Wednesday 1 November 2017

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Gas, liquidi e solidi applicazione del modello di particelle per i tre stati di modelli materia di particelle, che descrivono, per spiegare le proprietà dei gas, liquidi e solidi Doc Browns Chimica KS4 scienza GCSEIGCSE Revisione Note di confronto di t ha proprietà dei gas, liquidi e solidi Uniti della materia revisione gasliquidsolid Note Parte 1 Il modello di particelle cinetica e descrivere e spiegare le proprietà dei gas, liquidi e solidi, modifiche di stato e soluzioni (sezioni 1 bis al 3D) Si deve sapere che i tre stati della materia sono solidi, liquidi e gas. Fusione e congelamento avvengono presso il punto di fusione, ebollizione e condensazione avvengono al punto di ebollizione. I tre stati della materia possono essere rappresentati da un semplice modello in cui le particelle sono rappresentati da piccole sfere solide. teoria delle particelle può aiutare a spiegare la fusione, ebollizione, congelamento e condensa. La quantità di energia necessaria per cambiare lo stato da solido a liquido e da liquido a gas dipende dalla forza delle forze tra le particelle della sostanza e la natura delle particelle coinvolte dipende dal tipo di legame e la struttura della sostanza. La forte le forze tra le particelle più alto è il punto di fusione e il punto di ebollizione della sostanza. Per i dettagli vedi Struttura e legame note. Lo stato fisico un materiale adotta dipende dalla sua struttura, temperatura e pressione. simboli dello Stato utilizzati nelle equazioni: (g) del gas (l) liquido (aq) soluzione acquosa (s) soluzione acquosa solido significa qualcosa disciolto in acqua La maggior parte dei diagrammi di particelle in questa pagina sono rappresentazioni 2D della loro struttura e ESEMPI stato della TRE FISICA stati della materia ad esempio gas la miscela aria intorno a noi (compreso l'ossigeno necessario alla combustione) e il vapore ad alta pressione in caldaia e cilindri di locomotiva a vapore. Tutti i gas nell'aria sono invisibili, essendo incolore e trasparente. Si noti che il vapore si vede al di fuori di un bollitore o locomotiva a vapore è in realtà goccioline liquide di acqua, formate dalla condensazione di gas di vapore espulso quando incontra l'aria fredda il cambiamento di stato di gas liquido (stesso effetto foschia e nebbia formazione) . LIQUIDI esempio acqua è l'esempio più comune, ma lo sono, latte, burro caldo, benzina, olio, mercurio o alcool in un termometro. SOLIDI esempio pietra, tutti i metalli a temperatura ambiente (ad eccezione di mercurio), gomma di scarponi e la maggior parte degli oggetti fisici intorno a voi. In realtà la maggior parte degli oggetti sono inutili se non hanno una struttura solida In questa pagina le proprietà fisiche di base di gas, liquidi e solidi sono descritti in termini di struttura, il movimento delle particelle (teoria delle particelle cinetica), effetti di temperatura e pressione cambiamenti, e modelli di particelle utilizzato per spiegare queste proprietà e caratteristiche. Si spera, la teoria e la realtà corrisponderà fino a dare agli studenti una chiara comprensione del mondo materiale che li circonda in termini di gas, liquidi e solidi di cui i tre stati fisici della materia. I cambiamenti di stato noto come la fusione, fusione, ebollizione, evaporazione, condensazione, la liquefazione, il congelamento, la solidificazione, cristallizzando sono descritti e spiegati con immagini di modello di particelle per aiutare la comprensione. C'è anche una menzione di miscibile e liquidi immiscibili e spiegare i termini volatili e volatilità quando applicato ad un liquido. Queste note di revisione sugli stati della materia dovrebbero rivelarsi utili per la nuova AQA, Edexcel e OCR GCSE corsi di scienza (91) di chimica. Sottoindice per le sezioni Parte I (questa pagina): 1.1. La tre stati della materia, modelli teorici gasliquidsolid particelle I tre stati della materia sono solidi, liquidi e gas. In entrambi i casi di fusione e congelamento può avvenire presso il punto di fusione, mentre bollente e condensa avvengono al punto di ebollizione. L'evaporazione può avvenire a qualsiasi temperatura da una superficie liquida. È possibile rappresentare i tre stati della materia con un modello di particelle semplice. In questo modeldiagrams, le particelle sono rappresentati da piccole sfere solide (struttura elettronica viene ignorato). teoria delle particelle cinetica può aiutare a spiegare i cambiamenti di stato come fusione, ebollizione, congelamento e condensazione. La quantità di energia necessaria per cambiare lo stato da solido a liquido o da liquido a gas dipende dalla forza delle forze tra le particelle della sostanza. Queste forze possono essere forze relativamente deboli intermolecolari (legami intermolecolari) o forti legami chimici (ionico, covalente o metallici). La natura delle particelle coinvolte dipende dal tipo di legame chimico e la struttura della sostanza. La più forte delle forze di attrazione tra le particelle più alto è il punto di fusione e punto di ebollizione della sostanza Quali sono i tre stati della materia maggior parte dei materiali possono essere semplicemente descritto come un gas, un liquido o un solido. Perché sono quello che sono solo sapendo non è abbastanza, abbiamo bisogno di una teoria completa di gas, che può spiegare il loro comportamento e fare previsioni su ciò che accade ad esempio se cambiamo la temperatura o pressione. Come possiamo spiegare come si comportano Abbiamo bisogno di un modello teorico per esempio teoria delle particelle che è supportato da evidenze sperimentali. POSSONO MODELLI DI PARTICELLE aiutarci a capire le loro proprietà e CARATTERISTICHE perché è importante conoscere le proprietà dei gas, liquidi e solidi È importante nell'industria chimica di conoscere il comportamento dei gas, liquidi e solidi nei processi chimici per esempio cosa succede ai diversi stati di variazioni di temperatura e pressione. Qual è la particella teoria cinetica dei gas, liquidi e solidi La teoria delle particelle cinetica degli stati della materia si basa sull'idea di tutti i materiali particelle molto piccole esistenti che possono essere singoli atomi o molecole e la loro interazione con l'altro sia da collisione in gas o liquidi o da vibrazioni e chimica di legame nei solidi. Possiamo fare previsioni sulla base di loro proprietà caratteristiche Questa pagina presenta le descrizioni fisiche generali di sostanze nel più semplice livello di (reagenti) classificazione fisico cioè si tratta di un gas, liquido o un solido. MA, questa pagina web introduce anche modelli di particelle in cui un piccolo cerchio rappresenta un atomo o una molecola cioè un particolare di particelle o unità più semplice di una sostanza. Questa sezione è abbastanza astratta in un modo perché si sta parlando di particelle non puoi vedere come singolarmente, è solo il materiale alla rinfusa e il suo carattere fisico e le proprietà. non ci sono limitazioni per il modello di particelle Le particelle sono trattati come semplici sfere anelastici e proprio si comportano come palle minuti di biliardo che volano intorno, non del tutto vero, ma lo fanno volare intorno a caso non-stop Anche se le particelle sono assunti come sfere rigide e anelastica , in realtà sono tutti i tipi di forme e torsione e piegare in collisione con altre particelle e quando reagiscono si dividono in frammenti quando legami si rompono. Il modello semplice si assume alcuna forza tra le particelle, falso, il modello tiene poco conto delle forze tra le particelle, anche nei gas che si ottiene forze intermolecolari molto deboli. Il modello di particelle non tiene conto della dimensione effettiva delle particelle ad esempio ionsmolecules possono essere molto diverse in termini di dimensioni per esempio confrontare una molecola etilene con un poli (etilene) molecola Gli spazi tra le particelle che cosa è stato gassoso DELLA MATERIA Quali sono le proprietà di un gas come si fa PARTICELLE GAS COMPORTANO Come funziona la teoria delle particelle cinetica dei gas spiegare le proprietà dei gas Un gas non ha forma fissa o volume, ma sempre diffonde ad occupare qualsiasi contenitore - le molecole di gas si diffondono in qualsiasi spazio disponibile. Non ci sono quasi forze di attrazione tra le particelle in modo che siano completamente privi di ogni altro. Le particelle sono ampiamente distanziati e dispersi nel muovere rapidamente a caso dal contenitore in modo non c'è ordine nel sistema. Le particelle si muovono linearmente e rapidamente in tutte le direzioni. e spesso si scontrano con l'altro e il lato del contenitore. La collisione di particelle di gas con la superficie di un contenitore provoca pressione del gas. su rimbalza una superficie esercitano una forza in questo modo. Con aumento della temperatura. le particelle si muovono più velocemente mentre guadagnano energia cinetica. il tasso di collisioni tra le particelle stesse e gli aumenti superficie del contenitore e questo aumenta la pressione del gas, ad esempio in una locomotiva a vapore o il volume del contenitore se può espandersi ad esempio come un palloncino. I gas hanno una densità