Температура замерзания как найти

Примеры решения задач. Задача 1.Рассчитать температуру замерзания и кипения 40%-ного раствора этилового спирта в воде

Задача 1. Рассчитать температуру замерзания и кипения 40%-ного раствора этилового спирта в воде. °C; °C.

Решение: 40%-ный раствор содержит 40 кг С₂Н₅ОН в 60 кг растворителя – воды.

Подставляем в формулу данные:

?t_зам= =26,9°C

Температура замерзания раствора:

Температура кипения раствора:

?t_кип = 7,53°C

Задача 2. При растворении 0,1 моля гидроксида натрия в 1000 г воды температура замерзания понизилась на 0,33°C. Определите степень диссоциации гидроксида натрия в растворе.

Решение: Для растворов электролитов понижение температуры замерзания связано с концентрацией раствора:

Преобразуем уравнение (1):

i= = =1,8

Изотонический коэффициент связан со степенью диссоциации следующим образом:

i =1+α(n-1) отсюда: α=

Находим степень диссоциации:

α= =0,8

Задача 3. Определить температуру кипения 5% раствора сахарозы (C₁₂H₂₂O₁₁) в воде. E = 0,52 град/моль

Решение: Молярная масса сахарозы М = 342 г/моль

?t_кип = m_ве—ва = 5, m_ра—ра = 100 – 5 = 95, t_к (H₂O) = 100 °С

Δt _кип =

t_{к р–ра} = 0,082 + 100 = 100,082°С

Источник

Замерзание и кипение растворов

Все чистые вещества характеризуются строго определенными температурами (или точками) замерзания и кипения. Так, чистая вода при нормальном атмосферном давлении замерзает при 0° и кипит при 100°; бензол замерзает при 5,5°, а кипит при 80,1° и т. д. Эти температуры сохраняются неизменными до тех пор, пока вся жидкость не замерзнет или не превратится в пар.

Как известно, всякая жидкость начинает кипеть при такой температуре, при которой давление ее насыщенного пара достигает величины внешнею давления. Например, вода под давлением 760 мм рт. ст. кипит при 100° потому, что при этой температуре давление водяного пара как раз равно 760 мм. Если же растворить в воде какое-нибудь вещество, то давление ее пара понизится. Чтобы довести давление пара полученного раствора до 760 мм,очевидно, нужно нагреть раствор выше 100°. Отсюда следует, что точка кипения раствора всегда будет выше точки кипения чистого растворителя.

Более низкая температура замерзания раствора, по сравнению с чистым растворителем, объясняется тем, что точка замерзания есть та температура, при которой одновременно могут существовать твердая и жидкая фазы Жданного вещества (стр. 218). Однако для этого необходимо, чтобы давление пара твердой и жидкой фаз было одинаковым, иначе пар будет переходить от одной фазы к другой до полного исчезновения той из них, над которой давление пара больше. Лед и вода могут неограниченно долго существовать вместе при 0° именно потому, что при 0° давление пара льда (4,6 мм) равно давлению пара воды. Эта температура и является точкой замерзания чистой: воды.

Если мы возьмем не чистую воду, а какой-нибудь раствор, то давление его пара при 0° будет меньше 4,6 мм;поэтому лед, опущенный в такой раствор, быстро тает. Одновременное существование льда и раствора будет возможно только при температуре ниже 0°, и именно при такой, при которой давление их паров станет одинаковым. Другими словами, раствор будет замерзать при более низкой температуре, чем чистый растворитель.

Линия ас на рис. 69 изображает кривую давления пара льда. Мы уже говорили, что при температуре замерзания давление паров твердой и жидкой фаз растворителя или твердого растворителя и раствора должно быть одинаковым. Этому условию отвечают точки а и b пересечения кривых аа₁ и bb₁ с кривой ас. Температуры замерзания воды и раствора определяются как проекции точек а и b на ось абсцисс. В этом случае, как видно из рисунка, температуры Т и Т₁ расположены в обратном порядке, т. е. температура замерзания раствора меньше температуры замерзания воды.

Источник

Какая температура замерзания воды под давлением и для чего это необходимо знать?

