Áp suất hơi bão hòa (Saturated Vapor Pressure)

Cơ chế:

Khi một chất lỏng (hoặc rắn) được đặt trong một bình kín, các phân tử bề mặt có đủ năng lượng sẽ thoát ra khỏi pha lỏng (hoặc rắn) và chuyển sang pha hơi. Quá trình này gọi là bay hơi (hoặc thăng hoa). Đồng thời, các phân tử hơi va chạm với bề mặt chất lỏng (hoặc rắn) và ngưng tụ trở lại pha lỏng (hoặc rắn). Ban đầu, tốc độ bay hơi lớn hơn tốc độ ngưng tụ. Tuy nhiên, khi nồng độ của hơi trong bình tăng lên, tốc độ ngưng tụ cũng tăng theo. Cuối cùng, tốc độ bay hơi và tốc độ ngưng tụ đạt đến trạng thái cân bằng. Khi đó, áp suất của hơi trong bình được gọi là áp suất hơi bão hòa. Điều này có nghĩa là ở trạng thái cân bằng, luôn có một lượng hơi nhất định tồn tại trên bề mặt chất lỏng (hoặc chất rắn).

Ảnh hưởng của nhiệt độ và bản chất chất

Áp suất hơi bão hòa tăng theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, năng lượng động học trung bình của các phân tử tăng lên, do đó có nhiều phân tử có đủ năng lượng để thoát khỏi pha lỏng (hoặc rắn) hơn. Điều này dẫn đến tốc độ bay hơi tăng và áp suất hơi bão hòa cao hơn. Mối quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa và nhiệt độ thường được biểu diễn bằng phương trình Clausius-Clapeyron: $ln(P) = -\frac{\Delta H{vap}}{R} \frac{1}{T} + C$, trong đó P là áp suất hơi bão hòa, $\Delta H{vap}$ là enthalpy hóa hơi, R là hằng số khí lý tưởng, T là nhiệt độ tuyệt đối và C là hằng số.

Áp suất hơi bão hòa phụ thuộc vào bản chất của chất. Các chất có lực liên kết phân tử yếu sẽ có áp suất hơi bão hòa cao hơn ở cùng một nhiệt độ so với các chất có lực liên kết phân tử mạnh. Lực liên kết phân tử mạnh mẽ hơn đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để phá vỡ, do đó ít phân tử có thể chuyển sang pha hơi, dẫn đến áp suất hơi bão hòa thấp hơn. Ví dụ, ở nhiệt độ phòng, acetone có áp suất hơi bão hòa cao hơn nước vì lực liên kết phân tử giữa các phân tử acetone (lực Van der Waals) yếu hơn so với lực liên kết hydro giữa các phân tử nước.

Ứng dụng

Áp suất hơi bão hòa là một đại lượng quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

• Khí tượng học: Áp suất hơi bão hòa của nước đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành mây, mưa và các hiện tượng thời tiết khác. Độ ẩm, một yếu tố quan trọng trong dự báo thời tiết, liên quan trực tiếp đến áp suất hơi nước.
• Hóa học: Áp suất hơi bão hòa được sử dụng để tính toán các hằng số cân bằng hóa học và dự đoán các phản ứng hóa học, đặc biệt là trong các hệ liên quan đến sự chuyển pha.
• Kỹ thuật: Áp suất hơi bão hòa được sử dụng trong thiết kế các hệ thống chưng cất, sấy khô và các quá trình công nghiệp khác. Hiểu biết về áp suất hơi bão hòa là cần thiết để kiểm soát và tối ưu hóa các quá trình này.

Công thức Clausius-Clapeyron

Mối quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa ($P$) và nhiệt độ ($T$) được mô tả bởi phương trình Clausius-Clapeyron:

$ln(\frac{P_2}{P1}) = \frac{\Delta H{vap}}{R}(\frac{1}{T_1} – \frac{1}{T_2})$

Trong đó:

• $P_1$ và $P_2$ là áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ $T_1$ và $T_2$ tương ứng (đơn vị Kelvin).
• $\Delta H_{vap}$ là enthalpy hóa hơi của chất (J/mol).
• $R$ là hằng số khí lý tưởng (8.314 J/mol.K).

Lưu ý: Công thức này chỉ là xấp xỉ và chỉ áp dụng cho một khoảng nhiệt độ nhỏ, trong đó $\Delta H_{vap}$ có thể coi là hằng số.

Tóm tắt và Đồ thị áp suất hơi

Tóm lại, áp suất hơi bão hòa là một tính chất vật lý quan trọng của chất, phản ánh sự cân bằng giữa pha lỏng (hoặc rắn) và pha hơi của chất đó. Nó phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của chất và có nhiều ứng dụng quan trọng trong khoa học và kỹ thuật.

Đồ thị áp suất hơi biểu diễn sự phụ thuộc của áp suất hơi bão hòa vào nhiệt độ. Đường cong trên đồ thị này phân chia vùng lỏng và vùng hơi. Điểm trên đường cong tương ứng với trạng thái cân bằng giữa lỏng và hơi. Điểm sôi chuẩn của một chất là nhiệt độ tại đó áp suất hơi bão hòa bằng áp suất khí quyển chuẩn (1 atm).