molto bassa (luce) perché le particelle sono così distanziati nella (massa volumica densità) del contenitore. ordine Densità: solidi gt gas gtgtgt liquidi Gas fluire liberamente perché non ci sono forze effettive di attrazione tra le molecole gassose particelle. Facilità di ordine flusso. Gas gt liquidi gtgtgt solidi (nessun vero flusso in solido a meno che non la si spolvera) A causa di questo gas e liquidi sono descritti come fluidi. Gas hanno nessuna superficie. e nessuna forma fissa o volume. ea causa della mancanza di attrazione delle particelle, sempre sparsi e riempire qualsiasi contenitore (così container volume di gas). Gas compressi vengono facilmente a causa dello spazio vuoto tra le particelle. Facilità di ordine compressione. gas gtgtgt liquidi gt solidi (quasi impossibili da comprimere un solido) della pressione del gas Quando un gas viene confinata in un contenitore particelle causerà ed esercitare una pressione del gas che viene misurato in atmosfere (atm) o Pascal (1,0 Pa 1,0 Nm 2), pressione è forcearea vale a dire l'effetto di tutte le collisioni sulla superficie del contenitore. La pressione del gas è causato dalla forza creata da milioni di impatti delle piccole particelle di gas individuale sui lati del contenitore. Ad esempio se il numero di particelle gassose in un contenitore viene raddoppiato, la pressione del gas è raddoppiato perché raddoppiando il numero di molecole raddoppia il numero di impatti sul lato del contenitore in modo che la forza di impatto complessivo per unità di area è anche raddoppiata. Questo raddoppio degli impatti delle particelle raddoppiando la pressione è raffigurato nelle due schemi seguenti. Se il volume di un contenitore sigillato viene mantenuta costante e il gas all'interno viene riscaldato ad una temperatura più elevata, la pressione aumenta gas. La ragione di questo è che le particelle sono riscaldate guadagnano energia cinetica e in movimento media più veloce. Pertanto collidono con i lati del contenitore con una maggiore forza di impatto. così aumentando la pressione. C'è anche una maggiore frequenza di collisione con i lati del contenitore, ma questo è un fattore minore rispetto all'effetto di maggiore energia cinetica e l'aumento della forza media di impatto. Pertanto una quantità fissa di gas in un contenitore sigillato di volume costante, maggiore è la temperatura maggiore è la pressione e minore è la temperatura minore è la pressione. Per il gas calcoli pressuretemperature vedi Parte 2 CharlessGayLussacs legge Se il volume del contenitore può cambiare, gas facilmente espandere riscaldamento a causa della mancanza di attrazione delle particelle, e prontamente contrarre il raffreddamento. Per riscaldamento, particelle di gas acquistano energia cinetica. muoversi più velocemente e colpire i lati del contenitore più frequentemente. e significativamente, hanno colpito con una forza maggiore. A seconda della situazione del contenitore, una o entrambe la pressione o volume aumenta (inversa sul raffreddamento). Nota: è il volume di gas che si espande NON le molecole, rimangono le stesse dimensioni Se non c'è strozzatura l'espansione riscaldamento è molto maggiore per i gas di liquidi o solidi perché non c'è attrazione significativa tra particelle gassose. L'aumento di energia cinetica media farà l'aumento della pressione del gas e quindi il gas cercherà di espandersi in volume se il permesso di esempio palloncini in una stanza calda sono significativamente più grande rispetto allo stesso pallone in una stanza fredda Per i calcoli volumetemperature gas vedere parte 2 CharlessGayLussacs legge diffusione in Gas: è il naturale movimento rapida e casuale delle particelle in tutte le direzioni significa che i gas prontamente diffuse o diffusa. Il movimento netto di un particolare gas sarà nella direzione dalla concentrazione più bassa ad una concentrazione più elevata, per gradiente di diffusione cosiddetto. Di la La fusione continua fino a quando le concentrazioni sono uniformi in tutto il contenitore di gas, ma tutte le particelle di continuare a muoversi con la loro sempre presente Diffusione energia cinetica è più veloce nei gas dai liquidi in cui vi è più spazio per loro di muoversi (esperimento illustrato di seguito) e la diffusione è trascurabile in solidi a causa della stretta imballaggio delle particelle. Diffusion è responsabile per la diffusione degli odori anche senza alcun disturbo aria es uso del profumo, l'apertura di un barattolo di caffè o l'odore di benzina intorno a un garage. Il tasso di diffusione aumenta con aumento della temperatura delle particelle acquistano energia cinetica e si muovono velocemente. Altre prove per il movimento delle particelle casuale compreso diffusione. Quando le particelle di fumo sono visti al microscopio sembrano danzare intorno quando illuminato con un fascio di luce a 90 ° rispetto alla direzione di visualizzazione. Questo perché le particelle di fumo mostrano dalla luce riflessa e la danza a causa dei milioni di visite casuali dalle molecole d'aria in rapido movimento. Questo è chiamato moto browniano (vedi sotto in liquidi). In ogni istante di tempo, i risultati non saranno ancora, così la particella fumo ottenere una maggiore colpire in una direzione casuale. Un esperimento di diffusione gassosa due molecola è illustrato sopra e sotto spiegato un lungo tubo di vetro (24 cm di diametro) è riempito ad una estremità di un tampone di cotone imbevuto di conc. acido cloridrico sigillato con un tappo di gomma (per la salute e sicurezza) e il tubo viene mantenuto perfettamente immobile, fissata in posizione orizzontale. Una spina simile di conc. soluzione di ammoniaca è posto all'altra estremità. Le spine cotone imbevuto darà vapori di HCl e NH 3 rispettivamente, e se il tubo viene lasciato indisturbato e orizzontali, nonostante la mancanza di movimento del tubo, ad esempio NO agitazione per miscelare e l'assenza di convezione, un bianco forme nube circa 1 3 ° lungo dalla conc. acido cloridrico estremità del tubo. Spiegazione: ciò che accade è l'incolore gas, ammoniaca e acido cloridrico, diffusa lungo il tubo e reagiscono per formare sottili cristalli bianchi del cloruro di sale di ammonio. Cloruro gt ammonio ammoniaca idrogeno NH 3 (g) HCl (g) gt NH 4 Cl (s) Nota la regola: minore è la massa molecolare, maggiore è la velocità media delle molecole (ma tutti i gas avere la media stessa energia cinetica alla stessa temperatura). Pertanto minore è la massa molecolare, più veloce diffonde il gas. per esempio. M r (NH 3) 14 1x3 17. si muove più velocemente di M r (HCl) 1 35.5 36.5 e questo è il motivo per cui si incontrano più vicino alla fine HCl del tubo Quindi l'esperimento non è soltanto la prova per il movimento molecola. è anche la prova che le molecole di diverse masse molecolari movediffuse a velocità diverse. Per una trattazione matematica vedere Graham Legge di diffusione Un gas colorato, più pesante dell'aria (densità maggiore), viene messo in vaso gas di fondo e un secondo vaso di gas di minore densità dell'aria incolore è posto su di esso separato con una copertura in vetro. esperimenti di diffusione devono essere racchiusi a temperatura costante per ridurre al minimo disturbo per convezione. Se il coperchio di vetro viene rimosso, (i) i gas dell'aria incolori diffonde giù nel gas di colore bruno e (ii) di bromo diffonde in aria. Il movimento delle particelle casuale che porta alla miscelazione non può essere dovuto alla convezione perché il gas più denso inizia nella parte inferiore. Non è richiesta alcuna agitazione o altri mezzi di miscelazione. Il movimento casuale di entrambi i lotti di particelle è sufficiente a garantire che entrambi i gas alla fine diventano completamente mescolato per diffusione (diffusione in a vicenda). È chiaro quindi per diffusione a causa del movimento continuo casuale di tutte le particelle di gas e, inizialmente, il movimento netto di un tipo di particella da una più alta ad una concentrazione inferiore (lungo un gradiente di diffusione). Quando è completamente misto, nessun ulteriore distribuzione cambiamento di colore si osserva ma il movimento delle particelle casuale continua Vedi anche altre prove nella sezione liquido dopo il modello di particelle per lo schema di diffusione di seguito. Un modello di particelle di diffusione dei gas. Immaginiamo il gradiente di diffusione da sinistra a destra per le particelle verdi aggiunti alle particelle blu sulla sinistra. Così, per le particelle verdi, migrazione netta è da sinistra a destra e continuerà, in un contenitore sigillato, fino a che tutte le particelle sono distribuite uniformemente nel contenitore di gas (come descritto). Diffusion è più veloce nei gas rispetto al liquidssolutions perché c'è più spazio tra le particelle per altre particelle a muoversi in a caso. Quando una materia solida è riscaldato le particelle vibrano più forte mentre guadagnano l'energia cinetica e la particella forze di attrazione sono indeboliti. Infine, al punto di fusione. le forze di attrazione sono troppo deboli per trattenere le particelle nella struttura insieme in modo ordinato e così le solido si scioglie. Si noti che le forze intermolecolari sono ancora lì