Температура кипения вещества — это температура, при которой давление паров жидкости становится равным давлению вокруг жидкости [1] [2] и жидкость превращается в пар.
Температура кипения жидкости меняется в зависимости от давления окружающей среды. Жидкость в частичном вакууме , т. е. при более низком давлении, имеет более низкую температуру кипения, чем когда эта жидкость находится при атмосферном давлении . Из-за этого вода кипит при 100 °C (или с научной точностью: 99,97 °C (211,95 °F)) при стандартном давлении на уровне моря, но при 93,4 °C (200,1 °F) на высоте 1905 метров (6250 футов) [3] . При заданном давлении разные жидкости будут кипеть при разных температурах.
Нормальная точка кипения (также называемая точкой кипения при атмосферном давлении или точкой кипения при атмосферном давлении ) жидкости является особым случаем, в котором давление паров жидкости равно определенному атмосферному давлению на уровне моря, одной атмосфере . [4] [5] При этой температуре давление паров жидкости становится достаточным для преодоления атмосферного давления и позволяет пузырькам пара образовываться внутри объема жидкости. Стандартная точка кипения определяется ИЮПАК с 1982 года как температура, при которой кипение происходит под давлением в один бар . [6]
Теплота парообразования — это энергия, необходимая для преобразования заданного количества (моль, кг, фунт и т. д.) вещества из жидкости в газ при заданном давлении (часто атмосферном давлении).
Жидкости могут переходить в пар при температурах ниже точки кипения в процессе испарения . Испарение — это поверхностное явление, при котором молекулы, расположенные вблизи края жидкости, не удерживаемые достаточным давлением жидкости с этой стороны, выходят в окружающую среду в виде пара . С другой стороны, кипение — это процесс, при котором молекулы в любом месте жидкости выходят, что приводит к образованию пузырьков пара внутри жидкости.
Насыщенная жидкость содержит столько тепловой энергии, сколько может содержать без кипения (или наоборот, насыщенный пар содержит столько тепловой энергии, сколько может содержать без конденсации ).
Температура насыщения означает точку кипения . Температура насыщения — это температура для соответствующего давления насыщения, при которой жидкость закипает в паровую фазу . Можно сказать, что жидкость насыщена тепловой энергией . Любое добавление тепловой энергии приводит к фазовому переходу .
Если давление в системе остается постоянным ( изобарическим ), пар при температуре насыщения начнет конденсироваться в жидкую фазу по мере удаления тепловой энергии ( тепла ). Аналогично, жидкость при температуре насыщения и давлении закипит в паровой фазе по мере приложения дополнительной тепловой энергии.
Температура кипения соответствует температуре, при которой давление паров жидкости равно давлению окружающей среды. Таким образом, температура кипения зависит от давления. Температуры кипения могут быть опубликованы относительно стандартного давления NIST, США 101,325 кПа (1 атм ) или стандартного давления IUPAC 100 000 кПа (1 бар ). На больших высотах, где атмосферное давление намного ниже, температура кипения также ниже. Температура кипения увеличивается с ростом давления до критической точки , где свойства газа и жидкости становятся идентичными. Температура кипения не может быть увеличена выше критической точки. Аналогично, температура кипения уменьшается с уменьшением давления до тех пор, пока не будет достигнута тройная точка . Температура кипения не может быть уменьшена ниже тройной точки.
Если известны теплота парообразования и давление пара жидкости при определенной температуре, то температуру кипения можно рассчитать с помощью уравнения Клаузиуса–Клапейрона , таким образом:
где:
Давление насыщения — это давление для соответствующей температуры насыщения, при которой жидкость кипит в паровой фазе. Давление насыщения и температура насыщения имеют прямую связь: с ростом давления насыщения увеличивается и температура насыщения.
Если температура в системе остается постоянной ( изотермическая система), пар при давлении и температуре насыщения начнет конденсироваться в жидкую фазу по мере увеличения давления в системе. Аналогично, жидкость при давлении и температуре насыщения будет стремиться перейти в паровую фазу при уменьшении давления в системе.
Существует два соглашения относительно стандартной точки кипения воды : Нормальная точка кипения обычно дается как 100 °C (212 °F ) (на самом деле 99,97 °C (211,9 °F) в соответствии с термодинамическим определением шкалы Цельсия на основе кельвина ) при давлении 1 атм (101,325 кПа). Рекомендуемая ИЮПАК стандартная точка кипения воды при стандартном давлении 100 кПа (1 бар) [7] составляет 99,61 °C (211,3 °F). [6] [8] Для сравнения, на вершине горы Эверест , на высоте 8848 м (29029 футов ), давление составляет около 34 кПа (255 торр ) [9] , а точка кипения воды составляет 71 °C (160 °F). [ необходима цитата ] До 1954 года шкала температур Цельсия определялась двумя точками: 0 °C определялась точкой замерзания воды, а 100 °C определялась точкой кипения воды при стандартном атмосферном давлении .
Чем выше давление паров жидкости при данной температуре, тем ниже нормальная температура кипения (т. е. температура кипения при атмосферном давлении) жидкости.
На диаграмме давления пара справа показаны графики давления пара в зависимости от температуры для различных жидкостей. [10] Как видно на диаграмме, жидкости с самым высоким давлением пара имеют самые низкие нормальные температуры кипения.
Например, при любой заданной температуре метилхлорид имеет самое высокое давление пара среди всех жидкостей на диаграмме. Он также имеет самую низкую нормальную температуру кипения (−24,2 °C), которая находится там, где кривая давления пара метилхлорида (синяя линия) пересекает горизонтальную линию давления одной атмосферы ( атм ) абсолютного давления пара.
