Ångtryck - Vapor pressure

Den mikroskopiska avdunstnings- och kondensationsprocessen vid vätskeytan.

Om ångtrycket överstiger det termodynamiska jämviktsvärdet, kondensation sker i närvaro av kärnbildningsställen. Denna princip är infödd i molnkammare , där joniserade partiklar bildar kondensspår när de passerar igenom.

Spela media

Den pistolprovrörsexperiment. Röret innehåller alkohol och stängs med en korkbit. Genom att värma upp alkoholen fyller ångorna utrymmet, vilket ökar trycket i röret till korkens punkt.

Ångtryck (eller ångtryck på brittisk engelska ; se stavningsskillnader ) eller jämvikt ångtryck definieras som det tryck som utövas av en ånga i termodynamisk jämvikt med dess kondenserade faser (fast eller flytande) vid en given temperatur i ett slutet system . Jämviktens ångtryck är en indikation på en vätskas avdunstningshastighet . Det hänför sig till partiklarnas tendens att fly från vätskan (eller ett fast ämne). Ett ämne med högt ångtryck vid normala temperaturer kallas ofta flyktigt . Trycket som uppvisas av ånga närvarande ovanför en vätskeyta kallas ångtryck. När temperaturen på en vätska ökar, ökar också kinetisk energi för dess molekyler. När molekylernas rörelseenergi ökar, ökar också antalet molekyler som övergår till en ånga, vilket ökar ångtrycket.

Ångtrycket för alla ämnen ökar olinjärt med temperaturen enligt Clausius-Clapeyron-förhållandet . Det atmosfäriska trycket kokpunkten av en vätska (även känd som den normala kokpunkten ) är den temperatur vid vilken ångtrycket är lika med det omgivande atmosfärstrycket. Vid varje stegvis ökning av denna temperatur blir ångtrycket tillräckligt för att övervinna atmosfärstryck och lyfta vätskan för att bilda ångbubblor inuti huvuddelen av ämnet. Bubblbildning djupare i vätskan kräver en högre temperatur på grund av det högre vätsketrycket, eftersom vätsketrycket ökar över atmosfärstrycket när djupet ökar. Viktigare på grunda djup är den högre temperaturen som krävs för att starta bubbelbildning. Bubbelväggens ytspänning leder till ett övertryck i de mycket små initiala bubblorna.

Det ångtryck som en enda komponent i en blandning bidrar till det totala trycket i systemet kallas partiellt tryck . Till exempel har luft vid havsnivå, och mättad med vattenånga vid 20 ° C, ett partiellt tryck på cirka 2,3 kPa vatten, 78 kPa kväve , 21 kPa syre och 0,9 kPa argon , totalt 102,2 kPa, vilket utgör grunden för standardatmosfäriskt tryck .

Mätning och enheter

Ångtryck mäts i standardenheter för tryck . Den internationella enhetssystemet (SI) känner igen trycket som en härledd enhet med dimensionen av kraft per området och betecknar pascal (Pa) som dess standardenhet. En pascal är en newton per kvadratmeter (N · m ⁻² eller kg · m ⁻¹ · s ⁻² ).

Experimentell mätning av ångtryck är ett enkelt förfarande för vanliga tryck mellan 1 och 200 kPa. Mest exakta resultat uppnås nära kokpunkten för ämnen och stora fel resulterar för mätningar mindre än 1 kPa . Procedurer består ofta i att rena testämnet, isolera det i en behållare, evakuera eventuell främmande gas och sedan mäta jämviktstrycket för ämnets gasfas i behållaren vid olika temperaturer. Bättre noggrannhet uppnås när man ser till att hela ämnet och dess ånga har den föreskrivna temperaturen. Detta görs ofta, som med användning av ett isoteniskop , genom att nedsänka inneslutningsområdet i ett vätskebad.

Mycket låga ångtryck av fasta ämnen kan mätas med hjälp av Knudsen -effusionscellmetoden .