per contenere il liquido bulk insieme, ma l'effetto non è abbastanza forte per formare un reticolo cristallino ordinata di un solido. Le particelle diventano liberi di muoversi e perdere la loro disposizione ordinata. L'energia è necessaria per superare le forze di attrazione e dare le particelle aumento di energia cinetica delle vibrazioni. Quindi, il calore è presa in dall'ambiente circostante e la fusione è un processo endotermico (916H ve). variazioni di energia per questi cambiamenti fisici di stato per una serie di sostanze sono trattate in una sezione della Nota Energetica. Spiegato utilizzando la teoria delle particelle cinetica di liquidi e solidi sul raffreddamento, particelle liquide perdono energia cinetica e quindi può diventare più fortemente attratti l'uno dall'altro. Quando la temperatura è sufficientemente bassa, l'energia cinetica delle particelle è insufficiente per prevenire le particelle forze attrattive causando un solido a formare. Infine al punto di congelamento delle forze di attrazione sono sufficienti per eliminare qualsiasi traccia libertà di movimento (in termini di un luogo all'altro) e le particelle si uniscono per formare la disposizione solida ordinata (se le particelle hanno ancora vibrazionale energia cinetica. Poiché il calore devono essere rimossi per l'ambiente circostante, in modo per quanto strano possa sembrare, il congelamento è un processo esotermica (916H ve). variazioni di energia comparativi delle modifiche allo stato di gas ltgt 2f solido ltgt liquido (i) curva di raffreddamento. Cosa succede alla temperatura di una sostanza se viene raffreddato dallo stato gassoso allo stato solido Nota la temperatura rimane costante durante i cambiamenti di stato di condensazione a temperatura Tc. e freezingsolidifying a temperatura Tf. Questo perché tutta l'energia termica rimosso il raffreddamento a queste temperature (i calori latenti o entalpie di cambiamento di stato), consente il rafforzamento delle forze interparticellari (legami intermolecolari) senza caduta di temperatura. la perdita di calore è compensata dalla maggiore attrazione forza intermolecolari esotermica. Tra le sezioni di modifica dello stato orizzontale del grafico, si può vedere la rimozione di energia riduce l'energia cinetica delle particelle, abbassando la temperatura della sostanza. Vedere la sezione 2. per la descrizione dettagliata dei cambiamenti di stato. Una curva di raffreddamento sintetizza le variazioni: Per ogni cambiamento di stato, energia deve essere rimosso. noto come il calore latente. valori di energia effettivi per questi cambiamenti fisici di stato per una serie di sostanze sono trattate in modo più dettagliato nelle Note Energetica. 2F (ii) la curva di riscaldamento. Cosa accade alla temperatura di una sostanza se è riscaldata dallo stato solido allo stato gassoso Nota la temperatura rimane costante durante i cambiamenti di stato di fusione a temperature e Tm ebollizione a temperature Tb. Questo perché tutta l'energia assorbita in riscaldamento a queste temperature (manche latenti o entalpie di cambiamento di stato), va in indebolendo le forze interparticellari (legami intermolecolari) senza aumento di temperatura Il guadagno di calore è uguale alla endothermicheat assorbito energia necessaria per ridurre le forze intermolecolari . Tra le sezioni di modifica dello stato orizzontale del grafico, si può vedere l'assorbimento di energia, l'energia cinetica delle particelle e aumentare la temperatura della sostanza. Vedere la sezione 2. per la descrizione dettagliata dei cambiamenti di stato. Una curva di riscaldamento sintetizza le variazioni: Per ogni cambiamento di stato, energia deve essere aggiunto. noto come il calore latente. valori di energia effettivi per questi cambiamenti fisici di stato per una serie di sostanze sono trattate in modo più dettagliato nelle Note Energetica. SPECIFICO LATENTE riscalda il calore latente per i cambiamenti di stato ltgt solido liquido è chiamato il specifica calore latente di fusione (per fusione o di congelamento). Il calore latente per lo stato cambia gas ltgt liquido viene chiamata la specifica calore latente di vaporizzazione (per condensare, evaporazione o ebollizione) Per maggiori informazioni sul calore latente vedere i miei appunti di fisica su specifica calore latente spiegate utilizzando la teoria delle particelle cinetica dei gas e solidi Questa è quando un solido, il riscaldamento, modifiche direttamente in gas senza fondere, e il gas di raffreddamento riforma un solido direttamente senza condensa in un liquido. Sublimazione di solito solo comporta un cambiamento fisico, ma la sua non è sempre così semplice (vedi cloruro di ammonio). La teoria in termini di particelle. Quando il solido è scaldato particelle vibrano con forza crescente dall'energia termica aggiunto. Se le particelle hanno abbastanza energia cinetica delle vibrazioni a superare in parte le forze di attrazione particleparticle che ci si aspetta il solido a sciogliersi. Tuttavia, se le particelle a questo punto hanno energia sufficiente a questo punto che avrebbe portato ad ebollizione, il liquido non si formerà e il solido si trasforma direttamente in un gas. cambiamento endotermico complesso. l'energia assorbita e portato al sistema. Sul raffreddamento, le particelle si muovono più lentamente e hanno meno energia cinetica. Alla fine, quando l'energia delle particelle cinetica è abbastanza basso, che permetterà al particleparticle forze attrattive per produrre un liquido. Ma l'energia può essere sufficientemente bassa per permettere la formazione diretta del solido, vale a dire le particelle non hanno abbastanza energia cinetica per mantenere uno stato liquido complesso cambiamento esotermica. l'energia rilasciata e dato fuori per l'ambiente circostante. Anche a bottiglie temperatura ambiente di solidi mostra cristalli di iodio formano nella parte superiore della bottiglia sopra il solido. Il più caldo il laboratorio, i cristalli più si formano quando si raffredda di notte se si riscalda delicatamente iodio in una provetta che si vede lo iodio facilmente sublime e ricristallizzare sulla superficie più fredda vicino alla parte superiore della provetta. La formazione di una particolare forma di brina comporta il congelamento diretta di vapore acqueo (gas). Il gelo può anche far evaporare direttamente al vapore acqueo (gas) e questo accade nei inverni secchi e estremamente freddi del deserto del Gobi in una giornata soleggiata. H 2 O (s) H 2 O (g) (cambiamento fisico solo) anidride carbonica solida (ghiaccio secco) è costituita per raffreddare il gas fino a meno di 78 o C. Il riscaldamento si trasforma direttamente ad un gas molto freddo. condensazione eventuale vapore acqueo nell'aria ad una nebbia, quindi il suo utilizzo in effetti scenici. CO 2 (s) CO 2 (g) (solo cambiamento fisico) On riscaldare fortemente in una provetta, cloruro di ammonio solido bianco. decompone in una miscela di due gas incolori ammoniaca e acido cloridrico. Per raffreddamento della reazione si inverte e riforma cloruro di ammonio solido sulla superficie superiore raffreddamento della provetta. cloruro di ammonio ammoniaca energia termica acido cloridrico T suo coinvolge sia chimiche e fisiche modifiche ed è quindi è più complicato di esempi 1. 3. Infatti i cristalli di cloruro di ammonio ionici cambiano in gas covalente ammoniaca e acido cloridrico che sono naturalmente molto più volatili ( sostanze covalenti hanno generalmente molto più bassi punti di fusione e di ebollizione di sostanze ioniche). L'immagine di particelle liquido non figura qui, ma gli altri modelli si applicano completamente a parte i cambiamenti di stato che coinvolgono la formazione di liquido. modello di particelle GAS e solido link modello di particelle. NOTA BENE, A un livello superiore di studi. è necessario studiare il diagramma di fase GLS per l'acqua e la curva di pressione di vapore di ghiaccio a particolari temperature. Ad esempio, se la tensione di vapore ambiente è minore della pressione di vapore di equilibrio alla temperatura del ghiaccio, sublimazione può facilmente avvenire. La neve e il ghiaccio nelle regioni più fredde del deserto del Gobi non si sciolgono al sole, hanno solo lentamente scompaiono sublime 2 h. Più sui cambiamenti di calore in cambiamenti fisici di cambiamenti di stato di stato fisico cioè ltgt gas liquido ltgt solido sono accompagnati anche da variazioni di energia. Per sciogliere un solido, o boilevaporate un liquido, energia termica deve essere assorbita o preso in dall'ambiente circostante, quindi questi sono cambiamenti di energia endotermici. Il sistema viene riscaldato per effettuare questi cambiamenti. Per condensare un gas, o congelare un, energia termica solido deve essere rimosso o dato fuori all'ambiente circostante, in modo da questi sono cambiamenti di energia esotermiche. Il sistema viene raffreddato per effettuare questi cambiamenti. In generale, maggiore è la forza tra le particelle, maggiore è l'energia necessaria per effettuare il cambiamento di stato e maggiore è il punto di fusione e punto di ebollizione. Un confronto di energia necessaria per fondere o bollire i diversi tipi di sostanze (Questo è più per studenti di livello avanzato) Il cambiamento energia termica coinvolti in un cambiamento di stato può essere espresso in kJmol di sostanza per un confronto equo. Nella tabella sottostante 916H fusione è l'energia necessaria a fondere 1 mole di sostanza (massa di formula in g). 