Pour préparer divers nourriture délicieuse, l'eau est souvent nécessaire, et si elle est chauffée, elle bouillira tôt ou tard. Dans le même temps, toute personne éduquée sait que l'eau commence à bouillir à une température égale à cent degrés Celsius et que sa température ne change pas avec un chauffage supplémentaire. C'est cette propriété de l'eau qui est utilisée en cuisine. Cependant, tout le monde ne sait pas que ce n'est pas toujours le cas. L'eau peut bouillir à température différente selon les conditions dans lesquelles il se trouve. Essayons de comprendre de quoi dépend le point d'ébullition de l'eau et comment l'utiliser.
Lorsqu'elle est chauffée, la température de l'eau se rapproche du point d'ébullition et de nombreuses bulles se forment dans tout le volume, à l'intérieur duquel se trouve de la vapeur d'eau. La densité de vapeur est inférieure à la densité de l'eau, de sorte que la force d'Archimède agissant sur les bulles les soulève à la surface. Dans le même temps, le volume des bulles augmente ou diminue, de sorte que l'eau bouillante produit des sons caractéristiques. En atteignant la surface, les bulles de vapeur d'eau éclatent, c'est pourquoi l'eau bouillante gargouille intensément, libérant de la vapeur d'eau.
Le point d'ébullition dépend explicitement de la pression exercée à la surface de l'eau, ce qui s'explique par la dépendance à la pression vapeur saturée, situé dans les bulles, sur la température. Dans ce cas, la quantité de vapeur à l'intérieur des bulles, et avec elle leur volume, augmente jusqu'à ce que la pression de vapeur saturante dépasse la pression de l'eau. Cette pression est la somme de la pression hydrostatique de l'eau, due à l'attraction gravitationnelle de la Terre, et de la pression atmosphérique extérieure. Par conséquent, le point d'ébullition de l'eau augmente avec l'augmentation de la pression atmosphérique et diminue avec sa diminution. Uniquement dans le cas d'une pression atmosphérique normale de 760 mm Hg. (1 atm.) l'eau bout à 100 0 C. Le graphique de la dépendance du point d'ébullition de l'eau à la pression atmosphérique est présenté ci-dessous:
Le graphique montre que si vous augmentez la pression atmosphérique à 1,45 atm, l'eau bouillira déjà à 110 0 C. À une pression atmosphérique de 2,0 atm. l'eau bouillira à 120 0 C et ainsi de suite. L'augmentation du point d'ébullition de l'eau peut être utilisée pour accélérer et améliorer le processus de cuisson des aliments chauds. Pour ce faire, ils ont inventé des autocuiseurs - des casseroles avec un couvercle hermétique spécial, équipées de vannes spéciales pour réguler la température d'ébullition. En raison de l'étanchéité, la pression monte à 2-3 atm., ce qui fournit un point d'ébullition de l'eau de 120-130 0 C. Cependant, il ne faut pas oublier que l'utilisation d'autocuiseurs est pleine de dangers: la vapeur provenant parmi eux a grande pression et haute température. Par conséquent, vous devez être aussi prudent que possible pour ne pas vous brûler.
L'effet inverse est observé si la pression atmosphérique diminue. Dans ce cas, le point d'ébullition diminue également, ce qui se produit avec une augmentation de l'altitude au-dessus du niveau de la mer :
En moyenne, en montant 300 m, le point d'ébullition de l'eau baisse de 1 0 C et assez haut en montagne descend jusqu'à 80 0 C, ce qui peut entraîner quelques difficultés de cuisson.
Si, toutefois, la pression est encore réduite, par exemple en pompant de l'air hors d'un récipient avec de l'eau, alors à une pression d'air de 0,03 atm. l'eau bouillira à température ambiante, et c'est assez inhabituel, puisque le point d'ébullition habituel de l'eau est de 100 0 C.
La vaporisation peut se produire non seulement à la suite de l'évaporation, mais également pendant l'ébullition. Considérons l'ébullition du point de vue énergétique.
