10.5: Mipango ya Awamu

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza ujenzi na matumizi ya mchoro wa awamu ya kawaida
• Tumia michoro za awamu kutambua awamu imara katika joto na shinikizo, na kuelezea mabadiliko ya awamu kutokana na mabadiliko katika mali hizi
• Eleza awamu ya maji ya supercritical ya suala

Katika moduli ya awali, tofauti ya shinikizo la mvuke ya usawa wa kioevu na joto ilielezwa. Kuzingatia ufafanuzi wa kiwango cha kuchemsha, viwanja vya shinikizo la mvuke dhidi ya joto vinawakilisha jinsi kiwango cha kuchemsha cha kioevu kinatofautiana na shinikizo. Pia ilivyoelezwa ni matumizi ya joto na baridi curves kuamua dutu ya kiwango (au kufungia) uhakika. Kufanya vipimo vile juu ya shinikizo mbalimbali hutoa data ambayo inaweza kuwasilishwa graphically kama mchoro wa awamu. Mchoro wa awamu unachanganya viwanja vya shinikizo dhidi ya joto kwa gesi ya kioevu-kioevu, imara-kioevu, na usawa wa awamu ya mpito wa gesi ya dutu. Michoro hizi zinaonyesha hali za kimwili zilizopo chini ya hali maalum ya shinikizo na joto, na pia hutoa utegemezi wa shinikizo la joto la awamu ya mpito (pointi za kiwango, pointi za usawazishaji, pointi za kuchemsha). Mchoro wa awamu ya kawaida kwa dutu safi unaonyeshwa kwenye Mchoro 10.30.

Kielelezo 10.30 Hali ya kimwili ya dutu na joto lake la mpito la awamu huwakilishwa graphically katika mchoro wa awamu.

Ili kuonyesha matumizi ya viwanja hivi, fikiria mchoro wa awamu ya maji iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 10.31.

Kielelezo 10.31 Shinikizo na joto la shaba kwenye mchoro huu wa awamu ya maji haipatikani kwa kiwango cha mara kwa mara ili kuonyesha mali kadhaa muhimu.

Tunaweza kutumia mchoro wa awamu kutambua hali ya kimwili ya sampuli ya maji chini ya hali maalum ya shinikizo na joto. Kwa mfano shinikizo la 50 kPa na halijoto la -10 °C inalingana na kanda ya mchoro ulioitwa “barafu.” Chini ya hali hizi, maji ipo tu kama imara (barafu). Shinikizo la 50 kPa na halijoto la 50 °C linalingana na eneo la “maji” —hapa, maji yapo kama kiowevu tu. Katika 25 kPa na 200 °C, maji yapo katika hali ya gesi tu. Kumbuka kuwa kwenye mchoro wa awamu ya H ₂ O, shinikizo na shaba za joto hazipatikani kwa kiwango cha mara kwa mara ili kuruhusu mfano wa vipengele kadhaa muhimu kama ilivyoelezwa hapa.

Curve BC katika Kielelezo 10.31 ni njama ya shinikizo la mvuke dhidi ya joto kama ilivyoelezwa katika moduli ya awali ya sura hii. Curve hii “kioevu-mvuke” hutenganisha mikoa ya kioevu na gesi ya mchoro wa awamu na hutoa kiwango cha kuchemsha kwa maji kwa shinikizo lolote. Kwa mfano, kwenye atm 1, kiwango cha kuchemsha ni 100 °C Angalia kwamba Curve ya kioevu-mvuke inakomesha kwa halijoto ya 374 °C na shinikizo la atm 218, ikionyesha kwamba maji hayawezi kuwepo kama kiowevu juu ya joto hili, bila kujali shinikizo. Mali ya kimwili ya maji chini ya hali hizi ni kati ya yale ya awamu zake za kioevu na gesi. Hali hii ya kipekee ya suala inaitwa maji ya supercritical, mada ambayo itaelezwa katika sehemu inayofuata ya moduli hii.

