Doygun buhar basıncı

Bu makale, Fizik editör ekibinin kalite güvencesinde tescil edilmiştir . Konuya aşina iseniz, makalenin incelemesine ve olası iyileştirmesine katılabilirsiniz. Bu konuda görüş alışverişi şu anda olduğu değil gerçekleşiyor makale üzerinde tartışma tarafında , ama üzerinde kalite güvence tarafında fiziğinin.

Doymuş buhar basıncı (aynı zamanda denge buhar basıncı , bir maddenin) bir basınç ve gaz halinde hangi agregasyonu olan denge toplanmasının, sıvı ya da katı halde olan . Doymuş buhar basıncı sıcaklığa bağlıdır.

Doymuş buhar basıncı eğrisi ( doymuş buhar basıncı hattı, buhar basıncı eğrisi, buhar basıncı hattı ), sıcaklığın bir fonksiyonu olarak doymuş buhar basıncı tarif etmektedir. Faz diyagramında gaz fazının faz sınır çizgisine karşılık gelir .

Dikkat: Kimyada doygun buhar basıncı genellikle “ buhar basıncı ” olarak kısaltılır. Burada doymuş buhar basıncı terimini kısmi basınç terimiyle karıştırmak için büyük bir risk vardır . Bu nedenle burada “buhar basıncı” terimi kullanılmamaktadır.

Tarih

19. yüzyılda John Dalton, havayı doygunluğa getirmek için ne kadar su buharı hacminin gerekli olduğu sorusuyla ilgileniyordu. İlk bulgusu, bu hacmin sıcaklığa çok bağlı olduğuydu.

tanım

Bir doyma buhar basıncının saf madde sıvı ya da katı olarak fiziksel durumu , belirli bir en sıcaklık , basınç ve, termodinamik denge sıvı ya da katı ile bir başka boş bölmesi içinde faz oluşturulur. Bu durumda, her iki faz da kararlı bir şekilde yan yana bulunur, hiçbiri diğerinin zararına büyümez, çünkü sıvının buharlaşması veya katının süblimleşmesi nicel olarak gazın yoğunlaşmasına veya yeniden süblimleşmesine eşittir . Sıcaklık veya hacimde bir değişiklik olduğunda, maddenin çoğu buharlaşır veya yeniden dengede doygun buhar basıncına ulaşılana kadar yoğunlaşır.

Üçlü noktanın üzerindeki sıcaklıklarda , yoğuşma sırasında sıvı faz oluşur, üçlü noktanın altında katı, örneğin oda sıcaklığında iyot .

Aksi halde boş olan numune hacminde karşılıklı olarak çözünmeyen birkaç sıvı faz varsa, bunların üzerinde ayrı maddelerin doymuş buhar basınçlarının toplamına eşit bir toplam basınç oluşur. Isıtma veya genleşmeden sonra bileşenlerden birinin doymuş buhar basıncı toplam basınçtan yüksekse, bu bileşen kaynamaya başlar .

Birkaç bileşenden oluşan bir çözelti , yalnızca sıcaklığa değil, aynı zamanda çözeltinin bileşimine de bağlı olan bir doyma buhar basıncına sahiptir. Her bileşen , kendi doymuş buhar basıncından farklı olabilen kısmi bir basınçla katkıda bulunur . Buharın bileşimi sıcaklığa bağlıdır ve genellikle çözeltinin bileşimiyle uyuşmaz.

Formül sembolü ve birimi

E sembolü genellikle doymuş buhar basıncı için kullanılır, ancak e _s ve p _{s, max} gibi diğer formlar da sıvı su için, özellikle e _w ve p _{w, max} ve ice e _i ve pi _{, max için de kullanılır} . İlgili endeksler de büyük harf E'dir . Uygulama alanına bağlı olarak, doğa bilimlerinde en yaygın olanı hektopaskal (hPa) ve megapaskal (MPa ) , mühendislikte ise en yaygın olanı bar (bar) olmak üzere farklı basınç birimleri kullanılır .

Faz diyagramındaki doygun buhar basıncı

"Sıradan" bir madde ve suyun faz diyagramı ( yoğunluk anomalisi )

Olarak faz diyagramı , doymuş buhar basıncı boyunca basınç değeri faz sınır çizgisi, siyah burada işaretlenmiş gaz fazı ve karşılık gelen bir katı ya da sıvı faz arasında. Bu faz sınır çizgisi bu nedenle buhar basıncı eğrisi veya doyma buhar basıncı eğrisi olarak da adlandırılır . Gaz-katı cisimlerin faz dengesi için doygun buhar basıncına süblimasyon basıncı , gaz-sıvı faz dengesi için kaynama basıncı da denir . Burada, kritik noktanın üzerindeki sıcaklıklarda artık bir sıvı fazın olmadığı ve dolayısıyla doymuş buhar basıncının da olmadığı belirtilmelidir. Ayrıca, erime eğrisi olarak adlandırılan katı ve sıvı arasındaki faz sınır çizgisi, doymuş buhar basıncı için bir rol oynamaz.