Une certaine quantité d'air est toujours dissoute dans un liquide. Lorsqu'un liquide est chauffé, la quantité de gaz dissous dans celui-ci diminue, à la suite de quoi une partie de celui-ci est libérée sous forme de petites bulles sur le fond et les parois du récipient et sur des particules solides non dissoutes en suspension dans le liquide. Le liquide s'évapore dans ces bulles d'air. Au fil du temps, les vapeurs qu'ils contiennent deviennent saturées. Avec un chauffage supplémentaire, la pression de vapeur saturée à l'intérieur des bulles et leur volume augmentent. Lorsque la pression de vapeur à l'intérieur des bulles devient égale à la pression atmosphérique, elles remontent à la surface du liquide sous l'action de la poussée d'Archimède, éclatent et de la vapeur s'en échappe. La vaporisation, qui se produit simultanément à la fois à la surface du liquide et à l'intérieur du liquide lui-même dans des bulles d'air, est appelée ébullition. La température à laquelle la pression vapeurs saturées dans les bulles devient égale à la pression extérieure, s'appelle point d'ébullition.
Puisqu'à la même température les pressions de vapeurs saturées de divers liquides sont différentes, alors à diverses températures ils deviennent égaux pression atmosphérique. Cela fait bouillir différents liquides à différentes températures. Cette propriété des liquides est utilisée dans la sublimation des produits pétroliers. Lorsque l'huile est chauffée, ses parties volatiles les plus précieuses (l'essence) sont les premières à s'évaporer, qui sont ainsi séparées des résidus "lourds" (huiles, fioul).
Du fait que l'ébullition se produit lorsque la pression de vapeur saturante est égale à la pression extérieure sur le liquide, il s'ensuit que le point d'ébullition du liquide dépend de pression extérieure. S'il est augmenté, le liquide bout à une température plus élevée, car les vapeurs saturées ont besoin de plus Chauffer. A l'inverse, à pression réduite, le liquide bout à une température plus basse. Cela peut être vérifié par l'expérience. Nous chauffons l'eau dans le ballon à ébullition et retirons la lampe à alcool (Fig. 37, a). L'ébullition de l'eau s'arrête. Après avoir fermé le flacon avec un bouchon, nous commencerons à en retirer l'air et la vapeur d'eau à l'aide d'une pompe, réduisant ainsi la pression sur l'eau, qui "bouillonne à la suite de cela. Faire bouillir dans un flacon ouvert, pomper de l'air dans le ballon augmentera la pression sur l'eau (Fig. 37, b) Son ébullition s'arrête. 1 atm l'eau bout à 100°C et à 10 heures- à 180°C. Cette dépendance est utilisée, par exemple, dans les autoclaves, en médecine pour la stérilisation, en cuisine pour accélérer la cuisson des produits alimentaires.
Pour qu'un liquide commence à bouillir, il doit être chauffé au point d'ébullition. Pour ce faire, il est nécessaire de transmettre de l'énergie au liquide, par exemple la quantité de chaleur Q \u003d cm (t ° à - t ° 0). Lors de l'ébullition, la température d'un liquide reste constante. Cela se produit parce que la quantité de chaleur rapportée pendant l'ébullition n'est pas dépensée pour augmenter l'énergie cinétique des molécules du liquide, mais pour rompre les liaisons moléculaires, c'est-à-dire la vaporisation. Lors de la condensation de la vapeur, selon la loi de conservation de l'énergie, elle dégage environnement la quantité de chaleur dépensée pour la vaporisation. La condensation a lieu au point d'ébullition, qui reste constant pendant le processus de condensation. (Expliquer pourquoi).
Faisons une équation bilan thermique lors de la vaporisation et de la condensation. La vapeur, prise au point d'ébullition du liquide, pénètre dans l'eau du calorimètre par le tube A. (Fig. 38, a), s'y condense, lui donnant la quantité de chaleur dépensée pour l'obtenir. Dans ce cas, l'eau et le calorimètre reçoivent une quantité de chaleur non seulement de la condensation de la vapeur, mais aussi du liquide qui en est extrait. Données grandeurs physiques sont données dans le tableau. 3.
La vapeur de condensation a dégagé la quantité de chaleur Q p \u003d rm 3(Fig. 38, b). Le liquide obtenu à partir de la vapeur, refroidi de t ° 3 à θ °, a cédé la quantité de chaleur Q 3 \u003d c 2 m 3 (t 3 ° - θ °).
