เอทานอลเป็นส่วนประกอบหลักในเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ วอดก้าธรรมดาราคา 40% ของมัน ในชีวิตประจำวันเรียกว่าสุรา แม้ว่าในความเป็นจริงแล้วคำนี้เป็นลักษณะของสารอินทรีย์จำนวนมาก จุดเดือดของแอลกอฮอล์ที่ความดันปกติคือ 78.3 องศาเซลเซียส สิ่งนี้ใช้ได้กับเอทานอลที่ไม่เจือปนเท่านั้น จุดเดือดของสารละลายแอลกอฮอล์มักจะลดลงเล็กน้อย ในบทความนี้เราจะเข้าใจว่าเอทานอลคืออะไร เราจะหารือเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภาพและเคมี คุณลักษณะของการผลิตและการใช้งาน เราจะไม่ข้ามคำถามหลักเกี่ยวกับจุดเดือดของแอลกอฮอล์

ข้อมูลทั่วไป

เอทานอลเป็นหนึ่งในแอลกอฮอล์ที่มีชื่อเสียงที่สุด องค์ประกอบของโมเลกุลประกอบด้วยธาตุต่างๆ เช่น คาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจน สูตรทางเคมีของเอทานอลคือ C 2 H 6 O เป็นของเหลวไม่มีสีมีกลิ่นแอลกอฮอล์เฉพาะ มันเบากว่าน้ำ จุดเดือดของแอลกอฮอล์อยู่ที่ 78.39 องศาเซลเซียส แต่นี่คือความดันปกติ จุดเดือดของแอลกอฮอล์ที่ผ่านการแก้ไขคือ 78.15 องศาเซลเซียส ประกอบด้วยน้ำ 4.43% จุดเดือดของเอทิลแอลกอฮอล์ยิ่งเจือจางมากเท่าไร

ประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวันและอุตสาหกรรม

เอทิลแอลกอฮอล์เป็นตัวทำละลายที่ดีเยี่ยม ผลิตโดยการหมักน้ำตาลกับยีสต์ ในหลายหมู่บ้านของประเทศหลังยุคโซเวียตยังคงทำที่บ้าน เครื่องดื่มแอลกอฮอล์ที่เกิดขึ้นเรียกว่าแสงจันทร์ เอทิลแอลกอฮอล์เป็นยาคลายเครียดที่เก่าแก่ที่สุดที่มนุษย์ใช้ อาจทำให้เกิดอาการมึนเมาจากแอลกอฮอล์หากบริโภคในปริมาณมาก

เอทานอลเป็นสารระเหยไวไฟ ใช้ในครัวเรือนและอุตสาหกรรมเป็นน้ำยาฆ่าเชื้อ ตัวทำละลาย เชื้อเพลิง และของเหลวที่ใช้งานในเทอร์โมมิเตอร์แบบไม่มีปรอท (แช่แข็งที่อุณหภูมิ -114 องศาเซลเซียส)

จุดเดือดของแอลกอฮอล์ต่อความดัน

เมื่อมีการระบุคุณสมบัติทางกายภาพของสารในหนังสืออ้างอิง ต้องเข้าใจว่าการวัดทั้งหมดนี้ทำขึ้นภายใต้สภาวะปกติที่เรียกว่า เมื่อความดันเพิ่มขึ้น จุดเดือดของเอทานอลจะลดลง วันนี้คุณสามารถค้นหาตารางจำนวนมากที่ให้ข้อมูลอ้างอิงเกี่ยวกับปัญหานี้ ที่ 780 mmHg เอทานอลเดือดที่ 78.91 องศาเซลเซียส ที่ 770 - 78.53ºC ที่ 760 - 78.15ºC ที่ 750 - 77.77ºC ที่ 740 - 77.39ºC ที่ 720 - 76.63ºC

จุดเดือดของเมทิลแอลกอฮอล์

CH 3 OH เดิมผลิตเป็นผลพลอยได้จากการกลั่นแบบทำลายเนื้อไม้ จนถึงปัจจุบันได้รับโดยตรงจากคาร์บอนไดออกไซด์และไฮโดรเจน มีกลิ่นคล้ายกับเอธานอลมาก อย่างไรก็ตาม เมทานอลมีความเป็นพิษสูงและอาจทำให้มนุษย์เสียชีวิตได้ จุดเดือดของแอลกอฮอล์อยู่ที่ 64.7 องศาเซลเซียส ใช้เป็นสารป้องกันการแข็งตัวและตัวทำละลาย นอกจากนี้ยังใช้สำหรับการผลิตเชื้อเพลิงไบโอดีเซล

ประวัติการผลิต

การหมักน้ำตาลเพื่อผลิตเอทานอลเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีชีวภาพที่เก่าแก่ที่สุดในการให้บริการแก่มนุษยชาติ ผลกระทบของเครื่องดื่มที่ทำให้มึนเมาเป็นที่รู้จักกันมาตั้งแต่สมัยโบราณ ผู้คนมักจะชอบสถานะของจิตสำนึกที่เปลี่ยนแปลงซึ่งเป็นสาเหตุ เมื่อ 9,000 ปีที่แล้ว ชาวจีนรู้จักเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ การกลั่นเป็นกระบวนการเป็นที่รู้จักกันดีในหมู่ชาวอาหรับและชาวกรีก แต่พวกเขามีไวน์เพียงพอ นักเล่นแร่แปรธาตุเรียนรู้ที่จะผลิตแอลกอฮอล์จากมันในศตวรรษที่ 12 เท่านั้น เอทานอลถูกผลิตขึ้นเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2368 โดย Michael Faraday เท่านั้น

เคมีและยา

เอทานอลส่วนใหญ่ใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตสารอื่น ๆ และเป็นตัวทำละลาย เป็นหนึ่งในส่วนประกอบของสารเคมีในครัวเรือนจำนวนมากที่ใช้ในชีวิตประจำวัน เอทานอลพบในที่ปัดน้ำฝนและสารป้องกันการแข็งตัว ในทางการแพทย์ใช้เป็นน้ำยาฆ่าเชื้อที่ง่ายที่สุด ฆ่าเชื้อได้ดีและทำให้แผลแห้ง นอกจากนี้ยังใช้ทำทิงเจอร์และสารสกัดทุกชนิด นอกจากนี้ยังทำให้เย็นและอุ่นได้ดี ในกรณีที่ไม่มียาอื่น มันถูกใช้เป็นยาสลบ

สังคมและวัฒนธรรม

การศึกษาที่ตีพิมพ์ในปี 2545 พบว่า 41% ของการเสียชีวิตจากอุบัติเหตุทางรถยนต์เกิดจากการเมาแล้วขับ ปริมาณแอลกอฮอล์ในเลือดของผู้ขับขี่ยิ่งสูงเท่าใดก็ยิ่งมีความเสี่ยงมากขึ้นเท่านั้น การใช้เครื่องดื่มแอลกอฮอล์มีประวัติอันยาวนาน การศึกษาจำนวนมากได้ทุ่มเทให้กับปรากฏการณ์ทางสังคมนี้ กระบวนการดื่มเครื่องดื่มแอลกอฮอล์และความมึนเมาได้อธิบายไว้ในงานศิลปะหลายชิ้น ภาพยนตร์ปีใหม่ชื่อดังเรื่อง The Irony of Fate หรือ Enjoy Your Bath! อุทิศให้กับผลของการใช้แอลกอฮอล์ในทางที่ผิดแม้ว่าจะอยู่ในรูปแบบตลกขบขันก็ตาม คนที่มีความคิดสร้างสรรค์หลายคนใช้แอลกอฮอล์เป็นองค์ประกอบที่จำเป็นในการสร้างสรรค์แนวคิดใหม่ๆ หรือเป็นวิธีง่ายๆ ในการเอาชนะความเครียด การดื่มในระดับปานกลางเป็นที่ยอมรับและพึงปรารถนาในวัฒนธรรมสมัยใหม่ส่วนใหญ่ การดื่มสุราเป็นประเพณีในเทศกาลต่างๆ ข้อยกเว้นคืออิสลาม ตามกฎของศาสนานี้การใช้เครื่องดื่มแอลกอฮอล์ถือเป็นบาปมหันต์

โรคพิษสุราเรื้อรังและผลที่ตามมา

ดื่มมากเกินไปเป็นโรค เป็นลักษณะการพึ่งพาทางร่างกายและจิตใจกับวอดก้าหรือเครื่องดื่มที่มีแอลกอฮอล์อื่น ๆ ซึ่งเป็นการใช้สารเสพติดชนิดหนึ่ง ผู้ติดสุราจะควบคุมปริมาณการดื่มไม่ได้ พวกเขาต้องการความสุขมากขึ้นเรื่อย ๆ เป็นที่เชื่อกันว่าการปรับปรุงความเป็นอยู่ที่ดีของประชากรนำไปสู่การเพิ่มการบริโภคเครื่องดื่มแอลกอฮอล์เท่านั้น เป็นครั้งแรกที่แพทย์ชาวสวีเดน M. Huss ได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับโรคพิษสุราเรื้อรังในปี พ.ศ. 2392 เขาแยกการเปลี่ยนแปลงทางพยาธิวิทยาจำนวนหนึ่งที่ปรากฏในบุคคลที่มีการใช้แอลกอฮอล์อย่างเป็นระบบ ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์วาดเส้นแบ่งที่ชัดเจนระหว่างความมึนเมาและโรคพิษสุราเรื้อรัง ประการที่สองคือโรคที่บุคคลนั้นไม่สามารถรับมือได้ มันต้องผ่านหลายขั้นตอนในการพัฒนา ในแต่ละขั้นตอนใหม่ มีการพึ่งพาเพิ่มขึ้นทีละน้อย ผู้ป่วยต้องการยาเพิ่มขึ้น ความมึนเมาจากแอลกอฮอล์แบบค่อยเป็นค่อยไปนำไปสู่ความผิดปกติของร่างกาย สัญญาณเริ่มต้นของการพึ่งพาทางร่างกายและจิตใจ ได้แก่ การสูญเสียการควบคุมการใช้งานและลักษณะของการดื่มสุรา บุคคลที่เป็นโรคพิษสุราเรื้อรังรุนแรงนั้นแตกต่างจากการทำงานผิดปกติของอวัยวะภายในและความผิดปกติทางจิต

การรักษาและการป้องกัน

จำเป็นต้องใช้ยาเพื่อต่อสู้กับการติดแอลกอฮอล์ ประการแรก จำเป็นต้องใช้ยาเพื่อกำจัดความผิดปกติในร่างกาย ประการที่สองจำเป็นต้องใช้ยาที่ไม่เข้ากันกับแอลกอฮอล์ ผู้ป่วยได้รับทราบว่าการดื่มสุราในระหว่างการรักษาอาจทำให้ผู้ป่วยเสียชีวิตได้ นอกจากนี้นักจิตวิทยาจะต้องทำงานร่วมกับผู้ป่วย งานของพวกเขาคือรวมผลของการรักษาและสร้างภาพลักษณ์เชิงลบของความมึนเมา ข้อบังคับคือการฟื้นฟูทางสังคมของผู้ติดสุราในอดีต มันเป็นสิ่งสำคัญที่จะช่วยให้บุคคลหาสถานที่ของเขาในสังคมเพื่อคืนครอบครัว คนมีความสุขไม่เมา ดังนั้นการรักษาโรคพิษสุราเรื้อรังจึงขึ้นอยู่กับทักษะของนักจิตวิทยามากกว่า

สถานะของสสาร

ไอเหล็กและอากาศที่เป็นของแข็ง

เป็นคำรวมที่แปลกไม่ใช่หรือ? อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่เรื่องไร้สาระเลย: ทั้งไอเหล็กและอากาศแข็งมีอยู่ในธรรมชาติ แต่ไม่ใช่ในสภาวะปกติ

เรากำลังพูดถึงเงื่อนไขอะไร สถานะของสสารถูกกำหนดโดยสองสถานการณ์: อุณหภูมิและความดัน

ชีวิตของเราเกิดขึ้นในสภาวะที่เปลี่ยนแปลงค่อนข้างน้อย ความกดอากาศผันผวนภายในสองสามเปอร์เซ็นต์รอบๆ บรรยากาศหนึ่ง อุณหภูมิของอากาศในพื้นที่มอสโกอยู่ในช่วงตั้งแต่ -30 ถึง + 30 ° C; ในระดับอุณหภูมิสัมบูรณ์ซึ่งอุณหภูมิต่ำสุดที่เป็นไปได้ (-273 ° C) ถือเป็นศูนย์ ช่วงเวลานี้จะดูน่าประทับใจน้อยลง: 240-300 K ซึ่งเป็นเพียง ±10% ของค่าเฉลี่ย

เป็นเรื่องธรรมดาที่เราเคยชินกับสภาวะปกติเหล่านี้ ดังนั้นเมื่อเราพูดความจริงง่ายๆ เช่น "เหล็กเป็นของแข็ง อากาศเป็นแก๊ส" ฯลฯ เราจึงลืมเติมคำว่า "ภายใต้สภาวะปกติ"

ถ้าเหล็กถูกทำให้ร้อน มันจะละลายก่อนแล้วจึงระเหย หากอากาศเย็นลง ในตอนแรกมันจะกลายเป็นของเหลว แล้วจึงแข็งตัว

แม้ว่าผู้อ่านจะไม่เคยพบกับไอของเหล็กและอากาศที่เป็นของแข็งก็ตามแต่เขาคงจะเชื่อได้ง่ายว่าสสารใดๆ ก็ตาม โดยการเปลี่ยนอุณหภูมิสามารถรับได้ในสถานะของแข็ง ของเหลว และก๊าซ หรือตามที่พูดกันว่าอยู่ในสถานะของแข็ง ของเหลว หรือเฟสก๊าซ

เป็นเรื่องง่ายที่จะเชื่อในเรื่องนี้เพราะสสารชนิดหนึ่งซึ่งหากไม่มีสิ่งมีชีวิตบนโลกจะเป็นไปไม่ได้ ทุกคนสังเกตเห็นทั้งในรูปของก๊าซและของเหลว และในรูปของวัตถุที่เป็นของแข็ง แน่นอนว่าเรากำลังพูดถึงน้ำ

อะไรคือเงื่อนไขที่สารจะเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปสู่อีกสถานะหนึ่ง?

เดือด

หากเราลดเทอร์โมมิเตอร์ลงในน้ำที่เทลงในกาต้มน้ำ เปิดเตาไฟฟ้า และตรวจสอบปรอทของเทอร์โมมิเตอร์ เราจะเห็นสิ่งต่อไปนี้ ระดับของปรอทจะพุ่งสูงขึ้นแทบจะในทันที อุณหภูมิอยู่ที่ 90, 95 และในที่สุดก็ถึง 100°C น้ำเดือดและในเวลาเดียวกันการเพิ่มขึ้นของปรอทก็หยุดลง น้ำเดือดเป็นเวลาหลายนาที แต่ระดับปรอทไม่เปลี่ยนแปลง จนกว่าน้ำจะเดือด อุณหภูมิจะไม่เปลี่ยนแปลง (รูปที่ 4.1)

ข้าว. 4.1

ความร้อนจะไปไหนถ้าอุณหภูมิของน้ำไม่เปลี่ยนแปลง? คำตอบนั้นชัดเจน กระบวนการเปลี่ยนน้ำให้เป็นไอน้ำต้องใช้พลังงาน

ลองเปรียบเทียบพลังงานของน้ำหนึ่งกรัมกับไอน้ำหนึ่งกรัมที่เกิดขึ้นจากมัน โมเลกุลของไอน้ำอยู่ห่างกันมากกว่าโมเลกุลของน้ำ เป็นที่ชัดเจนว่าด้วยเหตุนี้ พลังงานศักย์ของน้ำจะแตกต่างจากพลังงานศักย์ของไอน้ำ

พลังงานศักย์ของอนุภาคที่ดึงดูดจะลดลงเมื่อพวกมันเข้าใกล้กัน ดังนั้น พลังงานของไอน้ำจึงมากกว่าพลังงานของน้ำ และการเปลี่ยนน้ำให้เป็นไอน้ำต้องใช้พลังงาน พลังงานส่วนเกินนี้ถูกสื่อสารโดยเตาไฟฟ้าไปยังน้ำเดือดในกาต้มน้ำ

พลังงานที่จำเป็นในการเปลี่ยนน้ำให้เป็นไอน้ำ เรียกว่าความร้อนของการกลายเป็นไอ ต้องใช้ 539 แคลอรีในการเปลี่ยนน้ำ 1 กรัมให้เป็นไอน้ำ (นี่คือตัวเลขสำหรับอุณหภูมิ 100°C)

หาก 539 แคลไปที่ 1 กรัม 18 * 539 \u003d 9700 แคลจะถูกใช้กับน้ำ 1 โมล ต้องใช้ความร้อนจำนวนนี้เพื่อทำลายพันธะระหว่างโมเลกุล

คุณสามารถเปรียบเทียบตัวเลขนี้กับปริมาณงานที่ต้องใช้ในการทำลายพันธะภายในโมเลกุล ในการแยกไอน้ำ 1 โมลออกเป็นอะตอม ต้องใช้พลังงานประมาณ 220,000 แคลอรี นั่นคือพลังงานเพิ่มขึ้น 25 เท่า นี่เป็นข้อพิสูจน์โดยตรงถึงความอ่อนแอของแรงที่ยึดเหนี่ยวโมเลกุลเข้าด้วยกัน เมื่อเทียบกับแรงที่ดึงอะตอมมารวมกันเป็นโมเลกุล

อุณหภูมิเดือดกับความดัน

จุดเดือดของน้ำคือ 100°C; บางคนอาจคิดว่านี่เป็นคุณสมบัติโดยธรรมชาติของน้ำ น้ำนั้นไม่ว่าจะอยู่ที่ใดและภายใต้สภาวะใด จะเดือดที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียสเสมอ

แต่ก็ไม่เป็นเช่นนั้น และชาวหมู่บ้านบนภูเขาสูงก็รู้เรื่องนี้ดี

ใกล้จุดสูงสุดของ Elbrus มีบ้านสำหรับนักท่องเที่ยวและสถานีวิทยาศาสตร์ ผู้เริ่มต้นบางครั้งสงสัยว่า "การต้มไข่ในน้ำเดือดนั้นยากเพียงใด" หรือ "ทำไมน้ำเดือดจึงไม่ไหม้" ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ พวกเขาบอกว่าน้ำเดือดที่ด้านบนของ Elbrus แล้วที่ 82°C

เกิดอะไรขึ้นที่นี่? ปัจจัยทางกายภาพใดที่รบกวนปรากฏการณ์เดือด? ความสูงมีความสำคัญอย่างไร

ปัจจัยทางกายภาพนี้คือความดันที่กระทำต่อพื้นผิวของของเหลว คุณไม่จำเป็นต้องปีนขึ้นไปบนยอดเขาเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของสิ่งที่กล่าวมา

การวางน้ำร้อนไว้ใต้กริ่งและสูบอากาศเข้าหรือออก เราสามารถมั่นใจได้ว่าจุดเดือดจะเพิ่มขึ้นเมื่อความดันเพิ่มขึ้นและลดลงเมื่อความดันลดลง

น้ำเดือดที่อุณหภูมิ 100°C ที่ความดันหนึ่งเท่านั้น - 760 มม.ปรอท ศิลปะ. (หรือ 1 atm).

