L'ébullition est le processus de modification de l'état d'agrégation d'une substance. Quand on parle d'eau, on entend le passage d'un état liquide à un état vapeur. Il est important de noter que l'ébullition n'est pas une évaporation, qui peut se produire même lorsque température ambiante... Aussi, à ne pas confondre avec l'ébullition, qui est le processus de chauffage de l'eau à une certaine température. Maintenant que nous avons compris les concepts, nous pouvons déterminer à quelle température l'eau bout.
Traiter
Le processus même de conversion de l'état d'agrégation de liquide à gazeux est complexe. Et bien que les gens ne le voient pas, il y a 4 étapes :
- Dans la première étape, de petites bulles se forment au fond du récipient chauffé. Ils peuvent également être vus sur les côtés ou à la surface de l'eau. Ils se forment en raison de l'expansion de bulles d'air, qui sont toujours présentes dans les fissures du récipient où l'eau est chauffée.
- Dans la deuxième étape, le volume des bulles augmente. Tous commencent à se déchirer à la surface, car ils contiennent de la vapeur saturée, qui est plus légère que l'eau. Avec une augmentation de la température de chauffage, la pression des bulles augmente et elles sont poussées vers la surface en raison de la force connue d'Archimède. En même temps, vous pouvez entendre le son d'ébullition caractéristique, qui se forme en raison de l'expansion constante et de la diminution de la taille des bulles.
- Au troisième stade, on peut voir en surface un grand nombre de bulles. Cela crée initialement une eau trouble. Ce processus est communément appelé « faire bouillir avec une clé blanche », et il dure peu de temps.
- Au quatrième stade, l'eau bout intensément, de grosses bulles éclatantes apparaissent à la surface et des éclaboussures peuvent apparaître. Le plus souvent, les éclaboussures signifient que le liquide s'est réchauffé jusqu'à Température maximale... La vapeur commencera à sortir de l'eau.
On sait que l'eau bout à une température de 100 degrés, ce qui n'est possible qu'à la quatrième étape.
Température de la vapeur
La vapeur est l'un des états de l'eau. Lorsqu'il pénètre dans l'air, il exerce, comme les autres gaz, une certaine pression. Pendant la vaporisation, les températures de la vapeur et de l'eau restent constantes jusqu'à ce que tout le liquide change de son état d'agrégation... Ce phénomène peut s'expliquer par le fait que lors de l'ébullition, toute l'énergie est dépensée pour transformer l'eau en vapeur.
Au tout début de l'ébullition, il se forme de la vapeur saturée humide qui, après évaporation de tout le liquide, devient sèche. Si sa température commence à dépasser la température de l'eau, cette vapeur est surchauffée et, par ses caractéristiques, elle sera plus proche du gaz.
Eau salée bouillante
Il est assez intéressant de savoir à quelle température bout l'eau à forte teneur en sel. On sait qu'il devrait être plus élevé en raison de la teneur en ions Na + et Cl- dans la composition, qui occupent une région entre les molécules d'eau. C'est ainsi que la composition chimique de l'eau avec du sel diffère du liquide frais ordinaire.
Le fait est que dans l'eau salée, une réaction d'hydratation a lieu - le processus d'attachement des molécules d'eau aux ions de sel. Communication entre molécules eau fraiche plus faibles que celles formées lors de l'hydratation, donc l'ébullition du liquide avec le sel dissous prendra plus de temps. À mesure que la température augmente, les molécules de l'eau salée se déplacent plus rapidement, mais elles sont moins nombreuses, ce qui rend les collisions entre elles moins fréquentes. En conséquence, moins de vapeur est générée et sa pression est donc inférieure à la pression de vapeur de l'eau douce. Par conséquent, plus d'énergie (température) est nécessaire pour une génération de vapeur complète. En moyenne, pour faire bouillir un litre d'eau contenant 60 grammes de sel, il faut augmenter le degré d'ébullition de l'eau de 10 % (c'est-à-dire de 10 C).