I ett medicinskt sammanhang uttrycks ibland ångtrycket i andra enheter, specifikt millimeter kvicksilver (mmHg) . Detta är viktigt för flyktiga bedövningsmedel , varav de flesta är vätskor vid kroppstemperatur, men med ett relativt högt ångtryck.

Uppskattning av ångtryck med Antoine -ekvationen

Den Antoine-ekvationen är ett pragmatiskt matematiskt uttryck av förhållandet mellan ångtrycket och temperaturen av rena vätskeformiga eller fasta substanser. Det erhålls genom kurvpassning och är anpassat till det faktum att ångtrycket vanligtvis ökar och är konkavt som en funktion av temperaturen. Ekvationens grundform är:

${\ displaystyle \ log P = A-{\ frac {B} {C+T}}}$

och det kan omvandlas till denna temperaturexplicerade form:

${\ displaystyle T = {\ frac {B} {A- \ log P}}-C}$

var:

${\ displaystyle P}$ är ett ämnes absoluta ångtryck

${\ displaystyle T}$ är ämnets temperatur

${\ displaystyle A}$, Och är substans-specifika koefficienterna (dvs, konstanter eller parametrar)${\ displaystyle B}$${\ displaystyle C}$

${\ displaystyle \ log}$är vanligtvis antingen eller${\ displaystyle \ log _ {10}}$${\ displaystyle \ log _ {e}}$

En enklare form av ekvationen med endast två koefficienter används ibland:

${\ displaystyle \ log P = A-{\ frac {B} {T}}}$

som kan omvandlas till:

${\ displaystyle T = {\ frac {B} {A- \ log P}}}$

Sublimeringar och förångningar av samma ämne har separata uppsättningar av Antoine -koefficienter, liksom komponenter i blandningar. Varje parameteruppsättning för en specifik förening är endast tillämplig över ett specifikt temperaturintervall. I allmänhet väljs temperaturområden för att bibehålla ekvationens noggrannhet på några upp till 8–10 procent. För många flyktiga ämnen finns flera olika uppsättningar parametrar tillgängliga och används för olika temperaturområden. Antoine -ekvationen har dålig noggrannhet med varje enskild parameteruppsättning när den används från föreningens smältpunkt till dess kritiska temperatur. Noggrannheten är också vanligtvis dålig när ångtrycket är under 10 Torr på grund av begränsningarna hos apparaten som används för att fastställa parametervärdena för Antoine.

Wagnerekvationen ger "en av de bästa" anpassningarna till experimentella data men är ganska komplex. Det uttrycker reducerat ångtryck som en funktion av reducerad temperatur.

Förhållande till vätskans kokpunkt

Ett log-lin ångtryckstabell för olika vätskor

Som en allmän trend ökar vätskans ångtryck vid omgivningstemperaturer med minskande kokpunkter. Detta illustreras i ångtryckstabellen (se till höger) som visar grafer över ångtryck kontra temperaturer för en mängd olika vätskor. Vid en vätskas normala kokpunkt är ångtrycket lika med det normala atmosfärstrycket som definieras som 1 atmosfär, 760  Torr, 101.325  kPa eller 14.69595  psi.

Till exempel har metylklorid vid varje given temperatur det högsta ångtrycket av någon av vätskorna i diagrammet. Den har också den lägsta normala kokpunkten (-24,2 ° C), där metylkloridens ångtryckskurva (den blå linjen) skär den horisontella trycklinjen för en atmosfär ( atm ) för absolut ångtryck.

Även om förhållandet mellan ångtryck och temperatur är olinjärt använder diagrammet en logaritmisk vertikal axel för att producera svagt krökta linjer, så ett diagram kan kartlägga många vätskor. En nästan rak linje erhålls när logaritmen för ångtrycket ritas mot 1/(T + 230) där T är temperaturen i grader Celsius. Ångtrycket för en vätska vid kokpunkten är lika med trycket i omgivningen.

