Парно налягане

Знаем, че всяко вещество в течно състояние има достатъчнo кинетична енергия за да може молекулите му да се разминават, но не достатъчнo те да се отдалечат една от друга. Например при тази течност. Някои нейни частици може да се движат в тази посока, други – по-бавно, в тази посока. Има леко раздвиждване, но между частиците има определени връзки. Молекулите сякаш се разместват, но искат да останат наблизо. Съществуват тези невидими връзки между тях и те стоят наблизо. Когато достатъчно увеличиш средната кинетична енергия, това увеличава и температурата, топлината на кипене се преодолява и изведнъж дори тези връзки вече не стигат да поддържат молекулите наблизо, те се отделят една от друга и веществото преминава в газообразно състояние. Молекулите вече имат много кинетична енергия, те се движат хаотично и заемат формата на съда си. Имаме едно интересно наблюдение. Температурата отговаря на средната кинетична енергия. Не е задължително, и обикновено не е така, всички молекули да имат една и съща кинетична енергия. Дори и да беше така, Тогава пак тези частици щяха да се сблъскат с другите: представи си, че са топки за билярд; всяка предава импулса си към следващата. Сега тази частица има много енергия. А тези имат по-малко. Другата има много. Тези имат по-малко. Има голяма разлика в кинетичните енергии на частиците. Ако погледнеш частиците на повърхонстта, а точно те са важни, защото те ще са първите, които ще се изпарят... нека не бързам толкова... Те ще имат възможност да се отделят, ако имат достатъчно кинетична енергия. Ще опитам да нарисувам разпределението на повърхностните молекули – ще направя една малка графика тук. По тази ос е кинетичната енергия, а по другата – относителната концентрация. Чертая го горе-долу, колкото да получиш представа. Имам средна кинетична енергия на дадена температура, нали? Това е средната кинетична енергия. Кинетичната енергия на отделните частици ще е разпределена около средната, това се нарича "нормално разпределение". Повече за нормалното разпределение има във видеата по статистика. При него все по-малък брой частици се намират по-далеч от средната стойност. Макар средата да е тук, по всяко време има някои частици с много малка кинетична енергия. Поради това те се движат доста бавно. Същевременно винаги има частици с много висока кинетична енергия, дори тя да се дължи само на случайните подбутвания от други частици. Така те приемат голям импулс, голяма скорост. Въпросът е дали някои от тези частици са достатъчно бързи, дали имат достатъчно кинетична енергия да се изпарят? Имаме определена граница, ще я начертая тук, това е количеството кинетична енергия, достатъчна за повърхностна частица да се изпари. Може тук отдолу да има частица с огромна кинетична енергия. Но преди да може да се изпари, ще трябва да премине покрай всички тези течни молекули, и е по-вероятно да се сблъска с тях, отколкото да се изпари. Интересуват ни частиците на повърхността, защото те директно контактуват с външното налягане. Нека това е външният газ. Той има много по-малка плътност от течността, поне в нашия пример. Тези частици се отделят към въздуха над течността, ако приемем, че газът е въздух. Във всеки даден момент някаква част от молекулите могат да се отделят. Следващият ни въпрос е: това не значи ли, че те се изпаряват, че се превръщат в газ? Да, точно това значи. Във всеки момент някои от частиците на течността се отделят от нея. Това се нарича изпарение. Идеята ти е позната: ако оставиш вода навън, ще започне бавно да се изпарява, макар температурите да са доста под точката на кипене на водата при условията ти на живот. Нормалната точка на кипене е при стандартно атмосферно налягане. Ако просто оставиш отворен съд с вода, след време тя ще се изпари. Случва се това: някои от молекулите с необичайно висока кинетична енергия се отделят от течността. Ако водата се намира в отворен съд, особено, ако е на открито, тези частици се отделят и вятърът ги отнася. После още няколко се отделят, вятърът отнася и тях. Това става с всички частици, които се отделят. След време от съда с вода ще остане само съдът. Какво се случва обаче в затворена система? Всички сме правили този експеримент, дали нарочно или неволно, като оставим нещо навън и после забележим, че водата се е изпарила. Какво се случва обаче в затворена система без вятър? Ще начертая друга графика за затворената система. Имаме някаква течност, не е задължително да е вода. Въздухът над нея оказва налягане. Нека е атмосферното налягане. Може и да е друго. И така, имаме и въздух над течността, а той има своя кинетична енергия. Също и водните молекули, разбира се. Някои от тях започват да се изпаряват. Някои от водните молекули от горния край на енергийното разпределение имат достатъчно енергия да се отделят. Те се придвижват към въздушните молекули. Нали? Сега се случва