veden maksimi lämpötila

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

Esitin yhden helpon kysymyksen ja heti tuli vastaus. Tämän innoittamana uusi kysymys.

Kuinka kuumaksi voidaan vesi höyry tai oikeastaan kaasu kuumentaa? Mitä tapahtuu vedelle kun sitä kuumennetaan tarpeeksi? Hajoaako molekyylit?

Kommentit (14)

Herra Tohtori
Seuraa 
Viestejä2613
Liittynyt18.3.2005

Hajoavat.

Suurin lämpötila ja paine minkä tavallinen vesi voi saavuttaa hajoamatta on 647,4 Kelviniä 22,1 megapascalin paineessa.

Kun joko paine tai lämpötila nousee tuon pisteen yli, on molekyylien törmäyksissä jo niin paljon liike-energiaa että kemialliset sidokset hajoavat.

Capito tutto, perchè sono uno
Persona molto, molto intelligente...

-Quidquid latine dictum sit, altum viditur.

If you stare too long into the Screen, the Screen looks back at you.

Vierailija

Tuo mainittu veden lämpötila ja paine edustavat siis veden kriittistä pistettä. Mutta vedelläkin on neljäs olomuoto, joka saavutetaan kun paine ja/tai lämpötila nostetaan yllämainittuja korkeammaksi. Tätä olomuotoa kutsutaan ylikriittiseksi (fluidiksi) ja siinä veden ominaisuudet ovat kaasun ja nesteen välimaastossa. Vettä ei enää tässä olomuodossaan voi nesteyttää eikä sitä myöskään saa kaasumaiseen muotoon.

On tietenkin makuasia voiko tätä veden olomuotoa enää kutsua "tavalliseksi" vedeksi, mutta vettä se kuitenkin on.

Vierailija
Herra Tohtori
Hajoavat.

Suurin lämpötila ja paine minkä tavallinen vesi voi saavuttaa hajoamatta on 647,4 Kelviniä 22,1 megapascalin paineessa.

Kun joko paine tai lämpötila nousee tuon pisteen yli, on molekyylien törmäyksissä jo niin paljon liike-energiaa että kemialliset sidokset hajoavat.

Tuo oli aika yksinkertaistettua. Noiden parametrien, lämpötilan ja paineen, yli kun mennään puhutaan superkriittisesta vedestä. Ominaisuudet muuttuvat nopeasti tuon superkriittisen pisteen ympäristössä, mutta ei voida puhua varsinaisesti H:n ja O:n eriytymisestä toisistaan eli kemiallisesta hajoamisesta. Nesteen ominaisuudet kyllä alkavat kadota ja tiettyjä höyryn ominaisuuksia ilmetä. Puhutaan fluidista eikä nesteestä tai höyrystä. Tuon aineen ominaisuuksia ei edes vielä tunneta kovinkaan hyvin, vaikka sitä käytetään mm. superkriittisissä fossiilisissa voimalaitoksissa. Tulevaisuutta varten tutkitaan tuon superkriittisen veden käyttöä myös ydinvoimaloissa.

Alkuperäinen kysyjä lienee tarkoittanut jotain semmoista, että mitä höyrylle tapahtuu kun lämpötilaa nostetaan yhä ylemmäs. Silloin kyllä vesimolekyylit hajoavat, mutta en osaa vastata missä lämpötilassa/paineessa.

Allaolevassa linkissä olisi superkriittisen veden ominaisuuksia tarkasteltuna mallinnuksen kautta. Jos joku osaa selittää, olen kiitollinen. Putosin kärryiltä heti toisella sivulla. No, pitänee perehtyä, vaikka voipi olla vaikeaa kun ei ole kemisti. Sinänsä kyllä SC veden ominaisuuksia on tutkittu paljonkin viimevuosina, mutta juuri niitä molekulaarisia ominaisuuksia ei oikein ymmärretä.

http://tigger.uic.edu/labs/trl/ToubaNMa ... ater%22%22

Paul M
Seuraa 
Viestejä8560
Liittynyt16.3.2005

Eikös ionisaatio tule vastaan jonkun tuhannen asteen kohdalla?

Vety ja happi ovat erotettavissa ionisoituneesta kaasusta magneettikenttään suurella nopeudella johtamalla, mikä pienenä sivuhuomautuksena todettakoon. Vai onko?

Hiirimeluexpertti. Majoneesitehtailija. Luonnontieteet: Maailman suurin uskonto. Avatar on halkaistu tykin kuula

Vierailija
AJT
Herra Tohtori
Hajoavat.

