4 Aineen olomuodot. 4.2 Höyrystyminen POHDI JA ETSI

Transkriptio

1 4 Aineen olomuodot 4.2 Höyrystyminen POHDI JA ETSI 4-1. a) Vesi asettuu astiassa vaakatasoon Maan vetovoiman ja veden herkkäliikkeisyyden takia. Painovoima tekee työtä, kunnes veden potentiaalienergia on pienin. b) 1) Jos halutaan asettaa esimerkiksi kaksi kaukana toisistaan olevaa paalua tai vaikkapa sisustuksessa käytettävää boordinauhaa samaan tasoon, voidaan niiden välille asettaa vesiletku. Molemmissa päissä veden pinta on samalla korkeudella. 2) Jos sinulla ei ole vesivaakaa, mutta sinun pitäisi säätää pyykkikone täsmälleen vaaka-asentoon kaltevalla pesuhuoneen lattialla, voit kaataa hiukan vettä pesukoneen kannen päälle. Säädä sitten korkeutta siten, että kannen päällä oleva vesi ei pyri liikkumaan mihinkään suuntaan. Pyykkikone on tällöin melko tarkasti vaaka-asennossa. ) Kaksi astiaa yhdistetään letkulla. Kun vettä kaadetaan toiseen astiaan, toinenkin astia täyttyy. Vertaa a)-kohta. Veden pinta asettuu astioissa samalle korkeudelle. Tällaisilla astioilla voidaan varmistaa, että esimerkiksi ikkunoiden kehykset ovat samalla korkeudella, kun taloa rakennetaan. Huomaa, että käytettäessä vesiletkua korkeuksien vertailuun vesiletkussa ei saa olla ilmakuplia. c) Vettä ei voi kiehuttaa avoimessa astiassa niin, että veden määrä ei vähene. Vaikka keittämistilan suhteellinen ilmankosteus olisi 100 %, vesi tiivistyy aina kylmimmille pinnoille, kuten ikkunoihin a) Lämpötilaa, jossa aine sulaa, kutsutaan sulamispisteeksi. b) Lämpötilaa, jossa aine kiehuu, kutsutaan kiehumispisteeksi. c) Veden pintaan vaikuttava ulkoinen paine on korkealla vuoristossa pienempi kuin meren pinnalla. Lämmitettäessä vettä korkealla vuoristossa veden sisäinen höyrynpaine saavuttaa ulkoisen paineen arvon alhaisemmassa lämpötilassa kuin meren pinnalla. 4-. a) Veden pintaan kohdistuva paine on ilmanpainetta suurempi koulun painekattilassa. Silloin vettä lämmitettäessä veden sisäinen höyrynpaine saavuttaa veden pintaan kohdistuvan paineen arvon lämpötilassa, joka on suurempi kuin 100 C. b) Veden kiehumislämpötila on suurempi kuin 100 C, joten ruokaa voidaan lämmittää painekattilassa kuumemmaksi kuin tavallisessa kattilassa. 42

