Rozdíl mezi parciálním tlakem a tlakem par

Parciální tlak a tlak par jsou běžně používané vědecké termíny týkající se množství tlaku vyvíjeného komponentami systému, ale jejich identita může být pro ostatní matoucí. Existuje jasný rozdíl mezi těmito podmínkami, včetně jejich účinků a identity. Tento článek se bude více zabývat rozdíly mezi těmito podmínkami. Bude také zahrnovat některé příklady demystifikace jejich aplikací.

Začněme zdůrazněním pojmu tlak, než se můžeme ponořit do rozdílu mezi parou a parciálním tlakem. Tlak je vědecky definován jako síla aplikovaná na jednotku plochy na předmět nebo látku. Může být také definována jako síla aplikovaná kolizními částicemi na sebe a často se měří pomocí Pascalu. V případě kolize částic se k výpočtu tlaku použije plynová rovnice a kinetická teorie plynů.

Co je tlak par?

Tlak páry se může vztahovat na kapalné nebo pevné fáze. Je to tlak vyvíjený parou v její termodynamické rovnováze na její kapalný nebo pevný stav při dané teplotě v uzavřeném systému, když jsou jak pára, tak kapalina (pevná látka) v kontaktu. Tento tlak vzniká v důsledku odpařování, které je umožněno zvýšeným teplem na pevné látce nebo kapalině. Teplota se tedy používá jako míra odpařování a je přímo úměrná tlaku par. To znamená, že čím vyšší je teplota, tím vyšší je tlak par.

Během odpařování molekuly vzduchu unikají v důsledku vyšší kinetické energie do vzduchu v uzavřeném systému. Poté, když je v rovnováze, tlak páry vzniká mezi párou a její kondenzovanou formou kapaliny (pevné látky). V řešeních, kde jsou mezimolekulární síly slabší, má tlak par tendenci být větší, a naopak, v řešeních, kde jsou mezimolekulární síly silnější, je tlak par nižší.

Tlak par může také nastat v ideálních směsích, jak je vysvětleno Raoultovým zákonem. Uvádí, že parciální tlak par určité složky v kapalné nebo pevné směsi je stejný jako tlak par této složky vynásobený její molární frakcí v této směsi při dané teplotě. Následující příklad to ilustruje.

Příklad 1.

Vzhledem k ideální směsi 0,5 mol. ethanol a 1,5 mol. Metanol s tlakem par 30 kPa a 52 kPa stanoví v tomto pořadí parciální tlak par každé složky.

Řešení:

Celkový počet molů je 1,5 mol + 0,5 mol = 2,0 mol. Podle Raoultova zákona se parciální tlak par rovná tlaku par vynásobenému molární frakcí dané složky. V tomto případě P_methanol = 1,5 / 2 * 52 = 39 KPa a P_ethanol = 0,5/2 x 30 = 7,5 kPa.

Když máte parciální tlaky par ve složkách, můžete získat celkový tlak par jejich součtem. V tomto ohledu 7,5 + 39 dává celkový tlak par 46,5 KPa páry směsí roztoků ethanolu a methanolu.

Faktory ovlivňující tlak par

Identita molekul

Jak již bylo uvedeno výše, typy molekulárních sil určují velikost tlaku par, které mají být vyvíjeny. Pokud jsou síly silnější, pak se objeví menší tlak par, a pokud je slabší, pak se objeví větší tlak par. Proto složení kapaliny nebo pevné látky ovlivní tlak par.

Teplota

Vyšší teplota vede k vyššímu tlaku par, protože aktivuje více kinetické energie, aby rozbila molekulární síly, takže molekuly mohou rychle uniknout z povrchu kapaliny. Když se tlak par (tlak nasycených par) rovná vnějšímu tlaku (atmosférický tlak), kapalina se začne vařit. Nižší teplota bude mít za následek nízký tlak par a bude nějakou dobu trvat, než se kapalina dostane do varu.

Daltonův zákon parciálních tlaků

Co je parciální tlak?

Myšlenka parciálního tlaku byla poprvé navržena renomovaným vědcem Johnem Daltonem. Vznikl jeho zákon parciálních tlaků, který uvádí, že celkový tlak vyvíjený ideální směsí plynů se rovná součtu parciálních tlaků jednotlivých plynů. Řekněme, že konkrétní nádoba je naplněna plyny vodíku, dusíku a kyslíku, celkový tlak, P_CELKOVÝ, se bude rovnat součtu kyslíku, dusíku a vodíku. Parciální tlak jakéhokoli plynu v této směsi se vypočítá vynásobením celkového tlaku molárním podílem jednotlivého plynu.