Suurin lämpötila ja paine minkä tavallinen vesi voi saavuttaa hajoamatta on 647,4 Kelviniä 22,1 megapascalin paineessa.

Kun joko paine tai lämpötila nousee tuon pisteen yli, on molekyylien törmäyksissä jo niin paljon liike-energiaa että kemialliset sidokset hajoavat.




Tuo oli aika yksinkertaistettua. Noiden parametrien, lämpötilan ja paineen, yli kun mennään puhutaan superkriittisesta vedestä. Ominaisuudet muuttuvat nopeasti tuon superkriittisen pisteen ympäristössä, mutta ei voida puhua varsinaisesti H:n ja O:n eriytymisestä toisistaan eli kemiallisesta hajoamisesta. Nesteen ominaisuudet kyllä alkavat kadota ja tiettyjä höyryn ominaisuuksia ilmetä. Puhutaan fluidista eikä nesteestä tai höyrystä. Tuon aineen ominaisuuksia ei edes vielä tunneta kovinkaan hyvin, vaikka sitä käytetään mm. superkriittisissä fossiilisissa voimalaitoksissa. Tulevaisuutta varten tutkitaan tuon superkriittisen veden käyttöä myös ydinvoimaloissa.

Alkuperäinen kysyjä lienee tarkoittanut jotain semmoista, että mitä höyrylle tapahtuu kun lämpötilaa nostetaan yhä ylemmäs. Silloin kyllä vesimolekyylit hajoavat, mutta en osaa vastata missä lämpötilassa/paineessa.

Allaolevassa linkissä olisi superkriittisen veden ominaisuuksia tarkasteltuna mallinnuksen kautta. Jos joku osaa selittää, olen kiitollinen. Putosin kärryiltä heti toisella sivulla. No, pitänee perehtyä, vaikka voipi olla vaikeaa kun ei ole kemisti. Sinänsä kyllä SC veden ominaisuuksia on tutkittu paljonkin viimevuosina, mutta juuri niitä molekulaarisia ominaisuuksia ei oikein ymmärretä.

http://tigger.uic.edu/labs/trl/ToubaNMa ... ater%22%22

Taisin kiitellä tosiaan Tohtoria liian aikasin. Eihän se ollutkaan vastaus tähän kysymykseeni. AJT oli nyt vastaamassa oikeaan kysymykseen mutta se ei taida ollakaan niin helppo juttu.

Kiinnostaa juuri tuo mitä tapahtuu kun vesi on muuttunut kaasuksi ja sitä lämmitetään ja lämmitetään. Mikä on raja missä vesi molekyylit hajoavat eli sen jälkeen aine minun mielestä ei ole enää vettä vaan vetyä ja happea.

Vielä lisäkysymys, joka on täysin kuvitteellinen. Entäpä jos vielä lämmitetään sitten tätä vety ja happi kaasuseosta? Mitä taphtuu kun lämpötila nousee valtavan korkeaksi? Vety fuusioituu jne??

Herra Tohtori
Seuraa 
Viestejä2613
Liittynyt18.3.2005

Ah, muistin väärin kriittisen pisteen määritelmän.

Sattuuhan noita... Kiitos oikaisuista!

EDIT:

Sinälläänhän veden ionisaatiolla ei ole vissiin mitään selkeätä rajaa, koska vesihän ihan huoneenlämmössäkin jakautuu osittain hydroksidi- ja oksoniumioneihin... mutta siinä taas on kyse jostain ihan muusta.

Jos kemiallisesti ajatellaan, niin aika helposti saadaan selville riittävä terminen energia sidosten hajottamiseen - tai sitten ei.

Rajusti yksinkertaistettuna kovalenttisen O-H -sidoksen sidosenergia on 463 kJ/mooli. Vesimolekyylissä on toki kaksi tällaista sidosta, mutta enpä menisi ihan suoralta kädeltä vannomaan että H-O-H -molekyylin sidoksilla olisi yhteenlaskettuna kaksi kertaa tuo energia, ottaen huomioon että samat elektronit kiertävät toisiaan siinä...

Jos kuitenkin oletetaan että sidosten yhteenlaskettu energia on likimain 2*463 = ~900 kJ/mol, saadaan selville että lämpöenergiaa tulee olla 900 kJ moolia kohti, että sidokset alkavat hajota.

Veden moolimassa M on 18,016 g/mol

n=m/M => m=n*M

yksi kilogramma vettä sisältää siis noin 55,5 moolia vettä. Yhteen kilogrammaan vettä saa siis sitoutua peräti 49955,6 kJ energiaa ennen kuin sidokset alkavat hajota.

