Tekanan uap jenuh cairan meningkat tajam dengan meningkatnya suhu. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 12 yang menunjukkan kurva tekanan uap beberapa zat cair dimulai dari titik leleh dan berakhir pada titik kritis.
Beras. 12. Ketergantungan tekanan uap jenuh beberapa cairan pada suhu.
Ketergantungan fungsional tekanan uap jenuh suatu cairan terhadap suhu dapat dinyatakan dengan persamaan (IV, 5), dan jauh dari suhu kritis dengan persamaan (IV, 8).
Mengingat panas penguapan (sublimasi) konstan dalam kisaran suhu yang kecil, kita dapat mengintegrasikan persamaan (IV, 8)
(IV, 9)
Sajikan persamaan (IV, 9) dalam bentuk integral tak tentu, kita mendapatkan:
(IV, 10),
di mana C adalah konstanta integrasi.
Sesuai dengan persamaan ini, ketergantungan tekanan uap jenuh suatu cairan (atau zat kristal) pada suhu dapat dinyatakan dengan garis lurus dalam koordinat (dalam hal ini kemiringan garis lurus tersebut sama dengan ). Ketergantungan ini hanya terjadi pada kisaran suhu tertentu yang jauh dari suhu kritis.
Gambar 13 menunjukkan ketergantungan tekanan uap jenuh beberapa cairan pada koordinat yang ditunjukkan, yang sesuai dengan garis lurus dalam kisaran 0-100°C.
Beras. 13. Ketergantungan logaritma tekanan uap jenuh beberapa cairan pada suhu terbalik.
Namun, persamaan (IV, 10) tidak mencakup ketergantungan tekanan uap jenuh pada suhu pada seluruh rentang suhu - dari titik leleh hingga suhu kritis. Di satu sisi, panas penguapan bergantung pada suhu, dan integrasi harus dilakukan dengan mempertimbangkan ketergantungan ini. Sebaliknya, uap jenuh pada suhu tinggi tidak dapat dipertimbangkan gas ideal, Karena Pada saat yang sama, tekanannya meningkat secara signifikan. Oleh karena itu, persamaannya mencakup ketergantungan P = f(T) pada rentang temperatur yang luas, pasti menjadi empiris.
keadaan superkritis- bentuk keempat dari keadaan agregasi suatu zat yang dapat diubah menjadi banyak zat organik dan non-organik bahan organik.
Keadaan materi superkritis pertama kali ditemukan oleh Cagniard de la Tour pada tahun 1822. Ketertarikan nyata terhadap fenomena baru ini muncul pada tahun 1869 setelah eksperimen T. Andrews. Melakukan percobaan dalam tabung kaca berdinding tebal, ilmuwan mempelajari sifat-sifat CO 2, yang mudah mencair dengan meningkatnya tekanan. Hasilnya, ia menemukan bahwa pada 31°C dan 7,2 MPa, meniskus, batas yang memisahkan cairan dan uap yang berada dalam kesetimbangan dengannya, menghilang, sementara sistem menjadi homogen (homogen) dan seluruh volume tampak seperti cairan opalescent berwarna putih susu. Dengan peningkatan suhu lebih lanjut, ia dengan cepat menjadi transparan dan bergerak, terdiri dari pancaran yang terus mengalir, mengingatkan pada aliran udara hangat di atas permukaan yang panas. Peningkatan suhu dan tekanan lebih lanjut tidak menyebabkan perubahan yang terlihat.
Dia menyebut titik di mana transisi seperti itu terjadi sebagai titik kritis, dan keadaan materi di atas titik ini disebut superkritis. Terlepas dari kenyataan bahwa secara lahiriah keadaan ini menyerupai cairan, istilah khusus sekarang digunakan untuk diterapkan padanya - cairan superkritis (dari kata bahasa Inggris cairan, yaitu, “mampu mengalir”). DI DALAM sastra modern Sebutan singkat untuk fluida superkritis adalah SCF.
Letak garis-garis yang membatasi daerah wujud gas, cair dan padat, serta kedudukannya titik tripel, tempat ketiga wilayah bertemu, bersifat individual untuk setiap zat. Daerah superkritis dimulai dari titik kritis (ditunjukkan dengan tanda bintang), yang tentunya dicirikan oleh dua parameter - suhu ( T kr.) dan tekanan ( R kr.). Mengurangi suhu atau tekanan di bawah nilai-nilai kritis menghilangkan suatu zat dari keadaan superkritis.
Adanya titik kritis memungkinkan untuk memahami mengapa beberapa gas, seperti hidrogen, nitrogen, dan oksigen untuk waktu yang lama tidak dapat diperoleh dalam bentuk cair dengan meningkatnya tekanan, oleh karena itu disebut gas permanen (dari bahasa Latin permanenis- "konstan"). Diagram di atas menunjukkan wilayah keberadaan itu fase cair terletak di sebelah kiri garis suhu kritis. Jadi, untuk mencairkan gas apa pun, gas tersebut harus didinginkan terlebih dahulu hingga di bawah suhu kritis. CO 2 mempunyai suhu kritis di atas suhu kamar, sehingga dapat dicairkan pada suhu tersebut kondisi yang ditentukan, meningkatkan tekanan. Nitrogen memiliki suhu kritis yang jauh lebih rendah: –239,9° C, oleh karena itu, jika Anda mengompres nitrogen pada kondisi normal, seseorang pada akhirnya dapat mencapai wilayah superkritis, tapi nitrogen cair Namun, hal itu tidak dapat dibentuk. Nitrogen perlu didinginkan terlebih dahulu di bawah suhu kritis dan kemudian, dengan meningkatkan tekanan, mencapai wilayah di mana keberadaan cairan dimungkinkan. Situasi serupa terjadi pada hidrogen dan oksigen (suhu kritis masing-masing adalah –118,4° C dan –147° C), sehingga sebelum pencairan, keduanya didinginkan hingga suhu di bawah suhu kritis, dan baru kemudian tekanan ditingkatkan. Keadaan superkritis mungkin terjadi pada sebagian besar zat, hanya saja zat tersebut tidak perlu terurai ketika suhu kritis. Dibandingkan dengan zat-zat ini, titik kritis untuk air tercapai dengan dengan susah payah: t kr= 374,2° C dan R kr = 21,4 MPa.
