Кипенето е процес на промяна на агрегатното състояние на веществото. Когато говорим за вода, имаме предвид промяната от течност в пара. Важно е да се отбележи, че кипенето не е изпаряване, което може да се осъществи дори при стайна температура. Също така, не бъркайте с кипене, което е процес на нагряване на водата до определена температура. След като разбрахме понятията, можем да определим при каква температура кипи водата.
процес
Самият процес на трансформиране на агрегатното състояние от течно в газообразно е сложен. И въпреки че хората не го виждат, има 4 етапа:
- На първия етап на дъното на загрятия съд се образуват малки мехурчета. Могат да се видят и отстрани или на повърхността на водата. Те се образуват поради разширяването на въздушните мехурчета, които винаги присъстват в пукнатините на резервоара, където водата се нагрява.
- На втория етап обемът на мехурчетата се увеличава. Всички те започват да се втурват на повърхността, тъй като вътре в тях има наситена пара, която е по-лека от водата. С повишаване на температурата на нагряване налягането на мехурчетата се увеличава и те се изтласкват на повърхността поради добре познатата сила на Архимед. В този случай можете да чуете характерния звук на кипене, който се образува поради постоянното разширяване и намаляване на размера на мехурчетата.
- На третия етап се вижда на повърхността голям броймехурчета. Това първоначално създава облачност във водата. Този процес се нарича популярно "варене с бял ключ" и продължава кратък период от време.
- На четвъртия етап водата кипи интензивно, на повърхността се появяват големи спукани мехурчета и могат да се появят пръски. Най-често пръскането означава, че течността се е загряла до максимална температура. Парата ще започне да излиза от водата.
Известно е, че водата кипи при температура от 100 градуса, което е възможно само на четвъртия етап.
Температура на парата
Парата е едно от състоянията на водата. Когато попадне във въздуха, тогава, подобно на други газове, той упражнява определен натиск върху него. По време на изпаряване температурата на парата и водата остава постоянна, докато цялата течност промени температурата си. агрегатно състояние. Това явление може да се обясни с факта, че по време на кипене цялата енергия се изразходва за превръщане на водата в пара.
В самото начало на кипенето се образува влажна наситена пара, която след изпаряване на цялата течност става суха. Ако температурата му започне да надвишава температурата на водата, тогава такава пара се прегрява и по своите характеристики ще бъде по-близо до газа.
Кипяща солена вода
Достатъчно интересно е да се знае при каква температура кипи вода с високо съдържание на сол. Известно е, че тя трябва да е по-висока поради съдържанието на Na+ и Cl- йони в състава, които заемат площ между водните молекули. Този химичен състав на водата със сол се различава от обичайната прясна течност.
Факт е, че в солената вода протича реакция на хидратация - процесът на прикрепване на водни молекули към солните йони. Комуникация между молекули прясна водапо-слаби от образуваните при хидратация, така че кипенето на течност с разтворена сол ще отнеме повече време. С повишаване на температурата молекулите във водата, съдържаща сол, се движат по-бързо, но те са по-малко, поради което сблъсъците между тях се случват по-рядко. В резултат на това се произвежда по-малко пара и следователно нейното налягане е по-ниско от парния напор на прясна вода. Следователно е необходима повече енергия (температура) за пълно изпаряване. Средно, за да заври един литър вода, съдържаща 60 грама сол, е необходимо да се повиши точката на кипене на водата с 10% (тоест с 10 С).
Зависимости от налягането на кипене
Известно е, че в планината, независимо от химичен съставточката на кипене на водата ще бъде по-ниска. Това е така, защото атмосферното налягане е по-ниско на височина. Нормалното налягане се счита за 101,325 kPa. При него точката на кипене на водата е 100 градуса по Целзий. Но ако се изкачите на планина, където налягането е средно 40 kPa, тогава водата ще заври там при 75,88 C. Но това не означава, че готвенето в планината ще отнеме почти половината от времето. За топлинна обработка на продуктите е необходима определена температура.
