Ecuația Kelvin

ecuația Kelvin raportează presiunea vaporilor unui lichid la efectul curburii suprafeței, adică un menisc cu rază. Ecuația ilustrează faptul că, datorită tensiunii superficiale și a suprafeței mai mari decât volumul, există o rată de evaporare mult mai mare pentru lichidele cu picături mai mici în comparație cu cea a picăturilor mai mari.

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

ecuația Kelvin arată, de asemenea, că particulele mai mici prezintă o solubilitate mai mare decât particulele mai mari. Acest lucru se întâmplă din cauza unei presiuni mult mai mari în interiorul picăturii decât în exterior și, prin urmare, difuzia gazului poate avea loc peste granițele platoului picăturii, slăbind pereții (de la presiune ridicată la joasă). Presiunea de vapori a acesteia peste picătura de apă cu raza r și în interiorul unei bule în apă la o temperatură specifică ar putea fi calculată folosind ecuația Kelvin de mai jos.

parametrii ecuației KELVIN

P: presiunea reală a vaporilor

P0: presiunea vaporilor saturați

tensiunea superficială a lichidului

MW: greutate moleculară

r: Radius

densitate

R: Constanta universală a gazului (8,314 J K-1 mol-1)

T: temperatura în Kelvin

ecuația Kelvin are o varietate de efecte semnificative, deoarece oferă clarificări pentru astfel de fenomene, inclusiv suprasaturația vaporilor, supraîncălzirea, maturarea Ostwald și condensarea capilară. Acest efect este cunoscut sub numele de efect Kelvin și, de asemenea, efect Gibbs-Kelvin sau efect Gibbs-Thomson. (Barnes 2005)

suprasaturație

efectul asupra ecuației Kelvin ar putea fi explicat în termeni de suprasaturație a vaporilor. Termenul de suprasaturare se referă la starea în care o soluție are un material prea dizolvat decât cel al unei soluții saturate. Suprasaturarea se poate referi, de asemenea, la vaporii compusului care au o presiune parțială mai mare decât cea a presiunii de vapori a compusului.

în formă solidă, particulele mici pot duce la cristalite sau la formarea de cristale unice mari. Într-o suspensie polidispersată, materialul se va dizolva până când va atinge nivelul saturat la acea temperatură. Când eșantionul este stocat, temperatura va fluctua ușor indiferent de locația de depozitare. De exemplu, dacă eșantionul este depozitat în frigider, temperatura ar putea varia și astfel temperatura suspensiei ar putea crește, ducând la o creștere a nivelului de saturație, permițând particulelor mai mici să se dizolve în continuare până la atingerea unui nou nivel de saturație. Când temperatura scade, suspensia este afectată în ceea ce privește constituirea mai mult decât de obicei a speciilor dizolvate. Noua concentrație este descrisă ca suprasaturație. Speciile dizolvate rămase s-ar precipita înapoi pe toate particulele, particulele mai mici se dizolvă preferențial și astfel particulele mai mari care au un strat se vor mări. Prin urmare, soluțiile suprasaturate sunt rezultatul modificării soluției saturate, adică temperatura, volumul sau presiunea.

câteva exemple de suprasaturare sunt berea și apa carbogazoasă. Apa este capabilă să dizolve mult dioxid de carbon decât la presiunea atmosferică, ceea ce se întâmplă la presiunea ridicată din sticlă. La starea de presiune atmosferică, evacuarea gazului de dioxid de carbon din lichidul suprasaturat este destul de lentă. Acest proces este avansat de existența unor bule mici, care este cauzată de agitarea produsului.

Rock candy

Rock candy este un tip de mineral de cofetărie compus din cristale de zahăr relativ mari. Bomboanele se formează permițând cristalizării unei soluții suprasaturate de zahăr și apă pe o suprafață adecvată pentru nucleația cristalină, cum ar fi un șnur sau un băț…

în fenomenul supraîncălzirii, substanța omogenă fără fierbere este încălzită la o temperatură în care este mai mare decât punctul normal de fierbere al lichidelor. Pentru ca o bulă de vapori să se extindă și, prin urmare, să izbucnească la suprafață (pentru a fierbe), încălzirea temperaturii trebuie să fie suficient de mare (ridicată deasupra punctului de fierbere) încât presiunea vaporilor să depășească presiunea atmosferică. (Patrick 2006) o temperatură insuficientă care este sub va determina scăderea bulei de vapori și astfel va dispărea.