Многие помнят из курса школьной физики о том, что температура замерзания воды составляет 0°.

На самом деле это определение нуждается в уточнении – при условии воздействия нормального атмосферного давления. Последнее в значительной степени можно считать условной величиной.

О том, какова температура замерзания воды, находящейся под давлением, расскажем в статье.

Замерзает ли?

При атмосферном давлении в 760 мм рт.ст (или 0,101 МПа), вода превращается в лед уже при 0°С, как известно из школьного курса.

Но при уменьшении этого показателя меняется и точка кипения, и t°, при которой происходит превращение в лед – последняя как раз повышается.

В горах, где разреженный воздух, на определенной высоте она может уже составлять +2…+4°С. И наоборот, чем больше среда давит на воду, тем ниже находится точка замерзания на графиках.

Интересно, что при давлении в 611,73 Па совпадают температура кипения воды и плавления льда. Она составляет +0,01°С. Этот показатель называют тройной точкой воды из-за того, что она находится сразу в трех состояниях.

Считается, что при более низком показателе она просто не сможет сохранять жидкое состояние и будет превращаться в водяной пар. Причем температура плавления льда и точка замерзания воды обычно не совпадают, это разные величины.

Хотя для удобства бытовых расчетов их часто отождествляют, поскольку при 760 мм рт.ст. они как раз будут одинаковыми.

Кроме того, возможно получение и нестабильного состояния – переохлажденной жидкости. Но если в ней появится центр кристаллизации, она сразу же превратится в лед.

Температура в зависимости от показателя

Чтобы четко определить температуру замерзания, нужно сначала понять, как связаны эти 2 параметра.

Как они взаимосвязаны?

При увеличении давления, температура замерзания снижается, при уменьшении – t° растет. Существуют специальные формулы, которые помогают рассчитать конкретное значение.

Таблица таких соотношений выглядит следующим образом:

Как происходит процесс?

Снижение температуры замерзания при увеличении давления имеет физическое обоснование.

Пресная жидкость при замерзании расширяется примерно на 10%. У соленой морской воды расширение будет меньшим, но оно все равно происходит.

Поэтому, когда внешнее давление растет, то температура замерзания снижается. Суть процесса замерзания состоит в кристаллизации воды.

Но в отличие от других жидкостей, вязкость воды при увеличении давления уменьшается. Что и обусловило более медленные процессы кристаллизации.

Это объясняется структурными особенностями молекул и некоторыми механизмами взаимодействия между ними. Для того, чтобы процесс начался, нужен центр кристаллизации, состоящий из нескольких десятков молекул.

Каково давление замерзающей жидкости?

Давление замерзающей воды обусловлено тем, что происходит ее расширение. Однако давление она оказывает и в жидком виде, просто при отрицательных температурах оно увеличивается примерно на 10%.

Как влияет тип воды?

Дистиллированная влага в принципе замерзает медленнее даже при нормальном атмосферном давлении. В отличие от других видов пресной воды, она не содержит сторонних примесей.

Физики называют такую жидкость переохлажденной. Любопытно, что если постучать по сосуду с такой дистиллированной водой, она практически моментально превратится в лед.

Что касается остальных растворов, то здесь, помимо давления, важную роль играет еще и плотность – например, у соленой воды она намного выше.

Но при этом при отрицательных температурах частицы соли как бы выталкиваются. И если растопить многолетний морской лед, то окажется, что он состоит из пресной воды, даже пригодной для питья.

Применение знаний в быту человека

В основном сведения о температуре замерзания воды нужны тем, кто сталкивается с прокладкой водопровода.

Как правило, ее замерзание в таких случаях проходит не на подземном участке трубы, а над поверхностью почвы, и далее идет процесс кристаллизации уже в наземном участке.

Чтобы этого не происходило, поскольку замерзание и расширение воды выводит из строя всю систему и нарушает целостность труб, принимают активные и пассивные меры – от утепления трубы до специально обустроенной системы обогрева.

Но очень важно с самого начала правильно сделать расчеты, подбирая производительность оборудования и диаметр труб таким образом, чтобы создать такое давление, при котором вода не будет замерзать при климатических условиях, характерных для этого региона.