Titik kritis diakui sebagai hal yang penting parameter fisik suatu zat sama dengan titik leleh atau titik didihnya. Kepadatan SCF sangat rendah; misalnya, air dalam keadaan SCF memiliki kepadatan tiga kali lebih rendah dibandingkan dalam kondisi normal. Semua SCF memiliki viskositas yang sangat rendah.
Fluida superkritis adalah persilangan antara cairan dan gas. Mereka dapat dikompresi seperti gas (cairan biasa praktis tidak dapat dimampatkan) dan, pada saat yang sama, mampu melarutkan banyak zat dalam wujud padat dan cair, yang tidak biasa terjadi pada gas. Etanol superkritis (pada suhu di atas 234°C) sangat mudah melarutkan sebagian garam anorganik(CoCl 2, KBr, KI). Karbon dioksida, dinitrogen oksida, etilen, dan beberapa gas lain dalam keadaan SCF memperoleh kemampuan untuk melarutkan banyak zat organik - asam stearat, parafin, naftalena. Sifat-sifat CO 2 superkritis sebagai pelarut dapat disesuaikan - dengan meningkatnya tekanan, kemampuan melarutkannya meningkat tajam.
Fluida superkritis baru digunakan secara luas pada tahun 1980an, ketika tingkat umum Perkembangan industri telah membuat instalasi untuk memperoleh SCF tersedia secara luas. Sejak saat itu, pengembangan intensif teknologi superkritis dimulai. SCF tidak hanya merupakan pelarut yang baik, tetapi juga zat dengan koefisien difusi yang tinggi, yaitu mereka dengan mudah menembus lapisan dalam berbagai padatan dan bahan. Yang paling banyak digunakan adalah CO 2 superkritis, yang ternyata merupakan pelarut jangkauan luas senyawa organik. Karbon dioksida telah menjadi pemimpin dalam dunia teknologi superkritis karena... memiliki berbagai macam keunggulan. Sangat mudah untuk memindahkannya ke keadaan superkritis ( t kr– 31°C, R kr – 73,8 ATM.), selain itu tidak beracun, tidak mudah terbakar, tidak mudah meledak, terlebih lagi murah dan tersedia. Dari sudut pandang teknolog mana pun, ini adalah komponen ideal dari proses apa pun. Apa yang membuatnya sangat menarik adalah dia memang begitu bagian integral udara atmosfer dan karena itu tidak mencemari lingkungan. CO 2 superkritis dapat dianggap sebagai pelarut yang ramah lingkungan.
Sekarang dua arah mandiri penggunaan fluida superkritis. Kedua arah ini berbeda tujuan akhir apa yang dicapai dengan cairan superkritis ini. Dalam kasus pertama, SCF digunakan untuk mengekstraksi zat-zat yang diperlukan berbagai bahan, produk atau limbah produksi. Dan ada kepentingan ekonomi yang besar dalam hal ini. Dalam kasus kedua, SCF digunakan secara langsung untuk mengimplementasikan sesuatu yang berharga, seringkali baru transformasi kimia. Perlu ditekankan bahwa keunggulan SCF sebagai ekstraktan terutama disebabkan oleh fakta bahwa mereka mampu melarutkan senyawa non-polar dengan sangat efektif, termasuk padatan. Keuntungan utama ini ditingkatkan secara tajam oleh kemampuan difusi SCF yang tinggi yang telah kami sebutkan dan viskositasnya yang sangat rendah. Kedua fitur terakhir ini menghasilkan tingkat ekstraksi menjadi sangat tinggi. Mari kita berikan beberapa contoh saja.
Jadi, penghilangan minyak pelumas dilakukan dengan menggunakan propana superkritis. Minyak mentah larut dalam propana superkritis pada tekanan yang jauh lebih tinggi dari R kr. Dalam hal ini, semuanya masuk ke dalam larutan kecuali fraksi aspal berat. Karena perbedaan viskositas yang besar antara larutan superkritis dan fraksi aspal, pemisahan mekanis menjadi sangat mudah. Solusi superkritis kemudian memasuki tangki ekspansi, di mana tekanan secara bertahap menurun, tetapi tetap lebih tinggi R kr hingga wadah terakhir. Dalam wadah ini, fraksi pengotor minyak yang semakin ringan secara konsisten dilepaskan dari larutan karena penurunan kelarutannya seiring dengan penurunan tekanan. Pemisahan fase dalam masing-masing wadah ini sekali lagi sangat mudah karena perbedaan viskositasnya yang tajam. Tekanan pada wadah terakhir lebih rendah R kr, propana menguap, menghasilkan pelepasan minyak yang dimurnikan dari kotoran yang tidak diinginkan.
