- Mi a fűtési görbe?
- -Állami változások egy anyagban
- A fűtési görbe értelmezése
- Hogyan készíthetsz bemelegedési görbét?
- Példák (víz, vas ...)
- Olvad a jég
- A vizet gőzzé változtatva
- Irodalom
A fűtési görbe annak grafikus ábrázolása, hogy a minta hőmérséklete az idő függvényében változik, miközben a nyomást állandó értéken tartjuk, és egyenletesen adunk hozzá hőt, azaz állandó sebességgel.
Az ilyen típusú grafikon elkészítéséhez pár hőmérsékleti és időértéket veszünk, amelyeket később ábrázolunk úgy, hogy a hőmérsékletet a függőleges tengelyen (ordináta), az időt a vízszintes tengelyen (abszcissza) helyezzük.
1. ábra: Az anyag fűtési görbéjét hő hozzáadásával és a hőmérséklet meghatározott időközönkénti mérésével kapjuk. Forrás: Pixabay.
Ezután ezekre a kísérleti pontokra illesztjük a legmegfelelőbb görbét, és végül megkapjuk a T hőmérséklet gráfját a t idő függvényében: T (t).
Mi a fűtési görbe?
Hevítés közben az anyag különböző állapotokon megy keresztül egymás után: szilárd anyagból gőzzé válhat, szinte mindig áthaladva a folyékony állapotban. Ezeket a folyamatokat állapotváltozásoknak nevezzük, amelyek során a minta növeli belső energiáját hő hozzáadása közben, amint azt a molekuláris kinetikai elmélet jelzi.
Ha hőt adunk a mintához, akkor két lehetőség van:
- Az anyag megemeli a hőmérsékletét, mivel részecskéi nagyobb intenzitással keverednek.
- Az anyag fázisváltáson megy keresztül, amelyben a hőmérséklet állandó marad. A hő hozzáadása azzal a hatással van, hogy bizonyos mértékben gyengíti azokat az erőket, amelyek a részecskéket együtt tartják, ezért könnyű például jégről folyékony vízbe menni.
A 2. ábra az anyag négy állapotát mutatja: szilárd, folyékony, gáz és plazma, valamint azoknak a folyamatoknak a nevét, amelyek lehetővé teszik az átmenetet közöttük. A nyilak jelzik a folyamat irányát.
2. ábra: Az anyag és a folyamatok állapota, amelyek az egymás közötti áthaladáshoz szükségesek. Forrás: Wikimedia Commons.
-Állami változások egy anyagban
A szilárd állapotú mintával kezdve, amikor megolvad, folyékony állapotba kerül, ha elpárolog, gázzá és ionizáción keresztül plazmává válik.
A szilárd anyag szublimációs módszerrel közvetlenül gázzá alakítható. Vannak olyan anyagok, amelyek szobahőmérsékleten könnyen szublimálnak. A legismertebb a CO 2 vagy szárazjég, valamint a naftalin és a jód.
Miközben a minta állapota megváltozik, a hőmérséklet állandó marad, amíg el nem éri az új állapotot. Ez azt jelenti, hogy ha például egy folyékony víz része eléri a forráspontját, akkor a hőmérséklete állandó marad, amíg az összes víz gőzzé nem válik.
Ezért a felmelegedési görbe várhatóan növekvő szakaszok és vízszintes szakaszok kombinációjából áll, ahol az utóbbi fázisváltozásoknak felel meg. Ezen görbék egyikét egy adott anyag esetében a 3. ábra mutatja.
3. ábra: Egy adott anyag fűtési görbéje, a tipikus konfigurációval lépcsőn és lejtőn alapulva.
A fűtési görbe értelmezése
Az ab, cd és ef növekedési intervallumokban az anyag szilárd, folyékony és gáz. Ezekben a régiókban a kinetikus energia növekszik és ezzel együtt a hőmérséklet is.
Miközben a bc-ban megváltoztatja az állapotát szilárdról folyadékra, ezért a két fázis együtt létezik. Ez abban a szakaszban történik, amelyben a minta folyékonyról gázra változik. Itt a potenciális energia változik, és a hőmérséklet állandó marad.
A fordított eljárás szintén lehetséges, azaz a mintát lehűthetjük, hogy egymás utáni állapotait átvegyük. Ebben az esetben hűtési görbéről beszélünk.