Điểm ba trạng thái và Điểm tới hạn

• Điểm ba trạng thái: Là điểm trên đồ thị pha tại đó cả ba pha (rắn, lỏng và hơi) cùng tồn tại trong trạng thái cân bằng nhiệt động.
• Điểm tới hạn: Là điểm trên đồ thị pha tại đó pha lỏng và pha hơi không còn phân biệt được nữa. Nhiệt độ và áp suất tại điểm tới hạn được gọi là nhiệt độ tới hạn ($T_c$) và áp suất tới hạn ($P_c$).

Ứng dụng cụ thể

• Nồi áp suất: Nồi áp suất hoạt động dựa trên nguyên lý tăng áp suất hơi bão hòa của nước khi nhiệt độ tăng. Áp suất cao hơn cho phép nước sôi ở nhiệt độ cao hơn 100°C, giúp thức ăn chín nhanh hơn.
• Điều hòa không khí và tủ lạnh: Các thiết bị này sử dụng chất làm lạnh có áp suất hơi bão hòa thấp để hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh và bay hơi, sau đó ngưng tụ lại ở áp suất cao hơn để tỏa nhiệt ra môi trường bên ngoài.

Phân biệt với áp suất hơi và Đo lượng áp suất hơi bão hòa

Cần phân biệt áp suất hơi bão hòa với áp suất hơi. Áp suất hơi là áp suất riêng phần của hơi trong một hỗn hợp khí. Áp suất hơi có thể thấp hơn áp suất hơi bão hòa. Khi áp suất hơi bằng áp suất hơi bão hòa, hơi được gọi là hơi bão hòa.

Có nhiều phương pháp để đo áp suất hơi bão hòa, bao gồm phương pháp tĩnh, phương pháp động, phương pháp đẳng nhiệt và phương pháp Knudsen.

Ví dụ

Áp suất hơi bão hòa của nước ở 25°C là khoảng 23.8 mmHg. Điều này có nghĩa là ở 25°C, áp suất của hơi nước ở trạng thái cân bằng với nước lỏng là 23.8 mmHg. Nếu áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí vượt quá giá trị này, hơi nước sẽ ngưng tụ lại thành nước lỏng.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Silberberg, M. S., & Amateis, P. (2018). Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change. McGraw-Hill Education.
• Engel, T., & Reid, P. (2006). Physical Chemistry. Pearson Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao áp suất hơi bão hòa lại tăng theo nhiệt độ?

Trả lời: Khi nhiệt độ tăng, năng lượng động học trung bình của các phân tử tăng. Do đó, nhiều phân tử hơn có đủ năng lượng để vượt qua lực hút giữa các phân tử và chuyển từ pha lỏng (hoặc rắn) sang pha hơi. Điều này làm tăng tốc độ bay hơi và do đó làm tăng áp suất hơi bão hòa.

Làm thế nào để phân biệt giữa áp suất hơi và áp suất hơi bão hòa? Cho ví dụ minh họa.

Trả lời: Áp suất hơi là áp suất riêng phần của hơi trong một hỗn hợp khí, trong khi áp suất hơi bão hòa là áp suất hơi khi nó ở trạng thái cân bằng với pha lỏng (hoặc rắn) của nó. Ví dụ, nếu bạn đặt một cốc nước trong một căn phòng kín, nước sẽ bay hơi cho đến khi áp suất hơi nước trong phòng đạt đến áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ phòng. Nếu bạn thêm hơi nước vào phòng, áp suất hơi nước sẽ tăng nhưng chưa chắc đã đạt đến áp suất hơi bão hòa. Chỉ khi có nước lỏng xuất hiện và cân bằng với hơi nước thì áp suất hơi nước mới bằng áp suất hơi bão hòa.

Giải thích tại sao việc nấu ăn trên núi cao lại mất nhiều thời gian hơn so với ở vùng đồng bằng?

Trả lời: Ở độ cao lớn, áp suất khí quyển thấp hơn. Do đó, áp suất hơi bão hòa của nước sẽ đạt đến áp suất khí quyển ở nhiệt độ thấp hơn 100°C. Nước sẽ sôi ở nhiệt độ thấp hơn, và vì vậy, thức ăn sẽ mất nhiều thời gian hơn để chín.

Phương trình Clausius-Clapeyron có những hạn chế gì?

Trả lời: Phương trình Clausius-Clapeyron, $ln(P_2/P1) = (\Delta H{vap}/R)(1/T_1 – 1/T2)$, là một xấp xỉ và có một số hạn chế. Nó giả định rằng enthalpy hóa hơi ($\Delta H{vap}$) là hằng số theo nhiệt độ, điều này không hoàn toàn chính xác. Phương trình cũng giả định rằng thể tích của pha lỏng là không đáng kể so với thể tích của pha hơi, và pha hơi hoạt động như khí lý tưởng. Những giả định này chỉ đúng trong một khoảng nhiệt độ và áp suất nhất định.

Ứng dụng của việc hiểu biết về áp suất hơi bão hòa trong kỹ thuật là gì?

Trả lời: Hiểu biết về áp suất hơi bão hòa rất quan trọng trong nhiều ứng dụng kỹ thuật, bao gồm thiết kế nồi áp suất, hệ thống điều hòa không khí và tủ lạnh, hệ thống chưng cất, quá trình sấy khô, và nhiều ứng dụng khác. Ví dụ, trong điều hòa không khí, chất làm lạnh được chọn dựa trên áp suất hơi bão hòa của nó để tối ưu hóa hiệu quả làm mát.