(«Смесь паров») В лабораторных журналах Ф. Д. Ч. Уилларда был найден отчет об одном интересном эксперименте. В нем исследовалось поведение давления смеси сухого воздуха и паров двух довольно необычных синтезированных исследователем веществ при изменении объема смеси. На рисунке показаны зависимости давлений насыщенных паров этих веществ от температуры (в той области значений температуры, в которой проводились исследования). В качестве примера ниже приведена таблица значений давления смеси в сосуде под поршнем при разных объемах для некоторой постоянной температуры. В журнале отмечено, что «полученная в этом опыте изотерма обладает интересной особенностью — на ней заметен только один излом, положение которого отмечено в таблице звездочкой». Определите температуру изотермы и вычислите количества веществ 1 и 2 в смеси. Найдите, до какой температуры нужно нагреть смесь при объеме 40 л, чтобы в ней не осталось жидких компонент. Известно, что в жидком состоянии эти вещества не смешиваются. Опыт проводился в невесомости, и никакие из компонент смеси не покидали сосуда.
30,0 | 40,0 | 50,0* | 60,0 | 70,0 | |
127,61 | 104,16 | 90,08 | 75,07 | 64,34 |
Давление смеси создается суммой парциальных давлений сухого воздуха и паров веществ. Обозначим υ — количество сухого воздуха в смеси, υ1 и υ2 — количества веществ 1 и 2. Тогда, пока оба вещества находятся только в газообразном состоянии, давление равно
Точка излома на изотерме паровоздушной смеси появляется, когда пар начинает конденсироваться (до этого изотерма — гладкая гипербола). Единственность излома означает, что оба вещества начинают конденсироваться одновременно, то есть парциальное давление каждого из них становится равным давлению насыщенного пара при одном и том же значении объема. Значит, в точке излома
где p1 и p2 — давления насыщенных паров 1 и 2 при температуре T. Кроме того,
Запишем выражение для давления при значении объема
Исключая из этого выражения и уравнения
значение υRT, получим:
Например, для найдем, что
Аналогично для и для большей точности возьмем среднее этих значений:
Теперь мы можем воспользоваться графиком давлений насыщенных паров: температура изотермы соответствует температуре, при которой сумма этих давлений равна найденному значению. Кривую зависимости от температуры можно строить «поточечным» суммирований значений давлений. Тогда можно заметить, что c неплохой точностью нам подходит Отметим, что при этом значении температуры и (конечно, последний разряд здесь указан «про запас» — реальная точность позволяет уверенно находить значения с точностью не выше Как видно, Значит, Это значение при аккуратной работе может быть определено с точностью около 3%. Кроме того, теперь мы можем определить
и При температуре изотермы и объеме оба вещества частично сконденсированы, и для их полного испарения температуру нужно повысить, чтобы давление каждой компоненты стало меньше или равно давлению насыщенного пара. Значит, для определения минимальной необходимой температуры нам нужно решить уравнение
Это можно сделать графически (построив на графике для каждого вещества прямую и найдя ее пересечение
Ответ: температура изотермы количества веществ и для полного испарения обеих жидких компонент в объеме 40 л нужно нагреть смесь до температуры