Кіріспе
Термодинамикалық тепе-теңдіктегі будың қысымы. Бу қысымы немесе тепе-теңдіктегі бу қысымы – жабық жүйедегі белгілі бір температурада, будың конденсацияланған фазаларымен (қатты немесе сұйық) термодинамикалық тепе-теңдікте болатын қысым. Тепе-теңдіктегі бу қысымы сұйықтың булануға бейімділігін көрсетеді. Ол сұйықтықтан (немесе қатты заттан) тепе-теңдікте буланып шығатын бөлшектер мен олармен бірге болатын бу фазасындағы бөлшектер арасындағы тепе-теңдікпен байланысты. Қалыпты температурада жоғары бу қысымына ие заттар көбінесе ұшқыш деп аталады. Сұйық бетінің үстіндегі будың көрсеткен қысымы бу қысымы деп аталады. Сұйықтың температурасы артқан сайын, сұйық молекулалары арасындағы тартым күші газ фазасындағы молекулалардың энтропиясына қарағанда азаяды, нәтижесінде бу қысымы артады. Сондықтан, молекулалық өзара әрекеттесуі күшті сұйықтықтардың бу қысымы төмен болуы мүмкін, ал әлсіз өзара әрекеттесулерге керісінше. Кез келген заттың бу қысымы температурамен сызықты емес түрде өседі, бұл көбінесе Клаузиус-Клэпейрон теңдесуімен сипатталады. Сұйықтың атмосфералық қысымдағы қайнау температурасы (немесе қалыпты қайнау температурасы) – бу қысымының қоршаған атмосфералық қысымға тең болатын температура. Бұл температураның кез келген артуы бу қысымын атмосфералық қысымды жеңіп, сұйықтың бу көпіршіктерін қалыптастыруға жеткілікті етеді. Сұйықтың терең қабаттарында көпіршіктердің пайда болуы үшін гидростатикалық қысымның салдарынан сұйық қысымының жоғарылауына байланысты температураның сәл жоғары болуы қажет. Шамалы тереңдікте бұршақтардың пайда болуын бастау үшін қажетті жоғары температура маңыздырақ. Көпіршік қабырғасының беттік кернеуі өте кішкентай бастапқы көпіршіктерде артық қысымға әкеледі. Аралас қоспаның бір компоненті жүйедегі жалпы қысымға үлес қосатын бу қысымы ішінара қысым деп аталады. Мысалы, теңіз деңгейіндегі және 20 °C температурада су буымен қаныққан ауаның ішінара қысымы шамамен 2,3 кПа су, 78 кПа азот, 21 кПа оттегі және 0,9 кПа аргонды құрайды, бұл барлығы 102,2 кПа-ға тең, және стандартты атмосфералық қысымның негізін құрайды.
Vapor pressure or equilibrium vapor pressure is the pressure exerted by a vapor in thermodynamic equilibrium with its condensed phases (solid or liquid) at a given temperature in a closed system. The equilibrium vapor pressure is an indication of a liquid's thermodynamic tendency to evaporate. It relates to the balance of particles escaping from the liquid (or solid) in equilibrium with those in a coexisting vapor phase. A substance with a high vapor pressure at normal temperatures is often referred to as volatile. The pressure exhibited by vapor present above a liquid surface is known as vapor pressure. As the temperature of a liquid increases, the attractive interactions between liquid molecules become less significant in comparison to the entropy of those molecules in the gas phase, increasing the vapor pressure. Thus, liquids with strong intermolecular interactions are likely to have smaller vapor pressures, with the reverse true for weaker interactions. The vapor pressure of any substance increases non linearly with temperature, often described by the Clausius–Clapeyron relation. The atmospheric pressure boiling point of a liquid (also known as the normal boiling point) is the temperature at which the vapor pressure equals the ambient atmospheric pressure. With any incremental increase in that temperature, the vapor pressure becomes sufficient to overcome atmospheric pressure and cause the liquid to form vapor bubbles. Bubble formation in high liquid depths requires a slightly higher temperature due to the higher fluid pressure, due to hydrostatic pressure of the fluid mass above. More important at shallow depths is the higher temperature required to start bubble formation. The surface tension of the bubble wall leads to an overpressure in the very small, initial bubbles. The vapor pressure that a single component in a mixture contributes to the total pressure in the system is called partial pressure. For example, air at sea level, and saturated with water vapor at 20 °C, has partial pressures of about 2.3 kPa of water, 78 kPa of nitrogen, 21 kPa of oxygen and 0.9 kPa of argon, totaling 102.2 kPa, making the basis for standard atmospheric pressure.
