10.4: Mabadiliko ya Awamu

Last updated
Save as PDF

Page ID: 188530

$ \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $ $ \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} $$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

Eleza mabadiliko ya awamu na joto la awamu ya mpito
Eleza uhusiano kati ya joto la mpito wa awamu na vikosi vya kuvutia vya intermolecular
Eleza taratibu zinazowakilishwa na joto la kawaida na baridi, na kukokotoa mtiririko wa joto na mabadiliko ya enthalpy yanayoambatana na taratibu hizi

Tunashuhudia na kutumia mabadiliko ya hali ya kimwili, au mabadiliko ya awamu, kwa njia nyingi. Kama mfano mmoja wa umuhimu wa kimataifa, fikiria uvukizi, condensation, kufungia, na kiwango cha maji. Mabadiliko haya ya hali ni mambo muhimu ya mzunguko wa maji ya dunia yetu pamoja na matukio mengine mengi ya asili na michakato ya kiteknolojia ya umuhimu wa kati kwa maisha yetu. Katika moduli hii, mambo muhimu ya mabadiliko ya awamu yanachunguzwa.

Uvukizi na Condensation

Kiowevu kinapovukiza katika chombo kilichofungwa, molekuli za gesi haziwezi kutoroka. Kama molekuli hizi za awamu ya gesi hoja nasibu juu, wao mara kwa mara kugongana na uso wa awamu kufupishwa, na wakati mwingine, migongano haya itasababisha molekuli tena kuingia awamu kufupishwa. Mabadiliko kutoka awamu ya gesi hadi kioevu huitwa condensation. Wakati kiwango cha condensation kinakuwa sawa na kiwango cha mvuke, wala kiasi cha kioevu wala kiasi cha mvuke katika chombo kinabadilika. Mvuke ndani ya chombo husemekana kuwa katika usawa na kioevu. Kumbuka kwamba hii sio hali ya tuli, kama molekuli zinaendelea kubadilishana kati ya awamu zilizopunguzwa na za gesi. Hiyo ni mfano wa usawa wa nguvu, hali ya mfumo ambao michakato ya usawa (kwa mfano, mvuke na condensation) hutokea kwa viwango sawa. Shinikizo linalofanywa na mvuke katika usawa na kioevu kwenye chombo kilichofungwa kwenye joto lililopewa linaitwa shinikizo la mvuke la kioevu (au shinikizo la mvuke la usawa). Eneo la uso wa kioevu katika kuwasiliana na mvuke na ukubwa wa chombo hauna athari juu ya shinikizo la mvuke, ingawa huathiri muda unaohitajika kwa usawa kufikiwa. Tunaweza kupima shinikizo la mvuke la kioevu kwa kuweka sampuli kwenye chombo kilichofungwa, kama kilichoonyeshwa kwenye Mchoro 10.22, na kutumia manometer kupima ongezeko la shinikizo ambalo linatokana na mvuke katika usawa na awamu ya kufupishwa.

Picha tatu zinaonyeshwa na zimeandikwa “a,” “b,” na “c.” Kila picha inaonyesha bulb pande zote kushikamana na haki ya tube ambayo ni usawa, basi ni bent wima, curves, na kisha ni wima tena kufanya u-sura. Valve iko katika sehemu ya usawa ya tube. Image a inaonyesha kioevu katika bulb, kinachoitwa, “Liquid,” na mishale ya juu-inakabiliwa na kuongoza mbali na uso wa kioevu. Maneno, “Molekuli kutoroka uso na fomu mvuke” imeandikwa chini ya bulb, na kioevu kijivu katika sehemu ya u-umbo la tube inavyoonekana kwa urefu sawa upande wa kulia na wa kushoto. Picha b inaonyesha kioevu katika bulb, kinachoitwa, “Kioevu,” na mishale inayoelekea juu inayoongoza mbali na uso wa kioevu hadi molekuli inayotolewa katika sehemu ya juu ya bulb. Kioevu kijivu katika sehemu ya u-umbo la tube huonyeshwa kidogo juu upande wa kulia kuliko upande wa kushoto. Picha c inaonyesha kioevu katika bulb, kinachoitwa, “Kioevu,” na mishale inayoelekea juu inayoongoza mbali na uso wa kioevu hadi molekuli inayotolewa kwenye sehemu ya juu ya wingi. Kuna molekuli zaidi zilizopo katika c kuliko katika b. maneno “Msawazo kufikiwa, shinikizo mvuke kuamua,” imeandikwa chini ya bulb na kioevu kijivu katika sehemu u-umbo ya tube ni inavyoonekana juu upande wa kulia. Mstari wa usawa hutolewa ngazi na kila ngazi hizi za kioevu na umbali kati ya mistari umeandikwa na mshale unaoongozwa mara mbili. Sehemu hii imeandikwa na maneno, “shinikizo la mvuke.”

Kielelezo 10.22 Katika chombo kilichofungwa, usawa wa nguvu unafikiwa wakati (a) kiwango cha molekuli zinazokimbia kutoka kioevu kuwa gesi (b) huongezeka na hatimaye (c) ni sawa na kiwango cha molekuli za gesi zinazoingia kioevu. Wakati usawa huu unafikia, shinikizo la mvuke la gesi ni mara kwa mara, ingawa mchakato wa uvukaji na condensation huendelea.

