Parciální tlak a tlak páry
Částečný tlak a tlak par jsou běžně používané vědecké pojmy týkající se rozsahu tlaku vyvíjeného systémovými komponentami, ale jejich totožnost může být matoucí pro ostatní. Mezi těmito výrazy existuje jasné rozlišení, včetně jejich účinků a identity. Tento článek bude podrobněji rozvíjet rozdíly mezi těmito pojmy. Bude také obsahovat několik příkladů pro demystifikaci jejich aplikací.
Začněme tím, že zvýrazníme koncept tlaku, než se budeme moci ponořit do rozdílu mezi parou a parciálním tlakem. Tlak je vědecky definován jako síla aplikovaná na jednotku plochy na objektu nebo látce. Může být také definována jako síla působící srážkami na sebe a často se měří pomocí Pascalu. V případě kolize částic se pro výpočet tlaku používá plynová rovnice a kinetická teorie plynů.
Co je tlak par?
Tlak par může být použit pro kapalné nebo pevné fáze. Je to tlak vyvíjený parou v její termodynamické rovnováze na kapalném nebo tuhém stavu při dané teplotě v uzavřeném systému, když jsou v kontaktu jak pára, tak kapalina (pevná látka). Tento tlak vzniká v důsledku odpařování, což je umožněno zvýšeným teplem na tuhé nebo kapalné vodě. Teplota se tedy používá jako měřítka odpařování a je přímo úměrná tlaku par. To znamená, že čím vyšší je teplota, tím vyšší je tlak par.
Během odpařování molekuly vzduchu uniknou v důsledku vyšší kinetické energie do vzduchu v uzavřeném systému. Pak, když je v rovnováze, vzniká tlak par mezi parou a její kondenzovanou formou kapaliny (tuhá látka). V řešeních, kde jsou mezimolekulární síly slabší, tlak pary má tendenci být větší, a naopak, v prostředích, u nichž jsou mezimolekulární síly silnější, je tlak par menší.
Tlak par může také nastat v ideálních směsích, jak je vysvětleno v Raoultově zákonu. Uvádí, že částečný tlak par příslušné složky v kapalné nebo pevné směsi se rovná tlaku par této složky vynásobenému molární frakcí v uvedené směsi při dané teplotě. Níže uvedený příklad to ilustruje.
Příklad 1.
Vzhledem k ideální směsi 0,5 mol. ethanolu a 1,5 mol. methanolu s tlakem par 30KPa a 52KPa, určují parciální tlak par každé složky.
Řešení:
Celkový počet molů je 1,5 mol + 0,5 mol = 2,0 mol. Podle Raoultova zákona je parciální tlak par rovný tlaku par vynásobenému molární frakcí příslušné složky. V tomto případě je Pmethanolu = 1,5 / 2 * 52 = 39KPa a Pethanol = 0,5 / 2 x 30 = 7,5 kPa.
Pokud máte parciální tlaky par ze složek ve směsi, můžete získat celkový tlak par přidáním dohromady. V tomto ohledu činí 7,5 + 39 46,5 kPa celkového tlaku par směsi ethanolu a methanolu.
Faktory ovlivňující tlak par
Identita molekul
Jak již bylo uvedeno výše, typy molekulárních sil určují množství tlaku par, které má být vyvíjeno. Pokud jsou síly silnější, pak se objevuje menší tlak par, a pokud je slabší, pak vzniká tlak par. Proto složení kapaliny nebo pevné látky ovlivní tlak par.
Teplota
Vyšší teplota vede k vyššímu tlaku par, protože aktivuje více kinetické energie, aby zlomila molekulární síly, takže molekuly mohou rychle uniknout z povrchu kapaliny. Pokud se tlak par (tlak nasycených par) rovná vnějšímu tlaku (atmosférický tlak), kapalina začne vařit. Při nízkých teplotách bude docházet k nízkému tlaku par a čas potřebný k varu kapaliny bude trvat déle.
Daltonův zákon částečných tlaků
Co je parciální tlak?
Představa parciálního tlaku byla nejprve navržena renomovaným vědcem Johnem Daltonem. Narodil se zákon o částečných tlacích, který uvádí, že celkový tlak vyvíjený ideální směsí plynů se rovná součtu parciálních tlaků jednotlivých plynů. Řekněme, že konkrétní nádoba je naplněna plyny vodíku, dusíku a kyslíku, celkový tlak, PCELKOVÝ, bude se rovnat součtu kyslíku, dusíku a vodíku. Parciální tlak libovolného plynu v této směsi se vypočítá vynásobením celkového tlaku molární frakcí jednotlivých plynů.
