Virimo Taško Skaičiuoklė | Antuano Lygties Įrankis

Kas yra virimo temperatūros skaičiuoklė?

Virimo temperatūros skaičiuoklė nustato temperatūrą, kurioje skystis virsta dujomis esant pasirinktam slėgiui. Ji tinka vandeniui ir kitiems gryniems skysčiams, o skaičiavimai atliekami pagal formulę, vadinamą Antuano lygtimi. Įveskite medžiagą ir slėgį, o skaičiuoklė pateiks temperatūrą, kurioje tas skystis verda.

Kaip slėgis keičia virimo temperatūrą

Skystis verda tada, kai jo garų slėgis, tai yra nuo paviršiaus pasišalinančių dujų slėgis, tampa lygus virš jo esančio oro arba dujų slėgiui. Sumažinus išorinį slėgį, skysčiui šiai pusiausvyrai pasiekti reikia mažiau šilumos, todėl jis verda žemesnėje temperatūroje. Padidinus slėgį, skysčiui reikia daugiau šilumos, todėl jis verda aukštesnėje temperatūroje.

Todėl jūros lygyje, kur standartinis atmosferos slėgis yra 1 atm (760 mmHg), vanduo verda esant 100 °C (212°F), o kalnuose, kur oras retesnis, verda žemesnėje nei 100 °C temperatūroje. Tai taip pat paaiškina, kodėl greitpuodyje maistas išverda greičiau. Susikaupę garai padidina slėgį puodo viduje, todėl padidėja vandens virimo temperatūra ir maistas išverda aukštesnėje temperatūroje, nei virtų atvirame puode.

Virimo temperatūra taip pat priklauso nuo pačios medžiagos. Molekulėms, kurias laiko stiprios sąveikos jėgos, pavyzdžiui, vandeniliniai ryšiai, jungiantys vandens molekules, atsiskirti reikia daugiau energijos, todėl jos verda aukštesnėje temperatūroje nei molekulės, tarp kurių veikiančios jėgos yra silpnesnės.

Antuano lygties formulė

Skaičiuoklė naudoja Antuano lygtį – formulę, siejančią skysčio garų slėgį su jo temperatūra:

log₁₀(P) = A − B / (T + C)

P yra garų slėgis gyvsidabrio stulpelio milimetrais (mmHg). T yra temperatūra Celsijaus laipsniais. A, B ir C yra kiekvienai medžiagai būdingos konstantos, nustatomos laboratoriniais matavimais.

Norint rasti virimo temperatūrą esant pasirinktam slėgiui, lygtis pertvarkoma taip, kad būtų apskaičiuota T:

T = B / (A − log₁₀(P)) − C

Kiekvienos medžiagos konstantos yra tikslios tik tam tikrame temperatūros intervale, paprastai tame, kuriame jos buvo išmatuotos. Už šio intervalo ribų lygties prognozės tampa nepatikimos, todėl skaičiuoklė pažymi bet kurį rezultatą, nepatenkantį į konkrečiai medžiagai ištirtą intervalą.

Kaip apskaičiuoti virimo temperatūrą

1. Pasirinkite medžiagą, pavyzdžiui, vandenį, etanolį arba tolueną, arba įveskite kitam skysčiui skirtas pasirinktines A, B ir C konstantas.
2. Įveskite slėgį ir pasirinkite jo vienetą: atm, mmHg, kPa, psi arba bar.
3. Pasirinkite atsakymo vienetą: Celsijaus, Farenheito arba Kelvino laipsniai.
4. Perskaitykite apskaičiuotą virimo temperatūrą. Skaičiuoklė taip pat nubraižo slėgio ir temperatūros kreivę bei pažymi joje gautą rezultatą.

Išspręstas pavyzdys

Vanduo dideliame aukštyje

5 000 pėdų aukštyje atmosferos slėgis yra maždaug 0,83 atm, arba 630,8 mmHg. Naudojant vandens Antuano konstantas (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)

Tai yra maždaug 5 °C mažiau už vandens virimo temperatūrą jūros lygyje, lygią 100 °C. Receptui, kuriame nurodyta tam tikrą minučių skaičių virinti vandenį jūros lygyje, šiame aukštyje reikia daugiau laiko, nes vanduo yra vėsesnis.

Etanolio distiliavimas sumažintame slėgyje

Distiliuojant etanolį esant 0,5 atm, arba 380 mmHg, ir naudojant jo konstantas (A = 8,20417, B = 1642,89, C = 230,3), gaunama:

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

Įprastai etanolis verda esant 78 °C temperatūrai ir 1 atm slėgiui. Verdant jį žemesnėje temperatūroje sumažintame slėgyje, sunaudojama mažiau energijos ir sumažėja rizika distiliuojant prideginti karščiui jautrius mišinius.