2 c) Korkealla vuoristossa voisi käyttää painekattilaa, jolloin veden kiehumislämpötilaa voidaan kohottaa. Ruokaa voidaan myös kypsentää kauemmin, jos kiehumislämpötila on alle 100 ºC ja lämpötila on kuitenkin riittävän korkea kypsentämiseen a) Kun tilavuus männässä suurenee, paine alenee. Tällöin vesi höyrystyy ja voi alkaa kiehua. Höyrystyminen sitoo energiaa, joten veden lämpötila alenee. b) Kun männällä varustetun sylinterin tilavuutta suurennetaan, paine pienenee ja vesi jäähtyy sekä lopulta jäätyy. Kammion on oltava hyvin lämpöeristetty. Jos kammiosta imetään tehokkaalla tyhjiöpumpulla ilmaa pois jatkuvasti, muodostuu kammion sisälle nopeasti hyvin pieni paine. Koska ympäristöstä ei pääse helposti lämpöä kammion sisälle, vesi jäätyy. Näin voidaan tehdä kesälläkin jäätä. c) Ihmisen verestä poistuu vettä hengityksen mukana a) Kaasun lämpötila on suurempi kuin kriittinen lämpötila, eikä kaasu nesteydy puristamalla. Kriittisen pisteen lämpötila on kaasun ja höyryn rajalämpötila. Kriittinen piste tarkoittaa kriittistä lämpötilaa ja kriittistä painetta. b) Kaasumaista ainetta kutsutaan höyryksi, jos sen lämpötila on pienempi kuin kyseisen aineen kriittinen lämpötila. Höyry nesteytyy puristamalla. c) Höyry on kylläistä, jos tiivistyminen ja höyrystyminen on suljetussa astiassa yhtä runsasta a) Vesi saadaan kiehumaan lämmittämällä vettä kädellä, jos astiassa on tarpeeksi pieni paine. Jos tyhjiöpumpulla imetään ilmaa pois kädessä olevasta keittopullosta, vesi pullossa alkaa kiehua. Kiehuminen alkaa, kun paine pullossa on tarpeeksi pieni. Tällaista koetta tehtäessä on syytä käyttää suojalaseja ja - asusteita. Alipaine voi joskus rikkoa lasipullon, varsinkin jos siinä on jo valmiiksi jokin pieni särö. b) Korkeapaineen saapuessa ilmanpaine kohoaa hiukan. Silloin myös veden kiehumislämpötila nousee vähän a) Aineen sulamispiste on 40 C ja kiehumispiste 140 C. b) Aineen A sulamispiste ja kiehumispiste ovat korkeampia kuin aineen B. 4

3 4. Ilmankosteus POHDI JA ETSI 4-8. a) Jos ilman lämpötila laskee, ilman suurin mahdollinen kosteus pienenee. Jos ilman lämpötila laskee niin paljon, että tätä lämpötilaa vastaava kylläisen vesihöyryn paine (ks. taulukkokirja) on yhtä suuri kuin ilmassa olevan vesihöyryn osapaine, vesihöyry alkaa tiivistyä vedeksi. Tätä lämpötilaa kutsutaan kastepisteeksi. b) Kastepiste on lämpötila, jonka alittamisen jälkeen ruohikkoon tai esimerkiksi auton pintaan voi ilmestyä vesipisaroita. Sisällä huonekalujen pinta tuntuu kostealta, jos kastepiste on saavutettu. Seinän sisään muodostuva kastepiste aiheuttaa homevaurion, jos seinä ei hengitä riittävästi tai ole pystysuunnassa tuulettuva. Jos muovia käytetään höyrysulkuna seinän rakenteessa, sen paikka on suunniteltava huolellisesti. Usein muovipinnat sijoitetaan ulkoseinän huoneen puoleisen pinnan välittömään läheisyyteen. c) Jos Maan pinnalla lämpimän ilmakerroksen paksuus on riittävän suuri, ylhäältä putoava pisara höyrystyy lämpimän ilman vaikutuksesta eikä se ehdi päästä Maan pinnalle asti a) Jos paine kasvaa, veden sulamispiste alenee. b) Kuumassa ilmassa on kosteutta. Ilma kohtaa viileämmän pinnan, jolloin ilmassa oleva vesihöyry muuttuu kylläiseksi lasin pinnalla ja tiivistyy vedeksi. c) Pyykki kuivuu pakkasella, koska vesi höyrystyy ja myös pyykissä oleva jää voi muuttua höyryksi. Jää voi siis sublimoitua a) Lämpötila on alhainen. Hiilidioksidin sulamispiste on 78,5 C. b) Ilman suhteellinen kosteus on tullut märän pyykin takia suureksi. Jos ilmanvaihto on huono, kosteutta jää paljon huoneilmaan. Silloin kosteasta pyyhkeestä ei pääse siirtymään vettä haihtumalla nopeasti huoneilmaan. c) Ilman suhteellinen kosteus on suuri, joten haihtumista ei tapahdu paljon a) Lämpötila on laskenut kastepisteen alapuolelle. b) Jäähileitä syntyy ruohon pintaan syksyllä, kun kastepiste on alempana kuin jään sulamispiste. 44