Utambulisho wa kemikali wa molekuli katika kioevu huamua aina (na nguvu) za vivutio vya intermolecular iwezekanavyo; kwa hiyo, vitu tofauti vitaonyesha shinikizo tofauti za mvuke za usawa. Vikosi vyenye nguvu vya kuvutia vya intermolecular vitatumika kuzuia uvukizi pamoja na kupendelea “recapture” ya molekuli ya awamu ya gesi wakati wanapogongana na uso wa kioevu, na kusababisha shinikizo la chini la mvuke. Vivutio dhaifu vya intermolecular sasa chini ya kizuizi kwa uvukizi, na uwezekano mdogo wa kupunguzwa kwa gesi, kutoa shinikizo la juu la mvuke. Mfano unaofuata unaonyesha utegemezi huu wa shinikizo la mvuke kwenye vikosi vya kuvutia vya intermolecular.

Mfano 10.5

Akifafanua shinikizo la Mvuke kwa Masharti ya IMF

Kutokana na fomu zilizoonyeshwa za miundo kwa misombo hii minne, kuelezea shinikizo la mvuke la jamaa kwa suala la aina na kiwango cha IMF:

Miundo minne ya Lewis imeonyeshwa. Muundo wa kwanza, unaoitwa “ethanol,” unaonyesha kaboni iliyounganishwa na atomi tatu za hidrojeni ambazo ni moja iliyounganishwa na kaboni ya pili inayounganishwa na atomi mbili za hidrojeni na kundi la hidrojeni. Muundo wa pili, ulioitwa “ethylene glycol, unaonyesha atomi mbili za kaboni, moja iliyounganishwa kwa kila mmoja, moja iliyounganishwa kila mmoja hadi atomi mbili za hidrojeni, na kila mmoja huunganishwa na kundi la hidroksili. Picha ya tatu, iliyoitwa “diethyl ether,” inaonyesha atomi ya oksijeni moja iliyounganishwa pande zote mbili kwa kaboni ambayo imeunganishwa na hidrojeni mbili, na kaboni ya pili, ambayo yenyewe imeunganishwa na atomi tatu za hidrojeni. Picha ya nne, iliyoitwa “maji,” inaonyesha atomi ya oksijeni ambayo ni moja iliyounganishwa pande zote mbili kwa atomi za hidrojeni.

Suluhisho

Diethyl ether ina dipole ndogo sana na vivutio vyake vingi vya intermolecular ni vikosi vya London. Ingawa molekuli hii ni kubwa zaidi kati ya nne zinazozingatiwa, IMF zake ni dhaifu zaidi na, kwa sababu hiyo, molekuli zake hutoroka kwa urahisi kutoka kwenye kioevu. Pia ina shinikizo la juu la mvuke. Kutokana na ukubwa wake mdogo, ethanol inaonyesha nguvu za utawanyiko dhaifu kuliko ether ya diethyl. Hata hivyo, ethanol ina uwezo wa kuunganisha hidrojeni na, kwa hiyo, inaonyesha IMF yenye nguvu kwa ujumla, ambayo ina maana kwamba molekuli wachache hutoroka kutoka kioevu kwenye joto lolote, na hivyo ethanol ina shinikizo la chini la mvuke kuliko diethyl ether. Maji ni ndogo sana kuliko ama ya dutu uliopita na maonyesho kuwa vikosi utawanyiko, lakini kina hidrojeni yake bonding hutoa nguvu vivutio intermolecular, molekuli wachache kukimbia kioevu, na chini mvuke shinikizo kuliko kwa ama diethyl ether au ethanol. Ethylene glycol ina makundi mawili -OH, hivyo, kama maji, inaonyesha uhusiano mkubwa wa hidrojeni. Ni kubwa zaidi kuliko maji na hivyo uzoefu vikosi kubwa London. IMF yake ya jumla ni kubwa zaidi ya vitu hivi vinne, ambayo inamaanisha kiwango chake cha uvukizi kitakuwa cha polepole na, kwa hiyo, shinikizo lake la mvuke ni la chini kabisa.

Angalia Kujifunza Yako

Katika 20 °C, shinikizo la mvuke la alkoholi kadhaa hutolewa katika meza hii. Eleza shinikizo hizi za mvuke kwa suala la aina na kiwango cha IMF kwa pombe hizi:

Jibu:

Misombo hii yote inaonyesha ushirikiano wa hidrojeni; IMF hizi zenye nguvu ni vigumu kwa molekuli kushinda, hivyo shinikizo la mvuke ni duni. Kama ukubwa wa molekuli unavyoongezeka kutoka methanoli hadi butanoli, vikosi vya utawanyiko huongezeka, ambayo ina maana kwamba shinikizo la mvuke hupungua kama inavyoonekana:
P _methanoli> P _ethanoli> P _propanoli> P _butanoli.

