Tačka ključanja

Tačka ključanja je temperatura na kojoj, pod datim uslovima, tečnost isparava po celoj zapremini.^[1]^[2] Malo stručnije rečeno, tačka ključanja je temperatura na kojoj se napon pare tečnosti izjednačava sa spoljašnjim pritiskom. Naime, tečnost je uvek u ravnoteži sa svojom gasnom fazom (parom), dakle, tečnost uvek isparava, ali na tački ključanja do isparavanja dolazi iz cele zapremine. Tačka ključanja direktno zavisi od spoljašnjeg pritiska. Na datom pritisku, karakteristična je za svaku supstancu.

Tačka ključanja tečnosti varira u zavisnosti od pritiska okoline. Tečnost u delimičnom vakuumu ima nižu tačku ključanja nego kada je ta tečnost pod atmosferskim pritiskom. Tečnost pod visokim pritiskom ima veću tačku ključanja nego kada je ta tečnost pod atmosferskim pritiskom. Na primer, voda ključa na 100 °C (212 °F) na nivou mora, ali na 93,4 °C (200,1 °F) na 1.905 m (6.250 ft)^[3] nadmorske visine. Za određeni pritisak različite tečnosti će ključati na različitim temperaturama.

Normalna tačka ključanja tečnosti (koja se takođe naziva tačka atmosferskog ključanja ili tačka ključanja pri atmosferskom pritisku) poseban je slučaj u kome je pritisak pare tečnosti jednak definisanom atmosferskom pritisku na nivou mora, jednoj atmosferi.^[4]^[5] Na toj temperaturi, pritisak pare tečnosti postaje dovoljan da savlada atmosferski pritisak i omogući stvaranje mehurića pare unutar mase tečnosti. Standardna tačka ključanja je definisana prema IUPAC-u od 1982. godine kao temperatura na kojoj dolazi do ključanja pod pritiskom od jednog bara.^[6]

Kod idealnih smeša (koje se retko sreću) tačka ključanja je proporcionalna sastavu i u pari koncentracija isparljivije komponente je veća nego u tečnoj fazi. To je princip na kojem se zasniva frakciona destilacija gde se tečnosti razdvajaju na osnovu razlike u tački ključanja. Tako se peče i rakija - etanol je isparljiviji od vode i u destilatu je koncentracija alkohola veća nego u prvobitnoj smeši. Često smeše tečnosti određenog sastava, imaju nižu tačku ključanja nego čiste komponente. To su ateotropne smeše koje destiluju bez promene sastava, t. j, sastav pare je isti kao i sastav tečnosti. Poznati primer je smeša etanola (95%) i vode (5%). Ma koliko puta bila destilisana smeša vode i alkohola, koncentracija alkohola u destilatu ne može da pređe 95%, jer ta smeša ključa na nižoj temperaturi od čistog alkohola. Apsolutni alkohol t. j, 100% etanol dobija se destilacijom iz ternarnih smeša ili nekim drugim fizičkohemijskim metodama. Zavisnost tačke ključanja od pritiska vrlo se često koristi u industriji u raznim procesima a u domaćinstvu za brže kuvanje hrane u tzv. 'pretis' loncu. U tom loncu teg na poklopcu održava pritisak nešto iznad atmosferskog čime se povećava tačka ključanja vode, dakle, podigne se temperatura u loncu. Na povišenoj temperaturi hemijske reakcije se brže odvijaju te otuda i jelo u tom loncu brže skuva.

Pod određenim uslovima supstance direktno prelaze iz čvrstog stanja u gasovito i ova pojava se naziva sublimacija.

Temperatura i pritisak zasićenja

Demonstracija donje tačke ključanja vode pri nižem pritisku, postignuta korišćenjem vakuum pumpe.

Zasićena tečnost sadrži onoliko toplotne energije koliko je moguće bez ključanja (ili obratno, zasićena para sadrži onoliko toplotne energije koliko je moguće i bez kondenzacije).

Temperatura zasićenja predstavlja tačku ključanja. Temperatura zasićenja je temperatura korespondirajućeg pritiska zasićenja pri kojoj tečnost ključanjem prelazi u svoju parnu fazu. Može se reći da je tečnost zasićena toplotnom energijom. Svako dalje dodavanje toplotne energije rezultira faznim prelazom.

Ako pritisak u sistemu ostane konstantan (izobarski), para pri temperaturi zasićenja će početi da se kondenzuje u svoju tečnu fazu kako se toplotna energija (toplota) uklanja. Slično tome, tečnost na temperaturi i pritisku zasićenja će ući u svoju parnu fazu kako se uvede dodatna toplotna energija.