Uygulamalar ve anlam

Doymuş buhar basıncı, kısa menzilli ve uzun menzilli düzeni ( kohezyon kuvvetleri ve yüzey gerilimi ) aşmak ve gaz fazına geçmek için yeterli enerjiye sahip olan moleküllerin veya atomların oranının bir ölçüsüdür . Bunun olasılığı Boltzmann istatistikleri tarafından verilmektedir . Bu nedenle buhar basıncı eğrisi Boltzmann faktörü ile orantılıdır :

${\ displaystyle \ exp \ sol (- {\ frac {Q_ {d}} {k _ {\ mathrm {B}} \ cdot T}} \ sağ) \ ;,}$

bir molekülün veya atomun buharlaşma enerjisi nerede . ${\ görüntü stili Q_ {d}}$

Bu, denge durumunda belirli bir gaz hacmindeki partikül sayısının yüksek sıcaklıklarda düşük sıcaklıklarda olduğundan daha fazla olduğu anlamına gelir, bu da partikül yoğunluğunun sıcaklıkla birlikte arttığı anlamına gelir .

Önemli örnekler su buharı ve nemdir . Birçok nem ölçümü, özellikle bağıl nem , doyma açığı ve çiy noktası ile bağlantılı olarak, buhar basıncı ve doymuş buhar basıncı kullanılarak tanımlanır veya hesaplanır .

Teknolojide doygun buhar basıncının bir uygulamasına bir örnek dondurarak kurutma , diğeri ise basınçlı pişirmedir (bkz. düdüklü tencere ). Bina fiziğinde, Glaser yöntemi (sıcaklık profiline göre doymuş buhar basınçlarının ve bileşenin katman sınırlarında teorik olarak geçerli olan kısmi buhar basınçlarının bir karşılaştırması) planlanmış bir bileşenin yoğuşma riski altında olup olmadığını değerlendirmek için kullanılır.

Hesaplama ve etkileyen faktörler

Doymuş buhar basıncını hesaplamak için Clapeyron denklemi veya özellikle sıvıdan gaza faz geçişi için Clausius-Clapeyron denklemi kullanılabilir . Doymuş buhar basıncına uygulandığında, bu okur:

${\ displaystyle \ dörtlü {\ frac {\ matematik {d} E_ {s}} {\ matematik {d} T}} = {\ frac {q_ {v} E_ {s}} {R_ {w} T ^ { 2}}}}$

Bireysel semboller aşağıdaki miktarları temsil eder :

• E _s - doygunluk buhar basıncı
• q _v - özgül buharlaşma ısısı ( kütle başına buharlaşma ısısı )
• R _w - özgül gaz sabiti
• T - sıcaklık

Bununla birlikte, bu denklem, entegre edilmesi zor olduğundan (buharlaşma ısısının sıcaklığa bağımlılığı) pratik problemlerle doludur. Bir varsayar (buharlaşma ısısı) sabit olur doygunluk buhar basıncı için sonuç: ${\ görüntü stili q_ {v}}$

${\ displaystyle E_ {s} = E_ {0} \ cdot \ exp \ sol ({\ frac {q_ {v}} {R_ {w}}}} \ cdot \ sol ({\ frac {1} {T_ {0) }}} - {\ frac {1} {T}} \ sağ) \ sağ)}$

Birçok uygulama için çok önemli olan suyun doygun buhar basıncı durumunda, bu nedenle, en basiti Magnus formülleri olan çeşitli yaklaşım denklemleri geliştirilmiştir. Suyun üzerindeki buhar basıncını hesaplamak için şu anda en kesin denklem , Dünya Meteoroloji Örgütü tarafından da önerilen , sıcaklığın logaritmalarında altıncı derece bir polinom olan Goff-Gratch denklemidir . VDI / VDE 3514 Bölüm 1'de verilen formül daha kesindir.

Magnus formülü kullanılarak suyun doygun buhar basıncının hesaplanması

Saf fazdaki (havanın olmadığı) su buharı için doymuş buhar basıncı Magnus formülü kullanılarak hesaplanabilir. Bu formül, yalnızca üç parametre gerektirmesi ve tersine çevrilebilir olması gibi avantajlara sahiptir. Ancak daha kesin formüller var.