Критическая точка жидкости — это самая высокая температура (и давление), при которой она фактически закипает.
См. также Давление паров воды .
Элемент с самой низкой температурой кипения — гелий . Температура кипения как рения , так и вольфрама превышает 5000 К при стандартном давлении ; поскольку трудно точно измерить экстремальные температуры без предвзятости, в литературе оба упоминаются как имеющие более высокую температуру кипения. [11]
Как видно из приведенного выше графика логарифма давления пара в зависимости от температуры для любого данного чистого химического соединения , его нормальная точка кипения может служить показателем общей летучести этого соединения. Данное чистое соединение имеет только одну нормальную точку кипения, если таковая имеется, и нормальная точка кипения и точка плавления соединения могут служить характерными физическими свойствами для этого соединения, указанными в справочниках. Чем выше нормальная точка кипения соединения, тем менее летучим это соединение в целом, и наоборот, чем ниже нормальная точка кипения соединения, тем более летучим это соединение в целом. Некоторые соединения разлагаются при более высоких температурах, прежде чем достигнуть своей нормальной точки кипения, а иногда даже точки плавления. Для стабильного соединения температура кипения колеблется от его тройной точки до его критической точки в зависимости от внешнего давления. За пределами тройной точки нормальная точка кипения соединения, если таковая имеется, выше его точки плавления. За пределами критической точки жидкая и паровая фазы соединения сливаются в одну фазу, которую можно назвать перегретым газом. При любой заданной температуре, если нормальная точка кипения соединения ниже, то это соединение, как правило, будет существовать в виде газа при атмосферном внешнем давлении. Если нормальная точка кипения соединения выше, то это соединение может существовать в виде жидкости или твердого тела при данной температуре при атмосферном внешнем давлении и будет существовать в равновесии со своим паром (если оно летучее), если его пары удерживаются. Если пары соединения не удерживаются, то некоторые летучие соединения могут в конечном итоге испариться, несмотря на их более высокие точки кипения.
В общем, соединения с ионными связями имеют высокие нормальные температуры кипения, если они не разлагаются до достижения таких высоких температур. Многие металлы имеют высокие температуры кипения, но не все. Очень часто — при прочих равных факторах — в соединениях с ковалентно связанными молекулами , по мере увеличения размера молекулы (или молекулярной массы ), нормальная температура кипения увеличивается. Когда размер молекулы становится размером макромолекулы , полимера или иным образом очень большим, соединение часто разлагается при высокой температуре до достижения точки кипения. Другим фактором, который влияет на нормальную температуру кипения соединения, является полярность его молекул. По мере увеличения полярности молекул соединения его нормальная температура кипения увеличивается, при прочих равных факторах. Тесно связана способность молекулы образовывать водородные связи (в жидком состоянии), что затрудняет выход молекул из жидкого состояния и, таким образом, увеличивает нормальную температуру кипения соединения. Простые карбоновые кислоты димеризуются, образуя водородные связи между молекулами. Незначительным фактором, влияющим на точки кипения, является форма молекулы. Более компактная форма молекулы имеет тенденцию немного снижать нормальную температуру кипения по сравнению с эквивалентной молекулой с большей площадью поверхности.
Большинство летучих соединений (при температурах, близких к температуре окружающей среды) проходят через промежуточную жидкую фазу, нагреваясь из твердой фазы, чтобы в конечном итоге перейти в паровую фазу. По сравнению с кипением, сублимация — это физическое превращение, при котором твердое вещество превращается непосредственно в пар, что происходит в некоторых избранных случаях, например, с углекислым газом при атмосферном давлении. Для таких соединений точка сублимации — это температура, при которой твердое вещество, превращающееся непосредственно в пар, имеет давление пара, равное внешнему давлению.
В предыдущем разделе были рассмотрены точки кипения чистых соединений. На давление паров и точки кипения веществ может влиять присутствие растворенных примесей ( растворенных веществ ) или других смешивающихся соединений, причем степень влияния зависит от концентрации примесей или других соединений. Присутствие нелетучих примесей, таких как соли или соединения с летучестью, намного меньшей, чем у основного компонента, уменьшает его молярную долю и летучесть раствора , и, таким образом, повышает нормальную точку кипения пропорционально концентрации растворенных веществ. Этот эффект называется повышением точки кипения . В качестве распространенного примера, соленая вода кипит при более высокой температуре, чем чистая вода.
В других смесях смешивающихся соединений (компонентов) может быть два или более компонентов с различной летучестью, каждый из которых имеет свою собственную точку кипения чистого компонента при любом заданном давлении. Наличие других летучих компонентов в смеси влияет на давление паров и, таким образом, на точки кипения и точки росы всех компонентов в смеси. Точка росы — это температура, при которой пар конденсируется в жидкость. Кроме того, при любой заданной температуре состав пара отличается от состава жидкости в большинстве таких случаев. Для того чтобы проиллюстрировать эти эффекты между летучими компонентами в смеси, обычно используется диаграмма точек кипения . Дистилляция — это процесс кипения и [обычно] конденсации, который использует эти различия в составе между жидкой и паровой фазами.
Ниже приведена таблица изменения температуры кипения воды с высотой с интервалом в 500 метров в диапазоне обитания человека [от Мертвого моря на высоте -430,5 метров (-1412 футов) до Ла-Ринконада, Перу, на высоте 5100 метров (16700 футов)], затем с интервалом в 1000 метров в дополнительном диапазоне высот необитаемой поверхности [до горы Эверест на высоте 8849 метров (29032 фута)], а также аналогичный диапазон в Имперском масштабе.
