دانلود بهترين برنامه هاى كاربردى و مطالب درسى و كتاب هاى مذهبى و فرهنگى از به روزترين پيوند هاى سايت

آنتالپي : همه کم و بيش درکي شهودي از مفاهميم گرما ، فشار و حتي انرژي دروني داريم اما به نظر مي رسد در خصوص مفهوم فيزيکي آنتالپي اين گونه نباشد! براي نزديک شدن به اين درک ، قانون اول ترموديناميک را در نظر بگيريد. همان طور که مي دانيم اين قانون  در واقع بياني است از قانون پايستگي انرژي و با اين توضيح اضافي که گرما نيز صورتي از انرژي است. اين قانون را به طور کمي به صورت dQ=dU+dW بيان مي کنند که در آن d معرف تفاضل يا اختلاف است. همچنين کميت هاي W,U,Q به ترتيب گرما ، انرژي دروني و کار را نشان مي دهند. هر گاه در فشار ثابت حجم دستگاهي به مقدار کوچکي تغيير کند، دستگاه به اندازه ي dW=PdV روي محيط کار انجام مي دهد و يا بر عکس از طرف محيط روي دستگاه کار انجام مي شود. حال فرض کنيد در يک فرايند هم فشار انرژي دروني و حجم دستگاهي تغيير کند. در اين صورت به کمک قانون اول ترموديناميک و رابطه ي کار در فرايند هم فشار به سادگي به رابطه ي (dQ=d(U+PV مي رسيم که کميت داخل پرانتز يعني U+PV را با H نشان مي دهند و آن را آنتالپي مي نامند. در اين صورت داريم dQ=dH . بنابراين ، هرگاه  فرايندي هم فشار بر روي دستگاهي انجام شود گرماي داده شده يا گرفته شده از دستگاه با تغيير انتالپي آن برابر است. از همين رو آنتالپي را محتواي گرمايي دستگاه نيز مي نامند! از آنجا که در شيمي و مهندسي بيشتر فرايندها در فشار ثابت انجام مي شود مفهوم آنتالپي کاربرد زيادي دارد.  تعريف آنتالپي آنتالپي سيستم، تابعي ترموديناميکي است که با مجموع انرژي دروني سيستم و حاصلضرب حجم در فشار آن (در فشار ثلبت) در محيط سيستم، هم ارز است. به عبارت ديگر گرماي جذب شده بوسيله واکنشي که در فشار ثابت انجام مي‌گيرد، برابر با تغيير آنتالپي سيستم است. آنتالپي، همانند انرژي داخلي، تابعي از حالت سيستم و مستقل از راهي است که به آن حالت مي‌رسد.   حالت هاي ماده هر سيستمي اعم از جامد، مايع و گاز شامل اتمها يا يونها و يا مولکولهاي ساده اي است که بهم دو نوع نيروي مختلف اعمال مي کنند: 1-  جاذبه ي بين ذرات 2-  انرژي جنبشي جاذبه ي بين ذرات جاذبه ي بين اتمها، يونها و ملکولها به موارد زير تقسيم مي شود: الف: کنش يوني ب: قيد هيدروژني ( بويژه کنش دو قطبي) ج: کنش دو قطبي د: تحريک شدن  ناپايدار کنش دو قطبي   انرژي جنبشي انرژي جنبشي طبق رابطه ي زير داده مي شود: انرژي جنبشي مستقيماً با دماي مطلق متناسب است، زير سرعت مولکولي (u) يک گاز کامل از رابطه زير به دست مي آيد: M  جرم مولي حالت هاي جامد، مايع و گاز در حالت جامد، نيروي جاذبه مولکولي بر نيروي جنبش مولکولي غلبه دارد و موجب مي شود اتمها يا مولکولها در مجاورت يکديگر باقي بمانند. o                      در اينجا هندسه ي ثابتي در همسايگي اتمها وجود دارد o                      مجموعه ي اتمها داراي شکل و حجم معيني هستند در مايعات انرژي جنبشي بيشتر از حالت جامدات است. اين انرژي آن اندازه نيست که مولکولها را از هم جدا کند و به اندازه هم کم نيست که مولکولها در محاورت يکديگر ثابت بمانند. o                      در اينجا هندسه ي ثابتي در همسايگي اتمها وجود ندارد o                      مجموعه ي اتمها داراي شکل ثابتي نيست، اما داراي حجم ثابتي هستند o                      جامد و ماده هر دو حالتهاي فشرده ي ماده هستند. در گازها انرژي جنبشي در يک نقطه بيشتر از نيروهاي جاذبه است، بطوريکه اتمها و مولکولها کاملاً از يکديگر جدا مي شوند. o                      مجموعه اتمها منبسط مي شوند و حجم فضايي را که در آن قرار دارند، اشغال مي کنند.   انرژي دروني و تبادل حرارتي اگر به يک سيستم انرژي گرمايي (q) داده شود، انرژي دروني آن (U) افزايش مي يابد، و اگر سيستم روي محيط کار (w) انجام دهد، انرژي دروني آن کاهش مي يابد بطوريکه: dU = dq + dw که در آن کار انجام توسط سيستم منفي در نظر گرفته مي شود. براي يک سيستم پتانسيلي که کار انبساطي انجام دهد، آنتالپي (H) آن بصورت زير تعريف مي شود. در اينجا P  فشار و V  حجم سيستم است. PV نوعي انرژي است که به حاصلضرب فشار در حجم سيستم مربوط مي شود و کار انجام مي دهد.   در يک فشار ثابت، تغييرات آنتالپي (dH) يک سيستم برابر با گرماي اعمال شده بر سيستم.   بنابراين براي تغييرات جزئي سيستم داريم: dpdV حاصلضرب دو مقدار کوچک است که با صرف نظر کردن از آن خواهيم داشت: بنابراين با جايگذاري  (dq + dw) بجاي dU خواهيم داشت  به شرط بودن فشار ،  dp برابر صفر خواهد شد و داريم: در نهايت به قسمت dw توج کنيد. اگر سيستم هيچگونه کار الکتريکي يا مکانيکي و.. انجام ندهد، تنها کاري که مي تواند انجام دهد، کار ناشي از  pV  (انبساط) است.  در صورت ثابت بودن فشار، کار ناشي از انبساط تنها به  pdV مربوط خواهد شد.، و  هرگاه کار انجام شده منفي باشد،  pdV نيز منفي خواهد شد. براي يک سيستم در فشار ثابت، تغييرات آنتالپي سيستم برابر با گرمايي است که به سيستم داده مي شود.  تبادي حرارتي و تغيير حالت اگر به مقدار حرارت کسب شده و دماي ماده بررسي شود، مي توان ظرفيت گرمايي مواد را اندازه گيري کرد.   ·                       براي مثال مقدار حرارت لازم براي آنکه فشار در طي يک فرايند ثابت بماند. ·                       ظرفيت گرمايي در فشار ثابت Cp  و گرماي لازم بصورت زير تعريف مي شود. ·                       بنابراين Cp برابر شيب نمودار آنتلپي (H) و دما (T)  است. براي بسياري از مواد، ظرفيت گرمايي در فشار ثابت در هر دماي اختياري  T برابر است با شيب منحني نمودار آنتالپي و دما.    بنابراين روابط بيشتر بصورت هاي زير خواهد بود: و بالعکس، تغييرا آنتالپي براي رفتن از دماي  (T1) به دماي (T2)  تابع ظرفيت گرمايي ماده است. ·                       هنگاميکه  Cp در يک محدوده ثابت باشد، خواهيم داشت: ·                       در حالت کلي که ظرفيت گرمايي Cp تابع دما است با انتگرال گيري از Cp بصورت تابعي از دما خواهيم داشت: بنابراين ظرفيت گرمايي در فشار ثابت مشتق آنتالپي نسبت به دما است. و تغييرات آنتالپي انتگرال ظرفيت گرمايي در فشار ثابت است.   حالت تغييرات آب اگر آب را از حالت جامد آن (يخ) از 25°C- مورد بررسي قرار دهيم، و به آن تا   +125°Cحرارت بدهيم، (در فشار يک آتمسفر) داده هاي به دست آمده شبيه نمودار زير خواهد شد.   در تمام مراحل اين فرايند، فشار ثابت است. 1- بين منفي  25°C تا  o°C شيب نمودار ثابت است. Cp=37.6 J mol-1 K-1 2- در o°C چنين به نظر مي رسد که گرماي ويژه نامحدود است. اما آزمايش نشان مي دهد که گرماي ذوب (تابع آنتالپي يخ)  6.01 kJ mol-1 است. 3-  بين صفر تا 100 درجه ي سانتيگراد ظرفيت گرمايي آب برابر است با: 75.2 J mol-1 K-1 4- دو باره در 100 ئرجه ي سانتيگراد چنين به نظر مي رسد که گرماي ويژه ي آب ( آب جوش) بي نهايت است. اما تجربه نشان مي دهد که با گرفتن مقداري گرما از حالت مايع به حالت بخار در مي آيد. و براي آنتالپي تبخير  داريم: 40.7 kJ mol-1 حال به فرايند زير توجه کنيد که در آن اکسيژن و هيدروژن با يکديگر ترکيب شده و آب توليد مي کنند. در اينجا نيز فشار ثابت است، اما آنتالپي سيستم تغيير مي کند. در اين فرايند که تبديل گاز به مايع است فشار ثابت مي باشد و آنتالپي سيستم تغيير مي کند.                 انتروپي : معمولاً قانون دوم ترموديناميک را چنين توصيف مي کنند که انتروپي جهان در طي يک فرآيند خود به خودي افزايش مي يابد. سپس  ΔS معرفي مي شود. اما حقيقتاً انتروپي را چگونه مي توان توضيح داد؟ قانون دوم ترموديناميک يک برداشت منطقي از تجربه ي بشري است و از تئوري ها و معادلات پيچيده به دست نيامده است. بنابراين فکر کردن در مورد تجارب عادي مي تواند در درک مفاهيم انتروپي بسيار موثر باشد. اگر سنگي را برداشته و رها کنيم، خواهد افتاد. هنگامي که ماهي تابه را از روي چراغ گاز بر مي داريد،  ماهي تابه و مواد داخل آن سرد خواهد شد. آهن در هوا زنگ مي زند. اگر فشار در لاستيک بالا باشد، هوا از يک سوراخ کوچک آن به شدت خارج مي شود تا به فشار پايين اتمسفري برسد. تکه هاي يخ در يک اتاق گرم ذوب مي شوند. در اين فرآيند ها چه اتفاقي مي افتد؟ بعضي از انواع انرژي از تراکم به پخش شدن تغيير مي يابند. دوباره به مثال ها توجه کنيد تا اين تغيير را در همه ي آن ها بررسي کنيم. و اما قانون دوم ترموديناميک را چگونه مي توان براي توجيه جهان بکار برد؟ انرژي به طور خود به خودي پخش مي شود تا متمرکز نماند البته اگر عاملي آن را به تاخير نياندازد. اما مفهوم انتروپي و جهان چطيست در بسياري از متون مورد بحث قرار مي گيرد؟ به طور خلاصه انتروپي را از نظر مي گذرانيم ولي «جهان» فقط به معني «سيستمي است که شما  آن را به همراه محيط اطرافش مي بينيد . يعني هر چيزي که اطراف آن را بسته است». سيستم بعلاوه محيط اطرافش يعني جهان. حال به بررسي چند سيستم مي پردازيم. ۱.سنگ داراي انرژي پتانسيل است  و هنگامي که آن را رها مي کنيد انرژي پتانسيل به جنبشي تبديل مي شود. همچنين هنگام سقوط در هوا، مولکول هاي آن را کنار مي زند و مقداري از انرزي سنگ پراکنده مي شود. در مدت برخورد با زمين، مقداري انرژي صوتي ( هواي فشرده ) را پراکنده مي کند و اندکي باعث گرم شدن خود و زميني که به آن برخورد مي کند مي شود. پس از يک دقيقه که مقدار ناچيزي از گرماي برخورد را در هوا پراکنده کرد، ديگر بدون تغيير است. ولي انرژي پتانسيلي که سنگ در لحظه ي رها شدن داشت، اکنون در محيط اطراف پخش شده است کمي در حرکت مولکول هاي هوا و کمي گرم شدن زمين و هوا. سيستم :سنگ بالاي زمين و سپس روي زمين. محيط اطراف:هوا به همراه زمين. ۲.اتم هاي آهن در ماهي تابه داغ به سرعت در حال ارتعاش هستند. بنابراين انرژي حرکتي در ماهي تابه داغ متمرکز است. انرژي حرکتي اگر بتواند پخش مي شود. هر گاه مولکول هاي هواي سردتر اتاق به ماهي تابه داغ برخورد مي کنند اتم هاي مرتعش آهن مقداري از انرژي خود را به مولکول هاي هوا منتقل مي کنند. بنابراين انرژي متمرکز ماهي تابه پخش مي شود و به طور وسيع تر بين مولکول هاي هوا تقسيم مي شود. سيستم: ماهي تابه و محيط اطراف : هواي اتاق. ۳. اتم هاي آهن و مولکول هاي اکسيژن موجود در هوا شامل يک انرژي شيميايي در ميان پيوندهاي شيميايي خود هستند که اين انرژي از انرژي موجود در زنگ آهن (اکسيد آهن) بيشتر است.  اين دليل واکنش اکسيژن با آهن است: آزاد کردن انرژي از سطح انرژي بالاتر موجود در پيوندهاي اکسيژن به همراه پيوندهاي آهن و شکل دادن سطح انرژي پايين تر موجود در پيوند هاي اکسيد آهن٫ با همه اين اختلاف در انرژي پخش شدن در محيط اطراف به صورت گرما نيز داريم يعني واکنش گرمازا است و مولکول هاي محيط را وادار مي کند که سريع تر حرکت کنند. سيستم: آهن٫ اکسيژن و اکسيد آهن. محيط اطراف: هواي نزديک٫ رطوبت يا نمک به همراه هر چيزي که با زنگ آهن در تماس است.     انتروپي چيست؟ انتروپي پخش شدن خود به خودي انرژي را نشان مي دهد: در يک دماي خاص،چه مقدار انرژي در يک فرآيند پخش مي شود يا با چه وسعتي پخش مي شود. ΔS =ΔHfusion/T or ΔHvaporization/T بعبارت ديگر انتروپي (S) کميتي ترموديناميکي است که اندازه‌اي براي درجهٔ بي‌نظمي در هر سيستم است. هر چه درجهٔ بي‌نظمي بالاتر باشد، آنتروپي بيشتر است. بنابراين براي يک مادهٔ معين در حالت تعادل دروني کامل  داريم: انتروپي جامد ميزان کارتورگي يا بي‌نظمي يک سيستم که به عنوان معيار خودبخودي واکنش بکار مي‌رود، آنتروپي ناميده مي‌شود که برحسب  J/K.mol  بوده و با S نمايش داده مي‌شود.   قانون دوم ترموديناميک و آنتروپي قانون اول ترموديناميک به معرفي انرژي دروني  U  منجر شد. اين کميت تابع حالتي است که بر مبناي آن، مجاز بودن يک فرآيند مورد قضاوت قرار مي‌گيرد و ‌بيان مي‌دارد که فقط تحولاتي مجاز است که انرژي داخلي کل سيستم منزوي، ثابت بماند. قانوني که ملاک خودبخودي بودن را مشخص مي‌سازد (قانون دوم ترموديناميک) ، برحسب تابع حالت ديگري بيان مي‌شود. اين تابع حالت، آنتروپي  S  است.  ملاحظه خواهيم کرد که بر مبناي آنتروپي قضاوت مي‌کنيم که آيا يک حالت بطور خودبخودي از حالت ديگري قابل حصول مي‌باشد. در قانون اول با استفاده از انرژي داخلي، تحولات مجاز مشخص مي‌شود (آنهايي که انرژي ثابت دارند). از قانون دوم با استفاده از آنتروپي ، تحولات خودبخودي از بين همان فرآيندهايي مشخص مي‌شود که بر مبناي قانون اول مجاز مي‌باشد.  بيان قانون دوم آنتروپي سيستم منزوي در يک فرآيند خودبخودي افزايش مي‌يابد
  که ، آنتروپي تمام قسمتهاي سيستم منزوي مي‌باشد. از آنجايي که فرآيندهاي برگشت ناپذير (مانند سرد شدن شيئي تا دماي محيط و انبساط آزاد گازها) خودبخودي است، در نتيجه همه آنها با افزايش آنتروپي توام مي‌باشند. اين نکته را مي‌توان به اين صورت مطرح کرد که در فرايندهاي برگشت ناپذير آنتروپي توليد مي‌شود. از طرف ديگر ، در فرايند برگشت پذير توازن وجود دارد، يعني سيستم با محيط در هر مرحله در تعادل است. هر مرحله بسيار کوچک در اين مسير برگشت پذير بوده و پخش نامنظم انرژي روي نمي‌دهد و در نتيجه آنتروپي افزايش نمي‌يابد، يعني در فرآيند برگشت پذير آنتروپي ايجاد نمي‌شود. آنتروپي در فرآيندهاي برگشت پذير از بخشي از سيستم منزوي به بخش ديگري منتقل مي‌گردد.   تعريف آماري آنتروپي بر مبناي تعريف آماري ، فرض مي‌شود که در واقع مي‌توانيم با استفاده از فرمول ارائه شده توسط لووديگ بولتزمن (Ludwing Boltzmann) در سال 1896 ، آنتروپي را محاسبه کنيم:  k ثابت بولتزمن است. اين ثابت به صورت  به ثابت گاز ربط دارد. کميت W تعداد راههاي متفاوتي است که سيستم مي‌تواند با توزيع اتمها يا مولکولها بر روي حالتهاي در دسترس به انرژي خاصي برسد. واحد آنتروپي با واحد k يکسان است. در نتيجه واحد آنتروپي مولي،  مي‌باشد؛ (اين با واحد R  و ظرفيت گرمايي يکي است.  تعريف ترموديناميکي انرژي در روش ترموديناميکي ، تمرکز بر روي تغيير آنتروپي در طول يک فرايند dS  مي‌باشد، نه مقدار S. تعريف dS  بر اين مبناست که مي‌توان ميزان پخش انرژي را به انرژي مبادله شده به صورت گرما ، در حين انجام فرايند ربط داد. تعاريف آماري و ترموديناميکي با هم سازگار مي‌باشند. در شيمي فيزيک اين يک لحظه نشاط آور است که بين خواص توده‌اي (که مورد نظر ترموديناميک است) و خواص اتمها يک ارتباط برقرار شود.   تغيير آنتروپي محيط تغيير آنتروپي محيط را با علامت 'dS نشان مي‌دهيم. علامت پريم مربوط به محيط سيستم واقعي که در سيستم منزوي بزرگ قرار دارد، مربوط مي‌شود. محيط را با يک مخزن حرارتي بزرگ (عملا يک حمام آب) نشان مي دهيم که در دماي T باقي مي ماند. مقدار گرماي منتقل شده به مخزن در اثر انجام کار مانند سقوط يک وزنه را با  'dq نشان مي‌دهيم که اين گرما به مخزن منتقل مي‌شود. هرچه مقدار گرماي بيشتري به مخزن منتقل شود، حرکت حرارتي بيشتري هم در آن ايجاد مي‌شود و از اين رو ، پخش انرژي به ميزان بيشتري اتفاق مي‌افتد. يعني: از اين نکته استنباط مي‌شود که اگر گرما به مخزن سردي منتقل شود، کيفيت انرژي نسبت به موردي که آن گرما به مخزن گرمتري داده شود، انحطاط بيشتري خواهد داشت. در مورد اخير مي‌توانيم در اثر جاري شدن گرماي 'dq از يک مخزن سرد به مخزن سردتري کار استخراج کنيم، اما اگر اين گرما مستقما به مخزن سردتر منتقل شود، استخراج چنين کاري امکان پذير نيست.  نتيجه مي‌گيريم که اگر مقدار معين انرژي به صورت گرما به مخزن گرمي داده شود، آنتروپي کمتري ايجاد مي‌شود تا اينکه آن انرژي به مخزن سردي داده شود. ساده‌ترين راهي که مي‌توان اين وابستگي دمايي را به حساب آورد، چنين است. T دمايي است که در آن دما ، انتقال گرما صورت گرفته است. براي يک تغيير قابل اندازه گيري در دماي ثابت چنين داريم: وقتي که مقدار زيادي حرکت حرارتي در دماي پايين ايجاد شود، تغيير آنتروپي بزرگي اتفاق مي‌افتد. براي فرآيند آدياباتيک q'=0  when ∆S'=0 اين نتيجه براي هر فرآيندي (برگشت پذير يا برگشت ناپذير ) صحيح است. تا زماني که مناطق گرم محلي در محيط ايجاد نشود، يعني زماني اين نتيجه صحيح است که محيط، تعادل دروني خود را حفظ کند. اگر مناطقي محلي بوجود آيد، انرژي از اين مناطق بطور خودبخودي پخش مي‌شود و در نتيجه آنتروپي توليد مي‌شود. موقعي که يک واکنش شيميايي با تغيير آنتالپي ∆H  در سيستمي انجام مي‌شود، گرمايي که در فشار ثابت وارد محيط مي‌شود، برابر با  بنابراين تغيير آنتروپي محيط برابر است با   انتروپي جامدات با فرض صادق بودن قانون سوم ترموديناميک مي‌توان بصورت زير مقدار مطلقي براي انتروپي جامدات در دماهاي بالا بدست آورد:: در صورتي که مادهٔ مورد نظر در دماهاي بالا تحت استحاله‌هاي فازي قرار گرفته و حالت آن تغيير يابد، بايد از صورت کلي فرمول انتروپي به شکل زير استفاده کرد:   که در اين فرمول، Tm دماي ذوب، Tv دماي جوش،ΔHm تغيير آنتالپي در اثر ذوب، ΔHv تغيير آنتالپي در اثر جوش و (Cp(l)، Cp(s و (Cp(g به ترتيب ظرفيت گرمايي ماده در حالت جامد، مايع و گاز در فشار ثابت هستند.   انتروپي و آنتالپي گازها جدول زير فشرده اي از روابط بين گرما، حجم، فشار و انتروپي و آنتالپي گازها را ارائه داده است.     مقدمه : حلاليت از مهمترين و کاربردي ترين مفاهيم مورد استفاده در شيمي و مهندسي شيمي است . در اين پديده ذرات حلال اطراف ذرات حل شونده را احاطه کرده و با برقراري پيوند با آنان سعي در جدا نمودن ذرات حل شونده از هم مي کنند اگر ذرات از هم جدا شده و توسط حلال احاطه شوند انحلال صورت پذيرفته است در غير اينصورت جسم بطور کامل حل نمي گردد  در چنين حالتی سه حالت مختلف بوجود می آيد . حل شونده می تواند به ميزان بسيار کم در جلال حل شود در چنين مواردی گفته می شود که جسم حل نمی شود اگر چه حتی در اين حالت هم به مقدار بسيار کم حل شونده حل می گردد . اگر حل شدن به مقدار بيشتر از اين حالت حل شود در اين حالت گفته می شود که جسم کم محلول است و جسم می تواند به مقدار بسيار خوبی هم حل شود در اين حالت گفته می شود که جسم حل شونده است . حلاليت را از ديدگاههاي مختلفي مي توان طبقه بندي نموده و مورد بررسي قرار دهيم . از يک ديدگاه مي توان انواع انحلال را به چند دسته اصلي تقسيم کرد .     1-            انحلال گاز در گاز : ( Gas in Gas  )   تقريباٌ تمامي گازها بطور خيلي کاملي در هم حل مي شوند و ترکيبات همگني را مي سازند .  حرکت سريع مولکولهاي گاز و فاصله ميان مولکولها و نيروي جاذبه بين ذرات که نيروي ضعيفي است سبب انحلال گازها در يکديگر مي گردد . نمونه بارز اين مورد را مي توان به هوا اشاره کرد که مخلوطي از اکسيژن و نيتروژن و آرگون و چند گاز ديگر است . و بطور بسيار عالی همگن است .   2-            انحلال گاز در مايع : (Gas in Liq  ) اين پديده را مي توان با نفوذ مولکولهاي گاز در مايع توضيح داد ولي اين انحلال براي اکثر گازها مقدار کمي است هرچند گازهايي مانند آمونياک در آب بخوبي حل مي شوند و از اين خاصيت براي جداسازي آمونياک از آب در صنايع پتروشيمي استفاده مي شود ولي از نمونه هاي عيني آن مي توان به هواي حل شده در آب و يا گاز موجود در نوشابه ها اشاره کرد که با جوشاندن و يا باز نمودن درب نوشابه از آن خارج مي شوند.       3-                       انحلال مايع در مايع : (Liq in Liq  ) شايد مهمترين بخش انحلال در مهندسي شيمي بخش انحلال مايع در مايع است که از آن براي استخراج ( Extraction ) مايعي امتزاج ناپذير در مايع ديگري استفاده مي گردد که بحث تفصيلي آن را مي توان در کتابهاي عمليات واحد و انتقال جرم يافت . در اين مورد مهمترين عامل انحلال را مي توان همانندي يا مغاير بودن پيوندها دانست .  مشخص شده است که مايعات داراي پيوندهاي قطبي در حلالهاي داراي پيوندهاي قطبي بخوبي حل مي شوند و برعکس امکان پذير نيست . از طرفي پيوند هاي هيدروژني هم بنوبه خود نقش مهمي را ايفا مي کنند و همين پيوندها سببب انحلال فوق العاده عالي الکل در آب است .   4-                       انحلال جامد در مايع : ( Solid in Liq  ) جامدات نيز در مايعات داراي درجه انحلال پذيري متفاوتي هستند و در اينجا هم نوع پيوندهاي موجود در حل شونده و حل کننده داراي اهميت زيادي است . اگر پيوند ميان ذرات حل شونده قويتر از پيوندهاي ميان ذرات پس از حل شدن باشد انحلال به ميزان بسيار جزئي صورت مي گيرد بطوريکه در بسياري از موارد انحلال قابل چشم پوشي است و اصطلاحاٌ گفته مي شود که جسم حل نمي شود . نمونه بارز اينگونه موارد را مي توان انحلال جامدات کووالانسي نظير الماس در حلالهاي معمولي دانست که قدرت پيوند کووالانسي بقدري زياد است که ذرات حلال قطبي قادر به جدا کردن ذرات حل شونده نيستند . جامدات يوني در حلالهاي قطبي تقريباٌ بخوبي حل مي گردند چون پيوند ايجاد شده ميان ذرات پس از انحلال قويتر از پيوند ميان ذرات قبل از انحلال است . بدين ترتيب سيستم به ترکيب همگني مي رسد که در آن ذرات حل شونده از اطراف توسط ذرات حلال محاصره شده اند .   5-                       انحلال جامد در جامد ( Solid in Solid  ) جامدات بطور عادي در هم حل نمي شوند چون جنبش مولکولي آنها بگونه اي نيست که ذرات همديگر را از  شبکه خارج نمايند و در همديگر حل شوند . جامدات را ابتدا بايد ذوب کرد و سپس آنها را باهم مخلوط کرد و مخلوط را به آرامي سرد کرد. آلياژهاي موجود در بازار خود حاصل اين انحلال است .  انحلالها را مي توان از ديدگاه ديگري نيز به دو دسته ديگر طبقه بندي کرد . 1- انحلالهاي خود بخودي 2 - انحلالهاي غير خود بخودي فرايندي اگر تمايل به پيشرفت در جهتي داشته باشد که هيچ نيروي خارجي بر آن اعمال نشود را فرايند خودبخودي مي نامند . دو عامل خودبخودي بودن واکنشها و فرايندها را مي توان کاهش سطح انرژي و افزايش ميزان بي نظمي بر شمرد .  اگر فرايندي در جهتي حرکت کند که آنتالپي آن کاهش و آنتروپي آن افزايش يابد ، فرايندي کاملاٌ خودبخودي است . براي تمامي فرايندها  مي توان رابطه زير را معتبر دانست                                              ∆G =  ∆H - T∆S                                                                                                           براي فرايندهاي خودبخودي0  ∆G براي فرايندهاي گرماگير هم نقش دما تاثير زيادي دارد و در دماهاي بالا چون ترم T∆S داراي اهميت زيادتري است پس چگونگي فرايند توسط تغييرات انتروپي کنترل مي گردد . انحلال گازها در مايعات با کاهش انتروپي همراه هستند و براي فرايندهاي خودبخودي انحلال گاز در مايع بايد تغييرات آنتالپي چنان زياد باشد که اين کاهش انتروپي را خنثي کرده و ∆G را منفي کند . انحلال جامدات با افزايش ميزان بي نظمي همراه است و اگر∆H  واکنش منفي باشد يعني فرايند گرمازا باشد اين انحلال بخوبي صورت مي گيرد .   براي فرايندهاي گرمازا  : q+ S → S aq باافزايش دماي سيستم حلاليت کاهش مي يابد براي فرايندهاي گرماگير : S + q → S aq با افزايش دما حلاليت افزايش مي يابد در حالتي که سيستم اشباع شده است  پتانسيل شيميايي جزء حل شده در فاز جامد و فاز مايع با هم برابرند و فرايند به حالت تعادل رسيده است . در چنين حالتي تعادل در مقياس ماکروسکوپيک ايستا ولي در مقياس ميکروسکوپيک فرايند ديناميک است و ذرات وارد فازي شده و از فاز ديگري خارج مي شوند اما سرعت تبادل ذرات بين دو فاز باهم برابر است و تغييري در سيستم ديده  نمي شود . افزايش دماي سيستم يعني گرما دادن به ترکيب تعادل را طبق اصل لوشاتليه در جهتي جابجا مي کند که تغيير اعمال شده را تعديل کند و بنا به گرمازايي و يا گرماگيري فرايند ، واکنش بسمت توليد محصولات بيشتر يا بطرف مواد اوليه رانده مي شود . معمولاٌ انحلال همراه با کاهش و يا افزايش دماي سيستم است اگر فرايند گرمازا باشد گرماي آزاد شده به ذرات سيستم داده مي شود و سبب افزايش دماي کلي سيستم مي گردد و در صورتيکه فرايند گرماگير باشد گرماي مورد نياز خودرا از محيط اطراف خود يعني محلول گرفته و سبب کاهش دماي کلي سيستم شده و در اصطلاح سيستم را سرد مي کند . گرماي آزاد شده و يا مصرف شده را گرماي انحلال مي نامندو با H∆  نمايش مي دهند . در اين آزمايش هدف يافتن مقدارH∆ انحلال جامدي مانند اسيد بتزوئيك در حلالي مانند آب و در دماهاي مختلف است . در اين آزمايش با انحلال مقدار مشخصي اسيد بنزوئيك جامد بعنوان جامد مورد آزمايش در آب و تيتر كردن آن بوسيله باز NaOH  در دماهاي مختلف مقدار با داشتن مقدار سود مصرفي و بدست آوردن مقدار مولاليته اسيد بنزوئيك در هر دما با ترسيم داده ها در نمودار Log ms  بر حسب 1/T  مقدار H∆ انحلال اسيد بنزوئيك را بدست مي توان آورد .   با انتگرال گيري از رابطه زير . dT Hm,sol,A ( T) / RT2)∆) ∫ ln ( γA .xA) =   به رابطه ميان مولاريته و 1/T مي رسيم كه اين رابطه اينگونه است   ( 1/T2 -1/T1)                   Rln xB ≈ ∆ Hm,sol,A   در اين آزمايش مقدار 1 گرم اسيد بنزوئيك جامد را در cc 200  آب مقطر ريخته و دما داده تا مقداري از آن در آب حل شود . حرارت دادن را تا جايي ادامه مي دهيم كه دماي مخلوط به Cº 70 برسد بعد از رسيدن به اين دما اجازه مي دهيم تا محلول سرد شود تا به دماي Cº 60 برسد در اين دما مقدارcc 10 از محلول را برداشته و در ارلني كه قبلا وزن كرده ايم مي ريزيم محتويات را دوباره وزن مي كنيم و با كسر مقدار جديد از وزن اوليه ارلن مقدار وزن محلول را مي يابيم سپس دو قطره فنل فتالئين به ارلن افزوده و با سود 0.1 نرمال تيتر مي كنيم تا جايي كه رنگ محتويات ارلن ارغواني شود يعني اسيد و باز همديگر را خنثي كنند . براي ارلن بعدي cc10 را در دماي  Cº 50 برداشته و باز با مقداري سود تيتر كرده و حجم سود مصرفي را يادداشت مي كنيم . همين عمل را براي دماهاي 40 و 30 هم تكرار كرده و در هربار مقدار مساويcc 10 از محتويات بشر را برداشته و با سود تيتر مي كنيم و هر بار مقدار حجم مصرفي سود را يادداشت مي كنيم . با استفاده از مقدار سود مصرفي در هر بار تيتر كردن ميزان گرم اسيد بنزوئيك را يافته و با تقسيم بر وزن محلول برداشته شده از بشر مقدار مو لاليته را در هر دما بدست مي آوريم . اين محاسبات در قسمت محاسبات آمده است . با بدست آوردن مولاليته و رسم ديتاها در نمودار Log ms  بر حسب 1/T مقدار H∆ انحلال اسيد بنزوئيك را بدست مي توان آورد كه برابر شيب خط رسم شده است . معلومات عددي اين آزمايش در جدول زير خلاصه شده است .   60 50 40 30 Temparature 62.87 51.36 44.88 61.92 Vessel weight 67.84 56.35 49.86 67.13 VESS.Wt+SOUL.Wt 4.97 4.99 4.98 5.21 SOLUTION . Wt 2.3 2.4 2.6 2.9 BASE VOLUME (cc)   محاسبات : N1×V1 = N2×V2   با داشتن مولاريته باز كه 0.1 است مقدار ملاريته براي اسيد بنزوئيك در هر دما را مي يابيم . براي مورد اول در دماي 60 درجه داريم كه : N1×5=0.1×2.9 كه در اين مرحله مقدار مولاريته محلول اسيد بنزوئيك برابر با 0.058 بدست مي آيد تعداد مولهاي اسيد بنزوئيك در اين مرحله با ضرب مو لاريته در حجم مقدار مولهاي اسيد بنزوئيك بدست مي آيد.. تعداد مولهاي بدست آمده را بر وزن محلول تقسيم كرده تا مقدار مولاليته بدست آيد . در دماي 60 مقدار مولاليته 0.01113 بدست مي آيد ساير محاسبات نيز چنين است . نتيجه محاسبات در جدول زير آمده است 30 40 50 60 Temperature 4.97 4.99 4.98 5.21 M 0.046 0.048 0.052 0.058 A 0.00925 0.00961 0.01044 0.01113 ms -2.03386 -2.03386 -2.03386 -2.03386 Log ms    نمودار: كه مقدار بدست آمده براي H∆ انحلال از اين نمودار برابر با 278.63/2.303R است كه با داشتن مقدار  R  مقدار آنتالپي انحلال يافته مي شود . در اين آزمايش مقدار H∆ واکنش برابر است با : = 5.334 Kj/mol H∆   نتيجه گيری : مقدار واقعي براي H∆ اين واکنش در مراجع شيمي است و دليل اختلاف اين آزمايش وجود خطاهاي موجود در آزمايش است . در هر آزمايش مقدار حجم مورد استفاده جهت تيتراسيون ويا خطاهای موجود در خواندن دما از ترمومتر می تواند عامل اصلی دوری نتيجه واکنش از مقدار واقعی آن باشد .    منابع  : شيمي فيزيك / اتكينز –  پي –  دبليو شيمي فيزيك / آلبرتي دستوركار آز – شيمي فيزيك مقدمه : در عمليات جذب سطحي انتقال يك جز از فاز گاز يا مايع به سطح جامد صورت مي گيرد از كاربردهاي اين فرايند مي توان به رنگبري شربت قند و تصفيه روغنهاي صنعتي يا خوراكي و حذف مواد آلاينده از هوا يا مخلوط گازهاي ديگر اشاره كرد. واژه جذب سطحي براي تشريح اين حقيقت به كار مي رود كه غلظت مولكولهاي جذب شده در سطح تماس جامد بيشتر از فازگاز يا محلول است .جذب روي يك سطح جامد به علت نيروي جاذبه اتم ها يا مولكولها در سطح آن جامد است در عمل جذب سطحي نيروهاي مختلفي اعم از فيزيكي و شيميايي موثرند و مقدار آن بستگي به طبيعت ماده جذب شده وجسم جاذب دارد و به اين دليل مي توان مثلا ماده اي  را كه در يك مخلوط وجود دارد را جدا نمود چند مثال که در ادامه بيان شده است نمايانگر طبيعت عمومي جداسازي ها خواهد بود و کاربرد هاي اصلي آن را نشان مي دهد .  در حالت جداسازي هاي گازي  از فرآيند جذب ، در رطوبت زدائي ها هوای خشک و ديگر گازها ،بوزدائي و جداسازي ناخاليصيها از گازهاي صنعتي مثل دي اکسيد کربن ، بازيابي حلالهاي پرارزش از مخلوط رقيق آنها با هوا يا گازهاي ديگر، و جداسازي مخلوطي از هيدروکربن هاي گازي مانند مخلوطي از متان ، اتيلن ، اتان ، پروپيلن و پروپان استفاده مي شود. از فرآيندهاي جداسازي مايع مي توان رطوبت زدائي بنزين، رنگ زدائي محصولات نفتي و محلولهاي آبکي قندي، بوزدائي و طعم زدائي آب، و جداسازي هيدروکربن هاي آروماتيکي و پارافيني ، را نام برد . که هرکدام از اين موارد در صنعت کاربرد وسيعی داشته و بنا به مورد و شرايط محدوده کاری از آن استفاده می شود اين عمليات ها همه از اين جهت مشابه هستند که در آنها مخلوطي که بايد تفکيک شود با يک فاز نامحلول ديگر تماس حاصل مي نمايد( مانند جاذب جامد) و پخش نامساوي مواد اوليه بين فاز جذب شده ر وي سطح جامد و توده سيال موجب جداسازي مي شود . دو مكانيزم اصلي براي جذب سطحي وجود دارد: 1.جذب فيزيكي 2.جذب شيميايي   جاذبها : جامدي كه بر روي سطح آن جذب اتفاق مي افتد جاذب يا سوسترا مي نامند مايع جذب شده را مجذوب مي نامند .جذب سطحي بر روي سطح مشترك جامد مايع به وقوع مي پيوندد . جامدهاي جاذب معمولا به شکل گرانول ( ذرات کروی شکل با قطر چند ميلی متر) مصرف مي شوند و اندازه آنها از 12 ميليمتر قطر تا 50 ميکرومتر متغير است. جامدها بايد بر اساس کاربرد و موقعيت مصرف داراي بعضي خواص مهندسي باشند. براي مثال اگر از آنها در يک بستر ثابت با جريان گاز يا مايع استفاده مي شود، نبايد اختلاف فشار زيادي ايجاد کنند و همچنين نبايد توسط جريان سيال به خارج حمل شوند. آنها بايد از مقاومت و سختي خوبي برخوردار باشند تا در اثر حمل و نقل و همچنين در اثر وزن خود در بستر خرد نشوند. در صورتيکه بخواهيم آنها را از ظروف نگهداري به داخل و خارج انتقال دهيم، بايد به راحتي جريان پيدا کنند. اينها خواصي هستند که به راحتي شناخته مي شوند. خاصيت جذب جامدها يک مسئله ديگر است. جذب يک پديده عمومي است و تمام جامدها، گازها و بخارات را مقداري جذب مي کنند. ولي در اهداف صنعتي تنها بعضي جامدات ظرفيت جذب لازم را دارند. پس جامداتي که داراي خاصيت جذب بسيار ويژه اي هستند و به مقدار زياد جذب انجام مي دهند، طبيعت شيميايي آنها با خواص جذب رابطه دارد. ولي صرف شناسايي شيميايي، براي مفيد بودن آن کافي نيست. براي مثال استخراج، تمام نمونه هاي خالص بوتيل استات که اسيد استيک را از آب استخراج مي نمايند داراي قدرت يکسان هستند. اين حالت براي خواص جذبي سيليکاژل نسبت به بخار آب صادق نيست. اين خواص جذبي بيشتر بستگي به روش ساخت ماده و سابقه جذب و دفع مواد روي آن دارد.   ذغال هاي رنگ بر اين مواد به شکل هاي مختلف ساخته مي شود: 1)                       مخلوط کردن مواد گياهي با مواد معدني مانند کلريد کلسيم، کربنيزه کردن، و شست شوي مواد معدني 2)                       مخلوط کزدن موادآلي مانند خاک اره با مواد متخلخل مثل سنگ آتشفشاني(سنگ پا) و حرارت دادن و کربنيزه کردن تا زماني که مواد کربني در سطح مواد متخلخل رسوب نمايند 3)                       کربينزه کردن چوب، خاک اره، و مشابه آن وفعال سازي با هواي داغ يا بخار، ازليگنيت و ذغال بيتومينوس به عنوان مواد اوليه استفاده مي شود. از اين مواد براي اهداف زيادي مانند رنگ زدائي محلولهاي شکر، مواد شيميايي صنعتي، داروها و مايعات خشک شوئي، تصفيه آي، تصفيه روغنهاي گياهي و حيواني، و در بازيابي طلا و نقره از محلولهاي سيانور حاصل از شستشوي سنگ معدن، استفاده مي شود.   اين ماده گرانولي و سخت است و داراي تخلخل زيادي است و از ژل رسوب شده توسط واکنش بين اسيد و محلول سيليکات سديم بدست مي آيد. مقدار رطوبت آن قبل ز استفاده، از 4 تا 7 درصد متغير است و معمولا براي خشک کردن هوا و گازهاي ديگر، در ماسکهاي ضد گاز، و براي تفکيک هيدروکربنها به کار مي رود. اين ماده با تبخير ترکيب جذب شده براي مصرف مجدد آماده مي شود. وقتي که يک جاذب جامد در داخل يک مايع خالص غوطه ور مي شود، ايجاد حرارت که بنام حرارت خيس شدن معروف است، نشاندهنده جذب مايع است. اما غوطه ور سازي راه موثري براي اندازه گيري مقدار جذب نيست. تغيير حجم قابل ملاحظه اي براي اندازه گيري جذب شده رخ نمي دهد و بيرون آوردن و وزن کردن آن نيز تفاوت بين مايع جذب شده و مايع که به صورت همراه آمده را به دست نمي دهد. اين مسئله در جذب سطحي گازها وجود ندارد، و تغيير وزن جامد بر اثر جذب قابل اندازه گيري است.   شرح آزمايش: در اين آزمايش 6 نمونه 1 گرمی ذغال فعال را به دقت وزن کرده و سپس 6 محلول اسيد استيک به غلظت هاي 0.5 مولار، 0.25 مولار، 0.12 مولار، 0.09 مولار ، 0.03 مولار و 0.015 مولار آماده مي نماييم. از هر محلول فوق به اندازه 100 سي سي در هر ارلن مي ريزيم. نمونه هاي يک گرمي ذغال را همزمان با هم به ارلن هاي محتوي 100 سي سي محلول اسيد استيک اضافه مي کنيم. درب آنها را بسته و به مدت يک ساعت روي همزن مغناطيسي قرار مي دهيم تا به طور يکنواخت هم بخورد، البته در آزمايشگاه به دليل عدم وجود دستگاه و زمان کافي محلول را يک روز در محيط آرام قرار مي دهيم. پس از گذشت 24 ساعت، يک ساعت محلول هيدروکسيد سديم0.1 مولار را، وسيله اگزاليک اسيد يا 0.1 KHP نرمال که معرف آن فنل فنالئين است تيتر مي کنيم. هر يک از محلول هاي عنوان شده در بالا از اسيد استيک را به وسيله سود تيتر مي کنيم. تا غلظت هر کدام از آنها به دست آيد. البته لازم به ياد آوري است که محلول 0.03 نرمال از اسيد استيک را که از ابتدا به دست آمده بود را به عنوان مقايسه گرد توسط سود تيتر مي کنيم. ميزان سود مصرف شده در هر مرحله را يادداشت مي کنيم. حال بر اساس رابطه N1V1=N2V2 ، ميزان غلظت اسيد را بدست مي آوريم.   محاسبات : چونکه اسيد استيک يک ظرفيتي است (n=1) M=N M acet *V acet =M naoh*Vnaoh Mw(acet)=60 g/mol   0.015 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 مولاريته اسيد 0.5 1.5 4 6.5 10 12 حجم سود مصرف شده(cc)   Vacet=10 cc Mnaoh=0.1 M acet=(0.1*12)/10=0.12 * (Mo-Me) جرم مولکولي* حجم نمونه (ليتر) x=(0.15-0.12)*60*0.1=0.1801 اسيد جذب شده به ازاي هر گرم جاذب              x/m=0.1501   0.0601 0.0901 0.1201 0.15013 0.1201 0.1801 x/m -1.221 -1.0453 -0.92046 -0.8238 -0.92046 -0.7445 Log (x/m) 0.005 0.015 0.04 0.065 0.1 0.12 Ce(md/lit) -2.301 -1.8239 -1.3979 -1.1871 -1.0 -0.9208 Log (Ce)   Log x/m =log k+ t log Ce اگر بهترين معادله خط را از بين داده هاي بالا عبور دهيم: Log k=-0.51676 , k=0.3042 T=0.2983 , x/m=0.3042 Ce^0.2983   نتيجه گيري : در فشارهاي متوسط و رو به پايين جذب معادله همدماي فروندليچ بهتر از معادله همدما لانگ موير ميزان جذب را پيش بيني مي كند در جرم جاذب ثابت تنها با افزايش اسيد ميزان جذب در فشار ثابت افزايش مي يابد .   منابع: عمليات واحد مهندسی شيمی - مک کيب ، اسميت ، هريوت شيمي فيزيك - اتكينز –  پي –  دبليو شيمي فيزيك-آلبرتي مقدمه :   فرايندهاي ذوب جامدات  را مي توان با استفاده از اصل مينيمم انرژي آزاد گيبس توجيه كرد.در اين فرايندها كه در فشا ر و دماي ثابت رخ مي دهد بر اساس تر موديناميك در جهتي حركت مي كند كه انرژي آزاد گيبس حداقل باشد. مهمترين وساده ترين كاربرد ترموديناميك در سيستمهاي است كه از لحاظ شيميايي به تبديل فاز مواد خالص مربوط شود.جهت يافتن شرايط تغيير فاز مي توان از نمودار فازي كه دماها و فشارهايي را كه در آن هر فاز ساده پايدارترين فاز آن ماده است را نشان مي دهد استفاده نمود گرما سبب ازدياد حرکت مولکولهاي موجود در شبکه بلور جامد مي گردد اين ازدياد حرکت در هر سه بعد حرکت انتقالي و چرخشي و ارتعاشي صورت مي گيرد . حرکت مولکولها بتدريج زياد شده و کم کم قدرت پيوندهاي ميان ذرات کاهش مي يابد تا جايي که اين مولکولها از قيد شبکه رها شده و داراي حرکت آسانتري مي گردند . در اينگونه موارد اصطلاحاٌ گفته مي شود که جامد ذوب مي گردد حال اگر همچنان به ترکيب گرما داده شود حرکت مولکولها نيز افزايش يافته و تا جايي مي رسيم که مولکولها خود را از سطح مايع رها کرده و وارد فاز گاز مي شوند و باصطلاح مايع تبخير مي شود . اگر اين فرايند در محيط بسيار بزرگي رخ دهد که تمام ذرات وارد شده به فاز گاز در محيط پراکنده شوند تمام ماده تبخير مي گردد ولي اگر محيط محدود باشد اين تبخير به جايي مي رسد که تعداد ذرات وارد شده به فاز گاز و خارج شده از آن به فاز مايع با هم برابر مي شوند و فرايند به حالت تعادل مي رسد در چنين مواقعي بخار ايجاد شده بر سطح مايع فشاري را به سطح مايع وارد مي کند که بنام فشار بخار معروف است . درمورد دماي ذوب نيز نقش اساسي در بالا يا پايين بودن دوماي ذوب را پيوندهاي ميان ذرات ايفا مي کنند و هرچه پيوندهاي ميان ذرات محکمتر باشد دماي ذوب بالاتر است و به علت انسجام بالاي پيوندهاي کوولانسي معمولاٌ اينگونه مواد داراي دماي ذوب بالاتري نسبت جامدات يوني و يا مولکولي هستند چون اساساٌ پيوندهاي کوولانسي نسبت به پيوندهاي يوني و واندروالس و يا يون دو قطبي داراي استحکام بيشتري هستند . در جنين مواردي با استفاده از مفهوم پتانسيل شيميايي و اين نکته که در حالت تعادل پتانسيل شيميايي يک جزء در دو يا چند فاز با هم برابر است مي توان براي چندين غلظت مختلف از حلال و مقدار معيني از گونه مورد آزمايش و با داشتن رابطه ميان کسر مولي و دماي ذوب ، دماي ذوب ماده مورد نظررا در حالت خالص آن يافت . در اين آزمايش بااستفاده از تولوئن دماي ذوب نفتالين يافته شده است . نفتالين ماده اي آلي است با دو حلقه بنزني به هم پيوسته ، از خانواده هاي مواد آروماتيکي و با فرمول C10H8 است. تولوئن نيز ماده اي آلي است با يک حلقه بنزني و در گروه آروماتيکي قرار دارد  با فرمول مولکولي C6H5-CH3 اين ماده قادر است که نفتالين را در خود حل کند و در اين آزمايش بعنوان حلال استفاده مي گردد . بعلت همخانواده بودن نفتالين و تولوئن انحلال اين ماده در تولوئن تقريباٌ آسانتر از ساير مواد معدني صورت مي گيرد و ترکيب ايجاد شده داراي همگني بيشتري نسبت به ساير ترکيبات است .   