A fűtési görbék ugyanolyan általános megjelenéssel rendelkeznek minden anyag számára, bár természetesen nem ugyanazok a számértékek. Néhány anyag hosszabb ideig tart, mint mások, hogy megváltoztassák az állapotot, és különböző hőmérsékleten megolvadnak és párolognak.
Ezeket a pontokat olvadáspontnak és forráspontnak nevezik, és az egyes anyagok jellemzői.
Ezért nagyon hasznosak a fűtési görbék, mivel ezek a hőmérsékletek számértékét jelzik olyan millió millió anyag számára, amelyek szilárd és folyadékként léteznek a normálisnak tartott hőmérsékleti tartományban és a légköri nyomáson.
Hogyan készíthetsz bemelegedési görbét?
Elvileg nagyon egyszerű: egyszerűen tegyen egy anyagmintát egy keverővel ellátott tartályba, helyezze be a hőmérőt és egyenletesen melegítse.
Ezzel egyidejűleg, az eljárás elején egy stopper aktiválódik, és időről időre feljegyezzük a megfelelő hőmérsékleti-időpárokat.
A hőforrás lehet jó fűtési sebességű gázégő vagy olyan hőhatást kibocsátó elektromos ellenállás, amely hevítés közben hőforráshoz kapcsolható, és változtatható forráshoz csatlakoztatható, hogy különböző teljesítményt érjen el.
A nagyobb pontosság érdekében két módszert használnak széles körben a kémiai laboratóriumban:
- Diferenciális hőanalízis.
- Differenciál pásztázó kalorimetria.
Összehasonlítják a vizsgált minta és egy másik összehasonlító minta hőmérsékleti különbségét magas olvadáspontú hőmérsékleten, szinte mindig alumínium-oxiddal. Ezekkel a módszerekkel könnyű megtalálni az olvadási és forráspontot.
Példák (víz, vas…)
Vegye figyelembe az ábrán látható víz és vas fűtési görbéit. Az idő skáláját nem mutatjuk be, azonban azonnal meg kell különböztetni mindkét anyag olvadási hőmérsékleteit, amelyek megfelelnek az egyes grafikonok B pontjának: 0 ° C-os vízre, 1500 ° C-os vasra.
4. ábra. A víz és a vas fűtési görbéi.
A víz egy univerzális anyag, és az állapotváltozás észleléséhez szükséges hőmérsékleti tartományt könnyű elérni a laboratóriumban. Sokkal magasabb hőmérsékletekre van szükség a vas számára, de amint fentebb megjegyeztük, a grafikon alakja lényegében nem változik.
Olvad a jég
A jégminta melegítésekor, a grafikon szerint, az A ponton, 0 ° C alatti hőmérsékleten vagyunk, megfigyelhető, hogy a hőmérséklet állandó sebességgel növekszik 0 ° C-ig.
A jég vízmolekulái nagyobb amplitúdóval rezgnek. Az olvadási hőmérséklet (B pont) elérése után a molekulák már mozoghatnak egymás előtt.
A beérkező energiát a molekulák közötti vonzó erő csökkentésére fordítják, így a B és C hőmérséklete állandó marad, amíg az összes jég meg nem olvad.
A vizet gőzzé változtatva
Amint a víz teljesen folyékony állapotban van, a molekulák rezgése ismét növekszik, és a hőmérséklet gyorsan növekszik C és D között, 100 ° C forráspontjáig. D és E között a hőmérséklet ezen az értéken marad, miközben a beérkező energia biztosítja, hogy a tartályban lévő összes víz elpárologjon.
Ha az összes vízgőz tartalmazhat egy tartályban, akkor folytathatja a melegítést az E ponttól az F pontig, amelynek határértékét az ábra nem mutatja.
Egy vasmintán ugyanazok a változások mehetnek keresztül. Az anyag jellegét tekintve azonban a hőmérsékleti tartományok nagyon eltérőek.
Irodalom
- Atkins, P. A kémia alapelvei: A felfedezés útjai. Szerkesztő Médica Panamericana. 219-221.
- Chung, P. Fűtési görbék. Helyreállítva: chem.libretexts.org.
- Fűtési görbék. Olvadás és párologtatás hője. Helyreállítva: wikipremed.com.
- Hewitt, Paul. 2012. Fogalmi fizikai tudomány. 5.. Ed Pearson. 174-180.
- Valladolidi Egyetem. Kémiai végzettség, helyrehozva: lodging.uva.es.