จุดเดือดเทียบกับเส้นโค้งความดันแสดงในรูปที่ 4.2. ที่ด้านบนของ Elbrus ความดันคือ 0.5 atm และความดันนี้สอดคล้องกับจุดเดือดที่ 82 ° C

ข้าว. 4.2

แต่น้ำเดือดที่ 10-15 มิลลิเมตรปรอท อาท. อากาศร้อนๆ ก็สดชื่นได้. ที่ความดันนี้ จุดเดือดจะลดลงเหลือ 10-15°C

คุณยังสามารถรับ "น้ำเดือด" ซึ่งมีอุณหภูมิเท่ากับน้ำเยือกแข็ง ในการทำเช่นนี้คุณจะต้องลดความดันลงเหลือ 4.6 มม. ปรอท ศิลปะ.

ภาพที่น่าสนใจสามารถสังเกตได้หากคุณวางภาชนะเปิดที่มีน้ำไว้ใต้ระฆังและสูบอากาศออก การสูบน้ำจะทำให้น้ำเดือด แต่การต้มต้องใช้ความร้อน ไม่มีที่ใดที่จะเอามันมาจากไหน และน้ำก็จะต้องสูญเสียพลังงานไป อุณหภูมิของน้ำเดือดจะเริ่มลดลง แต่เมื่อสูบน้ำต่อไป แรงดันก็จะลดลงเช่นกัน ดังนั้นการเดือดจะไม่หยุด น้ำจะเย็นลง และกลายเป็นน้ำแข็งในที่สุด

การต้มน้ำเย็นดังกล่าวไม่เพียงเกิดขึ้นเมื่อมีการสูบอากาศออกเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เมื่อใบพัดของเรือหมุน ความดันในชั้นของน้ำที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วใกล้กับพื้นผิวโลหะจะลดลงอย่างรวดเร็วและน้ำในชั้นนี้จะเดือด กล่าวคือ มีฟองอากาศจำนวนมากที่เต็มไปด้วยไอน้ำปรากฏขึ้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าโพรงอากาศ (จากคำภาษาละติน cavitas - ช่อง)

โดยการลดความดัน เราลดจุดเดือด แล้วจะเพิ่มขึ้นล่ะ? กราฟเช่นเราตอบคำถามนี้ ความดัน 15 atm สามารถชะลอการเดือดของน้ำได้ โดยจะเริ่มที่ 200°C เท่านั้น และแรงดัน 80 atm จะทำให้น้ำเดือดที่ 300°C เท่านั้น

ดังนั้น ความดันภายนอกบางอย่างจะสอดคล้องกับจุดเดือดหนึ่งๆ แต่คำกล่าวนี้สามารถ "พลิกกลับ" ได้ด้วย กล่าวคือ จุดเดือดของน้ำแต่ละจุดจะสอดคล้องกับแรงดันเฉพาะของมันเอง ความดันนี้เรียกว่าความดันไอ

เส้นโค้งที่แสดงจุดเดือดเป็นฟังก์ชันของความดันยังเป็นเส้นโค้งของความดันไอเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ

ตัวเลขที่แสดงบนกราฟจุดเดือด (หรือกราฟความดันไอ) แสดงให้เห็นว่าความดันไอเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วตามอุณหภูมิ ที่ 0°C (เช่น 273 K) ความดันไอเท่ากับ 4.6 มม.ปรอท ศิลปะที่ 100 ° C (373 K) เท่ากับ 760 มม. ปรอท ศิลปะคือเพิ่มขึ้น 165 เท่า เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า (จาก 0 ° C เช่น 273 K เป็น 273 ° C เช่น 546 K) ความดันไอจะเพิ่มขึ้นจาก 4.6 mm Hg ศิลปะ. มากถึงเกือบ 60 atm นั่นคือประมาณ 10,000 ครั้ง

ดังนั้น ตรงกันข้าม จุดเดือดเปลี่ยนค่อนข้างช้าด้วยแรงดัน เมื่อความดันเพิ่มเป็นสองเท่าจาก 0.5 atm เป็น 1 atm จุดเดือดจะเพิ่มขึ้นจาก 82°C (355 K) เป็น 100°C (373 K) และเมื่อความดันเพิ่มเป็นสองเท่าจาก 1 เป็น 2 atm จาก 100°C (373 K) ถึง 120°C (393 K)

เส้นโค้งเดียวกันกับที่เรากำลังพิจารณาอยู่นี้ควบคุมการควบแน่น (ข้น) ของไอน้ำลงในน้ำด้วย

ไอน้ำสามารถเปลี่ยนเป็นน้ำได้โดยการบีบอัดหรือการทำให้เย็นลง

ทั้งระหว่างการต้มและการควบแน่น จุดจะไม่เคลื่อนออกจากเส้นโค้งจนกว่าการเปลี่ยนไอน้ำเป็นน้ำหรือน้ำเป็นไอน้ำจะเสร็จสมบูรณ์ นอกจากนี้ยังสามารถกำหนดได้ดังนี้: ภายใต้เงื่อนไขของเส้นโค้งของเรา และภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้เท่านั้น การอยู่ร่วมกันของของเหลวและไอระเหยจึงเป็นไปได้ หากไม่มีการเพิ่มหรือนำความร้อนในเวลาเดียวกัน ปริมาณของไอและของเหลวในภาชนะปิดจะไม่เปลี่ยนแปลง ไอและของเหลวดังกล่าวอยู่ในสภาวะสมดุล และไอในสภาวะสมดุลกับของเหลวเรียกว่าอิ่มตัว

เส้นโค้งของการเดือดและการควบแน่นตามที่เราเห็นมีความหมายอื่น: มันคือเส้นโค้งสมดุลของของเหลวและไอ เส้นโค้งสมดุลแบ่งฟิลด์ไดอะแกรมออกเป็นสองส่วน ทางซ้ายขึ้นไป (ไปทางอุณหภูมิสูงขึ้นและความดันต่ำลง) คือบริเวณที่มีไอน้ำคงที่ ไปทางขวาและลง - พื้นที่ของสถานะคงที่ของของเหลว

เส้นโค้งสมดุลไอ-ของเหลว เช่น การขึ้นต่อกันของจุดเดือดกับความดัน หรือที่เหมือนกันคือ ความดันไอต่ออุณหภูมิ จะใกล้เคียงกันสำหรับของเหลวทั้งหมด ในบางกรณี การเปลี่ยนแปลงอาจค่อนข้างฉับพลันกว่า ในบางครั้ง - ค่อนข้างช้ากว่า แต่ความดันไอจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเสมอเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

เราเคยใช้คำว่า "แก๊ส" และ "ไอน้ำ" หลายครั้ง สองคำนี้ค่อนข้างเหมือนกัน เราสามารถพูดได้ว่า: แก๊สน้ำคือไอของน้ำ แก๊สออกซิเจนคือไอของของเหลวออกซิเจน อย่างไรก็ตาม นิสัยบางอย่างได้พัฒนาขึ้นในการใช้คำสองคำนี้ เนื่องจากเราคุ้นเคยกับช่วงอุณหภูมิที่ค่อนข้างเล็ก เราจึงมักใช้คำว่า "แก๊ส" กับสารที่มีความดันไอที่อุณหภูมิปกติสูงกว่าความดันบรรยากาศ ในทางตรงกันข้าม เราพูดถึงไอเมื่อที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ สารมีความเสถียรมากกว่าในรูปของของเหลว

การระเหย

การต้มเป็นกระบวนการที่รวดเร็วและในเวลาอันสั้นไม่มีร่องรอยของน้ำเดือด มันจะกลายเป็นไอน้ำ

แต่มีอีกปรากฏการณ์หนึ่งของการเปลี่ยนแปลงของน้ำหรือของเหลวอื่นเป็นไอน้ำ - นี่คือการระเหย การระเหยเกิดขึ้นที่อุณหภูมิใด ๆ โดยไม่คำนึงถึงความดัน ซึ่งภายใต้สภาวะปกติจะใกล้เคียงกับ 760 มม. ปรอทเสมอ ศิลปะ. การระเหยเป็นกระบวนการที่ช้ามากซึ่งแตกต่างจากการต้ม ขวดโคโลญที่เราลืมปิดจะว่างเปล่าในอีกไม่กี่วัน เวลามากขึ้น o จานรองที่มีน้ำจะยืนอยู่ แต่ไม่ช้าก็เร็วก็จะแห้ง

อากาศมีบทบาทสำคัญในกระบวนการระเหย โดยตัวมันเองไม่ได้ป้องกันน้ำจากการระเหย ทันทีที่เราเปิดพื้นผิวของของเหลว โมเลกุลของน้ำจะเริ่มเคลื่อนเข้าสู่ชั้นอากาศที่ใกล้ที่สุด

ความหนาแน่นของไอในชั้นนี้จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว หลังจากนั้นไม่นาน ความดันไอจะเท่ากับลักษณะความยืดหยุ่นของอุณหภูมิของตัวกลาง ในกรณีนี้ ความดันไอจะเท่ากับในกรณีที่ไม่มีอากาศ

การเปลี่ยนแปลงของไอในอากาศไม่ได้หมายถึงความดันที่เพิ่มขึ้น ความดันรวมในช่องว่างเหนือผิวน้ำไม่เพิ่มขึ้น มีเพียงส่วนแบ่งในความดันนี้ที่ไอน้ำรับไว้เพิ่มขึ้น ดังนั้นสัดส่วนของอากาศที่ถูกแทนที่ด้วยไอน้ำจึงลดลง

เหนือน้ำมีไอน้ำปนอากาศ เหนือมีชั้นอากาศไม่มีไอน้ำ พวกเขาจะผสมอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ไอน้ำจะเคลื่อนที่ขึ้นสู่ชั้นที่สูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง และแทนที่ด้วยอากาศจะไหลลงสู่ชั้นล่างซึ่งไม่มีโมเลกุลของน้ำ ดังนั้นในชั้นที่ใกล้น้ำที่สุด สถานที่ต่างๆ จะถูกปลดปล่อยให้เป็นอิสระสำหรับโมเลกุลของน้ำใหม่เสมอ น้ำจะระเหยอย่างต่อเนื่องโดยรักษาความดันไอน้ำที่ผิวให้เท่ากับความยืดหยุ่น และกระบวนการจะดำเนินต่อไปจนกว่าน้ำจะระเหยหมด

เราเริ่มต้นด้วยตัวอย่างโคโลญจน์และน้ำ เป็นที่ทราบกันดีว่าพวกมันระเหยในอัตราที่ต่างกัน อีเธอร์ระเหยได้เร็วเป็นพิเศษ แอลกอฮอล์ค่อนข้างเร็ว และละลายน้ำได้ช้ากว่ามาก เราจะเข้าใจทันทีว่าเกิดอะไรขึ้นหากเราพบค่าความดันไอของของเหลวเหล่านี้ในหนังสืออ้างอิงที่อุณหภูมิห้อง นี่คือตัวเลข: อีเธอร์ - 437 มม. ปรอท ศิลปะ, แอลกอฮอล์ - 44.5 มม. ปรอท ศิลปะ. และน้ำ - 17.5 มม. ปรอท ศิลปะ.

ยิ่งมีความยืดหยุ่นมากเท่าไร ไอน้ำในชั้นอากาศที่อยู่ติดกันก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และของเหลวก็จะระเหยเร็วขึ้นเท่านั้น เรารู้ว่าความดันไอเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ เป็นที่ชัดเจนว่าทำไมอัตราการระเหยเพิ่มขึ้นเมื่อให้ความร้อน

อัตราการระเหยอาจได้รับผลในทางอื่นด้วย ถ้าเราต้องการช่วยให้เกิดการระเหย เราต้องรีบกำจัดไอระเหยออกจากของเหลว กล่าวคือ เร่งการผสมอากาศให้เร็วขึ้น นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมการระเหยจึงเร่งขึ้นอย่างมากโดยการเป่าของเหลว แม้ว่าน้ำจะมีความดันไอค่อนข้างน้อย แต่จะหายไปค่อนข้างเร็วหากวางจานรองไว้ในลม

เป็นที่เข้าใจได้ว่าทำไมนักว่ายน้ำที่โผล่ขึ้นมาจากน้ำจึงรู้สึกเย็นในสายลม ลมเร่งการผสมอากาศกับไอน้ำและเร่งการระเหยและความร้อนสำหรับการระเหยถูกบังคับให้ละทิ้งร่างกายมนุษย์

ความเป็นอยู่ที่ดีของบุคคลขึ้นอยู่กับว่ามีไอน้ำในอากาศมากหรือน้อย อากาศทั้งแห้งและชื้นไม่เป็นที่พอใจ ความชื้นถือว่าปกติเมื่ออยู่ที่ 60% ซึ่งหมายความว่าความหนาแน่นของไอน้ำคือ 60% ของความหนาแน่นของไอน้ำอิ่มตัวที่อุณหภูมิเดียวกัน

ถ้าอากาศชื้นเย็นลง ในที่สุดความดันของไอน้ำในนั้นจะเท่ากับความดันไอที่อุณหภูมินี้ ไอน้ำจะอิ่มตัวและเมื่ออุณหภูมิลดลงอีก ไอน้ำก็จะเริ่มควบแน่นเป็นน้ำ น้ำค้างยามเช้า หญ้าและใบไม้ที่ชุ่มชื้น ปรากฏขึ้นเพียงเพราะปรากฏการณ์นี้

ที่อุณหภูมิ 20°C ความหนาแน่นของไอน้ำอิ่มตัวจะอยู่ที่ประมาณ 0.00002 g/cm3 เราจะรู้สึกดีถ้าในอากาศมีไอน้ำอยู่ 60% ของจำนวนนี้ ซึ่งหมายถึงปริมาณมากกว่าหนึ่งแสนกรัมเล็กน้อยใน 1 ซม. 3

แม้ว่าตัวเลขนี้จะมีขนาดเล็ก แต่จะทำให้ห้องมีไอน้ำในปริมาณที่น่าประทับใจ คำนวณได้ง่ายว่าในห้องขนาดกลางที่มีพื้นที่ 12 ม. 2 และสูง 3 ม. น้ำประมาณหนึ่งกิโลกรัมสามารถ "พอดี" ในรูปของไอน้ำอิ่มตัว

ดังนั้นหากคุณปิดห้องดังกล่าวอย่างแน่นหนาและวางถังน้ำที่เปิดอยู่ น้ำหนึ่งลิตรจะระเหยออกไปไม่ว่าถังจะมีความจุเท่าใดก็ตาม

เป็นที่น่าสนใจที่จะเปรียบเทียบผลลัพธ์นี้สำหรับน้ำกับตัวเลขที่สอดคล้องกันสำหรับปรอท ที่อุณหภูมิ 20°C เท่ากัน ความหนาแน่นของไอปรอทอิ่มตัวคือ 10 -8 g/cm3

ในห้องที่เราเพิ่งคุยกัน จะมีไอปรอทไม่เกิน 1 กรัมพอดี

โดยวิธีการที่ไอปรอทเป็นพิษมากและไอปรอท 1 กรัมสามารถทำลายสุขภาพของบุคคลใดบุคคลหนึ่งได้ เมื่อทำงานกับสารปรอท ต้องใช้ความระมัดระวังว่าปรอทแม้หยดเล็กที่สุดก็ไม่หก

