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- chaleur spécifique 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 grossissent 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, 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 vapeur saturée augmente avec l'augmentation de la température, et pendant l'ébullition, elle devrait être égale à la pression externe, puis avec l'augmentation pression extérieure 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 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.
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 des vapeurs saturantes de ce liquide est égale à la pression extérieure, la température d'ébullition doit dépendre de la pression extérieure . 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 montrée à l'aide de l'expérience suivante. Versez de l'eau du robinet dans un verre et abaissez-y un thermomètre. Un verre d'eau est placé sous le dôme en verre de l'aspirateur et la pompe est mise en marche. Lorsque la pression sous le bouchon baisse suffisamment, l'eau du verre commence à bouillir. Étant donné que l'énergie est dépensée lors de la vaporisation, la température de l'eau dans le verre commence à diminuer pendant l'ébullition, et lorsque la pompe fonctionne bien, l'eau gèle finalement.
L'eau est chauffée à haute température dans des chaudières et des autoclaves. Le dispositif autoclave est illustré à la fig. 8.6, où K est une soupape de sécurité, est un levier appuyant sur la soupape, M est un manomètre. À des pressions supérieures à 100 atm, l'eau est chauffée à des températures supérieures à 300 °C.
Tableau 8.2. Points d'ébullition de certaines substances
Le point d'ébullition d'un liquide à pression atmosphérique normale est appelé point d'ébullition. Du tableau. 8.1 et 8.2, il est clair 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).
Il résulte de ce qui précède que dans les mines profondes, l'eau doit bouillir à des températures supérieures à 100 ° C, et dans zones montagneuses- en dessous de 100 °С. Étant donné que le point d'ébullition de l'eau dépend de la hauteur au-dessus du niveau de la mer, sur l'échelle du thermomètre, au lieu de la température, vous pouvez indiquer la hauteur à laquelle l'eau bout à cette température. La détermination de la hauteur à l'aide d'un tel thermomètre s'appelle l'hypsométrie.
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 d'une solution bouillante est égale au point d'ébullition d'un solvant pur. Par conséquent, pour déterminer le point d'ébullition d'un liquide pur, il est préférable de placer un thermomètre non pas dans un liquide, mais dans une vapeur au-dessus de la surface d'un liquide bouillant.
Le processus d'ébullition est étroitement lié à la présence de gaz dissous dans le liquide. Si le gaz qui y est dissous est éliminé du liquide, par exemple par une ébullition prolongée, ce liquide peut être chauffé à une température nettement supérieure à son point d'ébullition. Un tel liquide est dit surchauffé. En l'absence de bulles de gaz, la formation des plus petites bulles de vapeur, qui pourraient devenir des centres de vaporisation, est empêchée par la pression de Laplace, qui est grande pour un petit rayon de bulle. Ceci explique la surchauffe du liquide. Quand ça bout, ça bout très violemment.
Température d'ébullition en fonction de la pression
Le point d'ébullition de l'eau est de 100 °C ; on pourrait penser que c'est une propriété inhérente à l'eau, que l'eau, où qu'elle soit et dans quelles conditions elle se trouve, bout toujours à 100°C.
Mais il n'en est rien et les habitants des villages de haute montagne en sont bien conscients.
Près du sommet d'Elbrus, il y a une maison pour les touristes et une station scientifique. Les débutants se demandent parfois "à quel point il est difficile de faire bouillir un œuf dans de l'eau bouillante" ou "pourquoi l'eau bouillante ne brûle pas". Dans ces cas, on leur dit que l'eau bout déjà au sommet d'Elbrus à 82 ° C.
Quel est le problème ici? Quel facteur physique interfère avec le phénomène d'ébullition ? Quelle est la signification de l'altitude ?
Ce facteur physique est la pression agissant à la surface du liquide. Vous n'avez pas besoin de monter au sommet de la montagne pour vérifier la validité de ce qui a été dit.
En plaçant de l'eau chauffée sous la cloche et en pompant de l'air à l'intérieur ou à l'extérieur de celle-ci, on peut être convaincu que le point d'ébullition augmente avec l'augmentation de la pression et diminue avec la diminution de la pression.
L'eau bout à 100 °C uniquement à une certaine pression - 760 mm Hg.
La courbe du point d'ébullition en fonction de la pression est illustrée à la fig. 98. Au sommet d'Elbrouz, la pression est de 0,5 atm, et cette pression correspond à un point d'ébullition de 82°C.
Mais avec de l'eau bouillante à 10–15 mm Hg, vous pouvez vous rafraîchir dans temps chaud. À cette pression, le point d'ébullition chutera à 10–15 °C.
Vous pouvez même obtenir de "l'eau bouillante", qui a la température de l'eau glaciale. Pour ce faire, vous devrez réduire la pression à 4,6 mm Hg.
Une image intéressante peut être observée si vous placez un récipient ouvert avec de l'eau sous la cloche et pompez l'air. Le pompage fera bouillir l'eau, mais l'ébullition nécessite de la chaleur. Il n'y a nulle part où le prendre, et l'eau devra abandonner son énergie. La température de l'eau bouillante commencera à baisser, mais à mesure que le pompage se poursuivra, la pression diminuera également. Par conséquent, l'ébullition ne s'arrêtera pas, l'eau continuera à refroidir et finira par geler.
