Бұлану және қайнау

0

БУЛАНУ ЖӘНЕ ҚАЙНАУ

Заттың сұйық күйден газ тәріздес фазаға ауысуын - булану мен қайнау процестерін қарастырайық. Беті ашық ыдыс- тағы сұйықтың, мысалы әтірдің, біртіндеп булана отырып, таусылатыны белгілі. Олай болса, булану - энергиясы жоғары молекулалардың, өзімен көршілес молекулалардың тартылыс күшін жеңіп, сұйық бетіне шығып ұшып кету процесі. Олай болса, сұйық бетінен сыртқа кетіп жатқан молекулалар, сұйықтың беттік көрілу күшіне және сыртқы қысымға қарсы жұмыс жасауы тиіс. Бұл жұмыс, молекуланың жылулық қозғалысының кинетикалық энергиясына тең болуы керектігі түсінікті, яғни

 

Сондықтан, сұйық бетін, осы энергияға тең немесе одан жоғары энергияға ие молекулалар ғана тастап кете алады. Сұйықтың температурасы жоғарылаған сайын, ондағы энергиясы жоғары молекулалардың саны өсетін болғандықтан, булану процесінің интенсивтілігі артады, яғни, булану жылдамырақ жүреді.

Сұйықтардың ішкі, яғни, молекулалық қысымы өте жоғары. Мысалы, судың ішкі қысымы, шамамен, 11000 атм. Сондықтан сұйық молекулаларының, оның бетін тастап кетуі үшін, жеткілікті энергиясы болуы тиіс. Энергиясы көп молекулалар сұйықты тастап кете беретін жағдайда, оның салқындауы керек, себебі, қалған молекулалардың кинетикалық энергиясы төмендейді. Сондықтан, сұйықтардағы булану процесі, оның температурасының төмендеуімен қабаттаса жүреді, сүйық салқындайды. Олай болса, булану процесі жасырын булану жылуын анықтауға мүмкіндік береді.

Булану процесімен қатар, сұйықтың сыртындағы бу молекулаларының, оған қайта оралу процесі - конденсация процесі жүріп жатады. Бұл, будың суыққа қайта айналу процесі. Егер, булану конденсацияға қарағанда жылдам жүретін болса, сұйық мөлшері кемиді, керісінше, булануға қарағанда конденсация жылдамырақ жүрсе, сүйық мөлшері өседі.

Сұйық өзінің буымен тепе-теңдікте де бола алады. Бұл жағдай, берілген температурада, будың қысымы мен тығыздығы белгілі мәндерге ие болғанда орнайды. Осыдан, өз сұйығымен динамикалық тепе-тендіктгі бу, қанықкан бу деп аталады. Қаныққан будың қысымы тек температураға ғана тәуелді, ол температура жоғарылаған сайын артып отырады. Сондықтан, есеп кітаптарда сұйық үшін, (мысалы, су үшін), әр температурадағы, оның қаныққан буының серпімділігі (қысымы) беріліп қойылады.

Булану адиабаталық проңесс  арқылы жүретін болса, сұйықтың температурасы төмендейді. Ал, изотермиялық процесс кезіндегі булануда, сұйықтың жоғалтқан жылу мөлшері толықтырылып отыруы тиіс. Процесс тұрақты температурада жүргендіктен, берілген сұйыққа бірлік уақытта өкелінетін жылу мөлшері бірдей, уақытқа байланысты өзгермейді. Температура өзгеретін болса сұйыққа берілетін жылу мөлшері де өзгереді. Бұл жылу, сұйықты буландыруға жұмсалады, сондықтан меншікті (жасырын) булану жылуы деп аталады және λ әріпімен белгіленеді. Ал, конденсациялану процесінде, керісінше, меншікті булану жылуына тең жылу бөлінеді, яғни, - λ. Жасырын булану (конденсациялану) жылуының өлшем бірлігі Дж/кг және ол мына формулалар арқылы аныкталады:

Q=m λ, Q=-m λ,

Тұрақты қысымдағы қайнап тұрған сұйықтың температурасы өзгермейді. Сұйыққа берілетін жылу мөлшерінің басым көпшілігі, оны қыздыруға жұмсалады, ал азғантай бөлігі буландыруға жұмсалады. Қайнау басталу үшін, сұйықта қайнау центрлері, ауаның көпіршіктері пайда болуы тиіс, яғни, жүйе екі фазалы болуы қажет. Сұйық құйылған ыдыс қабырғаларына жабысқан ауа көпіршіктері булану нүктелерінің қызыметін атқарады. Көпіршік ішіндегі сұйықтың булануы нәтижесінде, ол үлкейіп, Архимед күшінің әсерінен сұйық бетіне қалқып шығады да жарылады, сұйық қайнайды. ЬІдыс қабырғасынан бөлінген көпіршіктің орнында майда көпіршіктер қалады және олар жаңа булану нүктелеріне айналады.

