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 - специфична топлинаизпаряване 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, то с повишаване външно наляганеточката на кипене се повишава.
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.
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.
Водата се загрява до високи температури в бойлери 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.
Температура на кипене спрямо налягане
Точката на кипене на водата е 100 °C; някой може да си помисли, че това е присъщо свойство на водата, че водата, където и при какви условия да е, винаги ще кипи при 100°C.
Но това не е така и жителите на високопланинските села са наясно с това.
Близо до върха на Елбрус има къща за туристи и научна станция. Начинаещите понякога се чудят „колко е трудно да се свари яйце във вряща вода“ или „защо врящата вода не гори“. В тези случаи им се казва, че водата кипи на върха на Елбрус вече при 82 ° C.
Какво има тук? Какъв физически фактор пречи на явлението кипене? Какво е значението на надморската височина?
Този физически фактор е налягането, действащо върху повърхността на течността. Не е нужно да се изкачвате на върха на планината, за да проверите валидността на казаното.
Поставяйки нагрята вода под камбаната и изпомпвайки въздух вътре или извън нея, може да се убеди, че точката на кипене се повишава с увеличаване на налягането и пада с намаляващо налягане.
Водата кипи при 100 °C само при определено налягане - 760 mm Hg.
Кривата на точката на кипене спрямо налягането е показана на фиг. 98. На върха на Елбрус налягането е 0,5 атм и това налягане съответства на точка на кипене от 82 ° C.
Но с вода, кипяща при 10–15 mm Hg, можете да се освежите горещо време. При това налягане точката на кипене ще спадне до 10-15 °C.
Можете дори да получите "вряща вода", която има температурата на замръзнала вода. За да направите това, ще трябва да намалите налягането до 4,6 mm Hg.
Интересна картина може да се наблюдава, ако поставите открит съд с вода под камбаната и изпомпате въздуха. Изпомпването ще доведе до кипене на водата, но кипенето изисква топлина. Няма откъде да се вземе, а водата ще трябва да се откаже от енергията си. Температурата на врящата вода ще започне да пада, но с продължаването на изпомпването ще се понижи и налягането. Следователно кипенето няма да спре, водата ще продължи да се охлажда и в крайна сметка ще замръзне.
Такъв кипене студена водавъзниква не само при изпомпване на въздух. Например, когато витлото на кораба се върти, налягането в слоя вода, който се движи бързо близо до метална повърхност, рязко пада и водата в този слой кипи, т.е. в него се появяват множество пълни с пара мехурчета. Това явление се нарича кавитация (от латинската дума cavitas - кухина).
Понижавайки налягането, ние понижаваме точката на кипене. Какво ще кажете за увеличаването му? Графика като нашата отговаря на този въпрос. Налягане от 15 атм може да забави кипенето на водата, то ще започне само при 200 ° C, а налягане от 80 атм ще накара водата да заври само при 300 ° C.
И така, определено външно налягане съответства на определена точка на кипене. Но това твърдение също може да бъде „преобърнато“, като се каже това: всяка точка на кипене на водата съответства на собственото си специфично налягане. Това налягане се нарича налягане на парите.
Кривата, изобразяваща точката на кипене като функция от налягането, е също кривата на налягането на парите като функция от температурата.
Фигурите, нанесени на графика на точката на кипене (или графика на налягането на парите), показват, че налягането на парите се променя много бързо с температурата. При 0 °C (т.е. 273 K) налягането на парите е 4,6 mm Hg, при 100 °C (373 K) е 760 mm, т.е. нараства 165 пъти. Когато температурата се удвои (от 0 °C, т.е. 273 K, до 273 °C, т.е. 546 K), налягането на парите се увеличава от 4,6 mm Hg до почти 60 atm, т.е. около 10 000 пъти.
Следователно, напротив, точката на кипене се променя доста бавно с налягане. Когато налягането се удвои - от 0,5 атм до 1 атм, точката на кипене се повишава от 82 °C (т.е. 355 K) до 100 °C (т.е. 373 K) и когато се удвои от 1 атм на 2 атм - от 100 °C ( т.е. 373 К) до 120 °C (т.е. 393 К).
Същата крива, която сега разглеждаме, също контролира кондензацията (удебеляването) на парата във вода.
Парата може да се превърне във вода чрез компресиране или охлаждане.
Както по време на кипене, така и по време на кондензация, точката няма да се измести от кривата, докато не завърши превръщането на пара във вода или вода в пара. Това може да се формулира и по следния начин: при условията на нашата крива и само при тези условия е възможно съвместното съществуване на течност и пара. Ако в същото време топлината не се подава или отстранява, тогава количествата пара и течност в затворен съдще остане непроменен. Такава пара и течност се казва, че са в равновесие, а пара в равновесие с течността се казва, че е наситена.
Кривата на кипене и кондензация, както виждаме, има друго значение - това е равновесната крива на течност и пара. Равновесната крива разделя полето на диаграмата на две части. наляво и нагоре (до високи температурии по-ниски налягания) има област на стационарно състояние на пара. Вдясно и надолу е областта на стабилното състояние на течността.
Крива на равновесие пара-течност, т.е. кривата на зависимостта на точката на кипене от налягането или, което е същото, налягането на парите от температурата, е приблизително еднаква за всички течности. В някои случаи промяната може да е малко по-рязка, в други малко по-бавна, но винаги парното налягане нараства бързо с повишаване на температурата.