Өлшем және өлшем бірліктері
Бу қысымы стандартты қысым бірліктерінде өлшенеді. Халықаралық жүйе (SI) қысымды ауданға шаққандағы күш ретінде туынды шама ретінде мойындайды және паскальді (Па) оның стандартты бірлігі деп белгілейді. Бір паскаль – бір шаршы метрге бір ньютон (Н·м−2 немесе кг·м−1·с−2) тең. Бу қысымын эксперименттік жолмен өлшеу 1 мен 200 кПа арасындағы кең таралған қысымдар үшін қарапайым процедура болып табылады. Ең жоғары дәлдік заттың қайнау температурасына жақын алынады, ал кіші мәндерді өлшеу кезінде үлкен қателер болуы мүмкін. Процедуралар көбінесе сыналынатын затты тазартудан, оны контейнерге оқшаулаудан, кез келген сыртқы газдарды жоюдан, содан кейін әртүрлі температураларда контейнердегі заттың газ фазасының тепе-теңдік қысымын өлшеуден тұрады. Дәлдікті арттыру үшін заттың өзінің және оның буының белгіленген температурада екеніне көз жеткізу қажет. Бұл көбінесе, мысалы, изотенскоп қолданғанда, контейнерді сұйық ваннаға батыру арқылы жасалады. Қатты денелердің өте төмен бу қысымын Кнудсеннің диффузиялық жасушасы әдісімен өлшеуге болады. Медициналық контексте бу қысымы кейде басқа бірліктерде, атап айтқанда миллиметрлерде сынап бағанасы (мм рт.ст.) арқылы көрсетіледі. Бұл, әсіресе, дене температурасында сұйық күйде болатын, бірақ салыстырмалы түрде жоғары бу қысымына ие, ингаляциялық анестетиктер үшін маңызды.
Сұйықтықтардың қайнау температурасына қатынасы
Жалпы тенденция ретінде, сұйықтықтардың бу қысымы, бөлме температурасында қайнау температурасы төмендеген сайын артады. Бұл әртүрлі сұйықтықтардың бу қысымы мен температурасының графиктерін көрсететін бу қысымы диаграммасында (оң жақта қараңыз) көрсетілген. Сұйықтың қалыпты қайнау нүктесінде бу қысымы, 1 атмосфера, 760 Торр, 101.325 кПа немесе 14.69595 пси ретінде анықталған стандартты атмосфералық қысымға тең болады. Мысалы, кез келген температурада метилхлорид диаграммадағы басқа сұйықтықтардың барлығынан жоғары бу қысымына ие. Оның ең төменгі қалыпты қайнау нүктесі де бар, ол метилхлоридтің бу қысымы қисығының (көк сызық) бір атмосфераның (атм) абсолютті бу қысымының көлденең қысым сызығымен қиылысатын жері. Бу қысымы мен температура арасындағы байланыс сызықтық болмаса да, диаграммада логарифмдік тік ось қолданылады, бұл бір диаграммада көптеген сұйықтықтарды графикпен көрсетуге мүмкіндік береді. Егер бу қысымының логарифмі 1/(T + 230) -қа қарсы сызылса, онда температура T Цельсий градусында өлшенгенде, дерлік түзу сызық алынады. Сұйықтың қайнау нүктесіндегі бу қысымы, оны қоршаған ортаның қысымына тең болады.