Le calorimètre et l'eau, chauffant de t ° 2 à θ ° (Fig. 38, c), ont reçu la quantité de chaleur
Q 1 \u003d c 1 m 1 (θ ° - t ° 2); Q 2 \u003d c 2 m 2 (θ ° - t ° 2).
Basé sur la loi de la conservation et de la transformation de l'énergie
Q p + Q 3 \u003d Q 1 + Q 2,
Il ressort du raisonnement ci-dessus que le point d'ébullition d'un liquide doit dépendre de la pression extérieure. Les observations le confirment.
Plus la pression externe est élevée, plus le point d'ébullition est élevé. Ainsi, dans une chaudière à vapeur à une pression atteignant 1,6 10 6 Pa, l'eau ne bout pas même à une température de 200 °C. À établissements médicaux l'eau bouillante dans des récipients hermétiquement fermés - autoclaves (Fig. 6.11) se produit également lorsque hypertension artérielle. Par conséquent, le point d'ébullition est bien supérieur à 100 ° C. Les autoclaves sont utilisés pour stériliser les instruments chirurgicaux, les pansements, etc.
A l'inverse, en diminuant la pression extérieure, on abaisse ainsi le point d'ébullition. Sous la cloche de la pompe à air, vous pouvez faire bouillir de l'eau à température ambiante (Fig. 6.12). Lorsque vous escaladez des montagnes, la pression atmosphérique diminue, donc le point d'ébullition diminue. A une altitude de 7134 m (pic Lénine dans le Pamir), la pression est d'environ 4 10 4 Pa (300 mm Hg). L'eau y bout à environ 70°C. Il est impossible de cuire, par exemple, de la viande dans ces conditions.
La figure 6.13 montre la dépendance du point d'ébullition de l'eau à la pression externe. Il est facile de voir que cette courbe est aussi une courbe exprimant la dépendance de la pression de vapeur d'eau saturante à la température.
La différence des points d'ébullition des liquides
Chaque liquide a son propre point d'ébullition. La différence des points d'ébullition des liquides est déterminée par la différence de pression de leurs vapeurs saturées à la même température. Par exemple, la vapeur d'éther déjà à température ambiante a une pression supérieure à la moitié de la pression atmosphérique. Par conséquent, pour que la pression de vapeur d'éther devienne égale à la pression atmosphérique, une légère augmentation de la température (jusqu'à 35 ° C) est nécessaire. Dans le mercure, les vapeurs saturées ont une pression très négligeable à température ambiante. La pression de vapeur du mercure ne devient égale à la pression atmosphérique qu'avec une augmentation significative de la température (jusqu'à 357 ° C). C'est à cette température, si la pression extérieure est de 105 Pa, que le mercure bout.
La différence des points d'ébullition des substances est d'une grande utilité en technologie, par exemple, dans la séparation des produits pétroliers. Lorsque l'huile est chauffée, ses parties volatiles les plus précieuses (essence) s'évaporent en premier, qui peuvent ainsi être séparées des résidus "lourds" (huiles, fioul).
Un liquide bout lorsque sa pression de vapeur saturante est égale à la pression à l'intérieur du liquide.
§6.6. Chaleur de vaporisation
Faut-il de l'énergie pour transformer un liquide en vapeur ? Probablement oui! N'est-ce pas?
Nous avons constaté (voir § 6.1) que l'évaporation d'un liquide s'accompagne de son refroidissement. Pour maintenir la température du liquide en évaporation inchangée, de la chaleur doit lui être fournie de l'extérieur. Bien sûr, la chaleur elle-même peut être transférée au liquide à partir des corps environnants. Ainsi, l'eau dans le verre s'évapore, mais la température de l'eau, qui est légèrement inférieure à la température de l'air ambiant, reste inchangée. La chaleur est transférée de l'air à l'eau jusqu'à ce que toute l'eau se soit évaporée.
Pour maintenir l'eau (ou tout autre liquide) en ébullition, il faut également lui apporter de la chaleur en continu, par exemple en la chauffant avec un brûleur. Dans ce cas, la température de l'eau et du récipient n'augmente pas, mais une certaine quantité de vapeur se forme chaque seconde.
Ainsi, pour transformer un liquide en vapeur par évaporation ou par ébullition, un apport de chaleur est nécessaire. La quantité de chaleur nécessaire pour convertir une masse donnée de liquide en vapeur à la même température est appelée la chaleur de vaporisation de ce liquide.
