Küllastumata ja küllastunud aur

12. klass > Füüsika > 5. kursus: Mikro- ja megamaailma füüsika

Küllastumata ja küllastunud aur

Kui vedelik aurub avatud ruumi, siis aurustumine ületab kondensatsiooni ning vedelikukogus hakkab vähenema. Anuma kohal liikuv õhk kannab auru vedeliku pinnalt ära ning selle tihedus vedeliku kohal ei saa muutuda suureks.

Auru, mis on vedeliku kohal, kui aurustumine ületab kondensatsiooni või auru vedeliku puudumisel nimetatakse küllastamata auruks.

Kui aurumine toimub aga ruumis, mis on ei vaheta ümbritseva keskkonnaga ainet – hermeetilises ruumis – siis taolises situatsioonis saabub peagi olukord, kus aurustumine ja kondenseerumine saavutavad dünaamilise tasakaalu – nii palju kui muutub vedeliku molekule auruks, muutub gaasi molekule vedelikuks. Vedelikutase anumas ei muutu.

Auru, mis on vedelikuga dünaamilises tasakaalus, nimetatakse küllastunud auruks.

Küllastunud ja küllastumata auru omadused

Kirjeldame hermeetiliselt suletud anumas asuva küllastunud auru omadusi isohoorilistes ja isotermilistes – see tähendab muutumatu ruumala ja muutumatu temperatuuri juures toimuvates protsessides.

Isohoorilises protsessis kehtib ideaalgaasile Charlesi seadus, mille kohaselt on ideaalse gaasi rõhk võrdeline gaasi temperatuuriga.

Küllastunud auru rõhk, nagu ideaalsel gaasilgi, on üheselt määratud auru temperatuuriga – temperatuuri tõustes rõhk suureneb, langedes aga väheneb, sest temperatuuri suurenedes suureneb gaasimolekulide liikuvus (kineetiline energia).

20

Paneme tähele, et ka vedeliku kohal asuva küllastunud auru hulk (mass) sõltub vedeliku temperatuurist – mida kõrgem on süsteemi temperatuur, seda rohkem on vedelikku aurunud ning seda suurem on vedeliku kohal oleva auru mass. Auru kogus ruumis mõjutab aga auru rõhku – mida rohkem on ruumis auru (mida suurem on auru mass), seda suurem on tema poolt avaldatav rõhk.

Nii muutubki küllastunud auru rõhk samasuguse temperatuuri muutuse korral kiiremini kui ideaalse gaasil, sest lisaks osakeste liikuvusele muutub aurustunud gaasi kogus.

Isotermilistes protsessides kehtib ideaalgaasile Boyle’- Mariotte’i seadus, mille kohaselt on gaasi rõhk pöördvõrdeline gaasi ruumalaga.

Kui suurendada isotermiliselt küllastunud auru ruumala, siis saab rohkem vedelikku aurustuda – aurustumine muutub intensiivsemaks kuni saabub uus dünaamilise tasakaalu olek – auru kogus hermeetiliselt suletud anumas on suurenenud, auru rõhk anumas jääb aga samaks. Kui ruumala vähendada (auru kokku suruda), siis intensiivistub kondenseerumine – auru kogus väheneb ning uue dünaamilise tasakaalu olekus on auru rõhk jätkuvalt sama, mis protsessi alguses.

Küllastunud auru rõhk isotermilistes protsessides sõltub ainult gaasi temperatuurist ja ainest (sest aurumine ja kondenseerumine on küllastunud aurus dünaamilises tasakaalus, erinevad ained aga aurustuvad sama temperatuuri juures erineva kiirusega).

Küllastamata auru puhul saab ideaalgaasi seadusi rakendada vaid olukorras, kus gaas on piisavalt kaugel küllastatud olekust.

Keemise mehhanism

Keemiseks nimetatakse vedeliku aurustumist jääval temperatuuril kogu ruumala ulatuses.