Kafein adalah obat yang digunakan untuk meningkatkan kinerja. sistem kardiovaskular, diperoleh dari biji kopi meski tanpa penggilingan awal. Ekstraksi lengkap dicapai karena kemampuan penetrasi SCF yang tinggi. Biji-bijian ditempatkan dalam autoklaf - wadah yang tahan tekanan darah tinggi, kemudian gas CO 2 disuplai ke dalamnya, kemudian tekanan yang diperlukan dibuat (>73 ATM.), akibatnya CO 2 menjadi superkritis. Semua isinya dicampur, setelah itu cairan beserta kafein terlarut dituangkan ke dalam wadah terbuka. Karbon dioksida ditemukan dalam kondisi tekanan atmosfer, berubah menjadi gas dan terbang ke atmosfer, dan kafein yang diekstraksi tetap berada dalam wadah terbuka dalam bentuk murni.
Saat ini besar signifikansi praktis memiliki kelarutan H 2 yang tinggi dalam cairan superkritis karena proses hidrogenasi yang menguntungkan sangat umum terjadi. Misalnya saja dikembangkan proses yang efisien hidrogenasi katalitik CO 2 dalam keadaan superkritis, mengarah pada pembentukan asam format. Prosesnya sangat cepat dan bersih.
Karena besarnya tekanan uap jenuh bergantung pada suhu udara, maka ketika suhu naik, udara dapat menyerap lebih banyak uap air, dan tekanan saturasi meningkat. Peningkatan tekanan saturasi tidak terjadi secara linier, melainkan sepanjang kurva miring. Fakta ini sangat penting untuk fisika konstruksi sehingga tidak boleh diabaikan. Misalnya pada suhu 0 °C (273,16 K), tekanan uap jenuh ps adalah 610,5 Pa (Pascal), pada +10 °C (283,16 K) ternyata sama dengan 1228,1 Pa, pada +20 ° C (293,16 K) 2337,1 Pa, dan pada +30 °C (303,16 K) sama dengan 4241,0 Pa. Akibatnya, dengan peningkatan suhu sebesar 10 °C (10 K), tekanan uap jenuhnya akan berlipat ganda.
Ketergantungan tekanan parsial uap air pada perubahan suhu ditunjukkan pada Gambar. 3.
KELEMBABAN UDARA MUTLAK f
Kepadatan uap air, mis. kandungannya di udara disebut kelembaban udara absolut dan diukur dalam g/m.
Massa jenis maksimum uap air yang mungkin terjadi pada suhu udara tertentu disebut massa jenis uap jenuh, yang pada gilirannya menciptakan tekanan saturasi. Kepadatan fsat uap jenuh dan tekanannya psas meningkat seiring dengan meningkatnya suhu udara. Kenaikannya juga bersifat lengkung, namun lintasan kurva ini tidak setajam lintasan kurva pnas. Kedua kurva tersebut bergantung pada nilai 273.16/Tfact[K]. Oleh karena itu, jika rasio rnac/fus diketahui, keduanya dapat diperiksa satu sama lain.
Kelembapan mutlak udara dalam ruang tertutup kedap udara tidak bergantung pada suhu
suhu sampai kepadatan uap jenuh tercapai. Ketergantungan kelembaban udara absolut pada suhunya ditunjukkan pada Gambar. 4.
KELEMBABAN RELATIF
Perbandingan massa jenis uap air sebenarnya dengan massa jenis uap jenuh atau perbandingan kelembaban udara absolut terhadap kelembaban udara maksimum pada suhu tertentu disebut kelembaban udara relatif. Hal ini dinyatakan dalam persentase.
Saat suhu kedap udara ruang terbatas kelembaban relatif udara akan meningkat hingga nilai ϕ menjadi sama dengan 100% dan dengan demikian kepadatan uap jenuh akan tercapai. Selama pendinginan lebih lanjut, jumlah uap air berlebih mengembun.
Ketika suhu ruangan tertutup meningkat, kelembaban relatif udara menurun. Beras. Gambar 5 menggambarkan ketergantungan kelembaban relatif udara terhadap suhu. Kelembaban udara relatif diukur menggunakan hygroemter atau psychrometer. Psikrometer aspirasi Assmann yang sangat andal mengukur perbedaan suhu antara dua termometer yang tepat, salah satunya dibungkus dengan kain kasa lembab. Pendinginan akibat penguapan air semakin besar, semakin kering udara di sekitarnya. Dari perbandingan perbedaan suhu dengan suhu udara sebenarnya, kelembaban relatif udara sekitar dapat ditentukan.
Alih-alih higrometer rambut tipis, yang kadang-kadang digunakan dalam situasi kelembaban tinggi, digunakan probe pengukur litium klorida. Dia menyebalkan
Itu terbuat dari selongsong logam dengan cangkang fiberglass, gulungan kawat pemanas terpisah dan termometer resistansi. Cangkang kain diisi dengan larutan litium klorida berair dan berada di bawah pengaruh tegangan bolak-balik antara kedua belitan. Air menguap, garam mengkristal dan resistensi meningkat secara signifikan. Hasilnya, kandungan uap air di udara sekitar dan daya pemanas menjadi seimbang. Berdasarkan perbedaan suhu antara udara sekitar dan termometer internal, kelembaban relatif udara ditentukan dengan menggunakan rangkaian pengukuran khusus.
Probe pengukur bereaksi terhadap pengaruh kelembaban udara pada serat higroskopis, yang dibuat sedemikian rupa sehingga arus yang cukup mengalir di antara kedua elektroda. Yang terakhir ini meningkat seiring dengan meningkatnya kelembaban relatif, sampai batas tertentu bergantung pada suhu udara.
