Kiehumispisteen Laskuri | Antoine-yhtälön Työkalu

Mikä on kiehumispistelaskuri?

Kiehumispistelaskuri määrittää lämpötilan, jossa neste muuttuu kaasuksi valitussa paineessa. Se toimii vedelle ja muille puhtaille nesteille käyttämällä Antoine-yhtälöksi kutsuttua kaavaa. Syötä aine ja paine, niin laskuri palauttaa lämpötilan, jossa neste kiehuu.

Miten paine muuttaa kiehumispistettä

Neste kiehuu, kun sen höyrynpaine eli pinnalta poistuvan kaasun paine on yhtä suuri kuin sen yläpuolella olevan ilman tai kaasun paine. Kun ulkoinen paine pienenee, neste tarvitsee vähemmän lämpöä saavuttaakseen tämän tasapainon, joten se kiehuu alemmassa lämpötilassa. Kun paine kasvaa, neste tarvitsee enemmän lämpöä ja kiehuu korkeammassa lämpötilassa.

Siksi vesi kiehuu merenpinnan tasolla lämpötilassa 100 °C (212 °F), jossa normaali ilmanpaine on 1 atm (760 mmHg), mutta vuorella alle 100 °C:ssa, koska ilma on siellä ohuempaa. Tämä selittää myös, miksi painekattila kypsentää ruoan nopeammin. Kattilaan jäävä höyry nostaa painetta kattilan sisällä, mikä nostaa veden kiehumispistettä, joten ruoka kypsyy korkeammassa lämpötilassa kuin avoimessa kattilassa.

Kiehumispiste riippuu myös itse aineesta. Molekyylit, joita voimakkaat voimat, kuten vesimolekyylien väliset vetysidokset, pitävät yhdessä, tarvitsevat enemmän energiaa erottuakseen toisistaan, joten ne kiehuvat korkeammissa lämpötiloissa kuin molekyylit, joiden väliset voimat ovat heikompia.

Antoine-yhtälön kaava

Laskuri käyttää Antoine-yhtälöä, joka yhdistää nesteen höyrynpaineen sen lämpötilaan:

log₁₀(P) = A − B / (T + C)

P on höyrynpaine elohopeamillimetreinä (mmHg). T on lämpötila Celsius-asteina. A, B ja C ovat kullekin aineelle ominaisia vakioita, jotka määritetään laboratoriomittauksilla.

Kun kiehumispiste halutaan määrittää valitussa paineessa, yhtälö järjestetään uudelleen T:n ratkaisemiseksi:

T = B / (A − log₁₀(P)) − C

Kunkin aineen vakiot ovat tarkkoja vain tietyllä lämpötila-alueella, yleensä sillä alueella, jolla ne on mitattu. Tämän alueen ulkopuolella yhtälön ennusteista tulee epäluotettavia, joten laskuri ilmoittaa, jos tulos jää aineelle määritetyn testatun alueen ulkopuolelle.

Kiehumispisteen laskeminen

1. Valitse aine, kuten vesi, etanoli tai tolueeni, tai syötä toisen nesteen mukautetut A-, B- ja C-vakiot.
2. Syötä paine ja valitse sen yksikkö: atm, mmHg, kPa, psi tai bar.
3. Valitse vastauksen yksiköksi Celsius, Fahrenheit tai Kelvin.
4. Lue laskettu kiehumispiste. Laskuri piirtää myös paineen ja lämpötilan välisen käyrän ja merkitsee tuloksen siihen.

Laskuesimerkki

Vesi korkealla merenpinnan yläpuolella

Korkeudessa 5 000 jalkaa (1 500 m) ilmanpaine on noin 0,83 atm eli 630,8 mmHg. Kun käytetään veden Antoine-vakioita (A = 8,07131, B = 1730,63, C = 233,426):

log₁₀(630,8) = 2,800 T = 1730,63 / (8,07131 − 2,800) − 233,426 = 94,9 °C (202,8 °F)

Se on noin 5 °C alempi kuin veden kiehumispiste merenpinnan tasolla, joka on 100 °C. Resepti, jossa vettä käsketään keittää tietyn minuuttimäärän ajan merenpinnan tasolla, vaatii tällä korkeudella pidemmän ajan, koska vesi on viileämpää.

Etanolin tislaus alennetussa paineessa

Etanolin tislaus paineessa 0,5 atm eli 380 mmHg sen vakioilla (A = 8,20417, B = 1642,89, C = 230,3) antaa tulokseksi:

log₁₀(380) = 2,580 T = 1642,89 / (8,20417 − 2,580) − 230,3 = 61,8 °C (143,2 °F)

Etanoli kiehuu tavallisesti lämpötilassa 78 °C paineessa 1 atm. Sen kiehuttaminen alhaisemmassa lämpötilassa alennetussa paineessa kuluttaa vähemmän energiaa ja pienentää lämpöherkkien seosten kärähtämisen riskiä tislauksen aikana.