Curve imara-mvuke, iliyoandikwa AB katika Mchoro 10.31, inaonyesha joto na shinikizo ambalo barafu na mvuke wa maji ni katika usawa. Jozi hizi za data za joto-shinikizo zinahusiana na upungufu, au uhifadhi, pointi za maji. Kama tungeweza kuvuta kwenye mstari imara-gesi katika Kielelezo 10.31, tutaona kwamba barafu ina shinikizo la mvuke la karibu 0.20 kPa saa -10 °C Hivyo, kama sisi kuweka sampuli waliohifadhiwa katika utupu na shinikizo chini ya 0.20 kPa, barafu itakuwa tukufu. Hii ni msingi wa mchakato wa “kufungia-kukausha” mara nyingi hutumiwa kuhifadhi vyakula, kama vile ice cream iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 10.32.

Kielelezo 10.32 Vyakula vya kavu vya kufungia, kama ice cream hii, vimeharibika na upungufu wa maji kwa shinikizo chini ya hatua tatu ya maji. (mikopo: lwao/Flickr)

Curve imara-kioevu kinachoitwa BD inaonyesha joto na shinikizo ambalo barafu na maji ya kioevu ni katika usawa, inayowakilisha pointi za kuyeyuka/kufungia kwa maji. Kumbuka kuwa curve hii inaonyesha mteremko mdogo hasi (kuenea sana kwa usahihi), kuonyesha kwamba kiwango cha kuyeyuka kwa maji hupungua kidogo kama shinikizo linavyoongezeka. Maji ni dutu isiyo ya kawaida katika suala hili, kama vitu vingi vinaonyesha ongezeko la kiwango cha kiwango na shinikizo la kuongezeka. Tabia hii ni sehemu inayohusika na harakati za barafu, kama ile iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 10.33. Chini ya glacier inakabiliwa na shinikizo kubwa kutokana na uzito wake ambao unaweza kuyeyusha baadhi ya barafu, kutengeneza safu ya maji ya maji ambayo glacier inaweza kwa urahisi zaidi slide.

Kielelezo 10.33 shinikizo kubwa chini ya glaciers kusababisha sehemu ya kiwango kuzalisha safu ya maji ambayo hutoa lubrication kusaidia glacial harakati. Picha hii ya satellite inaonyesha makali ya kuendeleza ya barafu ya Perito Moreno nchini Argentina. (mikopo: NASA)

Hatua ya makutano ya curves zote tatu ni kinachoitwa B katika Kielelezo 10.31. Katika shinikizo na joto lililowakilishwa na hatua hii, awamu tatu za maji zinashirikiana katika usawa. Jozi hii ya data ya joto-shinikizo inaitwa hatua tatu. Kwa shinikizo la chini kuliko hatua tatu, maji hayawezi kuwepo kama kiowevu, bila kujali halijoto.

Mfano 10.11

Kuamua Hali ya Maji

Kutumia mchoro wa awamu kwa maji iliyotolewa katika Mchoro 10.31, onyesha hali ya maji katika joto na shinikizo zifuatazo:

(a) -10 °C na 50 kPa

(b) 25 °C na 90 kPa

(c) 50 °C na 40 kPa

(d) 80 °C na 5 kPa

(e) -10 °C na 0.3 kPa

(f) 50 °C na 0.3 kPa

Suluhisho

Kutumia mchoro wa awamu kwa maji, tunaweza kuamua kwamba hali ya maji katika kila joto na shinikizo iliyotolewa ni kama ifuatavyo: (a) imara; (b) kioevu; (c) kioevu; (d) gesi; (e) imara; (f) gesi.

Angalia Kujifunza Yako

Ni mabadiliko gani ya awamu ambayo maji yanaweza kufanyiwa kama joto linabadilika ikiwa shinikizo linafanyika saa 0.3 kPa? Ikiwa shinikizo linafanyika saa 50 kPa?

