Różnica między ciśnieniem cząstkowym a ciśnieniem pary

Ciśnienie częściowe i prężność par są powszechnie stosowanymi terminami naukowymi dotyczącymi wielkości ciśnienia wywieranego przez elementy układu, ale ich tożsamość może być myląca z innymi. Istnieje wyraźne rozróżnienie między tymi terminami, w tym ich skutkami i tożsamością. W tym artykule omówiono bardziej szczegółowo różnice między tymi terminami. Będzie również zawierać kilka przykładów w celu odkrycia ich aplikacji.

Zacznijmy od podkreślenia pojęcia ciśnienia, zanim będziemy mogli zagłębić się w rozróżnienie między parą a ciśnieniem cząstkowym. Ciśnienie jest naukowo zdefiniowane jako siła przyłożona na jednostkę powierzchni na obiekt lub substancję. Można go również zdefiniować jako siłę przyłożoną do siebie przez zderzające się cząstki i często jest mierzona za pomocą Pascala. W przypadku zderzenia cząstek do obliczenia ciśnienia stosuje się równanie gazu i teorię kinetyczną gazów.

Co to jest prężność pary?

Prężność par może dotyczyć faz ciekłych lub stałych. Jest to ciśnienie wywierane przez parę w jej termodynamicznej równowadze na jej stan ciekły lub stały w danej temperaturze w układzie zamkniętym, gdy zarówno para, jak i ciecz (ciało stałe) są w kontakcie. Ciśnienie to powstaje w wyniku parowania, co jest możliwe dzięki zwiększonemu ciepłu ciała stałego lub cieczy. Zatem temperatura służy jako miara odparowania i jest wprost proporcjonalna do prężności pary. Oznacza to, że im wyższa temperatura, tym wyższe ciśnienie pary.

Podczas odparowywania cząsteczki powietrza uciekają w wyniku wyższej energii kinetycznej do powietrza w układzie zamkniętym. Następnie w równowadze powstaje ciśnienie pary między parą a jej skondensowaną formą cieczy (ciała stałego). W rozwiązaniach, w których siły międzycząsteczkowe są mniejsze, ciśnienie pary wydają się być większe, a odwrotnie, w rozwiązaniach, w których siły międzycząsteczkowe są większe, ciśnienie pary jest mniejsze.

Ciśnienie pary może również występować w idealnych mieszaninach, jak wyjaśniono w prawie Raoulta. Stwierdza, że ​​częściowe ciśnienie pary konkretnego składnika w mieszaninie ciekłej lub stałej jest równe ciśnieniu pary tego składnika pomnożonemu przez jego ułamek molowy w tej mieszaninie w danej temperaturze. Poniższy przykład to zilustruje.

Przykład 1.

Biorąc pod uwagę idealną mieszaninę 0,5 mol. etanol i 1,5 mol. metanol o prężności par odpowiednio 30 KPa i 52 KPa określają częściowe ciśnienie pary każdego składnika.

Rozwiązanie:

Całkowita liczba moli wynosi 1,5 mola + 0,5 mola = 2,0 mola. Zgodnie z prawem Raoulta częściowe ciśnienie pary jest równe ciśnieniu pary pomnożonemu przez ułamek molowy tego konkretnego składnika. W tym przypadku P_metanol = 1,5 / 2 * 52 = 39 kPa i P_etanol = 0,5 / 2 * 30 = 7,5 kPa.

Gdy masz częściowe ciśnienie pary składników w mieszaninie, możesz uzyskać całkowite ciśnienie pary, dodając je razem. Pod tym względem 7,5 + 39 daje całkowitą prężność par 46,5KPa mieszaniny roztworów etanolu i metanolu.

Czynniki wpływające na prężność pary

Tożsamość cząsteczek

Jak już wspomniano powyżej, rodzaje sił molekularnych określają wielkość wywieranego ciśnienia pary. Jeśli siły są większe, wówczas pojawia się mniejsze ciśnienie pary, a jeśli jest słabsze, powstaje więcej ciśnienia pary. Dlatego skład cieczy lub ciała stałego wpłynie na prężność pary.

Temperatura

Wyższa temperatura prowadzi do wyższego ciśnienia pary, ponieważ aktywuje więcej energii kinetycznej w celu rozbicia sił molekularnych, dzięki czemu cząsteczki mogą szybko uciec z powierzchni cieczy. Gdy ciśnienie pary (ciśnienie pary nasyconej) jest równe ciśnieniu zewnętrznemu (ciśnienie atmosferyczne), ciecz zacznie wrzeć. Niższa temperatura spowoduje niższą prężność pary i zajmie to trochę czasu, aż ciecz się zagotuje.

Prawo częściowych ciśnień Daltona

Czym jest presja częściowa?

Pomysł częściowej presji po raz pierwszy zaproponował znany naukowiec John Dalton. Narodziło to jego Prawo Częściowych Ciśnień, które stwierdza, że ​​całkowite ciśnienie wywierane przez idealną mieszaninę gazów jest równe sumie ciśnień cząstkowych poszczególnych gazów. Powiedzmy, że określony pojemnik jest wypełniony wodorem, azotem i tlenem, ciśnienie całkowite, P_CAŁKOWITY, będzie równa sumie tlenu, azotu i wodoru. Ciśnienie cząstkowe dowolnego gazu w tej mieszaninie oblicza się, mnożąc ciśnienie całkowite przez ułamek molowy pojedynczego gazu.