Қайнау кезінде температура  тұрақты сақталуы тиіс, себебі, оның аз ғана өзгерісі буланудың интенсивтілігін арттырады, ал ол сұйык температурасын төмендетеді де, бұрынғы тепе-тең күй қайта орнайды. Көпіршік пайда болатын газ қайнайтын сұйықтың буы емес, ауа немесе басқа бір газ болуы керек, себебі, ол сол сұйықтың буынан тұратын болса, температураның есуіне сәйкес қысымның артуы, оны конденсациялануға мәжбүр етеді де көпіршік көлемінің жоғалуына екеледі. Ал көпіршікте басқа газ болса, температураның жоғарылауына сәйкес оның кысымы да көлемі де артады.

Сұйықтағы көпіршіктің тепе-тең күйде табылу шарты мына теңдеумен анықталады:

Р_о+,

мүндағы Р=f(Т) - көпіршіктің ішіндегі каныккан бу қысымы, - көпіршіктегі ауа қысымы, Р₀ - атмосфералық қысым, - көпіршік тұрған жердегі сұйық деңгейінің гидростатикалық қысымы, - көпіршіктің иілген беті түсіретін Лаплас қысымы, - сұйықтың тығыздығы, ал V - көпіршіктің көлемі.

Көпіршік өзі жабысып тұрған қабырғаға белгілі күшпен Ғ тартылып тұрады. Бұл тарту күші, көпіршік қабырғадан бөлінгенше Архимед күшінен үлкен бөлуы тиіс, яғни,

F> рУ.

Көп кайнату арқылы, аса қызған сұйық күй алынады. Бұл кезде сұйықтағы еріген газдың барлығы ауа кәпіршіктерімен шығып бітеді, ал жаңа көпіршіктер толығынан будан тұрады. Мұндай көпіршіктер, өрнектің оң жағындағы қысымға төтеп бере алмайды, көпіршіктің көлемі, Архимед күші, оны ұстап тұратын күштерді жеңетіндей, мөлшерге дейін өспейді. Сұйықтың температурасы едәуір көтерілгенімен, ол кайнамайды. Бірақ бұл күй ұзаққа созылмайды. Біршама уақыттан соң аса қызған сұйық, қопарылысқа ұқсас, бірден қайнайды. Бұл жағдайда ыдыс жарылып кетуі мүмкін, ал ол айналаға аса қауіпті. Сондықтан, оны болдырмау үшін арнайы шаралар қолданады. Мысалы, сұйығы бар ыдысқа, қызған кезде ауаны кәп бөліп шығаратын, күймеген фарфор, керамикалық түтіктер сықылды кеуек заттар салынады. Ыдыстың ішкі қабырғаларын, газ молекулалар жабысып тұра алатындай, кедір-бұдыр етіп жасайды, ол жып-жылтыр болып тегістелмейді.

Булану жылуы екі бөліктен құралады. Бірі, молекуланы беттік қабаттан алып ететін, шығару жұмысын жасауға, ал екіншісі, мына өрнек арқылы анықталатын РF, ұлғаю жұмысын жасауға жұмсалады. Сұйықтардың жасырын булану жылуын анықтаудың әртүрлі әдістері бар. Бұлардың көпшілігіде, булану (конденсациялану) процесінде жұмсалатын (бәлінетін) жылу мелшерін есептеуге негізделген, калориметрлер қолданылады.

Будың сұйыққа айналуын - конденсация процесін қарастырайық. Бұл процесте, қайнау сияқты, екі фазалы жүйеде жүзеге асады. Конденсация басталуы үшін, будың ішінде, конденсациялану центрлерінің рөлін атқаратын, екінші бір сүйық фаза (өте кіші тамшылар) немесе майда тозаңдар болуы тиіс. Буды құрайтын сұйық молекулалары осы центрлерге қонып, алдымен кіші, ал соңынан үлкен тамшыларға айналып жатады. Егер буды әртүрлі қоспалар мен тозаңдардан тазартып, оның ішінде иондардың (электронынан айырылған немесе оны косып алған атомдар) пайда болмау жағдайын жасасақ, яғни, тамшылар түзілетін конденсациялану центрлерінен арылытсақ, аса қаныққан бу алынады. Оның қысымы қаныққан бу қысымынан біршама жоғары болады.

Аса қызған сұйық, аса қаныққан бу күйлерін космостық сәулелердің, зарядталған элементар бөлшектердің іздерін (трек) және олардың атом ядроларымен әсерлесуін бақылауға арналған, физикалық құралдарда пайдаланады. Бұлардың қатарына Вильсон камерасы мен көпіршікті камера жатады.