916H VAP è l'energia necessaria per vaporizzare per evaporazione o ebollizione 1 mole di sostanza (massa di formula in g). Per semplici piccole molecole covalenti, l'energia assorbita dal materiale è relativamente piccolo per fondere o vaporizzare il contenuto e il più grande molecola maggiori sono le forze intermolecolari. Queste forze sono deboli rispetto ai legami chimici che tengono insieme gli atomi in una molecola stessa. Relativamente basse energie sono necessari per fondere o vaporizzare. Queste sostanze hanno relativamente basso punto di fusione e punti di ebollizione. Per le reti 3D fortemente legati ad esempio (Iii) e un reticolo di metallo di ioni ed elettroni esterni liberi (m etallic bonding), le strutture sono molto più forti in modo continuo a causa del legame chimico continua per tutta la struttura. Pertanto, molto maggiori energie sono tenuti a fondere o vaporizzare il materiale. Questo è il motivo per cui hanno così tanto più alto punto di fusione e punti di ebollizione. Tipo di legame, struttura e attraenti forze operanti Punto di fusione K (Kelvin) o C 273 dell'energia necessaria per fondere il punto di ebollizione sostanza K (Kelvin) o C 273 energia necessaria per far bollire sostanza 3a. COSA SUCCEDE alle particelle quando un dissolve solido in un solvente liquido Che cosa significano le parole SOLVENTE, soluto SOLUZIONE significa quando un solido (soluto) si dissolve in un liquido (solvente) la miscela risultante viene chiamata una soluzione. In generale: soluto soluzione gt solvente Così, il soluto è quello che si scioglie in un solvente, un solvente è un liquido che scioglie cose e la soluzione è il risultato di sciogliere qualcosa in un solvente. Il solido perde tutta la sua struttura regolare e le singole particelle solide (molecole o ioni) sono ora completamente libero tra loro e casualmente mescolare con le particelle liquide originali, e tutte le particelle possono muoversi in modo casuale. Questo descrive sale dissoluzione in acqua, dissoluzione dello zucchero nel tè o cera dissoluzione in un solvente idrocarburico come ragia. Di solito non comporta una reazione chimica, così è generalmente un esempio di un cambiamento fisico. Quali che siano le variazioni di volume del liquido solido, rispetto alla soluzione finale, la legge della conservazione della massa si applica ancora. Ciò significa: la massa della massa di soluto solido della massa solvente liquido di soluzione dopo la miscelazione e dissoluzione. Non è possibile creare di massa o perdere massa. ma basta cambiare la massa di sostanze in un'altra forma. Se si evapora il solvente. poi il solido è riformato per esempio se una soluzione salina è lasciato per lungo tempo o leggermente riscaldata per accelerare le cose, eventualmente sotto forma di cristalli di sale, il processo è chiamato cristallizzazione. 3b. COSA SUCCEDE QUANDO alle particelle due liquidi COMPLETAMENTE mescolare con l'altro ciò che significa la parola MISCIBILE media utilizzando il modello di particelle per spiegare liquidi miscibili. Se due liquidi completamente mescolano in termini di particelle, essi sono chiamati liquidi miscibili perché si sciolgono completamente l'uno nell'altro. Questo è mostrato nel grafico sottostante dove le particelle completamente mescolano e si muovono in modo casuale. Il processo può essere invertito mediante distillazione frazionata. 3c. COSA SUCCEDE QUANDO alle particelle due liquidi non mescolare con l'altro ciò che significa la parola immiscibili MEDIA Perché i LIQUIDI Non mescolare Utilizzando il modello di particelle per spiegare liquidi immiscibili. Se i due liquidi non si mescolano. formano due strati separati e sono noti come liquidi immiscibili, illustrato nello schema seguente dove il liquido viola minore sarà più denso che lo strato superiore del liquido verde. È possibile separare questi due liquidi con imbuto separatore. La ragione di questo è che l'interazione tra le molecole di uno dei liquidi solo è più forte l'interazione tra i due differenti molecole dei diversi liquidi. Ad esempio, la forza di attrazione tra molecole di acqua è molto maggiore rispetto sia oiloil molecole o oilwater molecole, quindi due strati separati formano perché le molecole d'acqua, in termini di variazione di energia, sono favorite dalla incollino. 3d. Come un imbuto separatore viene utilizzato 1. La miscela è posta in imbuto separatore con il tappo sulla e il rubinetto chiuso e gli strati lasciato sedimentare. 2. Il tappo viene rimosso e il rubinetto è aperto in modo che sia possibile eseguire con cura lo strato inferiore di colore grigio fuori in primo luogo in un bicchiere. 3. Il rubinetto viene richiuso, lasciando il liquido strato giallo superiore, in modo da separare i due liquidi immiscibili. Appendice 1 alcune immagini semplici particelle di elementi, composti e miscele GCSEIGCSE quiz a scelta multipla su stati di gas materia, liquidi amp solidi alcuni esercizi di base semplici da KS3 scienza modello QCA 7G quotParticle di solidi, liquidi e gasesquot Domande a scelta multipla per la revisione della Scienza sui gas , liquidi e solidi modelli di particelle, proprietà, che spiegano le differenze tra di loro. Vedi anche per i calcoli di gas GCSE chimica revisione note dettagliate liberi su stati della materia per aiutare rivedere IGCSE chimica IGCSE chimica note di revisione sugli stati della materia O livello di chimica di revisione note dettagliate liberi su stati della materia per aiutare rivedere GCSE chimica libere note dettagliate sugli stati di la materia per aiutare rivedere livello O chimica sito web gratuito online per aiutare rivedere stati della materia per il GCSE chimica sito web gratuito online per aiutare rivedere stati della materia per la chimica IGCSE sito web gratuito online per aiutare rivedere gli stati di livello O della materia chimica come riuscire a domande sugli stati della materia per GCSE chimica come riuscire a chimica IGCSE come riuscire a chimica livello O un buon sito web per le domande libere su stati della materia per aiutare a passare domande GCSE chimica sugli stati della materia un buon sito web per un aiuto gratuito per passare la chimica IGCSE con revision notes on states of matter a good website for free help to pass O level chemistry what are the three states of matter draw a diagram of the particle model diagram of a gas, particle theory of a gas, draw a particle model diagram of a liquid , particle theory of a liquid, draw a particle model diagram of a solid, particle theory of a solid, what is diffusion why can you have diffusion in gases and liquids but not in solids what are the limitations of the particle model of a gas liquid or solid how to use the particle model to explain the properties of a gas, what causes gas pressure how to use the particle model to explain the properties of a solid, how to use the particle model to explain the properties of a solid, why is a gas easily compressed but difficult to compress a liquid or solid how do we use the particle model to explain changes of state explaining melting with the particle model, explaining boiling with the particle model, explaining evaporation using the particle model, explaining condensing using the particle model, explaining freezing with the particle model, how do you read a thermometer working out the state of a substance at a particular temperature given its melting point and boiling point, how to draw a cooling curve, how to draw a heating curve, how to explain heatingcooling curves in terms of state changes and latent heat, what is sublimation what substances sublime explaining endothermic and exothermic energy changes of state, using the particle model to explain miscible and immiscible liquids GASES, LIQUIDS, SOLIDS, States of Matter, particle models, theory of state changes, melting, boiling, evaporation, condensing, freezing, solidifying, cooling curves, 1.1 Three states of matter: 1.1a gases, 1.1b liquids, 1.1c solids 2. State changes: 2a evaporation and boiling, 2b condensation, 2c distillation, 2d melting, 2e freezing, 2f cooling and heating curves and relative energy changes, 2g sublimation 3. Dissolving, solutions. miscibleimmiscible liquids Boiling Boiling point Brownian motion Changes of state Condensing Cooling curve Diffusion Dissolving Evaporation Freezing Freezing point Gas particle picture Heating curve Liquid particle picture Melting Melting point miscibleimmiscible liquids Properties of gases Properties of liquids Properties of solids solutions sublimation Solid particle picture GCSEIGCSE multiple choice QUIZ on states of matter gases liquids solids practice revision questions Revision notes on particle models and properties of gases, liquids and solids KS4 Science GCSEIGCSEO level Chemistry Information on particle models and properties of gases, liquids and solids for revising for AQA GCSE Science, Edexcel Science chemistry IGCSE Chemistry