อุณหภูมิวิกฤต

จะเปลี่ยนก๊าซเป็นของเหลวได้อย่างไร? กราฟเดือดตอบคำถามนี้ คุณสามารถเปลี่ยนก๊าซให้เป็นของเหลวได้โดยการลดอุณหภูมิหรือเพิ่มความดัน

ในศตวรรษที่ 19 การเพิ่มความดันดูเหมือนจะง่ายกว่าการลดอุณหภูมิ ในตอนต้นของศตวรรษนี้ Michael Farada นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษผู้ยิ่งใหญ่สามารถบีบอัดก๊าซให้ได้ค่าความดันไอ และด้วยวิธีนี้ทำให้ก๊าซหลายชนิด (คลอรีน คาร์บอนไดออกไซด์ ฯลฯ) กลายเป็นของเหลว

อย่างไรก็ตาม ก๊าซบางชนิด - ไฮโดรเจน ไนโตรเจน ออกซิเจน - ไม่ได้ทำให้เกิดการทำให้เป็นของเหลว ไม่ว่าจะเพิ่มแรงดันเท่าใด พวกมันก็ไม่กลายเป็นของเหลว บางคนอาจคิดว่าออกซิเจนและก๊าซอื่นๆ ไม่สามารถเป็นของเหลวได้ พวกมันถูกจัดประเภทเป็นก๊าซจริงหรือก๊าซถาวร

แท้จริงแล้วความล้มเหลวเกิดจากความเข้าใจผิดในเหตุการณ์สำคัญประการหนึ่ง

พิจารณาของเหลวและไอในสภาวะสมดุล และพิจารณาสิ่งที่เกิดขึ้นกับของเหลวและไอระเหยเมื่อจุดเดือดเพิ่มขึ้น และแน่นอน เมื่อความดันเพิ่มขึ้นตามนั้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง จินตนาการว่าจุดบนกราฟจุดเดือดเคลื่อนขึ้นตามเส้นโค้ง เห็นได้ชัดว่าของเหลวขยายตัวเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นและความหนาแน่นลดลง สำหรับไอน้ำจุดเดือดเพิ่มขึ้น? แน่นอนว่ามันมีส่วนช่วยในการขยายตัว แต่อย่างที่เราได้กล่าวไปแล้ว ความดันไออิ่มตัวจะเพิ่มขึ้นเร็วกว่าจุดเดือดมาก ดังนั้นความหนาแน่นของไอจึงไม่ลดลง แต่ในทางกลับกันจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อจุดเดือดเพิ่มขึ้น

เนื่องจากความหนาแน่นของของเหลวตกลงและความหนาแน่นของไอเพิ่มขึ้น ดังนั้นการเคลื่อน "ขึ้น" ไปตามเส้นโค้งเดือด เราจะถึงจุดที่ความหนาแน่นของของเหลวและไอเท่ากันอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ (รูปที่ 4.3)

ข้าว. 4.3

เมื่อถึงจุดที่น่าทึ่งนี้ซึ่งเรียกว่าจุดวิกฤต เส้นเดือดจะสิ้นสุดลง เนื่องจากความแตกต่างทั้งหมดระหว่างก๊าซและของเหลวเกิดจากความแตกต่างของความหนาแน่น ดังนั้น ณ จุดวิกฤต คุณสมบัติของของเหลวและก๊าซจะเหมือนกัน สารแต่ละชนิดมีอุณหภูมิวิกฤตและความดันวิกฤตของตัวเอง ดังนั้น สำหรับน้ำ จุดวิกฤตจะสอดคล้องกับอุณหภูมิ 374°C และความดัน 218.5 atm

หากคุณบีบอัดก๊าซที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าวิกฤต กระบวนการบีบอัดจะแสดงด้วยลูกศรที่ข้ามเส้นโค้งเดือด (รูปที่ 4.4) ซึ่งหมายความว่าในขณะที่ความดันถึงเท่ากับความดันไอ (จุดที่ลูกศรตัดกับเส้นโค้งเดือด) ก๊าซจะเริ่มควบแน่นเป็นของเหลว หากภาชนะของเราโปร่งใส ในขณะนี้เราจะเห็นจุดเริ่มต้นของการก่อตัวของชั้นของเหลวที่ด้านล่างของภาชนะ ที่ความดันคงที่ ชั้นของของเหลวจะโตขึ้นจนในที่สุดก๊าซทั้งหมดจะกลายเป็นของเหลว การบีบอัดต่อไปจะต้องเพิ่มแรงดัน

ข้าว. 4.4

สถานการณ์จะแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงเมื่อก๊าซถูกบีบอัดซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤต กระบวนการบีบอัดสามารถแสดงเป็นลูกศรที่ลากจากล่างขึ้นบนได้อีกครั้ง แต่ตอนนี้ลูกศรนี้ไม่ได้ข้ามเส้นโค้งเดือด ซึ่งหมายความว่าระหว่างการบีบอัด ไอระเหยจะไม่ควบแน่น แต่จะกลั่นตัวอย่างต่อเนื่องเท่านั้น

ที่อุณหภูมิสูงกว่าค่าวิกฤติ การมีอยู่ของของเหลวและก๊าซที่แยกจากกันโดยส่วนต่อประสานนั้นเป็นไปไม่ได้: เมื่อบีบอัดจนมีความหนาแน่นใดๆ สารที่เป็นเนื้อเดียวกันจะอยู่ใต้ลูกสูบ และเป็นการยากที่จะบอกว่าเมื่อใดจึงจะเรียกว่าเป็น ก๊าซและเมื่อสามารถเรียกได้ว่าเป็นของเหลว

การมีจุดวิกฤติแสดงว่าไม่มีความแตกต่างพื้นฐานระหว่างสถานะของเหลวและก๊าซ เมื่อมองแวบแรกอาจดูเหมือนว่าไม่มีความแตกต่างพื้นฐานเฉพาะในกรณีที่เรากำลังพูดถึงอุณหภูมิที่สูงกว่าค่าวิกฤติ อย่างไรก็ตามนี่ไม่ใช่กรณี การมีอยู่ของจุดวิกฤตบ่งชี้ถึงความเป็นไปได้ของการเปลี่ยนแปลงของของเหลว - ของเหลวจริงที่สามารถเทลงในแก้ว - เข้าสู่สถานะก๊าซโดยไม่มีลักษณะของการเดือด

เส้นทางการเปลี่ยนแปลงนี้แสดงในรูปที่ 4.4. ของเหลวที่รู้จักจะถูกทำเครื่องหมายด้วยกากบาท หากคุณลดความดันลงเล็กน้อย (ลูกศรลง) มันจะเดือด มันจะเดือดถ้าคุณเพิ่มอุณหภูมิเล็กน้อย (ลูกศรไปทางขวา) แต่เราจะทำสิ่งที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง คือ เราจะบีบอัดของเหลวอย่างแรงจนมีความดันสูงกว่าค่าวิกฤต จุดที่แสดงถึงสถานะของของเหลวจะขึ้นในแนวตั้ง จากนั้นเราให้ความร้อนแก่ของเหลว - กระบวนการนี้แสดงด้วยเส้นแนวนอน หลังจากที่เราพบว่าตัวเองอยู่ทางขวาของอุณหภูมิวิกฤตแล้ว เราจะลดความดันลงเหลืออุณหภูมิเริ่มต้น ถ้าเราลดอุณหภูมิลง เราก็จะได้ไอน้ำที่แท้จริงมากที่สุด ซึ่งได้จากของเหลวนี้ด้วยวิธีที่ง่ายและสั้นกว่า

ดังนั้นจึงเป็นไปได้เสมอ โดยการเปลี่ยนแปลงความดันและอุณหภูมิเพื่อหลีกเลี่ยงจุดวิกฤต เพื่อให้ได้ไอโดยการเปลี่ยนอย่างต่อเนื่องจากของเหลวหรือของเหลวจากไอ การเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องไม่จำเป็นต้องเดือดหรือควบแน่น

ความพยายามในช่วงแรกในการทำให้ก๊าซเหลว เช่น ออกซิเจน ไนโตรเจน ไฮโดรเจนไม่ประสบผลสำเร็จ เนื่องจากไม่ทราบการมีอยู่ของอุณหภูมิวิกฤต ก๊าซเหล่านี้มีอุณหภูมิวิกฤตต่ำมาก: ไนโตรเจนมีอุณหภูมิ -147°C ออกซิเจนมีอุณหภูมิ -119°C ไฮโดรเจนมีอุณหภูมิ -240°C หรือ 33 เคลวิน เจ้าของสถิติคือฮีเลียม อุณหภูมิวิกฤตคือ 4.3 เคลวิน เปลี่ยนก๊าซเหล่านี้ให้เป็น ของเหลวสามารถทำได้ด้วยวิธีเดียวเท่านั้น - จำเป็นต้องลดอุณหภูมิให้ต่ำกว่าที่กำหนด

รับอุณหภูมิต่ำ

อุณหภูมิที่ลดลงอย่างมากสามารถทำได้หลายวิธี แต่แนวคิดของวิธีการทั้งหมดเหมือนกัน: เราต้องบังคับร่างกายที่เราต้องการทำให้เย็นลงเพื่อใช้พลังงานภายใน

ทำอย่างไร? วิธีหนึ่งคือการทำให้ของเหลวเดือดโดยไม่ต้องให้ความร้อนจากภายนอก อย่างที่เราทราบในการทำเช่นนี้จำเป็นต้องลดความดัน - เพื่อลดค่าความดันไอ ความร้อนที่ใช้ในการเดือดจะถูกยืมมาจากของเหลวและอุณหภูมิของของเหลวและไอ และความดันไอจะลดลงด้วย ดังนั้นเพื่อให้การเดือดไม่หยุดและเกิดขึ้นเร็วขึ้น อากาศจะต้องถูกสูบออกอย่างต่อเนื่องพร้อมกับของเหลว

อย่างไรก็ตาม มีขีดจำกัดในการลดลงของอุณหภูมิในระหว่างกระบวนการนี้: ในที่สุด ความดันไอจะกลายเป็นไม่มีนัยสำคัญอย่างสมบูรณ์ และแม้แต่ปั๊มสูบน้ำที่แรงที่สุดก็ไม่สามารถสร้างแรงดันที่ต้องการได้

เพื่อให้อุณหภูมิลดลงอย่างต่อเนื่อง เป็นไปได้ โดยการทำให้ก๊าซเย็นลงด้วยของเหลวที่เกิดขึ้น เพื่อทำให้ก๊าซกลายเป็นของเหลวที่มีจุดเดือดต่ำลง

ตอนนี้กระบวนการสูบน้ำสามารถทำซ้ำกับสารตัวที่สองได้ และทำให้ได้อุณหภูมิที่ต่ำลง หากจำเป็นสามารถขยายวิธีการ "น้ำตก" เพื่อให้ได้อุณหภูมิต่ำได้

นี่คือสิ่งที่พวกเขาทำเมื่อปลายศตวรรษที่แล้ว การทำให้เหลวของก๊าซดำเนินการในขั้นตอน: เอทิลีน ออกซิเจน ไนโตรเจน ไฮโดรเจน สารที่มีจุดเดือด -103, -183, -196 และ -253°C ถูกเปลี่ยนเป็นของเหลวอย่างต่อเนื่อง การมีไฮโดรเจนเหลว คุณจะได้ของเหลวที่มีจุดเดือดต่ำที่สุด - ฮีเลียม (-269 ° C) เพื่อนบ้านทาง "ซ้าย" ช่วยรับเพื่อนบ้านทาง "ขวา"

วิธีการระบายความร้อนด้วยน้ำตกมีอายุเกือบร้อยปี ในปี พ.ศ. 2420 ได้อากาศเหลวด้วยวิธีนี้

ในปี พ.ศ. 2427-2428 ไฮโดรเจนเหลวถูกผลิตขึ้นเป็นครั้งแรก ในที่สุดหลังจากนั้นอีกยี่สิบปี ป้อมปราการสุดท้ายก็ถูกยึดครอง: ในปี 1908 Kamerling-Onnes ในเมือง Leiden ในฮอลแลนด์เปลี่ยนฮีเลียมให้กลายเป็นของเหลวซึ่งเป็นสารที่มีอุณหภูมิวิกฤตต่ำที่สุด เพิ่งมีการเฉลิมฉลองครบรอบ 70 ปีของความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญนี้

เป็นเวลาหลายปีที่ Leiden Laboratory เป็นห้องปฏิบัติการ "อุณหภูมิต่ำ" เพียงแห่งเดียว ขณะนี้ในทุกประเทศมีห้องปฏิบัติการดังกล่าวหลายสิบแห่ง ไม่ต้องพูดถึงโรงงานที่ผลิตอากาศเหลว ไนโตรเจน ออกซิเจน และฮีเลียมเพื่อวัตถุประสงค์ทางเทคนิค

วิธีการน้ำตกเพื่อให้ได้อุณหภูมิต่ำนั้นไม่ค่อยได้ใช้ ในการติดตั้งทางเทคนิค เพื่อลดอุณหภูมิ ใช้วิธีอื่นเพื่อลดพลังงานภายในของก๊าซ: ก๊าซถูกบังคับให้ขยายตัวอย่างรวดเร็วและทำงานโดยใช้พลังงานภายใน

ตัวอย่างเช่น หากใส่อากาศที่ถูกอัดไปยังหลายชั้นบรรยากาศเข้าไปในตัวขยาย เมื่อดำเนินการย้ายลูกสูบหรือหมุนกังหัน อากาศจะเย็นลงอย่างรวดเร็วจนกลายเป็นของเหลว ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์หากถูกปล่อยออกมาอย่างรวดเร็วจากกระบอกสูบจะเย็นลงอย่างรวดเร็วจนกลายเป็น "น้ำแข็ง" ในทันที

ก๊าซเหลวใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านวิศวกรรม ออกซิเจนเหลวถูกนำมาใช้ในเทคโนโลยีการระเบิดโดยเป็นส่วนประกอบของส่วนผสมเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ไอพ่น

การทำให้เหลวในอากาศใช้ในงานวิศวกรรมเพื่อแยกก๊าซที่ประกอบเป็นอากาศ

ในสาขาเทคโนโลยีต่างๆ จำเป็นต้องทำงานที่อุณหภูมิอากาศเหลว แต่สำหรับการศึกษาทางกายภาพจำนวนมาก อุณหภูมินี้ยังต่ำไม่พอ อันที่จริง ถ้าเราแปลงองศาเซลเซียสเป็นมาตราส่วนสัมบูรณ์ เราจะเห็นว่าอุณหภูมิของอากาศเหลวมีค่าประมาณ 1/3 ของอุณหภูมิห้อง สิ่งที่น่าสนใจกว่าสำหรับฟิสิกส์คืออุณหภูมิของ "ไฮโดรเจน" เช่น อุณหภูมิ 14-20 เคลวิน และโดยเฉพาะอย่างยิ่งอุณหภูมิของ "ฮีเลียม" อุณหภูมิต่ำสุดที่ได้รับเมื่อสูบฮีเลียมเหลวออกคือ 0.7 เคลวิน

นักฟิสิกส์เข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์มากขึ้น ปัจจุบัน อุณหภูมิเกินศูนย์สัมบูรณ์เพียงไม่กี่ในพันองศาเท่านั้น อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิที่ต่ำเป็นพิเศษเหล่านี้ได้มาจากวิธีที่ไม่เหมือนกับที่เราได้อธิบายไว้ข้างต้น

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ฟิสิกส์อุณหภูมิต่ำได้ก่อให้เกิดสาขาพิเศษของอุตสาหกรรมที่มีส่วนร่วมในการผลิตอุปกรณ์ที่ทำให้สามารถรักษาปริมาณมากที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์ สายไฟได้รับการพัฒนาขึ้นซึ่งมีบัสบาร์ทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า 10 เคลวิน

ไอเย็นยิ่งยวดและของเหลวร้อนยิ่งยวด

ในช่วงเปลี่ยนผ่านของจุดเดือด ไอจะต้องควบแน่นกลายเป็นของเหลว อย่างไรก็ตาม,; ปรากฎว่าหากไอไม่สัมผัสกับของเหลวและหากไอนั้นบริสุทธิ์มาก ก็เป็นไปได้ที่จะได้ไอระเหยที่เย็นจัดหรืออิ่มตัวยิ่งยวด - ไอที่ควรจะกลายเป็นของเหลวมานานแล้ว

ไอน้ำอิ่มตัวยิ่งยวดนั้นไม่เสถียรมาก บางครั้งการผลักหรือไอน้ำที่พ่นเข้าไปในอวกาศก็เพียงพอที่จะเริ่มการควบแน่นที่ล่าช้า

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าการควบแน่นของโมเลกุลของไอช่วยอำนวยความสะดวกอย่างมากโดยการนำสิ่งแปลกปลอมขนาดเล็กเข้าไปในไอ ในอากาศที่มีฝุ่นละออง ไอน้ำจะไม่อิ่มตัวมากเกินไป อาจเกิดการควบแน่นเป็นไอพ่นควันได้ ท้ายที่สุด ควันประกอบด้วยอนุภาคของแข็งขนาดเล็ก เมื่อเข้าไปในไอน้ำ อนุภาคเหล่านี้จะรวบรวมโมเลกุลรอบๆ ตัวมันเองและกลายเป็นศูนย์กลางของการควบแน่น

ดังนั้น แม้ว่าจะไม่เสถียร แต่ไอน้ำก็สามารถมีอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่ปรับให้เหมาะกับ "ชีวิต" ของของเหลวได้

ของเหลวสามารถ `มีชีวิตอยู่' ในบริเวณที่มีไอระเหยภายใต้สภาวะเดียวกันได้หรือไม่? กล่าวอีกนัยหนึ่ง เป็นไปได้ไหมที่จะทำให้ของเหลวร้อนจัด?