A quoi sert l'énergie fournie au corps ? Tout d'abord, pour augmenter son énergie interne lors du passage d'un état liquide à un état gazeux: après tout, dans ce cas, le volume d'une substance augmente du volume de liquide au volume de vapeur saturée. Par conséquent, la distance moyenne entre les molécules augmente, et donc leur énergie potentielle.
De plus, lorsque le volume d'une substance augmente, un travail est effectué contre les forces de pression externe. Cette partie de la chaleur de vaporisation à température ambiante représente généralement quelques pour cent de la chaleur totale de vaporisation.
La chaleur de vaporisation dépend du type de liquide, de sa masse et de sa température. La dépendance de la chaleur de vaporisation au type de liquide est caractérisée par une valeur appelée chaleur spécifique de vaporisation.
La chaleur spécifique de vaporisation d'un liquide donné est le rapport de la chaleur de vaporisation d'un liquide à sa masse :
(6.6.1)
où r - chaleur spécifique vaporisation de liquide; t- masse de liquide ; Q n est sa chaleur de vaporisation. L'unité SI de la chaleur spécifique de vaporisation est le joule par kilogramme (J/kg).
La chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est très élevée : 2,256 10 6 J/kg à une température de 100 °C. Pour les autres liquides (alcool, éther, mercure, kérosène, etc.), la chaleur spécifique de vaporisation est 3 à 10 fois inférieure.
Ébullition- c'est une vaporisation qui se produit simultanément à la fois depuis la surface et dans tout le volume du liquide. Il consiste dans le fait que de nombreuses bulles apparaissent et éclatent, provoquant un bouillonnement caractéristique.
Comme le montre l'expérience, l'ébullition d'un liquide à une pression externe donnée commence à une température bien définie qui ne change pas pendant le processus d'ébullition et ne peut se produire que lorsque l'énergie est fournie de l'extérieur à la suite d'un transfert de chaleur (Fig. 1) :
où L est la chaleur spécifique de vaporisation au point d'ébullition.
Mécanisme d'ébullition : il y a toujours un gaz dissous dans un liquide, dont le degré de dissolution diminue avec l'augmentation de la température. De plus, il y a du gaz adsorbé sur les parois du récipient. Lorsque le liquide est chauffé par le bas (Fig. 2), le gaz commence à évoluer sous forme de bulles près des parois de la cuve. Le liquide s'évapore dans ces bulles. Par conséquent, en plus de l'air, ils contiennent de la vapeur saturée, dont la pression augmente rapidement avec l'augmentation de la température, et les bulles augmentent de volume et, par conséquent, les forces d'Archimède agissant sur elles augmentent. Lorsque la force de flottabilité devient supérieure à la gravité de la bulle, celle-ci commence à flotter. Mais jusqu'à ce que le liquide soit uniformément chauffé, à mesure qu'il monte, le volume de la bulle diminue (la pression de vapeur saturante diminue avec la température décroissante) et, avant d'atteindre la surface libre, les bulles disparaissent (effondrement) (Fig. 2, a), c'est pourquoi on entend un bruit caractéristique avant l'ébullition. Lorsque la température du liquide s'égalise, le volume de la bulle augmente à mesure qu'elle monte, puisque la pression de vapeur saturante ne change pas, et la pression externe sur la bulle, qui est la somme de la pression hydrostatique du liquide au-dessus de la bulle et la pression atmosphérique, diminue. La bulle atteint la surface libre du liquide, éclate et la vapeur saturée sort (Fig. 2, b) - le liquide bout. La pression de vapeur saturante dans les bulles est pratiquement égale à la pression extérieure.
La température à laquelle la pression de vapeur saturante d'un liquide est égale à la pression extérieure sur sa surface libre est appelée point d'ébullition liquides.
Étant donné que la pression de la vapeur saturée augmente avec l'augmentation de la température et qu'elle doit être égale à la pression externe pendant l'ébullition, la température d'ébullition augmente avec l'augmentation de la pression externe.
Le point d'ébullition dépend également de la présence d'impuretés, augmentant généralement avec l'augmentation de la concentration d'impuretés.