Probe pengukur kapasitansi adalah kapasitor dengan pelat berlubang yang dilengkapi dengan dielektrik higroskopis, yang kapasitansinya berubah seiring dengan perubahan kelembaban relatif, serta suhu udara sekitar. Probe pengukur dapat digunakan sebagai bagian integral dari apa yang disebut elemen RC dari rangkaian multivibartor. Dalam hal ini, kelembapan udara diubah ke frekuensi tertentu yang dapat bernilai tinggi. Dengan cara ini, perangkat mencapai sensitivitas yang sangat tinggi, yang memungkinkannya merekam perubahan kelembapan yang minimal.
TEKANAN SEBAGIAN UAP AIR p
Berbeda dengan tekanan uap jenuh рсас yang menyatakan tekanan parsial maksimum uap air di udara pada suhu tertentu, konsep tekanan parsial uap air р berarti tekanan uap yang berada dalam keadaan tak jenuh, oleh karena itu di setiap dalam hal ini tekanan harus kurang dari rnas.
Dengan meningkatnya kandungan uap air di udara kering, nilai p mendekati nilai psa. Pada saat yang sama, tekanan atmosfer Ptot tetap konstan. Karena tekanan parsial uap air p hanya sebagian dari tekanan total seluruh komponen campuran, maka nilainya tidak dapat ditentukan dengan pengukuran langsung. Sebaliknya, tekanan uap dapat ditentukan jika ruang hampa dibuat terlebih dahulu di dalam bejana dan kemudian air dimasukkan ke dalamnya. Besarnya kenaikan tekanan akibat penguapan sesuai dengan nilai psa, yang berhubungan dengan suhu ruangan yang jenuh dengan uap.
Mengingat ps yang diketahui, p dapat diukur secara tidak langsung sebagai berikut. Bejana tersebut berisi campuran udara dan uap air yang komposisi awalnya tidak diketahui. Tekanan di dalam bejana Ptotal = pв + p, mis. tekanan atmosfer dari udara disekitarnya. Jika sekarang Anda mengunci bejana dan memasukkan sejumlah air ke dalamnya, tekanan di dalam bejana akan meningkat. Setelah uap air jenuh menjadi pv + rns. Perbedaan tekanan rnac - p, yang ditentukan dengan menggunakan mikrometer, dikurangi dari nilai tekanan uap jenuh yang sudah diketahui, yang sesuai dengan suhu di dalam bejana. Hasilnya akan sesuai dengan tekanan parsial p dari wadah aslinya, yaitu. udara sekitar.
Lebih mudah untuk menghitung tekanan parsial p menggunakan data dari tabel tekanan uap jenuh pnas untuk tingkat suhu tertentu. Nilai rasio p/рsat sesuai dengan nilai rasio massa jenis uap air f terhadap massa jenis uap jenuh fsat, yang sama dengan nilai kelembaban relatif
kualitas udara Jadi, kita memperoleh persamaannya
tidak p =rnas.
Akibatnya, dengan diketahui suhu udara dan tekanan saturasi psat, nilai tekanan parsial p dapat ditentukan dengan cepat dan jelas. Misalnya, kelembaban relatif 60% dan suhu udara 10°C. Kemudian, karena pada suhu ini tekanan uap jenuh psat = 1228,1 Pa, maka tekanan parsial p akan sama dengan 736,9 Pa (Gambar 6).
TITIK EMBUN UAP AIR t
Uap air yang terkandung di udara biasanya berada dalam keadaan tak jenuh sehingga mempunyai tekanan parsial tertentu dan kelembaban relatif udara tertentu.<р < 100%.
Jika udara bersentuhan langsung dengan bahan padat yang suhu permukaannya lebih rendah dari suhunya, maka dengan perbedaan suhu yang sesuai, udara di lapisan batas menjadi dingin dan kelembaban relatifnya meningkat hingga nilainya mencapai 100%, yaitu. kepadatan uap jenuh. Bahkan dengan sedikit pendinginan lebih lanjut, uap air mulai mengembun di permukaan bahan padat. Hal ini akan terjadi sampai keadaan keseimbangan baru antara suhu permukaan material dan kepadatan uap jenuh tercapai. Karena kepadatannya yang tinggi, udara dingin tenggelam dan udara hangat naik. Jumlah kondensat akan bertambah hingga tercapai keseimbangan dan proses kondensasi terhenti.
Proses kondensasi dikaitkan dengan pelepasan panas, yang besarnya sesuai dengan suhu penguapan air. Hal ini menyebabkan peningkatan suhu permukaan padatan.
Titik embun t adalah suhu permukaan, di dekatnya kerapatan uap menjadi sama dengan kerapatan uap jenuh, yaitu. kelembaban udara relatif mencapai 100%. Kondensasi uap air dimulai segera setelah suhunya turun di bawah titik embun.
Jika suhu udara hv dan kelembaban relatif diketahui, persamaan p(vv) = psat(t) = psat dapat dibuat. Untuk menghitung nilai pH yang dibutuhkan, gunakan tabel tekanan uap jenuh.
Mari kita perhatikan contoh perhitungan seperti itu (Gbr. 7). Suhu udara hv = 10°C, kelembaban relatif udara = 60%, psat (+10 °C) = 1228.1 P rsas (t) = = 0 6 x 1228.1 Pa = 736.9 Pa, titik embun = + 2.6°C (tabel) .
