşınmaz.
Dersin soruları
1Aynı saf sıvının aynıTde iki ayrı kapalı denge kaydında pozitif sıvı faz mevcut. Başka gaz yok;denge/kılcallık modeli aynı. KayıtAde yüzey alanıA,kayıtBde2A. Bde birim zamanda buharlaşan ve yoğuşan miktarların her ikisinin de daha büyük olduğu ayrıca verilmiş. Hangi yorum uygundur?
Bu soruda hata mı var?2Kurmaca saf S için doygun buhar basıncı tablosu:40°Cde18kPa,60°Cde40kPa,80°Cde75kPa. Tablodaki sıcaklıklar için dengeye yakın makroskopik kaynama modeli P°=Pdışgeçerli;hidrostatik/yüzey etkileri ihmal,sıvı faz var. Dış basınç40kPaiken ve75kPaiken kaynamaya başlama sıcaklıkları sırasıyla hangisidir?
Bu soruda hata mı var?3Kurmaca saf X için sabitTde P°=24kPa. Başka gaz bulunmayan kapalı ideal buhar modelinde toplam0,30molXvar;başlangıçVdeRT/V=60kPa/mol. Yeni denge kaydında sıcaklık ve toplam mol aynı,boşluk hacmi2V. Sıvı hacmi ihmal ve dengeye erişim var. Yeni basınç ve sıvı faz varlığı hangisidir?
Bu soruda hata mı var?Kendini dene
Tüm soruları cevapla. Bitirince puanını ve zorlandığın noktaları göreceksin.
1Kapalı, sabit sıcaklıklı bir kapta saf sıvı X ile buharı dengede ve sıvı fazı sürüyor. Kapta ayrıca X ile tepkimeye girmeyen bir gaz da var. Toplam gaz basıncı 90 kPa ölçülüyor; aynı sıcaklıkta X’in doygun buhar basıncı 35 kPa. Diğer gazın kısmi basıncı kaç kPa’dır?
2Kapalı bir kaba saf sıvı konup sabit sıcaklıkta bekleniyor. Birim zamanda buharlaşan ve yoğuşan miktarlar (aynı birimle) şöyle: 0 s: 6 ve 0; 1 s: 6 ve 3; 2 s: 6 ve 5; 3 s: 6 ve 6; 4 s: 6 ve 6. (Kayıtlar arasında dengenin ilk görüldüğü an; o anda buharlaşan miktar) hangisidir?
3Kurmaca saf Z için doygun buhar basıncı: 30 °C’de 10 kPa; 50 °C’de 25 kPa; 70 °C’de 52 kPa (her sıcaklıkta sıvı faz var). Hangi yorum tabloyla uyumludur?
4Aynı sabit sıcaklıkta ve aynı kapalı kapta (RT/V = 60 kPa/mol, sıvı hacmi ihmal, ideal buhar, başka gaz yok) saf Z için P° = 30 kPa. Üç ayrı denge kaydında toplam Z miktarı sırasıyla 0,20 mol; 0,50 mol; 0,90 mol. (Pozitif sıvı faz kalan kayıt sayısı; üç kayıttaki basınçlar sırasıyla) hangisidir?
5Sabit sıcaklıkta, sabit hacimli kapalı bir kapta yalnızca saf X bulunuyor (ideal buhar modeli, başka gaz yok). Ölçülen basınç X’in o sıcaklıktaki P° değerine eşit çıkıyor. Toplam madde miktarı ve sıvı varlığı hakkında başka bilgi yok. Aşağıdakilerden hangisi bu veriden gerekçeli olarak çıkarılabilir?
6Kurmaca saf bir sıvı iki özdeş açık kapta, aynı dış basınç altında ısıtılıyor. A kabında 200 mL sıvı ve zayıf bir ısıtıcı, B kabında 400 mL sıvı ve güçlü bir ısıtıcı var. Dengeye yakın makroskopik modelde kaynamaya başlama sıcaklıkları için hangi yorum uygundur?
7Kurmaca saf W için doygun buhar basıncı: 50 °C’de 12 kPa; 60 °C’de 20 kPa; 70 °C’de 31 kPa; 80 °C’de 47 kPa. Dış basıncın 31 kPa olduğu bir ortamda W sıvısı 60 °C’de tutuluyor (dengeye yakın makroskopik model, hidrostatik/yüzey etkileri ihmal). Hangi yorum uygundur?
8Sabit sıcaklıkta kapalı bir kapta saf Z sıvısı ve buharı dengede; P° = 15 kPa ve sıvı hacmi ihmal edilebilir. Boşluk hacmi V’den 3V’ye çıkarılıyor; sıvının bir kısmı buharlaşıp yeniden denge kuruluyor ve yeterli sıvı kalıyor. (Yeni basınç; buhar molünün başlangıca göre durumu) hangisidir?
9Sabit sıcaklıkta kapalı sabit hacimli bir kapta 0,30 mol tepkimeye girmeyen gaz ve toplam 0,45 mol saf X bulunuyor (ideal gaz/buhar modeli, sıvı hacmi ihmal, denge kuruluyor). Bu sıcaklıkta X için P° = 30 kPa ve RT/V = 50 kPa/mol. Toplam gaz basıncı kaç kPa’dır?
10Kurmaca saf X ve Y sıvıları aynı dış basınç olan 40 kPa altında ısıtılıyor. 60 °C’de doygun buhar basınçları X için 30 kPa, Y için 55 kPa; iki madde için de P° sıcaklıkla artıyor. Hangi madde daha düşük sıcaklıkta kaynamaya başlar ve gerekçe nedir?
Aklında kaldı mı?
Yüzey alanı artınca denge buhar basıncı neden otomatik artmaz?
Aynı saf sıvı,Tve sıvı fazı koşulunda basit modelin P°değeri aynıdır. Alan hızları/dengeye yaklaşmayı etkileyebilir;hız ile denge değeri ayrı niceliklerdir.
Buharlaşma ve kaynamada dış basınç koşulu nasıl ayrılır?
Yüzey buharlaşması kaynama sıcaklığının altında da olabilir. Dengeye yakın makroskopik saf sıvı kaynaması içinP°(T)=Pdışkullanılır;bu şart ve faz/ihmal koşulları açık olmalıdır.
Kaynak ve kontrol durumu
Bu ders Hepnot için hazırlandı; üçüncü taraf soru kitabından soru veya görsel aktarılmadı. Bu, başka içerikle benzerlik olmadığının garantisi değildir.
Branş editörü incelemesi ve müfredat eşleştirmesi sürüyor; bu nedenle ders taslak olarak işaretlidir.
Müfredat için başvurulacak kaynak: MEB öğretim programları.