شرح آزمايش:   در اين آزمايش هدف يافتن نقطه ذوب نفتالين است ولي براي اين کار اجازه داديم تا تمام نفتالين در تولوئن ذوب شود و سپس ترکيب را گذاشته تا بلور نفتالين تشکيل گردد . دليل اين کار اين است که خواندن دما براي رنجي که در آن انحلال يا ذوب عملي پيوسته است عملي مشکل است ولي خواندن نقطه تبلور چون در يک نقطه صورت مي گيرد آسانتر و دقيقتر است .   براي اين كار مقداري معلوم  از نفتالين را در لوله آزمايشي قرار داده و به آن مقداري تولوئن اضافه مي كنند نفتالين جامد در تولوئن مايع حل نمي شود  از اينرو مخلوط را در حمام آب داغ قرار داده تا در نتيجه اين انتقال گرما آرام آرام نفتالين ذوب شود شود اين كار در آزمايش اول بعلت دماي پايين لوله آزمايش و محتويات لوله چندين دقيقه طول مي كشد ولي در مراحل بعدي اين اتلاف وقت كمتر مي گردد . پس از اينكه نفتالين ذوب شد بلافاصله لوله آزمايش را خارج كرده و منتظر مي مانيم كه نفتالين موجود در محلول شروع به جامد شدن كند چون در شرديط دمايي و فشاري يكسان نقطه ذوب و انجماد يك ماده خالص بر هم منطبق است به محض مشاهده حالت انجماد دما را يادداشت مي كنيم . براي بار دوم به همان لوله اول مقدار 1 ميلي ليتر تولوئن اضافه كرده و آزمايش را مجدد انجام مي دهيم . افزايش تولوئن سبب مي گردد كه كسر مولي نفتالين تغيير كند . تكرار آزمايش براي چند بار تعداد نقاطي را به ما مي دهد كه با رسم اين نقاط در دستگاه مختصات و عبور بهترين خط راست از اين نقاط  نمودار كسر مولي نفتالين بر حسب معكوس دما ايجاد مي گردد . از آنجايي كه تولوئن در محيط وجود دارد مقدار زيادي از گرماي داده شده به محتويات لوله صرف افزايش دماي تولوئن مي گردد پس نقاط بدست آمده نمي توانند بيانگر نقطه ذوب نفتالين باشند  به همين علت با برون ياببي از نمودار ايجاد شده در كسر مولي برابر 1 يعني در Ln X = 0  يعني جايي كه نفتالين  خالص موجود است مي توان دماي نقطه ذوب نفتالين را يافت .   از رابطه زير براي مخلوط بنزن و نفتالين استفاده مي شود و جوابهاي بدست امده با مقادير تجربي همخواني خوبي دارند .                                      Ln X = -∆Hf / R [1/T-1/Tf ]     نتايج بدست آمده از اين آزمايش در جدول زير آمده است   5cc 4cc 3cc 2cc Toluen (cc) 72 73.5 75 77.5 Temperature       محاسبات :    در هر مورد كسر مولي نفتالين را با داشتن مقداار مول تواوئن مي توان يافت . بدين منظور ابتداء بايد با استفاده از چگالي تولوئن و با داشتن مقدار حجم تولوئن استفاده شده در هر مرحله آزمايش ، جرم تولوئن را يافته و با استفاده از جرم مولي آن را به مول تبديل کرد اطلاعات مورد نياز فهرست شده اند .                                                                                                         128.15 =    Mw Naf    13.92 =    Mw Tolu 866.0= Toluρ در هر مورد مي توان جرم تولوئن موجود در لوله آزمايش را با ضرب حجم مايع در دانسيته آن بدست آورد mToluen = ρToluen × VToluen                                                                                                                        در مورد آزمايش اول مي توان نوشت 0.866=1.372×2   gToluen و تعداد مولها نيز از رابطه زير مي توان نوشت   No moles of Tolue= 1.372 ÷ 92.13 =0.0188 براي نفتالين هم تعداد مولها چنين است . No moles of  Naf = 5 ÷ 128.15 = 0.039 محاسبات براي ساير موارد نيز به همين ترتيب است و نتايج در جدول زير آمده است .   2 3 4 5 6 7 8 V Toluen (cc) 84 82 80 79 78 77 75 Temperature 0.0174 0.0273 0.0371 0.0463 0.0547 0.0636 0.0737 Nb 0.691 0.588 0.512 0.457 0.416 0.380 0.346 Xa   نتايج بدست آمده را ترسيم نموده و دماي ذوب نفتالين را براي نفتالين خالص يعني در نقطه تقاطع خط ايجاد شده و محور طولها دماي ذوب نفتالين را مي يابيم . از روی نمودار دماي ذوب نفتالين 88.87 براي نفتالين بدست مي آيد . نتيجه گيري : واضح است که هرچه فشار بخار مايعي کمتر باشد مقدار گرماي مورد نياز براي تبخير ماده کمتر است و ماده در دماي کمتري به جوش مي آيد . مقدار واقعي دماي ذوب نفتالين برابر با 2.80 بدست مي آيد . دليل اصلي تفاوت مقدار يافته شده در اين آزمايش و مقدار واقعي خطاهاي موجود در آزمايش است که شايد مهمترين خطا در اين آزمايش خطا در خواندن دماي نقطه تبلور است که بعلت رنگ بسيارملايم نفتالين متبلور شده مشکل است . خطاهاي آزمايشگرها و خطاهاي دستگاهها هم نقش مهمي در اين انحراف دارند بطور کلي خطاي اين آزمايش را مي توان اينگونه بدست آورد .   منابع خطا از جمله عواملي که باعث اختلاف بين دماي ذوب محاسبه شده با آنچه در منابع است اين است که درجه خلوص نفتالين ممکن است در آزمايشگاه کم است. دومين خطا در تشکيل فاز محلول کاملا شفاف يعني اينکه محلول را هم نزنيم. اگر لوله آزمايش را تکان ندهيم ممکن است محلول شفاف شود ولي هنوز ماده جامد در ته لوله موجود باشد. سومين خطا در تشخيص دقيق نقطه دماي ذوب است.و رسوب موجود در لوله مي باشد   منابع: شيمی فيزيک / اتکينز دستور کار آز شيمی فيزيک دياگرام فازي سيستمهاي سه جزئي                                                گيبس                                                       کاربرد عمليات استخراج : استفاده از عمل استخراج مايع بيشتر در مواقعي که اين عمل تنها روش جداسازي است انجام مي شود.   مقايسه عمليات استخراج با ديگر عمليات انتقال جرم :   در اين حالت قيمت نسبي اهميت پيدا مي کند. در استخراج، محصول به صورت محلولي جديدي است که اغلب توسط تقطير يا تبخير خالص مي شود. براي مثال در تقطير محلول رقيق اسيد استيک، اين اسيد به سختي از آب جدا مي شود. ولي با استخراج توسط يک حلال مناسب و سپس توسط عمل تقطير، به صورت نسبي جدا مي شود.در مورد محلولهاي رقيق وقتي آب بايد در عمل تقطير جدا شود، عمل استخراج اقتصادي تر است.   کاربرد عمليات استخراج در جداسازي هايي که توسط روشهاي ديگر ممکن نيست :   در تقطير وقتي که در اثر حرارت دو فاز مايع و بخار حاصل مي شود، اين دو فاز الزاما از مواد مشابهي ساخته شده اند و در نتيجه  از نظر شيميايي مشابه هستند. بنابراين جداسازي به علت اختلاف در فشار بخار مواد حاصل شده است. در استخراج مايع جزء اصلي دو فاز از نظر شيميايي متفاوتند و اين امر جداسازي به صورت شيميايي را ممکن مي سازد.   شرح آزمايش : وسايل و تجهيزات لازم : 1.قيف جدا کننده 2 عدد 2. پيپت حبابدار 10 ميلي ليتري 1 عدد 3.ارلن ماير 100  ميلي ليتري 1 عدد 4.بشر 100 ميلي ليتري 2 عدد 5. بورت مخصوص کلروفرم در اين آزمايش سيستم سه جزئي آب و اسيد استيك و كلروفرم مورد بررسي قرار مي گيرد .  اين آزمايش از نوع سيستمهاي سه جزئي متشكل از فازهاي مايع است . آب و كلروفرم درهم امتزاج ناپذير هستند و هنگامي كه اين دو را باهم مخلوط مي كنند به علت   اين امتزاج ناپذيري دو فاز متفاوت تشكيل مي دهند . اگر چه اين دو به مقدار بسيار جزئي در هم  حل     مي گردند . اسد استيك داراي ساختمان هيدروكربني است كه بعلت داشتن هيدروژن‌ ، توانايي تشكيل پيوند هيدروژني با آب و كلروفرم را دارد . با افزودن اسيد استيك به مخلوط اين دو اسيد ميان دو فاز توزيع مي گردد و با افزايش تدريجي اسيد ، اسيد شروع به انحلال اين دو در خود مي كند و تركيب فازها را تغيير مي دهد تا آنكه مخلوط به يك فاز تبديل مي شود . براي اين آزمايش مي بايست ابتدا دو ماده كلروفرم و آب را بايد به هم اضافه كرد و سپس به مخلوط اسيد استيك اضافه كرد تا محلول تك فاز بسازد . ولي ما در اين آزمايش بعلت محدوديت مواد اوليه وهمچنين براي تشخيص بهتر نقطه تبديل به محلول تك فاز ابتدا اسيد استيك را به كلروفرم اضافه كرده و آب مقطر را بتدريج به محلول اضافه كرده تا محلول كدر بوجود آيد كه نشان مي دهد كه محلول به سيستم سه جزئي تبديل شده است . شکل زير شکل شماتيک اين نمودار را مي دهد .   اين كار را چندين بار براي حجمهاي مختلف اسيد و كلروفرم تكرار كرده و هربار مقادير آب اضافه شده را به آن يافته و برنمودار رسم كرده و نمودار سه جزئي اين سه جزء ايجاد مي گردد . آزمايش از حجم cc 10  اسيد وcc 2  كلروفرم آغاز مي شود و تا حجمcc 1 اسيد وcc 11 كلروفرم پايان مي يابد و در هر مورد مقدار آب مصرفي را بدست آورد . اضافه كردن اسيد استيك به كلروفرم بايد زير هود صورت گيرد زيرا كلروفرم ماده بيهوش كننده اي است  و تا اندازه اي نيز خطر ناك است و توسط بورت نيز آب به مخلوط اين دو اضافه مي گردد . سپس مقادير بدست آمده را توسط چگالي هر ماده به گرم تبديل گرديده و با با جمع كردن جرمهاي كل مقدار جرم كل را بدست آورده و با تقسيم جرم هر جزء به حجم كل كسر جرمي را يافته و نمودار  را بصورت كسر جرمي كاليبره مي كنيم . البته نمودار را برحسب كسرمولي نيز مي توان كاليبره كرد  ولي كسر جرمي معمولتر است .   مقادير بدست آمده از اين آزمايش در جدول زير آمده اند .   حجم هاي مورد استفاده در هر آزمايش Substance 1 cc 2 cc 4 cc 6 cc 8 cc 10 cc CH3COOH 11 cc 10 cc 8 cc 6 cc 4 cc 2 cc CHCl3 0.7 cc 0.9 cc 1.2cc 2.3 cc 4 cc 7 cc H2O     محاسبات: براي يافتن جرم هر جزء داشتن چگالي آن جزء الزامي است . H2O  = 1 Kg/litρ CH3COOH  = 1.05 Kg/litρ CHCl3  = 1.47 Kg/litρ با ضرب حجم هر جزء در چگاليش مقدار جرم آن يافته مي شود .                                                               H2O ×VH2O = m H2Oρ 7*1=7          CH3COOH ×VCH3COOH = m CH3COOHOρ 10*1.05=10.5                                  CHCl3 ×VCHCl3= m CHCl3ρ 2*1.47=2.94   جرم كل را در مورد اول برابر مجموع كل جرمها است .   m total = 7+10.5+2.94=20.44 و كسر جرمي هر جزء نيز محاسبه مي گردد CH3COOH : 10.5 / 20.44 = 0.514 CHCl3 : 2.94 /20.44=0.144 H2O : 7/20.44 = 0.342   نتايج كل محاسبات در جدول زير آمده است .   Exp 6 Exp 5 Exp 4 Exp 3 Exp 2 Exp 1 Substance 0.7 0.9 1.2 2.3 4 7 H2O ( 1) 1.05 2.1 4.2 6.3 8.4 10.5 CH3COOH(2) 16.17 14.7 11.76 8.82 5.88 2.94 CHCl3(3) 17.82 17.7 17.46 18.92 20.84 20.44 Total - Wt 0.039 0.05 0.07 0.132 0.218 0.342 Wt %-1 0.059 0.119 0.245 0.362 0.460 0.514 Wt %-2 0.902 0.831 0.685 0.506 0.322 0.144 Wt %-3     آزمايش نشان مي دهد که نتايج يافته شده چندان هم دور از نتايج واقعي يافته شده  نيست وانحراف از حالت مطلوب بخاطر خطا در آزمايش است که اين خطا ناشي از خطاهاي آزمايشگر و خطاهاي دستگاه است در هر آزمايش اندازه گيري حجم بطور دقيق ممکن نمي باشد و اگر آزمايشگر بطور عمود به درجه بندي ها نگاه نکند خواندن حجم خود مي تواند بزرگترِن عامل خطا و دوري از حالت استاندارد شود .   منابع : شيمي فيزيك / اتكينز –  پي –  دبليو شيمي فيزيك / آلبرتي دستوركار آز – شيمي فيزيك مقدمه: الکتروليت هاي ضعيف به ميزان جزئي در آب يونيزه مي شوند و با يونهاي خود در تعادل هستند. اما الکتروليت هاي قوي به طور کامل در آب يونيزه مي شوند . به طور کلي اصول تعادل شيميايي را مي توان در مورد سيستمهاي تعادل شامل مولکولها يا يونها  در محلول آبي نيز به کار برد. در آب خالص يونهاي H3O+ و OH- با مولکولهاي H2O که از آن به بوجود آمده اند در تعادلند . مثلا اسيد ضعيف HC2H3O2 در آب به صورت يک الکتروليت ضعيف عمل کرده و به طور ناقص يونيزه مي شود . مولکولهاي حل شده اسيد با يونهاي خود در حال تعادلند . براي تفکيک اين اسيد در آب داريم :   HC2H3O2 + H2O                 H3O+ + C2H3O2-   ثابت تعادل اين واکنش به صورت زير است:   در تمام محلولهاي رقيق ، با تقريب جزئي غلظت آب را ثابت مي گيرند . در واقع عده اي مولکولهاي آب به کار رغته براي تشکيل H3O+ در مقايسه با عده بسيار زياد مولکولهاي موجود آب ناچيز است .   حال اگر [H2O] را با Ka` جمع کنيم خواهيم داشت :   به طور معمول غلظت يون هيدرونيم را با  [H+] نشان مي دهند . بنابراين هم معادله تفکيک و هم معادله ثابت تعادل به صورت زير خواهد بود :   HC2H3O2                 H+ + C2H3O2-   تئوري آزمايش: درجه تفکيک ( α ) : α يک الکتروليت ضعيف در محلول آبي کسري از غلظت کل الکتروليت است که در حال تعادل با فرم يوني مي باشد ، اين مقدار معمولا به صورت درصد يونيده شده که α100 است بيان مي شود . بر طبق يک قرارداد ثابت در فرآيندهاي يونش برگشت پذير ، يونها در سمت راست معادله نوشته مي شوند . در نتيجه عبارتهاي مربوط به غلظت يونها در صورت کسر Ka قرار مي گيرند . در انجا اشاره به يک نکته ضروري است ، غلظتهاي تعادلي را نبايد بر حسب غلظت نوشت  ، اين غلظت ها بر حسب فعاليت بيان مي شوند . ( فعاليت يک يون عبارت است از يک غلظت نظري که برهمکنشهاي بين يوني را نيز به حساب مي آورد ) اما در محلول هاي رقيق الکتروليت هاي ضعيف غلظت يونها بسيار کوچک است ، به طوري که جاذبه هاي بين يوني به راحتي قابل صرف نظر کردن هستند . بنابراين بيان غلظت ها پاسخ دقيقي را خواهد داد . علاوه بر اسيدها و باز هاي ضعيف يونهاي معيني نيز وجود دارند که مانند يک اسيد يا باز ضعيف عمل مي کنند. ثابت يونش اسيد استيک در دماي  برابر است با: Ka=1.8E-5 ثابتهاي يونش براي سيستمهاي تعادلي معمولا در دماي استاندارد  گزارش مي شوند. ثابت تعادل تابع دما است و با دما تغيير مي کند و براي محلولها تابعيتي از فشار ندارد . براي محلول رقيق اسد استيک نيز مي توان با استفاده از اين فرمول ثابت تعادل اسيد استيک را يافت .  در محلولهاي رقيق غلظت با فعاليت برابر است و مي توان بجاي فعاليت از آن استفاده کرد . براي تعيين غلظت راههاي مختلفي وجود دارد تيترکردن ، استفاده از خاصيت الکتروليتي و … از راههاي مختلف تعيين غلظت است . يکي از راههاي سنجش غلظت روش PH متري است در اين روش با استفاده از PH متر مقدار غلظت يون H3O+ را بدست مي آورند . در اين روش از سنسورهايي استفاده مي گردد که نسبت به تغيير ولتاژ ناشي از تغيير غلظت يون هيدرونيوم حساس است استفاده مي گردد براي استفاده از PH متر بايد ابتداء دستگاه را کاليبره کرد يعني با استفاده از دو محلول بافري با دو PH مشخص  دستگاه را تنظيم مي کنند و PH ساير مواد را با استفاده از اين دستگاه کاليبره شده استفاده مي کنند . براي کاليبره کردن PH متر براي سنجش PH اسيدها از دو محلول بافري با PH 7 و 4 استفاده مي گردد . براي PH متري بازها از دو PH 4 و 7 استفاده مي گردد . دليل استفاده از PH 7 اين است که خروجي ولتاژ از PH متر براي PH 7 در هر دمايي برابر صفر است و منحني PH براي تمام مواد از اين نقطه مي گذرد .  معادلات تفکيک کلي براي اسيدها را به دو دسته مي توان تقسيم کرد . دسته اول آنهايي که بطور کامل تفکيک مي شوند اين اسيدهاي قوي بازاي همان مول مقدار اوليه اسيد به همان مقدار هم يونهاي مثبت و منفي ايجاد مي کنند. دسته دوم آنهايي هستند که به ميزان جزئي در محلولهاي آبي تفکيک مي شوند براي اين مواد مي توان معادلات تفکيک را اينگونه نوشت : HA ↔ H+  + Aˉ α      α         α -1    و ثابت تعادل را از رابطه زير مي توان يافت  :                               α-1  / )α×α(  = Kc = [Aˉ] [H+] / [HA]   با داشتن مقدار α براي هر مورد مي توان K را براي هر واکنش تعادلي يافت . در اين آزمايش هدف يافتن K ( ثابت تعادل تفکيک) اسيد استيک است اسيد استيک با فرمول CH3COOH  داراي قدرت اسيدي نه چندان قويي است و در محلولهاي آبي به مقدار جزئِي تفکيک مي شوند . براي اين منظور غلظتهاي مختلف اسيد استيک را ساخته و در دماهاي متفاوت با استفاده از PH متر مقدار PH را يافته و از آن مقدار K را يافته و مقادير يافته شده را در نموداري رسم کرده و شيب نمودار يا H∆ تفکيک اسد را مي يابيم . براي اينکار لازم است ابتداء محلولهاي مورد نظر را بسازيم . اسيد استيک ابتدايي اين واکنش داراي نرماليته 0.5 است و آزمايش با محلول 0.1 مولار آغاز مي شود پس لازم است ابتداء با استفاده از رابطه N1×V1 = N2×V2 محلول سازي شود. از cc100 اسد اوليه مقدار cc 20 اسيد را برداشته و در بالن 100 ميلي ليتري ريخته و حجم را به 100 ميلي ليتر مي رسانيم به همين ترتيب غلظتهاي ديگر را از هر غلظت جديد ساخته شده بدست مي آوريم   با فرض اينکه غلظت اوليه اي از اسيد داشته باشيم معادلات مربوط به تفکيک اسيد اينگونه است :     CH3COOH  ↔ CH3COOˉ  + H +                                                      - α) C                αC              αC1) و براي ثابت تعادل داريم :    ( K= [ CH3COOˉ] [ H+] / [ CH3COOH]  = α² C ² / ( 1-α) C = α² C / ( 1 - α PH = - log [ H+]   [ H+] = α C → PH = -log α – log C   در هر مورد و در هر دما مقدار PH را براي محلولها يافته و در هر سري PH متر را براي بافر 7 و سپس 4 در همان دما کاليبره کرده و PH سنجي را از محلول رقيقتر آغاز کرده تا به محلول رقيقتر برسيم . با داشتن غلظت اوليه اسيد و يافتن PH در هر دمايي مقدار α را از معادله بالا يافته و از آن مقدار K را براي هر دما مي يابيم با رسم داده ها در دستگاه ln K و 1/T شيب خط ايجاد شده برابر باH / R  ∆ است .     مقادير عددي PH در دماهاي مختلف در جدول زير آمده است . 0.0125 0.025 0.05 0.1 Concentration 3.13 3.11 3.07 3.05 PH @ 30˚ 3.10 3.09 3.06 3.03 PH @ 40˚ 3.09 3.07 3.05 2.89 PH @ 50˚ 2.93 2.88 2.88 2.75 PH @ 60˚   در هر مورد مقدار α را نيز بدست مي آوريم PH = -log α – log C 2.75 = -log α – log .1  0.0178= α با داشتن اين مقدار ثابت تعدل را مي يابيم K= [ CH3COOˉ] [ H+] / [ CH3COOH]  = α² C ² / ( 1-α) C = α² C / ( 1 – α) K = 3.225E-5   ساير محاسبات نيز اينگونه است  نتايج در جدول زير ليست شده اند .  در هر مورد مقادير α و K براي هر غلظت در دماي معين محاسبه شده است . در تمامي موارد PH متر ابتدا توسط محلولهاي بافر 7 و 4 کاليبره شده اند و سپس PH متري را از محلولهاي رقيقتر آغاز کرده ايم تا به محلولهاي غليظتر برسيم و در هر بار تيغه PH متر را توسط آب مقطر شستشو داده ايم چون در غير اين صورت و يا شروع PH متري با محلولهاي غليظ مقداري از يون هيدرونيوم محلول غليظتر در تيغه شيشه اي نفوذ کرده و باعث تغيير PH  براي محلولهاي رقيقتر مي شود پس لازم است که PH متري را از محلولهاي رقيق شروع کرده و سپس تيغه را با آب مقطر شستشو دهيم .   Kav 0.0125 0.025 0.05 0.1 Concentration   2.354E-5 4.672E-5 2.479E-5 1.469E-5 7.992E-6 K   30˚ 0.0593 0.0310 0.0170 0.0089 α   2.631E-5 5.382E-5 2.729E-5 1.540E-5 8.730E-6 K   40˚ 0.0635 0.0325 0.0174 0.0093 α   2.984E-5 5.648E-5 2.991E-5 1.612E-5 1.685E-5 K   50˚ 0.0650 0.0340 0.0178 0.0129 α   6.996E-5 1.219E-5 7.329E-5 5.424E-5 3.225E-5 K   60˚ 0.0940 0.0527 0.0324 0.0178 α     با رسم نمودار  مقدارH ∆ تفکيک را مي توان يافت . براي هر مورد مقدار متوسط H ∆ را مي يابيم   H = 1465.9×8.314×2.303=28.06 Kj/mol ∆ نتيجه گيری : خطاهای موجود در آزمايش می تواند شامل خطا در  اندازه گيری حجمها در محلول سازی است ويا دستگاهها هم می توانند خود عامل خطا باشند .   منابع : شيمی فيزيک / اتکينز دستور کار آز شيمی فيزيک مقدمه : ويسكوزيته ( لزجت) خاصيتي است كه سيال به وسيله آن در مقابل تنش برشي مقاومت مي كند .با افزايش دما لزجت گازها افزايش مي يابد اما لزجت مايعات كاهش مي يابد اين تفاوت را مي توان با بررسي عوامل لزجت توضيح داد. هر فازي در مقابل حرکت توده هاي خود داراي مقاومت مي باشد . اين مقاومت براي فاز گاز ناچيز و براي فاز جامد خيلي زياد مي باشد . مايعات نيز در برابر حرکت لايه هاي خود از خود مقاومت نشان مي دهند . لزجت سيالات يعني مقاومت آنها به تنش برشي ناشي از دو عامل است: 1.نيروي جاذبه مولكولي 2.تبادل مومنتوم مولكولي براي مايعات بيشتر تحقيقات بر عبور مايع در لوله ها معطوف شده است و بيشتر روابط موجود نيز براي مايعات با سرعتهاي مختلف در لاله ها با قطر و زبريهاي  متفاوت بدست آمده اند .حرکت يک مايع در درون لوله مي تواند شامل سه بخش عمده باشد 1-                       حرکت آرام ( Laminar Flow ) در اين نوع حرکت لايه هاي مايع به آرامي برروي هم مي لغزند و حرکت مايع ادامه مي يابد طول اين ناحيه بنا به سرعت اوليه مايع يا زبري سطح لوله مي تواند کوتاه يا بلند باشد . 2-                       ناحيه گذار ( Transition Zone ) در اين ناحيه حرکت آرام مايع کم کم به حرکت اغتشاشي تبديل مي گردد و معمولاٌ طول اين ناحيه بسيار کوتاه است . 3-                       حرکت مغشوش ( Torbulent Flow ) در اين ناحيه مايع حرکت آرام خود را از دست داده و ذرات مايع داراي حرکات کتفاوتي در جهتهاي مختلفي مي شوند اين ناحيه ممکن است داراي زير لايه اي باشد که در آن هنوز حرکت مايع آرام باشد . در مايعات فاصله مولكولها بسيار نزديكتر از گازها است لذا نيروي جاذبه مولكولي در گازها كمتر از مايعات است از اين رو عامل اصلي لزجت مايعات نيروي جاذبه مولكولي است اما در گازها جاذبه مولكولي بسيار كم است مقاومت گازها به تنش برشي عمدتا ناشي از تبادل مومنتوم مولكولي است. مايعات با سرعت اوليه وارد لوله مي گردند و لايه هاي زيرين که در مجاورت ديواره هاي لوله هستند سرعتشان صفر مي گردد لايه هاي مجاور اين لايه ها متاثراز لايه هاي ساکن از سرعت اوليه شان کاسته مي شود و لايه هاي بالاتر تز اين لايه ها تحت تاثير اين لايه ها سرعتشان کاسته مي شود ولي اين تاثير کمتر از لايه قبلي است همينطور اين تاثير لايه قبلي کاسته مي شود تا جايي که سرعت سيال بربر با سرعت اوليه مي شود و آنجا پايان لايه مرزي است . ممکن است قطر لوله آنقدر کم باشد که لايه هاي مرزي تداخل پيدا کنند و يا ممکن است ديواره هاي لوله آنقدر از هم فاصله داشته باشند که حتي لايه هاي مرزي به همديگر هم نرسند . اين تاثير لايه ها را و نيروي بازدازندگي آنها را اصطلاحاٌ نيروي برشي يا Shear Stress ناميده مي شود و با نماد τ نشان داده مي شود . اين نيروي برشي افقي متناسب است با تغييرات سرعت به تغييرات ارتفاع . و ويسکوزيته را براي سيالات دراي حرکت  kinematic viscosity  نشان مي دهند و داراي رابطه زير است. ويسکوزيته معيار بسيار مناسبي براي روانروي يا گرانروي سيالات در لوله ها مي باشد براي سيالت غليظ که داراي گرانروي بالايي هستند اين مقدار مقدار بزرگي است مانند روغنهاي اتومبيل و براي آنهايي که براحتي حرکت مي کنند و روانروي خوبي دارند اين مقدار کوچکي مي باشد مانند آب . با محاسبات ابعادي براي ويسکوزيته در حالت ديناميک (Dynamic viscosity  ) مي توان واحد آن را بدست آورد که واحد آن Pa . s يا بطور مشابه N.s/m²  و يا Kg / m.s است که آنرا با CP  نيز نمايش مي دهند .  100 centipoise =  1g/cm.s = 0.1 Pa.s   معمولاٌ ويسکوزيته را در دماي معيني اندازه مي گيرند و به عنوان مرجع از آن استفاده مي کنند براي آب خالص اين مقدار در دماي20 درجه اندازه گيري شده است و برابر است با1.0 cP (at 20°C).   و اين آب مرجع و مبناي محاسبات ساير وسکوزيته ها براي ساير مواد مي باشد . براي     Kinematic viscosity واحد ν  در سيستم SI برابر با m²/s است و در سيستم cgs هم برابر با stokes يا در برخي موارد هم با(centistokes (cS نشان مي دهند m²/s 0.0001  = s ²/ cm 1= 1 stokes = 100 centistokes     شرح آزمايش: در اين آزمايش مطلوب محاسبه ويسکوزيته آب و کلروفرم خالص و ترکيب اين دو با نسبت معين است . در هر بار ويسکومتر را با مايع مورد آزمايش تا خط نشان پر کرده و با انگشت دهانه دستگاه را گرفته و سپس دهانه را رها کرده تا مايع آرام آرام شروع به پايين آمدن کند دستگاه طوري طراحي شده است که زمان بدست آمده براي هربار حرکت مايع ميان دو خط نشان دستگاه برابر با ويسکوزيته مايع مي باشد براي هر مايع سه بار آزمايش را انجام داده و در صورتي که نتايج از هم فاصله داشته باشند دو بار ديگر نيز انجام داده مي شود تا نتايج داراي صحت و دقت بالاتري باشند بعد زمان ميانگين را بدست آورده و ويسکوزيته مايع در آن غلظت برابر زمان بدست آمده است . براي هربار استفاده از دستگاه حتماٌ بايد دستگاه با مايع مورد نظر شسته شود چون وجود ناخالصي بشدت بر ويسکوزيته تاثير مي گذارد . در هر بار آزمايش بايد دقت شود که هيچ حبابي در لوله نباشد چون وجود حباب در حرکت مايع اختلال ايجاد کرده و باعث خطاي معين مي گردد استفاده از مواد رنگي براي اينکه وجود حباب را نشان دهد در دقت محاسبات بسيار موثر است .   نمودار حاصل از ويسکوزيته و غلظت در دستگاه غلظت  ويسکوزيته رسم مي گردد . Time (S) Composition 3.52 Pure Water 5.59 0.75W – 0.25 Gl 10.10 0.5 W – 0.5 Gl 44.24 0.25 W - 0.75 Gl 143.32 Pure Gl               نتيجه گيري : مقاديري كه براي ويسكوزيته آب و گليسرين و تركيب آن دو به دست ميايد با مقاديري كه در جداول وجود دارد كمي تفاوت داردمقدار ويسکوزيته آب خالص در 35 درجه برابرE-6×.0804 و براي گليسيرين  E-3×2.1 مي باشد . دليل اختلاف نتايج اين آزمايش و مقادير واقعي خطاهاي موجود در آزمايش مي باشد که اين خطاها ناشي از عدم دقت در آزمايش و خطادر هنگام ثبت زمانو نيز خلوص مواد بكار رفته  وخطاهاي معين وسايل آزمايش مي باشد .مسلما مواد با گرانروي بيشتر ويسكوزيته بيشتري دارند. منابع خطا: يکي از منابع خطا عدم وجود دقت کافي در استفاده از کرنومتر مي باشد.و نيز عدم شستن صحيح دستگاه در هنگام استفاده براي درصدهاي مختلف است .   جذب سطحی اسید استیک روی زغال فعال        زغال فعال شده چیست؟  اصطلاح زغال فعال شده نشان دهنده یک سری از مواد جذب کننده سطحی , با جنسی زغالی و شکل کریستالی می باشد که در ساختار داخلی آن روزنه های زیادی وجود دارد.  زغال فعال شده دارای کاربردهای زیادی است, از جمله مصارف آن:  - تصفیه آبها ( آب شرب, آب آکواریومها, آبهای صنعتی), از نظر رنگ و بو و طعم  - رنگزدایی از قند و شکر  - بازیافت طلا  - بهسازی رنگ و طعم در نوشیدنی ها و آب میوه ها  - استفاده در دستگاههایی مثل: تصفیه کننده های هوا, خوش بو کننده ها, تصفیه کننده های صنعتی و ...  - ....    تولید زغال فعال شده  اصول و فنون گوناگونی در ساخت و تولید زغالهای فعال شده وجود دارد که به 3 اصل بستگی دارد:  - نوع ماده اولیه  - مشخصات فیزیکی مورد نظر برای محصول (زغال فعال شده)  - مشخصات جذبی برای کاربردهای مختلف  شیوه های فعالسازی که بیشتر در تولیدات تجاری بکار میرود عبارتند از:  فعال سازی شیمیایی،فعال سازی توسط بخار    فعال سازی شیمیایی:  این شیوه بیشتر برای مواردی است که مواد اولیه آن چوب و یا زغال سنگ نارس(Peat) می باشد. مواد اولیه را با یک عامل آبگیر مانند اسید فسفریک P2O5 یا کلرید زنیک  ۲ ZnCl  آغشته می کنند تا ماده ای خمیری حاصل شود. این ماده را در بازه دمایی 500 - 800 درجه سانتیگراد حرارت میدهند تا کربن فعال شود.  زغال فعال شده حاصل را بعد از شستشو خشک و به پودر تبدیل می کنند.  زغال فعال شده بدست آمده توسط این روش , دارای منافذ باز زیادی است و برای جذب مولکول های بزرگ بسیار مناسبند.    فعال سازی توسط بخار:  این روش بیشتر برای موادهای اولیه ای چون چوب نیم سوخته, زغال سنگ و پوست نارگیل که زغالی شده اند به کار می رود. فعال سازی در بازه دمایی 800 – 1100 درجه سانتیگراد و در حضور بخار انجام می شود.  در آغاز مواد زغالی با بخار به گاز تبدیل می شوند که به واکنش water-gaz معروف است:    (C + H2o → CO + H2 – 175.440 KJ/(KgMol    این واکنش گرماگیر است و گرمای مورد نیاز توسط سوختن ناقص CO و H2 بصورت زیر تامین می شود:    (2CO + O2 → 2CO2 + 393.790 KJ/(KgMol  (2H2 + O2 → 2H2O + 396.650 KJ/(KgMol    در ضمن هوا به مقدار مورد نیاز وارد واکنش می شود تا زغال نسوزد.  زغال های فعال شده ی تولید شده توسط این روش معمولا دارای منافذ ریزند و برای جذب مواد از مایعات و گازها مناسبند.    ویژگی های جذبی و فیزیکی  گونه های مختلفی از زغال های فعال شده با ویژگی های مشخص وجود دارند که خصوصیات هر یک از آنها بستگی به مواد اولیه و فنون به کا ر رفته در تولید آنها بستگی دارد. در انتخاب یک گونه زغال فعال شده, برای بهبود بخشیدن به فرایندها, نیاز به شناخت دقیق ویژگی های فیزیکی و جذبی مواد داریم.    ویژگی های جذبی:  (1 سطح: با استفاده از N2 حدود منافذ سطحی زغال فعال شده را اندازه می گیرند.هر چه سطح زغال فعال شده بیشنر باشد, قسمتهای جاذب نیز بیشترند.  2) اندازه منافذ: تعیین اندازه های یک زغال فعال شده میتواند راهی مناسب برای تشخیص خصوصیات آن باشد.که در IUPAC منافذ بر اساس اندازه به صورت زیر دسته بندی شده اند:  Micropores r  Mesopores r 1-25nm  Micropores r>25  که mesopore ها برای جا به جایی و Micropore ها برای جذب مواد هستند.  3) تخلخل: یکی از راههای اندازه گیری میزان تخلخل در توده ای از زغال فعال شده , استفاده از میزان جذب CCl4 خالص در حالت گازی می باشد.    - ویژگیهای فیزیکی:  1) سختی و مقاومت در برابر حررت و فشار : زغال های فعال شده دارای سختی های متفاوتی هستند که مربوز به مواد اولیه و شیوه تهیه آنها می باشد. بنا به درجه سختی, هر یک از آنها کاربردهای متفاوتی دارند.  2) چگالی  3) اندازه ذرات: هر چقدرکه اندازه ذرات زغال فعال شده کوچکتر باشد, سرعت جذب بیشتر است.  ***زغال فعال شده را به سه شکل دانه ای , پودر و استوانه ای میسازند.***    زغال فعال شده چگونه کار می کند؟  زغال فعال شده مواد اورگانیک را از محیط اطرافش جذب می کند , که عمل انتقال آلاینده از فاز مایع ( آب) به فاز جامد ( کربن) صورت می گیرد.نیروی جاذبه ای باعث تشکیل یک پیوند بین آلاینده و کربن و چسبیدن آنها به هم می شود.  علاوه بر این باکتری هایی به سطح خارجی زغال فعال شده می چسبند و بخشی از آلاینده ها را جذب و مصرف می کنند.  جذب منجر به پخش یک گاز یا ترکیب در شبکه متخلخل زغال فعال شده می گردد , جایی که یک واکنش شیمیایی یا یک ثبات فیزیکی روی می دهد. به عنوان مثال ازن O3  در قسمتی که جذب می شود , قسمتی از زغال فعال شده را اکسید میکند, و 3O به O2 تبدیل می شود و ازن در ساختار کربن اندوخته و گردآوری نمی شود.  جذب در زغال فعال شده دارای 3 مرحله است:  1- تماس ذرات آلاینده محلول در مایع ( آب) با ذرات زغال فعال شده  2- پخش شدن ذرات آلاینده در شبکه متخلخل زغال فعال شده  3- جذب ذرات آلاینده به زغال فعال شده و بوجود آمدن یک پبوند برگشت ناپذیر  ***این 3 مرحله همزمان رخ می دهند***    بازیافت زغال فعال شده  به مرور زمان و استفاده از زغال فعال شده , سطح آن از مواد آلاینده اشباع می شود. زغال فعال شده یک محصول گران است و در عین حال میتواند در چرخه بازیافت قرار گیرد و مجددا مورد استفاده قرار گیرد. بازیافت زغال فعال شده , هزینه کمی نسبت به تولید اولیه دارد و دارای قیمت ارزانتری نیز می باشد.  زغال فعال شده و مهندسی شیمی  در تولید زغال فعال شده : مهندس شیمی, می تواند درطراحی فرآیندهای تولید و بازیافت زغال فعال شده متناسب با کاربرد و ویژگی های مورد نظر, طراحی راکتورهای مورد نیاز, کنترل کیفیت محصولات و بهسازی آنها بعالیت داشته باشد.  در فروش زغال فعال شده: مهندس شیمی , به خاطر داشتن اطلاعات لازم از محصول و آشنایی با مصارف آن می تواند در بخش بروش و بازار یابی نیز بعالیت داشته باشد.  در مصرف زغال فعال شده: مهندس شیمی , می تواند در صنایعی که نیاز به استفاده از زغال فعال شده دارند, با تعیین نوع و میزان و شیوه استفاده از زغال فعال شده و کنترل آن ایفای نقش کند.    مواد و وسایل مورد نیاز آزمایش:    1-ارلن    2-بالن حجمی    3-بورت    4-قیف شیشه ای ساده    5-کاغذ صافی    6-فنل فتالئین    6-محلول سود    7-محلول اسید استیک    8-زغال فعال   http://blackwearing.blogfa.com/cat-1.aspx              مقدمه :  در عمليات جذب سطحي انتقال يك جز از فاز گاز يا مايع به سطح جامد صورت مي  گيرد از كاربردهاي اين فرايند مي توان به رنگبري شربت قند و تصفيه روغنهاي صنعتي يا  خوراكي و حذف مواد آلاينده از هوا يا مخلوط گازهاي ديگر اشاره كرد.    واژه جذب سطحي براي تشريح اين حقيقت به كار مي رود كه غلظت مولكولهاي جذب  شده در سطح تماس جامد بيشتر از فازگاز يا محلول است .جذب روي يك سطح جامد  به علت نيروي جاذبه اتم ها يا مولكولها در سطح آن جامد است در عمل جذب سطحي  نيروهاي مختلفي اعم از فيزيكي و شيميايي موثرند و مقدار آن بستگي به طبيعت ماده  جذب شده وجسم جاذب دارد و به اين دليل مي توان مثلا ماده اي را كه در يك مخلوط  وجود دارد را جدا نمود  چند مثال که در ادامه بيان شده است نمايانگر طبيعت عمومي جداسازي ها خواهد بود و  کاربرد هاي اصلي آن را نشان مي دهد .  در حالت جداسازي هاي گازي از فرآيند جذب ، در رطوبت زدائي ها هوای خشک و  ديگر گازها ،بوزدائي و جداسازي ناخاليصيها از گازهاي صنعتي مثل دي اکسيد کربن ،  بازيابي حلالهاي پرارزش از مخلوط رقيق آنها با هوا يا گازهاي ديگر، و جداسازي  مخلوطي از هيدروکربن هاي گازي مانند مخلوطي از متان ، اتيلن ، اتان ، پروپيلن و  پروپان استفاده مي شود. از فرآيندهاي جداسازي مايع مي توان رطوبت زدائي بنزين، رنگ  زدائي محصولات نفتي و محلولهاي آبکي قندي، بوزدائي و طعم زدائي آب، و جداسازي  هيدروکربن هاي آروماتيکي و پارافيني ، را نام برد . که هرکدام از اين موارد در صنعت  کاربرد وسيعی داشته و بنا به مورد و شرايط محدوده کاری از آن استفاده می شود  اين عمليات ها همه از اين جهت مشابه هستند که در آنها مخلوطي که بايد تفکيک شود با  يک فاز نامحلول ديگر تماس حاصل مي نمايد( مانند جاذب جامد) و پخش نامساوي  مواد اوليه بين فاز جذب شده ر وي سطح جامد و توده سيال موجب جداسازي مي شود .  دو مكانيزم اصلي براي جذب سطحي وجود دارد:  ۱.جذب فيزيكي  ۲.جذب شيميايي      جاذبها :  جامدي كه بر روي سطح آن جذب اتفاق مي افتد جاذب يا سوسترا مي نامند مايع جذب  شده را مجذوب مي نامند .جذب سطحي بر روي سطح مشترك جامد مايع به وقوع مي  پيوندد .  جامدهاي جاذب معمولا به شکل گرانول ( ذرات کروی شکل با قطر چند ميلی متر)  مصرف مي شوند و اندازه آنها از ۱۲ ميليمتر قطر تا ۵۰ ميکرومتر متغير است. جامدها بايد  بر اساس کاربرد و موقعيت مصرف داراي بعضي خواص مهندسي باشند. براي مثال اگر از  آنها در يک بستر ثابت با جريان گاز يا مايع استفاده مي شود، نبايد اختلاف فشار زيادي  ايجاد کنند و همچنين نبايد توسط جريان سيال به خارج حمل شوند. آنها بايد از مقاومت  و سختي خوبي برخوردار باشند تا در اثر حمل و نقل و همچنين در اثر وزن خود در بستر  خرد نشوند. در صورتيکه بخواهيم آنها را از ظروف نگهداري به داخل و خارج انتقال  دهيم، بايد به راحتي جريان پيدا کنند. اينها خواصي هستند که به راحتي شناخته مي شوند.  خاصيت جذب جامدها يک مسئله ديگر است. جذب يک پديده عمومي است و تمام  جامدها، گازها و بخارات را مقداري جذب مي کنند. ولي در اهداف صنعتي تنها بعضي  جامدات ظرفيت جذب لازم را دارند. پس جامداتي که داراي خاصيت جذب بسيار ويژه  اي هستند و به مقدار زياد جذب انجام مي دهند، طبيعت شيميايي آنها با خواص جذب  رابطه دارد. ولي صرف شناسايي شيميايي، براي مفيد بودن آن کافي نيست. براي مثال  استخراج، تمام نمونه هاي خالص بوتيل استات که اسيد استيک را از آب استخراج مي  نمايند داراي قدرت يکسان هستند. اين حالت براي خواص جذبي سيليکاژل نسبت به  بخار آب صادق نيست. اين خواص جذبي بيشتر بستگي به روش ساخت ماده و سابقه  جذب و دفع مواد روي آن دارد.  ذغال هاي رنگ بر    اين مواد به شکل هاي مختلف ساخته مي شود:  ۱) مخلوط کردن مواد گياهي با مواد معدني مانند کلريد کلسيم، کربنيزه کردن، و  شست شوي مواد معدني  ۲) مخلوط کزدن موادآلي مانند خاک اره با مواد متخلخل مثل سنگ آتشفشاني(سنگ  پا) و حرارت دادن و کربنيزه کردن تا زماني که مواد کربني در سطح مواد متخلخل  رسوب نمايند  ۳) کربينزه کردن چوب، خاک اره، و مشابه آن وفعال سازي با هواي داغ يا بخار،  ازليگنيت و ذغال بيتومينوس به عنوان مواد اوليه استفاده مي شود. از اين مواد براي  اهداف زيادي مانند رنگ زدائي محلولهاي شکر، مواد شيميايي صنعتي، داروها و  مايعات خشک شوئي، تصفيه آي، تصفيه روغنهاي گياهي و حيواني، و در بازيابي  طلا و نقره از محلولهاي سيانور حاصل از شستشوي سنگ معدن، استفاده مي شود.  اين ماده گرانولي و سخت است و داراي تخلخل زيادي است و از ژل رسوب شده توسط  واکنش بين اسيد و محلول سيليکات سديم بدست مي آيد. مقدار رطوبت آن قبل ز  استفاده، از ۴ تا ۷ درصد متغير است و معمولا براي خشک کردن هوا و گازهاي ديگر، در  ماسکهاي ضد گاز، و براي تفکيک هيدروکربنها به کار مي رود. اين ماده با تبخير ترکيب  جذب شده براي مصرف مجدد آماده مي شود.  وقتي که يک جاذب جامد در داخل يک مايع خالص غوطه ور مي شود، ايجاد حرارت که  بنام حرارت خيس شدن معروف است، نشاندهنده جذب مايع است. اما غوطه ور سازي  راه موثري براي اندازه گيري مقدار جذب نيست. تغيير حجم قابل ملاحظه اي براي اندازه  گيري جذب شده رخ نمي دهد و بيرون آوردن و وزن کردن آن نيز تفاوت بين مايع  جذب شده و مايع که به صورت همراه آمده را به دست نمي دهد. اين مسئله در جذب  سطحي گازها وجود ندارد، و تغيير وزن جامد بر اثر جذب قابل اندازه گيري است.  شرح آزمايش:  در اين آزمايش ۶ نمونه ۱ گرمی ذغال فعال را به دقت وزن کرده و سپس ۶ محلول اسيد  استيک به غلظت هاي ۰.۵ مولار، ۰.۲۵ مولار، ۰.۱۲ مولار، ۰.۰۹ مولار ، ۰.۰۳ مولار و  ۰.۰۱۵ مولار آماده مي نماييم.  از هر محلول فوق به اندازه ۱۰۰ سي سي در هر ارلن مي ريزيم. نمونه هاي يک گرمي  ذغال را همزمان با هم به ارلن هاي محتوي ۱۰۰ سي سي محلول اسيد استيک اضافه مي  کنيم.  درب آنها را بسته و به مدت يک ساعت روي همزن مغناطيسي قرار مي دهيم تا به طور  يکنواخت هم بخورد، البته در آزمايشگاه به دليل عدم وجود دستگاه و زمان کافي محلول  را يک روز در محيط آرام قرار مي دهيم.  پس از گذشت ۲۴ ساعت، يک ساعت محلول هيدروکسيد سديم ۰.۱ مولار را، وسيله  نرمال که معرف آن فنل فنالئين است تيتر مي کنيم. هر يک از KHP اگزاليک اسيد يا ۰.۱  محلول هاي عنوان شده در بالا از اسيد استيک را به وسيله سود تيتر مي کنيم. تا غلظت  هر کدام از آنها به دست آيد.  البته لازم به ياد آوري است که محلول ۰.۰۳ نرمال از اسيد استيک را که از ابتدا به دست  آمده بود را به عنوان مقايسه گرد توسط سود تيتر مي کنيم. ميزان سود مصرف شده در هر  ميزان غلظت اسيد ، N1V1=N2V مرحله را يادداشت مي کنيم. حال بر اساس رابطه 2  را بدست مي آوريم.  محاسبات :  M=N (n= چونکه اسيد استيک يک ظرفيتي است ( 1  M acet *V acet =M naoh*Vnaoh  Mw(acet)=60 g/mol                    Vacet=10 cc  Mnaoh=0.1  M acet=(0.1*12)/10=0.12  جرم مولکولي* حجم نمونه (ليتر) * (Mo-Me)  x=(0.15-0.12)*60*0.1=0.1801  x/m= اسيد جذب شده به ازاي هر گرم جاذب 0.1501
+ نوشته شده در  شنبه بیست و هفتم آبان 1391ساعت 15:25  توسط علی قدرآبادى  | 