Смята се, че на височина от 500 метра над морското равнище водата ще кипи при 98,3 C, а на височина от 3000 метра точката на кипене ще бъде 90 C.
Имайте предвид, че този закон се прилага и за обратна посока. Ако течност се постави в затворена колба, през която парата не може да премине, тогава с повишаване на температурата и образуване на пара налягането в тази колба ще се увеличи и кипи при високо кръвно наляганеще се случи при по-висока температура. Например, при налягане от 490,3 kPa, точката на кипене на водата ще бъде 151 C.
Вряща дестилирана вода
Дестилираната вода е пречистена вода без никакви примеси. Често се използва за медицински или технически цели. Като се има предвид, че в такава вода няма примеси, тя не се използва за готвене. Интересно е да се отбележи, че дестилираната вода кипи по-бързо от обикновената прясна вода, но точката на кипене остава същата – 100 градуса. Разликата във времето на кипене обаче ще бъде минимална - само част от секундата.
в чайник
Често хората се интересуват от това каква температура кипи водата в чайник, тъй като именно тези устройства използват за варене на течности. Като се има предвид факта, че атмосферното налягане в апартамента е равно на стандартното, а използваната вода не съдържа соли и други примеси, които не трябва да има, тогава точката на кипене също ще бъде стандартна - 100 градуса. Но ако водата съдържа сол, тогава температурата на кипене, както вече знаем, ще бъде по-висока.
Заключение
Сега знаете при каква температура кипи водата и как атмосферното налягане и съставът на течността влияят на този процес. В това няма нищо сложно и децата получават такава информация в училище. Основното нещо, което трябва да запомните, е, че с намаляване на налягането точката на кипене на течността също намалява, а с увеличаването й също се увеличава.
В интернет можете да намерите много различни маси, където зависимостта на точката на кипене на течност от атмосферно налягане. Те са достъпни за всички и се използват активно от ученици, студенти и дори учители в институти.
От горните разсъждения става ясно, че точката на кипене на течността трябва да зависи от външно налягане. Наблюденията потвърждават това.
Колкото по-голямо е външното налягане, толкова по-висока е точката на кипене. Така че в парен котел при налягане, достигащо 1,6 10 6 Pa, водата не кипи дори при температура от 200 °C. V лечебни заведениявряща вода в херметически затворени съдове - автоклави (фиг. 6.11) също се случва при повишено налягане. Следователно, точката на кипене е много по-висока от 100 °C. Автоклавите се използват за стерилизиране на хирургически инструменти, превръзки и др.
Обратно, като намаляваме външното налягане, по този начин понижаваме точката на кипене. Под звънеца на въздушната помпа можете да накарате водата да заври при стайна температура (фиг. 6.12). Докато се изкачвате по планините, атмосферното налягане намалява, така че температурата на кипене намалява. На височина 7134 m (връх Ленин в Памир) налягането е приблизително 4 10 4 Pa (300 mm Hg). Водата кипи там при около 70°C. При тези условия е невъзможно да се готви, например, месо.
Фигура 6.13 показва зависимостта на точката на кипене на водата от външното налягане. Лесно е да се види, че тази крива също е крива, изразяваща зависимостта на налягането на наситената водна пара от температурата.
Разликата в точките на кипене на течности
Всяка течност има своя собствена точка на кипене. Разликата в точките на кипене на течностите се определя от разликата в налягането на техните наситени пари при една и съща температура. Например, етерните пари вече при стайна температура имат налягане, по-голямо от половината от атмосферното налягане. Следователно, за да може налягането на етерните пари да стане равно на атмосферното, е необходимо леко повишаване на температурата (до 35 ° C). В живака наситените пари имат много незначително налягане при стайна температура. Налягането на парите на живака става равно на атмосферното само със значително повишаване на температурата (до 357 ° C). Именно при тази температура, ако външното налягане е 105 Pa, живакът кипи.
Разликата в точките на кипене на веществата е от голяма полза в технологиите, например при отделянето на петролни продукти. При нагряване на маслото се изпаряват преди всичко най-ценните му летливи части (бензин), които по този начин могат да се отделят от „тежките“ остатъци (масла, мазут).