Pression d'ébullition contre pression
On sait qu'en montagne, peu importe composition chimique le point d'ébullition de l'eau sera plus bas. Cela est dû au fait que la pression atmosphérique est plus faible en altitude. Une pression d'une valeur de 101,325 kPa est considérée comme normale. Avec lui, le point d'ébullition de l'eau est de 100 degrés Celsius. Mais si vous montez en montagne, où la pression est en moyenne de 40 kPa, alors l'eau y bouillira à 75,88 C. Mais cela ne veut pas dire que cuisiner en montagne devra passer près de la moitié du temps. Pour le traitement thermique des produits, une certaine température est requise.
On pense qu'à une altitude de 500 mètres au-dessus du niveau de la mer, l'eau bout à 98,3 C, et à une altitude de 3000 mètres, la température d'ébullition sera de 90 C.
Notez que cette loi est également valable dans direction inverse... Si vous placez un liquide dans un ballon fermé à travers lequel la vapeur ne peut pas passer, alors avec une augmentation de la température et la formation de vapeur, la pression dans ce ballon augmentera et l'ébullition à hypertension artérielle se produira à une température plus élevée. Par exemple, à une pression de 490,3 kPa, le point d'ébullition de l'eau sera de 151 C.
Faire bouillir de l'eau distillée
L'eau distillée est de l'eau purifiée sans aucune impureté. Il est souvent utilisé à des fins médicales ou techniques. Étant donné qu'il n'y a pas d'impuretés dans une telle eau, elle n'est pas utilisée pour la cuisson. Il est intéressant de noter que l'eau distillée bout plus rapidement que l'eau douce ordinaire, mais le point d'ébullition reste le même - 100 degrés. Cependant, la différence de temps d'ébullition sera minime - seulement une fraction de seconde.
Dans la théière
Souvent, les gens s'intéressent à la température à laquelle l'eau bout dans une bouilloire, car ce sont ces appareils qu'ils utilisent pour faire bouillir du liquide. Compte tenu du fait que la pression atmosphérique dans l'appartement est égale à la pression standard et que l'eau utilisée ne contient pas de sels ni d'autres impuretés qui ne devraient pas être présentes, le point d'ébullition sera également standard - 100 degrés. Mais si l'eau contient du sel, le point d'ébullition, comme nous le savons déjà, sera plus élevé.
Conclusion
Vous savez maintenant à quelle température l'eau bout et comment la pression atmosphérique et la composition du fluide affectent ce processus. Il n'y a rien de difficile à cela, et les enfants reçoivent de telles informations à l'école. L'essentiel est de se rappeler qu'avec une diminution de la pression, le point d'ébullition du liquide diminue également et, avec son augmentation, il augmente également.
Sur Internet, vous pouvez trouver de nombreux différents tableaux, où la dépendance du point d'ébullition du liquide sur pression atmosphérique... Ils sont accessibles à tous et sont activement utilisés par les écoliers, les étudiants et même les enseignants des instituts.
D'après le raisonnement ci-dessus, il est clair que le point d'ébullition du liquide devrait dépendre de 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. V établissements médicaux l'ébullition de l'eau dans des récipients hermétiquement fermés - les autoclaves (Fig. 6.11) se produit également à une pression accrue. Par conséquent, le point d'ébullition est nettement 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 d'une pompe à air, vous pouvez faire bouillir de l'eau à température ambiante (fig. 6.12). Lors de l'escalade 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. Par exemple, il est impossible de cuire de la viande dans ces conditions.
La figure 6.13 montre la courbe de la dépendance du point d'ébullition de l'eau à la pression externe. Il est facile de comprendre que cette courbe est en même temps une courbe exprimant la dépendance de la pression de vapeur d'eau saturée à la température.