Kadiri joto linavyoongezeka, shinikizo la mvuke la kiowevu huongezeka pia kutokana na kuongezeka kwa wastani KE wa molekuli zake. Kumbuka kwamba katika joto lolote, molekuli ya dutu hupata nguvu nyingi za kinetic, na sehemu fulani ya molekuli yenye nishati ya kutosha kushinda IMF na kuepuka kioevu (vaporize). Katika joto la juu, sehemu kubwa ya molekuli ina nishati ya kutosha kutoroka kutoka kioevu, kama inavyoonekana kwenye Mchoro 10.23. Kutoroka kwa molekuli zaidi kwa kila kitengo cha muda na kasi kubwa zaidi ya wastani ya molekuli zinazotoroka zote mbili huchangia shinikizo la juu la mvuke.

Grafu inavyoonyeshwa ambapo mhimili wa y unaitwa “Idadi ya molekuli” na x-axis inaitwa “Nishati ya Kinetic.” Mstari miwili ni graphed na wima dotted line, kinachoitwa “Kiwango cha chini K E inahitajika kutoroka,” ni inayotolewa nusu katika x-axis. Mstari wa kwanza unasonga kwa kasi zaidi na una kilele cha juu karibu na upande wa kushoto wa x-axis. Ni matone tu kama steeply na mwisho juu ya asilimia 60 ya njia katika x-axis. Mstari huu umeandikwa “Low T.” Mstari wa pili, ulioitwa “High T,” huanza kwa hatua sawa na ya kwanza, lakini haiendi kwenye kiwango cha juu sana, ni pana, na huisha kidogo zaidi kwa haki kwenye x-axis.

Kielelezo 10.23 Joto huathiri usambazaji wa nguvu za kinetic kwa molekuli katika kioevu. Katika joto la juu, molekuli zaidi zina nishati muhimu ya kinetic, KE, kutoroka kutoka kioevu kwenye awamu ya gesi.

Points ya kuchemsha

Wakati shinikizo la mvuke linaongezeka kutosha sawa na shinikizo la anga la nje, kioevu kinafikia kiwango chake cha kuchemsha. Kiwango cha kuchemsha cha kioevu ni joto ambalo shinikizo la mvuke la usawa ni sawa na shinikizo linalowekwa kwenye kioevu na mazingira yake ya gesi. Kwa vinywaji katika vyombo vya wazi, shinikizo hili ni kwamba kutokana na anga ya dunia. Kiwango cha kawaida cha kuchemsha cha kioevu kinafafanuliwa kama kiwango chake cha kuchemsha wakati shinikizo la jirani ni sawa na atm 1 (101.3 kPa). Kielelezo 10.24 kinaonyesha tofauti katika shinikizo la mvuke na joto kwa vitu kadhaa tofauti. Kuzingatia ufafanuzi wa kiwango cha kuchemsha, curves hizi zinaweza kuonekana kama zinaonyesha utegemezi wa kiwango cha kuchemsha kioevu kwenye shinikizo la jirani.

Grafu inavyoonyeshwa ambapo x-axis inaitwa “Joto (ishara ya shahada, C)” na ina maadili ya 200 hadi 1000 kwa nyongeza ya 200 na y-mhimili inaitwa “Shinikizo (k P a)” na ina maadili ya 20 hadi 120 kwa nyongeza ya 20. Mstari ulio na usawa unaendelea kwenye grafu kwenye hatua ya 780 kwenye mhimili wa y wakati mistari mitatu ya wima inaenea kutoka pointi 35, 78, na 100 ili kufikia mstari ulio na usawa. Mstari minne umewekwa. Mstari wa kwanza, ulioitwa “ethyl ether,” huanza katika hatua “0, 200" na inaenea katika Curve kidogo kwa uhakika “45, 1000" wakati mstari wa pili, kinachoitwa “ethanol”, huenea kutoka hatua “0, 20" hadi kumweka “88, 1000" katika safu kali zaidi. Mstari wa tatu, unaoitwa “maji,” huanza katika hatua ya “0, 0” na inaenea katika pembe hadi kumweka “108, 1000" wakati mstari wa nne, unaoitwa “ethylene glikoli,” unaendelea kutoka hatua “80, 0” hadi kumweka “140, 100" katika safu isiyojulikana sana.

Kielelezo 10.24 Vipengele vya kuchemsha vya maji ni joto ambalo mvuke wao wa usawa shinikizo sawa na shinikizo la anga inayozunguka. Pointi ya kawaida ya kuchemsha ni yale yanayohusiana na shinikizo la atm 1 (101.3 kPa.)

Mfano 10.6

Kiwango cha kuchemsha kwenye Shinikizo la Kupungua

Shinikizo la kawaida la anga huko Leadville, Colorado (mwinuko futi 10,200) ni 68 kPa. Tumia grafu kwenye Mchoro 10.24 ili kuamua kiwango cha kuchemsha cha maji kwenye mwinuko huu.

Suluhisho

Grafu ya shinikizo la mvuke la maji dhidi ya joto katika Kielelezo 10.24 inaonyesha kuwa shinikizo la mvuke la maji ni 68 kPa kwa takriban 90 °C Hivyo, saa 90 °C, shinikizo la mvuke la maji litafanana na shinikizo la anga huko Leadville, na maji yatapika.