нещо интересно. Ето какво беше разпределението на енергията на молекулите в течното състояние. Имаме също и разпределение на кинетичните енергии на молекулите в газообразното състояние. Също както различните частици се блъскат една в друга, получават или губят енергия в течността, така става и във въздуха горе. Тази молекула може да е имала много кинетична енергия, но се блъска наоколо и я загубва. Тогава тя ще се върне обратно в течността. Някаква част от молекулите, ще ги обознача с друг оттенък на синьото, се намират в течността, но са се върнали от газообразното състояние обратно в течното. Винаги има изпарение и винаги има кондензация, защото винаги има разпределение на кинетичната енергия на частиците. Във всеки един момент част от газообразните молекули губят много кинетична енергия и се връщат обратно към течността. Някои от молекулите на повърхността на течността получават кинетична енергия от случайни сблъсъци и се изпаряват. Това се случва непрекъснато и се достига определено равновесие. Когато това равновесие се достигне, налягането приема определена стойност. Това налягане се получава от изпарените частици и се нарича парно налягане. Искам да се уверя, че това е ясно. Парното налягане е създаденото при равновесието налягане, то е при дадена температура за определен тип молекули. Всеки тип молекула или вещество има различно парно налягане при различни температури и очевидно всяко вещество има свое парно налягане. За дадена температура и тип вещество това е налягането, създадено от изпарените му молекули, когато има равновесие между изпарение и кондензация. Тогава се изпаряват същият брой частици, колкото и кондензират обратно към течно състояние. Вече знаем, че колкото по-голямо е налягането, толкова по-трудно е изпарението. Нали? От предишните видеа научихме, че при 100°C и много високо налягане водата все още ще е в течно състояние. Водните пари създават определено налягане, което ще се увеличава дотогава, докогато течността се стреми към изпаряване. Тя ще продължава да се изпарява, докато достигне до равновесната точка, може да се разглежда и като равновесие на плътността, това е моментът, в който еднакъв брой молекули преминават от течно към газообразно състояние, колкото и обратно. Само за да добием представа какво е парното налягане и как се различава то за различните вещества, да видим защо техните молекули се стремят да се изпаряват? Te може да имат висока кинетична енергия, тогава може да има висока температура. Може връзките между тези молекули да са слаби, това ще зависи от веществото. Благородните газове имат много слаби взаимодействия между молекулите си, както и повечето въглеводороди: бензин, метан и т.н., те повече се стремят към изпарение поради своите по-слаби междумолекулни връзки, отколкото, да речем, при водата. Може да става въпрос и за по-леки молекули. Може да провериш и в някои от уроците по физика, кинетичната енергия зависи от масата и скоростта. Може да получим добра кинетична енергия при голяма маса дори и при ниска скорост. Но ако масата е малка, при същата кинетична енергия ще е по-вероятно да има висока скорост. Може да гледаш и видеата за кинетичната енергия. Повечето от молекулите на вещество, което се стреми да се изпари, нека го представя в по-различен цвят , когато едно вещество много силно се стреми да се изпари, повече от молекулите му трябва да преминат към газообразно състояние, за да се постигне равновесие. Сега ще използвам същия цвят. Налягането, създадено от изпарените молекули, ще бъде по-високо, за да се постигне равновесното състояние, това е високо парно налягане. От друга страна, при ниски температури или силни междумолекулни сили, или при тежки молекули, парното налягане е ниско. Например желязото има много ниско парно налягане, защото не се изпарява, докато... да помисля за по-добър пример. Въглеродният диоксид е със сравнително високо парно налягане. Много повече въглероден диоксид ще се изпари при подобни условия. Тук не бива да смесваме явленията между различните агрегатни състояния, но идеята е ясна. Веществата с високо парно налягане имат склонност да се изпаряват, те се наричат летливи. Може терминът летливост да ти е вече известен. Бензинът, например, има по-голяма летливост, отколкото водата, затова се изпарява повече и има по-високо парно налягане. Ако го оставиш в затворен съд, при еднаква температура и налягане, повече бензин ще премине към газообразно състояние. Неговите пари ще образуват по-голямо налягане, което да потисне естествената склонност на бензина да се изпарява, отколкото при водата. Когато парното налягане стане равно на въздушното, става интересно. Това е нашият затворен съд. Въздухът тук е с определено налягане. Досега сме предполагали, че въздухът е имал по-голямо налягане, което задържа тези молекули. Може някои въздушни молекули да навлизат тук, а някои от