ปรากฎว่าคุณทำได้ ในการทำเช่นนี้จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าโมเลกุลของของเหลวไม่หลุดออกจากพื้นผิว การรักษาแบบถอนรากถอนโคนคือการกำจัดพื้นผิวที่ว่าง นั่นคือการวางของเหลวในภาชนะที่จะถูกบีบอัดทุกด้านด้วยผนังทึบ ด้วยวิธีนี้เป็นไปได้ที่จะบรรลุความร้อนสูงเกินไปของลำดับหลายองศา เช่นย้ายจุดที่แสดงสถานะของของเหลวไปทางขวาของเส้นโค้งจุดเดือด (รูปที่ 4.4)

การให้ความร้อนสูงเกินไปเป็นการเคลื่อนตัวของของเหลวไปสู่บริเวณที่เป็นไอ ดังนั้น การให้ความร้อนสูงเกินไปของของเหลวสามารถทำได้ทั้งโดยการให้ความร้อนและโดยการลดความดัน

วิธีสุดท้ายที่คุณจะได้ผลลัพธ์ที่น่าทึ่ง น้ำหรือของเหลวอื่น ๆ ที่ปล่อยอย่างระมัดระวังจากก๊าซที่ละลาย (วิธีนี้ทำได้ไม่ง่ายนัก) จะถูกใส่ในภาชนะที่มีลูกสูบซึ่งไปถึงพื้นผิวของของเหลว ภาชนะและลูกสูบต้องถูกทำให้เปียกด้วยของเหลว หากคุณดึงลูกสูบเข้าหาตัวคุณ น้ำที่ติดอยู่ด้านล่างของลูกสูบจะตามมา แต่ชั้นของน้ำที่เกาะติดกับลูกสูบจะดึงน้ำชั้นถัดไปชั้นนี้จะดึงชั้นที่อยู่ข้างใต้ส่งผลให้ของเหลวจะยืดออก

ในท้ายที่สุด คอลัมน์ของน้ำจะแตกออก (เป็นคอลัมน์ของน้ำที่จะหลุดออกจากลูกสูบ ไม่ใช่น้ำ) แต่จะเกิดขึ้นเมื่อแรงต่อหน่วยพื้นที่ถึงสิบกิโลกรัม กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความดันลบของบรรยากาศนับสิบถูกสร้างขึ้นในของเหลว

แม้ในสภาวะความดันบวกต่ำ สถานะไอของสสารก็ยังเสถียร ของเหลวสามารถนำไปสู่แรงดันลบได้ คุณไม่สามารถจินตนาการถึงตัวอย่างที่โดดเด่นกว่าของ "ความร้อนสูงเกินไป"

ละลาย

ไม่มีร่างกายที่แข็งแกร่งเช่นนี้ที่จะต้านทานการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิได้มากเท่าที่จำเป็น ไม่ช้าก็เร็ว ของแข็งจะกลายเป็นของเหลว ถูกต้อง ในบางกรณีเราไม่สามารถถึงจุดหลอมเหลวได้ - การสลายตัวทางเคมีอาจเกิดขึ้นได้

เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โมเลกุลจะเคลื่อนที่เร็วขึ้นและเร็วขึ้น ในที่สุดก็มีช่วงเวลาที่การรักษาคำสั่ง "ท่ามกลางโมเลกุล" เหวี่ยง "อย่างรุนแรงเป็นไปไม่ได้ ของแข็งละลาย ทังสเตนมีจุดหลอมเหลวสูงสุด: 3380 ° C ทองละลายที่ 1,063 ° C เหล็กที่ 1539 ° C อย่างไรก็ตามมี เป็นโลหะที่หลอมละลายต่ำปรอทเป็นที่รู้จักกันดีละลายที่อุณหภูมิ -39 ° C สารอินทรีย์ไม่มีจุดหลอมเหลวสูง Naphthalene ละลายที่ 80 ° C โทลูอีน - ที่ -94.5 ° C

การวัดจุดหลอมเหลวของร่างกายไม่ใช่เรื่องยากเลย โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากจุดหลอมเหลวอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่วัดได้ด้วยเทอร์โมมิเตอร์ทั่วไป ไม่จำเป็นเลยที่จะต้องติดตามร่างกายที่หลอมละลายด้วยตาของคุณ การดูที่คอลัมน์ปรอทของเทอร์โมมิเตอร์ก็เพียงพอแล้ว จนกระทั่งเริ่มละลาย อุณหภูมิของร่างกายจะสูงขึ้น (รูปที่ 4.5) ทันทีที่การหลอมละลายเริ่มขึ้น อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะหยุดลงและอุณหภูมิจะไม่เปลี่ยนแปลงจนกว่ากระบวนการหลอมละลายจะเสร็จสมบูรณ์

ข้าว. 4.5

เช่นเดียวกับการเปลี่ยนสถานะของเหลวเป็นไอ การเปลี่ยนสถานะของแข็งเป็นของเหลวต้องใช้ความร้อน ความร้อนที่จำเป็นสำหรับสิ่งนี้เรียกว่าความร้อนแฝงของฟิวชัน เช่น การละลายน้ำแข็ง 1 กิโลกรัมต้องใช้พลังงาน 80 กิโลแคลอรี

น้ำแข็งเป็นหนึ่งในร่างกายที่มีความร้อนสูงในการหลอมละลาย ตัวอย่างเช่น การละลายน้ำแข็งต้องการพลังงานมากกว่าการละลายตะกั่วมวลเท่ากันถึง 10 เท่า แน่นอนว่าเรากำลังพูดถึงการหลอมละลาย เราไม่ได้บอกว่าก่อนที่ตะกั่วจะหลอมละลาย จะต้องได้รับความร้อนถึง + 327 ° C เนื่องจากความร้อนสูงของน้ำแข็งที่ละลาย การละลายของหิมะจึงช้าลง ลองนึกภาพว่าความร้อนของการหลอมจะน้อยลง 10 เท่า จากนั้นน้ำท่วมในฤดูใบไม้ผลิจะนำมาซึ่งภัยพิบัติที่คาดไม่ถึงทุกปี

ดังนั้น ความร้อนของการละลายของน้ำแข็งจึงดีมาก แต่ก็น้อยเช่นกันหากเทียบกับความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอที่ 540 กิโลแคลอรี/กก. (น้อยกว่า 7 เท่า) อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างนี้ค่อนข้างเป็นธรรมชาติ เมื่อเปลี่ยนของเหลวเป็นไอ เราต้องฉีกโมเลกุลออกจากกัน และเมื่อหลอมละลาย เราเพียงแต่ทำลายลำดับการเรียงตัวของโมเลกุล ปล่อยให้พวกมันอยู่ในระยะเกือบเท่าๆ กัน เป็นที่ชัดเจนว่าต้องทำงานน้อยลงในกรณีที่สอง

การมีจุดหลอมเหลวที่แน่นอนเป็นคุณสมบัติที่สำคัญของสารที่เป็นผลึก บนพื้นฐานนี้แยกแยะได้ง่ายจากของแข็งอื่น ๆ ที่เรียกว่าอสัณฐานหรือแก้ว แว่นตาพบได้ทั้งสารอนินทรีย์และสารอินทรีย์ บานหน้าต่างมักทำจากโซเดียมและแคลเซียมซิลิเกต มักจะวางแก้วอินทรีย์ไว้บนโต๊ะ (เรียกอีกอย่างว่าลูกแก้ว)

สัณฐานตรงกันข้ามกับคริสตัลไม่มีจุดหลอมเหลวที่แน่นอน แก้วไม่ละลาย แต่นิ่มลง เมื่อถูกความร้อน ชิ้นแก้วจะอ่อนจากแข็งก่อน มันสามารถงอหรือยืดได้ง่าย ที่อุณหภูมิสูงขึ้น ชิ้นส่วนจะเริ่มเปลี่ยนรูปร่างภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของมันเอง เมื่อมันร้อนขึ้น มวลของแก้วที่มีความหนืดหนาจะมีรูปร่างเหมือนภาชนะที่มันอยู่ ในตอนแรกมวลนี้จะข้นเหมือนน้ำผึ้ง จากนั้นจึงเหมือนครีมเปรี้ยว และสุดท้าย มันจะกลายเป็นของเหลวที่มีความหนืดต่ำเกือบเท่าน้ำ ด้วยความปรารถนาทั้งหมดของเรา เราไม่สามารถระบุอุณหภูมิเฉพาะสำหรับการเปลี่ยนสถานะของแข็งเป็นของเหลวได้ที่นี่ เหตุผลนี้อยู่ที่ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างโครงสร้างของแก้วและโครงสร้างของเนื้อผลึก ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น อะตอมในวัตถุอสัณฐานจะถูกจัดเรียงแบบสุ่ม แก้วที่มีโครงสร้างคล้ายของเหลว แม้ในแก้วทึบ โมเลกุลจะถูกจัดเรียงแบบสุ่ม ซึ่งหมายความว่าการเพิ่มอุณหภูมิของแก้วรังแต่จะเพิ่มระยะการสั่นของโมเลกุล ทำให้แก้วมีอิสระในการเคลื่อนไหวมากขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้นแก้วจะค่อยๆ อ่อนลงและไม่แสดงการเปลี่ยนแปลง "ของแข็ง" - "ของเหลว" ที่คมชัด ซึ่งเป็นลักษณะของการเปลี่ยนจากการจัดเรียงโมเลกุลตามลำดับที่เข้มงวดเป็นการจัดเรียงแบบสุ่ม

เมื่อพูดถึงเส้นโค้งการเดือด เรากล่าวว่าของเหลวและไอระเหยสามารถอาศัยอยู่ในภูมิภาคต่างประเทศได้แม้ว่าจะอยู่ในสถานะที่ไม่เสถียร - ไอสามารถถูกทำให้เย็นยิ่งยวดและถ่ายโอนไปทางซ้ายของเส้นโค้งการเดือด ของเหลวสามารถถูกทำให้ร้อนยิ่งยวดและดึงไปทางขวา ของเส้นโค้งนี้

ปรากฏการณ์ที่คล้ายกันนี้เป็นไปได้ในกรณีของคริสตัลกับของเหลวหรือไม่? ปรากฎว่าการเปรียบเทียบที่นี่ไม่สมบูรณ์

หากคุณให้ความร้อนแก่คริสตัล คริสตัลจะเริ่มละลายที่จุดหลอมเหลว คริสตัลไม่สามารถทำให้ร้อนเกินไปได้ ในทางตรงกันข้าม การทำให้ของเหลวเย็นลง เป็นไปได้ว่าหากใช้มาตรการบางอย่างเพื่อ "เล็ดรอด" จุดหลอมเหลวได้ค่อนข้างง่าย ในของเหลวบางชนิด สามารถทำความเย็นย่อยขนาดใหญ่ได้ มีแม้กระทั่งของเหลวที่เย็นจัดได้ง่ายแต่ทำให้ตกผลึกได้ยาก เมื่อของเหลวดังกล่าวเย็นลง มันจะหนืดมากขึ้นเรื่อย ๆ และแข็งตัวในที่สุดโดยไม่ตกผลึก นั่นคือแก้ว

คุณยังสามารถทำให้น้ำเย็นลงได้อีกด้วย ละอองหมอกไม่อาจจับตัวเป็นน้ำแข็งแม้ในสภาวะที่มีน้ำค้างแข็งรุนแรง หากผลึกของสารหรือเมล็ดพืชถูกโยนลงในของเหลวที่เย็นจัด การตกผลึกจะเริ่มขึ้นทันที

ประการสุดท้าย ในหลายกรณี การตกผลึกที่ล่าช้าอาจเริ่มต้นจากการสั่นไหวหรือเหตุการณ์สุ่มอื่นๆ ตัวอย่างเช่น เป็นที่ทราบกันว่ากลีเซอรอลที่เป็นผลึกได้รับครั้งแรกระหว่างการขนส่งทางรถไฟ แว่นตาหลังจากยืนเป็นเวลานานอาจเริ่มตกผลึก (ทำให้เป็นแก้วหรือ "ยุบ" ตามที่กล่าวในเทคโนโลยี)

วิธีการปลูกคริสตัล

สารเกือบทุกชนิดสามารถให้ผลึกได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการ คริสตัลสามารถได้รับจากสารละลายหรือจากการหลอมเหลวของสารที่กำหนด รวมทั้งจากไอระเหยของมัน (ตัวอย่างเช่น ผลึกไอโอดีนรูปเพชรสีดำตกตะกอนได้ง่ายจากไอของมันที่ความดันปกติโดยไม่เปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวระหว่างกลาง) .

เริ่มละลายเกลือแกงหรือน้ำตาลในน้ำ ที่อุณหภูมิห้อง (20°C) คุณจะสามารถละลายเกลือได้เพียง 70 กรัมในแก้วเหลี่ยมเพชรพลอย การเติมเกลือเพิ่มเติมจะไม่ละลายและจะตกตะกอนที่ด้านล่างในรูปของตะกอน สารละลายที่ไม่มีการละลายเกิดขึ้นอีกเรียกว่าอิ่มตัว . หากคุณเปลี่ยนอุณหภูมิระดับการละลายของสารก็จะเปลี่ยนไปเช่นกัน ทุกคนทราบดีว่าน้ำร้อนละลายสารส่วนใหญ่ได้ง่ายกว่าน้ำเย็น

ลองนึกภาพตอนนี้ - คุณได้เตรียมสารละลายอิ่มตัวเช่นน้ำตาลที่อุณหภูมิ 30 ° C และเริ่มทำให้เย็นลงถึง 20 ° C ที่ 30°C คุณสามารถละลายน้ำตาล 223 กรัมในน้ำ 100 กรัม ที่ 20°C ละลายได้ 205 กรัม จากนั้นเมื่อเย็นลงจาก 30 ถึง 20°C 18 กรัมจะ "เพิ่มขึ้น" และเนื่องจาก พวกเขากล่าวว่าจะหลุดออกจากการแก้ปัญหา ดังนั้น วิธีหนึ่งที่เป็นไปได้ในการรับคริสตัลคือการทำให้สารละลายอิ่มตัวเย็นลง

คุณสามารถทำได้แตกต่างกัน เตรียมสารละลายเกลืออิ่มตัวและทิ้งไว้ในแก้วที่เปิดอยู่ หลังจากนั้นไม่นานคุณจะพบกับลักษณะของคริสตัล ทำไมพวกเขาถึงก่อตัวขึ้น? การสังเกตอย่างรอบคอบจะแสดงให้เห็นว่าพร้อมกับการก่อตัวของผลึกการเปลี่ยนแปลงอื่นเกิดขึ้น - ปริมาณน้ำลดลง น้ำระเหยและสาร "พิเศษ" ปรากฏในสารละลาย ดังนั้น อีกวิธีที่เป็นไปได้สำหรับการก่อตัวของผลึกคือการระเหยของสารละลาย

ผลึกเกิดขึ้นจากสารละลายได้อย่างไร?

เรากล่าวว่าผลึก "หลุด" ออกจากสารละลาย จำเป็นต้องเข้าใจสิ่งนี้ในลักษณะที่ไม่มีคริสตัลเป็นเวลาหนึ่งสัปดาห์และในช่วงเวลาหนึ่งมันก็ปรากฏขึ้นทันทีหรือไม่? ไม่ นี่ไม่ใช่กรณี: คริสตัลเติบโตขึ้น แน่นอนว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะตรวจจับช่วงเวลาเริ่มต้นของการเติบโตด้วยตา ในตอนแรก โมเลกุลหรืออะตอมที่เคลื่อนที่แบบสุ่มสองสามตัวของตัวถูกละลายรวมตัวกันตามลำดับที่จำเป็นโดยประมาณเพื่อสร้างโครงตาข่ายคริสตัล กลุ่มอะตอมหรือโมเลกุลดังกล่าวเรียกว่านิวเคลียส

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่านิวเคลียสมักก่อตัวขึ้นเมื่อมีอนุภาคฝุ่นขนาดเล็กภายนอกอยู่ในสารละลาย การตกผลึกที่เร็วและง่ายที่สุดจะเริ่มขึ้นเมื่อนำเมล็ดคริสตัลขนาดเล็กไปวางในสารละลายอิ่มตัว ในกรณีนี้การแยกของแข็งออกจากสารละลายจะไม่ก่อให้เกิดผลึกใหม่ แต่อยู่ในการเจริญเติบโตของเมล็ด

แน่นอนว่าการเติบโตของตัวอ่อนนั้นไม่แตกต่างจากการเติบโตของเมล็ดพืช ความหมายของการใช้เมล็ดพืชคือการ "ดึง" สารที่ปล่อยออกมาเข้าสู่ตัวมันเอง และด้วยเหตุนี้จึงป้องกันการก่อตัวของนิวเคลียสจำนวนมากพร้อมกัน หากมีนิวเคลียสจำนวนมากเกิดขึ้นพวกมันจะรบกวนซึ่งกันและกันในระหว่างการเจริญเติบโตและจะไม่อนุญาตให้เราได้ผลึกขนาดใหญ่

ส่วนของอะตอมหรือโมเลกุลที่ปล่อยออกมาจากสารละลายกระจายอยู่บนพื้นผิวของนิวเคลียสอย่างไร?