Angalia Kujifunza Yako

Kiwango cha kuchemsha cha ether ya ethyl kilipimwa kuwa 10 °C kwenye kambi ya msingi kwenye mteremko wa Mlima Everest. Tumia Kielelezo 10.24 ili kuamua shinikizo la anga la karibu kwenye kambi.

Jibu:

Takriban 40 kPa (0.4 atm)

Uhusiano wa kiasi kati ya shinikizo la mvuke wa dutu na joto lake linaelezewa na equation ya Clausius-Clapeyron:

P = A e^{- Δ H_{vap} / R T}

ambapo Δ H _vap ni enthalpy ya mvuke kwa kioevu, R ni mara kwa mara ya gesi, na A ni mara kwa mara ambayo thamani inategemea utambulisho wa kemikali wa dutu hii. Joto T lazima kuwa katika Kelvin katika equation hii. Equation hii mara nyingi hupangwa upya katika fomu ya logarithmic ili kutoa equation linear:

juu ya P = - \frac{Δ H_{vap}}{R T} + juu ya A

Equation hii ya mstari inaweza kuonyeshwa katika muundo wa pointi mbili ambazo ni rahisi kwa matumizi katika hesabu mbalimbali, kama ilivyoonyeshwa katika mazoezi ya mfano yanayofuata. Ikiwa kwenye joto la T ₁, shinikizo la mvuke ni P ₁, na kwa joto T ₂, shinikizo la mvuke ni P ₂, equations linear sambamba ni:

juu ya P_{1} = - \frac{Δ H_{vap}}{R T_{1}} + juu ya A na juu ya P_{2} = - \frac{Δ H_{vap}}{R T_{2}} + juu ya A

Kwa kuwa mara kwa mara, A, ni sawa, equations hizi mbili zinaweza kupangwa upya ili kutenganisha ln A na kisha kuziweka sawa na mtu mwingine:

juu ya P_{1} + \frac{Δ H_{vap}}{R T_{1}} = juu ya P_{2} + \frac{Δ H_{vap}}{R T_{2}}

ambayo inaweza kuunganishwa katika:

juu ya (\frac{P_{2}}{P_{1}}) = \frac{Δ H_{vap}}{R} (\frac{1}{T_{1}} - \frac{1}{T_{2}})

Mfano 10.7

Kukadiria Enthalpy ya Uvukizi

Isooctane (2,2,4-trimethylpentane) ina kiwango cha octane cha 100. Inatumika kama moja ya viwango vya mfumo wa octane-rating kwa petroli. Katika 34.0 °C, shinikizo la mvuke la isoctane ni 10.0 kPa, na saa 98.8 °C, shinikizo lake la mvuke ni 100.0 kPa. Tumia habari hii ili kukadiria enthalpy ya uvukizi kwa isooctane.

Suluhisho

Enthalpy ya uvukizi, Δ H _vap, inaweza kuamua kwa kutumia equation ya Clausius-Clapeyron:

juu ya (\frac{P_{2}}{P_{1}}) = \frac{Δ H_{vap}}{R} (\frac{1}{T_{1}} - \frac{1}{T_{2}})

Kwa kuwa tuna maadili mawili ya shinikizo la joto la mvuke (T ₁ = 34.0 °C = 307.2 K, P ₁ = 10.0 kPa na T ₂ = 98.8 °C = 372.0 K, P ₂ = 100 kPa), tunaweza kuzibadilisha katika usawa huu na kutatua kwa Δ H _vap. Kupanga upya equation ya Clausius-Clapeyron na kutatua kwa Δ H _vap mavuno:

Δ H_{vap} = \frac{R ⋅ juu ya (\frac{P_{2}}{P_{1}})}{(\frac{1}{T_{1}} - \frac{1}{T_{2}})} = \frac{(8.3145 J/mol ⋅ K) ⋅ juu ya (\frac{100 kPa}{10.0 kPa})}{(\frac{1}{307.2 K} - \frac{1}{372.0 K})} = 33,800 J/mol = 33.8 kJ/mol

Kumbuka kuwa shinikizo linaweza kuwa katika vitengo vyovyote, kwa muda mrefu kama wanakubaliana kwa maadili yote ya P, lakini joto lazima liwe katika kelvin kwa equation ya Clausius-Clapeyron kuwa halali.

Angalia Kujifunza Yako

Katika 20.0 °C, shinikizo la mvuke la ethanoli ni 5.95 kPa, na saa 63.5 °C, shinikizo lake la mvuke ni 53.3 kPa. Tumia habari hii ili kukadiria enthalpy ya vaporization kwa ethanol.

Jibu:

41,360 J/mol au 41.4 kJ/mol

Mfano 10.8

Kukadiria Joto (au Shinikizo la Mvuke)

Kwa benzini (C ₆ H ₆), kiwango cha kawaida cha kuchemsha ni 80.1 °C na enthalpy ya uvukizi ni 30.8 kJ/mol. Nini kiwango cha kuchemsha cha benzini huko Denver, ambapo shinikizo la anga = 83.4 kPa?