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 leur vapeur saturée à la même température. Par exemple, les vapeurs d'éther déjà à température ambiante ont une pression supérieure à la moitié de la pression atmosphérique. Par conséquent, pour que la pression de vapeur de l'éther devienne égale à la pression atmosphérique, une légère augmentation de la température est nécessaire (jusqu'à 35 ° C). Dans le mercure, les vapeurs saturées ont une pression absolument négligeable à température ambiante. La pression de vapeur du mercure ne devient égale à l'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 de points d'ébullition des substances est largement utilisée en technologie, par exemple dans la séparation des produits pétroliers. Lorsque l'huile est chauffée, les parties volatiles les plus précieuses (essence) s'évaporent d'abord, qui peuvent ainsi être séparées des résidus "lourds" (huiles, fioul).
Le liquide bout lorsque la pression de celui-ci vapeur saturée par rapport à la pression à l'intérieur du fluide.
§ 6.6. Chaleur de vaporisation
Faut-il de l'énergie pour convertir un liquide en vapeur ? Probablement oui! N'est-ce pas?
Nous avons noté (voir § 6.1) que l'évaporation d'un liquide s'accompagne de son refroidissement. Pour maintenir inchangée la température du liquide d'évaporation, il est nécessaire de lui fournir de la chaleur de l'extérieur. Bien sûr, la chaleur elle-même peut être transférée aux liquides des corps environnants. Ainsi, l'eau dans le verre s'évapore, mais la température de l'eau, 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'ébullition de l'eau (ou autre liquide), de la chaleur doit également lui être fournie en continu, par exemple, elle doit être chauffée avec un brûleur. Dans ce cas, la température de l'eau et du récipient n'augmente pas, mais une certaine quantité de vapeur est générée chaque seconde.
Ainsi, un apport de chaleur est nécessaire pour convertir le liquide en vapeur par évaporation ou par ébullition. La quantité de chaleur nécessaire pour convertir une masse donnée de liquide en vapeur de même température est appelée 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, cela augmente le volume d'une substance 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, avec une augmentation du volume d'une substance, le 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- la masse du liquide ; Q m- sa chaleur de vaporisation. L'unité SI de 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. D'autres liquides (alcool, éther, mercure, kérosène, etc.) ont une chaleur spécifique de vaporisation 3 à 10 fois inférieure.
Puisque la pression de la vapeur saturante est uniquement déterminée par la température, et que l'ébullition d'un liquide se produit au moment où la pression de la vapeur saturante de ce liquide est égale à la pression externe, le point d'ébullition doit dépendre de la pression externe . À l'aide d'expériences, il est facile de montrer qu'avec une diminution de la pression externe, le point d'ébullition diminue et qu'avec une augmentation de la pression, il augmente.
L'ébullition d'un liquide sous pression réduite peut être démontrée par l'expérience suivante. L'eau est versée dans un verre à partir d'un système d'alimentation en eau et un thermomètre y est abaissé. Un verre d'eau est placé sous le couvercle en verre d'une unité de vide et la pompe est mise en marche. Lorsque la pression sous la hotte est suffisamment abaissée, l'eau dans le verre commence à bouillir. Étant donné que de l'énergie est dépensée pour la vaporisation, la température de l'eau dans le verre pendant l'ébullition commence à diminuer et, avec un bon fonctionnement de la pompe, l'eau finira par geler.
Chauffer l'eau à hautes températures effectué dans des chaudières et des autoclaves. Le dispositif d'autoclave est illustré à la Fig. 8.6, où K est la soupape de sécurité, est le levier qui appuie sur la soupape, M est le manomètre. A des pressions supérieures à 100 atm, l'eau est chauffée à une température supérieure à 300°C.
Tableau 8.2. Points d'ébullition de certaines substances
Le point d'ébullition d'un liquide à la pression atmosphérique normale est appelé point d'ébullition. Du tableau. 8.1 et 8.2 vcd que la pression de vapeur saturante pour l'éther, l'eau et l'alcool au point d'ébullition est de 1,013 105 Pa (1 atm).