Jibu:

Katika 0.3 kPa:$\text{s}⟶\text{g}$saa -58 °C Katika 50 kPa:$\text{s}⟶\text{l}$saa 0 °C, l g saa 78 °C

Fikiria mchoro wa awamu ya dioksidi kaboni iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 10.34 kama mfano mwingine. Curve imara-kioevu inaonyesha mteremko mzuri, kuonyesha kwamba kiwango cha kuyeyuka kwa CO ₂ huongezeka kwa shinikizo kama inavyofanya kwa vitu vingi (maji kuwa ubaguzi mashuhuri kama ilivyoelezwa hapo awali). Angalia kwamba hatua tatu ni vizuri juu ya atm 1, kuonyesha kwamba dioksidi kaboni haiwezi kuwepo kama kioevu chini ya hali ya shinikizo iliyoko. Badala yake, baridi ya dioksidi kaboni ya gesi kwenye atm 1 husababisha uhifadhi wake katika hali imara. Vivyo hivyo, dioksidi kaboni imara haina kuyeyuka kwa shinikizo la atm 1 lakini badala yake hupunguza kutoa CO ₂ ya gesi. Hatimaye, angalia kwamba hatua muhimu ya dioksidi kaboni inazingatiwa kwa joto la kawaida na shinikizo kwa kulinganisha na maji.

Kielelezo 10.34 Mchoro wa awamu ya dioksidi kaboni unaonyeshwa. Mhimili wa shinikizo hupangwa kwa kiwango cha logarithmic ili kuzingatia maadili mengi.

Mfano 10.12

Kuamua Hali ya Dioksidi kaboni

Kutumia mchoro wa awamu ya dioksidi kaboni iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 10.34, onyesha hali ya CO ₂ kwa joto na shinikizo zifuatazo:

(a) -30 °C na 2000 kPa

(b) -90 °C na 1000 kPa

(c) -60 °C na 100 kPa

(d) -40 °C na 1500 kPa

(e) 0 °C na 100 kPa

(f) 20 °C na 100 kPa

Suluhisho

Kutumia mchoro wa awamu ya dioksidi kaboni iliyotolewa, tunaweza kuamua kwamba hali ya CO ₂ kwa kila joto na shinikizo iliyotolewa ni kama ifuatavyo: (a) kioevu; (b) imara; (c) gesi; (d) kioevu; (e) gesi; (f) gesi.

Angalia Kujifunza Yako

Tambua mabadiliko ya awamu ambayo dioksidi kaboni itaendelea kadiri halijoto lake likiongezeka kutoka -100 °C huku ikishika shinikizo lake mara kwa mara kwenye 1500 kPa. Katika 50 kPa. Je, ni joto gani la karibu ambalo mabadiliko haya ya awamu hutokea?

Jibu:

katika 1500 kPa:$\text{s}⟶\text{l}$saa -55 °C,$\text{l}⟶\text{g}$saa -10 °C;

katika 50 kPa:$\text{s}⟶\text{g}$saa -60 °C

Fluids supercritical

Ikiwa tunaweka sampuli ya maji katika chombo kilichofunikwa saa 25 °C, toa hewa, na kuruhusu usawa wa vaporization-condensation imara yenyewe, tunaachwa na mchanganyiko wa maji ya maji na mvuke wa maji kwa shinikizo la 0.03 atm. Mpaka tofauti kati ya kioevu kikubwa zaidi na gesi ndogo sana inazingatiwa wazi. Tunapoongeza joto, shinikizo la mvuke wa maji huongezeka, kama ilivyoelezwa na Curve ya kioevu-gesi katika mchoro wa awamu ya maji (Mchoro 10.31), na usawa wa awamu mbili ya awamu ya kioevu na gesi bado. Katika halijoto ya 374 °C, shinikizo la mvuke limeongezeka hadi kufikia atm 218, na ongezeko lolote zaidi la halijoto husababisha kutoweka kwa mipaka kati ya awamu ya kiowevu na mvuke. Maji yote katika chombo sasa yapo katika awamu moja ambayo mali ya kimwili ni kati ya yale ya majimbo ya gesi na kioevu. Awamu hii ya suala inaitwa maji ya supercritical, na joto na shinikizo juu ambayo awamu hii ipo ni hatua muhimu (Mchoro 10.35). Juu ya joto lake kali, gesi haiwezi kuiminika bila kujali ni kiasi gani shinikizo linatumika. Shinikizo linalohitajika kufuta gesi kwenye joto lake kali huitwa shinikizo muhimu. Joto kali na shinikizo muhimu la vitu vingine vya kawaida hutolewa katika meza ifuatayo.