بسم الله الرحمن الرحیم

 

آموزشکده فنی شهید رجایی شیراز

 

گزارش کار آزمایشگاه شیمی فیزیک

  

                                                                                       

هدف: تعیین گرمای واکنش سود جامد درآب

 

 

نام ونام خانوادگی اعضای گروه

 

* محمدحسین احمدی پور- امید حیدری منفرد *

 

             

              اساتید مربوطه: جناب آقای فرهبد و جناب آقای لرپور

 

                              

                               ابزار و مواد لازم:

 

ارلن مایر، استوانه مدرج، همزن، دماسنج، ترازو،  سود جامد، اسید کلریدریک

 

تئوری آزمایش :

مفهوم ظرفیت گرمایی :

"ژول" با آزمایش نشان داد که هرگاه مقدار معینی از انرژی مکانیکی به گرما تبدیل شود، مقدار گرمای حاصل همیشه یکسان است. بنابراین هم‌ارزی گرما و کار مکانیکی به‌عنوان دو شکل انرژی کاملا محرز است. " هلمهولتز " اولین کسی بود که بوضوح بیان کرد که نه‌تنها گرما و انرژی مکانیکی ، بلکه تمام شکلهای انرژی هم‌ارزند و مقدار معینی از یک شکل انرژی از بین نمی‌رود، مگر آنکه همان مقدار در یکی از شکلهای دیگر انرژی ظاهر شود، بنابراین گرما صورتی از انرژی است.   