Suluhisho

Ikiwa joto na shinikizo la mvuke hujulikana kwa wakati mmoja, pamoja na enthalpy ya uvukizi, Δ H _vap, basi joto linalingana na shinikizo tofauti la mvuke (au shinikizo la mvuke linalofanana na joto tofauti) linaweza kuamua kwa kutumia Clausius-Clapeyron equation:

juu ya (\frac{P_{2}}{P_{1}}) = \frac{Δ H_{vap}}{R} (\frac{1}{T_{1}} - \frac{1}{T_{2}})

Kwa kuwa kiwango cha kawaida cha kuchemsha ni joto ambalo shinikizo la mvuke linalingana na shinikizo la anga kwenye usawa wa bahari, tunajua thamani moja ya shinikizo la joto la mvuke (T ₁ = 80.1 °C = 353.3 K, P ₁ = 101.3 kPa, Δ H _vap = 30.8 kJ/mol) na unataka kupata joto (T ₂) linalofanana na shinikizo la mvuke P ₂ = 83.4 kPa. Tunaweza kubadilisha maadili haya katika equation Clausius-Clapeyron na kisha kutatua kwa T ₂. Kuandaa upya equation ya Clausius-Clapeyron na kutatua kwa mavuno ya T ₂:

T_{2} = {(\frac{- R ⋅ juu ya (\frac{P_{2}}{P_{1}})}{Δ H_{vap}} + \frac{1}{T_{1}})}^{-1} = {(\frac{- (8.3145 J/mol ⋅ K) ⋅ juu ya (\frac{83.4 kPa}{101.3 kPa})}{30,800 J/mol} + \frac{1}{353.3 K})}^{-1} = 346.9 K au {73.8}^{\circ} C

Angalia Kujifunza Yako

Kwa asetoni (CH ₃) ₂ CO, kiwango cha kawaida cha kuchemsha ni 56.5 °C na enthalpy ya uvukizi ni 31.3 kJ/mol. Je, ni shinikizo la mvuke la asetoni saa 25.0 °C?

Jibu:

30.1 kPa

Enthalpy ya Uvukizi

Uvukizi ni mchakato wa mwisho. Athari ya baridi inaweza kuwa dhahiri wakati unatoka bwawa la kuogelea au kuoga. Wakati maji kwenye ngozi yako yanapoenea, huondoa joto kutoka kwenye ngozi yako na husababisha kujisikia baridi. Mabadiliko ya nishati yanayohusiana na mchakato wa uvukizi ni enthalpy ya uvukizi, Δ H _vap. Kwa mfano, mvuke wa maji kwa joto la kawaida huwakilishwa na:

H_{2} O (l) ⟶ H_{2} O (g) Δ H_{vap} = 44.01 kJ/mol

Kama ilivyoelezwa katika sura ya thermochemistry, reverse ya mchakato endothermic ni exothermic. Na hivyo, condensation ya gesi hutoa joto:

H_{2} O (g) ⟶ H_{2} O (l) Δ H_{laghai} = -Δ H_{vap} = -44.01 kJ/mol

Mfano 10.9

Kutumia Enthalpy ya Uvukizi

Njia moja mwili wetu umepozwa ni kwa uvukizi wa maji katika jasho (Mchoro 10.25). Katika hali ya hewa ya joto sana, tunaweza kupoteza kiasi cha 1.5 L ya jasho kwa siku. Ingawa jasho si maji safi, tunaweza kupata thamani ya takriban ya kiasi cha joto kilichoondolewa na uvukizi kwa kudhani kuwa ni. Kiasi gani cha joto kinahitajika kuyeyuka 1.5 L ya maji (1.5 kg) saa T = 37 °C (joto la kawaida la mwili); Δ H _vap = 43.46 kJ/mol saa 37 °C.

Bega na shingo ya mtu huonyeshwa na ngozi yao inafunikwa katika shanga za kioevu.

Kielelezo 10.25 Uvukizi wa jasho husaidia mwili. (mikopo: “Kullez” /Flickr)

Suluhisho

Tunaanza na kiasi kinachojulikana cha jasho (takriban kama maji tu) na kutumia taarifa iliyotolewa ili kubadilisha kiasi cha joto kinachohitajika:

1.5 L \times \frac{1000 g}{1 L} \times \frac{1 mol}{18 g} \times \frac{43.46 KJ}{1 mol} = 3.6 \times 10^{3} KJ

Hivyo, 3600 kJ ya joto huondolewa na uvukizi wa 1.5 L ya maji.

Angalia Kujifunza Yako

Ni kiasi gani cha joto kinachohitajika kuenea 100.0 g ya amonia ya kioevu, NH ₃, kwa kiwango chake cha kuchemsha ikiwa enthalpy yake ya uvukizi ni 4.8 kJ/mol?

Jibu:

28 kJ

Kuyeyuka na kufungia

Wakati sisi joto fuwele imara, sisi kuongeza wastani wa nishati ya atomi yake, molekuli, au ions na imara anapata moto zaidi. Wakati fulani, nishati iliyoongezwa inakuwa kubwa ya kutosha kushinda sehemu ya vikosi vinavyoshikilia molekuli au ions ya imara katika nafasi zao za kudumu, na imara huanza mchakato wa mpito kwa hali ya kioevu, au kuyeyuka. Kwa hatua hii, joto la imara linaacha kupanda, licha ya pembejeo ya joto, na inabakia mara kwa mara mpaka imara yote yameyeyuka. Tu baada ya yote imara imeyeyuka itaendelea inapokanzwa kuongeza joto la kioevu (Mchoro 10.26).