Si le liquide est d'abord libéré du gaz qui y est dissous, il peut alors être surchauffé, c'est-à-dire chauffer au-dessus du point d'ébullition. C'est un état instable du liquide. Une petite secousse suffisante et le liquide bout, et sa température chute immédiatement au point d'ébullition.
Ébullition- c'est une vaporisation qui se produit simultanément à la fois depuis la surface et dans tout le volume du liquide. Il consiste dans le fait que de nombreuses bulles apparaissent et éclatent, provoquant un bouillonnement caractéristique.
Comme le montre l'expérience, l'ébullition d'un liquide à une pression externe donnée commence à une température bien définie qui ne change pas pendant le processus d'ébullition et ne peut se produire que lorsque l'énergie est fournie de l'extérieur à la suite d'un transfert de chaleur (Fig. 1) :
où L est la chaleur spécifique de vaporisation au point d'ébullition.
Mécanisme d'ébullition : il y a toujours un gaz dissous dans un liquide, dont le degré de dissolution diminue avec l'augmentation de la température. De plus, il y a du gaz adsorbé sur les parois du récipient. Lorsque le liquide est chauffé par le bas (Fig. 2), le gaz commence à évoluer sous forme de bulles près des parois de la cuve. Le liquide s'évapore dans ces bulles. Par conséquent, en plus de l'air, ils contiennent de la vapeur saturée, dont la pression augmente rapidement avec l'augmentation de la température, et les bulles augmentent de volume et, par conséquent, les forces d'Archimède agissant sur elles augmentent. Lorsque la force de flottabilité devient supérieure à la gravité de la bulle, celle-ci commence à flotter. Mais jusqu'à ce que le liquide soit uniformément chauffé, à mesure qu'il monte, le volume de la bulle diminue (la pression de vapeur saturante diminue avec la température décroissante) et, avant d'atteindre la surface libre, les bulles disparaissent (effondrement) (Fig. 2, a), c'est pourquoi on entend un bruit caractéristique avant l'ébullition. Lorsque la température du liquide s'égalise, le volume de la bulle augmente à mesure qu'elle monte, puisque la pression de vapeur saturante ne change pas, et la pression externe sur la bulle, qui est la somme de la pression hydrostatique du liquide au-dessus de la bulle et la pression atmosphérique, diminue. La bulle atteint la surface libre du liquide, éclate et la vapeur saturée sort (Fig. 2, b) - le liquide bout. La pression de vapeur saturante dans les bulles est pratiquement égale à la pression extérieure.
La température à laquelle la pression de vapeur saturante d'un liquide est égale à la pression extérieure sur sa surface libre est appelée point d'ébullition liquides.
Étant donné que la pression de la vapeur saturée augmente avec l'augmentation de la température et qu'elle doit être égale à la pression externe pendant l'ébullition, la température d'ébullition augmente avec l'augmentation de la pression externe.
Le point d'ébullition dépend également de la présence d'impuretés, augmentant généralement avec l'augmentation de la concentration d'impuretés.
Si le liquide est d'abord libéré du gaz qui y est dissous, il peut alors être surchauffé, c'est-à-dire chauffer au-dessus du point d'ébullition. C'est un état instable du liquide. Une petite secousse suffisante et le liquide bout, et sa température chute immédiatement au point d'ébullition.
Centres de vaporisation. Pour le processus d'ébullition, il est nécessaire que des inhomogénéités existent dans le liquide - les noyaux de la phase gazeuse, qui jouent le rôle de centres de vaporisation. Habituellement, des gaz dissous sont présents dans le liquide, qui sont libérés par des bulles sur le fond et les parois du récipient et sur des particules de poussière en suspension dans le liquide. Lorsqu'elles sont chauffées, ces bulles augmentent à la fois en raison d'une diminution de la solubilité des gaz avec la température et en raison de l'évaporation du liquide qu'elles contiennent. Les bulles qui ont augmenté de volume flottent sous l'action de la force de flottabilité d'Archimède. Si les couches supérieures du liquide ont plus basse température, puis en raison de la condensation de la vapeur, la pression y chute brusquement et les bulles "s'effondrent" avec un bruit caractéristique. Au fur et à mesure que tout le liquide se réchauffe jusqu'au point d'ébullition, les bulles cessent de s'effondrer et flottent à la surface : tout le liquide bout.
Billet numéro 15
1. Répartition de la température le long du rayon d'un élément combustible cylindrique.