حال اگر چنانچه بخواهیم دمای جسمی را به اندازه واحد افزایش دهیم، در این صورت بسته به نوع جسم ، این مقدار گرما متفاوت خواهد بود. کلمه ظرفیت، در ظرفیت گرمایی بویژه گمراه کننده است، چون عبارت مقدار گرمایی را که یک جسم می‌تواند نگه دارد، به یاد می‌آورد که اساسا بی‌معنا است.اصولا می‌توان ظرفیت گرمایی را به‌عنوان یک ثابت تناسب در نظرگرفت، یعنی مقدار گرمای داده شده به یک جسم با تغییر دمای آن جسم متناسب است و با ضرب کردن ظرفیت گرمایی در طرف دوم این رابطه ، رابطه تناسبی به یک تساوی تبدیل می‌شود، یعنی نسبت مقدار انرژی گرمایی که به یک جسم داده می‌شود، بر افزایش دمای متناظر با آن را ظرفیت گرمایی آن جسم می‌گویند به عبارت دیگر نسبت گرمای مبادله شده با سیستم به تغییر دمای ناشی از مبادله گرما را ظرفیت گرمایی می گویند.

ظرفیت گرمایی واحد جرم یک جسم را ظرفیت گرمایی ویژه آن جسم و ظرفیت گرمایی به ازای یک مول از ماده را ظرفیت گرمایی مولی می گویند. گرما از طریق آثار آن بر جسمی که از آن عبور می کند بررسی می شود. می توان تصور کرد که هر جسم ظرفیتی برای گرما دارد. هر چه در یک جسم تغییر دما به علت انتقال مقدار مشخصی از گرما کم تر باشد، ظرفیت آن بیش تر است. مشکل این است که C را، مانند Q، به جای یک تابع حالت، یک کمیت وابسته به فرایند می کند. انرژی داخلی ماده با افزایش دما زیاد می شود. این افزایش به شرایطی بستگی دارد که گرما داده می شود. ظرفیت گرمایی در حجم ثابت را با CV نمایش می دهند و چنین تعریف می شود:

 

شکل 1 - با افزایش دما انرژی داخلی سیستم زیاد می شود. در این نمودار تغییرات آن در حجم ثابت نشان داده شده است. شیب نمودار در هر دمایی که به صورت خطوط مماس در A و B نشان داده شده اند ظرفیت گرمایی در حجم ثابت در آن دماست.     توجه کنید که برای سیستم مورد نظر، ظرفیت گرمایی در B                                                                                          بزرگتر از مقدار آن در A است.   

 

به بیان دیگر گرمای ویژه هر جسم عبارت است از مقدار گرمایی که باید به یک کیلو گرم از آن جسم داده شود تا دمای آن یک درجه سلسیوس افزایش یابد.

گرمای ویژه (C) = Q/m∆Ө             Q = mC∆Ө

 

که Q گرمای واکنش، m جرم، C گرمای ویژه، ∆Ө اختلاف دما  می باشد.

 

شرح آزمایش :

در این آزمایش می خواهیم با استفاده از رابطه فوق میزان گرمای واکنش را برای حالت های زیر مشخص کنیم:

1- تعیین گرمای واکنش سود جامد در آب.

2- تعیین گرمای واکنش سود جامد در محلول اسید کلریدریک.

3- تعیین گرمای خنثی شدن محلول سود در محلول اسید کلریدریک.

برای این منظور ابتدا قبل از مخلوط کردن مواد، دمای معمولی آب و نیز محلول اسید کلریدریک را با دماسنج اندازه می گیریم سپس وزن50 cc  از هر کدام را توسط ترازو اندازه می گیریم و سپس دمای واکنش سود با آب و محلول اسید کلریدریک را به طور جداگانه و نیز دمای حاصل از واکنش محلول سود در محلول اسیدکلریدریک را اندازه گیری کرده و با استفاده از رابطه، گرمای حاصل از واکنش در هر حالت را بدست می آوریم.

 

منابع و ماخذ:

 

·        کتاب شیمی فیزیک / اتکینز / غ- پارسافر و جلد اول: ترمودینامیک  محمد مهدی منتظر رحمتی

  http://chemfa.com/content/category/3/7/25/                                                                         

 

                                         بسم الله الرحمن الرحیم

 

آموزشکده فنی شهید رجایی شیراز

 

گزارش کار آزمایشگاه شیمی فیزیک

 

 

اساتید مربوطه: جناب آقای فرهبد و جناب آقای لرپور

 

 

نام ونام خانوادگی اعضای گروه

 

* محمدحسین احمدی پور- امید حیدری منفرد *

 

 

هدف: اندازه گیری دانسیته هوا.

 

 

ابزار و مواد لازم:

 

بالن، درپوش لوله دار، گیره، استوانه مدرج، ترازو، آب

شرح آزمایش :

در این آزمایش ابتدا بالن را پر از آب کرده سپس درپوش لوله دار را روی آن می گذاریم و مقدار اضافی آب بیرون می ریزد. آب درون بالن را در استوانه مدرج ریخته و حجم آن را اندازه  می گیریم.

سپس 40 cc  آب را با استوانه مدرج برداشته و درون بالن می ریزیم و بالن را به همراه درپوش لوله دار و گیره، وزن می کنیم.

سپس بالن حاوی 40 cc  آب را حرارت داده تا بخار به صورت مداوم از درپوش لوله دار خارج شود، سپس در این هنگام لوله را مسدود کرده و حرارت دادن را قطع کرده (بعد از خنک شدن درون بالن خلاء ایجاد می شود) و بالن را وزن می کنیم.

سپس گیره را باز می کنیم و مجددا" بالن و گیره را با هم وزن می کنیم (این مرحله همراه با وزن هوا می باشد. )

هم اکنون دو وزن بدست آمده را از هم کم می کنیم تا وزن هوا بدست آید.              m1 m2

سپس حجم آب درون بالن را پس از آزمایش و انجام عملیات ذکر شده، توسط استوانه مدرج اندازه گیری می کنیم و از حجم اولیه کم می کنیم و در نهایت با استفاده از رابطه ی نسبت جرم به حجم، دانسیته یا چگالی هوا را بدست می آوریم.

 

 

محاسبات:

                                                      

(وزن بالن + 40 سی سی آب + درپوش و گیره) = 195.5 gr

 

 

 

( وزن بالن + درپوش و گیره در حالت خلاء)  m1 =193.73 gr

                                                                           m(هوا) =196.96 – 196.73 = 0.23 gr                 

( وزن بالن + درپوش و گیره + هوا )  m2 =193.96 gr

 

 

 

(حجم آب در بالن پر) V1 = 303 cc

                                                       V(هوا) = 303 – 38 = 265 cc

(حجم آب پس از آزمایش) V2 = 38 cc

 

 

 

ρ= m/V                ρ= 0.23 / 265 = 0.00086 gr/cc

 

 

 

منابع خطا:

 

 

·        خطا در وزن کردن و برداشتن حجم ها به طور دقیق.  

 

 

 

·        عدم محکم بودن گیره که سبب نفوذ هوا در بالن به هنگام ایجاد خلاء شد.  

 

 

منابع و ماخذ:

 

الف )  کتاب شیمی فیزیک / اتکینز / غ- پارسافر و ب- نجفی/ جلد اول: ترمودینامیک

ب) کتاب شیمی عمومی 1 / چارلز مورتیمر / ع- یاوری / جلد اول

 

 

بسم الله الرحمن الرحیم

 

آموزشکده فنی شهید رجایی شیراز

 

گزارش کار آزمایشگاه شیمی فیزیک

 

 

اساتید مربوطه: جناب آقای فرهبد و جناب آقای لرپور

 

 

نام ونام خانوادگی اعضای گروه

 

* محمدحسین احمدی پور- امید حیدری منفرد *

 

    

     هدف : آشنایی با شیوه آزمایش بمب کالریمترجهت تعیین آنتالپی و گرمای آزاد شده.

                           

                           

                            ابزار و مواد لازم:

                        

                         بمب کالریمتر، دماسنج، ترازو، سود جامد، پتاسیم نیترات.

تئوری آزمایش :

انرژی درونی (U) : به مجموع انرژی های ناشی از جنبش ذرات یک جسم می باشد بعبارتی انرژی درون ملکول.

انرژی آنتالپی (H) : همان انرژی درونی است که در یک سیستم با انرژی مدخل یا مخرج یک سیستم جمع شده است.

باید توجه داشت که انرژی آنتالپی فقط برای سیستم باز تعریف می شود در ضمن به انرژی آنتالپی،انرژی فشاری گفته می شود. (مجموع U و P و A )، همچنین همواره انرژی درونی باید از انرژی آنتالپی در معادلات کمتر باشد.  

H = U + PV

∆H = ∆U + ∆ (PV)             ∆U = ∆H - ∆ (PV)

 

قانون اول ترمو دینامیک در سیستم های بسته به صورت زیر تعریف می شود:

∆U = Q – W

در قانون دوم ترمودینامیک انرژی های کوچک و اتلاف انرژی نیز محاسبه می شود.

∆U = T∆S - W

∆H - P∆V - V∆P = T∆S - P∆V             ∆H = V∆P + T∆S

قانون اول بیان می دارد که هر سیستم به اندازه مقدار انرژی ایی که می گیرد، می تواند کار انجام دهد. بعبارتی مجموع گرما های گرفته شده برابر است با مجموع کارهای انجام شده  ( ΣQ = ΣW)  توسط سیستم در این قانون هیچ صحبتی از میزان تلفات انرژی نشده که این نقص قانون اول است که در قانون دوم این نقص جبران شده است. به یاد داشته باشید که  0 <  ( ∆Ssys + ∆Ssurr) مجموع تغییرات بی نظمی سیستم و محیط همواره  بزرگتر مساوی صفر است.

در کاربرد قانون اول، حوزه نفوذ هر فرآیند خاص به دو بخش سیستم و محیط آن تقسیم می شود. بخشی که فرآیند در آن روی می دهد سیستم است و هر چیزی که سیستم با آن ارتباط داشته باشد محیط می باشد. قانون اول نه فقط برای سیستم بلکه برای سیستم و محیط صدق می کند. انرژی داخلی به شکل آنتالپی، یک تابع حالت است و برای محاسبه مقادیر گرما و کار برای تجهیزات به کار می رود. برخی از خواص ترمو دینامیکی مرتبط با انرژی داخلی،به علت اهمیت کاربرد ترمودینامیک در فرآیند های عملی تعریف می شود که آنتالپی در این بخش معرفی می شود. آنتالپی مانند حجم و انرژی داخلی، یک کمیت مقداری است ولی آنتالپی ویژه یا مولی یک خاصیت درونی است.   

شرح آزمایش :

در ابتدا به کمک یک استوانه مدرج، 100 cc آب مقطر را داخل ظرف کالریمتر ریخته و پس از رسیدن به تعادل دمایی، دمای داخل کالریمتر را خوانده و آن را یادداشت می کنیم. 2 گرم سود جامد را وزن کرده و آن را داخل کالریمتر ریخته و آن را به آرامی هم میزنیم تا سود در آب کاملا حل شود. هنگامی که دمای محلول برای مدتی حدود سه الی چهار دقیقه ثابت ماند و با هم زدن کالریمتر تغییر نکرد، می توان این دمای ثابت را به عنوان دمای تعادل یادداشت کرد و از نتایج برای محاسبات استفاده کرد.

اگر گرمای ویژه کالریمتر را  ( 1 cal/gr 0C )  در نظر بگیریم و با توجه به تغییر دما،گرمای آزاد شده را بدست می آوریم. سپس آنتالپی انحلال یک مول سود را در آب در شرایط آزمایش بدست می آوریم. همین آزمایش را برای انحلال نیترات پتاسیم در آب نیز انجام می دهیم.  

 

نتیجه گیری:

 

از این آزمایش می توان نتیجه گرفت که انرژی داخلی به شکل آنتالپی، یک تابع حالت است و برای محاسبه مقادیر گرما و کار برای تجهیزات به کار می رود. از این آزمایش می توان نتیجه گرفت که ظرفیت گرمایی یک ماده ثابت بوده واین امر برمقدار گرمای واکنش تاثیر گذار است.

 

منابع خطا:

 

 

·        خطا در نشان دادن اعداد و ارقام توسط  دما سنج و خطا در خواندن آنها.  

 

·        خطا در برداشتن دقیق حجم ها و وزن ها که سبب ایجاد خطا در محاسبات می شود.  

 

منابع و ماخذ:

 

·        جلد اول: ترمودینامیک مهندسی شیمی-تالیفدکتر محمد مهدی منتظر رحمتی- ویرایش پنجم.

 

·        http://www.kimia-azu.mihanblog.com/post/20

                                         بسم الله الرحمن الرحیم

 

آموزشکده فنی شهید رجایی شیراز

 

گزارش کار آزمایشگاه شیمی فیزیک

 

 

اساتید مربوطه :  آقای فرهبد و جناب  لرپور

 

  

نام ونام خانوادگی اعضای گروه

 

* محمدحسین احمدی پور- امید حیدری منفرد *

 

                      

                       هدف: تعیین مرتبه و ثابت سرعت واکنش.

 

ابزار و مواد لازم:

 

ارلن مایر، بشر،  پی پت، پیست، بورت، استوانه مدرج، همزن مغناطیسی، کرنومتر، محلول 0.1 مولار اتیل استات، محلول 0.1 مولار سدیم هیدروکسید، کلریدریک اسید، معرف فنل فتالئین.

تئوری آزمایش :

مقدمه ایی برکنترل سرعت واکنش

یکی از راههایی که شیمیدانان قادر به جهت دهی یک واکنش هستند کنترل سرعت واکنش ها  می باشد.برای واکنش هایی که در فاز گازی انجام می گیرند مانندAB+C=A+BCسالهاست که از مطالعات باریکه های مولکولی استفاده شده است، تا ارتباط بین جمعیت حالتهای انرژی درونی مولکولها را با سرعت و محصولات واکنش های مربوط نشان دهد که این مطالعات واکنش های سطح را نیز در بر گرفته و بررسی نظری قادر به توصیف دوباره قسمت عمده ی مشاهدات شده است.

مفهوم سرعت واکنش

سرعت واکنش،عبارت از تغییر غلظت هر یک از مواد اولیه یا مواد حاصل نسبت به زمان انجام واکنش است. سرعت یک واکنش ، روند تبدیل مواد واکنش دهنده به محصول در مدت زمان معینی را نشان می‌دهد. سرعت واکنشها یکی از مهمترین بحثها در سینیتیک شیمیایی است. شیمیدانها همیشه دنبال راهی هستند که سرعت واکنش مفید را بالا ببرند تا مثلا در زمان کوتاه بازده بالایی داشته باشند و یا در پی راهی برای کاهش سرعت یا متوقف ساختن برخی واکنشهای مضر هستند.هدف از مطالعه سرعت یک واکنش این است که بدانیم آن واکنش چقدر سریع رخ می‌دهد.ترمودینامیک شیمیایی ، امکان وقوع واکنش را پیش‌بینی می‌کند، اما سینتیک شیمیایی چگونگی انجام یک واکنش  و مراحل انجام آن و سرعت پیشرفت واکنش را بیان می‌کند. از لحاظ سرعت ، واکنشها به چند دسته تقسیم می‌شوند:

۱) واکنشهای خیلی سریع که زمان انجام این واکنشها خیلی کم و حدود ۰,۰۰۰۱ ثانیه است.
۲) واکنشهای سریع که زمان انجام این واکنشها کم و در حدود حساسیت انسان به زمان (ثانیه) است.
۳) واکنشهای معمولی ، اکثر واکنشهایی که در آزمایشگاهها با آنها سر و کار داریم از این نوع هستندودرحدوددقیقه‌هایاچندساعطول می‌کشند.
۴) واکنشهای کند که در حدود روزها و هفته‌ها طول می‌کشند.
۵) واکنشهای خیلی کند که در حدود سالها و قرنها طول می‌کشند.

فقط تعداد اندکی از واکنشهای شیمیایی در سراسر فرآیند با سرعت ثابتی پیش می‌روند. بیشتر واکنشها در آغاز واکنش که غلظت واکنش‌دهنده‌ها بالا است با سرعت پیش رفته و با کم شدن غلظت از سرعت کاسته شده و با کامل شدن واکنش به صفر می‌رسد. برخی از واکنشها هم سرعت آنها پس از مدتی ثابت می‌ماند. چنین واکنشهایی ، واکنشهای تعادلی نام دارند.

متغیر هایی که بر سرعت واکنش اثر می گذارند :

متغیر هایی زیادی سرعت واکنش را تغییر می دهند . در سیستم های همگون ، دما ، فشار غلظت متغییر های واضحی هستند . در سیستم های غیر همگون بدلیل آنکه بیش از یک فاز موجود می باشد، مسئله پیچیده تر می شود . در طول واکنش مواد باید از فازی به فاز دیگر منتقل شوند  بنابراین سرعت انتقال جرم می تواند مهم باشد، مثلا در احتراق ذغال سنگ نفوذ اکسیژن در فیلم گازی محیط بر قطعه ذغال، و لایه خاکستر موجود در سطح آن ممکن است عامل مهمی در محدود کردن سرعت واکنش به شمارآید بعلاوه انتقال حرارت نیز ممکن است اهمیت داشته باشد. مثلا واکنش گرمازائی را درنظر می گیریم که در سطح داخلی یک کاتالیزور جامد متخلخل صورت        می گیرد. در این حالت مواد ترکیب شونده بایستی داخل تخلخل کاتالیزور شده و محصولات واکنش آزاد می شود. در صورتیکه واکنش سریع بوده و حرارت فورا خارج نگردد، توزیع دمای بسیا نا مجانسی در داخل در داخل قطعه کاتالیزور ایجاد می گردد که بنوبه خود سبب حاصل شدن سرعت های گوناگونی در نقاط مختلف آن می شود .

هر چه واکنش سریع تر باشد مسائل انتقال جرم و حرارت مهم تر بوده و در فعل و انفعالهای بسیار تند حتی ممکن است عوامل محدود کننده واکنش به شمار آیند . بنابراین در واکنش های غیر همگون، انتقال حرارت و جرم عوامل مهمی در مشخص کردن سرعت واکنش می باشد .در تمام موارد، در صورتیکه واکنش شامل تعدادی از مراحل پشت سر هم باشد، کند تین آن ها مهمرین اثر را داشته و می توان گفت که عامل کنترل کننده فعل و انفعال می باشد، مسئله مهم مشخص کردن اثرات متغییر ها بر روی هر یک از مراحل و شدت این تاثیرات است. تنها با دانستن کمیت هر یک از این عوامل است که می توان تصویر روشنی از اثرات آنها بر روی سرعت واکنش بدست آ ورد. بعلاوه فقط داشتن این اطلاعات است که امکان استفاده از نتایج آزمایشگاهی را در تخمین و طرح دستگاه های بزرگ صنعتی میسر می سازد.

انرژی فعالسازی

حداقل انرژی لازم که بایستی واکنش‌دهنده‌ها بگیرند تا بتوانند وارد واکنش شوند. انرژی فعالسازی برای تمام واکنش‌های شیمیایی چه گرماگیر و چه گرماده وجود دارد و معمولا از انرژی برخورد میان مولکولها تامین می‌شود.

 

شرح آزمایش :

ابتدا دو محلول 1/0 مولار اتیل استات (CH3COOC2H5) و سدیم هیدروکسید(NaOH) به میزان هر کدام 100 میلی لیتر ساخته و درون یک بشر 400 می ریزیم و محلول حاصل را به کمک یک همزن مغناطیسی تا پایان آزمایش به هم می زنیم.

پس از ثابت شدن دمای محلول با محیط اطراف هر 51 دقیقه به میزان 20 میلی لیتر از محلول نامبرده را برداشته و درون ارلن می ریزیم و آزمایش را به صورت زیر انجام می دهیم.

20 میلی لیتر از محلول را درون ارلن ریخته و به آن چند قطره فنل فتالئین اضافه می کنیم سپس محلول درون ارلن را با هیدروکلریک اسید 1/0 مولار تیتر می کنیم و از اعداد به دست آمده را در محاسبات مورد نظر استفاده می کنیم .

 

 

محاسبات:

 

 

 

بار اول (15 دقیقه) :

 

 V (asid) =1/3                         N1×V1 = N2×V2

 

                             →           x = /0065              0/1 × 1/3 =20×x

                                                                                                          

-ln CA/CA0 =KT       →         -ln .0065/0.1 = K×15        →        -ln CA/CA0 = 2/733

 

 

 

 

بار دوم ( 30 دقیقه) :

 

V (asid) =1                         N1×V1 = N2×V2

 

                             →           x = /005                  0/1 × 1 =20×x

                                                                                                          

-ln CA/CA0 =KT       →         -ln.005/0.1 = K×30          →        -ln CA/CA0 = 2/995

 

 

 

بار سوم (45 دقیقه) :

 

V (asid) = 0/8                        N1×V1 = N2×V2

 

                            →           x = /004              0/1 ×0/8=20×x

                                                                                                          

-ln CA/CA0 =KT       →         -ln.004/0.1 = K×45         →        -ln CA/CA0   = 3/218

 

 

 

 

بار چهارم (60 دقیقه) :

 

V (asid) =0/7                        N1×V1 = N2×V2

 

                            →           x = /0035              0/1 × 0/7 =20×x

                                                                                                          

-ln CA/CA0 =KT      →         -ln.0035/0.1 = K×60        →        -ln CA/CA0  = 3/352

 

نمودار اطلاعات:

       

نتیجه گیری:

 

از این آزمایش نتیجه می گیریم که سرعت یک واکنش شیمیایی متناسب است با تغییرات مول i نسبت به زمان . نتیجه ی دیگری که می توان از این آزمایش گرفت این است که اگر سرعت واکنش بر حسب مواد واکنش دهنده بیان شود عدد سرعت عدد منفی خواهد بود نتیجه ی دیگری که از این آزمایش میگیریم این است که یکی از روش های پیدا کردن K استفاده از روش انتگرال است که در این آزمایش نیز از این روش استفاده شده است .

 

 

منابع خطا:

 

 

·        خطا در خواندن اعداد بورت و گذشتن از نقطه ی پایان تیتراسیون(هم عرضی اکی والان).

 

 

·        خطا در برداشتن حجم های دقیق از محلول که سبب ایجاد خطا در محاسبات می شود.

 

 

منابع و ماخذ:

 

 

·        طراحی راکتورهای شیمیایی ( ترجمه دکتر مرتضی سهرابی ) صفحات : 11 و 12 و13 و 17.

·        توضیحات اساتید مربوطه.  

 

http://www.articles.ir

 

http://www.wikipedia.com

 

 

                                                                            

 

 

بسم الله الرحمن الرحیم

 

آموزشکده فنی شهید رجایی شیراز

 

گزارش کار آزمایشگاه شیمی فیزیک

 

 

اساتید مربوطه: جناب آقای فرهبد و جناب آقای لرپور

 

  

نام ونام خانوادگی اعضای گروه

 

* محمدحسین احمدی پور- امید حیدری منفرد *

 

 

هدف: تعیین ضریب انبساط حجمی مایعات.

 

 

ابزار و مواد لازم:

 

بشر، گیره، پیکنومتر، ترمومتر، همزن، ترازو، چراغ گاز، توری نسوز و سه پایه، آب

تئوری آزمایش :

یک سیال خواص متعددی دارد از جمله لزجت، جرم، وزن و متغییر های غلظت، درجه حرارت و متغییرهای ترمودینامیکی، فشار، فشار بخار، کشش سطحی موئینگی و ... که ضریب انبساط حجمی نیز متاثراز این جمله خواص است.

اثر فشار بر حجم مایعات:

 فشار در یک نقطه از تقسیم نیروی عمودی وارد بر سطح که در سیال تعریف شده است یا سطح صفحه ای که سیال در تماس با آن است بدست می آید. بعبارتی فشار در یک نقطه نسبت نیروی عمودی به مساحت سطحی که به سمت یک نقطه ی بسیار کوچک میل می کند است. مایعات معمولا نمی توانند تنش های کششی (یا فشاری) را تحمل کنند زیرا مایع تبخیر خواهد شد. مایعات اغلب نی توانند فشار یا نیروی تراکمی قابل توجهی را تحمل کنند، در حالی که چگالی آنها تغییر نمی کند یا تغییر اندکی دارد. با این حال هیچ رابطه عمومی میان فشار و چگالی یک مایع وجود ندارد.

معمولا یک مایع را سیال تراکم نا پذیر در نظر می گیرند و زمانی تراکم پذیری یک سیال اهمیت     می یابد که به طور ناگهانی تغییرات فشار زیادی را تحمل کند. با تغییر درجه حرارت مسئله تراکم پذیری اهمیت می یابد. تراکم پذیری یک مایع توسط ظریب چگالی حجمی بیان می شود. اگر فشار در واحد حجم مایعی به اندازه dp افزایش یابد، حجم مورد نظر به اندازه –dV کاهش خواهد یافت. نسبت – dp / dV را ضریب کشسانی حجمی(K) برای هر حجمی از سیال مانندV گویند.  

 

اثر دما بر حجم مایعات:

به طور کلی اجسام بر اثر دما، انبساط پیدا می کنندکه ازدیاد حجم جسم با حجم اولیه و میزان افزایش دما متناسب است.

V2 – V1 = KV1∆t               V2 = V1 (1+Kt)

 

که در این رابطه به K ضریب انبساط حجمی گویند وآن ازدیاد حجم به ازای افزایش یک درجه حرارت است.

ضریب انبساط مایع را با  β  و ضریب انبساط جامد را با  γ  نمایش می دهند.    

شرح آزمایش :

ابتدا پیکنومتر را وزن کرده و جرم آن را بدست می آوریم. سپس مایع مورد نظر(آب) را در آن     می ریزیم به طوری که پر شود، سپس آن را در بشر محتوی آب گرم مختلف غوطه ور می کنیم و مدتی صبر کرده تا پیکنومتر با آب درون بشر به تعادل دمایی برسد. پیکنومتر را درآورده و خشک کرده تا قطره های آب روی جداره آن باقی نماند و فوری با ترازو، m’ آن را اندازه گیری کرده در نتیجه جرم مایع داخل پیکنومتر بدست می آید.

پیکنومتر را مجددا در حمام غوطه ور کرده و در یک طرف آن همزن و در طرف دیگر دماسنجی را در حمام فرو برده، سپس با همزن بطوریکه با پیکنومتر برخورد نکند،حمام را به هم زده تا گرما بطور یکنواخت به پیکنومتر برسد. هربار که دمای آب در حدود 20 درجه سلسیوس بالا رفت، بشر را از روی چراغ برداشته و می گذاریم تا پیکنومتر با آب به تعادل دمایی برسد و باز آن را خشک کرده و m را اندازه گیری می کنیم. آزمایش را به همین ترتیب در دماهای گوناگون تکرار می کنیم. باید توجه داشت که مواقعی که پیکنومتر و آب به حالت تعادل می رسند باید دماها را اندازه گیری کرد.  

نتیجه گیری:

 

از این آزمایش می توان نتیجه گرفت که هر چه ظرفیت گرمایی یک ماده بیشتر باشد، آن جسم دیرتر گرم شده و وقتی گرم شد دیرتر سرد می شود که مقدار آن ثابت بوده واین امر برمقدار گرمای واکنش تاثیر گذار است. به طور کلی اجسام بر اثر دما، انبساط پیدا می کنندکه ازدیاد حجم جسم با حجم اولیه و میزان افزایش دما متناسب است.

 

منابع خطا:

 

 

·        خطا در نشان دادن اعداد و ارقام توسط  دما سنج و خطا در خواندن آنها.  

 

·        عدم اندازه گیری دما بلا فاصله پس از واکنش که در اثرافت دمای واکنش خطا در اندازه گیری دما بوجود می آید.

 

 

منابع و ماخذ:

 

 

·        کتاب شیمی فیزیک / اتکینز / غ- پارسافر و جلد اول: ترمودینامیک  محمد مهدی منتظر رحمتی

                                         بسم الله الرحمن الرحیم

 

آموزشکده فنی شهید رجایی شیراز

 

گزارش کار آزمایشگاه شیمی فیزیک

 

 

اساتید مربوطه: جناب آقای فرهبد و جناب آقای لرپور

 

 

نام ونام خانوادگی اعضای گروه

 

* محمدحسین احمدی پور- امید حیدری منفرد *

 

 

هدف : بدست آوردن یا تخمین زدن صفر مطلق به روش برون یابی .

 

ابزار و مواد لازم:

 

بالن، درپوش، لوله و گیره، حمام آب سرد، استوانه مدرج، دما سنج، تشت پلاستیکی و آب

 مقدمه :

 

ما در این آزمایش علاوه بر بررسی رابطۀ بین حجم گاز و درجه حرارت اطلاعات کافی برای صفر مطلق ( صفر درجه کلوین ) از طریق روش برون یابی بدست می آوریم . برون یابی روشی است که از طریق رسم منحنی می توان یک مقدار عددی که خارج از محدودۀ آزمایش می باشد را تعیین کرد.  نقطه مرجع در مقیاس دمای مطلق (273,15-) سانتیگراد است. این نقطه را صفر مطلق می‌گویند، معنای آن تنها پس ار روشن شدن ارتباط منشا گاز با انرژی جنبشی اتمهای آن با توجه به نظریه جنبشی گازها روشن شد. این نظریه بیان می‌کند که حرکت اتمها در صفر مطلق به کلی متوقف می‌شود، ولی این توضیح درست نیست در واقع مکانیک کلاسیک قادر به توضیح این پدیده نیست، ولی مکانیک کوانتومی  آن را به خوبی توضیح می‌دهد.

نظریه جنبشی گازها :

نظریه جنبشی گازها ، الگویی برای تبیین نظم و ترتیب مشاهده شده در رفتار تمام گازها به دست می دهد . در 1738 میلادی ، دانیل برنولی قانون بویل را با این فرض که فشار گاز نتیجه برخورد مولکول های گاز با دیواره ی ظرف است ، تبیین کرد . توضیح برنولی ، اولین و ساده ترین تفسیر جنبه های کلیدی نظریه جنبشی است .