Takwimu hii inaonyesha picha nne kila kinachoitwa, “a,” “b,” “c,” na, “d.” Kila picha inaonyesha beaker yenye barafu na thermometer ya digital. Picha ya kwanza inaonyesha cubes barafu katika beaker, na thermometer inasoma hasi 12.0 digrii C. picha ya pili inaonyesha kidogo melted barafu, na thermometer inasoma digrii 0.0 C. picha ya tatu inaonyesha maji zaidi ya barafu katika beaker. Thermometer inasoma digrii 0.0 C. picha ya nne inaonyesha barafu kabisa melted, na thermometer inasoma digrii 22.2 C.

Kielelezo 10.26 (a) Beaker hii ya barafu ina halijoto ya -12.0 °C. (b) Baada ya dakika 10 barafu limechukua joto la kutosha kutoka hewa hadi joto hadi 0 °C kiasi kidogo kimeyeyuka. (c) Dakika thelathini baadaye, barafu limefyonza joto zaidi, lakini halijoto yake bado ni 0 °C barafu huyeyuka bila kubadilisha halijoto lake. (d) Tu baada ya barafu yote kuyeyuka je joto kufyonzwa husababisha joto kuongezeka hadi 22.2 °C. (mkopo: urekebishaji wa kazi na Mark Ott)

Kama sisi kuacha inapokanzwa wakati wa kuyeyuka na kuweka mchanganyiko wa imara na kioevu katika chombo kikamilifu maboksi hivyo hakuna joto inaweza kuingia au kutoroka, awamu imara na kioevu kubaki katika usawa. Hii ni karibu hali na mchanganyiko wa barafu na maji katika chupa nzuri sana ya thermos; karibu hakuna joto linaloingia au nje, na mchanganyiko wa barafu imara na maji ya maji hubakia kwa masaa. Katika mchanganyiko wa imara na kioevu katika usawa, michakato ya kurudia ya kuyeyuka na kufungia hutokea kwa viwango sawa, na kiasi cha imara na kioevu kwa hiyo hubakia mara kwa mara. Joto ambalo awamu imara na kioevu ya dutu iliyotolewa ni katika usawa inaitwa kiwango cha kiwango cha imara au hatua ya kufungia ya kioevu. Matumizi ya neno moja au nyingine kwa kawaida huelekezwa na mwelekeo wa mpito wa awamu inayozingatiwa, kwa mfano, imara kwa kioevu (kuyeyuka) au kioevu kwa imara (kufungia).

Enthalpy ya fusion na kiwango cha kuyeyuka kwa imara ya fuwele hutegemea nguvu za nguvu za kuvutia kati ya vitengo vilivyopo kwenye kioo. Molekuli yenye nguvu dhaifu za kuvutia huunda fuwele na pointi za kiwango cha chini. Fuwele zilizo na chembe zilizo na nguvu za kuvutia zinayeyuka kwenye joto la juu.

Kiasi cha joto kinachohitajika kubadili mole moja ya dutu kutoka hali imara hadi hali ya kioevu ni enthalpy ya fusion, ΔH _fus ya dutu hii. Enthalpy ya fusion ya barafu ni 6.0 kJ/mol saa 0 °C Fusion (kuyeyuka) ni mchakato endothermic:

H_{2} O (s) ⟶ H_{2} O (l) Δ H_{fus} = 6.01 kJ/mol

Mchakato wa kurudi, kufungia, ni mchakato wa exothermic ambao mabadiliko ya enthalpy ni -6.0 kJ/mol saa 0 °C:

H_{2} O (l) ⟶ H_{2} O (s) Δ H_{frz} = -Δ H_{fus} = -6.01 kJ/mol

Usawazishaji na Utoaji

Baadhi ya yabisi yanaweza mpito moja kwa moja kwenye hali ya gesi, kupitisha hali ya kiowevu, kupitia mchakato unaojulikana kama usaidizi. Katika joto la kawaida na shinikizo la kawaida, kipande cha barafu kavu (imara CO ₂) hupungua, kinachoonekana kutoweka hatua kwa hatua bila kuunda kioevu chochote. Theluji na barafu tukufu katika joto chini ya kiwango cha kiwango cha maji, mchakato wa polepole ambao unaweza kuharakishwa na upepo na shinikizo la anga lililopungua kwenye miinuko ya juu. Wakati iodini imara inapokanzwa, sublimes imara na fomu za mvuke za rangi ya zambarau (Mchoro 10.27). Upungufu wa upungufu wa damu huitwa uhifadhi, mchakato ambao vitu vya gesi hupungua moja kwa moja kwenye hali imara, kupitisha hali ya kioevu. Kuundwa kwa baridi ni mfano wa uhifadhi.

Takwimu hii inaonyesha tube ya mtihani. Chini ni dutu la giza ambalo linavunja kuwa gesi ya zambarau hapo juu.