Veden ominaislämpökapasiteetti on noin 4,19 kJ/(kg*K)

Jos yksinkertaisesti jaetaan lämpöenergia ominaislämpökapasiteetilla, saadaan vaadittava lämpötila normaalipaineessa:

49955,6 kJ / 4,19 kJ/(kg*K) = 11922,58 K

Näin äkkiseltään käsitettynä tämä lämpötila siis viimeistään hajottaa veden alkutekijöihinsä vedyksi ja hapeksi.

Merkitseviä numeroita on tässä vain yksi, joten varsinaisesti tarkkuus rajoittuu lukuun 10 000 K.

Tämä laskelma perustuu oletukseen, jonka mukaan veden sidoksien energia on yhtä kuin kaksi kertaa yksittäisen vety-happi-sidoksen energia. Näin ei mitä luultavimmin ole. Sattuuko joku tietämään tarkempaa energiaa veden sidoksille?

Suuremmassa paineessa hajoaminen vaatii pienempää lämpötilaa luonnollisestikin.

Capito tutto, perchè sono uno
Persona molto, molto intelligente...

-Quidquid latine dictum sit, altum viditur.

If you stare too long into the Screen, the Screen looks back at you.

Vierailija

Eikös siihen fuusioon tarvita fuusioreaktorin magneetit tai sitten muuten vaan mahottoman paljon kevyitä kaasun atomeja ympärille.

Tähdissähän pääsee energiaa liikkumaan keskustan ulkopuolelta kohti keskustaa kaasun molekyylien välissä pitkiäkin matkoja, kun raskaampien atomien välissä atomien ytimistä avautuvat energia-aallot palavat nopeasti loppuun vierellä olevine atomien ytimistä avautuviin energia-aaltoihin.

Savor

;):)

Neutroni
Seuraa 
Viestejä26848
Liittynyt16.3.2005
ocu

Kiinnostaa juuri tuo mitä tapahtuu kun vesi on muuttunut kaasuksi ja sitä lämmitetään ja lämmitetään. Mikä on raja missä vesi molekyylit hajoavat eli sen jälkeen aine minun mielestä ei ole enää vettä vaan vetyä ja happea.



Reaktio 2H2+O2->2H2O on tasapainoreaktio. Normaalioloissa sen tasapaino on äärimmäisen vahvasti veden puolella. Lämpötilan kasvaessa se siirtyy vähitellen oikealle. Hajoaminen ei ole mikään sulamisen tapainen yhdessä lämpötilassa tapahtuva prosessi, vaan alkuaineiden osuus kasvaa tasaisesti lämpötilan kasvaessa. Merkittäväksi niiden osuus käy vasta äärimmäisen korkeissa, muutaman tuhannen asteen lämpötiloissa.


Vielä lisäkysymys, joka on täysin kuvitteellinen. Entäpä jos vielä lämmitetään sitten tätä vety ja happi kaasuseosta? Mitä taphtuu kun lämpötila nousee valtavan korkeaksi? Vety fuusioituu jne??

Jos kuumennusta vain jatketaan, vesi alkaa ionisoitua ja hajota. Syntyy plasmaa, jossa on vesimolekyylejä, niiden osia, ioneja ja alkuaineita. Lämpötilan edelleen kasvaessa alkuainemolekyylitkin alkavat hajota ja ionisoitua. Hapen viimeisen elektronin sidos energia on noin 870 eV, mikä vastaa 10 MK:n luokkaa olevaa lämpötilaa. Silloin jäljellä on happiytimiä, vety-ytimiä ja elektroneita. Jos paine on riittävä ja lämpötilaa edelleen kasvatetaan, alkaa tapahtumaan fuusioreaktioita. Ytimet muodostavat rautaa ja naapurialkuaineita. Vielä korkeammissa lämpötiloissa ytimet hajoavat jälleen ja muodostuu jotain eksoottisia olomuotoja joita hiukkaskiihdyttimillä tutkitaan.

Vierailija
Neutroni
ocu

Kiinnostaa juuri tuo mitä tapahtuu kun vesi on muuttunut kaasuksi ja sitä lämmitetään ja lämmitetään. Mikä on raja missä vesi molekyylit hajoavat eli sen jälkeen aine minun mielestä ei ole enää vettä vaan vetyä ja happea.



Reaktio 2H2+O2->2H2O on tasapainoreaktio. Normaalioloissa sen tasapaino on äärimmäisen vahvasti veden puolella. Lämpötilan kasvaessa se siirtyy vähitellen oikealle. Hajoaminen ei ole mikään sulamisen tapainen yhdessä lämpötilassa tapahtuva prosessi, vaan alkuaineiden osuus kasvaa tasaisesti lämpötilan kasvaessa. Merkittäväksi niiden osuus käy vasta äärimmäisen korkeissa, muutaman tuhannen asteen lämpötiloissa.

