Egy 5 nm átmérőjű vagy egy 10 nm átmérőjű kapillárisban forr fel hamarabb a víz? És miért?

#9

"A definíció szerint a forrásponton a telített gőz nyomása eléri a külső légnyomást."

Ez egy leegyszerűsítés. Belátható, hogy a folyadék belsejében keletkező buborék esetén a folyadék "nem tudhatja", hogy mennyi a külső légnyomás. A helyi, folyadékbeli nyomás számít.

A 4. és 5. válaszom (12:57, 12:59) nem túl szerencsés (tehát hibás) megfogalmazású, úgyhogy kiigazítom a témát:

A félreértések onnan erednek, hogy nem tisztázott a feladat egésze. A nedvesedő kapilláris tényleg bevonzza a vizet magába, mert a homorú szabad vízfelszín felett kisebb a gőznyomás az adott hőmérsékleten, mint a nagy kiterjedésű szabad vízfelszín felett. A nedvesedő kapillárisok belsejében viszont csökken a folyadékszál belső nyomása.

A "forrás" fogalmával kapcsolatban viszont nem teljesen egyértelmű a helyzet, hisz nyilvánvalóan meredeken csökken a buborékképződés lehetősége egy kapillárisba szívódott folyadékban, tehát a túlhevülés jelensége szinte minden esetben garantált!

A gyakorlatban először megszűnik a nedvesedést okozó felületi erőhatás, így a szabad felszíni "forrás"-nál nem is kell már számítania a kapilláris átmérőjének.

Egy hétköznapi iskolai feladatban szerintem nem is nagyon "fair" dolog ilyen kérdést feltenni - kivéve, ha egy szakkurzus keretén belül már mélyen át volt elemezve a kérdéses téma!

#13 A gőznyomáshoz nincs köze a kapilláris emelkedésnek, a felszín negatív görbületi nyomása "felhúzza" az oszlopot addig, míg a kapilláris aljánál a nyomás meg nem egyezik az ottani nyomással.

A nyomás tehát ott nem csökkent, hanem ugyanannyi, feljebb kisebb, de ez százalékosan nem jelentős. A légnyomás 10m vízoszlop nyomását jelenti, tehát ha emelkedik a kapillárisban 10 centit, akkor a tetején 0,1/10, azaz 1%-kal kisebb a nyomás. Ez olyan sokat nem számít, ha megnézel egy fazékban forrni kezdő vizet, először mindig az aljáról indulnak a buborékok, ahol a legnagyobb a nyomás (ezt kompenzálja az, hogy ott a legforróbb a víz és hogy ott vannak mikro-egyenetlenségek, ahol a buborékképződés elindulhat.

Amúgy nem tudom, hogy mi a válasz. Ha megnézzük, hogy a kis és a nagyobb kapillárisban lévő buborékot mekkora erő nyomja össze (görbületi nyomás), akkor a kicsiben lévőt nagyobb, ebből az következne, hogy a nagyban forr előbb. Ám a nagyban sem tud kvantumugrással hirtelen előállni a nagy buborék, előtte az is kicsi...

#14 írja:

"A gőznyomáshoz nincs köze a kapilláris emelkedésnek..."

Válasz:

Szerintem meg van köze, mert a felszín feszítőnyomás alá kerül, mely levonódik a gőznyomásból.

Kiegészítés:

A kapilláris görbület vonzerejét jól meg lehet figyelni egy pohár vízben. Minden felszínen úszó hidrofil részecske a pohár peremére vándorol - csak oda tapadva stabil a helyzete!

Ugyanez az erő csökkenti a gőznyomást a kapillárisokban, ami nem teljesen elhanyagolható jelenség.

"Ez olyan sokat nem számít, ha megnézel egy fazékban forrni kezdő vizet, először mindig az aljáról indulnak a buborékok, ahol a legnagyobb a nyomás (ezt kompenzálja az, hogy ott a legforróbb a víz és hogy ott vannak mikro-egyenetlenségek, ahol a buborékképződés elindulhat."

Jobb lett volna a kérdés, ha nem az szerepel benne, hogy melyik forr fel előbb, hanem az, hogy melyiknél alacsonyabb a legalacsonyabb forráspont. Mert a forrás megindulásához szükséges magok jelenléte nagyon esetleges.

Ha ebből indulunk ki, akkor a nyomáskülönbség miatti forráspontkülönbség ugyan nagyon kicsi, de akkor is az lesz a domináns.

Az, hogy a fazék alján nagyobb a hőmérséklet, az teljesen félreviszi a megoldást. A kérdés nyilvánvalóan értelmetlen, ha a melegítés nem egyenletes.

" a sík folyadék felszín tenzioja kisebb, mint a görbült felszíné"

Ez valóban igaz.

Homorú felszín esetén a kilépni szándékozó molekuláknak kicsivel több szomszédjuk van. A több molekulától származó vonzóerő nagyobb, ezért a szökni próbáló molekulák nehezebben lépnek ki, nehezebb lesz a párolgás. A zárt térben a folyadék felett kevesebb lecsapódni szándékozó molekula is elegendő lesz ahhoz, hogy egyensúlyt tartson a kisebb számú kilépővel. Vagyis homorú felszín felett kisebb lesz a tenzió, azaz a gőznyomás.

[link] 7-es dia.

A 8-as dia azt mondja: "Azt a hőmérsékletet, amelyhez tartozó tenzió eléri a külső nyomást, az anyag forráspontjának nevezzük."

De a magyarázat rögtön megmutatja, hogy ez csak nagyjából van így: A folyadék belsejében akkor keletkeznek gőzbuborékok, ha az ottani hőmérsékletnek megfelelő gőznyomás nagyobbá válik, mint a belső, helyi nyomás. Ha ennél kisebb gőznyomásnál a molekulasebességek szórása miatt keletkezik egy mikrobuborék, akkor az azonnal össze fog omlani. Illetve a lecsapódás gyorsabb lesz benne, mint a párolgás.

Ezért két okból is látszik, hogy miért csak többnyire teljesül az idézett állítás a forráspontról:

1. Az anyag belsejében az a nyomás számít, ami ott jelen van. Ez általában egyezik a folyadék feletti légnyomással, de nem mindig.

2. A belső buborék keletkezésekor a buborékban létrejövő gőznyomás számít. Emiatt a folyadék belsejében akkor is ugyanaz marad a forráspont, ha a felszín alakja befolyásolja a felszíni párolgást vagy éppenséggel egyáltalán nincs felette gőz, mert le van fedve olajjal.