Une telle ébullition eau froide se produit non seulement lors du pompage d'air. Par exemple, lorsque l'hélice d'un navire tourne, la pression dans une couche d'eau se déplaçant rapidement près d'une surface métallique chute brusquement et l'eau de cette couche bout, c'est-à-dire de nombreuses bulles remplies de vapeur y apparaissent. Ce phénomène est appelé cavitation (du mot latin cavitas - cavité).
En baissant la pression, on abaisse le point d'ébullition. Et si vous l'augmentiez ? Un graphique comme le nôtre répond à cette question. Une pression de 15 atm peut retarder l'ébullition de l'eau, elle ne démarrera qu'à 200 °C, et une pression de 80 atm ne fera bouillir l'eau qu'à 300 °C.
Ainsi, une certaine pression externe correspond à un certain point d'ébullition. Mais cette affirmation peut aussi être « retournée », en disant ceci : chaque point d'ébullition de l'eau correspond à sa propre pression spécifique. Cette pression est appelée pression de vapeur.
La courbe représentant le point d'ébullition en fonction de la pression est également la courbe de la pression de vapeur en fonction de la température.
Les chiffres tracés sur un graphique de point d'ébullition (ou graphique de pression de vapeur) montrent que la pression de vapeur change très rapidement avec la température. A 0 °C (soit 273 K), la pression de vapeur est de 4,6 mm Hg, à 100 °C (373 K) elle est de 760 mm, c'est-à-dire qu'elle augmente 165 fois. Lorsque la température double (de 0 °C, soit 273 K, à 273 °C, soit 546 K), la pression de vapeur passe de 4,6 mm Hg à près de 60 atm, soit environ 10 000 fois.
Par conséquent, au contraire, le point d'ébullition change assez lentement avec la pression. Lorsque la pression est doublée - de 0,5 atm à 1 atm, le point d'ébullition passe de 82 °C (soit 355 K) à 100 °C (soit 373 K) et lorsqu'elle est doublée de 1 atm à 2 atm - de 100 °C ( soit 373 K) à 120 °C (soit 393 K).
La même courbe que nous considérons maintenant contrôle également la condensation (épaississement) de la vapeur dans l'eau.
La vapeur peut être convertie en eau par compression ou refroidissement.
Tant pendant l'ébullition que pendant la condensation, le point ne sortira pas de la courbe tant que la conversion de la vapeur en eau ou de l'eau en vapeur ne sera pas terminée. Cela peut aussi se formuler comme suit : dans les conditions de notre courbe, et uniquement dans ces conditions, la coexistence du liquide et de la vapeur est possible. Si, en même temps, la chaleur n'est pas fournie ou évacuée, alors les quantités de vapeur et de liquide dans navire fermé restera inchangé. Cette vapeur et ce liquide sont dits en équilibre, et une vapeur en équilibre avec son liquide est dite saturée.
La courbe d'ébullition et de condensation, comme nous le voyons, a une autre signification - c'est la courbe d'équilibre du liquide et de la vapeur. La courbe d'équilibre divise le champ du diagramme en deux parties. à gauche et en haut (jusqu'à hautes températures et des pressions plus basses) il y a une région d'état stable de vapeur. À droite et en bas se trouve la région de l'état stable du liquide.
Courbe d'équilibre vapeur-liquide, c'est-à-dire la courbe de dépendance du point d'ébullition à la pression ou, ce qui revient au même, à la pression de vapeur à la température, est approximativement la même pour tous les liquides. Dans certains cas, le changement peut être un peu plus net, dans d'autres un peu plus lent, mais toujours la pression de vapeur augmente rapidement avec l'augmentation de la température.
Nous avons utilisé les mots "gaz" et "vapeur" à plusieurs reprises. Ces deux mots sont à peu près les mêmes. On peut dire : le gaz eau est la vapeur d'eau, le gaz oxygène est la vapeur d'un oxygène liquide. Néanmoins, une certaine habitude s'est développée dans l'utilisation de ces deux mots. Étant donné que nous sommes habitués à une certaine plage de températures relativement petite, nous appliquons généralement le mot «gaz» aux substances dont la pression de vapeur aux températures ordinaires est supérieure à la pression atmosphérique. Au contraire, on parle de couple quand température ambiante et la pression atmosphérique, la substance est plus stable sous forme liquide.
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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 grossissent 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, 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 vapeur saturée augmente avec l'augmentation de la température et qu'elle doit être égale à la pression externe pendant l'ébullition, avec une augmentation de la pression externe, la température 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 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.
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 de la pression de vapeur saturée dans les bulles à 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:
On peut voir sur le graphique que si on augmente Pression atmosphérique jusqu'à 1,45 atm, l'eau bouillira déjà à 110 0 C. À une pression d'air 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 en eux 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 sortir d'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 déjà à température ambiante, ce qui est assez inhabituel, car le point d'ébullition habituel de l'eau est de 100 0 C.