Flytande blandningar: Raoults lag

Raoults lag ger en approximation av ångtrycket för blandningar av vätskor. Den säger att aktiviteten (tryck eller flyktighet ) för en enfasblandning är lika med molfraktionsvägd summa av komponenternas ångtryck:

${\ displaystyle P _ {\ rm {tot}} = \ sum _ {i} Py_ {i} = \ sum _ {i} P_ {i}^{\ rm {sat}} x_ {i} \,}$

var är blandningens ångtryck, är molfraktionen av komponenten i vätskefasen och är molfraktionen av komponenten i ångfasen respektive. är komponentens ångtryck . Raoults lag är endast tillämplig på icke-elektrolyter (oladdade arter); det är mest lämpligt för icke-polära molekyler med endast svaga intermolekylära attraktioner (såsom Londons styrkor ). ${\ displaystyle P _ {\ rm {tot}}}$${\ displaystyle x_ {i}}$${\ displaystyle i}$${\ displaystyle y_ {i}}$${\ displaystyle i}$${\ displaystyle P_ {i}^{\ rm {lör}}}$${\ displaystyle i}$

System som har ångtryck högre än vad som anges med ovanstående formel sägs ha positiva avvikelser. En sådan avvikelse tyder på en svagare intermolekylär attraktion än i de rena komponenterna, så att molekylerna kan tänkas "hållas i" vätskefasen mindre starkt än i den rena vätskan. Ett exempel är azeotropen av cirka 95% etanol och vatten. Eftersom azeotropens ångtryck är högre än förutspått av Raoults lag, kokar det vid en temperatur som är lägre än antingen ren komponent.

Det finns också system med negativa avvikelser som har ångtryck som är lägre än förväntat. En sådan avvikelse är bevis för starkare intermolekylär attraktion mellan blandningens beståndsdelar än vad som finns i de rena komponenterna. Således "hålls molekylerna i vätskan starkare när en andra molekyl är närvarande. Ett exempel är en blandning av triklormetan (kloroform) och 2-propanon (aceton), som kokar över kokpunkten för endera ren komponent.

De negativa och positiva avvikelserna kan användas för att bestämma termodynamiska aktivitetskoefficienter för blandningens komponenter.

Fasta ämnen

Ångtryck av flytande och fast bensen

Jämviktångstryck kan definieras som det tryck som uppnås när en kondenserad fas är i jämvikt med sin egen ånga. I fallet med ett jämviktsfastämne, såsom en kristall , kan detta definieras som trycket när sublimeringshastigheten för ett fast ämne matchar avsättningshastigheten för dess ångfas. För de flesta fasta ämnen är detta tryck mycket lågt, men några anmärkningsvärda undantag är naftalen , torris (ångtrycket för torris är 5,73 MPa (831 psi, 56,5 atm) vid 20 ° C, vilket får de flesta förseglade behållarna att gå sönder) och is. Alla fasta material har ett ångtryck. Men på grund av deras ofta extremt låga värden kan mätningen vara ganska svår. Typiska tekniker inkluderar användning av termogravimetri och gastranspiration.

Det finns ett antal metoder för att beräkna sublimeringstrycket (dvs ångtrycket) för ett fast ämne. En metod är att uppskatta sublimeringstrycket från extrapolerade vätskedammstryck (av den superkylda vätskan), om smältvärmen är känd, genom att använda denna speciella form av sambandet Clausius – Clapeyron:

${\ displaystyle \ ln \, P _ {\ rm {s}}^{\ rm {sub}} = \ ln \, P _ {\ rm {l}}^{\ rm {sub}}-{\ frac {\ Delta _ {\ rm {fus}} H} {R}} \ vänster ({\ frac {1} {T _ {\ rm {sub}}}}-{\ frac {1} {T _ {\ rm {fus} }}}\höger)}$

var:

• ${\ displaystyle P _ {\ rm {s}}^{\ rm {sub}}}$är sublimeringstrycket för den fasta komponenten vid temperaturen .${\ displaystyle T _ {\ rm {sub}} <T _ {\ rm {fus}}}$
• ${\ displaystyle P _ {\ rm {l}}^{\ rm {sub}}}$är det extrapolerade ångtrycket för vätskekomponenten vid temperaturen .${\ displaystyle T _ {\ rm {sub}} <T _ {\ rm {fus}}}$
• ${\ displaystyle \ Delta _ {\ rm {fus}} H}$ är smältvärmen.
• ${\ displaystyle R}$är gaskonstanten .
• ${\ displaystyle T _ {\ rm {sub}}}$ är sublimeringstemperaturen.
• ${\ displaystyle T _ {\ rm {fus}}}$ är smältpunktstemperaturen.