Tolueenin tyhjötislaus

Laboratorion tyhjiöpumppu voi laskea paineen arvoon 50 mmHg, joka on noin 0,066 atm. Kun käytetään tolueenin vakioita (A = 6,95464, B = 1344,8, C = 219,482):

log₁₀(50) = 1,699 T = 1344,8 / (6,95464 − 1,699) − 219,482 = 36,4 °C (97,5 °F)

Tolueeni kiehuu tavallisesti lämpötilassa 111 °C paineessa 1 atm. Tyhjiössä se kiehuu vain lämpötilassa 36,4 °C, jolloin kemistit voivat puhdistaa lämpöherkkiä yhdisteitä ilman suurempaa lämpöä, joka hajottaisi ne.

Kiehumispistelaskelmien käyttökohteet

Kemian- ja lääketeollisuuden tuotantolaitokset käyttävät niitä tislauksen suunnitteluun; tislauksessa nesteitä erotetaan niiden erilaisten kiehumispisteiden perusteella. Kokit muuttavat reseptejä korkealla sijaitsevilla alueilla, koska vesi kiehuu siellä alemmassa lämpötilassa. Kylmätekniikan insinöörit valitsevat kylmäaineita osittain niiden kiehumispisteen perusteella käyttöpaineissa. Tyhjiöuunit ja pakastekuivaimet käyttävät samaa periaatetta: paineen alentaminen laskee lämpötilaa, joka tarvitaan veden poistamiseen materiaalista.

Antoine-yhtälö verrattuna muihin menetelmiin

Antoine-yhtälö on yksinkertaistettu versio perustavanlaatuisemmasta yhteydestä, jota kutsutaan Clausius–Clapeyronin yhtälöksi ja joka tarvitsee lisätietoja, kuten aineen höyrystymislämmön. Wagnerin yhtälö kattaa laajemmat lämpötila-alueet, mutta tarvitsee enemmän vakioita. NIST:n höyrytaulukot antavat erittäin tarkat arvot vedelle, mutta eivät kata muita aineita. Useimpiin arjen ja tekniikan laskelmiin tavallisilla nesteillä Antoine-yhtälö tarjoaa hyvän tasapainon yksinkertaisuuden ja tarkkuuden välillä: testatulla alueella sen tulokset poikkeavat mitatuista arvoista yleensä enintään 1–2%.

Usein kysyttyä

Miten nesteen kiehumispiste lasketaan?

Selvitä aineen Antoine-vakiot (A, B ja C) ja käytä kaavaa T = B / (A − log₁₀(P)) − C, jossa paine P ilmoitetaan elohopeamillimetreinä. Laskuri tekee tämän automaattisesti tavallisille aineille tai mille tahansa käyttäjän syöttämälle vakiokokoelmalle.

Mikä on veden kiehumispiste normaalipaineessa?

Vesi kiehuu lämpötilassa 100 °C (212 °F) paineessa 1 atm eli 760 mmHg, joka on merenpinnan tasolla vallitseva normaali ilmanpaine.

Miksi vesi kiehuu korkealla merenpinnan yläpuolella alemmassa lämpötilassa?

Ilmanpaine laskee korkeuden kasvaessa. Alemmassa paineessa veden höyrynpaine saavuttaa ympäröivän paineen nopeammin ja alemmassa lämpötilassa. Karkeana nyrkkisääntönä kiehumispiste laskee noin 1 °C jokaista 285 metriä (935 jalkaa) kohden, kun korkeutta kertyy lisää.

Miksi eri nesteet kiehuvat eri lämpötiloissa?

Kiehumispiste riippuu siitä, kuinka voimakkaasti nesteen molekyylit vetävät toisiaan puoleensa. Aineiden, joiden molekyylien väliset voimat ovat voimakkaita, kuten veden vetysidokset, sidosten rikkomiseen ja kiehumiseen tarvitaan enemmän lämpöenergiaa, joten niiden kiehumispisteet ovat korkeampia kuin aineilla, joiden voimat ovat heikompia, kuten heksaanilla.

Toimiiko Antoine-yhtälö seoksille?

Ei. Se koskee vain puhtaita aineita. Seokset tarvitsevat muita menetelmiä, kuten Raoult'n lain tai aktiivisuuskertoimiin perustuvia malleja, koska kukin komponentti muuttaa muiden komponenttien höyrynpainetta.

Kuinka tarkka Antoine-yhtälö on?

Aineen testatulla lämpötila-alueella se vastaa mitattuja kiehumispisteitä yleensä 1–2%:n tarkkuudella. Tämän alueen ulkopuolella tai lähellä aineen kriittistä pistettä sen tarkkuus heikkenee, joten ilmoitetun alueen ulkopuoliseen tulokseen on suhtauduttava varoen.