notes on particle models and properties of gases, liquids and solids OCR 21st Century Science, OCR Gateway Science notes on particle models and properties of gases, liquids and solids WJEC gcse science chemistry notes on particle models and properties of gases, liquids and solids CIE O Level chemistry CIE IGCSE chemistry notes on particle models and properties of gases, liquids and solids CCEACEA gcse science chemistry (revise courses equal to US grade 8, grade 9 grade 10) science chemistry courses revision guides explanation chemical equations for particle models and properties of gases, liquids and solids educational videos on particle models and properties of gases, liquids and solids guidebooks for revising particle models and properties of gases, liquids and solids textbooks on particle models and properties of gases, liquids and solids state changes amp particle model for AQA AS chemistry, state changes amp particle model for Edexcel A level AS chemistry, state changes amp particle model for A level OCR AS chemistry A, state changes amp particle model for OCR Salters AS chemistry B, state changes amp particle model for AQA A level chemistry, state changes amp particle model for A level Edexcel A level chemistry, state changes amp particle model for OCR A level chemistry A, state changes amp particle model for A level OCR Salters A level chemistry B state changes amp particle model for US Honours grade 11 grade 12 state changes amp particle model for pre-university chemistry courses pre-university A level revision notes for state changes amp particle model A level guide notes on state changes amp particle model for schools colleges academies science course tutors images pictures diagrams for state changes amp particle model A level chemistry revision notes on state changes amp particle model for revising module topics notes to help on understanding of state changes amp particle model university courses in science careers in science jobs in the industry laboratory assistant apprenticeships technical internships USA US grade 11 grade 11 AQA A level chemistry notes on state changes amp particle model Edexcel A level chemistry notes on state changes amp particle model for OCR A level chemistry notes WJEC A level chemistry notes on state changes amp particle model CCEACEA A level chemistry notes on state changes amp particle model for university entrance examinations describe some limitations of the particle model for gases, liquids and solidsRoll Up Doors, Commercial Overhead and Garage If your looking for a roll up door, garage door, commercial door, shed door or barn door. 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OPTIONAL PACKAGE PROTECTION amp SHIPPING: Doors stacked on top of each other in transit are going to shifthellip unless they can be packaged in a way to minimize the sliding that occurs during that time. Janus has found the way. As an option, we can suspend each door individually in crates. Whether they travel down the block or across the country, compaction damages, door abrasions and chatter marks are virtually eliminated. RATCHET TENSIONING DEVICE: The ratchet tensioning device, supplied as standard equipment on our door, offers a simpler method of tensioning while more accurately fine tuning all the springs on the door at the same time. There is no extra hardware required. Eight different positions on the tension wheel allow one to perfectly balance the door every time. There are no pins required to hold the tension on the springhellip you simply just click it. RADIAL BALL BEARINGS: Roll Up Doors Direct supplies radial ball bearings at no additional cost to you. Our permanently-lubricated bearings require no maintenance and are guaranteed to last the entire life span of the door. DEAD AXLE amp TORQUE TUBE ASSEMBLY: This design, noted for its durability and smoother operation with commercial applications, has now been incorporated into the Janus self storage door. The tube housing protects the springs and strengthens the axle. Eliminating axle push and shift that can occur with a live axle, the dead axle design allows for a straighter travel path of the door curtain in the guides. The greatest feature of this design is that it affords the fine tuning of any spring adjustment to equally affect all springs on the door at the same time. DOOR STOPS: Our removable door stops are simple to install and prevent the curtain from over traveling the guide when raising the door MAGNETIC ZINC COATED STEEL OR OPTIONAL STAINLESS STEEL LATCH: Our patented mini latch features a cover plate made from a heavy gauge yellow zinc coated steel or optional stainless steel. In addition, the latch cover protects the slide from tampering by completely covering the slide, with the exception of a tab used to operate the latch. To further secure the door, the latchrsquos two inch throw, with its magnetic properties, can be incorporated with the new guidemounted security devices. This versatile design affords you the ability to utilize padlocks, cylinder locks or both. DOOR CURTAIN: The 26 gauge corrugated door curtain is manufactured from full hard galvanized grade 80 steel and coated with Super Durable polyester paint that is backed by a 40 year film integrity and 25 year no-fade limited paint warranty. Available in sizes up to 10rsquo0rdquo x 10rsquo0rdquo and in over 20 different standard colors. All DRUMS are fitted with a grease filled, shielded radial ball bearing to contribute to a smoother operation and reduce wear and friction. Factory installed galvanized reinforced 16 gauge BRACKETS (12 gauge for doors over 9rsquo wide or 8rsquo tall) are designed to easily snap onto the guides, reducing installation time. Galvanized, guide-mounted HEAD STOPS are simple to install and prevent curtain over travel when raising the door. Installed through guide after curtain is lowered, they provide definite contact with the bottom bar angle and stop clips. The RATCHET SPRING TENSIONER ASSEMBLY is factory installed on the end of the door axle and allows precise fine tuning of the initial spring tension. Increments of 18 turn are possible. Tensioner adjusts both springs equally at the same time from only one end of the door. Roll formed clear acrylic coated galvanized steel BOTTOM BAR reinforced with a 1-12rdquo x 1-12rdquo 14 gauge full width galvanized angle that extends fully into the guides. The PVC bulb astragal provides positive contact with floor. Lift handle(s) and stop clips installed on exterior side of bottom bar and a non-rotting pull rope is attached to the inside angle. Oil-tempered helical torsion SPRINGS are factory lubricated to minimize friction and corrosion while increasing the spring cycle life. Spring wire confirms to ASTM A 229.Full width galvanized steel BARREL totally encloses the drums, springs and axle. Barrel-type construction reduces door sag, eliminates drum dents and improves operation due to an even support of the curtain for the entire width. Galvanized and pre-painted with long lasting Super Durable polyester paint, the 26 gauge CORRUGATED CURTAIN is roll formed from ASTM A 653 grade 80 full hard steel. This premium steel yields greater door strength and minimized curtain damage. Full height felt tape on back of curtain prevents nesting and reduces paint rubbing. 20 colors are standard, with others available on special order. Available in sizes up to 10rsquo0rdquo x 10rsquo0rdquo. Roll formed, 18 gauge galvanized GUIDES are fitted with dual polyethylene wear strips to reduce friction and muffle door noises. All guide attachment to jamb is performed through the guides without the addition of clips welded to the back of the guide. This gives a neater appearance, increased strength and aids in tight installations. Yellow zinc coated steel or optional stainless steel cover, slide and four attachment bolts are factory installed. The slide exhibits magnetic properties that can be used to activate a guide mounted security sensor. LATCH accepts all industry padlocks, including 716rdquo diameter shanks. Provision for cylinder lock included. Featured ProductsGraphite 1 performs two pretty simple tasks: storing numbers that change over time and graphing them. There has been a lot of software written over the years to do these same tasks. What makes Graphite unique is that it provides this functionality as a network service that is both easy to use and highly scalable. The protocol for feeding data into Graphite is simple enough that you could learn to do it by hand in a few minutes (not that youd actually want to, but its a decent litmus test for simplicity). Rendering graphs and retrieving data points are as easy as fetching a URL. This makes it very natural to integrate Graphite with other software and enables users to build powerful applications on top of Graphite. One of the most common uses of Graphite is building web-based dashboards for monitoring and analysis. Graphite was born in a high-volume e-commerce environment and its design reflects this. Scalability and real-time access to data are key goals. The components that allow Graphite to achieve these goals include a specialized database library and its storage