Vielä lisäkysymys, joka on täysin kuvitteellinen. Entäpä jos vielä lämmitetään sitten tätä vety ja happi kaasuseosta? Mitä taphtuu kun lämpötila nousee valtavan korkeaksi? Vety fuusioituu jne??




Jos kuumennusta vain jatketaan, vesi alkaa ionisoitua ja hajota. Syntyy plasmaa, jossa on vesimolekyylejä, niiden osia, ioneja ja alkuaineita. Lämpötilan edelleen kasvaessa alkuainemolekyylitkin alkavat hajota ja ionisoitua. Hapen viimeisen elektronin sidos energia on noin 870 eV, mikä vastaa 10 MK:n luokkaa olevaa lämpötilaa. Silloin jäljellä on happiytimiä, vety-ytimiä ja elektroneita. Jos paine on riittävä ja lämpötilaa edelleen kasvatetaan, alkaa tapahtumaan fuusioreaktioita. Ytimet muodostavat rautaa ja naapurialkuaineita. Vielä korkeammissa lämpötiloissa ytimet hajoavat jälleen ja muodostuu jotain eksoottisia olomuotoja joita hiukkaskiihdyttimillä tutkitaan.

Jep eli selkeää rajaa ei ole. Kuulostaa erittäin luotettavalta päätelmältä tämä yllä oleva. Toivottavasti tähän tulee vielä vahvistusta.

Ja kun oikein paljon lämpötila nousee, niin ionisoitumisen kautta pikkuhiljaa fuusioitumiseen. Eri asia on tietenkin se miten saataisiin prosessi aikaiseksi vedestä -> vety-ytimien fuusioitumiseen. Mutta tämähän ei kysymyksessä ollutkaan oleellinen asia, vaan tilanne oli kuvitteellinen. Niin paljonhan sitä kuvitellaan ja ajatellaan.

Neutroni
Seuraa 
Viestejä26848
Liittynyt16.3.2005
ocu

Jep eli selkeää rajaa ei ole. Kuulostaa erittäin luotettavalta päätelmältä tämä yllä oleva. Toivottavasti tähän tulee vielä vahvistusta.



Tuo kemiallinen puoli lienee selitetty kaikissa vähän perustasoa edistyneemmissä epäorgaanisen kemian yleisoppikirjoissa. Korkean lämpötilan fysiikkaa löytynee tähtien rakennetta opettavasta kirjallisuudesta. Pintaraapaisu (eli se mitä itse tiedän) löytyy myös H. Karttusen Tähtitieteen perusteista.

Eri asia on tietenkin se miten saataisiin prosessi aikaiseksi vedestä -> vety-ytimien fuusioitumiseen. Mutta tämähän ei kysymyksessä ollutkaan oleellinen asia, vaan tilanne oli kuvitteellinen. Niin paljonhan sitä kuvitellaan ja ajatellaan.

Painetta ja lämpötilaa tarpeeksi, niin fuusio alkaa. Paperilla yksinkertaista, kevytvetyfuusion osalta mitä todennäköisimmin ikuisesti teknisesti mahdotonta. Kevytvetyfuusio on äärimmäisen epätodennäköinen ja siten hidas prosessi. Vaikka vetyä on Auringon kokoisen tähden verran, ja tiheys luokkaa 10 kertaa raudan tiheys, energiantuotanto massayksikköä kohti on vain luokkaa milliwatti kiloa kohti. Noin vertailun vuoksi ihminen tuottaa noin tuhatkertaisen tehon massayksikköä kohti. Deuterium, jota veden vetyatomeista on noin muistaakseni joka kuudestuhannes, fuusioituu valtavan paljon helpommin.

Vierailija
Neutroni
ocu

Jep eli selkeää rajaa ei ole. Kuulostaa erittäin luotettavalta päätelmältä tämä yllä oleva. Toivottavasti tähän tulee vielä vahvistusta.



Tuo kemiallinen puoli lienee selitetty kaikissa vähän perustasoa edistyneemmissä epäorgaanisen kemian yleisoppikirjoissa. Korkean lämpötilan fysiikkaa löytynee tähtien rakennetta opettavasta kirjallisuudesta. Pintaraapaisu (eli se mitä itse tiedän) löytyy myös H. Karttusen Tähtitieteen perusteista.