4 c) Lämpötila laskee kastepisteen alapuolelle. Silloin ilmassa oleva vesihöyry ei voi pysyä enää höyrynä, vaan ilmaan muodostuu pieniä pisaroita. Ilmassa oleva vesihöyry tulee kylläiseksi ja tiivistyy sumuksi a) Kosteus suojaa kasveja kylmyydeltä. Jos ilman lämpötila alenee, ilmassa ja maassa oleva vesi ei jäädy heti. Vesi luovuttaa jäähtyessään lämpöenergiaa ympäristöön. Vesi luovuttaa lämpöä ympäristöön myös silloin, kun vesi jäätyy. Ympäristöön luovutettu lämpöenergia estää hallan tuloa. b) Avaamattoman virvoitusjuomapullon sisällä on usein höyryä, jonka paine vaikuttaa nesteen pintaan. Paine leviää tasaisesti nesteeseen ja estää kuplien muodostumisen. Kertaalleen avatun virvoitusjuomapullon sisällä on likimain normaali ilmanpaine. Se ei estä kuplien muodostumista. c) Paine-ero tasoittuu pullon sisällä olevan kaasun ja huoneilman välillä a) Kylmän lasipinnan kohdalla ilmassa oleva vesihöyry muuttuu kylläiseksi ja tiivistyy vedeksi. b) Kesällä lämpötila on korkeampi kuin talvella. Ilmaan syntyy kylmällä säällä sumua. Lämpötila on laskenut kesään verrattuna kastepisteen alapuolelle. c) Pakokaasulla ja siinä olevalla vesihöyryllä on korkea lämpötila. Pakokaasun lämpötila on suurempi kuin ulos hengitetyn ilman. Kun lämpötila on korkea, vettä voi olla paljon höyrymuodossa. Korkeassa lämpötilassa pakokaasun vesi pysyy siis höyrymuodossa. Kun pakokaasu joutuu kylmään ulkoilmaan, vesihöyry tiivistyy ja syntyy sumua, koska lämpötila on laskenut kastepisteen alapuolelle a) Vesi kiehuu vuoristossa matalammassa lämpötilassa kuin meren pinnalla. Vuoristossa on pienempi ulkoinen ilmanpaine. b) Vuoristossa vesi jäätyy pienemmässä paineessa hiukan korkeammassa lämpötilassa kuin meren pinnalla Kylmään lasin pintaan tiivistyy vettä. Ilman vesihöyry muuttuu kylmän lasin pinnalla kylläiseksi ja tiivistyy vedeksi. Kesällä lasin pinta on lämmin. Silloin tiivistymistä ei tapahdu a) Lämpimässä hengitysilmassa on kosteutta. Ikkunassa ilma kohtaa viileämmän pinnan. Silloin ilmassa oleva vesihöyry muuttuu kylläiseksi lasin pinnalla ja tiivistyy vedeksi. b) Aina kun auton pyörä kulkee lumen yli, paine sulattaa vähän lunta vedeksi, joka jäätyy uudelleen. Näin lumi litistyy vähitellen jääksi. 45