Titik embun dapat ditentukan secara grafis menggunakan kurva tekanan saturasi. Titik embun hanya dapat dihitung jika, selain suhu udara, kelembapan relatifnya juga diketahui. Selain menghitung, Anda bisa menggunakan pengukuran. Jika Anda perlahan-lahan mendinginkan permukaan pelat (atau membran) yang dipoles yang terbuat dari bahan penghantar panas, hingga kondensasi mulai terbentuk di atasnya, lalu mengukur suhu permukaan tersebut, Anda dapat langsung mengetahui titik embun di sekitarnya. udara. Penerapan Metode ini tidak memerlukan pengetahuan tentang kelembapan relatif udara, meskipun Anda juga dapat menghitung nilainya dari suhu udara dan titik embun.
Pengoperasian higrometer untuk menentukan titik embun Daniel dan Reinolt, yang dikembangkan pada paruh pertama abad ke-19, didasarkan pada prinsip ini. Baru-baru ini, berkat penggunaan elektronik, telah ditingkatkan sehingga memungkinkan untuk menentukan titik embun dengan akurasi yang sangat tinggi. Dengan demikian, higrometer normal dapat dikalibrasi dan dipantau menggunakan higrometer yang dirancang untuk menentukan titik embun.
Sejauh ini kita telah membahas fenomena penguapan dan kondensasi pada suhu konstan. Sekarang mari kita lihat pengaruh suhu. Sangat mudah untuk melihat bahwa pengaruh suhu sangat kuat. Pada hari yang panas atau di dekat kompor, segala sesuatunya mengering lebih cepat daripada saat cuaca dingin. Artinya, penguapan cairan hangat lebih intensif dibandingkan penguapan cairan dingin. Ini mudah untuk dijelaskan. Dalam cairan hangat, lebih banyak molekul yang memiliki kecepatan cukup untuk mengatasi gaya kohesif dan melepaskan diri dari cairan. Oleh karena itu, seiring dengan meningkatnya suhu, seiring dengan peningkatan laju penguapan cairan, tekanan uap jenuhnya juga meningkat.
Peningkatan tekanan uap dapat dengan mudah dideteksi menggunakan alat yang dijelaskan dalam § 291. Mari kita turunkan labu berisi eter ke dalam air hangat. Kita akan melihat bahwa pengukur tekanan akan menunjukkan peningkatan tekanan yang tajam. Setelah menurunkan labu yang sama ke dalam air dingin, atau lebih baik lagi, ke dalam campuran salju dan garam (§ 275), sebaliknya kita akan melihat penurunan tekanan.
Jadi, tekanan uap jenuh sangat bergantung pada suhu. Dalam tabel Gambar 18 menunjukkan tekanan uap jenuh air dan merkuri pada temperatur yang berbeda. Mari kita perhatikan tekanan uap merkuri yang dapat diabaikan pada suhu kamar. Ingatlah bahwa ketika membaca barometer, tekanan ini diabaikan.
Tabel 18. Tekanan uap jenuh air dan merkuri pada berbagai temperatur (dalam mmHg)
|
Suhu, |
Suhu, |
||||
Dari grafik ketergantungan tekanan uap jenuh air terhadap suhu (Gbr. 481) jelas bahwa kenaikan tekanan yang berhubungan dengan peningkatan suhu sebesar , meningkat seiring dengan suhu. Ini adalah perbedaan antara uap jenuh dan gas, yang tekanannya, ketika dipanaskan, meningkat secara merata pada suhu rendah dan tinggi (sebesar 1/273 tekanan pada ). Perbedaan ini akan cukup dimengerti jika kita ingat bahwa ketika gas dipanaskan pada volume konstan, hanya kecepatan molekulnya yang berubah. Ketika sistem uap-cair dipanaskan, seperti yang telah kami tunjukkan, tidak hanya kecepatan molekul yang berubah, tetapi juga jumlah molekul per satuan volume, yaitu pada suhu yang lebih tinggi kita memiliki uap dengan kepadatan yang lebih tinggi.
Gambar 481. Ketergantungan tekanan uap jenuh air
293.1. Mengapa termometer gas (§ 235) memberikan pembacaan yang benar hanya ketika gas benar-benar kering?
293.2. Misalkan di dalam bejana tertutup, selain cairan dan uap, juga terdapat udara. Bagaimana hal ini mempengaruhi perubahan tekanan dengan meningkatnya suhu?
293.3. Perubahan tekanan uap dalam bejana tertutup dengan meningkatnya suhu digambarkan oleh grafik pada Gambar. 482. Kesimpulan apa yang dapat ditarik mengenai proses penguapan di dalam bejana?
Beras. 482. Untuk latihan 293.3
Teori kinetika molekuler memungkinkan kita tidak hanya memahami mengapa suatu zat dapat berwujud gas, cair, dan padat, tetapi juga menjelaskan proses peralihan suatu zat dari satu wujud ke wujud lainnya.
Penguapan dan kondensasi. Jumlah air atau cairan lain dalam wadah terbuka berkurang secara bertahap. Terjadi penguapan zat cair yang mekanismenya telah dijelaskan pada mata kuliah fisika kelas VII. Selama gerak kacau, beberapa molekul memperoleh begitu banyak energi kinetik sehingga mereka meninggalkan cairan, mengatasi gaya tarik menarik molekul lain.
Bersamaan dengan penguapan, proses sebaliknya terjadi - transisi sebagian molekul uap yang bergerak secara kacau menjadi cairan. Proses ini disebut kondensasi. Jika bejana terbuka, molekul-molekul yang meninggalkan cairan tidak dapat kembali ke dalam
cairan. Dalam kasus ini, penguapan tidak diimbangi dengan kondensasi dan jumlah cairan berkurang. Ketika aliran udara di atas bejana membawa uap yang dihasilkan, cairan menguap lebih cepat, karena peluang molekul uap untuk kembali ke cairan lebih kecil.