Заключение

Температура замерзания воды под давлением – вопрос более сложный, чем могло бы показаться на первый взгляд. Иногда даже в быту для ее расчета нужно применять громоздкие формулы или готовые таблицы соотношений.

Источник

Второй закон Рауля и температура замерзания

Расчет температуры замерзания и кипения растворов неэлектролитов

Некоторые автолюбители, насколько мне известно, предпочитают зимой заливать в бачок стеклоочистителя водку. Водка зимой не замерзает, а почему и вплоть до какой температуры? Ответ на этот вопрос даст нам химия.

Начнем с определений.

Как известно, водка — это раствор этилового спирта в воде.

А что такое раствор? Это однородная смесь не менее двух компонентов, один из которых называется растворителем, а другой растворимым веществом. Растворитель, это компонент, агрегатное состояние которого не изменилось при образовании раствора (например, сахар в воде переходит из твердой фазы в жидкую, вода — растворитель) либо, в случае веществ, находящихся в одной и той же фазе, компонент, которого больше. Растворы бывают твердые, жидкие и газообразные (воздух, как смесь газов — газообразный раствор).

С химической точки зрения, раствор — это дисперсная система, т.е., система, в которой два или несколько веществ находятся в раздробленном состоянии, и частицы их равномерно распределены относительно друг друга и взаимодействуют между собой.

Среди истинных растворов, в свою очередь выделяют два класса — растворы электролитов (ионов), которые проводят электрический ток, и растворы не электролитов (молекул).

Смешавшиеся в растворе частицы веществ могут взаимодействовать между собой. В связи с наличием или отсутствием взаимодействия частиц раствора между собой растворы можно разделить на реальные и идеальные. В реальных растворах изменяются свойства исходных молекул из-за межмолекулярного и химического взаимодействия частиц в растворе. В идеальных растворах взаимодействие частиц практически отсутствует, и растворяемое вещество сохраняет свои свойства. Идеальными при любых концентрациях являются растворы, компоненты которых очень близки по физическим и химическим свойствам, и образование которых не сопровождается изменением объема и выделением либо поглощением теплоты.

В 1887 году французский химик Франсуа Мари Рауль (1830-1901), изучая понижение температуры кристаллизации (замерзания), а также понижение давления пара (или повышения температуры кипения) растворителя при введении в него растворенного вещества, открыл ряд законов, называемых ныне законы Рауля. Это количественные закономерности, описывающие коллигативные, то есть зависящие от концентрации, но не от природы растворенного вещества, свойства растворов. Эти законы и описывают поведение идеальных растворов.

Первый закон Рауля гласит (см. Закон Рауля), что

Парциальное давление насыщенного пара компонента раствора прямо пропорционально его мольной доле в растворе, причём коэффициент пропорциональности равен давлению насыщенного пара над чистым компонентом.

Либо, в случае двухкомпонентного раствора, что

Относительное понижение парциального давления пара растворителя (A) над раствором не зависит от природы растворённого вещества и равно его мольной доле в растворе.

Из этого закона есть два следствия, которые называют вторым законом Рауля.

Второй закон Рауля гласит, что

Понижение температуры кристаллизации бесконечно разбавленных растворов не зависит от природы растворённого вещества и прямо пропорционально моляльной концентрации раствора.

Повышение температуры кипения бесконечно разбавленных растворов нелетучих веществ не зависит от природы растворённого вещества и прямо пропорционально моляльной концентрации раствора

Коэффициенты пропорциональности K и E в этих уравнениях — криоскопическая и эбулиоскопическая постоянные растворителя, имеющие физический смысл температуры кристаллизации и повышения температуры кипения раствора с моляльной концентрацией 1 моль/кг. Растворы с такой концентрацией — 1 моль/кг, вообще говоря, никак не назвать бесконечно разбавленными, так что при определении этих постоянных речь идет об экстраполяции зависимости из области малых концентраций. Напомним, что моляльная концентрация (не путать с молярной) — это отношение количества растворенного вещества в молях к массе растворителя.