Kielelezo 10.27 Upungufu wa iodini imara chini ya tube hutoa gesi ya rangi ya zambarau ambayo hatimaye huweka kama iodini imara kwenye sehemu ya baridi ya tube hapo juu. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Mark Ott)

Kama vaporization, mchakato wa upungufu wa damu unahitaji pembejeo ya nishati kushinda vivutio vya intermolecular. Enthalpy ya sublimation, ΔH _ndogo, ni nishati zinazohitajika kubadili mole moja ya dutu kutoka imara hadi hali ya gesi. Kwa mfano, upungufu wa dioksidi kaboni unawakilishwa na:

{USHIRIKIANO}_{2} (s) ⟶ {USHIRIKIANO}_{2} (g) Δ H_{ndogo} = 26.1 kJ/mol

Vivyo hivyo, mabadiliko ya enthalpy kwa mchakato wa reverse ya utuaji ni sawa kwa ukubwa lakini kinyume katika ishara ya kwamba kwa usawazishaji:

{USHIRIKIANO}_{2} (g) ⟶ {USHIRIKIANO}_{2} (s) Δ H_{dep} = -Δ H_{ndogo} = -26.1 kJ/mol

Fikiria kiwango ambacho vivutio vya intermolecular vinapaswa kushinda ili kufikia mpito wa awamu fulani. Kubadili imara ndani ya kioevu inahitaji kwamba vivutio hivi viweke sehemu tu; mpito kwa hali ya gesi inahitaji kushinda kabisa. Matokeo yake, enthalpy ya fusion kwa dutu ni chini ya enthalpy yake ya mvuke. Mantiki hiyo inaweza kutumika kupata uhusiano wa takriban kati ya enthalpies ya mabadiliko yote ya awamu kwa dutu fulani. Ingawa si maelezo sahihi kabisa, usaidizi unaweza kuwa rahisi kwa mfano kama mchakato wa hatua mbili mfululizo wa kiwango ikifuatiwa na uvukizi ili kuomba Sheria ya Hess. Kutazamwa kwa namna hii, enthalpy ya usawazishaji kwa dutu inaweza kuwa inakadiriwa kama jumla ya enthalpies yake ya fusion na vaporization, kama inavyoonekana katika Kielelezo 10.28. Kwa mfano:

\begin{array}{l} thabiti ⟶ kioevu Δ H_{fus} \\ \underline{kioevu ⟶ gesi Δ H_{vap}} \\ thabiti ⟶ gesi Δ H_{ndogo} = Δ H_{fus} + Δ H_{vap} \end{array}

Mchoro unaonyeshwa kwa mstari wa wima uliotolewa upande wa kushoto na unaoitwa “Nishati” na mistari mitatu ya usawa inayotolewa karibu na chini, chini ya tatu na juu ya mchoro. Mstari huu mitatu umeandikwa, kutoka chini hadi juu, “Mango,” “Kioevu” na “Gesi.” Karibu na katikati ya mchoro, mshale wa wima, unaoelekea juu unatokana na mstari imara hadi kwenye mstari wa gesi na kinachoitwa “Usaidizi, ishara ya delta, H, subscript ndogo.” Kwa upande wa kulia wa mshale huu ni mshale wa pili wa wima, unaoelekea juu unaotokana na mstari imara hadi kwenye mstari wa kioevu na kinachoitwa “Fusion, ishara ya delta, H, subscript fus.” Juu ya mshale wa pili ni mshale wa tatu inayotolewa kutoka mstari kioevu kwa mstari wa gesi na kinachoitwa, “Uvukizi, delta ishara, H, subscript VAP.”

Kielelezo 10.28 Kwa dutu iliyotolewa, jumla ya enthalpy yake ya fusion na enthalpy ya mvuke ni takriban sawa na enthalpy yake ya sublimation.

Curves Inapokanzwa

Katika sura ya thermochemistry, uhusiano kati ya kiasi cha joto kufyonzwa au iliyotolewa na dutu, q, na mabadiliko yake ya joto yanayoambatana, Δ T, ilianzishwa:

q = m c Δ T

ambapo m ni wingi wa dutu na c ni joto lake maalum. Uhusiano hutumika kwa suala kuwa moto au kilichopozwa, lakini sio mabadiliko katika hali. Wakati dutu inapokanzwa au kilichopozwa hufikia joto linalofanana na moja ya mabadiliko yake ya awamu, faida zaidi au kupoteza joto ni matokeo ya kupungua au kuimarisha vivutio vya intermolecular, badala ya kuongeza au kupungua kwa nguvu za molekuli za kinetic. Wakati dutu hii inafanyika mabadiliko katika hali, joto lake linabakia mara kwa mara. Kielelezo 10.29 kinaonyesha safu ya joto ya kawaida.

Fikiria mfano wa kupokanzwa sufuria ya maji kwa kuchemsha. Jiko la jiko litatoa joto kwa kiwango cha mara kwa mara; awali, joto hili hutumikia kuongeza joto la maji. Wakati maji yanafikia kiwango chake cha kuchemsha, hali ya joto hubakia mara kwa mara licha ya pembejeo iliyoendelea ya joto kutoka kwa moto wa jiko. Joto hili linasimamiwa na maji kwa muda mrefu kama linapowasha. Ikiwa mazingira ya burner yanaongezeka ili kutoa joto kwa kiwango kikubwa, joto la maji haliingii, lakini badala yake kuchemsha huwa na nguvu zaidi (haraka). Tabia hii inazingatiwa kwa mabadiliko mengine ya awamu pia: Kwa mfano, hali ya joto inabakia mara kwa mara wakati mabadiliko ya hali yanaendelea.