Uap jenuh. Jika bejana berisi cairan tertutup rapat, kehilangannya akan segera berhenti. Pada suhu konstan, sistem uap-cair akan mencapai keadaan kesetimbangan termal dan akan tetap berada di dalamnya selama yang diinginkan.
Pada saat pertama, setelah zat cair dituangkan ke dalam bejana dan ditutup, zat tersebut akan menguap dan massa jenis uap di atas zat cair akan bertambah. Namun, pada saat yang sama, jumlah molekul yang kembali ke cairan akan meningkat. Semakin tinggi kepadatan uap, semakin banyak molekul uap yang kembali ke cairan. Akibatnya, dalam bejana tertutup pada suhu konstan, keseimbangan dinamis (bergerak) antara cairan dan uap pada akhirnya akan terbentuk. Jumlah molekul yang meninggalkan permukaan cairan akan sama dengan jumlah molekul uap yang kembali ke cairan dalam waktu yang sama. Kondensasi terjadi bersamaan dengan proses evaporasi, dan kedua proses tersebut rata-rata saling mengimbangi.
Uap yang berada dalam kesetimbangan dinamis dengan cairannya disebut uap jenuh. Nama ini menekankan bahwa jumlah uap yang lebih besar tidak dapat hadir dalam volume tertentu pada suhu tertentu.
Jika udara dari bejana berisi cairan dipompa keluar terlebih dahulu, maka hanya uap jenuh yang akan berada di atas permukaan cairan.
Tekanan uap jenuh. Apa yang akan terjadi pada uap jenuh jika volume yang ditempatinya diperkecil, misalnya dengan mengompresi uap hingga mencapai kesetimbangan dengan cairan dalam silinder di bawah piston, menjaga suhu isi silinder tetap konstan?
Ketika uap dikompresi, kesetimbangan akan mulai terganggu. Pada awalnya, kepadatan uap sedikit meningkat, dan lebih banyak molekul mulai berpindah dari gas ke cairan daripada dari cairan ke gas. Hal ini berlanjut sampai kesetimbangan dan kepadatan tercapai kembali, dan oleh karena itu konsentrasi molekul mengambil nilai sebelumnya. Oleh karena itu, konsentrasi molekul uap jenuh tidak bergantung pada volume pada suhu konstan.
Karena tekanan sebanding dengan konsentrasi sesuai dengan rumus, dari independensi konsentrasi (atau massa jenis) uap jenuh terhadap volume, maka tekanan uap jenuh tidak bergantung pada volume yang ditempatinya.
Tekanan uap yang tidak bergantung pada volume pada saat zat cair berada dalam kesetimbangan dengan uapnya disebut tekanan uap jenuh.
Saat uap jenuh dikompresi, semakin banyak uap jenuh yang berubah menjadi cair. Cairan dengan massa tertentu menempati volume lebih kecil dibandingkan uap dengan massa yang sama. Akibatnya, volume uap, meskipun massa jenisnya tidak berubah, berkurang.
Kami telah menggunakan kata "gas" dan "uap" berkali-kali. Tidak ada perbedaan mendasar antara gas dan uap, dan kata-kata ini umumnya setara. Namun kita terbiasa dengan kisaran suhu lingkungan tertentu yang relatif kecil. Kata “gas” biasanya digunakan untuk zat yang tekanan uap jenuhnya pada suhu biasa lebih tinggi daripada tekanan atmosfer (misalnya karbon dioksida). Sebaliknya, kita berbicara tentang uap ketika, pada suhu kamar, tekanan uap jenuhnya lebih kecil dari tekanan atmosfer dan zat lebih stabil dalam keadaan cair (misalnya, uap air).
Kemandirian tekanan uap jenuh terhadap volume telah dibuktikan dalam berbagai percobaan kompresi isotermal uap dalam kesetimbangan dengan cairannya. Biarkan suatu zat dalam volume besar berada dalam keadaan gas. Saat kompresi isotermal berlangsung, densitas dan tekanannya meningkat (bagian isoterm AB pada Gambar 51). Ketika tekanan tercapai, kondensasi uap dimulai. Selanjutnya ketika steam jenuh dikompresi, tekanannya tidak berubah sampai seluruh steam berubah menjadi cair (garis lurus BC pada Gambar 51). Setelah itu, tekanan selama kompresi mulai meningkat tajam (segmen kurva karena cairan sedikit dapat dikompresi.
Kurva yang ditunjukkan pada Gambar 51 disebut isoterm gas nyata.
Minyak dan produk minyak bumi dicirikan oleh tekanan uap jenuh tertentu, atau tekanan uap minyak. Tekanan uap jenuh adalah indikator standar untuk bensin penerbangan dan mobil, yang secara tidak langsung mencirikan volatilitas bahan bakar, kualitas awalnya, dan kecenderungan pembentukan kunci uap dalam sistem tenaga mesin.
