Kelvinova rovnice

Kelvinova rovnice souvisí tlak par kapaliny s účinkem povrchového zakřivení, tj. menisku s poloměrem. Rovnice ilustruje, že v důsledku povrchového napětí a povrch je větší než objem, existuje mnohem vyšší rychlost odpařování pro menší kapičkové kapaliny ve srovnání s většími kapičkami.

ln (P/P0 ) = 2?VM / rRT

Kelvinova rovnice také ukazuje, že menší částice vykazují vyšší rozpustnost než větší částice. K tomu dochází kvůli mnohem většímu tlaku uvnitř kapičky než vně, a proto může dojít k difúzi plynu přes hranice náhorní plošiny kapičky, což oslabuje stěny(od Vysokého po nízký tlak). Tlak páry nad kapičkou vody o poloměru r a uvnitř bubliny ve vodě při specifické teplotě lze vypočítat pomocí Kelvinovy rovnice níže.

parametry KELVINOVY rovnice

P: skutečný tlak par

P0: tlak nasycených par

povrchové napětí kapaliny

MW: molekulová hmotnost

r: Poloměr

hustota

R: univerzální plynová konstanta (8.314 J K-1 mol-1)

T: teplota v Kelvinech

Kelvinova rovnice má řadu významných účinků, protože poskytuje vysvětlení takových jevů, včetně přesycení par, přehřívání, dozrávání Ostwaldů a kapilární kondenzace. Tento efekt je známý jako Kelvinův efekt a také Gibbs-Kelvinův efekt nebo Gibbs-Thomsonův efekt. (Barnes 2005)

přesycení

vliv na Kelvinovu rovnici lze vysvětlit z hlediska přesycení par. Termín přesycení se týká stavu, ve kterém má roztok příliš rozpuštěný materiál než nasycený roztok. Přesycení může být také označováno jako pára sloučeniny, která má větší parciální tlak než tlak par sloučeniny.

v pevné formě mohou malé částice vést ke krystalitům nebo tvorbě velkých monokrystalů. V polydisperzní suspenzi se materiál rozpustí, dokud nedosáhne své nasycené úrovně při této teplotě. Když je vzorek uložen, teplota bude mírně kolísat bez ohledu na místo skladování. Například, pokud je vzorek uložen v lednici, teplota by se mohla měnit, a tak by se teplota suspenze mohla zvýšit, což by vedlo ke zvýšení úrovně nasycení, což by umožnilo menší částice dále rozpouštět, dokud není dosaženo nové úrovně nasycení. Když teplota klesne, suspenze je ovlivněna, pokud jde o sestávání více než obvykle z rozpuštěných druhů. Nová koncentrace je popsána jako přesycení. Zbývající rozpuštěné druhy by se vysrážely zpět na všech částicích, menší částice se přednostně rozpouštějí a větší částice s povlakem se zvětší. Proto jsou přesycené roztoky výsledkem změny nasyceného roztoku, tj.

některé příklady přesycení jsou pivo a sycená voda. Voda je schopna rozpustit hodně oxidu uhličitého než při atmosférickém tlaku, což se děje při zvýšeném tlaku v láhvi. Ve stavu atmosférického tlaku je únik plynu oxidu uhličitého z přesycené kapaliny poměrně pomalý. Tento proces je pokročilý existencí malých bublin, které jsou způsobeny třepáním produktu.

Rock candy

Rock candy je druh cukrářského minerálu složeného z relativně velkých krystalů cukru. Bonbón se vytváří tak, že se nechá přesycený roztok cukru a vody krystalizovat na povrch vhodný pro krystalickou nukleaci, jako je řetězec nebo tyčinka …

při jevu přehřívání se homogenní látka bez varu zahřívá na teplotu, při které je větší než normální teplota varu kapalin. Aby se parní bublina roztáhla a následně praskla na povrchu (aby se vařila), musí být teplotní ohřev vysoce dostatečný (zvýšen nad bod varu), aby tlak par překročil atmosférický tlak. (Patrick 2006) nedostatečná teplota, která je nižší, způsobí pokles bublin par a tak zmizí.