Vedeliku soojendamisel tekivad anuma põhjas ja seintel gaasimullikesed – tahke keha omadust hoida kinni gaasimolekule nimetatakse adsorbtsiooniks, pinnaga seotud gaasi adsorbeerituks.

Ka vedelikel on võime siduda (lahustada) endas neid ümbritsevat gaasi (õhku). Vedeliku temperatuuri tõustes gaaside lahustuvus väheneb – selle tulemusena eralduv gaas (õhk) ühineb anuma seintel adsorbeerunud õhuga.

Vedeliku soojenedes suureneb eralduvate mullikeste hulk, suureneb ka mullikeste ruumala. Lisaks ümbritsevale gaasile (õhule) sisaldavad mullikesed ka küllastunud auru. Mullide suurenemine ongi põhjustatud küllastunud auru rõhu kasvust mullides.

Mullide piiramatut suurenemist takistavad nii ümbritseva keskkonna (atmosfääri) rõhk kui ka vedelikusamba rõhk. Kui mulli ruumala on piisavalt suur, tõuseb ta tänu üleslükkejõule pinnale ning lõhkeb – temas sisaldunud küllastunud aur lendub ümbritsevasse keskkonda. Kui vedeliku temperatuur on ühtlustunud, siis mullikeste tõusmisel kasvab nende ruumala veelgi, sest vedeliku pinna lähedal avaldab vedelik mullile väiksemat rõhku.

Seega kujutab keemine kogu vedeliku ruumala ulatuses küllastunud aru eraldumist vedelikus lahustunud gaasimullide abil, kusjuures küllastunud auru rõhk mullides on võrdne välisrõhuga. Kui välisrõhk muutub, muutub rõhk gaasimullides – järelikult muutub vedeliku keemispunkt. Vedeliku keemispunkti normaalrõhul (760mmHg ≈ 101,3kPa) nimetatakse keemistemperatuuriks.

Aine kriitiline olek

Hermeetiliselt suletud anumas eraldab selgepiiriline vedeliku pind anumas asuvat vedelikku gaasist. Kui suurendada anumas asuva aine temperatuuri, hakkab selles asuva vedeliku tihedus vedeliku paisumise tõttu vähenema, anumas asuva küllastunud veeauru mass aga suureneb ning seetõttu hakkab anumas asuva küllastunud auru tihedus suurenema – piir vedeliku pinna ja auruga täidetud ruumiosa vahel kaob (vaata videot).

youtube_video

Aine kriitiliseks temperatuuriks nimetatakse temperatuuri, mille puhul vedeliku ja tema küllastunud auru tihedused muutuvad võrdseks, sellele temperatuurile vastavat rõhku aga kriitiliseks rõhuks, neile vastavat aine olekut – kriitiliseks olekuks.

21

Siinkohal tuleb rõhutada, et kriitilisest temperatuurist kõrgemal temperatuuril saab aine eksisteerida ainult gaasilises olekus. Vedelikku, mille temperatuur jääb keemispunkti ja kriitilise temperatuuri vahele nimetatakse ülekuumenenud vedelikuks.

Vee puhul on kriitiliseks temperatuuriks +374°C, kriitiline rõhk on 218,5 atm ≈ 2,2MPa. Seega on võimalik hermeetilises anumas asuva vee temperatuuri tõsta kui suurendada samal ajal auru rõhku anumas – siiski saame seda teha vaid kuni +374°C/218,5 atm – sellest kõrgemal temperatuuril/rõhul saab vesi eksisteerida ainult auruna.

Gaaside veeldamine

Iga aine jaoks on olemas kriitiline temperatuur, millest kõrgemal saab aine eksisteerida ainult gaasilises olekus. Järelikult iga gaasilises olekus ainet on võimalik muuta vedelikuks, kui alandada tema temperatuuri kriitilisest väiksemaks.

Vastavat protsessi nimetatakse gaasi veeldamiseks.