cu toate acestea, în ceea ce privește supraîncălzirea, lichidul este văzut că nu fierbe în ciuda faptului că presiunea vaporilor depășește presiunea atmosferică. Ca urmare, tensiunea superficială restrânge creșterea bulelor. Chipsurile de fierbere, care sunt, de asemenea, cunoscute sub numele de pietre de fierbere sau granule anti-lovire, sunt adăugate în mod intenționat la lichid pentru a ușura fierberea fără ca lichidul să se supraîncălzească. Sunt pietre poroase mici și insolubile care compun carbonat de calciu sau carbură de siliciu. În interiorul pietrelor, acestea au pori care permit cavităților să capteze aerul și să furnizeze spații în care se pot dezvolta bulele de solvent (locuri de nucleație, adică formarea bulelor de vapori pe cavități).

atunci când există un adaos de chips-uri de fierbere la un solvent și este încălzit, ar elibera bule foarte mici. Aceste bule mici împiedică lovirea, pierderea soluției și, prin urmare, permite lichidului să fiarbă mai ușor fără a fi supraîncălzit. Fără adăugarea de așchii de fierbere într-un solvent, lichidul încălzit ar putea fi definit ca supraîncălzit, o stare instabilă și, prin urmare, ar putea elibera o cantitate de bule de gaz dintr-o dată sau poate violent. Ca o consecință a expulzării bruște a vaporilor din recipientul lichidului, ar putea duce la distrugerea experimentului la provocarea arsurilor dure.

Ostwald maturarea

în ceea ce privește picăturile sferice și care sunt în contact cu vaporii lor, cele două raze situate în faza lichidă sunt egale și astfel mențin semne pozitive. Prin urmare, cu referire la ecuația Kelvin, presiunea vaporilor picăturii va fi mai mare decât același lichid cu o suprafață plană. Un exemplu este că pentru o rază a picăturii de apă de 10nm, creșterea presiunii vaporilor este de aproximativ 10%. Cu cât raza picăturilor este mai mică, cu atât presiunea vaporilor este mai mare. (Barnes 2005)

de exemplu, în cazul unui sistem de polidispersie (picături cu dimensiuni diferite), particulele mai mici au tendința de a se dizolva (adică. au o solubilitate mai mare) sau se evaporă atașându-se pe suprafața celor mai mari, determinând particulele mai mari să continue să crească cu timpul, dar particulele mai mici să dispară. Acest proces spontan cunoscut sub numele de maturare Ostwald a fost recunoscut pentru prima dată în 1896 de Wilhelm Ostwald. (Ostwald 1896)

un efect real al ecuației Kelvin apare în nori în care picăturile mai mari cresc așteptându-se să fie suficient de grele pentru a cădea ca ploaia. În mod similar, acest proces există și pentru cristalele conținute în soluții. Cristalele mai mari vor tinde să crească mai degrabă decât cele mai mici, rezultând un proces de maturare Ostwald. Acest proces este un efect important de îmbătrânire care apare în orice sistem polidispersat. Se poate observa în spume, emulsii, precum și în soluri apoase. (Adamson 1990)

în ceea ce privește instabilitatea spumei, motivul instabilității s-ar putea datora maturării Ostwald. Forța motrice a maturării Ostwald apare din cauza variației presiunii Laplace între bule de dimensiuni inegale, care sunt bulele de spumă mai mici și mai mari. (Barnes 2005)

bulele mai mici care au o presiune mai mare a gazului decât bulele mai mari determină un efect asupra stabilității spumei. Pentru perioada de depozitare a spumei, bulele cresc în câmpul gravitațional până la vârful lichidului datorită densității mari existente între faza lichidă și cea gazoasă. De aici, ele formează o structură vag închisă sau fagure de miere, din care lichidul se scurge formând spumă care se dovedește a fi uscător. Filmele subțiri create se pot prăbuși din cauza gravitației și pot provoca coalescența bulelor. Când se produce creșterea solubilității gazului cu presiune, gazul dintre bule este capabil să difuzeze de la bulele mai mici la cele mai mari. O bulă mare în spumă care este înconjurată de bule mai mici ar putea provoca în cele din urmă o gaură mare în structura spumei. (Hubbard 2002)