 این نظریه در اواسط سدۀ نوزدهم توسط بسیاری از دانشمندان، به ویژه کرونیگ ، کلازیوس ، ماکسول و بولتزمان مورد توجه قرار گرفت و گسترش داده شد .

نظریه جنبشی گازها ، شامل پدیده های زیر است :

  • گاز ها از مولکول هایی که در فضا کاملا از همدیگر جدا هستند ،  تشکیل یافته اند . حجم واقعی هر یک از مولکولها در مقایسه با حجم کل گاز ، ناچیز است . واژۀ مولکول در این جا برای مشخص کردن کوچک ترین ذره هر گاز به کار می رود ; برخی از گاز ها ( مثلا گازهای نجیب ) شامل اتم های ترکیب نشده اند .
  • مولکول های گاز در حرکت مستقیم الخط ، سریع ، و مداوم هستند ; با یکدیگر و با دیوارۀ ظرف برخورد می کنند . گرچه در این برخورد ها ممکن است انرژی از یک مولکول به مولکول دیگر منتقل شود ، ولی انرژی جنبشی ( انرژی حرکت ) از میان نمی رود .
  • انرژی جنبشی میانگین مولکول های یک گاز به دما بستگی دارد ; با افزایش دما ، زیاد می شود . در یک دمای معیین ، مولکول های تمام گاز ها دارای انرژی جنبشی میانگین یکسان هستند .
  • نیروی جاذبۀ بین مولکول های گاز ، ناچیز و قابل چشم پوشی است .

قوانین گاز ها را بر اساس نظریه جنبشی می توان تبیین کرد . قانون بویل را در نظر بگیرید . بر اساس نظریه جنبشی ، فشار گاز ناشی از برخورد های مولکولی با دیواره ظرف است . اگر تعداد مولکول ها در واحد حجم ( غلظت مولکولی ) افزایش یابد ، فشار نیز به علت افزایش تعداد برخورد ها در واحد زمان ، بالا خواهد رفت . کاهش حجم یک گاز باعث تجمع مولکول ها در فضای کوچک تری خواهد شد ; غلظت مولکولی افزایش خواهد یافت و فشار نیز متناسب با آن ، بالا خواهد رفت .

قانون شارل و قانون آمونتون ، خواص گاز ها را به تغییرات دما مربوط می سازد . انرژی جنبشی میانگین مولکول های ، به طور نظری ، صفر است ; مولکول ها بی حرکت اند . چون حجم مولکول های یک گاز ایده آل قابل صرف نظر کردن است ، حجم یک گاز ایده آل در دمای مطلق نیز ، به طور نظری ، صفر است .افزایش دما ، حرکت سریع مولکول ها را سبب می شود . برخورد مولکول های گاز با دیوارۀ ظرف ، شدید تر و بیشتر میشود . در نتیجه فشار به شیوه ای که قانون آمونتون پیش بینی می کند ، بالا می رود .

فشار گازی که گرما به آن داده می شود ، در صورتی ثابت می ماند که حجم آن افزایش یابد . افزایش حجم ، سبب کاهش تعداد برخورد های مولکول ها با دیواره ظرف در واحد زمان می شود و به این ترتیب فشار را ثابت نگه می دارد . به این ترتیب کاهش تعداد برخورد ها با افزایش شدت برخورد ها جبران می شود . قانون شارل بیانگر این وضعیت است.

 

  صفر مطلق :

 

1- فیزیک در صفر مطلق

نظریه جنبشی گازها بیان می‌کند که در صفر مطلق حرکت اتمها به کلی متوقف می‌شود و دمای مطلق   T تنها معیاری از اندازه انرژی جنبشی اتم هاست و بس. اما این توضیح هر چند ساده واضح است،درست نیست. اکثر دماها در فلزات حتی در دمای T = 0 نیز با سرعتهای بالا حرکت می‌کنند. مکانیک کوانتومی برای خیلی از مفاهیم توضیحات طبیعی دارد از جمله دمای مطلق و صفر مطلق.

 

2- مفهوم صفر مطلق در نظریه کوانتومی

مفهوم صفر مطلق در نظریه کوانتومی معنای روشن و قاطعی دارد، در میان ترازهای انرژی هر دستگاه کوانتومی ترازی وجود دارد که با پایینترین انرژی متناظر است و در مثال ما ، این حالت حالتی است که اسپین همه الکترونها در راستای مخالف میدان قرار می‌گیرند. در صفر مطلق ، دستگاه در حالت پایه است، از اینرو نمی‌تواند به دستگاه دیگری انرژی انتقال دهد، دقیقا بدین سبب که تراز پایینتری وجود ندارد که بعد از ، از دست دادن انرژی به آن انتقال یابد.

 

3- دست نیافتنی بودن صفر مطلق

هر کسی می‌داند که دمای جسم را نمی‌توان تا صفر مطلق پایین آورد، هر چند می‌توان به آن نزدیک شد. برای اینکه دمای جسمی را تا صفر مطلق پایین بیاوریم لازم است مقداری متناهی گرما از آن بگیریم. برای اینکار از چرخه کارنو استفاده می‌کنیم  :

                  T1/T2 = φ12

 

 

بدیهی است که در این نظر در چرخه کارنو مقدار گرما یا دما مطرح نیست، بلکه نسبت آنها مهم است. اکنون دیگر مشکل نیست که بفهمیم چرا برای پایین آوردن دمای جسمی تا صفر مطلق باید تعداد بی شماری مراحل را پشت سر گذاشت. هر مرحله می‌تواند یک چرخه بسته یا یک فرآیند تک ، مثل انبساط بی دررو گاز در حال سرد شدن باشد. در هر مرحله مقداری متناهی کار انجام می‌گیرید و دما به نسبت متناهی پایین می‌آید. از آنجا که هر مرحله مدت زمانی طول می‌کشد، زمان لازم برای پایین آوردن دمای جسم تا صفر مطلق لزوما نامتناهی است.

 

صفر مطلق و نظریه جنبشی گازها :

 

می‌توان پرسید که آیا دست نیافتنی بودن صفر مطلق در نظریه جنبشی گازها متفاوت است، آیا کسی می‌تواند اسپین همه الکترونها را به حالت پایه پایین بیاورد (به عنوان مثال ، آنقدر صبر کند که همه فزونی انرژیشان را تابش کنند. اما این سوال چیزی را روشن نمی‌کند. اگر دستگاه در یک فضای تهی نامتناهی بود و انرژیِ تابشی از آن برای همیشه دور می‌شود، اسپینها به یقین همه انرژیشان را از دست می‌دادند و دستگاه به حالتی متناظر با صفر مطلق می‌رسید. اما دستگاه در داخل حجمی باشد که دیواره‌های آن در دمای ثابت نگه داشته می‌شود، آنگاه دستگاه دارای دمای دیواره‌ها می‌شود، در این صورت ممکن نیست بدون انجام دادن کار این دما را پایین تر آورد.

 

شرح آزمایش :

جهت بدست آوردن حجم واقعی ارلن، آن را از آب پر می کنیم سپس درپوش را بر روی ارلن قرار داده و لولۀ متصل به درپوش را به آرامی در ارلن فرو می کنیم تا میان درپوش و لوله حباب ایجاد نشود سپس جهت کاهش خطا میزان فرو رفتن لوله و در پوش را علامت می زنیم تا در طول آزمایش تغییر حجم نداشته باشیم . سپس حجم آب درون ارلن را خارج کرده و اندازه گیری می کنیم و به عنوان حجم اولیه ( V0 ) یادداشت می کنیم .

پس از اندازه گیری حجم واقعی ارلن ، ارلن را خشک کرده ( با استفاده از استون یا حرارت دادن به ارلن ) و سپس درپوش و لولۀ متصل به درپوش را در جای علامت گذاری شده قرار داده و به کمک گیره آن را درون حمام آب گرم (آب جوش با دمای 100درجه سانتی گراد ) قرار می دهیم و به ارلن زمان می دهیم تا هوای درون ارلن با محیط اطراف ( حمام آب گرم ) یکی شود . سپس با انگشت راه لوله را مصدود کرده و از حمام آب گرم خارج کرده و به صورت برعکس در حمام آب سرد قرار می دهیم و با برداشتن انگشت راه لوله را باز می کنیم و سپس به ارلن زمان می دهیم تا هوای درون ارلن با محیط اطراف ( حمام آب سرد ) یکی شود . پس از به تعادل رسیدن دمای هوای درون ارلن با حمام دوباره به کمک انگشت راه لوله را مصدود می کنیم و ارلن را از حمام خارج می کنیم و حجم آب وارد شده به ارلن را اندازه گیری می کنیم و به عنوان حجم ثانویه ( V1 ) یادداشت می کنیم . این آزمایش را چند مرتبه دیگر با تغییر دمای حمام آب سرد ادامه می دهیم .

 

نمونه محاسبات:

 

به کمک حجم اولیه ( V0 ) :

حجم اولیه   →   117

 

و با استفاده از تفریق حجم اولیه (V0 ) با حجم ثانویه ( V ) :

فضای خالی  V0 – V = V   →

و با قرار دادن اعداد به دست آمده در محور y ها و قرار دادن دماهای مربوط به اعداد به دست آمده در محور x ها ، نمودار مربوطه را رسم نموده و معادله خط مربوطه را بدست می آوریم .

Y = 0/2412 X + 40/38

در نتیجه با بدست آوردن X از راه معادله :

Y = aX + b    →    Y = 0    →    X = -b/a

در نتیجه معادلۀ بالا مقدار X ( صفر مطلق ) برابر است با :      41/167-

جدول اطلاعات و نمودار :

دما

(درجه سانتی گراد)

حجم آب cc

حجم هوا درون ارلن

23

71

46

31

69.5

47.5

40

66.5

50.5

51

64.5

52.5

 

 

 

                    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

نتیجه گیری:

 

از این آزمایش می توان نتیجه گرفت که نظریه جنبشی گازها بیان می‌کند که در صفر مطلق حرکت اتمها به کلی متوقف می‌شود و دمای مطلق T تنها معیاری از اندازه انرژی جنبشی اتم هاست و یکی از ساده ترین راه های تقریب زدن صفر مطلق استفاده از قانون گاز ایده آل است که در این آزمایش نیز از این راه استفاده شده است.

همچنین در دما و فشار ثابت ، حجم یک گاز با تعداد مول های آن نسبت مستقیم دارد . تعیین صفر مطلق به روش برون یابی بر اساس رابطۀ مستقیم بین درجه حرارت و حجم می باشد .

 

 

منابع خطا:

 

·        ثابت نبودن فشار در آزمایش زیرا به علت پایین نرفتن کامل ارلن به درون آب حمام سرد و همچنین کوچک بودن ظرف حمام آب گرم که باعث می شود  ارلن تا حد کافی درون حمام نرود باعث ایجاد خطای نامبرده می شود .

 

·        وجود حباب در انتهای درپوش لاستیکی زیرا در هنگام اندازه گیری حجم اولیه ارلن به کمک آب ، در صورت قرار دادن همزمان درپوش و لوله بر روی ارلن در انتهای درپوش و کنار لوله  حباب هایی تشکیل می شود .

 

·        متعادل نشدن دمای حمام آب گرم و سرد با حجم هوای درون ارلن.

 

 

منابع و ماخذ:

 

http://www.daneshnameh.roshd.ir

 

http://www.shimist.ir

 

http://www.cloudysky.ir/data/data0121.php

+ نوشته شده در  شنبه بیست و هفتم آبان 1391ساعت 15:19  توسط علی قدرآبادى  | 

 

1.      مقدمه

ما در این آزمایش علاوه بر بررسی رابطۀ بین حجم گاز و درجه حرارت اطلاعات کافی برای صفر مطلق ( صفر درجه کلوین ) از طریق روش برون یابی بدست می آوریم . برون یابی روشی است که از طریق رسم منحنی می توان یک مقدار عددی که خارج از محدودۀ آزمایش می باشد را تعیین کرد .

نقطه مرجع در مقیاس دمای مطلق 273,15- سانتیگراد است. این نقطه را صفر مطلق می‌گویند، معنای آن تنها پس ار روشن شدن ارتباط منشا گاز با انرژی جنبشی اتمهای آن با توجه به نظریه جنبشی گازها ، روشن شد. این نظریه بیان می‌کند که حرکت اتمها در صفر مطلق به کلی متوقف می‌شود، ولی این توضیح درست نیست. در واقع مکانیک کلاسیک قادر به توضیح این پدیده نیست، ولی مکانیک کوانتومی آن را به خوبی توضیح می‌دهد.

قوانین مکانیک را می‌توان بطور آماری در دو سطح مختلف به مجموعه‌ای از اتمها اعمال کرد در سطحی که نظریه جنبشی گازها نامیده می‌شود. به طریقی کم و بیش فیزیکی و با استفاده از روشهای نسبتا ساده میانگین گیری ریاضی ، عمل می‌کنیم. برای فهم نظریه جنبشی گاز را در فشار ، دما ، گرمای ویژه و انرژی داخلی این روش را که در سطح بکار برده می‌شود.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.     تئوری آزمایش

2-1.   نظریه جنبشی گازها

2-1-1 .   تاریخچه

نظریه جنبشی توسط رابرت بویل (Robert Boyle) (1627 – 1691) ، دانیل برنولی (1700 – 1782) ، جیمز ژول (1818 – 1889) ، کرونیگ (1822 – 1874) ، رودولف کلاوسیوس (1822 – 1888) و کلرک ماکسول ( 1831 – 1879 ) و عده‌ای دیگر تکوین یافته است. در اینجا نظریه جنبشی را فقط در مورد گازها بکار می‌بریم، زیرا برهم کنش‌های بین اتمها ، در گازها به مراتب متغیرترند تا در مایعات. و این امر مشکلات ریاضی را خیلی آسانتر می‌کند.

در سطح دیگر می‌توان قوانین مکانیک را بطور آماری و با استفاده از روشهایی که صوری‌تر و انتزاعی‌تر از روشهای نظریه جنبشی هستند بکار برد. این رهیافت که توسط جی ویلارد گیبس (J.willard Gibbs) و لودویگ بولتز مانی (Ludwig Boltz manni) (1844 – 1906) و دیگران تکامل یافته است، مکانیک آماری نامیده می‌شود، که نظریه جنبشی را به عنوان یکی از شاخه‌های فرعی در بر می‌گیرد. با استفاده از این روشها می‌توان قوانین ترمودینامیک را به دست آورد. بدین ترتیب معلوم می‌شود که ترمودینامیک شاخه‌ای از علم مکانیک است.

2-1-2 .   نظریه جنبشی گازها

نظریه جنبشی گازها ، الگویی برای تبیین نظم و ترتیب مشاهده شده در رفتار تمام گازها به دست می دهد . در 1738 میلادی ، دانیل برنولی قانون بویل را با این فرض که فشار گاز نتیجه برخورد مولکول های گاز با دیواره ی ظرف است ، تبیین کرد . توضیح برنولی ، اولین و ساده ترین تفسیر جنبه های کلیدی نظریه جنبشی است . این نظریه در اواسط سدۀ نوزدهم توسط بسیاری از دانشمندان ، به ویژه کرونیگ ، کلازیوس ، ماکسول و بولتزمان مورد توجه قرار گرفت و گسترش داده شد .

نظریه جنبشی گازها ، شامل پذیره های زیر است :

  • گاز ها از مولکول هایی که در فضا کاملا از همدیگر جدا هستند ،  تشکیل یافته اند . حجم واقعی هر یک از مولکولها در مقایسه با حجم کل گاز ، ناچیز است . واژۀ مولکول در این جا برای مشخص کردن کوچک ترین ذره هر گاز به کار می رود ; برخی از گاز ها ( مثلا گازهای نجیب ) شامل اتم های ترکیب نشده اند .
  • مولکول های گاز در حرکت مستقیم الخط ، سریع ، و مداوم هستند ; با یکدیگر و با دیوارۀ ظرف برخورد می کنند . گرچه در این برخورد ها ممکن است انرژی از یک مولکول به مولکول دیگر منتقل شود ، ولی انرژی جنبشی ( انرژی حرکت ) از میان نمی رود .
  • انرژی جنبشی میانگین مولکول های یک گاز به دما بستگی دارد ; با افزایش دما ، زیاد می شود . در یک دمای معیین ، مولکول های تمام گاز ها دارای انرژی جنبشی میانگین یکسان هستند .
  • نیروی جاذبۀ بین مولکول های گاز ، ناچیز و قابل چشم پوشی است .

قوانین گاز ها را بر اساس نظریه جنبشی می توان تبیین کرد . قانون بویل را در نظر بگیرید . بر اساس نظریه جنبشی ، فشار گاز ناشی از برخورد های مولکولی با دیواره ظرف است . اگر تعداد مولکول ها در واحد حجم ( غلظت مولکولی ) افزایش یابد ، فشار نیز به علت افزایش تعداد برخورد ها در واحد زمان ، بالا خواهد رفت . کاهش حجم یک گاز باعث تجمع مولکول ها در فضای کوچک تری خواهد شد ; غلظت مولکولی افزایش خواهد یافت و فشار نیز متناسب با آن ، بالا خواهد رفت .

قانون شارل و قانون آمونتون ، خواص گاز ها را به تغییرات دما مربوط می سازد . انرژی جنبشی میانگین مولکول های ، به طور نظری ، صفر است ; مولکول ها بی حرکت اند . چون حجم مولکول های یک گاز ایده آل قابل صرف نظر کردن است ، حجم یک گاز ایده آل در دمای مطلق نیز ، به طور نظری ، صفر است .

افزایش دما ، حرکت سریع مولکول ها را سبب می شود . برخورد مولکول های گاز با دیوارۀ ظرف ، شدید تر و بیشتر میشود . در نتیجه فشار به شیوه ای که قانون آمونتون پیش بینی می کند ، بالا می رود .

فشار گازی که گرما به آن داده می شود ، در صورتی ثابت می ماند که حجم آن افزایش یابد . افزایش حجم ، سبب کاهش تعداد برخورد های مولکول ها با دیواره ظرف در واحد زمان می شود و به این ترتیب فشار را ثابت نگه می دارد . به این ترتیب کاهش تعداد برخورد ها با افزایش شدت برخورد ها جبران می شود . قانون شارل بیانگر این وضعیت است .  

2-1-3 .   به دست آوردن قانون گاز ایده آل از نظریه جنبشی

معادلۀ حالت برای یک گاز ایده آل را به صورت زیر می توان به دست آورد . نمونه ای از یک گاز شامل N مولکول ، هر یک با جرم m را در نظر بگیرید . اگر این نمونه در مکعبی با یال a cm قرار گیرد ، حجم گاز برابر خواهد شد با :

V = a3 cm3

گر چه مولکول ها در تمام جهت های ممکن حرکت می کنند ، می توان با این فرض که یک سوم مولکول ها (N 3/1 ) در جهت محور x ، یک سوم در جهت محور y ، و یک سوم در جهت محور z حرکت می کنند ، مسئله را ساده کرد . سرعت یک مولکول را می توان به مولفه های x ، y و z تقسیم کرد . برای تعداد زیادی از مولکول ها ، میانگین این مولفه ها برابر است . بنابراین ، نتیجه با حرکت یک سوم مولکول ها در یکی از جهت های x ، y و z هم ارز است .

فشار گاز بر هر یک از دیواره ها ، ناشی از برخورد مولکول ها بر آن دیواره است . نیروی هر برخورد را می توان از تغییر اندازۀ حرکت در واحد زمان محاسبه کرد . دیواره سایه خورده را در شکل زیر در نظر بگیرید و فقط مولکول های در حالت حرکت در جهت محور x را به حساب آورید . مولکولی که در این جهت حرکت می کند در هر 2×a cm از مسیر خود به این دیواره برخورد می کند ، زیرا پس از هر برخورد با این دیواره باید به طرف دیوارۀ مقابل برود ( فاصله ای به اندازۀ a cm  ) و بعد از برخورد با این دیواره ، باز گردد ( فاصله ای برابر با a cm ) . اگر سرعت مولکول برابر با u cm/s باشد ، در یک ثانیه  فاصله u cm را طی کرده و u/2a دفعه با دیوارۀ مورد نظر برخورد خواهد کرد .

   

اندازه حرکت ، حاصل ضرب جرم در سرعت است . اندازۀ حرکت مولکول پیش از هر برخورد mu ؛ پس از هر برخورد ، mu- ( علامت به علت تغییر جهت ، تغییر کرده است- سرعت ، هم تندی و هم جهت دارد ) . بنابراین تغییر اندازه حرکت در هر برخورد برابر با mu2 خواهد بود .

یک مولکول در هر ثانیه u/2a برخورد انجام خواهد داد ، و تغییر اندازۀ حرکت آن در هر برخورد mu2 است . به این ترتیب ، تغییر کل اندازه حرکت هر مولکول در هر ثانیه برابر است با ،

(u/2a) 2mu = mu2/a

تغییر کل اندازه حرکت ( نیرو ) برای تمام مولکول هایی که در یک ثانیه با این دیواره برخورد می کنند ، عبارت است از ؛

N/3 × mu2/a

در این عبارت ، u2 میانگین مجذور تمام سرعت های مولکولی است . فشار ، عبارت است از نیرو بر سطح . مساحت دیوارۀ سایه دار برابر با a2 cm2 است . بنابراین فشار وارد شده بر دیواره مورد نظر برابر است با :

مساحت / نیرو = فشار

چون حجم مکعب برابر است با V = a3 و a3 cm3 ، و :

 


                                                                                                                               یا              P =

معادله را به صورت زیر می توان نوشت :

(1)                                                    PV = (2/3 N) (1/2 mu2)

انرژی جنبشی هر جسم برابر با نصف حاصل ضرب جرم آن در مجذور تندی حرکت آن است . در نتیجه ، میانگین انرژی جنبشی مولکولی برابر است با :

(2)                                                            KE = ½ mu2

در نتیجه :

(3)                                                         PV = 2/3 N(KE)

میانگین انرژی جنبشی مولکولی ، KE ، با دمای مطلق ، T ، نسبت مستقیم دارد و T α KE . عدۀ مولکول ها نیز با عدۀ مول ها ، n ، نسبت مستقیم دارد ، در نتیجه n α N ، و داریم :

(4)                                                           N (KE) α nT

قرار دادن این عبارت در معادله شماره (1) ، متضمن وارد کردن یک ثابت است ، زیرا این عبارت بیانگر تناسب است ، نه تساوی . ثابت لازم را می توان با 3/2 ( که آن هم ثابت است ) ، جمع کرد . ثابت حاصل برابر است با ثابت گازها ، یعنی R ، در نتیجه،

(5)                                                             PV = nRT

2-1-4 .   محاسبه فشار بر پایه نظریه جنبشی

فشار یک گاز ایده‌آل را با استفاده از نظریه جنبشی محاسبه می‌کنند. برای ساده کردن مطلب ، گازی را در یک ظرف مکعب شکل با دیواره‌های کاملا کشسان در نظر می‌گیریم. فرض می‌کنیم طول هر ضلع مکعب L باشد. سطحهای عمود بر محور X را که مساحت هر کدام e2 است. A1 و A2 می‌نامیم. مولکولی را در نظر می‌گیریم که دارای سرعت V باشد. سرعت V را می‌توان در راستای یالهای مولفه‌های Vx و Vy و Vz تجزیه کرد.

اگر این ذره با A1 برخورد کند در بازگشت مولفه X سرعت آن معکوس می شود. این برخورد اثری رو ی مولفه Vy و یا Vy ندارد در نتیجه متغیر اندازه حرکت عبارت خواهد بود :

  (-m Vx - m Vx) = 2 m Vx = اندازه حرکت اولیه – اندازه حرکت نهایی

که بر A1 عمود است. بنابراین اندازه حرکتی e به A1 داده می‌شود برابر با m Vx2 خواهد بود زیرا اندازه حرکت کل پایسته است.

زمان لازم برای طی کردن مکعب برابر خواهد بود با Vx/L. در A2 دوباره مولفه y سرعت معکوس می‌شود و ذره به طرف A1 باز می‌گردد. با این فرض که در این میان برخوردی صورت نمی‌گیرد مدت رفت و برگشت برابر با 2 e Vx خواهد بود. به طوری که آهنگ انتقال اندازه حرکت از ذره به A1 عبارت است:

mVx2/e = Vx/2e. 2 mVx ، برای به دست آوردن نیروی کل وارد بر سطح A1 ، یعنی آهنگ انتقال اندازه حرکتی از طرف تمام مولکولهای گاز به A1 داده می‌شود.

 

                                                                         P = M/e (Vx12 + Vx22 + Vx32)

P = 1/2eV2

2-1-5 .   تعبیر دما از دیدگاه نظریه جنبشی

با توجه به فرمول RT 2/3 = 1/2 MV2 یعنی انرژی کل انتقال هر مول از مولکولهای یک گاز ایده‌آل ، با دما متناسب است. می‌توان گفت که این نتیجه با توجه به معادله بالا برای جور در آمدن نظریه جنبشی با معادله حالت یک گاز ایده‌آل لازم است. و یا اینکه می‌توان معادله بالا را به عنوان تعریفی از دما بر پایه نظریه جنبشی یا بر مبنای میکروسکوبیک در نظر گرفت. هر دو مورد بینشی از مفهوم دمای گاز به ما می‌دهد. دمای یک گاز مربوط است به انرژی جنبشی انتقال کل نسبت به مرکز جرم گاز اندازه گیری می‌شود. انرژی جنبشی مربوط به حرکت مرکز جرم گاز ربطی به دمای گاز ندارد.

حرکت کاتوره‌ای را به عنوان بخشی از تعریف آماری یک گاز ایده‌آل در نظر گرفت. V2 را بر این اساس می‌توان محاسبه کرد. در یک توزیع کاتوره‌ای سرعتهای مولکولی ، مرکز جرم در حال سکون خواهد بود. بنابراین ما باید چارچوب مرجعی را بکار ببریم که در آن مرکز جرم گاز در حال سکون باشد. در چارچوبهای دیگر ، سرعت هر یک از مولکولها به اندازه U (سرعت مرکز جرم در آن چارچوب) از سرعت آنها در چارچوب مرکز جرم بیشتر است. در اینصورت حرکتها دیگر کتره‌ای نخواهد بود و برای V2 مقادیر متفاوتی بدست می‌آید. پس دمای گاز داخل یک ظرف در یک قطار متحرک افزایش می‌یابد. می‌دانیم که M V2 1/2 میانگین انرژی جنبشی انتقالی هر مولکول است. این کمیت در یک دمای معین که در این مورد صفر درجه سلسیوس است، برای همه گازها مقدار تقریبا یکسانی دارد. پس نتیجه می‌گیریم که در دمای T ، نسبت جذر میانگین مربعی سرعتهای مولکولهای دو گاز مختلف مساوی است با ریشه دمای عکس نسبت به مربعهای آنها.

T = 2/3k m1 V12/2= 2/3k m2 V22/2

2-1-6 .   مسافت آزاد میانگین

در فاصله برخوردهای پی‌درپی ، هر مولکول از گاز با سرعت ثابتی در طول یک خط راست حرکت می‌کند. فاصله متوسط بین این برخوردهای پی‌درپی را مسافت آزاد میانگین می‌نامند. اگر مولکولها به شکل نقطه بودند، اصلا با هم برخورد نمی‌کردند. و مسافت آزاد میانگین بینهایت می‌شد. اما مولکولها نقطه‌ای نیستند و بدین جهت برخوردهایی روی می‌دهد. اگر تعداد مولکولها آنقدر زیاد بود که می‌توانستند فضایی را که در اختیار دارند کاملا پر کنند و دیگر جایی برای حرکت انتقالی آنها باقی نمی‌ماند. آن وقت مسافت آزاد میانگین صفر می‌شد.

بنابراین مسافت آزاد میانگین بستگی دارد به اندازه مولکولها و تعداد واحد آنها در واحد حجم. و به قطر d و مولکولهای گاز به صورت کروی هستند در این صورت مقطع برای برخورد برابر با лd2 خواهد بود.

مولکولی با قطر 2d را در نظر می‌گیریم که با سرعت V در داخل گازی از ذرات نقطه‌ای هم ارز حرکت می‌کند. این مولکول در مدت t استوانه‌ای با سطح مقطع лd2 و طول Vt را می‌روبد. اگر nv تعداد مولکولها در واحد حجم باشد استوانه شامل (лd2 Vt ) nv ذره خواهد بود. مسافت آزاد میانگین ، L ، فاصله متوسط بین دو برخورد پی‌درپی است بنابراین ، L ، عبارت است از کل مسافتی که مولکول در مدت t می‌پیماید. (Vt) تقسیم بر تعداد برخوردهایی که در این مدت انجام می‌دهد. یعنی:

I = Vt/πd2nv =1/√2πnd2

I = 1/√2πnd2

این میانگین بر مبنای تصویری است که در آن یک مولکول با هدفهای ساکن برخورد می‌کند. در واقع ، برخوردهای مولکول با هدف دمای متحرک انجام می‌گیرد در نتیجه تعداد برخورد دما از این مقدار بیشتر است.

2-1-7 .   توزیع سرعتهای مولکولی

با توجه به سرعت جذر میانگین مربعی مولکولهای گاز ، اما گستره سرعتهای تک‌تک مولکولها بسیار وسیع است. بطوری که برای هر گازی منحنی‌‌ای از سرعتها مولکولی وجود دارد که به دما وابسته است. اگر سرعتهای تمام مولکولهای یک گاز یکسان باشند این وضعیت نمی‌تواند مدت زیاد دوام بیاورد. زیرا سرعتهای مولکولی به علت برخوردها تغییر خواهند کرد. با وجود این انتظار نداریم که سرعت تعداد زیادی از مولکولها بسیار کمتر از V‌rms (یعنی نزدیک صفر) یا بسیار بیشتر از Vrms ، زیرا وجود چنین سرعتهایی مستلزم آن است که یک رشته برخوردهایی نامحتمل و موجی صورت بگیرد. مسئله محتملترین توزیع سرعتها در مورد تعداد زیادی از مولکولهای یک گاز را ابتدا کلوک ماکسول حل کرد. قانونی که او ارائه کرد در مورد نمونه‌ای از گاز که N مولکول را شامل می‌شد چنین است :

N(V) = 4πN(m/2πKt)3/2V2e-mv2/2kt

در این معادله N(V)dV تعداد مولکولهایی است که سرعت بین V و V+3v است، T دمای مطلق ، K ثابت بولتزمن ، m جرم هر مولکول است. تعداد کل مولکولهای گاز (N) را ، با جمع کردن (یعنی انتگرال‌گیری) تعداد موجود در هر بازه دیفرانسیلی سرعت از صفر تا بینهایت به دست می‌آید. واحد (N(V می‌تواند مثلا مولکول برا سانتیمتر بر ثانیه باشد.

N =∫0N(V) dv

 

 

 

2-1-8 .   توزیع سرعتهای مولکولی در مایعات

توزیع سرعتهای مولکولی در مایعات شبیه گاز است. اما بعضی از مولکولهای مایع (آنهایی که سریعترند) می‌توانند در دماهایی کاملا پایینتر از نقطه جوش عادی از سطح مایع بگریزند. (یعنی تبخیر شوند). فقط این مولکولها هستند که می‌توانند بر جاذبه مولکولهای سطح فائق آیند. و در اثر تبخیر فرار کنند. بنابراین انرژی جنبشی میانگین مولکولهای باقیمانده نیز کاهش می‌یابد در نتیجه دمای مایع پایین می‌آید. این امر روشن می‌کند که چرا تبخیر فرایند سرمایشی است.

2-1-9 .  مثال واقعی در مورد توزیع سرعتهای مولکولی

با توجه به فرمول N(V) = Σ410N(M/2πkT)3/2 توزیع سرعتهای مولکولی هم به جرم مولکول و هم به دما بستگی دارد هرچه جرم کمتر باشد نسبت مولکولهای سریع در یک دمای معین بیشتر است. بنابراین احتمال اینکه هیدروژن در ارتفاعات زیاد از جو فرار کند بیشتر است، تا اکسیژن و ازت. کره ماه دارای جو رقیقی است. برای آنکه مولکولهای این جو احتمال زیادی برای فرار از کشش گرانشی ضعیف ماه ، حتی در دماهای پایین آنجا نداشته باشند، انتظار می‌رود که این مولکولها یا اتمها متعلق به عناصر سنگینتر باشند. طبق شواهدی ، در این جو گازهای بی اثر سنگین مانند کریپتون و گزنون وجود دارند که براثر واپاشی پرتوزا در تاریخ گذشته ماه تولید شده‌اند. فشار جو ماه در حدود 10 برابر فشار جو زمین است.