Denna metod förutsätter att smältvärmen är temperaturoberoende, ignorerar ytterligare övergångstemperaturer mellan olika fasta faser, och det ger en rättvis uppskattning för temperaturer inte alltför långt från smältpunkten. Det visar också att sublimeringstrycket är lägre än det extrapolerade vätskeångstrycket (Δ _fus H > 0) och skillnaden växer med ökat avstånd från smältpunkten.

Kokpunkt för vatten

Graf över vattenångtryck kontra temperatur. Vid den normala kokpunkten 100  ° C motsvarar det standardatmosfärstrycket 760 Torr eller 101.325 kPa .  

Liksom alla vätskor kokar vatten när dess ångtryck når sitt omgivande tryck. I naturen är atmosfärstrycket lägre vid högre höjder och vatten kokar vid en lägre temperatur. Koktemperaturen för vatten för atmosfärstryck kan approximeras av Antoine -ekvationen :

${\ displaystyle \ log _ {10} \ left ({\ frac {P} {1 {\ text {Torr}}}} \ right) = 8.07131-{\ frac {1730.63 \ {}^{\ circ} {\ text {C}}} {233.426 \ {}^{\ circ} {\ text {C}}+T_ {b}}}}$

eller omvandlas till denna temperaturexplicerade form:

${\ displaystyle T_ {b} = {\ frac {1730.63 \ {}^{\ circ} {\ text {C}}} {8.07131- \ log _ {10} \ left ({\ frac {P} {1 { \ text {Torr}}}} \ höger)}}-233.426 \ {}^{\ circ} {\ text {C}}}$

där temperaturen är kokpunkten i grader Celsius och trycket är i Torr . ${\ displaystyle T_ {b}}$${\ displaystyle P}$

Dührings regel

Dührings regel säger att det finns ett linjärt samband mellan de temperaturer vid vilka två lösningar utövar samma ångtryck.

Exempel

Följande tabell är en lista över en mängd olika ämnen som ordnas genom att öka ångtrycket (i absoluta enheter).

Uppskattning av ångtryck från molekylstruktur

Det finns flera empiriska metoder för att uppskatta ångtrycket från molekylstrukturen för organiska molekyler. Några exempel är SIMPOL.1-metoden, metoden enligt Moller et al., Och AVDAMNING (uppskattning av ångtryck från organiska ämnen, redovisning av temperatur, intramolekylära och icke-additivitetseffekter).

Mening i meteorologi

Inom meteorologi används termen ångtryck för att betyda det partiella trycket av vattenånga i atmosfären, även om det inte är i jämvikt, och jämviktsångtrycket anges på annat sätt. Meteorologer använder också termen mättnad ångtryck för att referera till jämvikt ångtryck för vatten eller saltlösning ovanför en plan yta, för att skilja det från jämvikt ångtryck, som tar hänsyn till formen och storleken på vattendroppar och partiklar i atmosfären.

Se även

• Ångtryck av vatten
• Absolut luftfuktighet
• Antoine ekvation
• Lee – Kesler -metoden
• Raoults lag : ångtryckssänkning i lösning
• Ångtryck av Reid
• Relativ luftfuktighet
• Relativ volatilitet
• Mättnad ångdensitet
• Osmotisk koefficient
• Trippelpunkt
• Äkta ångtryck
• Ånga -flytande jämvikt
• Ångtryck av elementen (datasida)

Referenser

externa länkar

• Diagram för vätskekarakteristik
• Hyperfysik
• MSDS Ångtryck
• Online verktyg för beräkning av ångtryck (kräver registrering)
• Förutsägelse av ångtryck av rena flytande organiska föreningar