Если какой-либо раствор подчиняется законам идеальных растворов при любых концентрациях, то его называют совершенный раствор. Если раствор начинает подчиняться законам идеальных растворов только при достаточно большом разведении, то это бесконечно разбавленный раствор (концентрация растворенного вещества стремится к нулю). Во всех прочих случаях раствор считается реальным.

Все растворы электролитов — реальные растворы, так как растворяемое вещество в них диссоциирует на ионы. Законы Рауля для этих растворов не выполняются, даже в случае бесконечно разбавленных растворов.

В случае растворов не электролитов — чем более разбавлен раствор, тем ближе его свойства к идеальному. Однородные смеси неполярных веществ (углеводородов) близки к идеальным растворам при всех концентрациях.

Теперь вернемся к водке.

Так вот, благодаря пытливым пользователям (смотри комментарии к калькулятору), автору пришлось выяснить, что второй закон Рауля не имеет к водке никакого отношения. Дело в том, что в законах Рауля речь идет о растворах нелетучих веществ (ну там, соль, например), которые уменьшают давление пара растворителя над раствором, а спирт — вещество вполне себе летучее и также создает давление пара над раствором. Для кипения водки применимы законы Коновалова, и выкипать спирт из водки начинает при температуре кипения спирта (как я понимаю).

Впрочем, в нескольких местах в Интернете я встречал использование второго закона Рауля для оценки температуры замерзания водки. Ничего точного на счет замерзания водки и применимости к этому второго закона Рауля я так и не нашел (химика бы сюда), однако полученные данные довольно близки к табличным, поэтому весь расчет ниже я оставлю без изменений, для иллюстрации использования калькулятора, однако с оговоркой, что температура кипения водки по второму закону Рауля не определяется, и замерзания, возможно, тоже.

Водка, это раствор углеводорода в воде, поэтому применим второй закон Рауля для определения температуры замерзания водки.

Растворителем в данном случае является вода. Криоскопическая и эбулиоскопическая константы для нее приведены в справочнике Эбулиоскопические и криоскопические константы растворителей. Процентное соотнощение спирта и воды известно — 40%. Из этого можно определить моляльную концентрацию водки.

Определим, сколько спирта (m1) надо добавить в килограмм воды (m2), чтобы получить 40% соотношение (K)
,
следовательно

Таким образом, чтобы получить 40% раствор, в 1 кг воды надо влить примерно 666,6(6) грамм спирта (чем не повод отказаться от ее употребления).

Далее умножением на криоскопическую константу мы находим изменение температуры замерзания. Уменьшив температуру кристаллизации (замерзания) растворителя — воды, на полученную величину, мы и найдем температуру кристаллизации (-27) водки.

Впрочем, применительно к растворам, не говорят о «температуре кристаллизации раствора» и «температуре кипения раствора». Говорят так — «температура начала кристаллизации» и «температура начала кипения».

Дело в том, что как при кипении (испаряется растворитель), так и при кристаллизации (выделяются кристаллы растворителя) в оставшемся растворе увеличивается концентрация растворенного вещества, а следовательно, происходит дальнейшее уменьшение температуры кристаллизации либо увеличение температуры кипения.
На этом эффекте основаны методы очистки веществ, то есть очистки растворителя, например, воды — от примесей, которые нельзя удалить обычной фильтрацией. Кристаллизирующийся растворитель (особенно в начале кристаллизации), содержит меньше примесей (растворенных веществ), чем в остающемся растворе. Многократно повторяя кристаллизацию раствора и удаляя каждый раз обогащенный примесями остаток раствора, можно добиться значительной степени очистки (метод перекристаллизации). Тоже самое происходит и при кипячении — пар содержит меньше примесей по сравнению с остающимся раствором. Полученный пар заново конденсируют и снова испаряют, добиваясь очистки от примесей (метод дистилляции).

Ниже приведен калькулятор для определения температур начала замерзания и кипения растворов, повторяющий вышеприведенные расчеты.
Значения по умолчанию как раз соответствуют случаю водки.

Источник

Какая температура замерзания воды под давлением и для чего это необходимо знать?