2-1-10 .  توزیع ماکسولی

ماکسول قانون توزیع سرعتهای مولکولی را در سال 1859 میلادی به دست آورد. در آن زمان بررسی این قانون به کمک اندازه گیری مستقیم ممکن نبود و در حقیقت تا سال 1920 که اولین کوشش جدی در این راه توسط اشترن (Stern) به عمل آمد، هیچ اقدامی صورت نگرفته بود. افراد مختلفی تکنیکهای این کار را به سرعت بهبود بخشیدند. تا اینکه در سال 1955 یک بررسی تجربی بسیار دقیق در تائید این قانون (در مورد مولکولهای گاز توسط میلر (Miller) و کاش (Kusch) از دانشگاه کلمبیا صورت گرفت.

اسبابی که این دو نفر بکار بردند در مجموعه‌‌ای از آزمایشها مقداری تالیوم در کوره قرار می‌دادند و دیواره‌های کوره O را تا دمای یکنواخت 80±4K گرم کردند. در این دما تالیوم بخار می‌شود و با فشار 3.2×10-3 میلیمتر جیوه ، کوره را پر می‌کند. بعضی از مولکولهای بخار تالیوم از شکاف s به فضای کاملا تخلیه شده خارج کوره فرار می‌کند و روی استوانه چرخان R می‌افتند در این صورت استوانه که طولش L است تعدادی شیار به صورت مورب تعبیه شده که فقط یکی از آنها را می‌توان دید. به ازای یک سرعت زاویه‌ای معین استوانه (W) فقط مولکولهایی که دارای سرعت کاملا مشخص V هستند می‌توانند بدون برخورد با دیواره‌ها از شیارها عبور کنند. سرعت V را می‌توان از رابطه زیر بدست آورد:

V = LW/q و= L/V = φ/W زمان عبور مولکول از شیار

φ: تغییر مکان زاویه‌ای بین ورودی و خروجی یک شیار مورب است. استوانه چرخان یک سرعت گزین است، سرعت انتخاب شده با سرعت زاویه‌ای (قابل کنترل) W متناسب است.

2-1-11 .  نقص توزیع سرعت ماکسولی با نظریه جنبشی

اگرچه توزیع ماکسولی سرعت برای گازها در شرایط عادی سازگاری بسیار خوبی با مشاهدات دارد. ولی در چگالیهای بالا ، که فرضهای اساسی نظریه جنبشی کلاسیک صادق نیستند. این سازگاری نیز به هم می‌خورد. در این شرایط باید از توزیعهای سرعت مبتنی بر اصول مکانیک کوانتومی ، یعنی توزیع فرمی - دیراک (Fermi Dirac) بوز – انیشتین (Bose Einstein) استفاده کرد. این توزیعهای کوانتمی در ناحیه کلاسیک (چگالی کم) با توزیع ماکسولی توافق نزدیک دارند و در جایی که توزیع کلاسیک با شکست مواجه می‌شود با نتایج تجربی سازگارند. بنابراین در کاربرد توزیع ماکسولی محدودیتهایی وجود دارد. همانگونه که در واقع برای هر نظریه‌ای چنین است.

2-2.   قانون گاز ایده آل

2-2-1 .  گاز ایده آل

گاز ایده‌آل یک تقریب از گازهای حقیقی است که برای مقاصد محاسباتی بکار می‌رود. گاز ایده‌آل به گازی گفته می‌شود که:

  • بین ذرات آن نیرویی وجود نداشته باشد و تنها برهم‌کنش بین ذرات، برخورد صلب باشد.
  • اندازهٔ ذرات نسبت به مسیر آزاد میانگین ناچیز باشد.

گازهای حقیقی را در چگالی‌های پایین با تقریب خوبی می‌توان ایده‌آل فرض کرد.

2-2-2 .  قانون گاز ایده آل

در دما و فشار ثابت ، حجم یک گاز با تعداد مول های آن نسبت مستقیم دارد . حجم یک مول از گاز ( یک گرم وزن مولکولی ) ، نصف حجم اشغال شده ، به وسیله 2 مول از گاز در همان دما و فشار است . علاوه بر این حجم یک مول از یک گاز معین با حجم یک مول از هر گاز دیگری یکسان ست در صورتی که حجم آن ها را در دما و فشار ثابتی اندازه گیری می کنیم . اگر n برابر با تعداد مول های گاز باشد ،

V α n

یا

V = K˝΄n

مقدار عددی ثابت تناسب ، K˝´ ، به دما و فشار گاز بستگی دارد .

از تلفیق این رابطه با قوانین شارل و بویل ، می توان معادله ای کلی به دست آورد که بیانگر رابطه بین حجم ، دما ، فشار ، و تعداد مول ها باشد . حجم با فشار رابطۀ معکوس و با دمای مطلق و تعداد مول ها باشد . حجم با فشار رابطۀ معکوس و با دمای مطلق و تعداد مول ها رابطۀ مسقیم دارد؛

V α 1/p                    V α T                    V α n

بنابراین،

(1)

 با استفاده از یک ثابت ، می توان تناسب را به تساوی تبدیل کرد . در این مورد ، عدد ثابت را با R مشخص میکنیم :

(2)                                                                              

 

با تغییر آرایش معادلۀ بالا می توان به معادلۀ زیر رسید :

(3)                                                             PV = nRT

در دما و فشار متعارفی ، اغلب گاز ها از این معادله پیروی می کنند . اما ، در شرایط حد ( دمای پایین و فشار بالا ) انحراف مشاهده خواهد شد . یک گاز فرضی که در تمام شرایط از معادله (3) پیروی کند ، گاز ایده آل نامیده می شود . در نتیجه معادله (3) را معادله حالت برای گاز ایده آل نیز می نامند .

حل معادله حالت برای R ، می دهد :

R = PV / nT

تعداد مول های یک گاز در نمونه ، یعنی n ، برابر با جرم نمونه ، g ، تقسیم بر وزن مولکولی گاز ، M ، است :

n = g / M

با قرار دادن ( g/M ) به جای n در معادله PV = nRT ، داریم :

PV = (g/M) RT

2-3.   صفر مطلق

2-3-1 .  فیزیک در صفر مطلق

نظریه جنبشی گازها بیان می‌کند که در صفر مطلق حرکت اتمها به کلی متوقف می‌شود و دمای مطلق T تنها معیاری از اندازه انرژی جنبشی اتمهاست و بس. اما این توضیح هر چند ساده واضح است، درست نیست. اکثر دماها در فلزات حتی در دمای T = 0 نیز با سرعتهای بالا حرکت می‌کنند.

مکانیک کوانتومی برای خیلی از مفاهیم توضیحات طبیعی دارد از جمله دمای مطلق و صفر مطلق.

2-3-2 .  مفهوم صفر مطلق در نظریه کوانتومی

مفهوم صفر مطلق در نظریه کوانتومی معنای روشن و قاطعی دارد، در میان ترازهای انرژی هر دستگاه کوانتومی ترازی وجود دارد که با پایینترین انرژی متناظر است و در مثال ما ، این حالت حالتی است که اسپین همه الکترونها در راستای مخالف میدان قرار می‌گیرند. در صفر مطلق ، دستگاه در حالت پایه است، از اینرو نمی‌تواند به دستگاه دیگری انرژی انتقال دهد، دقیقا بدین سبب که تراز پایینتری وجود ندارد که بعد از ، از دست دادن انرژی به آن انتقال یابد.

2-3-3 .  دست نیافتنی بودن صفر مطلق

هر کسی می‌داند که دمای جسم را نمی‌توان تا صفر مطلق پایین آورد، هر چند می‌توان به آن نزدیک شد. برای اینکه دمای جسمی را تا صفر مطلق پایین بیاوریم لازم است مقداری متناهی گرما از آن بگیریم. برای اینکار از چرخه کارنو استفاده می‌کنیم:

T1/T2 = φ12

بدیهی است که در این نظر در چرخه کارنو مقدار گرما یا دما مطرح نیست، بلکه نسبت آنها مهم است. اکنون دیگر مشکل نیست که بفهمیم چرا برای پایین آوردن دمای جسمی تا صفر مطلق باید تعداد بی شماری مراحل را پشت سر گذاشت. هر مرحله می‌تواند یک چرخه بسته یا یک فرآیند تک ، مثل انبساط بی دررو گاز در حال سرد شدن باشد. در هر مرحله مقداری متناهی کار انجام می‌گیرید و دما به نسبت متناهی پایین می‌آید. از آنجا که هر مرحله مدت زمانی طول می‌کشد، زمان لازم برای پایین آوردن دمای جسم تا صفر مطلق لزوما نامتناهی است.

2-3-4صفر مطلق و نظریه جنبشی گازها

می‌توان پرسید که آیا دست نیافتنی بودن صفر مطلق در نظریه جنبشی گازها متفاوت است، آیا کسی می‌تواند اسپین همه الکترونها را به حالت پایه پایین بیاورد (به عنوان مثال ، آنقدر صبر کند که همه فزونی انرژیشان را تابش کنند. اما این سوال چیزی را روشن نمی‌کند. اگر دستگاه در یک فضای تهی نامتناهی بود و انرژیِ تابشی از آن برای همیشه دور می‌شود، اسپینها به یقین همه انرژیشان را از دست می‌دادند و دستگاه به حالتی متناظر با صفر مطلق می‌رسید. اما دستگاه در داخل حجمی باشد که دیواره‌های آن در دمای ثابت نگه داشته می‌شود، آنگاه دستگاه دارای دمای دیواره‌ها می‌شود، در این صورت ممکن نیست بدون انجام دادن کار این دما را پایین تر آورد.

 

 

3.     شرح آزمایش

جهت بدست آوردن حجم واقعی ارلن ، آن را از آب پر می کنیم ، سپس درپوش را بر روی ارلن قرار داده و لولۀ متصل به درپوش را به آرامی در ارلن فرو می کنیم تا میان درپوش و لوله حباب ایجاد نشود سپس جهت کاهش خطا میزان فرو رفتن لوله و در پوش را علامت می زنیم تا در طول آزمایش تغییر حجم نداشته باشیم . سپس حجم آب درون ارلن را خارج کرده و اندازه گیری می کنیم و به عنوان حجم اولیه ( V0 ) یادداشت می کنیم .

پس از اندازه گیری حجم واقعی ارلن ، ارلن را خشک کرده ( با استفاده از استون یا حرارت دادن به ارلن ) و سپس درپوش و لولۀ متصل به درپوش را در جای علامت گذاری شده قرار داده و به کمک گیره آن را درون حمام آب گرم (آب جوش با دمای 100درجه سانتی گراد ) قرار می دهیم و به ارلن زمان می دهیم تا هوای درون ارلن با محیط اطراف ( حمام آب گرم ) یکی شود . سپس با انگشت راه لوله را مصدود کرده و از حمام آب گرم خارج کرده و به صورت برعکس در حمام آب سرد قرار می دهیم و با برداشتن انگشت راه لوله را باز می کنیم و سپس به ارلن زمان می دهیم تا هوای درون ارلن با محیط اطراف ( حمام آب سرد ) یکی شود . پس از به تعادل رسیدن دمای هوای درون ارلن با حمام دوباره به کمک انگشت راه لوله را مصدود می کنیم و ارلن را از حمام خارج میکنیم و حجم آب وارد شده به ارلن را اندازه گیری می کنیم و به عنوان حجم ثانویه ( V1 ) یادداشت می کنیم . این آزمایش را چند مرتبه دیگر با تغییر دمای حمام آب سرد ادامه می دهیم .

4.     هدف آزمایش

بدست آوردن یا تخمین زدن صفر مطلق

 

 

 

 

 

 

 

 

5.     نمونه محاسبات

به کمک حجم اولیه ( V0 ) :

حجم اولیه   →   117

و با استفاده از تفریق حجم اولیه (V0 ) با حجم ثانویه ( V ) :

فضای خالی  V0 – V = V   →

و با قرار دادن اعداد به دست آمده در محور y ها و قرار دادن دماهای مربوط به اعداد به دست آمده در محور x ها ، نمودار مربوطه را رسم نموده و معادله خط مربوطه را بدست می آوریم .

Y = 0/2412 X + 40/38

در نتیجه با بدست آوردن X از راه معادله :

Y = aX + b    →    Y = 0    →    X = -b/a

در نتیجه معادلۀ بالا مقدار X ( صفر مطلق ) برابر است با :

41/167-

 


6.      جداول و نمودار

 

دما

(درجه سانتی گراد)

حجم آب (ml )

حجم هوا درون ارلن

23

71

46

31

69.5

47.5

40

66.5

50.5

51

64.5

52.5

 

 

 

 

 

7.     بحث و نتیجه گیری

از این آزمایش می توان نتیجه گرفت که نظریه جنبشی گازها بیان می‌کند که در صفر مطلق حرکت اتمها به کلی متوقف می‌شود و دمای مطلق T تنها معیاری از اندازه انرژی جنبشی اتمهاست . نتیجه ی دیگری که می توان از این آزمایش گرفت این است که، یکی از ساده ترین راه های تقریب زدن صفر مطلق استفاده از قانون گاز ایده آل است که در این آزمایش نیز از این راه استفاده شده است . همچنین می توان این نتیجه را گرفت که در دما و فشار ثابت ، حجم یک گاز با تعداد مول های آن نسبت مستقیم دارد .

نتایج دیگری را که می توان بیان نمود این است که، چون حجم مولکول های یک گاز ایده آل قابل صرف نظر کردن است ، حجم یک گاز ایده آل در دمای مطلق نیز ، به طور نظری ، صفر است .

یکی از نتایج مهمی را که می توان از این آزمایش گرفت این است که، تعیین صفر مطلق به روش برون یابی بر اساس رابطۀ مستقیم بین درجه حرارت و حجم می باشد .

مفهوم گاز های ایده آل براین مبنا می باشد که برخورد مولکول های گاز بطور کامل الاستیک بوده ولی در عمل گازی به عنوان گاز ایده آل وجود ندارد . زیرا همواره بین مولکولها نیروی جاذبۀ واندروالس در اثر طبیعت الکتریکی آن ها وجود داشته و این اصل را که رفتار گازها کاملا ایده آل نیست باید در خاطر داشت .

در هر حال می توان فرض کرد که گاز ها در فشار پایین ( وقتی که تعداد مولکول های کمی در ظرف بزرگی قرار دارد ) و درجه حرارت بالا تا حدود زیادی رفتارشان ایده آل می باشد زیرا در این حالت فاصله بین مولکولها و انرژی سنتیک آنان افزایش یافته و در نتیجه نیروی جاذبۀ واندروالس به حداقل می رسد .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.     خطا

8-1.   موارد خطا

الف) ثابت نبودن فشار در آزمایش

ب) ثابت نماندن حجم در کل آزمایش

ج) متعادل نشدن دمای حمام آب گرم و سرد با حجم هوای درون ارلن

د) خشک نبودن کامل ارلن

ذ) وجود حباب در انتهای درپوش لاستیکی

ر) ایجاد افت دما در حین آزمایش

8-2.   دلایل خطا

الف) به علت پایین نرفتن کامل ارلن به درون آب حمام سرد و همچنین کوچک بودن ظرف حمام آب گرم که باعث می شود  ارلن تا حد کافی درون حمام نرود باعث ایجاد خطای نامبرده می شود .

ب) به علت استاندارد نبودن درپوش لاستیکی ، در حین گرم کردن حجم هوای درون ارلن با بالا آمدن درپوش از مکان علامت زده شده باعث افزایش حجم ارلن می شود بنابراین حجم ارلن از حجم اولیه آن افزایش می یابد که خود این امر به تنهایی خطای بزرگی را به دنبال دارد .

ج) به علت نگه نداشتن ارلن به مدت کافی درون حمام آب سرد و گرم، حجم هوای درون ارلن با محیط اطراف همدما نمی شود و همچنین عامل دیگری که باعث ایجاد این خطا می کند این است که ارلن را درون حمام آب گرمی کنیم که به طور کامل به جوش نیامده باشد .

د) کم بودن دقت به هنگام خشک کردن ارلن در طی آزمایش

ذ) در هنگام اندازه گیری حجم اولیه ارلن به کمک آب ، در صورت قرار دادن همزمان درپوش و لوله بر روی ارلن در انتهای درپوش و کنار لوله  حباب هایی تشکیل می شود .

ر) اتلاف وقت در هنگام خارج کردن ارلن از حمام آب گرم و وارد کردن آن به درون حمام آب سرد باعث ایجاد خطای نامبرده می شود .

 

 

8-3.   پیشنهادات جهت رفع خطا

الف) استفاده از حمام های بزرگتر و در صورت محدودیت می توان به کمک دست ، آب درون حمام را به طور مداوم بر روی ارلن ریخت ، که با انجام این عمل می توان به همراه ثابت نگه داشتن فشار دمای حمام را نیز به کل ارلن وارد کنیم .

ب) استفاده از درپوش لاستیکی استاندارد و در صورت محدودیت استفاده از موادی که جلوگیری از حرکت درپوش را میکند توصیه می شود . ( موادی مانند چسب و ... )

ج) نگه داشتن ارلن به مدت کافی در حمام گرم (5 دقیقه )و حمام سرد ( 3 دقیقه )

د) استفاده از استون شستشو و یا چرخاندن ارلن بر روی شعله

ذ) در هنگام اندازه گیری حجم ارلن ، پس از پر کردن ارلن با آب ، ابتدا لوله را با انتهای درپوش مماس کرده سپس بر روی ارلن قرار داده و به آرامی لوله را درون ارلن فرو می کنیم .

ر) سرعت بخشیدن به خارج کردن ارلن از حمام گرم و وارد کردن آن به حمام سرد ، که با انجام این عمل افت دمای ایجاد شده کاهش می یابد .

 

 

9.      مراجع و منابع 

9-1.   کتب

الف )  کتاب شیمی فیزیک / اتکینز / غ- پارسافر و ب- نجفی/ جلد اول: ترمودینامیک

ب) کتاب شیمی عمومی 1 / چارلز مورتیمر / ع- یاوری / جلد اول

9-2.   سایت های اینترنتی

http://www.daneshnameh.roshd.ir

http://www.shimist.ir

http://www.cloudysky.ir/data/data0121.php

http://www.hupaa.com

http://www.moghan.pib.ir

 

 

+ نوشته شده در  شنبه بیست و هفتم آبان 1391ساعت 14:48  توسط علی قدرآبادى  | 

1.     مقدمه

ژول" با آزمایش نشان داد که هرگاه مقدار معینی از انرژی مکانیکی به گرما تبدیل شود، مقدار گرمای حاصل همیشه یکسان است. بنابراین هم‌ارزی گرما و کار مکانیکی به‌عنوان دو شکل انرژی ، کاملا محرز است. "هلمهولتز" اولین کسی بود که بوضوح بیان کرد که نه‌تنها گرما و انرژی مکانیکی ، بلکه تمام شکلهای انرژی هم‌ارزند و مقدار معینی از یک شکل انرژی از بین نمی‌رود، مگر آنکه همان مقدار در یکی از شکلهای دیگر انرژی ظاهر شود، بنابراین گرما صورتی از انرژی است.

 

حال اگر چنانچه بخواهیم دمای جسمی را به اندازه واحد افزایش دهیم، در این صورت بسته به نوع جسم ، این مقدار گرما متفاوت خواهد بود. کلمه ظرفیت در ظرفیت گرمایی بویژه گمراه کننده است، چون عبارت مقدار گرمایی را که یک جسم می‌تواند نگه دارد، به یاد می‌آورد که اساسا بی‌معنا است.اصولا می‌توان ظرفیت گرمایی را به‌عنوان یک ثابت تناسب در نظرگرفت، یعنی مقدار گرمای داده شده به یک جسم با تغییر دمای آن جسم متناسب است و با ضرب کردن ظرفیت گرمایی در طرف دوم این رابطه ، رابطه تناسبی به یک تساوی تبدیل می‌شود، یعنی نسبت مقدار انرژی گرمایی که به یک جسم داده می‌شود، بر افزایش دمای متناظر با آن را ظرفیت گرمایی آن جسم می‌گویند به عبارت دیگر نسبت گرمای مبادله شده با سیستم به تغییر دمای ناشی از مبادله گرما را ظرفیت گرمایی می گویند.

 

مفهوم ظرفیت گرمایی فقط درمواردی به کارمی‌رود که مبادله گرما با سیستم تنها باعث تغییر دمای سیستم شود و در مواردی که تغییرفاز ایجادمی‌شود، به کارنمی‌رود.

 

ظرفیت گرمایی واحد جرم یک جسم را ظرفیت گرمایی ویژه آن جسم و ظرفیت گرمایی به ازای یک مول از ماده را ظرفیت گرمایی مولی می گویند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.    تئوری آزمایش

گرما از طریق آثار آن بر جسمی که از آن عبور می کند بررسی می شود. می توان تصور کرد که هر جسم ظرفیتی برای گرما دارد. هر چه در یک جسم تغییر دما به علت انتقال مقدار مشخصی از گرما کم تر باشد، ظرفیت آن بیش تر است. در واقع ظرفیت گرمایی را می توان به صورت زیر تعریف کرد:

مشکل این رابطه این است که C را، مانند Q، به جای یک تابع حالت، یک کمیت وابسته به فرایند می کند. اما، این امکان را می دهد که بیش از یک ظرفیت گرمایی مفید تعریف شود.

در واقع دو ظرفیت گرمایی برای سیالات همگن بسیار مورد استفاده است؛ که البته، هر دو توابع حالت بوده، و به روشنی در رابطه با سایر توابع حالت تعریف می شود:

ظرفیت گرمایی در حجم ثابت:

ظرفیت گرمایی در فشار ثابت:

این تعاریف بسته به اینکه U و H خواص مولی یا ویژه باشد، با ظرفیت های گرمایی مولی و ظرفیت های گرمایی ویژه (که معمولاً گرمای ویژه خوانده می شود) منطبق است.

 

2-1ظرفیت گرمایی

انرژی داخلی ماده با افزایش دما زیاد می شود. این افزایش به شرایطی بستگی دارد که گرما داده می شود. در حال حاضر حجم نمونه را ثابت فرض خواهیم کرد، مانند گازی که در ظرفی با حجم ثابت محبوس شده است. اگر نمودار انرژی داخلی بر حسب دما رسم شود نموداری مانند شکل 1 به دست می آید. شیب این منحنی در هر دمایی را ظرفیت گرمایی سیستم در آن دما می نامند. ظرفیت گرمایی در حجم ثابت را با CV نمایش می دهند و چنین تعریف می شود:


در این مورد، انرژی داخلی با دما و حجم نمونه تغییر می کند، اما چون به تغییرات آن نسبت به دما علاقمندیم، حجم را ثابت نگاه می داریم. (شکل 2)

 

 

 

شکل 1 - با افزایش دما انرژی داخلی سیستم زیاد می شود. در این نمودار تغییرات آن در حجم ثابت نشان داده شده است. شیب نمودار در هر دمایی که به صورت خطوط مماس در A و B نشان داده شده اند ظرفیت گرمایی در حجم ثابت در آن دماست. توجه کنید که برای سیستم مورد نظر، ظرفیت گرمایی در B بزرگتر از مقدار آن در A است.

 

شکل 2 - انرژی داخلی با دما و حجم تغییر می کند، که به صورت یک سطح در این جا نشان داده شده است. تغییر انرژی داخلی با دما در حجم ثابت خاصی با منحنی­ای نشان داده شده که به موازات محور T ترسیم شده است. از شیب این منحنی در هر نقطه مشتق جزئی  معین می شود.

 

ظرفیت های گرمایی خواص مقداری اند: مثلاً ظرفیت گرمایی g100 آب صد برابر ظرفیت گرمایی g1 آب است (و لذا برای افزایش دمای آن به مقدار معینی صد برابر انرژی گرمایی لازم دارد). ظرفیت گرمایی مولی در حجم ثابت CV.m=CV/n، ظرفیت گرمایی به ازای یک مول ماده است که یک خاصیت شدتی است (تمام خواص مولی شدتی اند). مقدار CV.m، نوعی گازهای چند اتمی به CV.m=25JK-1mol-1 نزدیک است. برای بعضی کاربردها، دانستن ظرفیت گرمایی ویژه (به طرز غیررسمی تر «گرمای ویژه») مواد لازم است. این کمیت به صورت ظرفیت گرمایی ماده بخش بر جرم آن، و به طور معمول بر حسب گرم، CV.s=CV/m تعریف می شود. ظرفیت گرمایی ویژه آب در دمای اطاق حدود 4JK-1g-1 است. ظرفیت های گرمایی عموماً به دما وابسته هستند و در دماهای پایین تر کوچک ترند. با وجود این دردمای اطاق در محدوده های کوچک بالاتر از آن تغییر ظرفیت گرمایی با دما جزئی بوده و برای محاسبات تقریبی می توان مستقل از دما فرض کرد.

با استفاده از ظرفیت گرمایی می توان تغییر انرژی داخلی را به تغییر دمای سیستمی ربط داد که حجم آن ثابت می ماند. از معادله زیر دارم:

(در حجم ثابت)                              dU=CVdT

 

یعنی، تغییرات بسیار کوچک در دما موجب تغییرات بسیار کوچک در انرژی داخلی می شود و ثابت تناسب آن ظرفیت گرمایی در حجم ثابت است. اگر در محدوده­ی دمایی موردنظر ظرفیت گرمایی مستقل از دما باشد، تغییرات دمایی ثابل اندازه گیری، ، ربط دارد:

(در حجم ثابت)                             

از آنجایی که تغییر انرژی داخلی را می توان از گرمایی داده شده در حجم ثابت مشخص کرد، معادله­ی اخیر را می توان چنین نوشت:

 

بزرگ بودن ظرفیت گرمایی حاکی از این است که به ازای مقدار معینی از گرما افزایش دمای نمونه کوچک است (نمونه توانایی زیادی برای جذب گرما دارد). ظرفیت گرمایی نامحدود می رساند که مقدار گرما هم که داده شود افزایشی در دما ملاحظه نخواهد شد. در تبدیل فاز، مانند نقطه­ی جوش آب، با وجود دادن گرما به سیستم، دما بالا نمی رود، انرژی صرف تبدیل فاز گرماگیر، مانند تبخیر آب، می شود به جای این که دما را افزایش دهد، بنابراین در دمای تبدیل فاز، ظرفیت گرمایی نمونه نامحدود است.

2-2 تغییر آنتالپی با دما

          آنتالپی مواد با دما افزایش می یابد. ارتباط بین آنتالپی و افزایش دما به شرایط (مثلاً فشار ثابت یا حجم ثابت بستگی دارد. فشار ثابت مهمترین حالت است و شیب منحنی آنتالپی بر حسب دما در فشار ثابت ظرفیت گرمایی در فشار ثابت (Cp) نام دارد. (شکل 3)

از ظرفیت گرمایی در فشار ثابت می توان تغییر آنتالپی را به دما ربط داد.برای تغییرات بسیار کوچک دما،

در فشار ثابت                                 

اگر ظرفیت گرمایی در محدوده ی دمایی مورد نظر ثابت باشد، سپس برای تغییرات دمایی قابل اندازه گیری،

در فشار ثابت                                 

چون افزایش آنتالپی را می توان به گرمای داده شده در فشار ثابت ربط داد،شکل عملی معادله اخیر عبارت است از:

این عبارت نشان می دهد که چطور می توان ظرفیت گرمایی نمونه را اندازه گیری کرد:

مقدار گرمای قابل اندازه گیری در فشار ثابت به سیستم داده می شود (مثلاً موقعی که تحت فشار جو آزادانه منبسط می شود) و تغییر دما اندازه گیری می شود.

 

شکل 3 – شیب منحنی آنتالپی سیستم در فشار ثابت بر حسب دما، ظرفیت گرمایی در فشار ثابت را می دهد.شیب منحنی ممکن است با دما تغییر کند، که در این صورت ظرفیت کرمایی با دما تغییر می کند.بنا بر این ظرفیت گرمایی در A و B متفاوت است.برای گاز ها در یک دمای خاص شیب نمودار آنتالپی بر حسب دما از شیب نمودار انرژی داخلی بر حسب دما تند تر است، لذاCp,m  از Cv,m بزرگ تر است.



ظرفیت گرمایی ویژه را می‌توان از مشتق‌گیری از تغییرات آنتالپی سیستم نتیجه گرفت. به عبارت دیگر تغییرات آنتالپی سیستم همان انتگرال از ظرفیت حرارتی ویژه در محدوده دمایی مورد نظر است. ظرفیت گرمایی ویژه را در فشار ثابت از طریق کالریمتری سنجشی مقیاسی تعیین می‌کنند. ظرفیت گرمایی ویژه در جامدات بیشتر از مایعات و در مایعات بیشتر از گازها است. این مورد با استفاده از تئوری سینتیک مولکولی قابل توجیه است. مولکول‌ها در گازها از سرعت حرکت بالایی برخوردارند و تغییر کمی در دمای یک گاز منجر به افزایش حجم آن می‌شود. به این دلیل ظرفیت گرمایی ویژه در گازها پایین است در حالی که افزایش حرکت مولکول‌ها و حجم مایعات در اثر افزایش دما کمتر از گازهاست و بنابراین مایعات ظرفیت گرمایی ویژه بیشتری نسبت به گازها دارند. در مورد جامدات به دلیل آن که انرژی گرمایی بالایی باید به آنها داد تا حجمشان افزایش یابد ظرفیت گرمایی ویژه جامدات بیشتر از مایعات است.

 

چرا ظرفيت گرمايي ويژه H2>N2>O2 است ؟

ظرفيت گرمايي ويژه گازها به دو عامل جرم مولي و تعداد اتم ها در مولكول گاز بستگي دارد .

الف – هر چه جرم مولي گاز بيشتر باشد 1 گرم آن تعداد مولكول هاي كمتري دارد و انرژي لازم براي جنبش آن كمتر وظرفيت گرمايي ويژه آن كمتر است در نتيجه H2>N2>O2 است .

 ب- هر چه تعداد اتم ها در مولكول يك گاز بيشتر باشد انرژي لازم براي جنبش آنها بيشتر و ظرفيت گرمايي ويژه آن بيشتر است .

مانند: NH3g> H2Og

 

 

 

 

 

 

2-3 عوامل موثر بر ظرفیت گرمایی

  • جرم مولی
  • پیوند هیدروژنی
  • میزان فضای آزاد

 

2-4 ظرفیت گرمایی برای گازها :

برای گازهای کامل     Cp - Cv  = nR   که  R  ثابت گازها است . 

مسلما رابطه Cp - Cv  = nR  برای گاز های حقیقی  که بین مولکول ها برهم کنش وجود دارد  انحراف نشان خواهد داد.  حالت ترمودینامیکی یک سیستم تعادلی درحالت سکون درغیاب میدان های خارجی توسط ترکیب آن ( تعدادمول های هرجزء موجود درهرفاز ) وتوسط دو متغیر ازسه متغیر P ٬T٬ V  مشخص می شود.برای یک ماده خالص ظرفیت های گرمایی مولی در P ثابت و یا در V ثابت عبارت اند از : 

                                             Cp,m =n/ Cp  و یا Cv,m =n/ Cv 

هرچه تعداد راه هایی که ماده بتواندانرژی کسب کند(انتقال٬ چرخش٬ نوسان و برهم کنش های بین مولکولی)   بیشتر باشد ٬  مقادیر  Cp,m و Cv,mبزرگتر خواهد بود.

مقدار زیاد  Cp,m  آب مایع ٬ درمقایسه با بخار آب درنتیجه سهم برهم کنش های بین مولکولی در انرژی درونی (U)است.معمولا Cp برای مایع یک ماده  به طور قابل توجهی بزرگتر ازبخار همان ماده است.

بدیهی است برای یک سیستم تک فازی Cp,m با افزایش اندازه مولکول ها زیاد می شود. برای یک سیستم تک فازی باجرم m ظرفیت گرمایی ویژه cp( که اغلب گرمای ویژه نامیده می شود)  عبارت است٬  از ظرفیت گرمایی تقسیم بر جرم            cp =m /Cp 

                       

واژه " ویژه "  برای واحد جرم به کار می رود. وبنابراین  حجم ویژه  v  و آنتالپی ویژه h یک فاز به جرم m عبارت خواهد بود از :              h   H/m              ,     v  V /m = 1

ظرفیت گرمایی  Cp ( که یک خاصیت مقداری است ) را با ظرفیت های گرمایی مولی( Cv,m و Cp,m )  یا ظرفیت گرمایی ویژه      cp   ( که خواص شدتی هستند ) نباید اشتباه نمود.