Използвали сме думите "газ" и "пара" много пъти. Тези две думи са почти еднакви. Можем да кажем: водният газ е парата на водата, газът кислород е парата на кислородна течност. Въпреки това се е развил известен навик в използването на тези две думи. Тъй като сме свикнали с определен относително малък температурен диапазон, обикновено прилагаме думата "газ" за онези вещества, чието парно налягане при обикновени температури е над атмосферното налягане. Напротив, ние говорим за двойка, когато стайна температураи атмосферно налягане, веществото е по-стабилно под формата на течност.
От книгата Физиците продължават да се шегуват авторът Конобеев ЮрийОтносно квантовата теория на абсолютната нулева температура D. Back, G. Bethe, W. Ritzler (Cambridge) „За квантовата теория на абсолютната нулева температура“ и бележки, чиито преводи са поставени по-долу: За квантовата теория на абсолютната нула температура Движение на долната челюст в голям
От книгата Физиката се шегува авторът Конобеев ЮрийОтносно квантовата теория на абсолютната нулева температура По-долу е даден превод на бележката „написана от известни физиции публикувана в Natur-wissenschaften. Редакторите на списанието „попаднаха на въдицата на големи имена“ и, без да навлизат в същността на написаното, изпратиха получения материал до
От книгата Медицинска физика автор Подколзина Вера Александровна6. Математическа статистика и корелационна зависимост Математическата статистика е наука за математически методисистематизиране и използване на статистически данни за решаване на научни и практически проблеми. Математическата статистика тясно се доближава до теорията на автора
От книгата на автораПромяна в налягането с надморска височина С промяна на надморската височина налягането намалява. Това е изяснено за първи път от французина Перие от името на Паскал през 1648 г. Връх Пю де Доум, близо до който е живял Перие, е бил висок 975 м. Измерванията показват, че живак в торицелиева тръба пада при изкачване
От книгата на автораВлиянието на налягането върху точката на топене Ако налягането се промени, точката на топене също ще се промени. Срещахме се със същата закономерност, когато говорихме за кипене. Колкото по-високо е налягането, толкова по-висока е точката на кипене. По правило това важи и за топенето. но
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.
За приготвяне на различни вкусна храна, често е необходима вода, а ако се загрее, рано или късно ще заври. В същото време всеки образован човек знае, че водата започва да кипи при температура, равна на сто градуса по Целзий, и температурата й не се променя при по-нататъшно нагряване. Именно това свойство на водата се използва при готвене. Не всеки обаче знае, че това не винаги е така. Водата може да заври при различна температурав зависимост от условията, в които се намира. Нека се опитаме да разберем от какво зависи точката на кипене на водата и как да я използваме.
При нагряване температурата на водата се доближава до точката на кипене и в целия обем се образуват множество мехурчета, вътре в които има водна пара. Плътността на парите е по-малка от плътността на водата, така че силата на Архимед, действаща върху мехурчетата, ги издига на повърхността. В същото време обемът на мехурчетата се увеличава или намалява, така че врящата вода издава характерни звуци. Достигайки до повърхността, мехурчетата с водна пара се пукат, поради тази причина врящата вода бълбука интензивно, отделяйки водна пара.
Точката на кипене зависи изрично от налягането, упражнявано върху повърхността на водата, което се обяснява със зависимостта на налягането на наситените пари в мехурчетата от температурата. В този случай количеството пара вътре в мехурчетата, а с това и техният обем, се увеличават, докато налягането на наситените пари надвиши налягането на водата. Това налягане е сумата от хидростатичното налягане на водата, дължащо се на гравитационното привличане към Земята, и външното атмосферно налягане. Следователно точката на кипене на водата се увеличава с повишаване на атмосферното налягане и намалява с неговото намаляване. Само в случай на нормално атмосферно налягане от 760 mm Hg. (1 атм.) водата кипи при 100 0 C. Графиката на зависимостта на точката на кипене на водата от атмосферното налягане е представена по-долу:
От графиката се вижда, че ако увеличим Атмосферно наляганедо 1,45 атм, тогава водата ще заври вече при 110 0 С. При налягане на въздуха от 2,0 атм. водата ще заври при 120 0 С и т.н. Повишаването на точката на кипене на водата може да се използва за ускоряване и подобряване на процеса на готвене на горещи храни. За да направят това, те изобретяват тенджери под налягане - тенджери със специален херметически затворен капак, оборудвани със специални клапани за регулиране на температурата на кипене. Поради херметичността налягането в тях се повишава до 2-3 атм., което осигурява точка на кипене на водата от 120-130 0 C. Въпреки това, трябва да се помни, че използването на тенджери под налягане е изпълнено с опасност: парата излиза от тях има голям натиски висока температура. Затова трябва да бъдете възможно най-внимателни, за да не се изгорите.
Обратният ефект се наблюдава при понижаване на атмосферното налягане. В този случай точката на кипене също намалява, което се случва с увеличаване на надморската височина над морското равнище:
Средно при изкачване на 300 м температурата на кипене на водата намалява с 1 0 С и доста високо в планините пада до 80 0 С, което може да доведе до известни затруднения при готвене.
Ако обаче налягането се намали допълнително, например чрез изпомпване на въздух от съд с вода, тогава при налягане на въздуха от 0,03 атм. водата ще заври вече при стайна температура и това е доста необичайно, тъй като обичайната точка на кипене на водата е 100 0 C.