Перед прочтением, хотим вставить короткую ремарку. Мы продаем и устанавливаем фильтры для воды более 10 лет, и твердо уверены в их эффективности, пользе для здоровья и экономической выгоде. Абсолютно все наши клиенты довольны результатом. Так что если у Вас еще нет фильтра для получения питьевой воды — задумайтесь, а мы предоставим лучшие условия.

Замерзает ли?

При атмосферном давлении в 760 мм рт.ст (или 0,101 МПа), вода превращается в лед уже при 0°С, как известно из школьного курса.
Но при уменьшении этого показателя меняется и точка кипения, и t°, при которой происходит превращение в лед – последняя как раз повышается.

В горах, где разреженный воздух, на определенной высоте она может уже составлять +2…+4°С. И наоборот, чем больше среда давит на воду, тем ниже находится точка замерзания на графиках.

Интересно, что при давлении в 611,73 Па совпадают температура кипения воды и плавления льда. Она составляет +0,01°С. Этот показатель называют тройной точкой воды из-за того, что она находится сразу в трех состояниях.

Считается, что при более низком показателе она просто не сможет сохранять жидкое состояние и будет превращаться в водяной пар. Причем температура плавления льда и точка замерзания воды обычно не совпадают, это разные величины.

Хотя для удобства бытовых расчетов их часто отождествляют, поскольку при 760 мм рт.ст. они как раз будут одинаковыми.

Кроме того, возможно получение и нестабильного состояния – переохлажденной жидкости. Но если в ней появится центр кристаллизации, она сразу же превратится в лед.

Формула для расчета

Данный показатель повышается пропорционально погружению. Он рассчитывается по специальной формуле:

Формула является выражением закона Паскаля. По ней высчитывается значение гидростатического прессинга. Он напрямую зависит от высоты водного столба.

Произведение плотности (p) и ускорения (g) приблизительно равняется 0,1 атм. С каждым метром опускания на дно воздействие в водной среде повышается на 0,1 атм. Данное правило подтверждает тот факт, что чем глубже происходит опускание в толщу, тем выше становится показатель воздействия.

Температура в зависимости от показателя

Чтобы четко определить температуру замерзания, нужно сначала понять, как связаны эти 2 параметра.

Как они взаимосвязаны?

При увеличении давления, температура замерзания снижается, при уменьшении – t° растет. Существуют специальные формулы, которые помогают рассчитать конкретное значение.

Таблица таких соотношений выглядит следующим образом:

Экспресс-ответы

При скольких градусах замерзает вода:

Как происходит процесс?

Снижение температуры замерзания при увеличении давления имеет физическое обоснование.

Пресная жидкость при замерзании расширяется примерно на 10%. У соленой морской воды расширение будет меньшим, но оно все равно происходит.

Поэтому, когда внешнее давление растет, то температура замерзания снижается. Суть процесса замерзания состоит в кристаллизации воды.

Но в отличие от других жидкостей, вязкость воды при увеличении давления уменьшается. Что и обусловило более медленные процессы кристаллизации.

Это объясняется структурными особенностями молекул и некоторыми механизмами взаимодействия между ними. Для того, чтобы процесс начался, нужен центр кристаллизации, состоящий из нескольких десятков молекул.

В природных условиях пресная вода всегда содержит примеси – пылинки, молекулы соли и т.д. Все они могут стать центрами кристаллизации, поэтому процесс будет протекать быстрее, чем при тех же условиях, но в очищенной воде в лабораторных условиях.

Феноменальные свойства H2O

Приведем еще несколько фактов об удивительном поведении воды:

Как давление влияет на процесс кристаллизации воды?

Давайте попробуем увязать динамику изменения температуры замерзания воды с переменой давления.

При повышенном давлении температура начала процесса кристаллизации воды понижается, а температура кипения увеличивается. При низком давлении получается диаметрально противоположная картина.

Именно поэтому в условиях высокогорья и разреженной атмосферы весьма трудно сварить даже яйца, поскольку вода в котелке закипает уже при 80 градусах. Понятно, что при такой температуре приготовить пищу попросту невозможно.