5 c) Paine terän alla aiheuttaa sen, että terän alla oleva jää sulaa vedeksi, joka kiiltää. Kun luistelija poistuu, paine pienenee normaaliksi ilmanpaineeksi ja terän jäljen kohdalle syntynyt vesi jäätyy. Silloin kiilto pienenee. TEHTÄVIEN RATKAISUJA a) Paine vaikuttaa siihen, missä muodoissa vesi voi esiintyä. Jos esimerkiksi paine on normaali ilmanpaine, vesi voi esiintyä kaasuna, höyrynä, nesteenä ja kiinteänä. 1) Vesi voi olla kiinteätä jäätä, kun lämpötila t < 0,01 C. 2) Vesi voi esiintyä nesteenä, kun lämpötila t < 74 C. Kriittistä lämpötilaa korkeammilla arvoilla ei esiinny nestettä. ) Kaasumaista ainetta kutsutaan höyryksi, jos sen lämpötila on enintään yhtä suuri kuin kyseisen aineen kriittinen lämpötila. Vesi voi esiintyä höyrynä, kun lämpötila t < 74 C. 4) Kaasun lämpötila on suurempi kuin kyseisen aineen kriittinen lämpötila. Vesi voi esiintyä kaasuna, kun lämpötila t > 74 C. b) p > 0,0061 bar c) 1) Vesi muuttuu kaasusta höyryksi ja härmistyy höyrystä kiinteäksi lämpötilan laskiessa. 2) Vesi muuttuu kaasusta höyryksi, tiivistyy höyrystä nesteeksi ja jähmettyy sitten nesteestä kiinteäksi a) Veden faasidiagrammista saadaan kyseisiä arvoja vastaava tulos. Arvot sijoittuvat faasidiagrammin höyry-alueelle. b) Hiilidioksidin faasidiagrammista saadaan kyseisiä arvoja vastaava tulos. Arvot sijoittuvat faasidiagrammin höyry-alueelle. c) Normaalipaineessa hiilidioksidi voi esiintyä kiinteänä ja höyrynä. d) Sulamispistekäyrän yli piirretyt nuolet kuvaavat sulamista ja jäätymistä. Kiehumispistekäyrän yli piirretyt nuolet kuvaavat höyrystymistä ja tiivistymistä. Sublimoitumiskäyrän yli piirretyt nuolet kuvaavat sublimoitumista ja härmistymistä. 46

6 4-19. Faasidiagrammissa on esitetty paine lämpötilan funktiona. Käyrästö sisältää sulamispistekäyrän, kiehumispistekäyrän ja sublimoitumiskäyrän. Kiehumispistekäyrä päättyy kriittiseen pisteeseen. Käyrät kohtaavat kolmoispisteessä. Paineen kasvaessa aineen A sulamispiste alenee ja aineen B suurenee. Aineiden A ja B sublimoitumiskäyrät käyttäytyvät samansuuntaisesti. Paineen suurentuessa lämpötila kohoaa, mutta aineen A lämpötila kohoaa nopeammin. Aineiden A ja B kiehumispistekäyrät käyttäytyvät samansuuntaisesti, mutta aineen A kriittisen pisteen paineen arvo on pienempi kuin aineen B a) Kylläisen vesihöyryn tiheys lämpötilassa 19 C on taulukkokirjan mukaan 16,0 g/m. Tästä arvosta 49 % on 0,49 16,0 g/m 8, 0 g/m. b) Veden määrä huoneilmassa on g 52 m 7, g/m. m c) Etsitään taulukosta Kylläisen vesihöyryn paine ja tiheys tiheyttä 8,0 g/m vastaava lämpötila. Kastepiste on lämpötilojen 7 C ja 8 C välillä. Kastepiste on likimain 7,5 C a) Kiehumispistekäyrä kuvaa painetta lämpötilan funktiona. Oikeanpuoleinen piirros on suurennettu osa vasemmanpuoleisesta piirroksesta origon läheltä. b) Kiehumispistekäyrä päättyy kriittiseen pisteeseen. Kriittinen piste kertoo kriittisen paineen ja kriittisen lämpötilan arvot. Piirroksen mukaan ne ovat p = 221 bar ja t = 74 C. Aineen kriittistä lämpötilaa korkeammassa lämpötilassa aine ei voi esiintyä nesteenä. Jos kaasun lämpötila on suurempi kuin sen kriittinen lämpötila, kaasua ei enää voida nesteyttää puristamalla. Kaasumaista ainetta sanotaan höyryksi, jos sen lämpötila on pienempi kuin aineen kriittinen lämpötila. Näin käsitteet höyry ja kaasu voidaan täsmentää kriittisen lämpötilan avulla. c) noin 95 C. d) p > 150 bar TESTAA, OSAATKO 1. b 2. a. b 4. c 5. c 6. c 7. a 8. abc 9. a 10. abc 47