format, a caching mechanism for optimizing IO operations, and a simple yet effective method of clustering Graphite servers. Rather than simply describing how Graphite works today, I will explain how Graphite was initially implemented (quite naively), what problems I ran into, and how I devised solutions to them. 7.1. The Database Library: Storing Time-Series Data Graphite is written entirely in Python and consists of three major components: a database library named whisper. a back-end daemon named carbon. and a front-end webapp that renders graphs and provides a basic UI. While whisper was written specifically for Graphite, it can also be used independently. It is very similar in design to the round-robin-database used by RRDtool, and only stores time-series numeric data. Usually we think of databases as server processes that client applications talk to over sockets. However, whisper. much like RRDtool, is a database library used by applications to manipulate and retrieve data stored in specially formatted files. The most basic whisper operations are create to make a new whisper file, update to write new data points into a file, and fetch to retrieve data points. Figure 7.1: Basic Anatomy of a whisper File As shown in Figure 7.1. whisper files consist of a header section containing various metadata, followed by one or more archive sections. Each archive is a sequence of consecutive data points which are (timestamp, value) pairs. When an update or fetch operation is performed, whisper determines the offset in the file where data should be written to or read from, based on the timestamp and the archive configuration. 7.2. The Back End: A Simple Storage Service Graphites back end is a daemon process called carbon-cache. usually simply referred to as carbon. It is built on Twisted, a highly scalable event-driven IO framework for Python. Twisted enables carbon to efficiently talk to a large number of clients and handle a large amount of traffic with low overhead. Figure 7.2 shows the data flow among carbon. whisper and the webapp: Client applications collect data and send it to the Graphite back end, carbon. which stores the data using whisper. This data can then be used by the Graphite webapp to generate graphs. Figure 7.2: Data Flow The primary function of carbon is to store data points for metrics provided by clients. In Graphite terminology, a metric is any measurable quantity that can vary over time (like the CPU utilization of a server or the number of sales of a product). A data point is simply a (timestamp, value) pair corresponding to the measured value of a particular metric at a point in time. Metrics are uniquely identified by their name, and the name of each metric as well as its data points are provided by client applications. A common type of client application is a monitoring agent that collects system or application metrics, and sends its collected values to carbon for easy storage and visualization. Metrics in Graphite have simple hierarchical names, similar to filesystem paths except that a dot is used to delimit the hierarchy rather than a slash or backslash. carbon will respect any legal name and creates a whisper file for each metric to store its data points. The whisper files are stored within carbon s data directory in a filesystem hierarchy that mirrors the dot-delimited hierarchy in each metrics name, so that (for example) servers. www01.cpuUsage maps to hellipserverswww01cpuUsage. wsp . When a client application wishes to send data points to Graphite it must establish a TCP connection to carbon. usually on port 2003 2. The client does all the talking carbon does not send anything over the connection. The client sends data points in a simple plain-text format while the connection may be left open and re-used as needed. The format is one line of text per data point where each line contains the dotted metric name, value, and a Unix epoch timestamp separated by spaces. For example, a client might send: On a high level, all carbon does is listen for data in this format and try to store it on disk as quickly as possible using whisper. Later on we will discuss the details of some tricks used to ensure scalability and get the best performance we can out of a typical hard drive. 7.3. The Front End: Graphs On-Demand The Graphite webapp allows users to request custom graphs with a simple URL-based API. Graphing parameters are specified in the query-string of an HTTP GET request, and a PNG image is returned in response. For example, the URL: requests a 500times300 graph for the metric servers. www01.cpuUsage and the past 24 hours of data. Actually, only the target parameter is required all the others are optional and use your default values if omitted. Graphite supports a wide variety of display options as well as data manipulation functions that follow a simple functional syntax. For example, we could graph a 10-point moving average of the metric in our previous example like this: Functions can be nested, allowing for complex expressions and calculations. Here is another example that gives the running total of sales for the day using per-product metrics of sales-per-minute: The sumSeries function computes a time-series that is the sum of each metric matching the pattern products..salesPerMinute. Then integral computes a running total rather than a per-minute count. From here it isnt too hard to imagine how one might build a web UI for viewing and manipulating graphs. Graphite comes with its own Composer UI, shown in Figure 7.3. that does this using Javascript to modify the graphs URL parameters as the user clicks through menus of the available features. Figure 7.3: Graphites Composer Interface 7.4. Dashboards Since its inception Graphite has been used as a tool for creating web-based dashboards. The URL API makes this a natural use case. Making a dashboard is as simple as making an HTML page full of tags like this: However, not everyone likes crafting URLs by hand, so Graphites Composer UI provides a point-and-click method to create a graph from which you can simply copy and paste the URL. When coupled with another tool that allows rapid creation of web pages (like a wiki) this becomes easy enough that non-technical users can build their own dashboards pretty easily. 7.5. An Obvious Bottleneck Once my users started building dashboards, Graphite quickly began to have performance issues. I investigated the web server logs to see what requests were bogging it down. It was pretty obvious that the problem was the sheer number of graphing requests. The webapp was CPU-bound, rendering graphs constantly. I noticed that there were a lot of identical requests, and the dashboards were to blame. Imagine you have a dashboard with 10 graphs in it and the page refreshes once a minute. Each time a user opens the dashboard in their browser, Graphite has to handle 10 more requests per minute. This quickly becomes expensive. A simple solution is to render each graph only once and then serve a copy of it to each user. The Django web framework (which Graphite is built on) provides an excellent caching mechanism that can use various back ends such as memcached. Memcached 3 is essentially a hash table provided as a network service. Client applications can get and set key-value pairs just like an ordinary hash table. The main benefit of using memcached is that the result of an expensive request (like rendering a graph) can be stored very quickly and retrieved later to handle subsequent requests. To avoid returning the same stale graphs forever, memcached can be configured to expire the cached graphs after a short period. Even if this is only a few seconds, the burden it takes off Graphite is tremendous because duplicate requests are so common. Another common case that creates lots of rendering requests is when a user is tweaking the display options and applying functions in the Composer UI. Each time the user changes something, Graphite must redraw the graph. The same data is involved in each request so it makes sense to put the underlying data in the memcache as well. This keeps the UI responsive to the user because the step of retrieving data is skipped. 