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าการเจริญเติบโตของนิวเคลียสหรือเมล็ดประกอบด้วยการเคลื่อนที่ของใบหน้าขนานกับตัวเองในทิศทางที่ตั้งฉากกับใบหน้า ในกรณีนี้ มุมระหว่างหน้าจะคงที่ (เรารู้อยู่แล้วว่าความคงที่ของมุมเป็นคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของคริสตัล ซึ่งต่อจากโครงสร้างขัดแตะของมัน)

บนมะเดื่อ 4.6 โครงร่างของผลึกสามผลึกของสารเดียวกันที่เกิดขึ้นระหว่างการเจริญเติบโตจะได้รับ รูปแบบที่คล้ายกันสามารถสังเกตได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ ในกรณีที่แสดงทางด้านซ้าย จำนวนใบหน้าจะถูกสงวนไว้ระหว่างการเติบโต ภาพวาดตรงกลางแสดงตัวอย่างใบหน้าใหม่ปรากฏขึ้น (บนขวา) และหายไปอีกครั้ง

ข้าว. 4.6

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าอัตราการเจริญเติบโตของใบหน้า เช่น ความเร็วของการเคลื่อนไหวในแนวขนานกับตัวมันเองนั้นไม่เท่ากันสำหรับใบหน้าที่แตกต่างกัน ในกรณีนี้ ใบหน้าที่เคลื่อนไหวเร็วที่สุด เช่น ใบหน้าด้านซ้ายล่างในรูปตรงกลาง "โตเกินไป" (หายไป) ในทางตรงกันข้าม ใบหน้าที่เติบโตอย่างช้าๆ เป็นใบหน้าที่กว้างที่สุด อย่างที่กล่าวกันว่าใบหน้าที่พัฒนามากที่สุด

โดยเฉพาะอย่างยิ่งในรูปสุดท้าย ชิ้นส่วนที่ไม่มีรูปร่างจะได้รูปร่างเหมือนกับผลึกอื่นๆ เนื่องจากอัตราการเติบโตแบบแอนไอโซโทรปี แง่มุมที่กำหนดไว้อย่างดีจะพัฒนาโดยค่าใช้จ่ายของผู้อื่นมากที่สุดและทำให้ผลึกมีลักษณะเฉพาะของตัวอย่างทั้งหมดของสารนี้

รูปแบบการนำส่งที่สวยงามมากนั้นสังเกตได้เมื่อนำลูกบอลมาเป็นเมล็ดและสารละลายจะถูกทำให้เย็นและร้อนเล็กน้อยสลับกัน เมื่อถูกความร้อน สารละลายจะไม่อิ่มตัว และเมล็ดจะละลายไปบางส่วน การทำให้เย็นลงทำให้สารละลายอิ่มตัวและการเจริญเติบโตของเมล็ดพืช แต่โมเลกุลจะตั้งตัวในลักษณะที่แตกต่างกันราวกับว่าชอบสถานที่บางแห่ง สารจึงถูกถ่ายโอนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง

ประการแรก ใบหน้ารูปวงกลมขนาดเล็กจะปรากฏบนพื้นผิวของลูกบอล วงกลมค่อยๆ เพิ่มขึ้นและแตะกันผสานตามขอบตรง ลูกบอลกลายเป็นรูปทรงหลายเหลี่ยม จากนั้นบางใบหน้าก็แซงหน้าคนอื่น ๆ บางใบหน้าก็โตขึ้นและคริสตัลก็มีรูปร่างลักษณะเฉพาะ (รูปที่ 4.7)

ข้าว. 4.7

เมื่อสังเกตการเจริญเติบโตของผลึก คุณสมบัติหลักของการเติบโตนั้นโดดเด่น - การเคลื่อนไหวแบบขนานของใบหน้า ปรากฎว่าสารที่ปล่อยออกมาสร้างใบหน้าเป็นชั้น ๆ จนกว่าจะเสร็จชั้นหนึ่ง ชั้นต่อไปจะไม่เริ่มสร้าง

บนมะเดื่อ 4.8 แสดงการบรรจุอะตอมที่ยังไม่เสร็จ ตำแหน่งใดที่ระบุด้วยตัวอักษรที่อะตอมใหม่จะยึดเกาะกับคริสตัลได้แน่นที่สุด ไม่ต้องสงสัยเลยใน A เนื่องจากที่นี่เขาได้สัมผัสกับแรงดึงดูดของเพื่อนบ้านจากสามด้านในขณะที่ B - จากสองคนและใน C - จากด้านเดียวเท่านั้น ดังนั้นคอลัมน์จึงเสร็จสมบูรณ์ก่อนจากนั้นจึงสร้างระนาบทั้งหมดจากนั้นจึงเริ่มวางระนาบใหม่เท่านั้น

ข้าว. 4.8

ในหลายกรณี ผลึกเกิดขึ้นจากมวลที่หลอมละลาย - จากการหลอมเหลว ในธรรมชาติ สิ่งนี้เกิดขึ้นในระดับมหาศาล หินบะซอลต์ หินแกรนิต และหินอื่นๆ อีกมากมายเกิดขึ้นจากหินหนืดที่ลุกเป็นไฟ

เรามาเริ่มให้ความร้อนกับสารที่เป็นผลึก เช่น เกลือสินเธาว์ ผลึกเกลือสินเธาว์ที่อุณหภูมิสูงถึง 804°C จะเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย: ขยายตัวเพียงเล็กน้อย และสสารยังคงเป็นของแข็ง เครื่องวัดอุณหภูมิที่วางอยู่ในภาชนะที่มีสารแสดงอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเมื่อได้รับความร้อน ที่อุณหภูมิ 804°C เราจะค้นพบปรากฏการณ์ใหม่ 2 ประการที่เชื่อมโยงกันทันที: สารจะเริ่มละลาย และอุณหภูมิที่สูงขึ้นจะหยุดลง จนกว่าสสารทั้งหมดจะกลายเป็นของเหลว,; อุณหภูมิจะไม่เปลี่ยนแปลง อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอีกจะทำให้ของเหลวร้อนขึ้น สารผลึกทั้งหมดมีจุดหลอมเหลวที่แน่นอน น้ำแข็งละลายที่ 0°C เหล็กละลายที่ 1527°C ปรอทละลายที่ -39°C เป็นต้น

อย่างที่เราทราบกันดีอยู่แล้วว่าในแต่ละผลึกนั้น อะตอมหรือโมเลกุลของสารหนึ่งๆ จะรวมตัวกันเป็นก้อน G และสร้างการสั่นสะเทือนเล็กๆ รอบตำแหน่งเฉลี่ย เมื่อร่างกายร้อนขึ้น ความเร็วของอนุภาคที่สั่นจะเพิ่มขึ้นตามแอมพลิจูดของการสั่น การเพิ่มขึ้นของความเร็วของอนุภาคที่มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นนี้เป็นหนึ่งในกฎพื้นฐานของธรรมชาติ ซึ่งใช้กับสสารในสถานะใดๆ - ของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ

เมื่ออุณหภูมิของผลึกสูงเพียงพอในระดับหนึ่ง การสั่นสะเทือนของอนุภาคจะรุนแรงมากจนไม่สามารถจัดเรียงอนุภาคได้อย่างแม่นยำ - คริสตัลจะละลาย เมื่อเริ่มหลอมละลาย ความร้อนที่ป้อนจะไม่ถูกใช้เพื่อเพิ่มความเร็วของอนุภาคอีกต่อไป แต่ใช้เพื่อทำลายตาข่ายคริสตัล ดังนั้นอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจึงถูกระงับ การให้ความร้อนตามมาคือการเพิ่มความเร็วของอนุภาคของเหลว

ในกรณีของการตกผลึกจากของหลอมเหลวที่เราสนใจ ปรากฏการณ์ข้างต้นสังเกตได้ในลำดับที่กลับกัน: เมื่อของเหลวเย็นลง อนุภาคของมันจะชะลอการเคลื่อนที่ที่วุ่นวาย เมื่อถึงอุณหภูมิที่ต่ำเพียงพอ ความเร็วของอนุภาคจะต่ำมากจนบางส่วนภายใต้อิทธิพลของแรงดึงดูด เริ่มเกาะตัวกัน ก่อตัวเป็นนิวเคลียสของผลึก จนกว่าสารทั้งหมดจะตกผลึก อุณหภูมิจะคงที่ โดยทั่วไปอุณหภูมินี้จะเท่ากับจุดหลอมเหลว

หากไม่ได้ใช้มาตรการพิเศษ การตกผลึกจากการหลอมละลายจะเริ่มขึ้นทันทีในหลายแห่ง คริสตัลจะเติบโตในรูปแบบของรูปทรงหลายเหลี่ยมแบบปกติในลักษณะเดียวกับที่เราอธิบายไว้ข้างต้น อย่างไรก็ตาม การเติบโตอย่างอิสระนั้นอยู่ได้ไม่นาน: เติบโตขึ้น ผลึกจะชนกันเอง การเติบโตจะหยุดลงที่จุดสัมผัส และร่างกายที่แข็งตัวจะได้โครงสร้างที่ละเอียด เม็ดแต่ละเม็ดเป็นคริสตัลที่แยกจากกันซึ่งไม่สามารถอยู่ในรูปแบบที่ถูกต้องได้

ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขหลายประการ และเหนือสิ่งอื่นใดเกี่ยวกับอัตราการเย็นตัว วัตถุที่เป็นของแข็งอาจมีเกรนขนาดใหญ่มากหรือน้อย: ยิ่งเย็นตัวลงช้า เกรนก็จะยิ่งใหญ่ขึ้น ขนาดเม็ดของเนื้อผลึกมีตั้งแต่หนึ่งในล้านของเซนติเมตรไปจนถึงหลายมิลลิเมตร ในกรณีส่วนใหญ่ สามารถสังเกตโครงสร้างผลึกแบบละเอียดได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ ของแข็งมักจะมีโครงสร้างที่ละเอียด

สำหรับเทคโนโลยี กระบวนการแข็งตัวของโลหะเป็นสิ่งที่น่าสนใจอย่างยิ่ง เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นระหว่างการหล่อและระหว่างการแข็งตัวของโลหะในแม่พิมพ์ได้รับการศึกษาอย่างละเอียดโดยนักฟิสิกส์

ส่วนใหญ่ในระหว่างการแข็งตัวผลึกเดี่ยวที่มีลักษณะคล้ายต้นไม้จะเติบโตซึ่งเรียกว่าเดนไดรต์ ในกรณีอื่นๆ เดนไดรต์จะวางตัวแบบสุ่ม ในกรณีอื่นๆ เดนไดรต์จะขนานกัน

บนมะเดื่อ 4.9 แสดงระยะการเจริญเติบโตของเดนไดรต์หนึ่งตัว ด้วยพฤติกรรมนี้ เดนไดรต์สามารถเติบโตมากเกินไปก่อนที่จะพบกับอันอื่นที่คล้ายคลึงกัน จากนั้นเราจะไม่พบ dendrites ในการหล่อ เหตุการณ์ยังสามารถพัฒนาแตกต่างกัน: dendrites สามารถพบและเติบโตซึ่งกันและกัน

ข้าว. 4.9

ด้วยวิธีนี้ การหล่ออาจเกิดขึ้นซึ่งธัญพืช (แสดงในรูปที่ 2.22) มีโครงสร้างที่แตกต่างกันมาก และคุณสมบัติของโลหะขึ้นอยู่กับลักษณะของโครงสร้างนี้อย่างมีนัยสำคัญ สามารถควบคุมพฤติกรรมของโลหะระหว่างการแข็งตัวได้โดยการเปลี่ยนอัตราการเย็นตัวและระบบกำจัดความร้อน

ตอนนี้เรามาพูดถึงวิธีการปลูกผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่ เป็นที่ชัดเจนว่าต้องมีมาตรการเพื่อให้แน่ใจว่าคริสตัลเติบโตจากที่เดียว และหากคริสตัลหลายตัวเริ่มเติบโตแล้ว ไม่ว่าในกรณีใด ๆ ก็จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าเงื่อนไขการเติบโตนั้นเอื้ออำนวยต่อหนึ่งในนั้น

ตัวอย่างเช่น นี่คือวิธีดำเนินการเมื่อผลึกของโลหะหลอมละลายต่ำเติบโต โลหะถูกหลอมในหลอดทดลองแก้วที่มีปลายดึง หลอดทดลองที่ห้อยด้วยด้ายภายในเตาหลอมทรงกระบอกแนวตั้งจะค่อยๆ ลดระดับลง ปลายที่ดึงออกมาค่อยๆ ออกจากเตาเผาและเย็นลง การตกผลึกเริ่มต้นขึ้น ในตอนแรก คริสตัลหลายตัวจะก่อตัวขึ้น แต่คริสตัลที่เติบโตด้านข้างจะวางตัวชิดผนังหลอดทดลองและการเจริญเติบโตจะช้าลง เฉพาะคริสตัลที่เติบโตตามแกนของหลอดทดลอง เช่น ลึกเข้าไปในเนื้อหลอมเหลวเท่านั้นที่จะอยู่ในสภาพที่เอื้ออำนวย เมื่อลดระดับหลอดทดลองลง ส่วนใหม่ของการหลอมเหลวที่ตกลงไปในบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำจะ "ป้อน" ผลึกเดี่ยวนี้ ดังนั้น ในบรรดาคริสตัลทั้งหมด มีเพียงเขาคนเดียวเท่านั้นที่รอดชีวิต เมื่อท่อลดลง ท่อจะยังคงเติบโตไปตามแกนของมัน ในท้ายที่สุด โลหะที่หลอมเหลวทั้งหมดจะแข็งตัวในรูปของผลึกเดี่ยว

แนวคิดเดียวกันนี้รองรับการเติบโตของผลึกทับทิมทนไฟ ผงละเอียดของสารถูกพ่นผ่านเปลวไฟ ในขณะเดียวกันผงก็ละลาย หยดเล็ก ๆ ตกลงบนวัสดุทนไฟในพื้นที่เล็ก ๆ ก่อตัวเป็นผลึกจำนวนมาก เมื่อหยดน้ำตกลงมาบนขาตั้ง คริสตัลทั้งหมดจะเติบโตขึ้น แต่อีกครั้ง เฉพาะคริสตัลที่อยู่ในตำแหน่งที่ดีที่สุดสำหรับการ "รับ" หยดน้ำที่ตกลงมาจะเติบโตขึ้น

คริสตัลขนาดใหญ่มีไว้เพื่ออะไร?