Stručně řečeno, parciální tlak je tlak vyvíjený určitým plynem ve směsi, jako by působil sám v systému. Při určování parciálního tlaku jednotlivého plynu tedy ignorujete jiné plyny. Tuto teorii lze ověřit injekcí, řekněme, 0,6atm O₂ v 10,0 l nádobě při 230K a poté injektováním 0,4atm N₂ v identické nádobě stejné velikosti při stejné teplotě a potom nakonec spojí plyny pro měření celkového tlaku; bude to součet dvou plynů. To jasně vysvětluje parciální tlak jednotlivého plynu ve směsi nereaktivních plynů.

Výpočet parciálního tlaku

Pro výpočet parciálního tlaku je absolutní vánek, protože Daltonův zákon [1] k tomu poskytuje ustanovení. Závisí to na typických poskytovaných informacích. Je-li například celkový tlak uveden pro směs plynů A a B a také pro tlak plynu A, může být parciální tlak B vypočítán pomocí P_CELKOVÝ = P_A + P_B. Zbytek jsou algebraické manipulace. Ale v případě, že byl dán pouze celkový tlak směsi, můžete pro stanovení parciálního tlaku použít molární frakci plynu B. Molární frakci označenou X lze nalézt dělením molů plynu B celkovým molem směsi plynů. Poté, abyste našli částečný tlak, vynásobte molární zlomek X celkovým tlakem. Níže uvedený příklad to rozpracovává.

Příklad 2.

Směs dusíku a kyslíku s 2,5 molů a 1,85 molů se vstřikuje do 20,0 litrové nádoby s celkovým tlakem 4atm; vypočítat parciální tlak vyvíjený kyslíkem.

Řešení:

Celkový počet molů ve směsi je 2,5 + 1,85 = 4,35 mol. Takže molární zlomek kyslíku, X_Ó, bude 1,85 mol / 4,35 mol = 0,425 mol. Parciální tlak kyslíku bude 0,425 * 4atm = 1,7atm. Parciální tlak zbývajícího plynu lze vypočítat stejným způsobem nebo se může vypočítat pomocí kyslíkového plynu a celkového tlaku, jak je stanoveno Daltonovým zákonem o částečných tlacích, že celkový tlak nereaktivních plynů je roven součtu parciální tlaky.

Rozdíl mezi parou a parciálním tlakem

Z výše uvedených vysvětlení je zřejmé, že tlak par a parciální tlak jsou dva odlišné tlaky. Tlak páry působí na kapalnou a pevnou fázi, zatímco parciální tlak na plynnou fázi. Tlak páry se vyvíjí ve fázovém přechodu po přidání dostatečného tepla do roztoku, což vede k úniku jeho molekul v uzavřeném systému.

Hlavním rozdílem mezi parciálním tlakem a tlakem par je, že parciální tlak je tlak vyvíjený jednotlivým plynem ve směsi, jako by byl sám v tomto systému, zatímco tlak par se vztahuje k tlaku vyvíjenému parou v jeho termodynamické rovnováze s jeho kondenzovaný stav kapaliny nebo pevné látky. Níže uvedená tabulka uvádí stručné srovnání těchto tlaků.

Tlak páry	Částečný tlak
Je vyvíjen kapalinou nebo pevnou parou ve své kondenzované fázi v rovnováze	Je vyvíjen jednotlivými plyny v nereaktivní směsi plynů
Dobře to vysvětlil Raoultův zákon	Dobře to vysvětlil Daltonův zákon
Použitelné v pevné a kapalné fázi	Použitelné pouze v plynných fázích
Nezávisle na ploše nebo objemu systému	Vypočteno za použití plynů ve stejném objemu
Vypočteno za použití molárního podílu rozpuštěné látky	Vypočteno za použití molární frakce plynu

Zabalit!

Tlak páry a parciální tlak jsou dva důležité vědecké termíny používané při určování účinků sil působících parou a plyny, v daném uzavřeném systému při určitých teplotách. Jejich hlavní rozdíl je oblast aplikace s tlakem par aplikovaným na kapalnou nebo pevnou fázi, zatímco parciální tlak je aplikován na jednotlivý plyn ve směsi ideálních plynů v daném objemu.

Parciální tlak se snadno vypočítá podle Daltonova zákona částečných tlaků, zatímco tlak par se vypočítá pomocí Raoultova zákona. V každé dané směsi vyvíjí každá složka plynu svůj vlastní tlak, který se nazývá parciální tlak nezávislý na jiných plynech. A když zdvojnásobíte moly kterékoli komponenty s konstantní teplotou, zvýšíte její parciální tlak. Podle Clausius-Clapeyronova vztahu [2] se tlak páry zvyšuje s rostoucí teplotou.

S výše uvedenými informacemi byste měli být schopni rozlišovat mezi tlakem par a parciálním tlakem. Také byste měli být schopni vypočítat je pomocí molárních zlomků a vynásobením celkovým tlakem. Uváděli jsme typické příklady, které byste měli rozpracovat při uplatňování těchto tlaků.