7.6. Optimizing IO Imagine that you have 60,000 metrics that you send to your Graphite server, and each of these metrics has one data point per minute. Remember that each metric has its own whisper file on the filesystem. This means carbon must do one write operation to 60,000 different files each minute. As long as carbon can write to one file each millisecond, it should be able to keep up. This isnt too far fetched, but lets say you have 600,000 metrics updating each minute, or your metrics are updating every second, or perhaps you simply cannot afford fast enough storage. Whatever the case, assume the rate of incoming data points exceeds the rate of write operations that your storage can keep up with. How should this situation be handled Most hard drives these days have slow seek time 4. that is, the delay between doing IO operations at two different locations, compared to writing a contiguous sequence of data. This means the more contiguous writing we do, the more throughput we get. But if we have thousands of files that need to be written to frequently, and each write is very small (one whisper data point is only 12 bytes) then our disks are definitely going to spend most of their time seeking. Working under the assumption that the rate of write operations has a relatively low ceiling, the only way to increase our data point throughput beyond that rate is to write multiple data points in a single write operation. This is feasible because whisper arranges consecutive data points contiguously on disk. So I added an updatemany function to whisper. which takes a list of data points for a single metric and compacts contiguous data points into a single write operation. Even though this made each write larger, the difference in time it takes to write ten data points (120 bytes) versus one data point (12 bytes) is negligible. It takes quite a few more data points before the size of each write starts to noticeably affect the latency. Next I implemented a buffering mechanism in carbon. Each incoming data point gets mapped to a queue based on its metric name and is then appended to that queue. Another thread repeatedly iterates through all of the queues and for each one it pulls all of the data points out and writes them to the appropriate whisper file with updatemany. Going back to our example, if we have 600,000 metrics updating every minute and our storage can only keep up with 1 write per millisecond, then the queues will end up holding about 10 data points each on average. The only resource this costs us is memory, which is relatively plentiful since each data point is only a few bytes. This strategy dynamically buffers as many datapoints as necessary to sustain a rate of incoming datapoints that may exceed the rate of IO operations your storage can keep up with. A nice advantage of this approach is that it adds a degree of resiliency to handle temporary IO slowdowns. If the system needs to do other IO work outside of Graphite then it is likely that the rate of write operations will decrease, in which case carbon s queues will simply grow. The larger the queues, the larger the writes. Since the overall throughput of data points is equal to the rate of write operations times the average size of each write, carbon is able to keep up as long as there is enough memory for the queues. carbon s queueing mechanism is depicted in Figure 7.4 . Figure 7.4: Carbons Queueing Mechanism 7.7. Keeping It Real-Time Buffering data points was a nice way to optimize carbon s IO but it didnt take long for my users to notice a rather troubling side effect. Revisiting our example again, weve got 600,000 metrics that update every minute and were assuming our storage can only keep up with 60,000 write operations per minute. This means we will have approximately 10 minutes worth of data sitting in carbon s queues at any given time. To a user this means that the graphs they request from the Graphite webapp will be missing the most recent 10 minutes of data: Not good Fortunately the solution is pretty straight-forward. I simply added a socket listener to carbon that provides a query interface for accessing the buffered data points and then modifies the Graphite webapp to use this interface each time it needs to retrieve data. The webapp then combines the data points it retrieves from carbon with the data points it retrieved from disk and voila, the graphs are real-time. Granted, in our example the data points are updated to the minute and thus not exactly real-time, but the fact that each data point is instantly accessible in a graph once it is received by carbon is real-time. 7.8. Kernels, Caches, and Catastrophic Failures As is probably obvious by now, a key characteristic of system performance that Graphites own performance depends on is IO latency. So far weve assumed our system has consistently low IO latency averaging around 1 millisecond per write, but this is a big assumption that requires a little deeper analysis. Most hard drives simply arent that fast even with dozens of disks in a RAID array there is very likely to be more than 1 millisecond latency for random access. Yet if you were to try and test how quickly even an old laptop could write a whole kilobyte to disk you would find that the write system call returns in far less than 1 millisecond. Why Whenever software has inconsistent or unexpected performance characteristics, usually either buffering or caching is to blame. In this case, were dealing with both. The write system call doesnt technically write your data to disk, it simply puts it in a buffer which the kernel then writes to disk later on. This is why the write call usually returns so quickly. Even after the buffer has been written to disk, it often remains cached for subsequent reads. Both of these behaviors, buffering and caching, require memory of course. Kernel developers, being the smart folks that they are, decided it would be a good idea to use whatever user-space memory is currently free instead of allocating memory outright. This turns out to be a tremendously useful performance booster and it also explains why no matter how much memory you add to a system it will usually end up having almost zero free memory after doing a modest amount of IO. If your user-space applications arent using that memory then your kernel probably is. The downside of this approach is that this free memory can be taken away from the kernel the moment a user-space application decides it needs to allocate more memory for itself. The kernel has no choice but to relinquish it, losing whatever buffers may have been there. So what does all of this mean for Graphite We just highlighted carbon s reliance on consistently low IO latency and we also know that the write system call only returns quickly because the data is merely being copied into a buffer. What happens when there is not enough memory for the kernel to continue buffering writes The writes become synchronous and thus terribly slow This causes a dramatic drop in the rate of carbon s write operations, which causes carbon s queues to grow, which eats up even more memory, starving the kernel even further. In the end, this kind of situation usually results in carbon running out of memory or being killed by an angry sysadmin. To avoid this kind of catastrophe, I added several features to carbon including configurable limits on how many data points can be queued and rate-limits on how quickly various whisper operations can be performed. These features can protect carbon from spiraling out of control and instead impose less harsh effects like dropping some data points or refusing to accept more data points. However, proper values for those settings are system-specific and require a fair amount of testing to tune. They are useful but they do not fundamentally solve the problem. For that, well need more hardware. 7.9. Clustering Making multiple Graphite servers appear to be a single system from a user perspective isnt terribly difficult, at least for a naiumlve implementation. The webapps user interaction primarily consists of two operations: finding metrics and fetching data points (usually in the form of a graph). The find and fetch operations of the webapp are tucked away in a library that abstracts their implementation from the rest of the codebase, and they are also exposed through HTTP request handlers for easy remote calls. The find operation searches the local filesystem of whisper data for things matching a user-specified pattern, just as a filesystem glob like. txt matches files with that extension. Being a tree structure, the result returned by find is a collection of Node objects, each deriving from either the Branch or Leaf sub-classes of Node. Directories correspond to branch nodes and whisper files correspond to leaf nodes. This layer of abstraction makes it easy to support different types of underlying storage including RRD files 5 and gzipped whisper files. The Leaf interface defines a fetch method whose implementation depends on the type of leaf node. In the case of whisper files it is simply a thin wrapper around the whisper librarys own fetch function. When clustering support was added, the find function was extended to be able to make remote find calls via HTTP to other Graphite servers specified in the webapps configuration. The node data contained in the results of these HTTP calls gets wrapped as RemoteNode objects which conform to the usual Node. Branch. and Leaf interfaces. This makes the clustering transparent to the rest of the webapps codebase. The fetch method for a remote leaf node is implemented as another HTTP call to retrieve the data points from the nodes Graphite server. All of these calls are made between the webapps the same way a client would call them, except with one additional parameter specifying that the operation should only be performed locally and not be redistributed throughout the cluster. When the webapp is asked to render a graph, it performs the find operation to locate the requested metrics and calls fetch on each to retrieve their data points. This works whether the data is on the local server, remote servers, or both. If a server goes down, the remote calls timeout fairly quickly and the server is marked as being out of service for a short period during which no further calls to it will be made. From a user standpoint, whatever data was on the lost server will be missing from their graphs unless that data is duplicated on another server in the cluster. 