Dutu	Joto muhimu (°C)	Shinikizo muhimu (kPa)
haidrojeni	-240.0	1300
naitrojeni	-147.2	3400
oksijeni	-118.9	5000
dioksidi kaboni	31.1	7400
amonia	132.4	11,300
svaveldioxid	157.2	7800
maji	374.0	22,000

Kielelezo 10.35 (a) chombo kilichofunikwa cha dioksidi kaboni kioevu kidogo chini ya hatua yake muhimu ni joto, na kusababisha (b) kuundwa kwa awamu ya maji ya supercritical. Baridi maji ya supercritical hupunguza joto lake na shinikizo chini ya hatua muhimu, na kusababisha kurejeshwa kwa awamu tofauti za kioevu na gesi (c na d). Rangi ya rangi inaonyesha tofauti katika wiani kati ya majimbo ya kioevu, gesi, na supercritical maji. (mikopo: mabadiliko ya kazi na “mrmrobin” /YouTube)

Unganisha na Kujifunza

Angalia mabadiliko ya kioevu-kwa-supercritical maji kwa dioksidi kaboni.

Kama gesi, maji ya supercritical yatapanua na kujaza chombo, lakini wiani wake ni mkubwa zaidi kuliko densities ya kawaida ya gesi, kwa kawaida kuwa karibu na yale ya vinywaji. Sawa na vinywaji, maji haya yana uwezo wa kufuta solutes zisizo na tete. Wao huonyesha kimsingi hakuna mvutano wa uso na viscosities ya chini sana, hata hivyo, ili waweze kupenya fursa ndogo sana katika mchanganyiko imara na kuondoa vipengele vya mumunyifu. Mali hizi hufanya maji ya supercritical vimumunyisho muhimu sana kwa matumizi mbalimbali. Kwa mfano, supercritical dioksidi kaboni imekuwa kutengenezea maarufu sana katika sekta ya chakula, kutumika kwa decaffeinate kahawa, kuondoa mafuta kutoka chips viazi, na dondoo ladha na misombo harufu kutoka mafuta ya machungwa. Sio sumu, kiasi cha gharama nafuu, na haipatikani kuwa ni uchafuzi. Baada ya matumizi, CO ₂ inaweza kupatikana kwa urahisi kwa kupunguza shinikizo na kukusanya gesi inayosababisha.

Mfano 10.13

Joto muhimu la Dioksidi kaboni

Tukitikisa kizima cha moto cha dioksidi kaboni siku ya baridi (18 °C), tunaweza kusikia kiowevu cha CO ₂ kinachozunguka ndani ya silinda. Hata hivyo, silinda ileile inaonekana kuwa hakuna kiowevu kwenye siku ya joto ya majira ya joto (35 °C). Eleza uchunguzi huu.

Suluhisho

Siku ya baridi, halijoto ya CO ₂ iko chini ya halijoto kali ya CO ₂, 304 K au 31 °C, hivyo CO _{2 kiowevu} iko kwenye silinda. Siku ya moto halijoto ya CO ₂ ni kubwa kuliko halijoto yake muhimu ya 31 °C Juu ya halijoto hii hakuna kiasi cha shinikizo kinaweza kuinyunyiza CO ₂ hivyo hakuna CO ₂ kiowevu kilichopo katika kizima cha moto.

