LÄMMITYSKÄYRÄ: MIKÄ SE ON, MITEN SE TEHDÄÄN, ESIMERKKEJÄ - FYYSINEN - 2024

Lämpökäyrä on graafinen esitys siitä, miten näytteen lämpötila vaihtelee ajan funktiona, paineen pitämiseksi vakiona ja lisäämällä tasaisesti lämpöä, joka on, vakionopeudella.

Tämän tyyppisen kuvaajan muodostamiseksi otetaan lämpötila- ja aika-arvopareja, jotka grafoidaan myöhemmin asettamalla lämpötila pystyakselille (ordinaatti) ja aika vaaka-akselille (abskissa).

Kuva 1. Aineen lämmityskäyrä saadaan lisäämällä lämpöä ja mittaamalla lämpötila tietyn ajanjakson välein. Lähde: Pixabay.

Sitten sopivin käyrä sovitetaan näihin koepisteisiin ja lopulta saadaan kuvaaja lämpötilasta T ajan t: t (T) funktiona.

Mikä on lämmityskäyrä?

Kuumentuessaan aine menee peräkkäin eri tilojen läpi: kiinteästä aineesta voi tulla höyryä, joka kulkee melkein aina nestemäisen tilan läpi. Näitä prosesseja kutsutaan tilamuutoksiksi, joissa näyte lisää sisäistä energiaa lisäämällä lämpöä, kuten molekyylikineettinen teoria osoittaa.

Lisättäessä lämpöä näytteeseen on kaksi mahdollisuutta:

- Aine nostaa lämpötilaaan, koska sen hiukkaset sekoittuvat voimakkaammin.

- Materiaalissa tapahtuu vaihemuutos, jossa lämpötila pysyy vakiona. Lämmön lisäämisellä on tietyssä määrin heikentää voimia, jotka pitävät hiukkasia yhdessä, jolloin on helppo siirtyä esimerkiksi jäästä nestemäiseen veteen.

Kuvio 2 näyttää aineen neljä tilaa: kiinteä, nestemäinen, kaasu ja plasma sekä prosessien nimet, jotka mahdollistavat siirtymisen niiden välillä. Nuolet osoittavat prosessin suunnan.

Kuva 2. Materiaalin ja prosessien tilat, jotka ovat välttämättömiä kulkemaan toistensa välillä. Lähde: Wikimedia Commons.

- Valtion muutokset aineessa

Alkaen kiinteässä tilassa olevasta näytteestä, kun se sulaa, se menee nestemäiseen tilaan, höyrystyessään muuttuu kaasuksi ja ionisaation kautta muuttuu plasmaksi.

Kiinteä aine voidaan muuttaa suoraan kaasuksi prosessilla, joka tunnetaan sublimaationa. On aineita, jotka sublimoituvat helposti huoneenlämpötilassa. Tunnetuin on CO ₂ tai kuivajäätä, sekä naftaleeni ja jodi.

Samalla kun näytteen tila muuttuu, lämpötila pysyy vakiona, kunnes se saavuttaa uuden tilan. Tämä tarkoittaa, että jos sinulla on esimerkiksi osa nestemäistä vettä, joka on saavuttanut kiehumispisteensä, sen lämpötila pysyy vakiona, kunnes kaikki vesi on muuttunut höyryksi.

Tästä syystä lämpenemiskäyrän odotetaan koostuvan kasvavien osien ja vaakasuorien osien yhdistelmästä, joissa viimeksi mainitut vastaavat vaihemuutoksia. Yksi näistä käyristä on esitetty kuvassa 3 tietylle aineelle.

Kuva 3. Tietyn aineen lämmityskäyrä tyypillisellä konfiguraatiolla, joka perustuu vaiheisiin ja kaltevuuksiin.

Lämmityskäyrän tulkinta

Kasvuväleissä ab, cd ja ef ainetta löytyy vastaavasti kiinteänä aineena, nestemäisenä ja kaasuna. Näillä alueilla kineettinen energia kasvaa ja sen mukana myös lämpötila.

Vaikka bc: ssä se muuttaa tilansa kiinteästä nestemäiseksi, siksi nämä kaksi vaihetta esiintyvät samanaikaisesti. Tämä tapahtuu osassa, jossa näyte muuttuu nesteestä kaasuksi. Tässä potentiaalienergia muuttuu ja lämpötila pysyy vakiona.

Käänteinen menetelmä on myös mahdollista, ts. Näyte voidaan jäähdyttää peräkkäin muiden tilojen omaksumiseksi. Tässä tapauksessa puhumme jäähdytyskäyrästä.