7.9.1. A Brief Analysis of Clustering Efficiency The most expensive part of a graphing request is rendering the graph. Each rendering is performed by a single server so adding more servers does effectively increase capacity for rendering graphs. However, the fact that many requests end up distributing find calls to every other server in the cluster means that our clustering scheme is sharing much of the front-end load rather than dispersing it. What we have achieved at this point, however, is an effective way to distribute back-end load, as each carbon instance operates independently. This is a good first step since most of the time the back end is a bottleneck far before the front end is, but clearly the front end will not scale horizontally with this approach. In order to make the front end scale more effectively, the number of remote find calls made by the webapp must be reduced. Again, the easiest solution is caching. Just as memcached is already used to cache data points and rendered graphs, it can also be used to cache the results of find requests. Since the location of metrics is much less likely to change frequently, this should typically be cached for longer. The trade-off of setting the cache timeout for find results too long, though, is that new metrics that have been added to the hierarchy may not appear as quickly to the user. 7.9.2. Distributing Metrics in a Cluster The Graphite webapp is rather homogeneous throughout a cluster, in that it performs the exact same job on each server. carbon s role, however, can vary from server to server depending on what data you choose to send to each instance. Often there are many different clients sending data to carbon. so it would be quite annoying to couple each clients configuration with your Graphite clusters layout. Application metrics may go to one carbon server, while business metrics may get sent to multiple carbon servers for redundancy. To simplify the management of scenarios like this, Graphite comes with an additional tool called carbon-relay. Its job is quite simple it receives metric data from clients exactly like the standard carbon daemon (which is actually named carbon-cache ) but instead of storing the data, it applies a set of rules to the metric names to determine which carbon-cache servers to relay the data to. Each rule consists of a regular expression and a list of destination servers. For each data point received, the rules are evaluated in order and the first rule whose regular expression matches the metric name is used. This way all the clients need to do is send their data to the carbon-relay and it will end up on the right servers. In a sense carbon-relay provides replication functionality, though it would more accurately be called input duplication since it does not deal with synchronization issues. If a server goes down temporarily, it will be missing the data points for the time period in which it was down but otherwise function normally. There are administrative scripts that leave control of the re-synchronization process in the hands of the system administrator. 7.10. Design Reflections My experience in working on Graphite has reaffirmed a belief of mine that scalability has very little to do with low-level performance but instead is a product of overall design. I have run into many bottlenecks along the way but each time I look for improvements in design rather than speed-ups in performance. I have been asked many times why I wrote Graphite in Python rather than Java or C, and my response is always that I have yet to come across a true need for the performance that another language could offer. In Knu74 , Donald Knuth famously said that premature optimization is the root of all evil. As long as we assume that our code will continue to evolve in non-trivial ways then all optimization 6 is in some sense premature. One of Graphites greatest strengths and greatest weaknesses is the fact that very little of it was actually designed in the traditional sense. By and large Graphite evolved gradually, hurdle by hurdle, as problems arose. Many times the hurdles were foreseeable and various pre-emptive solutions seemed natural. However it can be useful to avoid solving problems you do not actually have yet, even if it seems likely that you soon will. The reason is that you can learn much more from closely studying actual failures than from theorizing about superior strategies. Problem solving is driven by both the empirical data we have at hand and our own knowledge and intuition. Ive found that doubting your own wisdom sufficiently can force you to look at your empirical data more thoroughly. For example, when I first wrote whisper I was convinced that it would have to be rewritten in C for speed and that my Python implementation would only serve as a prototype. If I werent under a time-crunch I very well may have skipped the Python implementation entirely. It turns out however that IO is a bottleneck so much earlier than CPU that the lesser efficiency of Python hardly matters at all in practice. As I said, though, the evolutionary approach is also a great weakness of Graphite. Interfaces, it turns out, do not lend themselves well to gradual evolution. A good interface is consistent and employs conventions to maximize predictability. By this measure, Graphites URL API is currently a sub-par interface in my opinion. Options and functions have been tacked on over time, sometimes forming small islands of consistency, but overall lacking a global sense of consistency. The only way to solve such a problem is through versioning of interfaces, but this too has drawbacks. Once a new interface is designed, the old one is still hard to get rid of, lingering around as evolutionary baggage like the human appendix. It may seem harmless enough until one day your code gets appendicitis (i. e. a bug tied to the old interface) and youre forced to operate. If I were to change one thing about Graphite early on, it would have been to take much greater care in designing the external APIs, thinking ahead instead of evolving them bit by bit. Another aspect of Graphite that causes some frustration is the limited flexibility of the hierarchical metric naming model. While it is quite simple and very convenient for most use cases, it makes some sophisticated queries very difficult, even impossible, to express. When I first thought of creating Graphite I knew from the very beginning that I wanted a human-editable URL API for creating graphs 7. While Im still glad that Graphite provides this today, Im afraid this requirement has burdened the API with excessively simple syntax that makes complex expressions unwieldy. A hierarchy makes the problem of determining the primary key for a metric quite simple because a path is essentially a primary key for a node in the tree. The downside is that all of the descriptive data (i. e. column data) must be embedded directly in the path. A potential solution is to maintain the hierarchical model and add a separate metadata database to enable more advanced selection of metrics with a special syntax. 7.11. Becoming Open Source Looking back at the evolution of Graphite, I am still surprised both by how far it has come as a project and by how far it has taken me as a programmer. It started as a pet project that was only a few hundred lines of code. The rendering engine started as an experiment, simply to see if I could write one. whisper was written over the course of a weekend out of desperation to solve a show-stopper problem before a critical launch date. carbon has been rewritten more times than I care to remember. Once I was allowed to release Graphite under an open source license in 2008 I never really expected much response. After a few months it was mentioned in a CNET article that got picked up by Slashdot and the project suddenly took off and has been active ever since. Today there are dozens of large and mid-sized companies using Graphite. The community is quite active and continues to grow. Far from being a finished product, there is a lot of cool experimental work being done, which keeps it fun to work on and full of potential. launchpadgraphite There is another port over which serialized objects can be sent, which is more efficient than the plain-text format. This is only needed for very high levels of traffic. memcached. org Solid-state drives generally have extremely fast seek times compared to conventional hard drives. RRD files are actually branch nodes because they can contain multiple data sources an RRD data source is a leaf node. Knuth specifically meant low-level code optimization, not macroscopic optimization such as design improvements. This forces the graphs themselves to be open source. Anyone can simply look at a graphs URL to understand it or modify it.

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