Конденсациялану нүктесі төмен газбен (гелий, азот және т.б.) және тез буланатын сұйықтың буымен (су, спирт буларының қоспасы) толтырылған, поршенмен жабдықталған ыдыс, Вильсон камерасы деп аталады. Поршенді тез қозғалтқанда адиабаталық ұлғаю жүзеге асады да камерадағы газдың температурасы кенет төмендейді, ондағы бу аса қаныққан күйге келеді. Осы кезде, Вильсон камерасын, жоғары энерғиялы зарядталған бөлшектер тесіп өтетін болса, оның жолында буды құрайтын заттың иондары түзіледі. Иондар конденсациялану центрлерінің рөлін атқарады. Олай болса, бөлшек қозғалысының траекториясын, оның ізін (трек), иондардың өн бойында түзілген сұйықтың кіші тамшылары көрсетеді. Бұл тамшылар тізбегін суретке түсіру арқылы зерттеу, магнит өрісіндегі ауытқуынан - бөлшектің заряды, оның ізінің жуандығы мен ұзындығын бағалау, энергиясы туралы көптеген мәліметтер алуға мүмкіндік береді.

Көпіршікті камера деп, қалыпты  қысымдағы қайнау температурасынан жоғары температурадағы, үлкен қысым астындағы сутекпен, пропанның мөлдір сұйық қоспасымен толтырылған ыдыс аталады. Камерадағы қысымды кенет азайтқанда, одағы сұйык аса қызған күйге келеді. Осы кезде камера арқылы жоғары энергиялы космостық бөлшектер ұшып өтсе, оның жолында майда, бәлшектің ізін бақылауға мүмкіндік беретін, көпіршіктер пайда болады. Камерадағы сутектің тығыздығы үлкен мәнге ие болғандықтан, онда протондар өте көп. Сондық тан, көпіршікті камерада элементар бөлшектердің протондармен өсерлесуін зерттеу, гамма-кванттарды тіркеу және т.б. жүзеге асырылады. Бұл камерада Вильсон камерасындағыдай бөлшектің ізін жуып жіберетін конвекциялық ағын жоқ. 

ҚАНЫҚҚАН БУ СЕРПІМДІЛІГІНІҢ СҰЙЫҚ БЕТІНІҢ ҚИСЫҚТЫҒЫНА ТӘУЕЛДІЛІГІ

Қаныққан бу қысымының сұйық бетінің имектігіне тәуелділігін қарастырайық. Егер сұйық беті тегіс болса, сұйық пен будың тепе-теңдігі тек қаныққан будың серпімділігімен анықталады. Бұл кезде тепе-теңдік, бу молекулаларының сұйық бетінен қандай қашықтықта орналасқанына тығыз тәуелді, сұйық молекулаларымен бу молекулаларының арасындағы өсерлесу сипатымен анықталатындығы түсінікті.

Ал сұйық беті ойыс болса, бу молекуласына, одан, 99, а-суреттен көрінгендей, бірдей қашықтықта орналасқан су молекулаларының әсер күші көп, себебі, сұйық бетінің басым бөлігі, горизонталь және дөңес беттермен салыстырғанда жақын орналасады. Бұдан, бу молекуласы ойыс бетте сұйыққа үлкен күшпен тартылады, динамикалық тепе-теңдік кіші қысымда орын алады. Керісінше, сұйық беті дөңес болған жағдайда, бірінші және екінші жағдайлармен салыстырғанда кемірек. Себебі, сұйықтың бүйір беттері бу молекуласынан біршама қашық орналасқандықтан, оған аз күшпен әсер етеді. Сондықтан, сұйықтың дөңес беті үшін, сұйық пен оның буының арасындағы динамикалық тепе-теңдік, қаныққан будың үлкен қысымында орын алады.

Сонымен, берілген көлемдегі сұйық тамшыларының өлшемдері үлкенді-кішілі әртүрлі болса, олар өз буымен тепе- теңдікте бола алмайды. Тамшының қисықтық радиусы неғүрлым кіші болған сайын, олардың арасындағы динамикалық тепе-теңдік орнайтын қанықкан бу қысымы солғұрлым жоғары болуы тиіс.

Будың қысымы барлық көлемде бірдей болғандықтан, кіші тамшылардан молекулалардың булануы, бу молекулаларының конденсациялануынан көбірек. Пайда болған бу молекулалары үлкен тамшыға қосылып, оны одан сайын үлкейтеді. Бұл процесс, әртүрлі өлшемді тамшылардан тұратын бұлттарда қарқынды түрде жүреді. Тамшылардың пайда болуы атмосфералық құбылыстарда табиғатта үлкен рөл атқарады, ол үлкейе отырып, ауырлық күшінің әсерінен жерге құлайды, жаңбырға айналады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ҚАНЫҚҚАН БУ

Идеал газды сұйыққа айналдыруға  болмайды. Ал реал (нақты) газ сұйыққа айналады. Бұл процесс қалай орындалады? Газдың будан айырмашылығы неде?