Tolueno vakuuminis distiliavimas

Laboratorinis vakuuminis siurblys gali sumažinti slėgį iki 50 mmHg, tai yra maždaug 0,066 atm. Naudojant tolueno konstantas (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)

Įprastai toluenas verda esant 111 °C temperatūrai ir 1 atm slėgiui. Vakuume jis verda vos 36,4 °C temperatūroje, todėl chemikai gali išgryninti karščiui jautrius junginius nenaudodami didesnio karščio, kuris juos suskaidytų.

Kur naudojami virimo temperatūros skaičiavimai

Chemijos ir farmacijos gamyklos juos naudoja planuodamos distiliavimą – skysčių atskyrimo procesą, pagrįstą skirtingomis jų virimo temperatūromis. Virėjai koreguoja receptus dideliame aukštyje, nes ten vanduo verda žemesnėje temperatūroje. Šaldymo įrangos inžinieriai šaltnešius iš dalies renkasi pagal jų virimo temperatūrą esant darbiniam slėgiui. Vakuuminės krosnys ir liofilizatoriai taiko tą patį principą: sumažinus slėgį, sumažėja temperatūra, reikalinga vandeniui iš medžiagos pašalinti.

Antuano lygtis ir kiti metodai

Antuano lygtis yra supaprastinta fundamentalesnio ryšio, vadinamo Klauzijaus ir Klapeirono lygtimi, versija; šiai lygčiai reikia papildomų duomenų, pavyzdžiui, medžiagos garavimo šilumos. Vagnerio lygtis apima platesnius temperatūros intervalus, tačiau jai reikia daugiau konstantų. NIST garo lentelėse pateikiamos labai tikslios vandens vertės, bet jose nėra duomenų apie kitas medžiagas. Daugumai kasdienių ir inžinerinių skaičiavimų su įprastais skysčiais Antuano lygtis gerai suderina paprastumą ir tikslumą: ištirtame intervale jos vertės paprastai skiriasi nuo išmatuotų ne daugiau kaip 1–2%.

Dažnai užduodami klausimai

Kaip apskaičiuoti skysčio virimo temperatūrą?

Raskite medžiagos Antuano konstantas (A, B ir C) ir naudokite T = B / (A − log₁₀(P)) − C, kai slėgis P išreikštas mmHg. Skaičiuoklė tai automatiškai atlieka įprastoms medžiagoms arba bet kuriam naudotojo įvestam pasirinktiniam konstantų rinkiniui.

Kokia yra vandens virimo temperatūra esant standartiniam slėgiui?

Vanduo verda esant 100 °C (212°F) temperatūrai ir 1 atm, arba 760 mmHg slėgiui – tai standartinis atmosferos slėgis jūros lygyje.

Kodėl dideliame aukštyje vanduo verda žemesnėje temperatūroje?

Didėjant aukščiui oro slėgis mažėja. Mažesnis slėgis reiškia, kad vandens garų slėgis aplinkos slėgį pasiekia anksčiau, esant žemesnei temperatūrai. Apytiksliai virimo temperatūra sumažėja maždaug 1 °C kas 285 metrų (935 pėdų) pakilus į aukštį.

Kodėl skirtingi skysčiai verda skirtingoje temperatūroje?

Virimo temperatūra priklauso nuo to, kaip stipriai skysčio molekulės traukia viena kitą. Medžiagoms, kuriose veikia stiprios tarpmolekulinės sąveikos, pavyzdžiui, vandeniliniai ryšiai vandenyje, šiems ryšiams nutraukti ir medžiagai užvirti reikia daugiau šilumos energijos, todėl jų virimo temperatūra yra aukštesnė nei medžiagų, kuriose sąveikos silpnesnės, pavyzdžiui, heksano.

Ar Antuano lygtis tinka mišiniams?

Ne. Ji taikoma tik grynosioms medžiagoms. Mišiniams reikia kitų priemonių, pavyzdžiui, Raoult'o dėsnio arba aktyvumo koeficientų modelių, nes kiekvienas komponentas keičia kitų komponentų garų slėgį.

Kiek tiksli yra Antuano lygtis?

Medžiagos ištirtame temperatūros intervale ji paprastai atitinka išmatuotas virimo temperatūras, kurių skirtumas neviršija 1–2%. Už šio intervalo ribų arba netoli medžiagos kritinio taško jos tikslumas sumažėja, todėl į nurodytą intervalą nepatenkantį rezultatą reikėtų vertinti atsargiai.