Течността кипи при натиск наситена парав сравнение с налягането вътре в течността.
§ 6.6. Топлина на изпаряване
Необходима ли е енергия, за да се превърне течността в пара? Вероятно да! Не е ли?
Отбелязахме (виж § 6.1), че изпаряването на течност е придружено от нейното охлаждане. За да се поддържа температурата на изпаряващата се течност непроменена, топлината трябва да се подава към нея отвън. Разбира се, самата топлина може да се пренесе в течност от околните тела. Така водата в чашата се изпарява, но температурата на водата, която е малко по-ниска от температурата на околния въздух, остава непроменена. Топлината се прехвърля от въздуха към водата, докато цялата вода се изпари.
За да поддържа водата (или друга течност) вряща, трябва непрекъснато да се подава топлина към нея, например чрез нагряване с горелка. В този случай температурата на водата и съда не се повишава, но всяка секунда се образува определено количество пара.
По този начин, за да се превърне течността в пара чрез изпаряване или чрез кипене, е необходим приток на топлина. Количеството топлина, необходимо за превръщане на дадена маса течност в пара при същата температура, се нарича топлина на изпаряване на тази течност.
За какво се използва енергията, доставяна на тялото? На първо място, за да увеличи вътрешната си енергия по време на прехода от течно към газообразно състояние: в края на краищата в този случай обемът на веществото се увеличава от обема на течността до обема на наситената пара. Следователно средното разстояние между молекулите се увеличава, а оттам и тяхната потенциална енергия.
Освен това, когато обемът на веществото се увеличава, се извършва работа срещу силите на външно налягане. Тази част от топлината на изпаряване при стайна температура обикновено е няколко процента от общата топлина на изпаряване.
Топлината на изпаряване зависи от вида на течността, нейната маса и температура. Зависимостта на топлината на изпаряване от вида на течността се характеризира със стойност, наречена специфична топлина на изпаряване.
Специфичната топлина на изпаряване на дадена течност е съотношението на топлината на изпаряване на течността към нейната маса:
(6.6.1)
където r - специфична топлинаизпаряване на течност; т- маса на течността; В не неговата топлина на изпаряване. Единицата SI за специфична топлина на изпаряване е джаул на килограм (J/kg).
Специфичната топлина на изпаряване на водата е много висока: 2,256 10 6 J/kg при температура 100 °C. За други течности (алкохол, етер, живак, керосин и др.) специфичната топлина на изпаряване е 3-10 пъти по-малка.
Тъй като налягането на наситените пари се определя еднозначно от температурата и кипенето на течност настъпва в момента, когато налягането на наситените пари на тази течност е равно на външното налягане, температурата на кипене трябва да зависи от външното налягане . С помощта на експерименти е лесно да се покаже, че с намаляване на външното налягане точката на кипене намалява, а с увеличаване на налягането се повишава.
Кипенето на течност при понижено налягане може да бъде показано със следния експеримент. Изсипете чешмяна вода в чаша и спуснете термометър в нея. Под стъкления купол на вакуумния блок се поставя чаша вода и помпата се включва. Когато налягането под капачката падне достатъчно, водата в чашата започва да кипи. Тъй като енергията се изразходва за изпаряване, температурата на водата в чашата започва да намалява по време на кипене и когато помпата работи добре, водата накрая замръзва.
Загряване на водата до високи температуриизвършва се в котли и автоклави. Устройството за автоклав е показано на фиг. 8.6, където K е предпазен клапан, е лост, натискащ клапана, M е манометър. При налягане над 100 atm водата се нагрява до температури над 300 °C.
Таблица 8.2. Точки на кипене на някои вещества
Точката на кипене на течност при нормално атмосферно налягане се нарича точка на кипене. От таблицата. 8.1 и 8.2 е ясно, че налягането на наситените пари за етер, вода и алкохол при точката на кипене е 1,013 105 Pa (1 atm).