Angalia Kujifunza Yako

Amonia inaweza kuiminika kwa ukandamizaji kwenye joto la kawaida; oksijeni haiwezi kuiminika chini ya hali hizi. Kwa nini gesi hizo mbili zinaonyesha tabia tofauti?

Jibu:

Joto kali la amonia ni 405.5 K, ambalo ni kubwa kuliko joto la kawaida. Halijoto kali ya oksijeni iko chini ya joto la kawaida; hivyo oksijeni haiwezi kuiminika kwenye halijoto la kawaida.

Kemia katika Maisha ya Kila siku

Decaffeinating kahawa Kutumia supercritical CO ₂

Kahawa ni bidhaa ya pili duniani inayofanyiwa biashara kwa wingi, ikifuata mafuta ya petroli tu. Kote ulimwenguni, watu hupenda harufu ya kahawa na ladha. Wengi wetu pia hutegemea sehemu moja ya kahawa-caffeine-kutusaidia kupata kwenda asubuhi au kukaa macho mchana. Lakini mwishoni mwa siku, athari ya kuchochea kahawa inaweza kukuzuia usingizi, hivyo unaweza kuchagua kunywa kahawa ya decaffeinated jioni.

Tangu miaka ya 1900 mapema, mbinu nyingi zimetumika kwa kahawa ya decaffeinate. Wote wana faida na hasara, na wote hutegemea mali ya kimwili na kemikali ya caffeine. Kwa sababu caffeine ni molekuli fulani ya polar, inafuta vizuri katika maji, kioevu cha polar. Hata hivyo, kwa kuwa wengi wa misombo mengine 400-plus ambayo huchangia ladha ya kahawa na harufu pia kufuta katika H ₂ O, michakato ya maji ya moto decaffeination pia inaweza kuondoa baadhi ya misombo hii, na kuathiri vibaya harufu na ladha ya kahawa decaffeinated. Dichloromethane (CH _{2 Cl 2}) na ethyl acetate (CH ₃ CO _{2 C 2} H ₅) na polarity sawa na caffeine, na kwa hiyo ni vimumunyisho ufanisi sana kwa ajili ya uchimbaji caffeine, lakini wote pia kuondoa baadhi ya ladha na harufu vipengele, na matumizi yao inahitaji uchimbaji wa muda mrefu na nyakati za kusafisha. Kwa sababu wote wa vimumunyisho hivi ni sumu, wasiwasi wa afya wamefufuliwa kuhusu athari za kutengenezea mabaki iliyobaki katika kahawa decaffeinated.

Uchimbaji wa maji ya supercritical kwa kutumia dioksidi kaboni sasa unatumiwa sana kama njia ya ufanisi zaidi na ya kirafiki ya decaffeination (Mchoro 10.36). Katika joto la juu ya 304.2 K na shinikizo juu ya 7376 kPa, CO ₂ ni maji supercritical, na mali ya gesi na kioevu. Kama gesi, huingia ndani ya maharagwe ya kahawa; kama kioevu, inafuta vitu fulani kwa ufanisi. Supercritical carbon dioxide uchimbaji wa maharage steamed kahawa kuondosha 97-99% ya caffeine, na kuacha ladha kahawa na misombo harufu intact Kwa sababu CO ₂ ni gesi chini ya hali ya kawaida, kuondolewa kwake kutoka maharage ya kahawa kuondolewa ni rahisi kukamilika, kama ni ahueni ya caffeine kutoka dondoo. caffeine zinalipwa kutoka maharage ya kahawa kupitia mchakato huu ni bidhaa muhimu ambayo inaweza kutumika hatimaye kama livsmedelstillsats kwa vyakula vingine au madawa ya kulevya.

Kielelezo 10.36 (a) Molekuli za Caffeine zina mikoa ya polar na isiyo ya polar, na kuifanya mumunyifu katika vimumunyisho vya polarities (b) schematic inaonyesha kawaida decaffeination mchakato kuwashirikisha supercritical carbon dioxide.