Untuk cairan dengan komposisi heterogen, seperti bensin, tekanan uap jenuh pada suhu tertentu merupakan fungsi kompleks dari komposisi bensin dan bergantung pada volume ruang di mana fase uap berada. Oleh karena itu, untuk memperoleh hasil yang sebanding, penentuan praktis harus dilakukan pada suhu standar dan rasio fase uap dan cair yang konstan. Dengan mempertimbangkan hal di atas tekanan uap jenuh bahan bakar adalah tekanan fasa uap bahan bakar yang berada dalam kesetimbangan dinamis dengan fasa cair, diukur pada suhu standar dan perbandingan volume fasa uap dan cair tertentu. Suhu dimana tekanan uap jenuhnya menjadi sama dengan tekanan dalam sistem disebut titik didih suatu zat. Tekanan uap jenuh meningkat tajam dengan meningkatnya suhu. Pada suhu yang sama, tekanan uap jenuh yang lebih tinggi merupakan karakteristik produk minyak bumi yang lebih ringan.
Saat ini terdapat beberapa cara untuk menentukan DNP suatu zat, yang dapat dibagi menjadi beberapa kelompok berikut:
- Metode statis.
- Metode dinamis.
- Metode saturasi gas bergerak.
- Metode untuk mempelajari isoterm.
- Metode efusi Knudsen.
- Metode kromatografi.
Metode statis
Metode statis adalah yang paling umum, karena dapat diterima saat mengukur DNP zat dalam rentang suhu dan tekanan yang luas.
Inti dari metode ini adalah mengukur tekanan uap yang berada dalam kesetimbangan dengan cairannya pada suhu tertentu. Tekanan dapat diukur baik dengan pengukur tekanan (pegas, air raksa, bobot mati, air), atau menggunakan sensor khusus (pengukur regangan, listrik, dll.) yang memungkinkan konversi menjadi tekanan, atau dengan perhitungan, ketika jumlah suatu zat dalam jumlah tertentu volumenya diketahui. Metode yang paling banyak digunakan adalah dengan menggunakan berbagai pengukur tekanan, yang disebut metode statis langsung. Dalam hal ini, zat yang diteliti dituangkan ke dalam piezometer (atau wadah apa pun), ditempatkan dalam termostat yang memungkinkannya mempertahankan suhu tertentu, dan DNP diukur menggunakan pengukur tekanan. Selain itu, penyambungan pengukur tekanan dapat dilakukan baik dalam fasa cair maupun fasa gas. Saat menghubungkan pengukur tekanan untuk fase cair, koreksi untuk kolom cairan hidrostatik diperhitungkan.
Penyambungan alat ukur biasanya dilakukan melalui separator yang digunakan sebagai katup merkuri, membran, bellow, dll. Berdasarkan metode statis langsung, sejumlah instalasi eksperimental telah dibuat untuk mempelajari DNP produk minyak bumi. Dalam penyulingan minyak, karena kesederhanaannya, standarnya
Metode bom Reid
(GOST 1756-2000). Bom tersebut terdiri dari dua ruang: bahan bakar 1 dan udara 2 dengan perbandingan volume masing-masing 1:4, dihubungkan dengan benang. Tekanan yang dihasilkan oleh uap bahan bakar uji dicatat oleh pengukur tekanan 3 yang dipasang di bagian atas ruang udara.
Pengujian dilakukan pada suhu 38,8°C dan tekanan 0,1 MPa, yang disediakan oleh bak termostat khusus.
Pilihan yang lebih akurat untuk mengukur DNP menggunakan metode statis adalah metode Sorrel-NATI. Dengan menggunakan metode ini, dimungkinkan untuk menentukan nilai absolut tekanan uap jenuh bahkan pada suhu negatif. Keuntungan dari metode ini adalah kemampuan untuk mengukur DNP pada rasio fase cair dan uap yang berbeda, serta ada tidaknya udara dan gas yang terlarut dalam suatu zat. Kekurangannya antara lain kompleksitas, penerapan hanya di laboratorium khusus dan kesalahan pengukuran DNP yang relatif besar (hingga 5%).
Kesenjangan antara data yang diperoleh dengan menggunakan bom Reid dan metode NATI adalah 10-20%.
Metode dinamis
Metode dinamis didasarkan pada pengukuran titik didih suatu cairan pada tekanan tertentu. Instalasi eksperimental yang ada berdasarkan metode dinamis menggunakan ebulliometer dalam desainnya. Ini adalah perangkat yang didasarkan pada prinsip mengairi termometer dengan campuran uap-cair. Metode dinamis dikembangkan untuk mempelajari DNP zat murni, yang titik didihnya merupakan nilai tetap, dan tidak digunakan untuk mengukur tekanan produk minyak bumi jenuh, yang titik didihnya berubah seiring dengan mendidihnya komponen. Diketahui bahwa posisi perantara antara zat murni dan campuran ditempati oleh fraksi minyak dengan titik didih rendah. Kisaran pengukuran tekanan dengan metode dinamis biasanya kecil - hingga 0,15-0,2 MPa. Oleh karena itu, upaya baru-baru ini telah dilakukan untuk menerapkan metode dinamis untuk mempelajari DNP fraksi minyak sempit.
Metode saturasi gas bergerak
Metode saturasi gas bergerak digunakan ketika DNP suatu zat tidak melebihi beberapa mmHg. Kerugian dari metode ini adalah kesalahan data eksperimen yang relatif besar dan kebutuhan untuk mengetahui berat molekul zat yang diteliti. Inti dari metode ini adalah sebagai berikut: gas inert dilewatkan melalui cairan dan dijenuhkan dengan uap cairan tersebut, setelah itu memasuki lemari es, tempat uap yang diserap mengembun. Mengetahui jumlah gas dan cairan yang diserap, serta berat molekulnya, adalah mungkin untuk menghitung tekanan uap jenuh cairan tersebut.