При высоком давлении процесс плавления льда под лезвиями коньков происходит даже при очень низких температурах, но именно благодаря ему коньки скользят по ледяной поверхности.

Аналогичным образом объясняется примерзание полозьев сильно нагруженных нарт в рассказах Джека Лондона. Тяжёлые нарты, оказывающие давление на снег, вызывают его плавление. Образующаяся при этом вода облегчает их скольжение. Но стоит нартам остановиться и задержаться продолжительное время на одном месте, как вытесненная вода, замерзнув, приморозит полозья к дороге.

Замерзание пресных водоёмов

Процесс образования льда на пресноводных водоемах происходит в несколько ином температурном режиме.

Как влияет тип воды?

Дистиллированная влага в принципе замерзает медленнее даже при нормальном атмосферном давлении. В отличие от других видов пресной воды, она не содержит сторонних примесей.

Физики называют такую жидкость переохлажденной. Любопытно, что если постучать по сосуду с такой дистиллированной водой, она практически моментально превратится в лед.

Наличие любых примесей, в том числе и тех, что находятся в минеральной воде, повышает температуру замерзания, даже, если прочие условия остаются теми же.

Что касается остальных растворов, то здесь, помимо давления, важную роль играет еще и плотность – например, у соленой воды она намного выше.

Но при этом при отрицательных температурах частицы соли как бы выталкиваются. И если растопить многолетний морской лед, то окажется, что он состоит из пресной воды, даже пригодной для питья.

Эффект Мпембы

Вода преподносит и другие сюрпризы. Оказывается, при определенных условиях горячая вода замерзнет быстрее, чем изначально холодная. Этот факт замечали Аристотель и Рене Декарт, но название «эффект Мпембы» парадокс получил по имени танзанийского школьника Эрасто Мпембы, который в 1963 году обнаружил его при замораживании мороженого.

Парадоксально и то, что ученые до сих пор затрудняются найти единое объяснение этому феномену. Предположений много:

Все эти факторы проверяются в ходе исследований и экспериментов, но единого верного ответа и решения парадокса Мпембы современная наука пока что не дает. Зато эффект этот имеет широкое практическое применение в кулинарном деле.

Применение знаний в быту человека

В основном сведения о температуре замерзания воды нужны тем, кто сталкивается с прокладкой водопровода.

Как правило, ее замерзание в таких случаях проходит не на подземном участке трубы, а над поверхностью почвы, и далее идет процесс кристаллизации уже в наземном участке.

Чтобы этого не происходило, поскольку замерзание и расширение воды выводит из строя всю систему и нарушает целостность труб, принимают активные и пассивные меры – от утепления трубы до специально обустроенной системы обогрева.

Но очень важно с самого начала правильно сделать расчеты, подбирая производительность оборудования и диаметр труб таким образом, чтобы создать такое давление, при котором вода не будет замерзать при климатических условиях, характерных для этого региона.

Сведения об этих показателях и их соотношениях также нужны тем, кто занимается прокладкой отопительных систем. Важны они и для автомобилистов, которым приходится часто сталкиваться с замерзанием жидкости в радиаторе.

Влияние глубины

Чем глубже происходит погружение в водную толщу, тем больше становится ее сила. Глубина прямо влияет на увеличение давление. Это значение возрастает пропорционально.
Чем глубже, тем больше плотность водной толщи. С каждым последующим опусканием тела возникает все большая разница между внешним и внутренним водным давлением.

На поверхности действует атмосферное давление. При опускании в воду помимо него тела начинают испытывать еще и гидростатическое сдавливание.

Даже на мелководье на тело оказывается суммарное влияние, состоящее из атмосферного и гидростатического. При нырянии внешнее воздействие на тело возрастает. Возникает разница из-за увеличения плотности среды.

Верхние слои давят на нижние. За счет этого возникает сдавливающая сила на глубоководье. При этом ее показатель на одной глубине один и тот же по всем направлениям.

Рекомендуем: Системы полива: поливочные системы для огорода и сада на даче, консервация оросительной системы на зиму на участке, монтаж

Источник