изпарените молекули да се измъкват от съда, но като цяло стоят в него поради високото налягане на околния въздух, по-високо от парното налягане. Разбира се, налягането на повърхността е комбинация от парциалното налягане, дължащо се на малкия процент навлязли въздушни молекули, плюс парното налягане. Но когато парното налягане стане равно на въздушното, то вече натиска навън със същата сила, можем да я изразим като сила за единица площ, и молекулите вече могат да излязат. То може да преодолее въздушното налягане. Тук се образува празнина. Образува се нещо като вакуум. Не искам да използвам термина вакуум, но тъй като има избягали молекули, все повече от тях започват да излизат. В този момент е достигната точката на кипене на веществото, когато парното налягане се изравнява с атмосферното. За да добием представа какво означава това, да разгледаме парното налягане на водата. Това е вода, H2O. При налягане от 760 мм живачен стълб, имаме стандартното атмосферно налягане, като 760 torr единици, или милиметри живак, са равни на 1 атмосфера. 1 атмосфера е горе-долу тук. Налягането от 1 атмосфера е парното налягане на водните изпарения при 100°C. Това е за водата. Или, при 100°C имаме точно 760 torr парно налягане, което е точно 1 атмосфера на морското равнище. И така, при 100°C, парното налягане на водата е равно на въздушното на морското равнище. Затова ще се получи кипене, което знаем, че се случва на практика. При по-ниски температури парното налягане ще е по-малко от атмосферното налягане, нали? Например тук, то е около 300 torr. Какво се случва после? Ако намалим налягането на въздуха достатъчно, като например изпомпаме въздух от съда, за да достигне налягането на въздуха вътре до това парно налягане, отново ще имаме кипене. Както видяхме при фазовите диаграми, едно вещество може да заври при по-ниска температура, ако се намали въздушното налягане. Това се случва, когато въздушното налягане стане толкова ниско, колкото е моментното парно налягане на веществото. Да разгледаме една интересна сравнителна таблица. Виждаме това бързо увеличение на парното налягане с увеличаването на температурата. Причината за това ще видим в разпределението на кинетичната енергия, за което говорехме по-рано. Когато количеството кинетична енергия се увеличава, разпределението изглежда така. В лилаво е при по-висока температура. Вече имаме много повече частици над границата. Увеличението им не е линейно. Вече има голям брой частици, които могат да избягат, те вече имат достатъчно кинетична енергия да се изпарят. Вожда се как техният брой нараства експоненциално с увеличаване на температурата. Ето още една графика. Къде изчезна екпоненциалният растеж? Тази графика е логаритмична. Вижда се по мащаба ѝ. Деленията по скалата на налягането не са линейни, а експоненциални: тя е от 0,1 до 1 атмосфера, като всяко следващо деление отговаря на 10 пъти по-висока стойност от предишното. Затова графиката тук е изправена. Различните цветове графики са за различни вещества. Най-отгоре е пропанът. Да видим за някаква позната температура. Например при 20°C. При 20°C пропанът е с най-голямо парно налягане. То е 1 атмосфера, което значи, че пропанът кипи при 20°C. Там той напълно изкипява и преминава в газообразно състояние. Това е поради високото парно налягане на пропана в сравнение с атмосферното налягане на морското равнище. Може да провериш това и за други вещества. Следващото е метил хлорид. Неговото парно налягане е малко по-ниско, но той пак е силно летлив. Той също ще изкипи и премине към газообразно състояние при 20°C на морското равнище, защото тази температура, показана тук със син пунктир, пресича графиката му над 1 атмосфера. Ако искаме да поддържаме метил хлорида в течно състояние, или в равновесие между втечняване и изпаряване, за да не изкипи, трябва температурата да е поне... колко? Около -25°C, за да не изкипи. Пропанът дори и при -25°C пак е в газообразно състояние, поради своето високо парно налягане. Следващото дадено вещество е бутанът. Някои запалки работят с бутан. Той е в течно състояние, докато температурата е около 0°C. Но нали в запалките е течност? Това се дължи на по-високото налягане в запалката, отколкото е атмосферното. Може да е около 2 атмосфери. При стайна температура бутанът в запалката остава течен. Разсъждавам, не знам точно колко е налягането на запалката. Просто тази интересна графика с различни парни налягания подтиква към интересни разсъждения. Можеш да видиш кои вещества при нормално въздушно налягане се очаква да са газообразни или течни при различни температури и да видиш при различни температури кои вещества са най-летливи и с колко трябва да увеличиш или намалиш налягането, за да се изпарят или да изкипят. Все пак, надявам се това видео да ти беше интересно Парното налягане е нещо, с което срещаме всеки ден. Ще се видим пак в следващото видео.