Metode untuk mempelajari isoterm
Metode untuk mempelajari isoterm memberikan hasil paling akurat dibandingkan metode lain, terutama pada suhu tinggi. Metode ini terdiri dari mempelajari hubungan antara tekanan dan volume uap jenuh pada suhu konstan. Pada titik jenuh, isoterm harus memiliki kekusutan, berubah menjadi garis lurus. Metode ini diyakini cocok untuk mengukur DNP zat murni dan tidak cocok untuk zat multikomponen yang titik didihnya tidak pasti. Oleh karena itu, pengukuran DNP produk minyak bumi belum tersebar luas.
Metode efusi Knudsen
Metode efusi Knudsen terutama berlaku untuk mengukur tekanan yang sangat rendah (hingga 100 Pa). Metode ini memungkinkan untuk mengetahui laju efusi uap dari jumlah kondensat pada kondisi kondensasi sempurna zat efusi. Instalasi berdasarkan metode ini memiliki kelemahan sebagai berikut: merupakan instalasi pengukuran tunggal dan memerlukan depresurisasi setelah setiap pengukuran, yang, dengan adanya zat yang mudah teroksidasi dan tidak stabil, sering kali menyebabkan transformasi kimiawi zat uji dan distorsi hasil pengukuran. . Pengaturan eksperimental telah dibuat tanpa kekurangan ini, namun kompleksitas desain memungkinkannya untuk digunakan hanya di laboratorium yang dilengkapi peralatan khusus. Metode ini terutama digunakan untuk mengukur DNP padatan.
Metode efusi Knudsen
Metode penentuan kromatografi Zat DNP mulai dikembangkan relatif baru-baru ini. Dalam metode ini, penentuan DNP produk minyak bumi didasarkan pada analisis kromatografi lengkap cairan dan perhitungan jumlah tekanan parsial seluruh komponen campuran. Metode untuk menentukan DRP masing-masing hidrokarbon dan fraksi produk minyak bumi didasarkan pada gagasan yang dikembangkan oleh penulis tentang indeks retensi fisikokimia dan konsep spesifisitas fase. Untuk tujuan ini, diperlukan kolom kromatografi kapiler dengan kapasitas pemisahan yang tinggi, atau data literatur tentang indeks retensi senyawa yang diteliti.
Namun, ketika menganalisis campuran kompleks hidrokarbon seperti produk minyak bumi, kesulitan muncul tidak hanya dalam memisahkan hidrokarbon yang termasuk dalam kelas berbeda, tetapi juga dalam mengidentifikasi masing-masing komponen campuran tersebut.
Konversi tekanan uap jenuh
Dalam perhitungan teknologi, seringkali perlu untuk mengubah suhu dari satu tekanan ke tekanan lainnya atau tekanan ketika suhu berubah. Ada banyak rumus untuk ini. Rumus Ashworth yang paling banyak digunakan:
Rumus Ashworth yang disempurnakan oleh V.P. Antonchenkov memiliki bentuk:
Untuk menghitung ulang suhu dan tekanan, juga mudah menggunakan metode grafis.
Plot yang paling umum adalah plot Cox, yang dibuat sebagai berikut. Sumbu absis adalah skala logaritma yang di dalamnya nilai logaritma tekanan ( lgP), namun, untuk kemudahan penggunaan, nilai yang sesuai ditandai pada skala R. Nilai suhu diplot pada sumbu ordinat. Sebuah garis lurus ditarik dengan sudut 30° terhadap sumbu absis, ditandai dengan indeks “ N 2 0", yang mencirikan ketergantungan tekanan uap air jenuh pada suhu. N 2 0 Saat membuat grafik dari sejumlah titik pada sumbu x, garis tegak lurus dikembalikan hingga berpotongan dengan garis
dan titik-titik yang dihasilkan dipindahkan ke sumbu ordinat. Pada sumbu ordinat, skala diperoleh berdasarkan suhu didih air yang sesuai dengan perbedaan tekanan uap jenuhnya. Kemudian, untuk beberapa hidrokarbon yang telah dipelajari dengan baik, diambil serangkaian titik dengan titik didih yang telah diketahui sebelumnya dan nilai tekanan uap yang sesuai.
Ternyata untuk alkana berstruktur normal, grafik yang dibuat menggunakan koordinat tersebut berupa garis lurus yang semuanya bertemu pada satu titik (kutub). Di masa depan, cukup mengambil titik mana pun dengan koordinat suhu - tekanan uap jenuh suatu hidrokarbon dan menghubungkannya ke kutub untuk mendapatkan ketergantungan tekanan uap jenuh pada suhu hidrokarbon ini.
Terlepas dari kenyataan bahwa grafik dibuat untuk masing-masing alkana berstruktur normal, grafik ini banyak digunakan dalam perhitungan teknologi sehubungan dengan fraksi minyak bumi yang sempit, memplot titik didih rata-rata fraksi ini pada sumbu ordinat. R Untuk mengubah titik didih produk minyak bumi dari vakum dalam ke tekanan atmosfer, nomogram UOP digunakan, yang menurutnya, dengan menghubungkan dua nilai yang diketahui pada skala grafik yang sesuai dengan garis lurus, nilai yang diinginkan diperoleh pada perpotongan dengan skala ketiga atau T
. Nomogram UOP terutama digunakan dalam praktik laboratorium.
Pada tekanan tinggi, seperti diketahui, gas nyata tidak mematuhi hukum Raoult dan Dalton. Dalam kasus seperti ini, tekanan uap jenuh yang diperoleh dengan perhitungan atau metode grafis disempurnakan menggunakan parameter kritis, faktor kompresibilitas, dan fugasitas.
| Kepadatan |