Булану және конденсация. Мұқият жабылған әтір құйылған шиша көп тұрғанмен оның ішіндегі әтірдің мөлшері өзгермеуі мүмкін. Егер шишаның: ауызын ашық қалдырып, араға біраз уақыт салып, қарасақ оның ішінде ештеңе қалмағанын байқаймыз. Хош иісті заттар ерітілген сұйық әтір буға айналды. Асфальт бетіндегі су анағұрлым тез буланады. Ауаның температурасы жоғары болса және жел соғып тұрса тез (кебу) буланады.

Бұл құбылысты былай түсіндіруге  болады.

Сұйық молекулалары ретсіз қозғалады. Сұйықтың температурасы неғұрлым жоғары болса, молекулалардың кинетикалық энергиясы соғұрлым артады. Ал кинетикалық энергияның орташа мәні берілген температурада белгілі шамаға ие. Берілген уақыт мезетінде әр молекуланың кинетикалық энергиясы орташа мәннен аз да, көп те болуы мүмкін. Бір мезетге кейбір молекулалардың кинетикалық энергиясының үлкен болатыны сонша, олар басқа молекулалардың тартылыс күшін жеңіп сұйықтан ұшып шығу мүмкіндігіне ие болады. Булану процесі дегеніміз осы.

Ұшып шыққан молекула газдың ретсіз жылулық қозгалысына қатынасады. Ретсіз қозғала отырып, бұл молекула ашық ыдыстағы сұйық бетінен алыстан біржола кетіп қалуы немесе сұйыққа қайтып оралуы да мүмкін. Мұндай процесс конденсация деп аталады.

Егер ыдыс бетіндегі ауа ағыны пайда болған сұйық буларын өзімен бірге алып кетіп отырса, онда сұйық тез буланады. Себебі бу молекуласының сұйыққа қайтып оралу мүмкіндігі азаяды. Сұйық температурасы неғұрлым жоғары болса, соғұрлым сұйықтан ұшып шығып кету үшін кинетикалық энергиясы жеткілікті молекулалардың саны да артады және булану жедел өтеді.

Булану кезінде неғұрлым жылдам қозғалатын молекулалар сұйықтан ұшып шығады. Сондықтан сұйық молекулаларының орташа кинетикалық энергиясы азаяды. Ал бұл сұйық температурасының төмендегенін көрсетеді. Тез буланатын сұйықтардың бірін (бензинді немесе ацетонды) қолыңа жағып, бірден олардың қолға жағылған жерінің өте салқындағанын сезінесің. Егер ол жерді үрлейтін болсақ, салқындау күшейе түседі.

Егер сұйыктың булану мүмкіндігін болдырмайтын жағдай жасасақ, онда салқындау анағұрлым баяу жүреді. Майлы сорпаның ұзақ уақыт салқындайтынын еске түсіріп көр. Сорпа бетіндегі май тез қозғалатын молекулалардың шығып кетуіне кедергі жасайды. Сұйық (сорпа) буланбайды деуге болады және оныц температурасы баяу төмендейді (су молекулаларымен салыстырғанда май молекулалары үлкен және бір-бірімен берік байланыс қандықтан май өте баяу буланады).

Қаныққан бу. Егер сұйық құйылған ыдысты тығыз жабатын болсақ, онда сұйықтың азаюы тез арада тоқталады. Температура өзгермеген жағдайда сұйық — бу жүйесі жылулық тепе- теңдік күйге келеді және бұл күйде ұзақ уақыт бола алады. Булану процесімен қатар конденсация процесі болып отырады және бұл екі процесс орта есеппен бір-бірін теңгереді.

Ыдысқа сұйық құйып, бетін жапқаннан кейін, алғашқы кезде, сұйық буланады да, будың тығыздығы арта бастайды. Бірақ мұнымен бірге сұйыққа қайта оралатын молекулалардың саны да өсіп отыратын болады. Бу тығыздығы неғұрлым артқан сайын, сұйыққа қайтып оралатын бу молекулаларының саны арта түседі. Температура тұрақты болған жағдайда осының нәтижесінде жабық ыдыстағы сұйық пен бу арасында біртіндеп динамикалық (қозғалмалы) тепе-теңдік қалыптасады. Сұйық бетінен шығып кететін молекулалар саны орта есеппен сол уақыт ішінде сұйыққа қайтып оралатын бу молекулаларының санына тең болады. Су үшін бөлме температурасында бұл сан 1 секундта 1 см² бет аудан үшін 10²² молекулаға тең.

Өз сұйығымен динамикалық тепе-теңдікте болатын бу қаныққан бу делінеді. Бұлай аталудың өзі бір температурада берілген көлемде бу мөлшерінің бір шамадан артып кетуінің мүмкін еместігін аңғартады.