อุตสาหกรรมและวิทยาศาสตร์มักต้องการผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่ สิ่งที่สำคัญอย่างยิ่งสำหรับเทคโนโลยีคือผลึกของเกลือ Rochelle และควอตซ์ ซึ่งมีคุณสมบัติโดดเด่นในการแปลงการกระทำทางกล (เช่น ความดัน) ให้เป็นแรงดันไฟฟ้า

อุตสาหกรรมแว่นตาต้องการผลึกขนาดใหญ่ของแคลไซต์ เกลือหิน ฟลูออไรต์ ฯลฯ

อุตสาหกรรมนาฬิกาต้องการคริสตัลจากทับทิม แซฟไฟร์ และหินมีค่าอื่นๆ ความจริงก็คือ ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวแต่ละส่วนของนาฬิกาทั่วไปสร้างการสั่นสะเทือนได้มากถึง 20,000 ครั้งต่อชั่วโมง ภาระที่สูงเช่นนี้ทำให้ความต้องการคุณภาพของปลายเพลาและตลับลูกปืนสูงผิดปกติ รอยขีดข่วนจะน้อยที่สุดเมื่อทับทิมหรือไพลินทำหน้าที่เป็นตลับลูกปืนสำหรับปลายเพลาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.07-0.15 มม. ผลึกประดิษฐ์ของสารเหล่านี้มีความทนทานสูงและผ่านการขัดถูด้วยเหล็กน้อยมาก เป็นที่น่าสังเกตว่าหินเทียมนั้นดีกว่าหินธรรมชาติชนิดเดียวกัน

อย่างไรก็ตาม การเติบโตของผลึกเดี่ยวของสารกึ่งตัวนำ - ซิลิกอนและเจอร์เมเนียม - มีความสำคัญสูงสุดสำหรับอุตสาหกรรม

อิทธิพลของความดันต่อจุดหลอมเหลว

ถ้าความดันเปลี่ยน จุดหลอมเหลวก็จะเปลี่ยนด้วย เราพบกันเป็นประจำเมื่อเราพูดคุยเกี่ยวกับเดือด ยิ่งกดดัน จุดเดือดยิ่งสูง ตามกฎแล้ว นี่เป็นเรื่องจริงสำหรับการหลอมด้วย อย่างไรก็ตาม มีสารจำนวนเล็กน้อยที่มีพฤติกรรมผิดปกติ: จุดหลอมเหลวจะลดลงเมื่อความดันเพิ่มขึ้น

ความจริงก็คือของแข็งส่วนใหญ่มีความหนาแน่นมากกว่าของเหลว ข้อยกเว้นสำหรับ dravil นี้คือสารเหล่านั้นที่มีจุดหลอมเหลวไม่เปลี่ยนแปลงตามปกติเมื่อความดันเปลี่ยนแปลงเช่นน้ำ น้ำแข็งเบากว่าน้ำ และจุดหลอมเหลวของน้ำแข็งจะลดลงเมื่อความดันเพิ่มขึ้น

การบีบอัดส่งเสริมการก่อตัวของสถานะที่หนาแน่นขึ้น หากของแข็งมีความหนาแน่นมากกว่าของเหลว การบีบอัดจะช่วยให้แข็งตัวและป้องกันการหลอมเหลว แต่ถ้าการหลอมละลายถูกขัดขวางโดยการบีบอัด หมายความว่าสารนั้นยังคงเป็นของแข็ง ในขณะที่ก่อนหน้านี้ที่อุณหภูมินี้มันจะละลายไปแล้ว เช่น เมื่อความดันเพิ่มขึ้น จุดหลอมเหลวก็จะเพิ่มขึ้น ในกรณีที่ผิดปกติ ของเหลวจะมีความหนาแน่นมากกว่าของแข็ง และความดันจะช่วยในการก่อตัวของของเหลว กล่าวคือ ทำให้จุดหลอมเหลวต่ำลง

ผลกระทบของความดันต่อจุดหลอมเหลวนั้นน้อยกว่าการเดือด ความดันที่เพิ่มขึ้นมากกว่า 100 kgf / cm 2 จะทำให้จุดหลอมเหลวของน้ำแข็งลดลง 1°C

เหตุใดรองเท้าสเก็ตจึงลื่นไถลบนน้ำแข็งเท่านั้น แต่ไม่สามารถแล่นบนพื้นปาร์เกต์ที่เรียบเท่ากันได้ เห็นได้ชัดว่าคำอธิบายเดียวคือการก่อตัวของน้ำซึ่งหล่อลื่นรองเท้าสเก็ต เพื่อทำความเข้าใจความขัดแย้งที่เกิดขึ้น เราต้องจำสิ่งต่อไปนี้: รองเท้าสเก็ตทื่อไถลบนน้ำแข็งได้ไม่ดีนัก รองเท้าสเก็ตต้องลับให้คมเพื่อตัดน้ำแข็ง ในกรณีนี้ เฉพาะส่วนปลายของสันเขาเท่านั้นที่กดลงบนน้ำแข็ง ความกดดันบนน้ำแข็งถึงชั้นบรรยากาศนับหมื่นน้ำแข็งยังคงละลาย

การระเหยของของแข็ง

เมื่อพวกเขาพูดว่า "สารระเหย" พวกเขามักจะหมายความว่าของเหลวระเหย แต่ของแข็งก็สามารถระเหยได้เช่นกัน บางครั้งการระเหยของของแข็งเรียกว่าการระเหิด

ของแข็งที่ระเหยได้ เช่น แนพทาลีน แนฟทาลีนละลายที่อุณหภูมิ 80°C และระเหยที่อุณหภูมิห้อง คุณสมบัติของแนฟทาลีนนี้เองที่ช่วยให้สามารถใช้กำจัดแมลงเม่าได้

เสื้อคลุมขนสัตว์ที่ปกคลุมด้วยแนพทาลีนจะอิ่มตัวด้วยไอของแนพทาลีนและสร้างบรรยากาศที่แมลงเม่าไม่สามารถอยู่ได้ ของแข็งที่มีกลิ่นใด ๆ จะประเสริฐในระดับมาก ท้ายที่สุดแล้วกลิ่นนั้นถูกสร้างขึ้นโดยโมเลกุลที่แตกออกจากสารและมาถึงจมูกของเรา อย่างไรก็ตาม มีหลายกรณีที่สารถูกระเหิดออกไปในระดับที่ไม่มีนัยสำคัญ บางครั้งถึงระดับที่ไม่สามารถตรวจพบได้แม้จะทำการวิจัยอย่างรอบคอบ โดยหลักการแล้ว สารที่เป็นของแข็งใดๆ (หรือแม้แต่เหล็กหรือทองแดง) จะระเหยกลายเป็นไอ หากเราตรวจไม่พบการระเหิด หมายความว่าความหนาแน่นของไออิ่มตัวนั้นต่ำมากเท่านั้น

จะเห็นได้ว่าสารจำนวนหนึ่งที่มีกลิ่นฉุนที่อุณหภูมิห้องจะสูญเสียไปที่อุณหภูมิต่ำ

ความหนาแน่นของไออิ่มตัวในสภาวะสมดุลกับของแข็งจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เราแสดงพฤติกรรมนี้ด้วยเส้นโค้งของน้ำแข็งที่แสดงในรูปที่ 4.10. จริงอยู่น้ำแข็งไม่มีกลิ่น ...

ข้าว. 4.10

ในกรณีส่วนใหญ่เป็นไปไม่ได้ที่จะเพิ่มความหนาแน่นของไออิ่มตัวของของแข็งด้วยเหตุผลง่ายๆ - สารจะละลายเร็วขึ้น

น้ำแข็งยังระเหย สิ่งนี้เป็นที่รู้จักกันดีในหมู่แม่บ้านที่นำผ้าเปียกมาตากในสภาพอากาศหนาวเย็น ในตอนแรก น้ำจะจับตัวเป็นน้ำแข็งและจากนั้นน้ำแข็งจะระเหยออกไป

จุดสามจุด

ดังนั้นจึงมีสภาวะที่ไอ ของเหลว และคริสตัลสามารถดำรงอยู่เป็นคู่ในสภาวะสมดุล ทั้งสามสถานะจะอยู่ในภาวะสมดุลได้หรือไม่? จุดดังกล่าวบนไดอะแกรมความดันอุณหภูมิมีอยู่เรียกว่าสามเท่า เธออยู่ที่ไหน?

หากคุณวางน้ำที่มีน้ำแข็งลอยอยู่ในภาชนะปิดที่อุณหภูมิ 0 องศา ไอระเหยของน้ำ (และ "น้ำแข็ง") จะเริ่มไหลเข้าสู่พื้นที่ว่าง ที่ความดันไอ 4.6 มิลลิเมตรปรอท ศิลปะ. การระเหยจะหยุดลงและความอิ่มตัวจะเริ่มขึ้น ตอนนี้สามขั้นตอน - น้ำแข็ง น้ำ และไอน้ำ - จะอยู่ในสภาวะสมดุล นี่คือจุดสามจุด

ความสัมพันธ์ระหว่างสถานะต่าง ๆ แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนและชัดเจนด้วยแผนภาพของน้ำที่แสดงในรูปที่ 4.11.

ข้าว. 4.11

แผนภาพดังกล่าวสามารถสร้างขึ้นสำหรับร่างกายใดก็ได้

เราคุ้นเคยกับเส้นโค้งในรูป - เป็นเส้นโค้งสมดุลระหว่างน้ำแข็งกับไอน้ำ น้ำแข็งกับน้ำ น้ำกับไอน้ำ ตามปกติ ความดันจะถูกพล็อตในแนวตั้ง และอุณหภูมิจะถูกพล็อตในแนวนอน

เส้นโค้งทั้งสามตัดกันที่จุดสามจุดและแบ่งไดอะแกรมออกเป็นสามส่วน - พื้นที่ใช้สอยของน้ำแข็ง น้ำ และไอน้ำ

แผนภาพสถานะเป็นข้อมูลอ้างอิงที่กระชับ จุดประสงค์คือเพื่อตอบคำถามว่าสถานะของร่างกายมีความเสถียรที่ความดันและอุณหภูมิเช่นนี้

หากวางน้ำหรือไอน้ำไว้ในเงื่อนไขของ "พื้นที่ด้านซ้าย" พวกเขาจะกลายเป็นน้ำแข็ง หากนำของเหลวหรือของแข็งเข้าไปใน "ส่วนล่าง" จะได้รับไอน้ำ ใน "พื้นที่ด้านขวา" ไอระเหยจะควบแน่นและน้ำแข็งจะละลาย

แผนภาพการมีอยู่ของเฟสช่วยให้คุณตอบได้ทันทีว่าเกิดอะไรขึ้นกับสารเมื่อถูกความร้อนหรือเมื่อถูกบีบอัด การให้ความร้อนที่ความดันคงที่จะแสดงเป็นเส้นแนวนอนในแผนภาพ จุดเคลื่อนไปตามเส้นนี้จากซ้ายไปขวา ซึ่งแสดงถึงสถานะของร่างกาย

รูปแสดงเส้นสองเส้น เส้นหนึ่งให้ความร้อนที่ความดันปกติ เส้นอยู่เหนือจุดสามจุด ดังนั้น มันจะข้ามเส้นโค้งการหลอมเหลวก่อน จากนั้น นอกภาพวาด เส้นโค้งการระเหย น้ำแข็งที่ความดันปกติจะละลายที่อุณหภูมิ 0°C และน้ำที่ได้จะเดือดที่อุณหภูมิ 100°C

สถานการณ์จะแตกต่างออกไปเมื่อน้ำแข็งถูกทำให้ร้อนที่ความดันต่ำมาก กล่าวคือต่ำกว่า 5 มิลลิเมตรปรอท ศิลปะ. กระบวนการให้ความร้อนแสดงด้วยเส้นใต้จุดสามจุด เส้นโค้งที่หลอมละลายและเดือดไม่ตัดกับเส้นนี้ ที่ความดันเล็กน้อย ความร้อนจะนำไปสู่การเปลี่ยนน้ำแข็งโดยตรงเป็นไอน้ำ

บนมะเดื่อ 4.12 แผนภาพเดียวกันนี้แสดงให้เห็นว่าปรากฏการณ์ที่น่าสนใจใดจะเกิดขึ้นเมื่อไอน้ำถูกบีบอัดในสถานะที่มีเครื่องหมายกากบาทในรูป ไอน้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งก่อนแล้วจึงละลาย ตัวเลขนี้ช่วยให้คุณบอกได้ทันทีว่าการเติบโตของคริสตัลจะเริ่มขึ้นและเมื่อใดที่การหลอมละลายจะเกิดขึ้น

ข้าว. 4.12

ไดอะแกรมสถานะของสารทั้งหมดมีความคล้ายคลึงกัน จากมุมมองในชีวิตประจำวัน ความแตกต่างเกิดขึ้นเนื่องจากตำแหน่งของจุดสามจุดบนแผนภาพอาจแตกต่างกันมากสำหรับสารต่างๆ

ท้ายที่สุดแล้วเราอยู่ใกล้ "สภาวะปกติ" นั่นคือโดยหลักแล้วจะมีความดันใกล้เคียงกับบรรยากาศเดียว จุดสามจุดของสสารนั้นสัมพันธ์กับเส้นความดันปกติอย่างไรนั้นสำคัญมากสำหรับเรา

หากความดันที่จุดสามจุดน้อยกว่าชั้นบรรยากาศ สำหรับเราแล้ว การอยู่ในสภาพ "ปกติ" สารนั้นกำลังหลอมละลาย เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น มันจะกลายเป็นของเหลวก่อนแล้วจึงเดือด

ในกรณีตรงกันข้าม - เมื่อความดันที่จุดสามจุดสูงกว่าบรรยากาศ - เราจะไม่เห็นของเหลวเมื่อได้รับความร้อน ของแข็งจะกลายเป็นไอโดยตรง นี่คือพฤติกรรมของ "น้ำแข็งแห้ง" ซึ่งสะดวกมากสำหรับผู้ขายไอศกรีม สามารถเปลี่ยนก้อนไอศกรีมได้ด้วย "น้ำแข็งแห้ง" ชิ้นหนึ่ง และไม่ต้องกลัวว่าไอศกรีมจะเปียก “น้ำแข็งแห้ง” คือคาร์บอนไดออกไซด์ที่เป็นของแข็ง CO 2 จุดสามจุดของสารนี้อยู่ที่ 73 atm ดังนั้น เมื่อของแข็ง CO 2 ถูกทำให้ร้อน จุดที่แสดงถึงสถานะของมันจะเคลื่อนที่ในแนวนอน โดยตัดผ่านเส้นโค้งการระเหยของของแข็งเท่านั้น (เช่นเดียวกับน้ำแข็งทั่วไปที่ความดันประมาณ 5 มิลลิเมตรปรอท)

เราได้บอกผู้อ่านแล้วว่า 1 องศาของอุณหภูมิถูกกำหนดในระดับเคลวิน หรือตามที่ระบบ SI ต้องการในตอนนี้ หนึ่งเคลวิน อย่างไรก็ตาม มันเกี่ยวกับหลักการกำหนดอุณหภูมิ ไม่ใช่สถาบันมาตรวิทยาทุกแห่งที่จะมีเครื่องวัดอุณหภูมิก๊าซในอุดมคติ ดังนั้นมาตราส่วนอุณหภูมิจึงถูกสร้างขึ้นโดยใช้จุดสมดุลที่กำหนดโดยธรรมชาติระหว่างสถานะต่างๆ ของสสาร

จุดสามจุดของน้ำมีบทบาทพิเศษในเรื่องนี้ ระดับเคลวินถูกกำหนดให้เป็น 273.16 ของอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์ของจุดสามจุดของน้ำ จุดรับออกซิเจนสามจุดมีค่าเท่ากับ 54.361 K อุณหภูมิการแข็งตัวของทองคำตั้งไว้ที่ 1337.58 K เมื่อใช้จุดอ้างอิงเหล่านี้ เทอร์โมมิเตอร์ใดๆ

อะตอมเดียวกัน แต่ ... คริสตัลต่างกัน

กราไฟท์อ่อนสีดำด้านที่เราเขียนด้วยและเพชรเจียระไนแก้วที่ใส ใส และแข็งนั้นสร้างขึ้นจากอะตอมของคาร์บอนชนิดเดียวกัน ทำไมคุณสมบัติของสารที่เหมือนกันทั้งสองนี้จึงแตกต่างกันมาก?

จำโครงตาข่ายของกราไฟต์เป็นชั้น แต่ละอะตอมมีเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุดสามตัว และโครงตาข่ายของเพชรซึ่งมีอะตอมใกล้เคียงที่สุดสี่ตัว ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าคุณสมบัติของคริสตัลถูกกำหนดโดยการจัดเรียงอะตอมร่วมกัน กราไฟต์ใช้ทำเบ้าหลอมทนไฟที่สามารถทนต่ออุณหภูมิได้ถึงสองถึงสามพันองศา และเพชรเผาที่อุณหภูมิสูงกว่า 700 องศาเซลเซียส ความหนาแน่นของเพชรคือ 3.5 และกราไฟต์คือ 2.3 กราไฟต์นำไฟฟ้า เพชรไม่นำไฟฟ้า ฯลฯ

ไม่เพียงแต่คาร์บอนเท่านั้นที่มีคุณสมบัติในการผลิตผลึกต่างๆ องค์ประกอบทางเคมีเกือบทุกชนิด และไม่เพียงแต่องค์ประกอบเท่านั้น แต่ยังมีสารเคมีอื่นๆ อีกด้วย สามารถมีอยู่ได้หลายชนิด รู้จักน้ำแข็งหกชนิด, กำมะถันเก้าชนิด, เหล็กสี่ชนิด

เมื่อพูดถึงไดอะแกรมสถานะเราไม่ได้พูดถึงคริสตัลประเภทต่าง ๆ และดึงพื้นที่ของร่างกายที่เป็นของแข็ง และพื้นที่นี้สำหรับสารจำนวนมากถูกแบ่งออกเป็นส่วน ๆ ซึ่งแต่ละส่วนนั้นสอดคล้องกับ "เกรด" ของร่างกายที่เป็นของแข็งหรือตามที่พวกเขากล่าวว่าเป็นเฟสของแข็ง (การดัดแปลงผลึกบางอย่าง)

แต่ละเฟสของผลึกมีขอบเขตของสถานะที่เสถียรของตัวเอง ซึ่งถูกจำกัดด้วยช่วงความดันและอุณหภูมิที่แน่นอน กฎของการเปลี่ยนแปลงของผลึกชนิดหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่งนั้นเหมือนกับกฎของการหลอมเหลวและการระเหย

สำหรับความดันแต่ละครั้ง คุณสามารถระบุอุณหภูมิที่คริสตัลทั้งสองชนิดจะอยู่ร่วมกันอย่างสันติได้ ถ้าอุณหภูมิเพิ่มขึ้น ผลึกชนิดหนึ่งจะกลายเป็นผลึกชนิดที่สอง หากอุณหภูมิลดลงจะเกิดการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับ

เพื่อให้กำมะถันแดงเปลี่ยนเป็นสีเหลืองที่ความดันปกติ ต้องใช้อุณหภูมิต่ำกว่า 110 °C เหนืออุณหภูมินี้จนถึงจุดหลอมเหลว การจัดเรียงตัวของอะตอมที่มีลักษณะเฉพาะของกำมะถันแดงจะมีความเสถียร อุณหภูมิลดลง การสั่นของอะตอมลดลง และตั้งแต่ 110°C ธรรมชาติจะพบการจัดเรียงอะตอมที่สะดวกขึ้น มีการเปลี่ยนแปลงของผลึกหนึ่งไปสู่อีกผลึกหนึ่ง

ไม่มีใครคิดชื่อน้ำแข็งหกชนิดที่แตกต่างกัน ดังนั้นพวกเขาจึงพูดว่า: น้ำแข็งหนึ่ง, น้ำแข็งสอง, ...., น้ำแข็งเจ็ด แล้วเจ็ดล่ะถ้ามีเพียงหกพันธุ์? ความจริงก็คือไม่พบน้ำแข็งสี่ในระหว่างการทดลองซ้ำ

หากน้ำถูกบีบอัดที่อุณหภูมิประมาณศูนย์จะเกิดน้ำแข็งห้าที่ความดันประมาณ 2,000 atm และที่ความดันประมาณ 6,000 atm น้ำแข็งหกจะเกิดขึ้น

น้ำแข็งสองและน้ำแข็งสามมีความเสถียรที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์องศา

น้ำแข็งเจ็ด - น้ำแข็งร้อน เกิดขึ้นเมื่อน้ำร้อนถูกบีบอัดให้มีแรงดันประมาณ 20,000 atm

น้ำแข็งทั้งหมด ยกเว้นน้ำแข็งธรรมดา จะหนักกว่าน้ำ น้ำแข็งที่เกิดขึ้นภายใต้สภาวะปกติจะทำงานผิดปกติ ในทางตรงกันข้าม น้ำแข็งที่ได้มาภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างจากปกติจะทำงานได้ตามปกติ

เรากล่าวว่าการดัดแปลงผลึกแต่ละครั้งนั้นมีลักษณะเฉพาะตามพื้นที่ที่มีอยู่ แต่ถ้าเป็นเช่นนั้น กราไฟท์และเพชรจะดำรงอยู่ภายใต้เงื่อนไขเดียวกันได้อย่างไร?