Tačka ključanja odgovara temperaturi na kojoj je pritisak pare tečnosti jednak pritisku okoline. Dakle, tačka ključanja zavisi od pritiska. Tačke ključanja se može objaviti za standardni pritisak prema NIST-u od 101,325 kPa (ili 1 atm) ili IUPAC standardni pritisak od 100,000 kPa. Na većim nadmorskim visinama, gde je atmosferski pritisak mnogo niži, tačka ključanja takođe je niža. Tačka ključanja se povećava sa povećanim pritiskom do kritične tačke, gde svojstva gasa i tečnosti postaju identična. Tačka ključanja se ne može povećati iznad kritične tačke. Isto tako, tačka ključanja opada sa opadajućim pritiskom dok se ne dosegne trojna tačka. Tačka ključanja se ne može smanjiti ispod trojne tačke.

Ako su poznata toplota isparavanja i pritisak pare tečnosti na određenoj temperaturi, tačka ključanja se može izračunati korišćenjem Klauzijus-Klaperonove jednačine, prema kojoj je:

T_{\text{B}}=\left({\frac {1}{T_{0}}}-{\frac {R\,\ln {\frac {P}{P_{0}}}}{\Delta H_{\text{vap}}}}\right)^{-1},

gde je:

T_{B}

, tačka ključanja pod datim pritiskom,

R

, univerzalna gasna konstanta,

P

, napon pare tečnosti na datom pritisku,

P_{0}

, pritisak pri kome je korespondirajuća

T_{0}

poznata (obično su podaci poznati za 1 atm ili 100 kPa),

\Delta H_{\text{vap}}

, toplota isparavanja tečnosti,

T_{0}

, temperatura ključanja,

\ln

, prirodni logaritam.

Pritisak zasićenja je pritisak za datu temperaturu zasićenja pri kojoj tečnost prelazi u svoju parnu fazu. Pritisak i temperatura zasićenja imaju direktan odnos: kako se pritisak zasićenja povećava, tako raste i temperatura zasićenja.

Ako temperatura u sistemu ostane konstantna (izotermski sistem), para pod pritiskom i temperaturom zasićenja će početi da se kondenzuje u svoju tečnu fazu kako sistemski pritisak raste. Slično tome, tečnost pri pritisku i temperaturi zasićenja će prelaziti u parnu fazu dok se sistemski pritisak smanjuje.

Postoje dve konvencije u pogledu standardne tačke ključanja vode: Normalna tačka ključanja je 99,97 °C (211,9 °F) pri pritisku od 1 atm (tj. 101,325 kPa). IUPAC preporučuje primenu standardne tačke ključanja vode pri standardnom pritisku od 100 kPa (1 bar)^[7] koja je 99,61 °C (211,3 °F).^[6]^[8] Poređenja radi, na vrhu Mont Everesta, na visini od 8.848 m (29.029 ft), pritisak je oko 34 kPa (255 Torr),^[9] a tačka ključanja vode je 71 °C (160 °F). Celzijusova temperaturna skala je definisana do 1954. godine pomoću dve tačke: 0 °C je definisano tačkom smrzavanja vode i 100 °C je definisano tačkom ključanja vode pri standardnom atmosferskom pritisku.

Isparavanje

Isparavanje je prelaz materije iz tečnog u gasovito agregatno stanje. Prema kinetičko-molekularnoj teoriji toplote, tečnost isparava kada njeni molekuli zagrejavanjem poprime dovoljno energije da nadvladaju kohezione sile unutar tečnosti i pritisak nad njenom površinom. Razlikuje se isparavanje vrenjem i isparavanjem. Tečnost isparava vrenjem kada se pritisak pare u tečnosti izjednači s ukupnim pritiskom nad tečnošću. Temperatura pri kojoj tečnost vri naziva se vrelištem. Povećavanjem pritiska nad tečnošću vrelište raste, a smanjenjem pritiska opada. Tečnost prelazi u paru isparavanjem kada je pritisak pare u tečnosti veći od parcijalnog pritiska te pare nad tečnošću, a manji od ukupnog pritiska nad tečnošću; tečnost, dakle, isparava pri temperaturi nižoj od vrelišta.