Eri asia on tietenkin se miten saataisiin prosessi aikaiseksi vedestä -> vety-ytimien fuusioitumiseen. Mutta tämähän ei kysymyksessä ollutkaan oleellinen asia, vaan tilanne oli kuvitteellinen. Niin paljonhan sitä kuvitellaan ja ajatellaan.



Painetta ja lämpötilaa tarpeeksi, niin fuusio alkaa. Paperilla yksinkertaista, kevytvetyfuusion osalta mitä todennäköisimmin ikuisesti teknisesti mahdotonta. Kevytvetyfuusio on äärimmäisen epätodennäköinen ja siten hidas prosessi. Vaikka vetyä on Auringon kokoisen tähden verran, ja tiheys luokkaa 10 kertaa raudan tiheys, energiantuotanto massayksikköä kohti on vain luokkaa milliwatti kiloa kohti. Noin vertailun vuoksi ihminen tuottaa noin tuhatkertaisen tehon massayksikköä kohti. Deuterium, jota veden vetyatomeista on noin muistaakseni joka kuudestuhannes, fuusioituu valtavan paljon helpommin.

Tuo tähtien tehotiheys on todellakin hyvä muistaa kun haluaa suhteuttaa asioita. Fissiovoimaloissa tuo tehotiheys ylitetään todellakin pärkkeleen monilla kertaluokilla.

Myöskään ITERissä (demofuusiovoimala jonka rakentaminen alkanee ihan kohta pian) ei siis ole mistään yksinkertaisesta asiasta kyse. Siinä pitää saada hyvin pienellä fuusioituvalla ainemäärällä iso teho aikaiseksi, joten kyse ei todellakaan ole mistään simppelistä asiasta. Tai asiasta, jota voisi verrata ihan suoranaisesti tähdissä tapahtuvaan fuusioon. Vaadittava tehotiheys on edelleenkin helvatan iso tähtiin verrattuna. Minkä tahansa maanpäällisen voimalaitoksen tehotiheyden pitää olla isompi kuin tähdissä tapahtuvan fuusion.

ITERin tavoite on kyllä olla tutkimushärpäke eikä tuottaa sisäänsyötettyä enempää energiaa.

Vierailija
AJT
Myöskään ITERissä (demofuusiovoimala jonka rakentaminen alkanee ihan kohta pian) ei siis ole mistään yksinkertaisesta asiasta kyse. Siinä pitää saada hyvin pienellä fuusioituvalla ainemäärällä iso teho aikaiseksi, joten kyse ei todellakaan ole mistään simppelistä asiasta. Tai asiasta, jota voisi verrata ihan suoranaisesti tähdissä tapahtuvaan fuusioon. Vaadittava tehotiheys on edelleenkin helvatan iso tähtiin verrattuna. Minkä tahansa maanpäällisen voimalaitoksen tehotiheyden pitää olla isompi kuin tähdissä tapahtuvan fuusion.

ITERin tavoite on kyllä olla tutkimushärpäke eikä tuottaa sisäänsyötettyä enempää energiaa.

Pieni tarkennus:

Tuo ITER ei vielä ole demofuusiovoimala, vaan ainoastaan täysimittainen koelaitos jonka tarkoituksena on osoittaa, että fuusireaktorin rakentaminen on yleensäkin teknologiamme puolesta mahdollista toteuttaa.

ITERIä seuraa sitten (jos luoja suo) DEMO ja PROTO ja lopuksi PROD, ehkä noin 50-80 vuoden päästä! ITER ei siis tuota nettoenergiaa kuin aivan hetkellisesti, mutta DEMOn on jo tarkoitus sitä tehdä. Ja PROTO on sitten nimensä mukaankin jo malli teollisuuden kaupallisille PROD -fuusiovoimaloille.

Tässä kuva ITERistä, huomaa pieni sininen ukko siinä lattialla:

Vierailija
Snaut

Pieni tarkennus:

Tuo ITER ei vielä ole demofuusiovoimala, vaan ainoastaan täysimittainen koelaitos jonka tarkoituksena on osoittaa, että fuusireaktorin rakentaminen on yleensäkin teknologiamme puolesta mahdollista toteuttaa.

ITERIä seuraa sitten (jos luoja suo) DEMO ja PROTO ja lopuksi PROD, ehkä noin 50-80 vuoden päästä! ITER ei siis tuota nettoenergiaa kuin aivan hetkellisesti, mutta DEMOn on jo tarkoitus sitä tehdä. Ja PROTO on sitten nimensä mukaankin jo malli teollisuuden kaupallisille PROD -fuusiovoimaloille.

Olet oikeassa. Seison korjattuna.

Uusimmat

Suosituimmat