"ความไร้ระเบียบ" ในโลกของคริสตัลนั้นเป็นเรื่องธรรมดามาก ความสามารถในการอยู่ในสภาพ "แปลกปลอม" สำหรับคริสตัลเกือบจะเป็นกฎ หากต้องการถ่ายโอนไอหรือของเหลวไปยังพื้นที่อื่น ๆ ของการดำรงอยู่เราต้องใช้กลอุบายต่าง ๆ ในทางกลับกันคริสตัลแทบจะไม่เคยถูกบังคับให้อยู่ในขอบเขตที่ธรรมชาติกำหนด

ความร้อนสูงเกินไปและความเย็นจัดของคริสตัลอธิบายได้จากความยากลำบากในการแปลงลำดับหนึ่งไปสู่อีกลำดับหนึ่งภายใต้สภาวะที่มีผู้คนหนาแน่นมาก กำมะถันเหลืองควรเปลี่ยนเป็นสีแดงที่อุณหภูมิ 95.5°C ด้วยการให้ความร้อนที่รวดเร็วขึ้นหรือน้อยลง เราจะ "ข้าม" จุดเปลี่ยนรูปนี้และทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นถึงจุดหลอมเหลวของกำมะถันที่ 113°C

อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงที่แท้จริงจะตรวจจับได้ง่ายที่สุดเมื่อสัมผัสคริสตัล หากวางไว้ชิดกันและเก็บไว้ที่ 96°C สีเหลืองจะถูกกินโดยสีแดง และที่อุณหภูมิ 95°C สีเหลืองจะดูดซับสีแดง ตรงกันข้ามกับการเปลี่ยนสถานะ "คริสตัล-ของเหลว" การเปลี่ยนแปลง "คริสตัล-คริสตัล" มักจะล่าช้าทั้งระหว่างการทำความเย็นยิ่งยวดและความร้อนสูงเกินไป

ในบางกรณี เรากำลังเผชิญกับสถานะของสสารดังกล่าว ซึ่งควรจะมีชีวิตอยู่ในอุณหภูมิที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง

กระป๋องสีขาวควรเปลี่ยนเป็นสีเทาเมื่ออุณหภูมิลดลงถึง +13°C เรามักจะจัดการกับกระป๋องสีขาวและรู้ว่าไม่มีอะไรทำในฤดูหนาว ทนต่อภาวะอุณหภูมิต่ำกว่า 20-30 องศาได้อย่างสมบูรณ์แบบ อย่างไรก็ตามในฤดูหนาวที่รุนแรง ดีบุกสีขาวจะกลายเป็นสีเทา การไม่รู้ข้อเท็จจริงนี้เป็นหนึ่งในสถานการณ์ที่ทำลายการเดินทางสู่ขั้วโลกใต้ของสก็อตต์ (พ.ศ. 2455) เชื้อเพลิงเหลวที่คณะสำรวจนำไปนั้นอยู่ในภาชนะที่ประสานด้วยดีบุก ในความหนาวเย็นดีบุกสีขาวกลายเป็นผงสีเทา - ภาชนะไม่ได้ขาย และน้ำมันก็ไหลออกมา ไม่น่าแปลกใจที่จุดสีเทาบนกระป๋องสีขาวเรียกว่ากาฬโรคดีบุก

เช่นเดียวกับในกรณีของกำมะถัน ดีบุกสีขาวสามารถเปลี่ยนเป็นสีเทาได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 13 องศาเซลเซียส ถ้าเพียงเม็ดเล็ก ๆ ของความหลากหลายสีเทาตกลงบนวัตถุดีบุกผสมตะกั่ว

การมีอยู่ของสารชนิดเดียวกันหลายชนิดและความล่าช้าในการเปลี่ยนแปลงซึ่งกันและกันมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเทคโนโลยี

ที่อุณหภูมิห้อง อะตอมของธาตุเหล็กจะก่อตัวเป็นตาข่ายลูกบาศก์ที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ร่างกาย ซึ่งอะตอมจะยึดตำแหน่งที่จุดยอดและตรงกลางของลูกบาศก์ แต่ละอะตอมมีเพื่อนบ้าน 8 คน ที่อุณหภูมิสูง อะตอมของเหล็กจะสร้าง "การบรรจุ" ที่หนาแน่นขึ้น - แต่ละอะตอมมีเพื่อนบ้าน 12 คน เหล็กที่มีเพื่อนบ้าน 8 คนนั้นนิ่ม เหล็กที่มีเพื่อนบ้าน 12 คนนั้นแข็ง ปรากฎว่าเป็นไปได้ที่จะได้รับธาตุเหล็กชนิดที่สองที่อุณหภูมิห้อง วิธีนี้ - การชุบแข็ง - ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านโลหะวิทยา

การชุบแข็งทำได้ง่ายมาก - วัตถุโลหะร้อนแดงแล้วโยนลงในน้ำหรือน้ำมัน การทำความเย็นเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจนการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างซึ่งคงตัวที่อุณหภูมิสูงไม่มีเวลาเกิดขึ้น ดังนั้น โครงสร้างที่มีอุณหภูมิสูงจะคงอยู่อย่างไม่มีกำหนดภายใต้สภาวะที่ผิดปกติ: การตกผลึกใหม่เป็นโครงสร้างที่เสถียรนั้นดำเนินไปอย่างช้า ๆ จนแทบมองไม่เห็น

เมื่อพูดถึงการชุบแข็งเหล็ก เราไม่ถูกต้องทั้งหมด เหล็กกล้าถูกทำให้ร้อน เช่น เหล็กที่มีเศษส่วนของคาร์บอนร้อยละ การมีคาร์บอนเจือปนขนาดเล็กมากทำให้การเปลี่ยนเหล็กแข็งเป็นเหล็กอ่อนล่าช้าและทำให้เกิดการแข็งตัวได้ สำหรับเหล็กบริสุทธิ์อย่างสมบูรณ์นั้นไม่สามารถทำให้แข็งได้ - การเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างมีเวลาที่จะเกิดขึ้นแม้จะเย็นลงอย่างกะทันหันก็ตาม

ขึ้นอยู่กับประเภทของไดอะแกรมสถานะ โดยการเปลี่ยนความดันหรืออุณหภูมิ การแปลงบางอย่างจะสำเร็จ

การเปลี่ยนแปลงจากคริสตัลสู่คริสตัลจำนวนมากสังเกตได้จากการเปลี่ยนแปลงของความดันเพียงอย่างเดียว ด้วยวิธีนี้ทำให้ได้รับฟอสฟอรัสดำ

ข้าว. 4.13

เป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนกราไฟต์ให้เป็นเพชรได้โดยใช้ทั้งอุณหภูมิสูงและความดันสูงในเวลาเดียวกัน บนมะเดื่อ 4.13 แสดงไดอะแกรมสถานะของคาร์บอน ที่ความดันต่ำกว่าหนึ่งหมื่นบรรยากาศและที่อุณหภูมิต่ำกว่า 4,000 K กราไฟต์เป็นการปรับเปลี่ยนที่เสถียร ดังนั้นเพชรจึงอยู่ในสภาพ "แปลกปลอม" ดังนั้นจึงสามารถเปลี่ยนเป็นกราไฟต์ได้ง่าย แต่ปัญหาที่ผกผันนั้นเป็นเรื่องที่น่าสนใจในทางปฏิบัติ เป็นไปไม่ได้ที่จะดำเนินการเปลี่ยนกราไฟต์เป็นเพชรโดยการเพิ่มแรงดันเท่านั้น การเปลี่ยนแปลงเฟสในสถานะของแข็งดูเหมือนจะช้าเกินไป การปรากฏตัวของไดอะแกรมแสดงวิธีแก้ปัญหาที่ถูกต้อง: เพิ่มความดันและความร้อนในเวลาเดียวกัน จากนั้นเราจะได้ (มุมขวาของแผนภาพ) คาร์บอนหลอมเหลว การทำให้เย็นลงด้วยแรงดันสูงเราต้องเข้าไปในพื้นที่ของเพชร

ความเป็นไปได้ในทางปฏิบัติของกระบวนการดังกล่าวได้รับการพิสูจน์ในปี พ.ศ. 2498 และในปัจจุบันถือว่าปัญหาได้รับการแก้ไขทางเทคนิคแล้ว

ของเหลวที่น่าอัศจรรย์

หากคุณลดอุณหภูมิของร่างกายลง ไม่ช้าก็เร็ว อุณหภูมิจะแข็งตัวและได้รับโครงสร้างผลึก ไม่สำคัญว่าการทำความเย็นจะเกิดขึ้นที่ความดันใด สถานการณ์นี้ดูเหมือนค่อนข้างเป็นธรรมชาติและเข้าใจได้จากมุมมองของกฎของฟิสิกส์ซึ่งเราได้ทำความคุ้นเคยแล้ว แท้จริงแล้ว การลดอุณหภูมิทำให้เราลดความเข้มของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน เมื่อการเคลื่อนที่ของโมเลกุลอ่อนแอลงจนไม่รบกวนแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกมันอีกต่อไป โมเลกุลจะเรียงตัวกันเป็นระเบียบ - พวกมันก่อตัวเป็นคริสตัล การทำให้เย็นลงต่อไปจะดึงเอาพลังงานทั้งหมดในการเคลื่อนที่ของโมเลกุลออกไป และที่ศูนย์สัมบูรณ์ สารจะต้องมีอยู่ในรูปแบบของโมเลกุลที่วางตัวเรียงกันเป็นโครงตาข่ายปกติ

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าสารทั้งหมดมีพฤติกรรมในลักษณะนี้ ทั้งหมดยกเว้นสิ่งเดียวเท่านั้น: "ตัวประหลาด" นั้นคือฮีเลียม

เราได้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับฮีเลียมแก่ผู้อ่านแล้ว ฮีเลียมเก็บบันทึกสำหรับอุณหภูมิวิกฤต ไม่มีสารใดมีอุณหภูมิวิกฤติต่ำกว่า 4.3 เค อย่างไรก็ตาม บันทึกนี้ในตัวมันเองไม่ได้หมายความว่าน่าแปลกใจแต่อย่างใด อีกสิ่งหนึ่งที่โดดเด่น: โดยการทำให้ฮีเลียมเย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติจนเกือบเป็นศูนย์สัมบูรณ์ เราจะไม่ได้รับฮีเลียมที่เป็นของแข็ง ฮีเลียมยังคงเป็นของเหลวแม้อยู่ที่ศูนย์สัมบูรณ์

พฤติกรรมของฮีเลียมนั้นไม่สามารถอธิบายได้อย่างสมบูรณ์จากมุมมองของกฎการเคลื่อนที่ที่เราได้ร่างไว้ และเป็นหนึ่งในสัญญาณของความถูกต้องที่จำกัดของกฎธรรมชาติดังกล่าว ซึ่งดูเหมือนจะเป็นสากล

ถ้าร่างกายเป็นของเหลว แสดงว่าอะตอมมีการเคลื่อนไหว แต่หลังจากที่ทั้งหมดทำให้ร่างกายเย็นลงจนถึงศูนย์สัมบูรณ์เราก็เอาพลังงานการเคลื่อนไหวทั้งหมดออกจากร่างกาย เราต้องยอมรับว่าฮีเลียมมีพลังงานในการเคลื่อนไหวที่ไม่สามารถนำออกไปได้ ข้อสรุปนี้ไม่สอดคล้องกับกลไกที่เราได้รับการจัดการจนถึงตอนนี้ ตามกลศาสตร์ที่เราได้ศึกษามานี้ การเคลื่อนไหวของร่างกายสามารถช้าลงจนหยุดสนิทได้เสมอโดยการดึงเอาพลังงานจลน์ของมันออกไป ในทำนองเดียวกัน เป็นไปได้ที่จะหยุดการเคลื่อนที่ของโมเลกุลโดยการดึงพลังงานออกไปเมื่อชนกับผนังของภาชนะที่เย็นลง สำหรับฮีเลียม กลไกดังกล่าวไม่เหมาะอย่างชัดเจน

พฤติกรรมที่ "แปลกประหลาด" ของฮีเลียมเป็นการบ่งชี้ความจริงที่สำคัญยิ่ง ครั้งแรกที่เราพบกับความเป็นไปไม่ได้ที่จะใช้กฎพื้นฐานของกลศาสตร์ในโลกของอะตอม ซึ่งตั้งขึ้นโดยการศึกษาโดยตรงเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวัตถุที่มองเห็นได้ กฎที่ดูเหมือนจะเป็นรากฐานที่ไม่สั่นคลอนของฟิสิกส์

ข้อเท็จจริงที่ว่าฮีเลียม "ปฏิเสธ" ที่จะตกผลึกที่ศูนย์สัมบูรณ์นั้นไม่สามารถปรับคืนดีกับกลศาสตร์ที่เราได้ศึกษามาแต่อย่างใด ความขัดแย้งที่เราพบกันเป็นครั้งแรก - การไม่เชื่อฟังโลกของปรมาณูต่อกฎของกลศาสตร์ - เป็นเพียงการเชื่อมโยงแรกในสายโซ่ของความขัดแย้งที่แหลมคมยิ่งขึ้นในฟิสิกส์

ความขัดแย้งเหล่านี้นำไปสู่ความจำเป็นในการแก้ไขรากฐานของกลไกของโลกปรมาณู การแก้ไขนี้ลึกซึ้งมากและนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงความเข้าใจธรรมชาติทั้งหมดของเรา

ความจำเป็นในการแก้ไขกลไกของโลกปรมาณูอย่างรุนแรงไม่ได้หมายความว่าเราควรยุติกฎของกลศาสตร์ที่เราศึกษามา จะเป็นการไม่ยุติธรรมที่จะบังคับให้ผู้อ่านเรียนรู้ในสิ่งที่ไม่จำเป็น กลไกแบบเก่านั้นใช้ได้อย่างสมบูรณ์ในโลกของตัวถังขนาดใหญ่ นี่ก็เพียงพอที่จะปฏิบัติต่อบทที่เกี่ยวข้องของฟิสิกส์ด้วยความเคารพอย่างเต็มที่ อย่างไรก็ตาม กฎหลายข้อของกลไก "เก่า" ที่ผ่านเข้าสู่กลไก "ใหม่" ก็เป็นสิ่งสำคัญเช่นกัน ซึ่งรวมถึงโดยเฉพาะอย่างยิ่งกฎการอนุรักษ์พลังงาน

การมีพลังงาน "ไม่สามารถเคลื่อนย้ายได้" ที่ศูนย์สัมบูรณ์ไม่ใช่คุณสมบัติพิเศษของฮีเลียม เปิดออก; พลังงาน "ศูนย์" มีอยู่ในสสารทั้งหมด

เฉพาะในฮีเลียมพลังงานนี้เพียงพอที่จะป้องกันไม่ให้อะตอมสร้างโครงตาข่ายคริสตัลที่ถูกต้อง

ไม่จำเป็นต้องคิดว่าฮีเลียมไม่สามารถอยู่ในสถานะผลึกได้ สำหรับการตกผลึกของฮีเลียม จำเป็นต้องเพิ่มความดันเป็นประมาณ 25 atm เท่านั้น การทำให้เย็นลงที่ความดันสูงขึ้นจะนำไปสู่การก่อตัวของฮีเลียมผลึกแข็งที่มีคุณสมบัติค่อนข้างธรรมดา ฮีเลียมก่อตัวเป็นลูกบาศก์ขัดแตะตรงกลางใบหน้า