z hlediska přehřívání je však vidět, že kapalina nevaří, přestože tlak par překračuje atmosférický tlak. Výsledkem je, že povrchové napětí omezuje růst bublin. Varné čipy, které jsou také známé jako varné kameny nebo granule proti nárazu, se záměrně přidávají do kapaliny, aby se usnadnilo vaření, aniž by se kapalina přehřála. Jsou to malé a nerozpustné porézní kameny složené z uhličitanu vápenatého nebo karbidu křemíku. Uvnitř kamenů mají póry, které umožňují dutinám zachytit vzduch a zásobovat prostory, ve kterých se mohou vyvinout bublinky rozpouštědla (nukleační místa, tj.

pokud dojde k přidání varných třísek do rozpouštědla a zahřeje se, uvolní se velmi malé bubliny. Tyto malé bubliny zabraňují nárazu, ztrátě roztoku, a proto umožňují tekutině snadnější vaření, aniž by byla přehřátá. Bez přidání varných třísek v rozpouštědle by ohřátá kapalina mohla být definována jako přehřátá, nestabilní stav, a proto by byla schopna uvolnit množství bubliny plynu najednou nebo možná násilně. V důsledku náhlého vypuzení páry z nádoby kapaliny by to mohlo vést ke zničení experimentu a způsobení drsných popálenin.

Ostwald zrání

pokud jde o kapičky, které jsou sférické a jsou v kontaktu s jejich párou, jsou dva poloměry umístěné v kapalné fázi stejné, a tak si zachovávají pozitivní znaky. Proto s odkazem na Kelvinovu rovnici bude tlak páry kapičky vyšší než stejná kapalina s rovným povrchem. Příkladem je, že pro poloměr kapky vody 10nm je zvýšení tlaku par přibližně 10%. Čím menší je poloměr kapiček, tím větší je tlak par. (Barnes 2005)

například v případě polydisperzního systému (kapičky s různými velikostmi) mají menší částice tendenci se rozpouštět (tj. mají větší rozpustnost) nebo se odpařují a připevňují se na povrch větších, což vede k tomu, že větší částice s časem rostou, ale menší částice mizí. Tento spontánní proces známý jako zrání Ostwald byl poprvé rozpoznán v roce 1896 Wilhelmem Ostwaldem. (Ostwald 1896)

skutečný životní efekt Kelvinovy rovnice se vyskytuje v oblacích, ve kterých rostou větší kapičky a očekávají, že budou dostatečně těžké, aby padaly jako déšť. Podobně tento proces existuje také pro krystaly obsažené v roztocích. Větší krystaly budou mít tendenci růst spíše než menší, což má za následek proces dozrávání Ostwaldu. Tento proces je důležitým účinkem stárnutí vyskytujícím se v jakýchkoli polydisperzních systémech. Mohlo by to být pozorováno v pěnách, emulzích i vodných solích. (Adamson 1990)

pokud jde o nestabilitu pěny, důvodem nestability by mohlo být zrání Ostwaldu. Hnací síla dozrávání Ostwald vzniká kvůli kolísání tlaku Laplaceova mezi bublinami nestejné velikosti, což jsou menší a větší pěnové bubliny. (Barnes 2005)

menší bubliny, které mají větší tlak plynu než větší bubliny, působí na stabilitu pěny. Po dobu skladování pěny bubliny stoupají v gravitačním poli k horní části kapaliny v důsledku velké hustoty existující mezi kapalnou a plynnou fází. Odtud vytvářejí volně uzavřenou nebo voštinovou strukturu, ze které kapalina odvádí pěnu, která se ukáže jako sušička. Vytvořené tenké filmy se mohou zhroutit v důsledku gravitace a způsobit koalescenci bublin. Když dojde ke zvýšení rozpustnosti plynu s tlakem, plyn mezi bublinami je schopen difundovat z menších na větší bubliny. Velká bublina v pěně, která je obklopena menšími bublinami, by nakonec mohla způsobit velkou díru ve struktuře pěny. (Hubbard 2002)