Stručně řečeno, parciální tlak je tlak vyvíjený konkrétním plynem ve směsi, jako by působil sám v systému. Při určování parciálního tlaku jednotlivých plynů ignorujete další plyny. Tuto teorii lze ověřit injekcí, například 0,6atm O2 v nádobě o objemu 10,0 litrů při tlaku 230K a poté injektováním 0,4atm N2 v identické nádobě o stejné velikosti při téže teplotě a nakonec spojit plyny k měření celkového tlaku; bude to součet obou plynů. To jasně vysvětluje parciální tlak jednotlivého plynu ve směsi nereaktivních plynů.
Výpočet parciálního tlaku
Pro výpočet parciálního tlaku je absolutní vítr, protože zákon Daltonu [1] obsahuje ustanovení. Záleží na typických informacích.Pokud se například udává celkový tlak pro směs plynu A a B, stejně jako tlak plynu A, lze parciální tlak B vypočítat pomocí PCELKOVÝ = PA + PB. Zbytek je algebraické manipulace. Ale v případě, kdy byl daný pouze celkový tlak směsi, můžete použít molární zlomek plynu B k určení parciálního tlaku. Molární frakce, označená jako X, může být nalezena dělením molekul plynu B celkovými molmi plynné směsi. Pak pro nalezení parciálního tlaku vynásobíte molární frakci, X, celkovým tlakem. Níže uvedený příklad to zpracovává.
Příklad 2.
Směs dusíku a kyslíku s 2,5 moly a 1,85 molu se vstřikuje do nádoby o objemu 20,0 litrů s celkovým tlakem 4 atm; vypočítat parciální tlak vyvíjený plynem kyslíku.
Řešení:
Celkový počet molů ve směsi je 2,5 + 1,85 = 4,35 molů. Takže molární zlomek kyslíku, XÓ, bude 1,85 mol / 4,35 molů = 0,425 molů. Parciální tlak kyslíku bude 0,425 * 4atm = 1,7atm. Parciální tlak zbývajícího plynu se může vypočítat podle stejného přístupu nebo se může vypočítat za použití kyslíku a celkového tlaku, jak je popsáno Daltonovým zákonem částečných tlaků, že celkový tlak nereaktivních plynů se rovná součtu částečné tlaky.
Rozdíl mezi parami a parciálním tlakem
Z výše uvedených vysvětlení je zřejmé, že tlak par a parciální tlak jsou dva odlišné tlaky. Tlak par se vztahuje na kapalné a pevné fáze, zatímco parciální tlak platí pro plynnou fázi. Tlak par se vyvíjí ve fázovém přechodu po přidání dostatečného tepla do roztoku, což vede k tomu, že jeho molekuly uniknou v uzavřeném systému.
Hlavním rozdílem mezi parciálním tlakem a tlakem par je to, že parciální tlak je tlak vyvíjený jednotlivým plynem ve směsi, jako kdyby byl v tomto systému sám, zatímco tlak par se týká tlaku vyvíjeného párou v jeho termodynamické rovnováze s jeho kondenzovaný stav kapaliny nebo tuhé látky. Následující tabulka uvádí stručné srovnání těchto tlaků.
| Tlak páry | Částečný tlak |
| Vyvíjí se kapalnými nebo pevnými parami v kondenzované fázi v rovnováze | Vyvíjí se z nich jednotlivé plyny v nereaktivní plynové směsi |
| Dobře vysvětlil Raoultův zákon | Dobře vysvětlil Daltonův zákon |
| Použitelné v pevné a kapalné fázi | Použitelné pouze v plynných fázích |
| Nezávisle na ploše nebo objemu systému | Vypočítané pomocí plynů ve stejném objemu |
| Vypočítané za použití molární frakce rozpuštěné látky | Vypočítané za použití molárního podílu plynu |
Zabalit!
Tlak par a parciální tlak jsou dva důležité vědecké pojmy, které se používají při určování účinků sil působících parami a plyny v daném uzavřeném systému při zvláštních teplotách. Jejich hlavním rozdílem je aplikační plocha s tlakem par aplikovaným na kapalné nebo pevné fáze, zatímco parciální tlak je aplikován na jednotlivý plyn ve směsi ideálních plynů v daném objemu.
Parciální tlak je snadno vypočítán podle Daltonova zákona o částečných tlacích, zatímco tlak par se vypočítá podle Raoultova zákona. V každé dané směsi má každá plynová složka svůj vlastní tlak, který se nazývá parciální tlak nezávislý na jiných plynech. A když zdvojnásobíte krtci nějakého komponentu s tím, že teplota zůstane konstantní, zvýšíte jeho parciální tlak. Podle vztahu Clausia-Clapeyrona [2] se zvyšuje tlak par při zvyšování teploty.
S výše uvedenými informacemi byste měli rozlišovat mezi tlakem par a parciálním tlakem. Měli byste je také moci vypočítat pomocí molárních frakcí a vynásobením celkovým tlakem. Uvedli jsme vám typické příklady, které by mohly rozpracovat uplatnění těchto tlaků.