Jedna od najstarijih primena isparavanja je dobivanje soli iz morske vode. U procesnoj se tehnici pod isparavanjem razume tehnološka operacija kojom se u isparivaču deo rastvarača vrenjem prevodi u gasovito (parno) stanje kako bi se povećala koncentracija rastvora (uparavanje), na primer pri proizvodnji šećera, različitih soli, veštačkih đubriva i drugog. Rastvor se zagrejava u delu isparivača koji se naziva zagrevnom komorom, a para rastvarača, koja se naziva supara, izlazi iz rastvora u parni prostor isparivača. Danas se uglavnom koriste cevni isparivači, u kojima rastvor prirodno ili prisilno cirkuliše kroz vruće cevi i uparava se uz vrenje ili se uparava u tankom sloju na zidovima cevi. Uparivači se najčešće zagrejavaju svežom vodenom parom (jednostruko iskorištavanje toplote uz stalan pritisak) ili, ako su uparivači međusobno povezani u niz, suparom iz prethodnog isparivača. Tako se toplota višestruko iskorištava, jer se supara iz prvog isparivača upotrebljava za zagrejavanje drugog i tako dalje, ali je to moguće ako je u svakom idućem isparivaču pritisak niži od prethodnog, pa je i vrelište rastvora sve niže, ili ako se termokompresijom stalno povećava temperatura supare. Utrošak toplote za zagrejavanje rastvora može se smanjiti i ako se sirovina predgrejava već zagrejanim produktom koji izlazi iz isparivača. Osim za opisano uparavanje, kojem je cilj dobijanje rastvora veće koncentracije, isparavanje se primenjuje i radi dobijanja čistog rastvarača (na primer pitke vode pri odsoljavanju vode ili desalinizaciji morske vode) te kao proces kojim se postiže učinak hlađenja u rashladnim uređajima.^[10]

Vrenje

Vrenje ili ključanje, u fizici, je fazni prelaz iz tečnog u gasovito agregatno stanje koji se zbiva istodobno u celom obimu ili zapremini tečnosti na temperaturi vrelišta, pri pritisku pare u tečnosti koji je jednak spoljašnjem pritisku. Prelazu je svojstvena pojava mehurića gasa u tečnosti.^[11]

Isparavanje

Isparavanje je prelaženje materije iz tečnog u gasovito agregatno stanje bez vrenja, na temperaturi nižoj od vrelišta. Iako na temperaturi nižoj od vrelišta prosečna kinetička energija molekula tečnosti nije dovoljna za napuštanje tečnosti, među najbržim molekulima ima onih sa dovoljnom kinetičkom energijom da se mogu odvojiti od površine tečnosti i da nastave se da se kreću slobodno. Isparavanjem se prosečna kinetička energija molekula u tečnosti smanjuje i temperatura tečnosti opada. Brzina isparavanja veća je što je viša temperatura tečnosti i niži pritisak izvan tečnosti.^[12]

Zavisnost vrelišta od pritiska

Vrelište nije isto kod svakog pritiska. Povišenje pritiska povećava, a smanjenje pritiska snižava temperaturu vrelišta. Kod normalnog atmosferskog pritiska voda vri na 100 °C. Međutim, ako je pritisak veći, voda će vreti na temperaturi iznad 100 °C, ako je pritisak manji, voda će vreti ispod 100 °C. Povišenje vrelišta zbog povećanja pritiska može se meriti pomoću Papinovog lonca. To je zatvorena posuda u kojoj se voda zagrevanjem pretvara u vodenu paru. Na poklopcu se nalazi manometar i termometar, kojima se meri pritisak i temperatura u loncu. Nastala para ne može da izađe, i zato se u posudi povišava pritisak. Posuda ima sigurnosni ventil. On ispušta paru kad pritisak pređe određenu vrednost. Merenja su pokazala da kod pritiska od 2 bara voda vri na 119 °C, a kod pritiska od 4 bara na 142,9 °C. Kod kuvanja nije važno da voda vri, već je potrebna visoka temperatura. Da se hrana brže pripremi, može se lonac u kojem se hrana kuva pokriti teškim poklopcem, a u većim kuhinjama upotrebljava se Papinov lonac. Taj se lonac upotrebljava i za kuvanje na visokim planinama gde voda vri ispod 100 °C.^[13]

Zavisnost vrelišta rastvora

Rastvor dve materije A i B koje su relativno jednako isparljive ima tačku vrelišta koja u idealnom slučaju zavisi od udela obe materije u rastvoru i nalazi se između vrelišta materije A i vrelišta materije B. Zbog međumolekulskih sila pojava je često složenija i nepravilna te se naziva azeotropija.
Rastvor čvrste materije u rastvaraču, kad čvrsta materija praktično nije isparljiva, ima tačku vrelišta koja je viša od vrelišta čistog rastvarača. Ta pojava povišenja vrelišta koristi se u metodi ebulioskopije i predstavlja jedno od koligativnih svojstava rastvora.^[14]

Tačke ključanja nekih supstanci

helijum -268,93 °C
kiseonik -182,97 °C
butan -0,5 °C
etil alkohol 78,37 °C
voda 100 °C
gvožđe 2750 °C
volfram 5555 °C