ماده خالص                   Cp,m =n /Cp                                                                          

سیستم تک فازی             cp =/m Cp

به این ترتیب می توان نتیجه گرفت گرمای ویژه یک ماده به ساختارمولکولی آن ماده  ونیروی های بین مولکولی و دما و  فشار یاحجم  سیستم بستگی دارد.   درمورد مولکول هایی نظیر آب که نیروی بین مولکولی نسبتا قوی هیدروژنی بین مولکول ها حتی درحالت گاز وجود دارد٬ موارد غیر عادی به چشم می خورد.

 

مقدار انرژی درونی به ازای هر درجه انتقالی 1/2RT  و برای سه درجه آزادی 3/2RT می باشد که Cv=3/2R و Cp=5/2R  بدست می آید به عنوان مثال برای گاز ایده ال هلیم به صورت زیر محاسبه می شود :

Cp=5/2R=5/2(8.314)=20.8J/mol.k                                                               

 

 

مقدار انرژی درونی به ازای هر درجه آزادی چرخشی 1/2RT تعریف می شود لذا برای مولکول های H2,N2,O2 به علت وجود دو حرکت چرخشی Cp=7/2R=29.1j/k.mol تفاوت جزیی مفادیر داده شده به نوع پیوند مولکول مربوط است .در مولکول هایی مانند بخار آب و آمونیاک با افزایش تعداد پیوند و درجات آزادی مقدار Cp  افزایش می یابد .

 

5-2 ظرفیت گرمایی برای مایعات :

در مایعات به دلایل نا معلومی انرژی درونی 3/2RT به 3/2R تبدیل می شود و برای توجیه تفاوت مقادیر Cp مایعات داده شده در جدول تعداد پیوند ها و نیرو های جاذبه مولکولی مانند پیوند هیدروژنی را باید مد نظر قرار داد .

 

 

6-2 ظرفیت گرمایی برای جامدات :

طبق قانون دولن و پتی ( ظرفیت گرمایی x جرم اتمی = 25ژول) خواهد بود ( در جامداتی مانند یخ ؛ سدیم کلرید و گرافیت تراکم مولکول ها و رسانای خوب گرما را باید مد نظر قرار داد ) بنابراین عوامل موثر بر ظرفیت گرمایی عبارتند از :

1- نوع ماده         2- شرایط واکنش (حجم ثابت یا فشار ثابت )         3- مقدار ماده        4- دما

 

 در ضمن ظرفیت گرمایی کل ( Ct ) برابر با مجموع ظرفیت های گرمایی : حرکات انتقالی، چرخشی و ارتعاشی می باشد.

 

2-7 تفاوت ظرفيت گرمايي ويژة آب درسه حالت جامد، مايع وگاز:

در يخ مولكول ها در جاهاي نسبتا ثابتي قرار دارند و تنها داراي حركت هاي ارتعاشي هستند و هنگامي كه به آن گرما مي دهيم ، گرما ارتعاش مولكول ها را افزايش مي دهد و دماي آن بالا مي رود . اگر به آب مايع گرما بدهيم مقداري از گرما صر ف شكستن پيوند هيدروژني بين مولكول ها مي شود و مقداري هم صرف جنبش مولكول ها مي شود در نتيجه براي آب مايع گرماي بيشتري مصرف مي شود و ظرفيت گرمايي ويژه آن بيشتر از يخ است . در مورد بخار آب كه مولكول ها از يكديگر جدا هستند ، گرماي داده شده صرف جنبش مولكول ها مي شود و دما افزايش مي يابد . بنابراين ظرفيت گرمايي ويژه بخار آب كمتر از آب مايع است .

.

 

3.   شرح آزمایش

ابتدا جرم دو لوله آزمایش مشابه را توسط ترازو اندازه می گیریم .در یک لوله آزمایش مقداری آب می ریزیم و در لوله­ی دیگر به همان اندازه مایع موردنظر را ریخته و جرم هر دو لوله حاوی آب و ماده مورد نظر را اندازه گیری می کنیم. لوله ها را به طور قائم به یک اندازه در آبی که در بشری قرار دارد فرو برده و آنها را توسط گیره به یک پایه محکم می کنیم. (شکل پایین) عمل حرارت دادن را شروع می کنیم تا اینکه آب درون بشر و در نتیجه لوله ها و محتویات آنها گرم می شوند. حرارت دادن را تا حدی که دمای آنها پایین تر از نقطه جوش آب و مایع موردنظر باشد ادامه می دهیم. سپس بشر را دور کرده و می گذاریم تا لوله ها سرد شوند. چون گرمای ویژه آب و مایع موردنظر متفاوت است، سرعت سرد شدن آنها یکسان نخواهد بود. دمای هر یک از لوله ها را هر20 ثانیه یک بار قرائت و درجدول مربوطه ثبت می کنیم. موقعی که دما به میزان کمی بیشتر از دمای محیط رسید عمل را متوقف می کنیم. منحنی تغییرات دما را نسبت به زمان برای هر دو مایع رسم می کنیم. (نمودار پایین)

          برای آب در زمان t1 افت دما  و برای مایع موردنظر در زمان t2 افت دما  خواهد بود (تغییر دما را روی محور به یک اندازه اختیار می کنیم).

          زمانهای t1 و t2 را از روی منحنی بدست می آوریم. مقدار انرژی حرارتی که لوله و آب محتوی آن از دست داده اند برابر است با:

و مقدار گرمایی که لوله و مایع موردنظر از دست داده اند برابر است با:

از تقسیم دو رابطه به یکدیگر نتیجه می شود:

 از طرفی چون  می باشد، در نتیجه خواهیم داشت:

          m1 و c1 جرم و گرمای ویژه آب، m2 و c2 جرم و گرمای ویژه مایع موردنظر و  و جرم و گرمای ویژه لوله­ی آزمایش است. با توجه به اینکه گرمای ویژه شیشه است تمام مقادیر به جز c2 معلومند.

 

       

 

4.   هدف آزمایش

بدست آوردن ظرفیت گرمایی ویژه یک نمونه مایع مجهول

 

5.    نمونه محاسبات

جرم لوله نمونه  = gr6/35

جرم لوله آب مقطر  = gr 35/36

جرم بشر =gr  23/62

جرم نمونه + جرم لوله + جرم بشر = gr 97/115

جرم آب مقطر + جرم لوله + جرم بشر = gr 74/117

جرم نمونه                     gr 07/18 = ( 23/62 + 6/35 ) - 97/115

جرم آب مقطر              gr 16/19 = ( 23/62 + 35/36 ) - 74/117

  ,         

 

با توجه به نمودار صفحات بعدی خواهیم داشت:

زمان تغییر دمای آب

زمان تغییر دمای نمونه

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.    جداول و نمودار

زمان (s)

دمای آب(درجه سلسیوس)

دمای نمونه(درجه سلسیوس)

زمان (s)

دمای آب(درجه سلسیوس)

دمای نمونه(درجه سلسیوس)

0

93

88

620

59.5

50

20

85

82

640

59.5

50

40

84

82

660

57

49

60

85

80

680

55

49

80

84

79

700

54

48

100

83.5

75

720

53

47.5

120

81

74

740

53

47

140

80.5

75

760

53

46

160

80

73

780

52.5

45

180

78

71

800

52

44

200

76

71

820

51.5

43.5

220

75

70

840

51

43.5

240

74

69

860

50

43.5

260

72

67

880

50

43

280

71

66

900

49.5

42.5

300

68

65

920

49.5

41

320

68

63

940

49

41

340

67.5

62

960

48

41

360

66

61

980

48

40.5

380

65

60

1000

48

40

400

64

58

1020

48

40

420

63

57

1040

48

39.5

440

63

56

1060

47.5

39

460

63

55

1080

47

38.5

480

62

55

1100

46.5

38

500

62

54.5

1120

46

37.5

520

61

53.5

1140

45.5

37

540

61

53

1160

45

37

560

60

51

1180

44.5

37

580

60

50

1200

44

36.5

600

59.5

50

 

 

 

 

7.   بحث و نتیجه گیری

اگر دو جسم در شرایط مشابه به یک اندازه سرد شوند(تغییر دما برای هر دو یکسان باشد) جسمی که دارای گرمای ویژه کمتری است زود تر و و دیگری دیر تر سرد می شود، به عبارت دیگر هر چه ظرفیت گرمایی یک ماده بیشتر باشد، آن جسم دیرتر گرم شده و وقتی گرم شد دیرتر سرد می شود.

8.   خطا

8-1  موارد خطا

الف) بدلیل آرام نبودن محیط و جریان داشتن نا مساوی هوا روی لوله های آزمایش، سرعت سرد شدن لوله ها یکسان نمی باشد.

ب) نزدیک شدن دماسنج به دیواره یا کف لوله آزمایش که در نتیجه آن دماسنج دمای بیشتری را نشان می دهد.

ج) در طول آزمایش مقداری از نمونه و آب تبخیر می شوند که در محاسبات به حساب نمی آیند.

د) حجم نمونه و آب مقطر زیاد باشد.

 

 

8-2  دلایل خطا

الف) به علت رفت آمد افراد و همچنین جریان داشتن باد در محیط آزمایشگاه، جریان هوا به طور یکنواخت در لوله ها توزیع نشده و سرعت سرد شدن یکسان نمی باشد.

ب) بدلیل صاف نبودن سوراخ درپوش لاستیکی دماسنج به طور عمود در لوله قرار نگرفته و به جداره لوله آزمایش نزدیک می شود.

ج) چون عمل تبخیر در هر دمایی صورت می گیرد لذا مقداری از آب و نمونه در طول آزمایش تبخیر می شوند.

د) اگر حجم نمونه و آب مقطر زیاد باشد، برای قرار دادن آنها در حمام باید طول زیادی از لوله آزمایش در آب قرار گیرد که در نتیجه آن ته لوله آزمایش به کف بشر نزدیک شده و دما به طور ناگهانی افزایش یافته و همچنین توزیع گرما در سطح لوله آزمایش و نمونه به طور یکسان نخواهد بود.

 

8-3  پیشنهادات جهت رفع خطا

الف) انجام دادن آزمایش در یک محیط محصور.

ب) استفاده از درپوش لاستیکی استاندارد که سوراخ آن صاف باشد.

ج) میتوان به کمک یک درپوش لاستیکی محکم درب لوله آزمایش را محکم کرده و از خروج مایعات تبخیر شده جلوگیری کرد.

د) حجم آب و مایع نمونه باید متناسب با حجم و ارتفاع حمام آب گرم باشد

 

9.     مراجع و منابع 

9-1  کتب

الف )  کتاب شیمی فیزیک / اتکینز / غ- پارسافر و ب- نجفی/ جلد اول: ترمودینامیک

ب) کتاب ترمودینامیک مهندسی شیمی/ اسمیت ونس / محمد مهدی منتظر رحمتی / ویراست پنجم

9-2  سایت های اینترنتی

http://chemfa.com/content/category/3/7/25/

http://danesh.mygiti.com/content/viwe/117/5/

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%AF%D9%85%D8%A7

http://fa.wikipedia.org/wiki/ظرفیت_حرؕرتی_ویژه

http://fa.wikipedia.org/wiki/ظرفیت_گرمؕیی

http://www.boss2016.blogfa.com/post-37.aspx

http://www.mysearch.com/jsp/cfg_redir2.jsp?id=NE&psa=6E4A314E-1BF5-4525-ABCB-0253D09CE3D1&url=http://www.ask.com/web&l=dir&q=kimiagari%2eblogfa%2ecom

 

 10. ضمیمه

تفاوت ظرفيت گرمايي ويژة آب درسه حالت جامد، مايع وگاز

در يخ مولكول ها در جاهاي نسبتا ثابتي قرار دارند و تنها داراي حركت هاي ارتعاشي هستند و هنگامي كه به آن گرما مي دهيم ، گرما ارتعاش مولكول ها را افزايش مي دهد و دماي آن بالا مي رود . اگر به آب مايع گرما بدهيم مقداري از گرما صر ف شكستن پيوند هيدروژني بين مولكول ها مي شود و مقداري هم صرف جنبش مولكول ها مي شود در نتيجه براي آب مايع گرماي بيشتري مصرف مي شود و ظرفيت گرمايي ويژه آن بيشتر از يخ است . در مورد بخار آب كه مولكول ها از يكديگر جدا هستند ، گرماي داده شده صرف جنبش مولكول ها مي شود و دما افزايش مي يابد . بنابراين ظرفيت گرمايي ويژه بخار آب كمتر از آب مايع است .

.

 

http://chemfa.com/content/category/3/7/25/

 

در ترمودینامیک اغلب از مولکول صحبت نمی شود و برای توجیه برخی از ویژگی های ترمودینامیکی از نظریه سنتیکی استفاده می شود . به طورکلی دو نوع ظرفیت گرمایی وجود دارد:

1-  Cv یا ظرفیت گرمایی در حجم ثابت  Cv=du/dt

2- Cp یا ظرفیت گرمایی در فشار ثابت Cp=dH/dt

اختلاف این دو برابر است با Cp-Cv=n R   در اکثر منابع از ظرفیت گرمایی مولی استفاده می شود نه ظرفیت گرمایی ویژه

الف – ظرفیت گرمایی برای گازها :

مقدار انرژی درونی به ازای هر درجه انتقالی 1/2RT  و برای سه درجه آزادی 3/2RT می باشد که Cv=3/2R و Cp=5/2R  بدست می آید به عنوان مثال برای گاز ایده ال هلیم به صورت زیر محاسبه می شود :

Cp=5/2R=5/2(8.314)=20.8J/mol.k                                                              

مقدار انرژی درونی به ازای هر درجه آزادی چرخشی 1/2RT تعریف می شود لذا برای مولکول های H2,N2,O2 به علت وجود دو حرکت چرخشی Cp=7/2R=29.1j/k.mol تفاوت جزیی مفادیر داده شده به نوع پیوند مولکول مربوط است .در مولکول هایی مانند بخار آب و آمونیاک با افزایش تعداد پیوند و درجات آزادی مقدار Cp  افزایش می یابد .

ب- ظرفیت گرمایی برای مایعات :

در مایعات به دلایل نا معلومی انرژی درونی 3/2RT به 3/2R تبدیل می شود و برای توجیه تفاوت مقادیر Cp مایعات داده شده در جدول تعداد پیوند ها و نیرو های جاذبه مولکولی مانند پیوند هیدروژنی را باید مد نظر قرار داد .

ج- ظرفیت گرمایی برای جامدات :

طبق قانون دولن و پتی ( ظرفیت گرمایی x جرم اتمی = 25ژول) خواهد بود ( در جامداتی مانند یخ ؛ سدیم کلرید و گرافیت تراکم مولکول ها و رسانای خوب گرما را باید مد نظر قرار داد ) بنابراین عوامل موثر بر ظرفیت گرمایی عبارتند از :

1-     نوع ماده         2- شرایط واکنش (حجم ثابت یا فشار ثابت )         3- مقدار ماده         4- دما

 

 در ضمن ظرفیت گرمایی کل ( Ct ) برابر با مجموع ظرفیت های گرمایی : حرکات انتقالی؛ چرخشی و ارتعاشی می باشد.

 

http://danesh.mygiti.com/content/viwe/117/5/

مقدمه

 

"ژول" با آزمایش نشان داد که هرگاه مقدار معینی از انرژی مکانیکی به گرما تبدیل شود، مقدار گرمای حاصل همیشه یکسان است. بنابراین هم‌ارزی گرما و کار مکانیکی به‌عنوان دو شکل انرژی ، کاملا محرز است. "هلمهولتز" اولین کسی بود که بوضوح بیان کرد که نه‌تنها گرما و انرژی مکانیکی ، بلکه تمام شکلهای انرژی هم‌ارزند و مقدار معینی از یک شکل انرژی از بین نمی‌رود، مگر آنکه همان مقدار در یکی از شکلهای دیگر انرژی ظاهر شود. بنابراین گرما صورتی از انرژی است.

حال اگر چنانچه بخواهیم دمای جسمی را به اندازه واحد افزایش دهیم، در این صورت بسته به نوع جسم ، این مقدار گرما متفاوت خواهد بود. کلمه ظرفیت در ظرفیت گرمایی بویژه گمراه کننده است، چون عبارت مقدار گرمایی را که یک جسم می‌تواند نگه دارد، به یاد می‌آورد که اساسا بی‌معنا است.

اصولا می‌توان ظرفیت گرمایی را به‌عنوان یک ثابت تناسب در نظر گرفت، یعنی مقدار گرمای داده شده به یک جسم با تغییر دمای آن جسم متناسب است و با ضرب کردن ظرفیت گرمایی در طرف دوم این رابطه ، رابطه تناسبی به یک تساوی تبدیل می‌شود، یعنی نسبت مقدار انرژی گرمایی که به یک جسم داده می‌شود، بر افزایش دمای متناظر با آن را ظرفیت گرمایی آن جسم می‌گویند.

ظرفیت گرمایی ویژه

ظرفیت گرمایی واحد جرم یک جسم را ظرفیت گرمایی ویژه آن جسم می‌گویند. ظرفیت گرمایی ویژه ، مشخصه ماده‌ایست که جسم را تشکیل داده است. در مورد یک سکه از ظرفیت گرمایی صحبت می‌کنیم، ولی در مورد ماده تشکیل دهنده آن یعنی مس ، گفتگو از ظرفیت گرمایی ویژه مناسبت ندارد. ظرفیت گرمایی یک جسم و ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده ، هیچکدام ثابت نیستند و به محل بازده دمایی بستگی دارند.

مشخصات ظرفیت گرمایی

ظرفیت ، یک مقدار عددی است که واحد آن بر اساس تعریف واحد گرما و واحد دما بیان می‌شود. معمولا گرما را برحسب کالری بیان می‌کنند و کالری طبق تعریف مقدار گرمایی است که باید به یک گرم آب داده شود تا دمای آن را به اندازه یک درجه سانتی‌گراد بالا ببرد. بر این اساس مقدار گرمای لازم برای افزایش دمای یک کیلوگرم آب به اندازه یک درجه سانتی‌گراد ، کیلوکالری نامیده می‌شود.

دما را نیز برحسب واحد کلوین بیان می‌کنند، البته دما را برحسب درجه سانتی‌گراد نیز می‌توان بیان کرد. لذا واحد ظرفیت گرمایی  خواهد بود.

ظرفیت گرمایی مولی جامدات

یک مول از هر ماده ، مقداری از آن ماده است که شامل تعداد معینی از موجودات بنیادی ، یعنی عدد آووگادرو ‌باشد. این عدد ، حاصل این تعریف ا ست که یک مول از اتمهای کربن (ایزوتوپ کربن 12) دقیقا 12گرم جرم دارد. در سال 1198- 1819، "دولون" و "پتی" خاطر نشان کردند که ظرفیت گرمایی مولی تمام عناصر ، به استثنای چند مورد ، مقادیری در حدود  دارند. ظرفیت گرمایی مولی از ضرب کردن گرمای ویژه در وزن مولکولی بدست می‌آید.

در عمل ظرفیتهای گرمایی مولی با دما تغییر می‌کنند، یعنی وقتی که دما به طرف صفر کلوین میل می‌کند، آنها به صفر و وقتی که دما به بی‌نهایت میل می‌کند، آنها به مقدار دولون _ پتی نزدیک می‌شوند. چون به نظر می‌رسد که در تعیین گرمای لازم برای افزایش دمای یک جسم به مقدار معین ، تعداد مولکولها اهمیت داشته باشد و نه نوع آنها ، لذا می‌توان انتظار داشت که ظرفیت‌های گرمایی مولی مواد مختلف تقریبا به نحو یکسانی با دما تغییر ‌کنند.

 

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%AF%D9%85%D8%A7

 

ظرفیت گرمایی یا ظرفیت حرارتی یک سیستم با C نشان داده می‌شود که عبارت است از نسبت گرمای مبادله شده با سیستم به تغییر دمای ناشی از مبادله گرما. مفهوم ظرفیت گرمایی فقط درمواردی به کارمی‌رود که مبادله گرما با سیستم تنها باعث تغییر دمای سیستم شود و در مواردی که تغییرفاز ایجادمی‌شود، به کارنمی‌رود.

ظرفیت گرمایی ویژه

ظرفیت گرمایی ویژه مقدار گرمایی است که با واحد جرم کنترلی سیستم مبادله می‌شود تا دمای آن ۱ درجه سانتیگراد تغییر یابد. ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده مقدار انرژی است که یک گرم از آن ماده دریافت می‌کند تادرجه حرارت آن ماده یک درجه سانتیگراد افزایش یابد. فرمول آن برابر است با :

Q = m c ΔT

که در آن:

Q برابر با انرژی مبادله شده

m برابر با جرم

c ظرفیت گرمایی ویژه جسم

ΔT برابر با اختلاف دما است.[

عوامل موثر بر ظرفیت گرمایی

  • جرم مولی
  • پیوند هیدروژنی:(که باعث افزایش ظرفیت گرمای ویژه اب شده‌است)
  • میزان فضای آزاد

تئوری انیشتن در ظرفیت گرمایی جامدات

در اوایل قرن ۲۰ ام، انیشتین تئوری کوانتوم را برای توضیح داده‌های تجربی عناصر جامد بکار برد. فرض شد که هر اتم در کریستال مانند یک نوسانگر هارمونیک با نوسان در طول سه جهت عمود بر هم رفتار کند. انرژی سطح ام نوسانگر هارمونیک بصورت زیر داده شده‌است: که فرکانس نوسان و ثابت پلانک است. بعلاوه که تعداد اتم‌های موجود در سطح انرژی ام است. با ادغام معادلات فوق و استفاده از روابط بین و عدد آووگادرو بدست می‌آوریم

که ثابت بولتزمان است.

تئوری دبای در ظرفیت گرمایی جامدات

استنتاج انیشتین بعدها توسط دبای که بر خلاف انیشتین که یک فرکانس ثابت را برای ارتعاش فرض کرده بود، یک طیف از فرکانس ارتعاش را فرض کرد، تغییر یافت. دبای به رابطهٔ متفاوتی با عبارت دمای دبای رسید که:

در دماهای خیلی پائین (نزدیک ) معادلهٔ دبای می‌تواند بصورت زیر ساده شود:


معادلهٔ دبای به شرط استفاده از بهترین مقدار برای ، همخوانی بهتری با داده‌های تجربی دارد. ولی حتی در این حال نیز رضایت‌بخش نیست بعلاوه آن تنها مربوط به عناصری است که در حالت کریستالی هستند از اینرو بنا به کاربرد محدود آن، اندازه‌گیری تجربی روابط ظرفیت گرمایی بر حسب دما برای جامدات و مایعات یک شیوهٔ معمول است.

http://fa.wikipedia.org/wiki/ظرفیت_حرؕرتی_ویژه

 

ظرفیت گرمایی ویژه یا ظرفیت حرارتی ویژه یا به اختصار گرمای ویژه (به انگلیسی: Specific heat capacity) یکی از کمیت‌های مهم در ترمودینامیک است و معادل مقدار گرمایی است که لازم است یک گرم از ماده‌ای دریافت کند تا دمای آن یک درجه سانتیگراد افزایش یابد.

ظرفیت گرمایی ویژه را از مشتق‌گیری از تغییرات آنتالپی سیستم می‌توان نتیجه گرفت. به عبارت دیگر تغییرات آنتالپی سیستم همان انتگرال از ظرفیت حرارتی ویژه در محدوده دمایی مورد نظر است. ظرفیت گرمایی ویژه را در فشار ثابت از طریق کالریمتری سنجشی مقیاسی تعیین می‌کنند. ظرفیت گرمایی ویژه در جامدات بیشتر از مایعات و در مایعات بیشتر از گازها است. این مورد با استفاده از تئوری سینتیک مولکولی قابل توجیه است. مولکول‌ها در گازها از سرعت حرکت بالایی برخوردارند و تغییر کمی در دمای یک گاز منجر به افزایش حجم آن می‌شود. به این دلیل ظرفیت گرمایی ویژه در گازها پایین است در حالی که افزایش حرکت مولکول‌ها و حجم مایعات در اثر افزایش دما کمتر از گازهاست و بنابراین مایعات ظرفیت گرمایی ویژه بیشتری نسبت به گازها دارند. در مورد جامدات به دلیل آن که انرژی گرمایی بالایی باید به آنها داد تا حجمشان افزایش یابد ظرفیت گرمایی ویژه جامدات بیشتر از مایعات است.

http://fa.wikipedia.org/wiki/ظرفیت_گرمؕیی

 

 

مقدار گرمایی که لازم است تا دمای یک جسم را به اندازه یک درجه افزایش دهد، به عنوان ظرفیت گرمایی تعریف می‌شود که آن را با حرف C نشان می‌دهند. ظرفیت گرمایی ، ترجمه واژه لاتین Heat Conductivity می‌باشد

 

روش آزمایش :

برای تعیین هر کاری از مشخصه های گرمایی فوق دو (یا چند) ماده با دمای متفاوت اولیه را درون ظرفی که از محیط ایزوله شده باشد یعنی با محیط تبادل گرمایی نکند به نام کالریمتر(گرماسنج) مخلوط می کنند. کالریمتر یک ظرف دو جداره است که بین دو جداره آن خلاء شده است و یا به هر نحو با ریختن مواد عایق گرما، هوای آن خارج شده است. در یک کالریمتر خوب مشابه فلاسک، جدار خارجی آن را برای جلوگیری از تشعشع آینه می کنند. کالریمتر شامل دماسنج ، هم زن، در پوش عایق و در بعضی گونه ها مجهز به یک فیلامای الکتریکی جهت گرم کردن محتویات درون آن است. در آزمایشهای گرماسنجی به دلایل مختلف از جمله داشتن گرمای ویژه کاملا معین و سهولت تبادل گرما و به تعادل رسیدن آن با مواد دیگر مخلوط ، غالبا یکی از مواد مخلوط را آب اختیار می کنند. به هر صورت روش آزمایش به این ترتیب است که mc گرم از یک ماده سرد (که لازم است مایع باشد) با گرمای ویژه Cc را درون کالریمتر می ریزند و پس از هم زدن و تعادل گرمایی داخل دمای آن را اندازه می گیرند. (θc) سپس به سرعت مقداری از یک ماده گرم به جرم mH و گرمای ویژه CH و دمای θH را به ظرف اضافه می کنند پس از حصول تعادل مجدد دمای مجدد دمای مخلوط را اندازه می گیریم (θF ( . طبق اصل اول ترمودینامیک گرمای گرفته شده توسط کلیه اجسامی که در تبادل گرما شرکت می کنند برابر صفر است :

mc CcF - θc) + A (θF - θc) + mH CH F - θH) = 0

که در آن A ارزش آبی کالریمتر است.

روش آزمایش :

1) تعیین ارزش آبی کالریمتر : کالریمتر را تمیز و خشک کرده و جرم آن را اندازه می گیریم.(m). سپس در حدود یک ظرفیت آن آب سرد در آن بریزید و مجددا جرم آن را تعیین کنید. پس از هم زدن دمای داخل کالریمتر را اندازه می گیریم (θc) . پس از تعیین دمای آب گرم (θH)  در پوش کالریمتر را بر می داریم و به سرعت حدود یک سوم دیگر از ظرفیت ظرف به آن آب گرم اضافه کنید و در پوش کالریمتر را می بندیم و پس از حصول تعادل دمای آن را اندازه می گیریم (دمای تعادل یا نهایی θH ) یک بار دیگر جرم کالریمتر و محتویات آن را اندازه می گیریم . مقادیر را یادداشت کنید. برای بار دوم آزمایش را با مقادیر متفاوت آب سرد و گرم و دمای آنها تکرار کنید.

2) تعیین گرمای ویژه جسم جامد : مشابه مرحله اول رفتار می کنیم با این تفاوت که جسم گرم را جامدی که در آب در حال جوش است می گیریم.

 

 

http://www.boss2016.blogfa.com/post-37.aspx

 

چرا ظرفيت گرمايي ويژه H2>N2>O2 است ؟

 

چرا ظرفيت گرمايي H2>N2>O2 است؟

پاسخ : ظرفيت گرمايي ويژه گازها به دو عامل جرم مولي و تعداد اتم ها در مولكول گاز بستگي دارد .الف – هر چه جرم مولي گاز بيشتر باشد 1 گرم آن تعداد مولكول هاي كمتري دارد و انرژي لازم براي جنبش آن كمتر وظرفيت گرمايي ويژه آن كمتر است در نتيجه H2>N2>O2 است . ب- هر چه تعداد اتم ها در مولكول يك گاز بيشتر باشد انرژي لازم براي جنبش آنها بيشتر و ظرفيت گرمايي ويژه آن بيشتر است .

مانند: NH3g> H2Og

ظرفیت گرمایی ٬ C

مقدارگرمای مورد نیاز ( q )  برای افزایش دمای یک سیستم یا ترکیب به اندازه ی یک درجه :  

    C  = q /ΔT  ظرفیت گرمایی نامیده می شود . 

  درحجم ثابت  ظرفیت گرمایی  ازرابطه ی  Cv =v ( dU  / dT)  بدست می آید . که  U انرژی درونی سیستم یا ترکیب می باشد.

 درفشار ثابت  p C =  p(  dH / d T)   که درآن H آنتالپی است. ظرفیت گرمایی Cp یک ماده شیب نمودار آنتالپی آن نسبت به دماست.      برای گازهای کامل     Cp - Cv  = nR   که  R  ثابت گازها است . 

مسلما این رابطه برای گاز های حقیقی  که بین مولکول ها برهم کنش وجود دارد  انحراف نشان خواهد داد.  حالت ترمودینامیکی یک سیستم تعادلی درحالت سکون درغیاب میدان های خارجی توسط ترکیب آن ( تعدادمول های هرجزء موجود درهرفاز ) وتوسط دو متغیر ازسه متغیر P ٬T٬ V  مشخص می شود.برای یک ماده خالص ظرفیت های گرمایی مولی در P ثابت و یا در V ثابت عبارت اند از : 

                                             Cp,m =n/ Cp  و یا Cv,m =n/ Cv 

هرچه تعداد راه هایی که ماده بتواندانرژی کسب کند(انتقال٬ چرخش٬ نوسان و برهم کنش های بین مولکولی)   بیشتر باشد ٬  مقادیر  Cp,m و Cv,mبزرگتر خواهد بود.

مقدار زیاد  Cp,m  آب مایع ٬ درمقایسه با بخار آب درنتیجه سهم برهم کنش های بین مولکولی در انرژی درونی (  U )است.معمولا Cp برای مایع یک ماده  به طور قابل توجهی بزرگتر ازبخار همان ماده است.

بدیهی است برای یک سیستم تک فازی Cp,m با افزایش اندازه مولکول ها زیاد می شود. برای یک سیستم تک فازی باجرم m ظرفیت گرمایی ویژه cp( که اغلب گرمای ویژه نامیده می شود)  عبارت است٬  از ظرفیت گرمایی تقسیم بر جرم                     cp =m /Cp 

                              

واژه " ویژه "  برای واحد جرم به کار می رود. وبنابراین  حجم ویژه  v  و آنتالپی ویژه h یک فاز به جرم m عبارت خواهد بود از :              h   H/m              ,     v  V /m = 1

ظرفیت گرمایی  Cp ( که یک خاصیت مقداری است ) را با ظرفیت های گرمایی مولی( Cv,m و Cp,m )  یا ظرفیت گرمایی ویژه      cp   ( که خواص شدتی هستند ) نباید اشتباه نمود.

ماده خالص                   Cp,m =n /Cp                                                                       سیستم تک فازی             cp =/m Cp

به این ترتیب می توان نتیجه گرفت گرمای ویژه یک ماده به ساختارمولکولی آن ماده  ونیروی های بین مولکولی و دما و  فشار یاحجم  سیستم بستگی دارد.   درمورد مولکول هایی نظیر آب که نیروی بین مولکولی نسبتا قوی هیدروژنی بین مولکول ها حتی درحالت گاز وجود دارد٬ موارد غیر عادی به چشم می خورد.

http://www.mysearch.com/jsp/cfg_redir2.jsp?id=NE&psa=6E4A314E-1BF5-4525-ABCB-0253D09CE3D1&url=http://www.ask.com/web&l=dir&q=kimiagari%2eblogfa%2ecom

 

 

+ نوشته شده در  شنبه بیست و هفتم آبان 1391ساعت 14:47  توسط علی قدرآبادى  | 

بسم الله الرحمن الرحیم

 

دیاگرام های سه جزیی

هدف :   ترسیم نمودار سه جزیی آب ، الکل ، فنل

مواد و وسایل لازم :

 الکل ، فنل ، آب ، پیکنومتر ، بورت ، ارلن ،ترازو 

 

فهرست

عنوان                                                                                     صفحه

معرفی گزارش                                                                                            1

فهرست                                                                                                      2

مقدمه وتئوری                                                                                            3

4-1 پايداري فازها                                                                                      3

4-2 مرزهاي فازي                                                                                   4

الف ) نقاط بحراني و جوش                                                                          6

ب ) نقاط ذوب و سه گانه                                                                            6

بلورهاي مايع                                                                                               9

شرح کا ر                                                                                                   13

جدول جرم (گرم )  و جدول در صد وزنی                                                  14

رسم نمودار سه جزئی آب ، فنل ، الکـل                                                    16

17                                                                                              نتیجه گیری 

خطا وماخذ                                                                                                 18

         

مقدمه وتئوری :

تبديل هاي فيزيكي مواد خالص

مبحث تبديل فاز مواد خالص از ساده ترين كاربرد هاي ترموديناميك در شيمي است. ملاحظه خواهيم كرد كه نمودار فاز، يك نقشه ازفشارها دماهايي است كه در آن هر فاز ماده، پايدارترين فاز آن ماده است.