บนมะเดื่อ 4.14 แสดงแผนผังสถานะของฮีเลียม มันแตกต่างอย่างมากจากไดอะแกรมของสารอื่น ๆ ทั้งหมดในกรณีที่ไม่มีจุดสามจุด เส้นโค้งที่หลอมละลายและเดือดไม่ตัดกัน

ข้าว. 4.14

และไดอะแกรมสถานะที่ไม่เหมือนใครนี้มีคุณสมบัติอีกอย่างหนึ่ง: มีของเหลวฮีเลียมที่แตกต่างกัน 2 ชนิด ความแตกต่างของพวกเขาคืออะไร - คุณจะได้เรียนรู้ในภายหลัง

งานประกอบด้วยสองขั้นตอน - เพื่อกำหนดความกดอากาศขึ้นอยู่กับความสูงและการพึ่งพาจุดเดือดกับความดัน เริ่มจากอันหลังกันก่อนดีกว่า

การเดือดเป็นการเปลี่ยนเฟสของประเภทแรก (น้ำเปลี่ยนสถานะการรวมตัวจากของเหลวเป็นก๊าซ)
การเปลี่ยนเฟสของประเภทแรกอธิบายโดยสมการ Clapeyron:
,
ที่ไหน
- ความร้อนจำเพาะของการเปลี่ยนเฟสซึ่งเป็นตัวเลขเท่ากับปริมาณความร้อนที่รายงานต่อหน่วยมวลของสารสำหรับการดำเนินการเปลี่ยนเฟส
- อุณหภูมิการเปลี่ยนเฟส
- การเปลี่ยนแปลงในปริมาณที่กำหนดระหว่างการเปลี่ยนแปลง

Clausius ทำให้สมการของ Clapeyron ง่ายขึ้นสำหรับกรณีของการระเหยและการระเหิดโดยตั้งสมมติฐานว่า

1. Steam ปฏิบัติตามกฎของก๊าซในอุดมคติ
2. ปริมาตรเฉพาะของของเหลวจะน้อยกว่าปริมาตรเฉพาะของไอมาก

จากจุดหนึ่ง สถานะของไอสามารถอธิบายได้ด้วยสมการ Mendeleev-Clapeyron
,
และจากจุดที่สอง - สามารถละเลยปริมาตรเฉพาะของของเหลวได้

ดังนั้นสมการ Clapeyron จึงมีรูปแบบ
,
โดยปริมาตรที่ระบุสามารถแสดงในรูปของ
,
และในที่สุดก็

เราได้รับการแยกตัวแปร

เมื่อรวมด้านซ้ายจาก ถึง และด้านขวา จาก ถึง เช่น จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดที่อยู่บนเส้นสมดุลไอของเหลว เราได้สมการ

เรียกว่าสมการคลอสเซียส-ชาเปรอง

ที่จริงแล้วนี่คือการพึ่งพาที่ต้องการของจุดเดือดกับความดัน

มาทำการเปลี่ยนแปลงอีกสองสามอย่าง
,
ที่นี่
- มวลต่อโมลาร์ของน้ำ 18 ก./โมล

ค่าคงที่ของก๊าซสากล 8.31 J/(โมล × K)

ความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอของน้ำ 2.3 × 10 6 J/kg

ตอนนี้ยังคงสร้างการพึ่งพาความกดอากาศต่อระดับความสูง ที่นี่เราจะใช้สูตรความกดอากาศ (เรายังไม่มีสูตรอื่น):

หรือ
,
ที่นี่
- มวลโมลาร์ของอากาศ 29 ก./โมล
- ค่าคงที่ของก๊าซสากล 8.31 J/(mol×K)
- ความเร่งของแรงโน้มถ่วง 9.81 ม./(ส×ส)
- อุณหภูมิอากาศ

ค่าที่เกี่ยวข้องกับอากาศจะถูกทำเครื่องหมายด้วยดัชนี v ค่าที่เกี่ยวข้องกับน้ำ - ชั่วโมง
เราได้รับสมการและกำจัดเลขชี้กำลัง

สูตรสุดท้ายแล้ว

ในความเป็นจริง ความกดอากาศจริงไม่เป็นไปตามสูตรความกดอากาศ เนื่องจากเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงระดับความสูงมาก อุณหภูมิของอากาศจึงไม่สามารถถือว่าคงที่ได้ นอกจากนี้ ความเร่งของการตกอิสระยังขึ้นอยู่กับละติจูดทางภูมิศาสตร์ และความดันบรรยากาศยังขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของไอน้ำด้วย นั่นคือตามสูตรนี้เราจะได้ค่าประมาณ ดังนั้น ด้านล่างนี้ฉันได้รวมเครื่องคิดเลขอีกเครื่องหนึ่งที่ใช้สูตรคำนวณจุดเดือดโดยขึ้นอยู่กับความกดอากาศในหน่วยมิลลิเมตรปรอท

อุณหภูมิเดือดกับเครื่องคำนวณระดับความสูง

อุณหภูมิเดือด
(จุดเดือด) - อุณหภูมิที่ของเหลวกลายเป็นไอ (เช่น ก๊าซ) อย่างหนาแน่นจนเกิดฟองไอขึ้นที่ผิวน้ำและแตกออก การก่อตัวของฟองอย่างรวดเร็วในปริมาตรทั้งหมดของของเหลวเรียกว่าการเดือด ตรงกันข้ามกับการระเหยอย่างง่ายระหว่างการต้ม ของเหลวจะผ่านกลายเป็นไอ ไม่เพียงแต่จากพื้นผิวที่ว่างเท่านั้น แต่ยังรวมถึงปริมาตรทั้งหมดด้วย - ภายในฟองอากาศที่เกิดขึ้น จุดเดือดของของเหลวใดๆ จะคงที่ที่ความดันบรรยากาศที่กำหนดหรือความดันภายนอกอื่นๆ แต่จะเพิ่มขึ้นเมื่อความดันเพิ่มขึ้นและลดลงเมื่อความดันลดลง ตัวอย่างเช่น ที่ความดันบรรยากาศปกติ 100 kPa (นี่คือความดันที่ระดับน้ำทะเล) จุดเดือดของน้ำคือ 100 ° C ที่ระดับความสูง 4,000 เมตรเหนือระดับน้ำทะเลซึ่งความดันลดลงถึง 60 kPa น้ำจะเดือด ที่อุณหภูมิประมาณ 85°C และใช้เวลานานกว่าในการปรุงอาหารบนภูเขา ด้วยเหตุผลเดียวกัน อาหารจะสุกเร็วขึ้นใน "หม้ออัดแรงดัน" แรงดันในหม้อจะเพิ่มขึ้น จากนั้นอุณหภูมิของน้ำเดือดจะสูงขึ้น
จุดเดือดของสารบางชนิด(ที่ระดับน้ำทะเล)

สาร __ อุณหภูมิ, °С
ทอง ___________2600
เงิน __________1950
ปรอท _____________356.9
เอทิลีนไกลคอล _____197.2
น้ำทะเล ______100.7
น้ำ ______________ 100.0
ไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์ 82.3
เอทิลแอลกอฮอล์ _____78.3
เมทิลแอลกอฮอล์ ____64.7
อีเธอร์ _______________34.6

จุดเดือดของสารยังขึ้นอยู่กับสิ่งเจือปน หากสารระเหยละลายในของเหลว จุดเดือดของสารละลายจะลดลง ในทางกลับกัน หากสารละลายมีสารระเหยน้อยกว่าตัวทำละลาย จุดเดือดของสารละลายจะสูงกว่าของเหลวบริสุทธิ์
ดูสิ่งนี้ด้วย
อุณหภูมิการแข็งตัว ;
ความร้อน ;
ทฤษฎีของเหลว
วรรณกรรม
Croxton K. ฟิสิกส์ของสถานะของเหลว M. , 1978 Novikov I.I. เทอร์โมไดนามิกส์. ม., 2527

สารานุกรมถ่านหิน. - สังคมเปิด. 2000 .

ดูว่า "จุดเดือด" คืออะไรในพจนานุกรมอื่น ๆ :

อุณหภูมิที่ของเหลวเดือดภายใต้ความดันคงที่ จุดเดือดที่ความดันบรรยากาศปกติ (1,013.25 hPa หรือ 760 mm Hg) เรียกว่า จุดเดือดปกติ หรือ จุดเดือด ... พจนานุกรมสารานุกรมเล่มใหญ่

จุดเดือด อุณหภูมิที่สารผ่านจากสถานะหนึ่ง (เฟส) ไปยังอีกสถานะหนึ่ง เช่น จากของเหลวเป็นไอหรือก๊าซ จุดเดือดเพิ่มขึ้นเมื่อความดันภายนอกเพิ่มขึ้นและลดลงเมื่อลดลง ปกติเธอ... ... พจนานุกรมสารานุกรมทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิค

- (แสดงโดย Tbp, Ts) อุณหภูมิของการเปลี่ยนแปลงสมดุลของของเหลวเป็นไอที่ DC ต่อ ความดัน. ที่ T. ถึง ความดันอิ่มตัว ไอน้ำเหนือพื้นผิวเรียบของของเหลวจะเท่ากับส่วนต่อขยาย ความดันอันเป็นผลมาจากปริมาตรของของเหลว ... ... สารานุกรมกายภาพ

- - อุณหภูมิที่ของเหลวภายใต้อิทธิพลของความร้อนผ่านจากสถานะของเหลวไปสู่สถานะก๊าซ จุดเดือดนี้ขึ้นอยู่กับความดัน เอ็ดเวิร์ด พจนานุกรมศัพท์แสงยานยนต์ พ.ศ. 2552 ... พจนานุกรมรถยนต์

อุณหภูมิที่ของเหลวไปถึงเมื่อเกิดฟอง * * * (ที่มา: United Dictionary of Culinary Terms) ... พจนานุกรมการทำอาหาร

อุณหภูมิเดือด- - [อ. โกลด์เบิร์ก. พจนานุกรมพลังงานภาษาอังกฤษของรัสเซีย 2549] หัวข้อ พลังงานโดยทั่วไป EN อุณหภูมิเดือด … คู่มือนักแปลทางเทคนิค

จุดเดือด จุดเดือดคืออุณหภูมิที่ของเหลวเดือดภายใต้ความดันคงที่ จุดเดือดสอดคล้องกับอุณหภูมิของไออิ่มตัวเหนือพื้นผิวเรียบของของเหลวเดือด เนื่องจาก ... Wikipedia

อุณหภูมิเดือด- (Tboil, tboil) อุณหภูมิของการเปลี่ยนแปลงสมดุลของของเหลวเป็นไอที่ความดันภายนอกคงที่ ที่จุดเดือด ความดันไออิ่มตัวเหนือพื้นผิวของเหลวเรียบจะเท่ากับความดันภายนอก ... ... พจนานุกรมสารานุกรมโลหะวิทยา

อุณหภูมิที่ของเหลวเดือดภายใต้ความดันคงที่ จุดเดือดที่ความดันบรรยากาศปกติ (1,013.25 hPa หรือ 760 mm Hg) เรียกว่า จุดเดือดปกติ หรือ จุดเดือด * * … พจนานุกรมสารานุกรม

อุณหภูมิเดือด- 2.17 อุณหภูมิจุดเดือดของของเหลวเดือดที่ความดันบรรยากาศ 101.3 kPa (760 mmHg) ที่มา: GOST R 51330.9 99: อุปกรณ์ไฟฟ้าป้องกันการระเบิด ตอนที่ 10 การจำแนกพื้นที่อันตราย ... หนังสืออ้างอิงพจนานุกรมของเงื่อนไขของเอกสารเชิงบรรทัดฐานและทางเทคนิค

หนังสือ

• , Yu. A. Lebedev, A. N. Kizin, T. S. Papina, I. Sh. Saifullin, Yu. E. Moshkin หนังสือเล่มนี้นำเสนอคุณลักษณะเชิงตัวเลขที่สำคัญที่สุดของไฮโดรคาร์บอนจำนวนหนึ่ง โดยพิจารณาจากค่าคงที่ทางเคมีกายภาพต่อไปนี้: น้ำหนักโมเลกุล อุณหภูมิ ...
• ลักษณะของไฮโดรคาร์บอน การวิเคราะห์ข้อมูลตัวเลขและค่าที่แนะนำ หนังสืออ้างอิง Yu.A. Lebedev หนังสือเล่มนี้นำเสนอลักษณะเชิงตัวเลขที่สำคัญที่สุดของไฮโดรคาร์บอนจำนวนหนึ่ง โดยพิจารณาจากค่าคงที่ทางเคมีกายภาพต่อไปนี้: น้ำหนักโมเลกุล อุณหภูมิ ...

เหนือสิ่งอื่นใดของเหลว อันเป็นผลมาจากการระเหยของของเหลว ความสมดุลระหว่างของเหลวและไอถูกสร้างขึ้น และเป็นผลให้เกิดความดันไอ ขนาดของความดันนี้ขึ้นอยู่กับลักษณะของของเหลวและอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น พลังงานจลน์ของโมเลกุลในของเหลวจะเพิ่มขึ้น จำนวนที่เพิ่มขึ้นสามารถผ่านเข้าไปในเฟสของก๊าซได้ และเป็นผลให้ความดันไอเหนือของเหลวเพิ่มขึ้น (รูปที่ 4)

รูปที่ 4 - เส้นโค้งความดันไอน้ำ

อุณหภูมิที่ความดันไอเท่ากับความดันภายนอกเรียกว่า จุดเดือด.จุดตัด (รูปที่ 4) ของเส้นแนวนอนที่สอดคล้องกับความดัน 760 มม. ปรอท ข้อที่ และเส้นโค้งความดันไอสอดคล้องกับจุดเดือดที่ความดันปกติ ของเหลวใด ๆ ที่ไม่สลายตัวเมื่อได้รับความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่ความดันไอเท่ากับ 760 มิลลิเมตรปรอท ศิลปะ มีจุดเดือดที่เป็นลักษณะเฉพาะของมันเองที่ความดันบรรยากาศปกติ รูปที่ 4 ยังแสดงให้เห็นว่าที่ความดัน 200 มิลลิเมตรปรอท ศิลปะ. น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิประมาณ 66°C การพึ่งพาจุดเดือดกับความดันนี้ใช้ในการปฏิบัติในห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรมสำหรับการกลั่นโดยไม่สลายตัวของสารที่เดือดที่อุณหภูมิสูง (การกลั่นแบบสุญญากาศ) ในเอกสารอ้างอิงและสื่อการสอนจำนวนหนึ่ง มีการระบุ nomograms ที่ทำให้สามารถเชื่อมโยงจุดเดือดที่ความดันบรรยากาศและในสุญญากาศได้ เช่น เพื่อกำหนดความดันตกค้างสูงสุดที่ต้องอยู่ในโรงงานกลั่นเพื่อให้สารถูกกลั่นด้านล่าง อุณหภูมิของการสลายตัว (ดูตัวอย่าง /3, หน้า 32/)

การดัดแปลงการกลั่นแบบอื่นมีจุดประสงค์เดียวกัน (การทำให้บริสุทธิ์ของสารที่มีจุดเดือดสูง) ตัวอย่างเช่น การกลั่นด้วยไอน้ำทำให้สามารถกลั่นสารที่มีจุดเดือดสูงที่ความดันบรรยากาศได้ แต่ความดันไอเหนือพื้นผิวของเหลวซึ่งเท่ากับความดันบรรยากาศ คือผลรวมของความดันบางส่วนของตัวสารเองและไอน้ำ ไอน้ำในวิธีนี้จะถูกเป่า (sparged) ผ่านความหนาของสารในลูกบาศก์การกลั่น

ในกรณีส่วนใหญ่ การหาจุดเดือดจะดำเนินการระหว่างการกลั่นสารระหว่างการทำให้บริสุทธิ์ หากจำเป็น สามารถใช้การกำหนดจุดเดือดของของเหลวจำนวนเล็กน้อยได้ วิธีไมโครของ Sivolobov(ภาพที่ 6)

ในการดำเนินการ คุณสามารถใช้อุปกรณ์มาตรฐานเพื่อกำหนดจุดหลอมเหลวที่อธิบายไว้ข้างต้น (รูปที่ 5) หยดของเหลวลงในหลอดแก้วที่มีผนังบาง (6) ปิดผนึกที่ปลายด้านหนึ่ง (เส้นผ่านศูนย์กลาง ~ 3 มม.) เส้นเลือดฝอย (4) ที่ปิดผนึกจากปลายด้านบนถูกหย่อนลงในท่อ ท่อจะติดอยู่กับเทอร์โมมิเตอร์ด้วยแถบยางยืด (5) และอุ่นในอุปกรณ์จนกระทั่งฟองอากาศเริ่มออกมาจากเส้นเลือดฝอยในกระแสที่ต่อเนื่อง สังเกตอุณหภูมิที่เริ่มเดือดปุดๆ สอดคล้องกับจุดเดือดของของเหลว อย่าลืมบันทึกความกดอากาศ ด้วยค่าของจุดเดือด สารสามารถระบุได้และสามารถระบุความบริสุทธิ์ได้