Vidi još

Reference

^ Goldberg, David E. (1988). 3,000 Solved Problems in Chemistry (1st izd.). McGraw-Hill. section 17.43, p. 321. ISBN 0-07-023684-4.
^ Theodore, Louis; Dupont, R. Ryan; Ganesan, Kumar, ur. (1999). Pollution Prevention: The Waste Management Approach to the 21st Century. CRC Press. section 27, p. 15. ISBN 1-56670-495-2.
^ „Boiling Point of Water and Altitude”. www.engineeringtoolbox.com.
^ General Chemistry Glossary Purdue University website page
^ Reel, Kevin R.; Fikar, R. M.; Dumas, P. E.; Templin, Jay M. & Van Arnum, Patricia (2006). AP Chemistry (REA) – The Best Test Prep for the Advanced Placement Exam (9th izd.). Research & Education Association. section 71, p. 224. ISBN 0-7386-0221-3.
^ ^a ^b Cox, J. D. (1982). „Notation for states and processes, significance of the word standard in chemical thermodynamics, and remarks on commonly tabulated forms of thermodynamic functions”. Pure and Applied Chemistry. 54 (6): 1239. doi:10.1351/pac198254061239 .
^ Standard Pressure IUPAC defines the "standard pressure" as being 10⁵ Pa (which amounts to 1 bar).
^ Appendix 1: Property Tables and Charts (SI Units), Scroll down to Table A-5 and read the temperature value of 99.61 °C at a pressure of 100 kPa (1 bar). Obtained from McGraw-Hill's Higher Education website.
^ West, J. B. (1999). „Barometric pressures on Mt. Everest: New data and physiological significance”. Journal of Applied Physiology. 86 (3): 1062—6. PMID 10066724. doi:10.1152/jappl.1999.86.3.1062.
^ Isparavanje, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.
^ Vrenje, [2] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.
^ Hlapljenje, [3] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.
^ Velimir Kruz: "Tehnička fizika za tehničke škole", "Školska knjiga" Zagreb, 1969.
^ P. W. Atkins, M. J. Clugston: Načela fizikalne kemije, Školska knjiga, 4.izd, Zagreb, 1996, ISBN 978-953-0-30908-1, str. 93-103

Spoljašnje veze

„Boiling-Point”. The New Student's Reference Work. 1914.

[1] Goldberg, David E. (1988). 3,000 Solved Problems in Chemistry (1st izd.). McGraw-Hill. section 17.43, p. 321. ISBN 0-07-023684-4.

[2] Theodore, Louis; Dupont, R. Ryan; Ganesan, Kumar, ur. (1999). Pollution Prevention: The Waste Management Approach to the 21st Century. CRC Press. section 27, p. 15. ISBN 1-56670-495-2.

[3] „Boiling Point of Water and Altitude”. www.engineeringtoolbox.com.

[4] General Chemistry Glossary Purdue University website page

[5] Reel, Kevin R.; Fikar, R. M.; Dumas, P. E.; Templin, Jay M. & Van Arnum, Patricia (2006). AP Chemistry (REA) – The Best Test Prep for the Advanced Placement Exam (9th izd.). Research & Education Association. section 71, p. 224. ISBN 0-7386-0221-3.

[iupac-6] Cox, J. D. (1982). „Notation for states and processes, significance of the word standard in chemical thermodynamics, and remarks on commonly tabulated forms of thermodynamic functions”. Pure and Applied Chemistry. 54 (6): 1239. doi:10.1351/pac198254061239 .

[7] Standard Pressure IUPAC defines the "standard pressure" as being 10⁵ Pa (which amounts to 1 bar).

[8] Appendix 1: Property Tables and Charts (SI Units), Scroll down to Table A-5 and read the temperature value of 99.61 °C at a pressure of 100 kPa (1 bar). Obtained from McGraw-Hill's Higher Education website.

[9] West, J. B. (1999). „Barometric pressures on Mt. Everest: New data and physiological significance”. Journal of Applied Physiology. 86 (3): 1062—6. PMID 10066724. doi:10.1152/jappl.1999.86.3.1062.

[10] Isparavanje, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.

[11] Vrenje, [2] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.

[12] Hlapljenje, [3] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.

[13] Velimir Kruz: "Tehnička fizika za tehničke škole", "Školska knjiga" Zagreb, 1969.

[14] P. W. Atkins, M. J. Clugston: Načela fizikalne kemije, Školska knjiga, 4.izd, Zagreb, 1996, ISBN 978-953-0-30908-1, str. 93-103

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

Normativna kontrola
Državne	Nemačka
Ostale	Enciklopedija Britanika