De ce qui précède, il s'ensuit que dans les mines profondes, l'eau doit bouillir à des températures supérieures à 100 ° C, et dans zones montagneuses- en dessous de 100°C. Étant donné que le point d'ébullition de l'eau dépend de l'altitude au-dessus du niveau de la mer, sur l'échelle du thermomètre, au lieu de la température, vous pouvez indiquer l'altitude à laquelle l'eau bout à cette température. La détermination de la hauteur avec un tel thermomètre s'appelle la gypsométrie.
L'expérience montre que le point d'ébullition d'une solution est toujours supérieur au point d'ébullition d'un solvant pur et augmente avec l'augmentation de la concentration de la solution. Cependant, la température de la vapeur au-dessus de la surface de la solution bouillante est égale au point d'ébullition du solvant pur. Par conséquent, pour déterminer le point d'ébullition d'un liquide pur, il est préférable de placer le thermomètre non pas dans du liquide, mais dans de la vapeur au-dessus de la surface du liquide bouillant.
Le processus d'ébullition est étroitement lié à la présence d'un gaz dissous dans un liquide. Si le gaz qui y est dissous est éliminé du liquide, par exemple par ébullition prolongée, ce liquide peut être chauffé à une température sensiblement supérieure à son point d'ébullition. Ce liquide est appelé surchauffé. En l'absence de bulles de gaz, la nucléation des plus petites bulles de vapeur, qui pourraient devenir des centres de vaporisation, est empêchée par la pression de Laplace, qui est importante à un petit rayon de bulle. Ceci explique la surchauffe du liquide. Quand ça bout, ça bout très violemment.
Ébullition- Il s'agit d'une vaporisation qui se produit simultanément à la fois en surface et dans tout le volume du liquide. Elle consiste dans le fait que de nombreuses bulles montent et éclatent, provoquant un bouillonnement caractéristique.
L'expérience montre que l'ébullition d'un liquide à une pression externe donnée commence à une température bien définie qui ne change pas pendant l'ébullition et ne peut se produire que lorsque l'énergie est fournie de l'extérieur à la suite d'un échange 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 de la cuve. Lorsque le liquide est chauffé par le bas (Fig. 2), le gaz commence à évoluer sous forme de bulles au niveau 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 en 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, elle commence à flotter. Mais jusqu'à ce que le liquide soit uniformément chauffé, à mesure que la bulle monte, le volume de la bulle diminue (la pression de vapeur saturante diminue avec la diminution de la température) et, n'atteignant pas la surface libre, les bulles disparaissent (effondrement) (Fig. 2, a) , c'est pourquoi on entend un bruit caractéristique devant l'ébullition. Lorsque la température du liquide est égalisée, le volume de la bulle augmentera à mesure qu'il s'élève, car la pression de vapeur saturée 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 saturée dans les bulles est pratiquement égale à la pression externe.
La température à laquelle la pression de la vapeur saturée d'un liquide est égale à la pression extérieure à sa surface libre est appelée point d'ébullition liquides.
Étant donné que la pression de vapeur saturée augmente avec l'augmentation de la température et que pendant l'ébullition, elle doit être égale à la pression externe, alors avec une augmentation de la pression externe, le point d'ébullition augmente.
Le point d'ébullition dépend également de la présence d'impuretés, augmentant généralement avec l'augmentation de la concentration d'impuretés.
Si vous libérez d'abord le liquide du gaz qui y est dissous, il peut alors surchauffer, c'est-à-dire chauffer au-dessus du point d'ébullition. Il s'agit d'un état fluide instable. Une petite secousse suffit et le liquide bout et sa température chute immédiatement au point d'ébullition.
Centres de vaporisation. Pour le processus d'ébullition, il faut 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 au fond et sur les parois du récipient et sur les 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 poussée 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. Lorsque 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.