W skrócie, ciśnienie cząstkowe to ciśnienie wywierane przez określony gaz w mieszaninie, tak jakby działał sam w układzie. W ten sposób ignorujesz inne gazy podczas określania ciśnienia cząstkowego pojedynczego gazu. Teorię tę można zweryfikować przez wstrzyknięcie, powiedzmy, 0,6 atm O₂₎ w pojemniku o pojemności 10,0 l przy 230K, a następnie wstrzykuje się 0,4 atm N₂₎ w identycznym pojemniku o tej samej wielkości w tej samej temperaturze, a następnie ostatecznie połączyć gazy, aby zmierzyć ciśnienie całkowite; będzie to suma dwóch gazów. Wyjaśnia to wyraźnie ciśnienie cząstkowe pojedynczego gazu w mieszaninie gazów niereaktywnych.

Obliczanie ciśnienia cząstkowego

Obliczenie ciśnienia cząstkowego jest absolutną bryzą, ponieważ prawo Daltona [1] zapewnia taką możliwość. Będzie to zależeć od typowych dostarczonych informacji. Jeśli na przykład podane jest całkowite ciśnienie dla mieszaniny gazu A i B, a także ciśnienie gazu A, ciśnienie cząstkowe B można obliczyć za pomocą P_CAŁKOWITY = P_ZA + P._b. Reszta to manipulacje algebraiczne. Ale w przypadku, gdy podano tylko całkowite ciśnienie mieszaniny, można użyć frakcji molowej gazu B do określenia ciśnienia cząstkowego. Frakcję molową, oznaczoną przez X, można znaleźć, dzieląc mole gazu B przez całkowitą liczbę moli mieszaniny gazowej. Następnie, aby znaleźć ciśnienie cząstkowe, pomnożysz ułamek molowy, X, przez ciśnienie całkowite. Poniższy przykład to wyjaśnia.

Przykład 2.

Mieszaninę azotu i tlenu, odpowiednio z 2,5 molami i 1,85 molami, wstrzykuje się do pojemnika o pojemności 20,0 l przy całkowitym ciśnieniu 4 atm; obliczyć ciśnienie cząstkowe wywierane przez gazowy tlen.

Rozwiązanie:

Całkowita liczba moli w mieszaninie wynosi 2,5 + 1,85 = 4,35 mola. Więc ułamek molowy tlenu, X_o, będzie wynosić 1,85 mola / 4,35 mola = 0,425 mola. Ciśnienie cząstkowe tlenu wyniesie 0,425 * 4 atm = 1,7 atm. Ciśnienie cząstkowe pozostałego gazu można obliczyć według tego samego podejścia lub obliczyć, stosując gaz tlenowy i ciśnienie całkowite opracowane przez zasadę ciśnień częściowych Daltona, że ​​całkowite ciśnienie gazów niereaktywnych jest równe sumie ciśnienia cząstkowe.

Różnica między parą a ciśnieniem cząstkowym

Z powyższych wyjaśnień wynika, że ​​prężność pary i ciśnienie cząstkowe są dwoma różnymi ciśnieniami. Prężność par stosuje się do fazy ciekłej i stałej, podczas gdy ciśnienie cząstkowe stosuje się do fazy gazowej. Prężność pary jest wywierana w fazie przejściowej po dodaniu wystarczającej ilości ciepła do roztworu, co prowadzi do ucieczki jego cząsteczek w układzie zamkniętym.

Główną różnicą między ciśnieniem cząstkowym a ciśnieniem pary jest to, że ciśnienie cząstkowe jest ciśnieniem wywieranym przez pojedynczy gaz w mieszaninie, tak jakby był sam w tym układzie, podczas gdy ciśnienie pary odnosi się do ciśnienia wywieranego przez parę w jej termodynamicznej równowadze z jego skondensowany stan ciekły lub stały. Poniższa tabela zawiera zwięzłe porównanie tych ciśnień.

Ciśnienie pary	Ciśnienie cząstkowe
Jest wywierany przez parę ciekłą lub stałą na fazę skondensowaną w równowadze	Jest wywierany przez poszczególne gazy w niereaktywnej mieszaninie gazów
Dobrze wyjaśnione prawem Raoulta	Dobrze wyjaśnione prawem Daltona
Ma zastosowanie w fazie stałej i ciekłej	Ma zastosowanie wyłącznie w fazach gazowych
Niezależnie od powierzchni lub objętości systemu	Obliczone przy użyciu gazów w tej samej objętości
Obliczone przy użyciu ułamka molowego substancji rozpuszczonej	Obliczany przy użyciu ułamka molowego gazu

Zakończyć!

Ciśnienie pary i ciśnienie cząstkowe są dwoma ważnymi terminami naukowymi stosowanymi do określania wpływu sił działających odpowiednio na parę i gazy w danym układzie zamkniętym w określonych temperaturach. Główną różnicą jest obszar zastosowania, w którym prężność pary jest przykładana do fazy ciekłej lub stałej, natomiast ciśnienie cząstkowe przykładane jest do pojedynczego gazu w mieszaninie gazów doskonałych w danej objętości.

Ciśnienie cząstkowe można łatwo obliczyć, postępując zgodnie z prawem ciśnienia częściowego Daltona, natomiast ciśnienie pary oblicza się, stosując prawo Raoulta. W każdej mieszaninie każdy składnik gazowy wywiera własne ciśnienie, które nazywa się ciśnieniem cząstkowym niezależnym od innych gazów. A kiedy podwoisz liczbę moli dowolnego składnika przy stałej temperaturze, zwiększysz jego ciśnienie cząstkowe. Według relacji Clausiusa-Clapeyrona [2] ciśnienie pary wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

Dzięki powyższym informacjom powinieneś być w stanie odróżnić ciśnienie pary od ciśnienia cząstkowego. Powinieneś być również w stanie obliczyć je za pomocą ułamków molowych i pomnożenia przez ciśnienie całkowite. Podaliśmy typowe przykłady do opracowania na temat zastosowania tych nacisków.