Ostwald zrání je příčinou nestability pěny, když je vidět větší tlakový rozdíl pěnových bublin, které jsou sférické vačky. V případě polyhedrální pěny (s rovinnou tekutou lamelou) není tlakový rozdíl pěnových bublin velký, a proto nestabilita pěny není způsobena Ostwaldovým procesem. (Tadros 2005)

vzhledem k tomu, že povrch bubliny se chová jako viskoelastické chování, proces dozrávání Ostwaldu v pěnových bublinách by mohl být snížen přidáním plynu, který je rozpustný pouze v kapalině. V důsledku tohoto procesu má také účinek snížení specifické povrchové plochy v čase v důsledku vysoce rozpustných částic. (Lyklema 2005) dozrávání Ostwaldu je důležité, protože se používá ke zvýšení účinnosti průmyslové i analytické filtrace. (Barnes 2005)

kapilární kondenzace

Kelvinův efekt lze pozorovat také z hlediska kapilární kondenzace v důsledku existence zakřivení, menisku. Kapilární kondenzace vzniká v důsledku adsorpce páry v kapiláře, která vytváří povrch kapaliny s malým poloměrem zakřivení. (Fisher 2002)

tlak par kapaliny je nižší než tlak stejné kapaliny s rovným povrchem je důsledkem poloměrů, které jsou umístěny ve fázi par. Pokud je skutečný tlak par větší než tlak par vypočtený z použití Kelvinovy rovnice pro zakřivený povrch, pravděpodobně by došlo ke kondenzaci. Skutečný tlak par pro rovný povrch může být pravděpodobně nižší než jeho saturační tlak par. (Patrick 2006)

jakmile dojde k kapiláře naplněné kapilární kondenzací, okamžitě se vytvoří meniskus (který závisí na povrchovém napětí kapaliny) na rozhraní kapalina-pára umožňující rovnováhu pod Psat(saturační tlak par). Při nízkém tlaku par kapalina kondenzuje v menším poloměru kapiláry. Jak se tlak par zvyšuje, další kondenzace kapaliny v kapiláře s větším poloměrem se naplní, což způsobí zvýšení poloměru menisku(kapilára se naplní). Kelvinova rovnice znamená, že Pv / Psat stoupá uvnitř kapiláry a poloměr menisku se dále rozšíří a způsobí vytvoření plochějšího povrchu. Kondenzace par je tedy schopna probíhat hladce v rozsahu tlaků par. Pro jakékoli rozhraní kapalina-pára zahrnující meniskus se tedy Kelvinova rovnice týká změny mezi rovnovážným tlakem par a tlakem saturačních par.

kapilární kondenzace jako důležitý faktor je významná jak v přirozeně, tak synteticky se vyskytujících porézních strukturách. Tyto struktury umožňují vědcům rozpoznat koncept kapilární kondenzace pro stanovení distribuce velikosti pórů a povrchové plochy pomocí adsorpčních izoterm. (Barnes, 2005)

• Adamson, W 1990, fyzikální chemie povrchů, 5th edn, John Wiley & Sons, Canada
• Barnes, G.T 2005, Interfacial science, ist edn, Oxford University press, Spojené státy americké
• CUBoulder Organic Chemistry, 2007, Boiling Chips, zobrazeno 28 March, 2010
• ekonomický expert, 2010, Supersaturation, zobrazeno 28 March, 2010
• Farlex, 2010, Kelvinova rovnice, otevřená encyklopedie zobrazeno 25 March, 2010,
• Fisher, LR & Israelachvili jn 2002, koloidní Interfacial science, 3rd edn, Elsevier Ltd, United States
• Gordon, m 1988, Physical Chemistry, 5th edn, McGraw-Hill, United States
• Hiemenz, CP 1997, principy koloidu a povrchu, 3rd edn, Marcel Dekker, Spojené státy americké
• Hubbard, T 2002, encyklopedie povrchové a koloidní vědy: Por Z, 2nd edn, Marcel Dekker, New York
• Lyklema, J 2005, základy rozhraní a koloidní vědy, 2nd edn, Academic press, London, vol. 2, s. 24
• Ostwald, W 1896. Lehrbuch der Allgemeinen Chemie, vol. 2, Část 1. Lipsko, Německo.
• Sinko, PJ 2006, Martins physical pharmacy and pharmaceutical sciences, 5th edn, Lippincott Williams and Wilkins, Philadelphia
• Tadros, F. T 2005, aplikované povrchově aktivní látky: principy a aplikace 4. edn, edn, Wiley-VCH, Německo.
• engineering toolbox, 2005, Úvod do páry a páry, zobrazeno 28 březen, 2010,
• UBC Chemistry Department, 2002, Boiling Chips, zobrazeno 28 březen, 2010
• UCI education, 2005, bod varu a destilace, RDG, zobrazeno 28 březen, 2010 https://eee.uci.edu/programs/hongchem/RDGbpdostill.pdf