От гореизложеното следва, че в дълбоките мини водата трябва да кипи при температури над 100 °C, а в планински райони- под 100 °С. Тъй като точката на кипене на водата зависи от височината над морското равнище, по скалата на термометъра, вместо температура, можете да посочите височината, на която водата кипи при тази температура. Определянето на височината с помощта на такъв термометър се нарича хипсометрия.
Опитът показва, че точката на кипене на разтвора винаги е по-висока от точката на кипене на чист разтворител и се увеличава с увеличаване на концентрацията на разтвора. Въпреки това, температурата на парата над повърхността на кипящ разтвор е равна на точката на кипене на чист разтворител. Следователно, за да се определи точката на кипене на чиста течност, е по-добре да поставите термометър не в течност, а в пара над повърхността на кипяща течност.
Процесът на кипене е тясно свързан с наличието на разтворен газ в течността. Ако разтвореният в него газ се отстрани от течността, например чрез продължително кипене, тогава тази течност може да се нагрее до температура, значително по-висока от нейната точка на кипене. Такава течност се нарича прегрята. При липса на газови мехурчета, образуването на най-малките парни мехурчета, които биха могли да станат центрове на изпаряване, се предотвратява от налягането на Лаплас, което е голямо за малък радиус на мехурчетата. Това обяснява прегряването на течността. Когато заври, кипи много бурно.
Кипене- това е изпаряване, което се случва едновременно както от повърхността, така и от целия обем на течността. Състои се във факта, че многобройни мехурчета изскачат и се спукат, причинявайки характерно кипене.
Както показва опитът, кипенето на течност при дадено външно налягане започва при съвсем определена температура, която не се променя по време на процеса на кипене и може да възникне само когато енергията се подава отвън в резултат на пренос на топлина (фиг. 1) :
където L е специфичната топлина на изпаряване при точката на кипене.
Механизъм на кипене: в течност винаги има разтворен газ, чиято степен на разтваряне намалява с повишаване на температурата. Освен това по стените на съда има адсорбиран газ. Когато течността се нагрява отдолу (фиг. 2), газът започва да се отделя под формата на мехурчета близо до стените на съда. Течността се изпарява в тези мехурчета. Следователно, в допълнение към въздуха, те съдържат наситена пара, чието налягане се увеличава бързо с повишаване на температурата, а мехурчетата нарастват по обем и, следователно, действащите върху тях сили на Архимед се увеличават. Когато плаващата сила стане по-голяма от гравитацията на балона, той започва да плава. Но докато течността се нагрее равномерно, докато се издига, обемът на мехурчето намалява (налягането на наситените пари намалява с понижаване на температурата) и, преди да достигнат свободната повърхност, мехурчетата изчезват (колапсират) (фиг. 2, а), поради което чуваме характерен шум преди кипене. Когато температурата на течността се изравни, обемът на мехурчето ще се увеличава с издигането му, тъй като налягането на наситените пари не се променя, а външното налягане върху балона, което е сумата от хидростатичното налягане на течността над балона и атмосферното налягане намалява. Мехурът достига свободната повърхност на течността, пука се и наситената пара излиза (фиг. 2, б) - течността кипи. Налягането на наситените пари в мехурчетата е практически равно на външното налягане.
Нарича се температурата, при която налягането на наситените пари на течността е равно на външното налягане върху свободната й повърхност точка на кипенетечности.
Тъй като налягането на наситените пари се увеличава с повишаване на температурата и по време на кипене трябва да бъде равно на външното налягане, температурата на кипене се увеличава с увеличаване на външното налягане.
Точката на кипене също зависи от наличието на примеси, обикновено се увеличава с увеличаване на концентрацията на примеси.
Ако течността първо се освободи от разтворения в нея газ, тогава тя може да бъде прегрята, т.е. топлина над точката на кипене. Това е нестабилно състояние на течността. Достатъчно малко разклащане и течността кипи, а температурата й веднага пада до точката на кипене.