Сұйық қоспалар: Раульт заңы
Раульт заңы сұйық қоспаларының бу қысымын шамамен көрсетеді. Онда бір фазалы қоспаның активтілігі (қысым немесе қашқындық) компоненттердің бу қысымдарының мольдық үлесімен салмақталған қосындысына тең деп көрсетіледі:
мұндағы – қоспаның бу қысымы, – сұйық фазадағы компоненттің мольдық үлесі және – бу фазасындағы компоненттің мольдық үлесі. Раульт заңы тек электролит емес (нейтралды) заттарға ғана қолданылады; ол әлсіз молекулааралық тартылыстары бар (мысалы, Лондон күштері) полярлық емес молекулалар үшін ең қолайлы. Жоғарыдағы формуламен көрсетілгеннен жоғары бу қысымына ие жүйелер оң ауытқуларға ие деп есептеледі. Мұндай ауытқу таза компоненттерге қарағанда молекулааралық тартылыстың нашар екенін көрсетеді, сондықтан молекулалар таза сұйыққа қарағанда сұйық фазада аз ұсталады. Мысалы, шамамен 95% этанол мен судың азеотропын қарастыруға болады. Азеотроптың бу қысымы Раульт заңымен болжанғаннан жоғары болғандықтан, ол таза компоненттердің кез келгенінен төмен температурада қайнайды. Сондай-ақ, күткеннен төмен бу қысымына ие теріс ауытқулары бар жүйелер де бар. Мұндай ауытқу қоспаның құрамдас бөліктері арасындағы молекулааралық тартылыстың таза құрамдас бөліктерге қарағанда күшті екенін көрсетеді. Осылайша, екінші молекуланың болуы сұйықта молекулаларды күштірек ұстайды. Мысалы, трихлорметан (хлороформ) пен 2-пропанон (ацетон) қоспасы, таза компоненттердің қайнау температурасынан жоғары қайнайды. Қоспа компоненттерінің термодинамикалық активтілік коэффициенттерін анықтау үшін оң және теріс ауытқуларды пайдалануға болады.
Дюрингтің ережесі
Дюринг ережесі екі ерітіндінің бірдей бу қысымын көрсететін температуралар арасында сызықтық байланыс бар екенін көрсетеді.
Мысалдар
Келесі кестеде әртүрлі заттардың тізімі, олардың бу қысымының өсу ретімен (абсолюттік бірліктерде) берілген. Зат Бу қысымы Температура (°C) (Па) (бар) (мм рт.ст.) Октаэтиленгликоль 9,2×10−8 Па 9,2×10−13 6,9×10−10 89,85 Глицерин 0,4 Па 0,000004 0,003 50 Сынап 1 Па 0,00001 0,0075 41,85 Вольфрам 1 Па 0,00001 0,0075 3203 Ксенон дифториді 600 Па 0,006 4,50 25 Су (H2O) 2,3 кПа 0,023 17,5 20 Пропанол 2,4 кПа 0,024 18,0 20 Метил изобутил кетоны 2,66 кПа 0,0266 19,95 25 Темір пентакарбонилі 2,80 кПа 0,028 21 20 Этанол 5,83 кПа 0,0583 43,7 20 Фреон 113 37,9 кПа 0,379 284 20 Ацетальдегид 98,7 кПа 0,987 740 20 Бутан 220 кПа 2,2 1650 20 Формальдегид 435,7 кПа 4,357 3268 20 Пропан 997,8 кПа 9,978 7584 26,85 Карбонил сульфиді 1,255 МПа 12,55 9412 25 Азот оксиді 5,660 МПа 56,60 42453 25 Көмірқышқыл газы 5,7 МПа 57 42753 20
Молекулалық құрылымнан бу қысымын бағалау
Органикалық молекулалардың молекулалық құрылымынан бу қысымын есептеу үшін бірнеше эмпирикалық әдістер бар. Мысалдардың бірі – SIMPOL.1 әдісі, сондай-ақ Moller және авторлар тобының әдісі.
Метеорологиядағы мағынасы
Метеорологияда бу қысымы термині атмосферадағы су буының жартылай қысымын білдіреді, тіпті ол тепе-теңдікте болмаса да. Бұл басқа ғылымдардағы мағынасынан ерекшеленеді. Салыстырмалы ылғалдылық қанығу бу қысымына қатысты анықталады. Қанығу бу қысымы термині су буының ауаға сіңіп кетуі туралы ескірген теориядан пайда болған, сондай-ақ ауаның белгілі бір температурада "қанығуға" дейін шектеулі мөлшерде ғана су ұстай алатыны туралы түсінікке негізделген.