Aşırı seviyeli su yüzeyleri

${\ displaystyle E_ {w} (t) = 6 {,} 112 \, \ matematik {hPa} \ cdot \ exp \ left ({\ frac {17 {,} 62 \ cdot t} {243 {,} 12 \ ; ^ {\ circ} \ matematik {C} + t}} \ sağ) \ qquad {\ metin {için}} \ dörtlü -45 \, ^ {\ circ} \ matematik {C} \ leq t \ leq 50 \ , ^ {\ çevre} \ matematik {C}}$

Düz buz yüzeyleri üzerinde

${\ displaystyle E_ {i} (t) = 6 {,} 112 \, \ matematik {hPa} \ cdot \ exp \ left ({\ frac {22 {,} 46 \ cdot t} {272 {,} 62 \ , ^ {\ circ} \ matematik {C} + t}} \ sağ) \ qquad {\ metin {için}} \ dörtlü -80 \, ^ {\ circ} \ matematik {C} \ leq t \ leq 0 { ,} 01 \, ^ {\ circ} \ matematik {C}}$

İpuçları

Vikikitaplar: daha kesin formüller içeren veri tablosu  - öğrenme ve öğretme materyalleri

Magnus formüllerinde, t için sıcaklığın Kelvin olarak değil, santigrat derece olarak girilmesi gerektiğine dikkat edilmelidir. Ortaya çıkan doygun buhar basıncı, burada verilen değerler için ön faktörün birimine , yani hPa'ya sahiptir . Yeryüzünde doğal olarak oluşan sıcaklık değerlerinin ötesinde, ampirik olarak belirlenmiş Magnus formülünün gerçek değerden sapması büyük ölçüde artabilir, bu yüzden kişi kendini belirtilen sıcaklık aralıkları ile sınırlandırmalıdır. ${\ görüntü stili E_ {0} (t)}$

Magnus formülleri yalnızca düz yüzeyler için geçerlidir ve burada yalnızca saf su için geçerlidir. Bununla birlikte, hataları nispeten büyüktür, bu nedenle bu iki etki, düşükse genellikle ihmal edilebilir. Sonuçların standart sapması her iki tarafta yüzde yarıma kadardır. Kıvrımlı yüzeylerde, örneğin küresel damlacıklarda doygunluk buhar basıncı daha yüksektir (eğrilik etkisi aşağıya bakınız), diğer yandan tuzlu çözeltilerde daha düşüktür (çözelti etkisi aşağıya bakınız). Bu iki değiştirici etki, çökelme parçacıklarının oluşumunda önemli bir rol oynar.

Laboratuar deneylerinde, damıtılmış su ve çok saf hava ile düz bir yüzey üzerinde yoğuşma ancak yüzde birkaç yüz aşırı doygunluktan sonra elde edilebilir. Gerçek atmosferde ise aerosoller yoğunlaşma çekirdekleri olarak önemli bir rol oynarlar . Sonuç olarak, gerçekte yüzde birden fazla aşırı doygunluk nadiren gözlenir.

Magnus formülünü başka bir temsil şekliyle karşılaştırmak için su buharı maddesi önerilir. Magnus formülü ilk olarak 1844'te Heinrich Gustav Magnus tarafından hazırlandı ve o zamandan beri sadece daha kesin değerlerle desteklendi, burada kullanılan değerler D. Sonntag'dan (1990) geliyor. Bir sonraki bölümde daha kesin bir hesaplama ve birçok örnek değer bulunabilir.

Etkileri

İdeal bir saf madde ve yukarıdaki denklemlerle tanımlanan düz bir yüzey durumunun aksine, gerçekte nihai doyma buhar basıncını belirlemeye yardımcı olan başka etkileyici faktörler vardır.

Eğrilik ve çözme etkisi

Yoğunlaşma çekirdekleri üzerinde sıvı parçacıklar oluştuğunda eğrilik etkisi meydana gelir. Burada, üretilen sıvı damlacıkların kavisli yüzeyleri üzerinde, düzlemsel bir su yüzeyine kıyasla daha yüksek bir doymuş buhar basıncının meydana geldiği görülebilir. Fiziksel durumunda bir değişiklik olduğunda sıvı saf madde halinde değilse, çözünme etkisi de dikkate alınmalıdır. Sıvı içinde çözünen parçacıklar sıvı bileşiği terk etmeyi zorlaştırır, bu nedenle doygunluk buhar basıncı saf bir sıvıda olacağından daha düşüktür.

Atmosferik koşullar altında, her iki etki genellikle birlikte meydana gelir ve tek başına bir değerlendirme çok etkili değildir.

şarj etkisi

Yüzeyin elektrik yükü aynı zamanda doygunluk buhar basıncı üzerinde de bir etkiye sahiptir, ancak bu, diğer etkilere kıyasla minimaldir ve bu nedenle pratik bir rol oynamaz.

Nemli hava için düzeltme faktörleri

Düzeltme faktörleri ( İngilizce : geliştirme faktörü ) gereklidir, çünkü su buharı saf halde değil, nemli havada bulunur. Yalnızca 1013,25 hPa (normal basınç) hava basıncında uygulanırlar. Daha yüksek basınçlarda daha büyük ve buna bağlı olarak daha düşük basınçlarda daha küçüktürler.