نمودارهاي فاز

ساده ترين راه براي نشان دادن تغييرحالت فيزيكي ماده، برحسب نمودارفازامكان پذيراست.

4-1 پايداري فازها

يك فازماده، شكلي ازآن است كه ازلحاظ تركيب شيميايي و حالت فيزيكي يكنواخت باشد بنابراين دراين رابطه ازفازجامد، مايع و گازيك ماده و فازهاي جامد مختلف آن، نظيرآلوتروپ هاي سياه و سفيد فسفرصحبت مي كنيم. يك تبديل فازتبديل خود به خودي ماده ازيك فازبه فازديگردرفشارو دماي مشخصي است. لذا در atm 1 ، يخ پايدارترين فازآب دردماي كمتراز c0ْ است، ليكن دربالاي c 25ْ آب مايع پايدارترخواهد بود.

 

 ازاين تفاوت مشخص مي شود كه دردماي كمترازc0ْ، انرژي گيبس با تبديل آب مايع به يخ كاهش يافته و دربالاترازcْ 0 انرژي گيبس با تبديل يخ به آب مايع كم مي شود، Ttrs دمايي است كه درفشارمورد نظر، دو فازدرتعادل بوده و انرژي گيبس درمينيمم است.

 

 

تبديل فازي كه ازلحاظ ترموديناميكي خود به خودي است، ممكن است سرعت آن به قدري كم باشد كه عملا ً انجام نشود. به عنوان مثال، انرژي گيبس مولي گرافيت دردما و فشارهاي عادي كم ترازالماس است، لذا ازلحاظ ترموديناميكي الماس تمايل دارد كه به گرافيت تبديل شود.

 

 اما براي انجام شدن اين تبديل، بايد موقعيت اتم هاي c تغييركند، چنين پديده اي به جزدردماهاي بسياربالا، فرآيندي بسياركند و غيرممكن است.

درگازها و مايعات به خاطرتحرك مولكول ها امكان تبديل سريع فازها وجود دارد ولي درجامدات ممكن است ماده دريك حالت ناپايدارمنجمد شود. فازهاي ناپايدارترموديناميكي كه به خاطرمانع سينتيكي وجود دارند به فازهاي شبه پايدارموسوم اند. الماس درشرايط عادي يك فازشبه پايداركربن به حساب مي آيد.

4-2 مرزهاي فازي 

نمودارفازيك ماده مناطق فشارو دمايي را نشان مي دهد كه فازهاي آن ماده ازلحاظ ترموديناميكي پايدارهستند) شکل 4-1) . خطوطي كه اين مناطق را ازهم جدا مي كند مرزهاي فازي ناميده مي شوند. هرمرزمقادير T و P را نشان مي دهد كه دو فازبا يكديگردرتعادل اند.

 مايع خالصي كه درظرف سربسته درنظربگيريد. فشاربخاردرحال تعادل با مايع را فشاربخارآن ماده مي گويند (شكل 4-2) .

بنابراين مرزمايع بخاردرنمودار فازنشان مي دهد كه چگونه فشاربخاربا دما تغييرمي كند. به طورمشابه مرزفازي جامد- بخارتغييردمايي فشاربخارتصعيد، ( فشاربخارجامد) را نشان مي دهد فشاربخاريك مايع با دما افزايش مي يابد چون دردماهاي بالاترمولكول هاي بيشتري انرژي كافي براي فرارازكنارهمسايگان خود را دارند.

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل4-1 محدوده دما وفشار که جامد ، مایع یا گاز در آن محدوده پایدار است (یعنی کمترین انرژی گیپس مولی را دارد ) در این نمودار فازنشان داده شده است . برای مثال ،فاز جامد در دماهای کم و فشار های بالا پایدارترین فاز است .

 

 

شکل 4-2  فشار بخار یک مایع یا جامد فشار وارد شده از در تعادل با فاز متراکم است .

 

 

 

الف ) نقاط بحراني و جوش

موقعي كه مايعي درظرف بازي گرم مي شود، مولكول ها ازسطح مايع تبخيرمي شوند. دردمايي كه فشاربخارمايع با فشارخارجي برابراست، تبخير مي تواند درسراسرمايع انجام شود و بخاربه آزادي درمحيط منبسط مي شود شرط تبخيرآزاد درسراسرمايع را جوش مي نامند. دمايي كه فشاربخارمايع با فشارخارجي برابراست را دماي جوش درآن فشارمي نامند درمورد خاصي كه فشارخارجي atm 1 باشد دماي جوش را دماي جوش نرمال،Tb ، مي نامند. ازجايگزيني فشار atm1با bar 1 به عنوان فشاراستاندارد، نقطه ي جوش استاندارد تعريف مي شود كه مزاياي بيشتري دارد.

موقعي كه مايع درظرف بسته اي صلبي گرم شود، جوش اتفاق نخواهد افتاد به جاي آن فشاربخارو درنتيجه چگالي بخاربا بالا رفتن دما به طورپيوسته افزايش مي يابد به طورهمزمان چگالي مايع براثرانبساط به طورجزئي كاهش مي يابد لحظه اي فرا مي رسد كه چگالي بخاربا مايع برابرمي شود و سطح بين دو فازمحو مي شود دماي بحراني ماده Tc نام دارد.

فشاربخاردردماي بحراني فشاربحراني Pc نام دارد دراين دما بالاتراز آن يك فازهمگن موسوم به سيال ابربحراني تمام ظرف را اشغال مي كند و ديگرسطح مشتركي هم وجود ندارد به عبارتي ديگرهيچ ماده اي بالاترازدماي بحراني خود به صورت مايع وجود ندارد.

 

ب ) نقاط ذوب و سه گانه

دمايي كه درفشارخاصي فازهاي مايع و جامد درتعادل قرار مي گيرند، دماي ذوب ناميده مي شود.چون ماده درهمان دمايي كه ذوب مي شود منجمد نيزمي گردد، دماي ذوب ماده و دماي انجماد آن يكسان است دماي انجماد درفشاريك اتمسفررا نقطه ي انجماد نرمال، Tf مي نامند. نقطه ي انجماد درفشارbar1 رانقطه ي انجماد استاندارد مي گويند. عموما ً تفاوت نقاط انجماد استاندارد و نرمال جزئي است. نقطه ي انجماد نرمال به نقطه ي ذوب نرمال هم معروف است.

 

تحت شرايط خاصي هرسه فاز( جامد، مايع، بخار ) به طورهمزمان با هم درتعادل قرارمي گيرند. اين شرايط نقطه ي سه گانه نشان مي دهد كه ازنقاط سه مرزفازي مشخص مي شود. دماي نقطه ي سه گانه با T3 نشان داده مي شود .

 

نقطه ي سه گانه يك ماده خارج ازكنترل ماست : اين حالت درفشارو دماي معيني اتفاق مي افتد. نقطه ي سه گانه آن درK  16/273 و Pa 611 (mbar11/6،Torr 58/4) قراردارد كه دراين نقطه هرسه فازآب (يخ، آب مايع و بخارآب ) درتعادل اند فشارو دماي ديگري را نمي توان يافت كه اين سه فازهمزمان با همديگردرتعادل باشندازاين خاصيت منحصربه فرد نقطه ي سه گانه ، درتعريف مقياس دماي ترموديناميكي استفاده مي شود.

 

همان طوركه درشكل 4-1 مي توان مشاهده كرد نقطه ي سه گانه پايين ترين فشاري است كه فازمايع ماده مي تواند درآن فشاروجود داشته باشد اگرشيب مرزفازي جامد – مايع به صورتي باشد كه دراين نمودارنشان داده شده (كه عموما ً همين طوراست) دراين صورت نقطه ي سه گانه پايين ترين دمايي هم است كه مايع مي تواند درآن دما وجود داشته باشد دماي بحراني بالاترين حد وجود مايع است.

محلولي ازسديم كلريد درآب يك فاز ساده است گرچه ممكن است يخ به قطعات كوچك خرد شود ولي فقط يك فازدارد (1=P) محلول ازيخ وآب يك سيستم دو فازي است (2=P) گرچه مشخص كردن مرزبين چنين فازهايي مشكل است. سيستمي كه درآن كلسيم كربنات تجزيه ي گرمايي مي شود د و فازجامد (كلسيم كربنات و كلسيم اكسيد) يك فازگازي (كربن دي اكسيد) دارد.

 

آلياژه ازدو فلزامتزاج ناپذير، يك سيستم دو فازي است (2=P) درحالي كه اگرامتزاج تأثيرباشند يك سيستم فازي است (1=P) ازاين مثال معلوم مي شود كه قضاوت دراين مورد كه آيا سيستم يك يا دو فازدارد هميشه كارساده اي نيست محلول جامد B درجامدA- مخلوط همگني ازدو ماده – درمقياس مولكولي يكنواخت است اتم هاي A دريك محلول با اتم هاي Aو  Bاحاطه شده اند، يك نمونه ي كوچك بريده شده ازيك جامد نمايانگر تركيب كلي آن جامد است. درپخش كه دانه ها يا قطرات كوچكي ازيك جزء درموطن جزء ديگرقرار مي گيرد گرچه درمقياس ماكروسكوپي يكنواخت است ليكن درمقياس ميكروسكوپي چنين نيست.

 

 يك نمونه ي بسياركوچك آن دانه مي تواند به طوركامل ازجزء A تشكيل شده باشد. ازآنجا يي كه با استفاده ازچرخه هاي گرمايي ذرات يك فاز(مانند فازكاربيد ) را به صورت ماتريسي درمحلول جامد اشباع توزيع مي كنند چنين پخش هايي درمواد مهمي (مانند فولادها ) اهميت به سزايي دارند با كنترل اين ساختارميكرويي كه ازفازهاي تعادلي حاصل مي شود مي توان خواص مكانيكي مواد را براي كاربردهاي ويژه كنترل كرد.

 

منظورمان ازسازنده يك سيستم يك گونه ي شيميايي (يون يا مولكول) موجود درسيستم است بنابراين مخلوط آب و اتانول دو سازنده دارد محلولي ازسديم كلريد داراي سه سازنده است: آب، يون هاي +Na  و Cl­­­-­ . بين واژه هاي سازنده و جزء كه مفهوم تكنيكي تري دارد تمايزقائل شويد جزء يك سازنده ي شيميايي مستقل سيستم است.

 

تعداد اجزاي C حداقل تعداد گونه هاي ­مستقلي است كه براي مشخص كردن تركيب تمام فازهاي سيستم لازم است اگرگونه هاي موجود درسيستم با هم تركيب نشود تعداد اجزاء رابا تعداد سازنده ها برابرند براي مثال آب خالص سيستم يك جزئي است(1=C) زيرا براي مشخص كردن تركيب سيستم فقط لازم است گونه اي  o H2 را مشخص كنيم به طور مشابه مخلوط اتانول با آب يك سيستم دو جزئي است(2=C) براي مشخص كردن تركيب سديم بايد گونه هاي  o H2 و OH 5H2C مشخص شوند يك محلول آبكي سديم كلريد داراي دو جزء است چون براساس برقراري تعادل بار، تعداد +Na  و Cl­­­-­ بايد برابرباشد.

 

سيستمي شامل هيدروژن، اكسيژن و آب دردماي اتاق داراي سه جزء است  (2=C) ، گرچه ممكن است درشرايطي توليد آب نمايند : به هرحال تحت شرايط فوق هيدروژن و اكسيژن نمي توانند آب توليد نمايند و سازنده هاي مستقل هستند اگردرشرايط حاكم برسيستم ، واكنشي بتواند انجام شود، بايد بعد ازانجام واكنش كه طي آن گونه اي ازگونه هاي ديگرسنتزگرديده است، دررابطه ي تعداد گونه هايي تصميم بگيريم كه ترتيب تمام فازها را مشخص مي كنند به عنوان مثال تعادل زيررا درنظربگيريد:

كه سه سازنده و سه فازدارد. براي مشخص كردن تركيب فازگازي (فاز3) بايد گونه ي Co2 و براي مشخص كردن فاز2 بايد گونه ي Cao را مشخص كنيم. با وجود اين، چون گونه ي CaCo3 را مي توان با استفاده ازاستوكيومتري واكنش برحسب دو گانه اي ديگرمشخص كردن تركيب فازسه لازم نيست بنابراين اين سيستم سه سازنده ولي دو جزء دارد(2=C).

 

استفاده در علم مواد

بلورهاي مايع

 

فازمزو فازي بينابين جامد و مايع است ازآنجايي كه فازهاي موضوع در ليپيدهاي دو لايه اي و مثانه وجود دارد دربيولوژي اهميت زيادي دارند موقعي كه مولكول ها شكل شديدا ً غيركروي دارند مانند زنجيرطولاني و نازك (طرح1) يا حالت مسطح(طرح 2) ممكن است فازمزو ايجاد شود با ذوب شدن جامد اين مواد بعضي ازجنبه هاي نظم برد بلند جامد ممكن است حفظ شود و درنتيجه فازجديد بلورمايع باشد.

بلورمايع حداقل دريك جهت نظم برد بلند ناقص مايع- مانند درفضا دارد اما نظم موقعيتي يا جهتي خود را حداقل دريك جهت دارد بلورهاي مايع كالا ميتيك (ازكلمه ي يوني براي ني گفته شده ) ازمولكول هاي بلند و نازك ساخته شده اند درحالي كه بلورهاي مايع ديسكوتيك ازمولكول هاي مسطح تشكيل شده اند بلورهاي مايع ترموتروپيك با تغييردما فازبلوري مايع تبديل مي شود بلورمايع ليوتروپيك محلولي است كه دراثرتغييرتركيب آن به فازبلوري مايع تبديل مي شود.

 

يك نوع نظم بلند بردمانگار به فاز سمكتيك(از واژه يوناني صابوني )منجر مي شود كه در آن مولكولها در لايه هايي صف آرايي مي كنند بعضي از مواد و بعضي از بلور هاي مايع سموكتيك در دماهاي بالاتر فاقد ساختار لايه اي هستند ،اما صف بندي موازي خود را حفظ مي كنند .به چنين فاز مزويي ،فاز نماتيك گويند(اين كلمه از واژه يوناني براي رگه گرفته شده است كه حاكي از نقص در ساختار فاز مي باشد).در فاز كلستريك (از يوناني براي كلمه جامد صفرا)مولكولها در صفحاتي قرار دارند كه زاويه بين صفحات اندكي تغيير مي كند به عبارت ديگر،آنها ساختار حلزوني دارند كه بلندي آن به دما بستگي دارد در نتيجه بلورهاي مايع كلستريك نور را پراكنده مي كنند ورنگ آنها وابسته به دماست. مولكولهاي مسطحي مي تواند فازهاي مزونماتيك وستوني تشكيل دهند.

 

در ساختار ستوني،حلقه هاي آروماتيك با فاصله بسيار كمي (كمتراز nm5/0)بر روي هم سوار مي شوند.

خواص نوري بلورهاي مايع نماتيك همسانگردي است، به اين معني كه به جهت نسبي مجموعه مولكولي نسبت به قطبش نور تابيده شده بستگي دارد. بلورهاي مايع نماتيك به طرز خاصي به ميدان الكتريكي هم عكس العمل نشان مي دهند.مجموعه چنين خواص نوري والكتريكي منحصر به فرد ،مبني استفاده از آنها را در نمايشگرهاي بلورهاي مايع(LCD)تشكيل                                 مي دهد.

 

درLCDنماتيك تا شده بلور مايع بين دو سطح صاف به فاصله حدودµm10قرار مي گيرد. سطح داخلي هر صفحه بايك ماده شفاف رسانا مانند اينديم-اكسيد قلع پوشيده شده است .صفحات سطح دارند كه باعث مي شود بلور مايع جهت گيري خاصي در سطح مشترك داشته باشند.نوعاً زاويه 90درجه نسبت به يكديگر اما در ترتيب"ابرتا"زاويه 270 درجه دارند. كل مجموعه بين 2 قطبنده قرارداده مي شود.اين قطبنده ها صافي هاي نوري هستند كه نور را از يكي از صفحات قطبش خاص عبور مي دهند. نور تابيده شده از صافي بيروني عبور كرده، سپس صفحه قطبش آنطوري چر خيده مي شود كه از نماتيك تاشده عبور كند. وبسته به قرار گرفتن قطبنده دوم از آن بگذرد(اگر قطبنده دوم درست تنظيم شده باشد)موقعي كه در سل يك اختلاف پتانسيل اعمال مي شود،نظم حلزوني از بين مي رود وصفحه نور ديگر نخواهد چرخيد ودر نتيجه قطبنده دوم از عبور نور جلوگيري مي كند.

 

 

 

 

 

 

 

شکل 4- 3 نمودار فاز دو بلور مایع، 4،4-دی متوکسی بنزن ( A) و 4،4- دی اتوکسی آزوکسی بنزن (B )

با وجود اينكه مواد بلوري مايع بسياري وجود دارد ،اما براي داشتن فاز مزو با محدوده ي دمايي مناسب در عمل با مشكلاتي مواجه مي شويم. براي رفع اين مشكل مي توان از مخلوط ها استفاده كرد.يك نمونه نمودار فازي به دست مي آيد در شكل4-3 نشان داده شده است. همانطور كه در اين شكل مشاهده مي شود،فاز مزو براي مخلوط در مقايسه با فاز مزو هريك از مواد بلوري مايع خالص، در محدوده ي دمايي وسيعتري وجود دارد.    

شرح کار :

ابتدا gr  40 فنل را دقیقا وزن کرده ودرون ارلن تمیز ریخته  وسپس به آن مقدارgr 10  آب افزوده و تکان داده تا حل شود  .محلول شیری رنگ ودو فازی بوده که بااضافه کردن ml  10.5 الکل درون بورت به ارلن  حاوی  آب و فنل دو فازی ،تشکیل یک فاز داده و به رنگ قهوه ای روشن در آمد .سپس به محلول تک فاز درون ارلن gr 5  آب اضافه کرده تا محلول وارد محیط دو فازی شود ،سپس به آن الکل اضافه کرده تا تک فاز شود.  این کار راتا زمانیکه ، با اضافه کردن gr 5  آب  دیگر ودو فازی نشدن  محلول ادامه دادیم .

در ابتدا جرم ویژه الکل را به وسیله پیکنومتر بدست آوردیم:

وزن الکل = 39.5 gr           حجم الکل = 50 ml         جرم ویژه الکل = 0 .79 gr/cm3

 

در جدول زیر در هر ردیف وزن هایی از هر یک از سه جزء آمده است که بیان گر یک نقطه بر روی خط مرزی در نمودار است . (تمامی اعداد بر حسب gr هستند )

 

      جدول جرم (گرم )                                                   جدول در صد

 

                     

 

 

الکل

فنل

آب

8.29

40

10

12.2

40

15

14.6

40

20

16.2

40

25

17.8

40

30

19

40

35

19.9

40

40

20.7

40

45

21.6

40

50

22.5

40

55

23.4

40

60

24.1

40

65

24.9

40

70

26.1

40

75

26.5

40

80

27.3

40

85

27.8

40

90

28.4

40

95

28.8

40

100

29.5

40

105

30.4

40

110

30.7

40

115

   

الکل

فنل

آب

14.22199

68.62241

17.1556

18.20345

59.4884

22.30815

19.58183

53.61212

26.80606

19.94088

49.26715

30.79197

20.2461

45.57366

34.18024

20.1788

42.57131

37.24989

19.91992

40.04004

40.04004

19.57612

37.84653

42.57735

19.38373

35.82945

44.78681

19.15582

34.03966

46.80453

18.94959

32.42017

48.63025

18.6614

30.98613

50.35247

18.44603

29.65599

51.89798

18.48019

28.35472

53.1651

18.06637

27.31121

54.62242

17.89819

26.27258

55.82923

17.61724

25.34854

57.03422

17.40088

24.47381

58.12531

17.07635

23.69247

59.23118

16.92449

22.91738

60.15813

16.85605

22.17172

60.97223

16.54552

21.53664

61.91784

                                                                         

                                       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

31.4

40

120

32.2

40

125

32.7

40

130

33.3

40

135

34

40

140

34.7

40

145

35.4

40

150

35.7

40

155

36.2

40

160

36.7

40

165

37.3

40

170

37.8

40

175

38.6

40

180

39.1

40

185

39.5

40

190

16.4229

20.89427

62.68282

16.30738

20.28912

63.4035

16.13222

19.7336

64.13419

15.96639

19.20768

64.82593

15.90357

18.6881

65.40833

15.7866

18.2083

66.0051

15.70167

17.74702

66.55131

15.47464

17.33853

67.18682

15.31882

16.93624

67.74494

15.19464

16.54739

68.25797

15.07603

16.17599

68.74798

14.96599

15.82028

69.21373

14.91008

15.4709

69.61903

14.805

15.14578

70.04922

14.65677

14.8423

70.50093

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

رسم نمودار سه جزئی آب ، فنل ، الکـل :

 

 

 

 

 

 

 

نتیجه گیری :

 

مبحث تبديل فاز مواد خالص از ساده ترين كاربرد هاي ترموديناميك در شيمي است . نمودار فاز، يك نقشه ازفشارها ودماهايي است كه در آن هر فاز ماده، پايدارترين فاز آن ماده است. که ساده ترين راه براي نشان دادن تغييرحالت فيزيكي ماده، برحسب نمودارفازامكان پذيراست.

 

 يك فازماده، شكلي ازآن است كه ازلحاظ تركيب شيميايي و حالت فيزيكي يكنواخت باشد. درگازها و مايعات به خاطرتحرك مولكول ها امكان تبديل سريع فازها وجود دارد ولي درجامدات ممكن است ماده دريك حالت ناپايدارمنجمد شود.

 

دمايي كه فشاربخارمايع با فشارخارجي برابراست را دماي جوش درآن فشارمي نامند. لحظه اي كه چگالي بخاربا مايع برابرمي شود و سطح بين دو فازمحو مي شود دماي بحراني ماده Tc نام دارد.

 

فشاربخاردردماي بحراني فشاربحراني Pc نام دارد دراين دما بالاتراز آن يك فازهمگن موسوم به سيال ابربحراني تمام ظرف را اشغال مي كند و ديگرسطح مشتركي هم وجود ندارد.

 

 

 

 

 

 

منابع خطا :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

منابع و ماخذ :

 

برگرفته از کتاب

شیمی فیزیک    جلد اول : ترمودینامیک    تالیف :  پیتر اتکینز – جولیو .دی.پائولو

 

        صفحات 157- 160     234- 235       254- 256

 

 

+ نوشته شده در  شنبه بیست و هفتم آبان 1391ساعت 14:46  توسط علی قدرآبادى  | 

 

مقدمه:

مایعی با ترکیب اتکتیک در یک تک دما منجمد می شود بدون اینکه دو ماده A و B جامد قبل از آن ته نشین شده باشد. جامدی با ترکیب اتکتیک بدون تغییر ترکیب ذوب می شود و این دما از دمای انجماد هر مخلوط دیگری کمتر است.

یک اتکتیک مهم در صنعت لحیم است که حدود 67 درصد جرمی قلع و 33 درصد جرمی سرب دارد و در 183 درجه سانتی گراد ذوب می شود.

 

1-1 تئوری آزمایش:

1-2-  اتکتیک:

مخلوطی از جامد و مایع A را در درجه حرارت ذوب آن در نظر بگیرید. چنانچه مقدار کمی از ماده خالص دیگری، B ، را در مایع A حل کنید جسم جامد A شروع به ذوب شدن میکند. علت این عمل آن است که افزایش B فشار بخار مایع A را پایین می آورد ( قانون رائول)   و فشار بخار جامد A به همان اندازه می ماند.

بدین ترتیب سرعت انتقال مولکولهای جامد A به داخل فاز مایع از سرعت مرحله برگشت آن بیشتر می شود. اگر حرارتی که برای این عمل لازم است تامین شود و درجه حرارت ثابت نگه داشته شود تمام جامد A ذوب می شود و چنانچه حرارتی داده نشود درجه حرارت نزول میکند ، زیرا با ذوب جامد انرژی حرارتی مصرف می شود. چون با نزول درجه حرارت فشار بخار یک جسم جامد سریعتر از فشار بخار محلول آن کم می شود ، این فشار ها در درجه حرارت پایین تر برابر می شوند و دوباره در آن درجه تعادل برقرار خواهد شد. به این ترتیب این درجه حرارت پایینتر نقطه ذوب و انجماد مخلوط A و B یعنی (( A ناخالص)) را نشان می دهد. هر چه ناخالصی B بیشتر اضافه شود ، نقطه ذوب مخلوط کمتر می شود.

مخلوط های دوتایی اغلب اجسام آلی چنین حالتی را نشان میدهد. بطوریکه در نمودار نقطه ذوب – ترکیب درصد شکل 1-3 نشان داده شده و افزایش ماده دوم نقطه ذوب جسم اول را بتدریج پایین می آورد. در این نمودار a نقطه ذوب جسم خالص A و b نقطه ذوب جسم خالص B را مجسم می سازد. نقطه F درجه حرارتی را که F نشان می دهد که در آن بلورهای خالص A در حالت تعادل با محلول مذاب B (20%) و A (80%) قرار دارند. چنانچه مخلوطی با این ترکیب درصد تهیه شود و ذوب شود و بعد درجه حرارت آن به F کاهش داده شود ، بلورهای خالص A در مجاورت مخلوط مذاب تشکیل خواهد شد. پس از خروج حرارت اضافی ، A به تبلور ادامه می دهد و درصد A در مخلوط مذاب کاهش می یابد. از این رو درجه حرارت تعادل به e برسد، در این هنگام مخلوط مذاب ترکیب درصدی دارد که در E نشان داده شده است.

A و B با نسبت ثابت 60% A و 40% B متبلور می شوند و دیگر ترکیب درصد این مخلوط تغییری نمیکند. در طول این مرحله مخلوط مذابی که ترکیب درصد آن مشخص شده با دو جامد A و B در حال تعادل است. درجه حرارت ثابت می ماند تا تمام نمونه متبلور شود و بعد دوباره با سرد شدن جامد شروع به تنزل می کند.

نقطه E را نقطه اتکتیک می نامند و این نقطه ترکیب درصدی را که A و B با هم متبلور می شوند (مخلوط اتکتیک) و همچنین درجه حرارتی را که e در آن مخلوط اتکتیک منجمد می شود مشخص می کند.

اکنون حالت معکوس ، یعنی ذوب مخلوط جامدی از 80%   Aو 20% B را که بیشتر مورد توجه شیمیدانان آلی است در نظر بگیرید. با گرو کردن مخلوط درجه حرارت بالا میرود. موقعی که درجه حرارت به    e برسد A و B به نسبت ثابتی (ترکیب درصد اتکتیک) با هم ذوب می شوند و درجه حرارت ثابت می ماند.در نظر داشته باشید که مخلوط مذاب اتکتیک با دو جامد A و B  در حال تعادل است. در نتیجه B به طور کامل ذوب می شود. (چون جزء فرعی است) و تنها جسم جامد A در حال تعادل با مخلوط مذاب ترکیب اتکتیک باقی می ماند. با گرم کردن بیشتر ، بقیه  A هم به ذوب شدن ادامه می دهد و درصد A    در محلول مذاب به بالای ترکیب درصد اتکتیک می رسد. چون با این عمل فشار بخار A در محلول بالا می رود و درجه حرارت تعادل جسم جامد A با محلول مذاب افزایش می یابد.

رابطه ی بین درجه حرارت تعادل و ترکیب درصد این محلول مذاب با منحنی EF نمایش داده می شود. نمونه ی ناخالص A نزول (( نقطه )) ذوبی را که در محدوده نسبتاً وسیعی (e – f) قرار دارد نشان می دهد، توجه داشته باشید که در این حالت جسم A با ناخالصی B بررسی شده است. برعکس اگر ترکیب درصد جسم جامد درست راست نقطه E  بود از جسم B با ناخالصی A صحبت می شد و ازدیاد درجه حرارت در مرحله ی ذوب منحنی ED یا EG با محدوده ی ذوب e – d را طی می کرد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3- شرح آزمایش:

یک بشر ml500 برداشته آن را تا دو سوم از آب می کنیم و روی سه پایه قرار می دهیم. چراغ بونزن زیر آن را روشن می کنیم. بشر به عنوان حمام آب گرم استفاده می شود. حال دو لوله آزمایش برداشته، درون یکی gr2 نفتالین و درون دیگری gr2 فنل می ریزیم. درون هر لوله بوسیله نخ دماسنج می گذاریم.(مخزن دماسنج باید میان نفتالین یا فنل باشد).

صبر می کنیم تا هر دو ماده یعنی فنل و نفتالین ذوب شود. سپس شعله را از زیر آن خارج کرده و صبر می کنیم تا حمام آرام آرام سرد شود به طوری که هر دقیقه 1 تا 2 درجه دمای حمام افت کند. سپس به لوله حاوی نفتالین و فنل نگاه کرده و زمانی که روی سطح آنها هاله ایجاد شد و شروع به انجماد کردند، دمای هر کدام را یادداشت می کنیم. پس از انجام این کار gr4/0 نفتالین به لوله حاوی فنل و gr4/0 فنل به لوله حاوی نفتالین اضافه کرده و شعله را زیر بشر قرار می دهیم و صبر می کنیم تا محتویات دو لوله ذوب شوند و در هم مخلوط شوند. سپس مانند مرحله قبل شعله را از زیر بشر خارج کرده و حمام را سرد می کنیم. دمایی را که هر مخلوط منجمد شود را یاداشت می نماییم. بدین ترتیب gr4/0- gr4/0 از  فنل به نفتالین و بر عکس اضافه می کنیم و آزمایش بالا زا تکرار می کنیم  تا به نسبت های مساوی در هر لوله بشوند. یعنی هر لوله gr2 فنل و gr2 نفتالین داشته باشد.

 

 

 

4- هدف آزمایش:

بدست آوردن نقطه اتکتیک مخلوط فنل و نتفالین

 

 

 

5- جداول و نمودار:

نفتالین (gr)

فنل (gr)

نقطه انجماد

2

----

81

2

4/0

73

2

8/0

69

2

2/1

67

2

6/1

63

2

2

54

فنل (gr)

نفتالین (gr)

نقطه انجماد

2

----

31

2

4/0

35

2

8/0

42

2

2/1

45

2

6/1

49

2

2

55

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6- بحث و نتیجه گیری:

در این آزمایش دمای اتکتیک محلول نفتالین وفنل را بدست آوردیم و مشاهده کردیم که به اضافه کردن فنل به نفتالین(افزایش ناخالصی) دمای انجماد کاهش یافت اما با اضافه کردن نفتالین به فنل خالص نقطه انجماد فنل افزایش یافت.

 مایعی با ترکیب اتکتیک در یک تک دما منجمد می شود بدون اینکه دو ماده A و B جامد قبل از آن ته نشین شده باشد. جامدی با ترکیب اتکتیک بدون تغییر ترکیب ذوب می شود و این دما از دمای انجماد هر مخلوط دیگری کمتر است.

 

7- خطا:

7-1- موارد خطا:

- خطا در دید هنگام مشاهده دمای دماسنج هنگام انجماد مخلوط لوله ها

- یکنواخت نبودن دما در لوله

7-2- دلایل خطا:

- عدم هم زدن لوله وعجله هنگام سرد کردن حمام به گونه ای که هر دقیقه حدود 4-3 درجه کاهش دما داشتیم

7-3- پیشنهادات جهت رفع خطا:

- هم زدن محتوی درون هر لوله

- استفاده از یک حمام بزرگتر و قابل کنترل که بتوان افزایش و افت دما را کنترل کنیم

             

8- مراجع و منابع:

 کتاب شیمی فیزیک / اتکینز / غ- پارسافر و ب- نجفی/ جلد اول: ترمودینامیک

+ نوشته شده در  شنبه بیست و هفتم آبان 1391ساعت 14:43  توسط علی قدرآبادى  |