Lämmityskäyrillä on sama ulkonäkö kaikille aineille, tosin tietenkin samat numeeriset arvot. Joidenkin aineiden tila muuttuu kauemmin kuin toisten, ja ne sulavat ja höyrystyvät eri lämpötiloissa.

Nämä kohdat tunnetaan sulamispisteinä ja kiehumispisteinä, ja ne ovat kunkin aineen ominaisuuksia.

Siksi lämmityskäyrät ovat erittäin hyödyllisiä, koska ne ilmaisevat näiden lämpötilojen numeerisen arvon miljoonille aineille, joita esiintyy kiinteinä ja nesteinä normaalina pidettyjen lämpötila-alueiden ja ilmakehän paineen välillä.

Kuinka teet lämpenemiskäyrän?

Periaatteessa se on hyvin yksinkertaista: laita vain näyte ainetta sekoittimella varustettuun astiaan, aseta lämpömittari ja lämmitä tasaisesti.

Samanaikaisesti toimenpiteen alussa sekuntikello aktivoidaan ja vastaavat lämpötila-aikaparit merkitään aika ajoin.

Lämmönlähde voi olla kaasupoltin, jolla on hyvä lämmitysnopeus, tai sähkövastus, joka emittoi lämpöä kuumennettaessa, joka voidaan kytkeä muuttuvaan lähteeseen erilaisten voimien saavuttamiseksi.

Tarkkuuden lisäämiseksi kemian laboratoriossa käytetään kahta tekniikkaa:

- Differentiaalinen lämpöanalyysi.

- Differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria.

He vertaa lämpötilaeroa tutkittavan näytteen ja toisen vertailunäytteen välillä, jonka sulamislämpötila on korkea, melkein aina alumiinioksidia. Näillä menetelmillä on helppo löytää sulamis- ja kiehumispisteet.

Esimerkkejä (vesi, rauta…)

Tarkastellaan kuvassa näkyviä veden ja raudan lämmityskäyriä. Aika-asteikkoa ei näytetä, mutta on välittömästi erotettava kummankin graafin pistettä B vastaavien molempien aineiden sulamislämpötilat: vedelle 0 ºC, raudan 1500 ºC.

Kuva 4. Veden ja raudan lämmityskäyrät.

Vesi on universaali aine, ja sen tilan muutosten havaitsemiseksi tarvittavat lämpötila-alueet on helppo saavuttaa laboratoriossa. Rautaa varten vaaditaan paljon korkeampia lämpötiloja, mutta kuten yllä todettiin, kuvaajan muoto ei muutu olennaisesti.

Jää sulaminen

Kuumennettaessa jäänäytettä graafin mukaan olemme pisteessä A, lämpötilassa alle 0º C. On havaittu, että lämpötila nousee vakionopeudella 0 ° C: seen.

Jäässä olevat vesimolekyylit värähtelevät suuremmalla amplitudilla. Kun sulamislämpötila (piste B) on saavutettu, molekyylit voivat jo liikkua toistensa edessä.

Saapuva energia sijoitetaan molekyylien välisen houkuttelevan voiman vähentämiseen, joten lämpötila B: n ja C: n välillä pysyy vakiona, kunnes kaikki jää on sulanut.

Veden muuttaminen höyryksi

Kun vesi on täysin nestemäisessä tilassa, molekyylien värähtely lisääntyy jälleen ja lämpötila nousee nopeasti C: n ja D: n välillä 100 ° C: n kiehumispisteeseen. D: n ja E: n välillä lämpötila pysyy tässä arvossa samalla kun saapuva energia varmistaa, että kaikki astian vesi haihtuu.

Jos kaikki vesihöyry voidaan sisällyttää säiliöön, se voi jatkaa lämmitystä pisteestä E pisteeseen F, jonka rajaa ei ole esitetty kaaviossa.

Raudanäyte voi käydä läpi nämä samat muutokset. Materiaalin luonteen vuoksi lämpötila-alueet ovat kuitenkin hyvin erilaisia.

Viitteet

1. Atkins, P. Kemialliset periaatteet: Löytön polut. Toimittaja Médica Panamericana. 219-221.
2. Chung, P. Lämmityskäyrät. Palautettu osoitteesta: chem.libretexts.org.
3. Lämmityskäyrät. Sulamislämpö ja höyrystys. Palautettu osoitteesta: wikipremed.com.
4. Hewitt, Paul. 2012. Käsitteellinen fysikaalinen tiede. 5th. Toim. Pearson. 174-180.
5. Valladolidin yliopisto. Kemian tutkinto, toipunut: lodging.uva.es.