Grafu inavyoonyeshwa ambapo x-axis inaitwa “Kiasi cha joto kilichoongezwa” na mhimili wa y huitwa “Joto (ishara ya shahada C)” na ina maadili ya hasi 10 hadi 100 kwa nyongeza za 20. Mshale usio na usawa unaoelekea kulia unatoka kwenye hatua “0, 0” hadi upande wa kulia wa grafu. Grafu ya mstari huanza upande wa kushoto wa grafu na huenda kwa uhakika “0” kwenye mhimili wa y. Sehemu hii ya mstari imeandikwa “H, subscript 2, O (s).” Mstari kisha hupiga na kusafiri kwa usawa kwa umbali mdogo. Sehemu hii inaitwa “Mango huanza kuyeyuka” upande wake wa kushoto na “All solid melted” upande wake wa kulia. Mstari huo unakwenda kwa kasi zaidi kwa mtindo wa mstari mpaka unapopiga hatua “100” kwenye mhimili wa y. Sehemu hii ya mstari imeandikwa “H, subscript 2, O, (l).” Mstari kisha hupiga na kusafiri kwa usawa kwa umbali wa wastani. Sehemu hii inaitwa “Kioevu huanza kuchemsha” upande wake wa kushoto na “Kioevu vyote viliingizwa” upande wake wa kulia. Mstari huo unaongezeka hadi hatua juu ya “100" kwenye mhimili wa y. Sehemu hii ya mstari imeandikwa “H, subscript 2, O (g).”

Kielelezo 10.29 Curve ya kawaida inapokanzwa kwa dutu inaonyesha mabadiliko ya joto yanayotokana na dutu hii inachukua kiasi kikubwa cha joto. Plateaus katika curve (mikoa ya joto la mara kwa mara) huonyeshwa wakati dutu hii inakabiliwa na mabadiliko ya awamu.

Mfano 10.10

Joto Jumla Inahitajika Kubadilisha Joto na Awamu ya Dutu

Kiasi gani cha joto kinahitajika kubadili 135 g ya barafu saa -15 °C kuwa mvuke wa maji kwenye 120 °C?

Suluhisho

Mpito ulioelezwa unahusisha hatua zifuatazo:

Joto la barafu kutoka -15 °C hadi 0 °C
Kuyeyuka barafu
Joto maji kutoka 0 °C hadi 100 °C
Chemsha maji
Joto mvuke kutoka 100 °C hadi 120 °C

Joto linalohitajika kubadili joto la dutu fulani (bila mabadiliko katika awamu) ni: q = m $\times$ c $\times$ Δ T (angalia sura ya awali juu ya thermochemistry). Joto linalohitajika kushawishi mabadiliko yaliyotolewa katika awamu hutolewa na q = n $\times$ Δ H.

Kutumia equations hizi na maadili sahihi kwa joto maalum la barafu, maji, na mvuke, na enthalpies ya fusion na vaporization, tuna:

q_{jumla} = {(m ⋅ c ⋅ Δ T)}_{barafu} + n ⋅ Δ H_{fus} + {(m ⋅ c ⋅ Δ T)}_{maji} + n ⋅ Δ H_{vap} + {(m ⋅ c ⋅ Δ T)}_{mvuke}

\begin{array}{l} = (135 g ⋅ 2.09 J/g ⋅ ° C ⋅ 15 ° C) + (135 ⋅ \frac{1 mol}{18.02 g} ⋅ 6.01 kJ/mol) \\ + (135 g ⋅ 4.18 J/g ⋅ ° C ⋅ 100 ° C) + (135 g ⋅ \frac{1 mol}{18.02 g} ⋅ 40.67 KJ/mol) \\ + (135 g ⋅ 1.84 j/g ⋅ ° C ⋅ 20 ° C) \\ = 4230 M + 45.0 kJ + 56,500 M + 305 kJ + 4970 M \end{array}

Kubadilisha kiasi katika J hadi KJ huwawezesha kufupishwa, kutoa joto la jumla linalohitajika:

= 4.23 KJ + 45.0 kJ + 56.5 kJ + 305 kJ + 4.97 kJ = 416 kJ

KUMBUKA: Thamani ya ΔH _vap kwenye kiwango cha kuchemsha cha maji (40.67 kJ/mol) hutumiwa hapa badala ya thamani kwa joto la kawaida (44.01 kJ/mol).

Angalia Kujifunza Yako

Ni kiasi gani cha joto kinachotolewa wakati 94.0 g ya maji kwenye 80.0 °C hupoza ili kuunda barafu kwenye -30.0 °C?

Jibu:

68.7 kJ

Kiwanja	methanoli CH ₃ OH	ethanol C ₂ H ₅ OH	propanol C ₃ H ₇ OH	butanol C ₄ H ₉ OH
Shinikizo la mvuke saa 20 °C	11.9 kPa	5.95 kPa	2.67 kPa	0.56 kPa