Tout le monde sait que le point d'ébullition de l'eau à pression atmosphérique normale (environ 760 mm Hg) est de 100°C. Mais tout le monde ne sait pas que l'eau peut bouillir quand différentes températures... Le point d'ébullition dépend d'un certain nombre de facteurs. Si certaines conditions se déclenchent, l'eau peut bouillir à +70°С, et à +130°, et même à 300°С ! Examinons les raisons plus en détail.
Qu'est-ce qui détermine le point d'ébullition de l'eau?
L'ébullition de l'eau dans un récipient se produit selon un certain mécanisme. Lors du chauffage du liquide, des bulles d'air apparaissent sur les parois du récipient dans lequel il est versé. Il y a de la vapeur à l'intérieur de chaque bulle. La température de la vapeur dans les bulles est initialement beaucoup plus élevée que celle de l'eau chauffée. Mais sa pression pendant cette période est plus élevée qu'à l'intérieur des bulles. Jusqu'à ce que l'eau se réchauffe, la vapeur dans les bulles est comprimée. Puis, sous l'influence de la pression extérieure, les bulles éclatent. Le processus se poursuit jusqu'à ce que les températures du liquide et de la vapeur dans les bulles deviennent égales. C'est maintenant que les boules avec de la vapeur peuvent remonter à la surface. L'eau commence à bouillir. En outre, le processus de chauffage est terminé, puisque l'excès de chaleur est évacué par la vapeur à l'extérieur dans l'atmosphère. C'est l'équilibre thermodynamique. Rappelons-nous la physique : la pression de l'eau se compose du poids du liquide lui-même et de la pression de l'air au-dessus du récipient contenant de l'eau. Ainsi, en modifiant l'un des deux paramètres (la pression du liquide dans la cuve et la pression de l'atmosphère), il est possible de modifier le point d'ébullition.
Quel est le point d'ébullition de l'eau en montagne ?
En montagne, le point d'ébullition du liquide baisse progressivement. Cela est dû au fait que la pression atmosphérique diminue progressivement lors de l'ascension de la montagne. Pour que l'eau bout, la pression dans les bulles qui apparaissent lors du chauffage de l'eau doit être égale à la pression atmosphérique. Par conséquent, avec une augmentation de l'altitude en montagne tous les 300 m, le point d'ébullition de l'eau diminue d'environ un degré. Une telle eau bouillante n'est pas aussi chaude qu'un liquide bouillant dans une zone plane. Il est difficile et parfois impossible de préparer du thé à haute altitude. La dépendance de l'eau bouillante à la pression ressemble à ceci :
Hauteur au-dessus du niveau de la mer | ||||||||
Point d'ébullition |
Et dans d'autres conditions ?
Quel est le point d'ébullition de l'eau sous vide ? Le vide est un milieu raréfié dans lequel la pression est bien inférieure à la pression atmosphérique. La température d'ébullition de l'eau en milieu raréfié dépend également de la pression résiduelle. A une pression dans un vide de 0,001 atm. le liquide bouillira à 6,7°C. Typiquement, la pression résiduelle est d'environ 0,004 atm., Par conséquent, à cette pression, l'eau bout à 30 ° C. Avec l'augmentation de la pression dans un milieu raréfié, le point d'ébullition du liquide augmentera.
Pourquoi l'eau dans un récipient scellé bout-elle à une température plus élevée ?
Dans un récipient hermétiquement fermé, le point d'ébullition d'un liquide est lié à la pression à l'intérieur du récipient. Pendant le processus de chauffage, de la vapeur est libérée, qui se dépose par condensat sur le couvercle et les parois du récipient. Ainsi, la pression à l'intérieur du récipient augmente. Par exemple, dans un autocuiseur, la pression atteint 1,04 atm., donc le liquide y bout à 120°C. En règle générale, dans de tels conteneurs, la pression peut être contrôlée à l'aide de vannes intégrées, donc la température également.