Центрове за изпаряване.За процеса на кипене е необходимо да съществуват нехомогенности в течността - ядрата на газовата фаза, които играят ролята на центрове на изпаряване. Обикновено в течността присъстват разтворени газове, които се отделят от мехурчета по дъното и стените на съда и от прахови частици, суспендирани в течността. При нагряване тези мехурчета се увеличават както поради намаляване на разтворимостта на газовете с температура, така и поради изпаряването на течността в тях. Мехурчетата с увеличен обем изплуват нагоре под действието на архимедовата сила на плаваемост. Ако горните слоеве на течността имат повече ниска температура, то поради кондензация на парите, налягането в тях рязко спада и мехурчетата се „свиват“ с характерен шум. Когато цялата течност се затопли до точката на кипене, мехурчетата спират да се срутват и изплуват на повърхността: цялата течност кипи.
Билет номер 15
1. Разпределение на температурата по радиуса на цилиндричен горивен елемент.
Всеки знае, че точката на кипене на водата при нормално атмосферно налягане (около 760 mm Hg) е 100 °C. Но не всеки знае, че водата може да заври, когато различна температура. Точката на кипене зависи от редица фактори. Ако се задействат определени условия, водата може да заври и при +70 °C, и при +130 °C, и дори при 300 °C! Нека разгледаме причините по-подробно.
От какво зависи точката на кипене на водата?
Врянето на вода в контейнер става по определен механизъм. В процеса на нагряване на течността по стените на съда, в който се излива, се появяват въздушни мехурчета. Вътре във всеки мехур има пара. Температурата на парата в мехурчетата първоначално е много по-висока от нагрятата вода. Но налягането му през този период е по-високо, отколкото вътре в мехурчетата. Докато водата се затопли, парата в мехурчетата се компресира. След това, под въздействието на външно налягане, мехурчетата се спукват. Процесът продължава, докато температурите на течността и парата в мехурчетата се изравнят. Точно сега топките с пара могат да се издигнат на повърхността. Водата започва да кипи. Освен това процесът на нагряване спира, тъй като излишната топлина се отвежда с пара навън в атмосферата. Това е термодинамично равновесие. Припомнете си физиката: налягането на водата се състои от теглото на самата течност и налягането на въздуха над съда с вода. По този начин, чрез промяна на един от двата параметъра (налягането на течността в съда и налягането на атмосферата), е възможно да се промени точката на кипене.
Каква е точката на кипене на водата в планината?
В планините температурата на кипене на течността постепенно спада. Това се дължи на факта, че атмосферното налягане постепенно намалява при изкачване на планина. За да заври водата, налягането в мехурчетата, които се появяват при нагряването на водата, трябва да е равно на атмосферното налягане. Следователно, с увеличаване на надморската височина в планините на всеки 300 m, точката на кипене на водата намалява с приблизително един градус. Такава вряща вода не е толкова гореща, колкото врящата течност в равнинната страна. На голяма надморска височина е трудно, а понякога и невъзможно да се направи чай. Зависимостта на врящата вода от налягането изглежда така:
Височина над морското равнище | ||||||||
Точка на кипене |
А при други условия?
Каква е точката на кипене на водата във вакуум? Вакуумът е разредена среда, в която налягането е много по-ниско от атмосферното. Точката на кипене на водата в разредена среда също зависи от остатъчното налягане. При вакуумно налягане от 0,001 атм. течността ще заври при 6,7°C. Обикновено остатъчното налягане е около 0,004 атм., Следователно при това налягане водата кипи при 30 ° C. С увеличаване на налягането в разредена среда, точката на кипене на течността ще се увеличи.
Защо водата кипи при по-висока температура в запечатан съд?
В херметически затворен съд точката на кипене на течността е свързана с налягането вътре в съда. В процеса на нагряване се отделя пара, която се утаява като кондензат върху капака и стените на съда. По този начин налягането вътре в съда се увеличава. Например, в тенджера под налягане налягането достига 1,04 атм., Следователно течността кипи в нея при 120 ° C. Обикновено в такива контейнери налягането може да се регулира с помощта на вградени клапани, а следователно и температурата.