Ostwald maturarea este cauza instabilității spumei atunci când se observă o diferență de presiune mai mare a bulelor de spumă care sunt cam sferice. În cazul spumei poliedrice (cu lamelă lichidă plană), diferența de presiune a bulelor de spumă nu este mare și astfel instabilitatea spumei nu se datorează procesului Ostwald. (Tadros 2005)

deoarece suprafața bulei se comportă ca un comportament viscoelastic, procesul de maturare Ostwald în bule de spumă ar putea fi redus prin adăugarea unui gaz care este solubil numai în lichid. Ca urmare a acestui proces, are, de asemenea, un efect de scădere a suprafeței specifice în timp datorită particulelor foarte solubile. (Lyklema 2005) maturarea Ostwald este importantă, deoarece este utilizată pentru a crește eficiența atât în filtrarea industrială, cât și în cea analitică. (Barnes 2005)

condensare capilară

efectul Kelvin poate fi observat și în ceea ce privește condensarea capilară datorită existenței unei curburi, a unui menisc. Condensarea capilară apare din cauza adsorbției vaporilor într-un capilar care creează o suprafață lichidă cu rază mică de curbură. (Fisher 2002)

presiunea vaporilor lichidelor fiind mai mică decât cea a aceluiași lichid cu o suprafață plană este o consecință a poziționării razelor în faza de vapori. Dacă presiunea reală a vaporilor este mai mare decât presiunea vaporilor calculată prin utilizarea ecuației Kelvin pentru suprafața curbată, este probabil să apară condens. Presiunea reală a vaporilor pentru o suprafață plană poate fi mai mică decât presiunea vaporilor de saturație. (Patrick 2006)

pe măsură ce capilarul umplut prin condensare capilară apare, imediat se generează un menisc (care depinde de tensiunea superficială a lichidelor) la interfața lichid-vapori care permite echilibrul să fie sub Psat (presiunea vaporilor de saturație). La o presiune scăzută a vaporilor, lichidul se condensează pe o rază mai mică a capilarului. Pe măsură ce presiunea vaporilor crește, condensarea suplimentară a lichidului la capilarul cu rază mai mare este umplută, determinând creșterea razei meniscului (capilarul devenind plin). Ecuația Kelvin implică faptul că Pv/Psat se ridică în interiorul unui capilar, iar raza meniscului se va extinde în continuare, provocând crearea unei suprafețe mai plane. Prin urmare, condensarea vaporilor este capabilă să se producă fără probleme în intervalul presiunilor de vapori. Pentru orice interfață lichid-vapori care implică un menisc, ecuația Kelvin raportează, prin urmare, schimbarea dintre presiunea vaporilor de echilibru și presiunea vaporilor de saturație.

condensarea capilară ca factor important, este semnificativă atât în structurile poroase naturale, cât și în cele sintetice. Aceste structuri permit oamenilor de știință să recunoască conceptul de condensare capilară pentru a determina distribuția dimensiunii porilor, precum și suprafața prin izoterme de adsorbție. (Barnes, 2005)

• Adamson, W 1990, chimia fizică a suprafețelor, EDN 5, John Wiley & Sons, Canada
• Barnes, G.T 2005, Interfacial science, Ist edn, Oxford University press, Statele Unite
• CUBoulder Organic Chemistry, 2007, Boiling Chips, viewed 28 March, 2010
• Economic expert, 2010, Supersaturation, viewed 28 March, 2010
• Farlex, 2010, Kelvin equation, the free encyclopedia viewed 25 March, 2010,
• Fisher, LR & Israelachvili Jn 2002, știința interfacială coloidă, EDN 3, Elsevier Ltd, Statele Unite
• Gordon, m 1988, chimie fizică, EDN 5, McGraw-Hill, Statele Unite
• Hiemenz, CP 1997, principiile coloidului și suprafeței, 3 edn, Marcel Dekker, Statele Unite
• Hubbard, T 2002, Encyclopedia of Surface and coloid Science: Por Z, 2nd edn, Marcel Dekker, New York
• Lyklema, J 2005, fundamentele interfeței și științei coloidale, 2nd edn, Academic press, Londra, vol. 2, p.24
• Ostwald, W 1896. Lehrbuch der Allgemeinen Chemie, vol. 2, Partea 1. Leipzig, Germania.
• Sinko, PJ 2006, Martins physical pharmacy and pharmaceutical sciences, al 5-lea edn, Lippincott Williams și Wilkins, Philadelphia
• Tadros, Ft 2005, surfactanți aplicați: principii și aplicații 4th edn, edn, Wiley-VCH, Germania.
• the engineering toolbox, 2005, Introducere în vapori și abur, vizualizata 28 martie, 2010,
• Departamentul de Chimie UBC, 2002, Chips-uri de fierbere, vizualizata 28 martie, 2010
• Uci educație, 2005, punct de fierbere și distilare, RDG, vizualizata 28 martie, 2010 https://eee.uci.edu/programs/hongchem/RDGbpdostill.pdf