1. -50 ° C ila 90 ° C sıcaklık aralığında su üzerinde: ${\ displaystyle f_ {w} = 1 {,} 00519 \ pm 0 {,} 00108}$
2. -90 ° C ila 0 ° C sıcaklık aralığında buz üzerinde: ${\ displaystyle f_ {i} = 1 {,} 00686 \ pm 0 {,} 00235}$

Düzeltme faktörleri sıcaklığa bağlı olduğundan ve yukarıdaki değerlerde oldukça geniş sıcaklık aralıkları içerdiğinden, bunlar gerçek sapmaya yalnızca çok kaba yaklaşımları temsil eder.Suyun üzerindeki negatif sıcaklıklar aşırı soğutulmuş suyla ilgilidir. Doymuş buhar basıncı için elde edilen değerleri elde etmek için aşağıdakiler geçerlidir:

1. ${\ displaystyle E_ {w} '\; = \; f_ {w} \; \ cdot \; E_ {w} \ qquad}$( - tablo değeri)${\ görüntü stili E_ {w}}$
2. ${\ displaystyle E_ {i} '\; \; = \; f_ {i} \; \; \ cdot \; E_ {i} \; \ qquad}$( - tablo değeri)${\ görüntü stili E_ {i}}$

Doygunluk miktarı ile ilişkisi

Göre genel gaz denklemi , doymuş buhar basıncı da ürünü (yaklaşık) doyma miktarı ile bağımsız gaz sabiti ve sıcaklık (de Kelvin ). Bunun gibi bir formül olarak temsil edilir:

${\ displaystyle E _ {\ gamma, \ varphi} (T) = \ rho _ {\ gamma, \ varphi; \ matematik {max}} (T) \ cdot R _ {\ gamma} \ cdot T \ ;,}$

bkz. buhar basıncı veya doygunluk .

• γ hala ilgili gazı (örneğin su buharı ) temsil eder - gaz sabiti R _{γ ile} ,
• φ alternatif fiziksel durum için (" faz ", katı veya sıvı ); ile y  = su buharı, e _{γ, φ olan} su buharı basıncı ve ρ _{, φ olan γ} miktarı “buz üzerinde” doyma ya da “yukarıda su”.

Terimi, ek olarak doygunluk miktarı , bir de doyma bulur konsantrasyonu ve doygunluk (buhar) yoğunluğu (Sonntag 1982'den başlıktaki), SI birim daha çok g / m ³ . Su buharı durumunda , maksimum hava neminden söz edilir .

Edebiyat

• Dietrich Sonntag: 1986 Fiziksel Sabitlerinin Önemli Yeni Değerleri, ITS-90'a dayalı Buhar Basıncı Formülasyonları ve Psikrometre Formülleri. İçinde: Meteoroloji Dergisi. Cilt 40, No. 5, 1990, ISSN  0084-5361 , sayfa 340-344.
• Leslie A. Guildner, Daniel P. Johnson, Frank E. Jones: Üç Noktadaki Suyun Buhar Basıncı. İçinde: Ulusal Standartlar Bürosu Araştırma Dergisi. Bölüm A: Fizik ve Kimya. Cilt 80A, No. 3, 1976, ISSN  0022-4332 , sayfa 505-521, doi : 10.6028 / jres.080A.054
• Daniel M. Murphy, Thomas Koop: Atmosferik uygulamalar için buz ve aşırı soğutulmuş suyun buhar basınçlarının gözden geçirilmesi. İçinde: Kraliyet Meteoroloji Derneği'nin Üç Aylık Dergisi . Cilt 131, No. 608, 2005, ISSN  0035-9009 , sayfa 1539-1565, doi : 10.1256 / qj.04.94 .

Buhar basıncı iyot

Ayrıca bakınız

• Raoult Yasası - Çözümlerde Buhar Basıncı Değişiklikleri
• kaynama noktası
• üçlü nokta
• Bancroft noktası
• antoine denklemi

İnternet linkleri

• En önemli meteorolojik miktarlar için çevrimiçi hesaplayıcı
• Holger Vömel tarafından derlenen doymuş buhar basıncı denklemleri (İng.)
• İngilizce Vikipedi'de (İngilizce) Goff-Gratch denklemi .
• Çevrimiçi hesap makinesi nem. Diğer şeylerin yanı sıra -20 °C ila +70 °C arasındaki sıcaklıklar için doygun buhar basıncını hesaplar (B. Glück'e göre yaklaşık formüller)

Dipnotlar

1. ↑ ^{a b} VDI / VDE 3514 sayfa 1: Gaz nemi ölçüm parametreleri ve sembolleri . Kasım 2016