Virimas yra agreguotos medžiagos būsenos keitimo procesas. Kai kalbame apie vandenį, turime omenyje skysčio pasikeitimą garais. Svarbu pažymėti, kad virimas nėra išgarinimas, kuris gali vykti net ir val kambario temperatūra. Taip pat nepainiokite su virimu, kuris yra vandens pašildymo iki tam tikros temperatūros procesas. Dabar, kai supratome sąvokas, galime nustatyti, kokioje temperatūroje vanduo verda.
Procesas
Pats agregacijos būsenos pavertimo iš skystos į dujinę procesas yra sudėtingas. Ir nors žmonės to nemato, yra 4 etapai:
- Pirmajame etape šildomo indo apačioje susidaro nedideli burbuliukai. Jie taip pat gali būti matomi šonuose arba vandens paviršiuje. Jie susidaro dėl išsiplėtusių oro burbuliukų, kurių visada yra rezervuaro plyšiuose, kur vanduo pašildomas.
- Antrame etape burbuliukų tūris didėja. Visi jie pradeda veržtis į paviršių, nes jų viduje yra sočiųjų garų, lengvesnių už vandenį. Didėjant kaitinimo temperatūrai, didėja burbuliukų slėgis, jie dėl gerai žinomos Archimedo jėgos išstumiami į paviršių. Tokiu atveju galite išgirsti būdingą virimo garsą, kuris susidaro dėl nuolatinio burbuliukų plėtimosi ir mažėjimo.
- Trečiajame etape paviršiuje galima pamatyti didelis skaičius burbuliukai. Tai iš pradžių sukuria drumstumą vandenyje. Šis procesas liaudyje vadinamas „virimu baltu klavišu“ ir trunka neilgai.
- Ketvirtajame etape vanduo intensyviai verda, paviršiuje atsiranda didelių sprogstančių burbuliukų, gali atsirasti purslų. Dažniausiai aptaškymas reiškia, kad skystis įkaista iki maksimali temperatūra. Iš vandens pradės veržtis garai.
Yra žinoma, kad vanduo užverda 100 laipsnių temperatūroje, o tai įmanoma tik ketvirtame etape.
Garų temperatūra
Garai yra viena iš vandens būsenų. Patekęs į orą, tada, kaip ir kitos dujos, daro tam tikrą slėgį. Garinimo metu garų ir vandens temperatūra išlieka pastovi, kol visas skystis pakeičia temperatūrą. agregacijos būsena. Šį reiškinį galima paaiškinti tuo, kad virimo metu visa energija išleidžiama vandens pavertimui garais.
Pačioje virimo pradžioje susidaro drėgni sotieji garai, kurie, išgaravus visam skysčiui, tampa sausi. Jei jo temperatūra pradeda viršyti vandens temperatūrą, tada toks garas yra perkaitintas ir pagal savo charakteristikas bus artimesnis dujoms.
Verdantis sūrus vanduo
Pakankamai įdomu sužinoti, kokioje temperatūroje verda vanduo su dideliu druskos kiekiu. Žinoma, kad jis turėtų būti didesnis dėl Na+ ir Cl- jonų kiekio kompozicijoje, kurie užima plotą tarp vandens molekulių. Ši vandens su druska cheminė sudėtis skiriasi nuo įprasto šviežio skysčio.
Faktas yra tas, kad sūriame vandenyje vyksta hidratacijos reakcija - vandens molekulių prijungimo prie druskos jonų procesas. Ryšys tarp molekulių gėlo vandens silpnesnės nei susidarančios hidratacijos metu, todėl skysčio su ištirpusia druska virimas užtruks ilgiau. Kylant temperatūrai, druskos turinčios vandenyje molekulės juda greičiau, tačiau jų būna mažiau, todėl susidūrimai tarp jų vyksta rečiau. Dėl to susidaro mažiau garų, todėl jo slėgis yra mažesnis nei gėlo vandens garų slėgio. Todėl pilnam garinimui reikia daugiau energijos (temperatūros). Vidutiniškai norint užvirti vieną litrą vandens, kuriame yra 60 gramų druskos, vandens virimo temperatūrą reikia pakelti 10% (tai yra 10 C).
Priklausomybė nuo virimo slėgio
Yra žinoma, kad kalnuose, nepaisant cheminė sudėtis vandens virimo temperatūra bus žemesnė. Taip yra dėl to, kad aukštyje atmosferos slėgis yra mažesnis. Normalus slėgis laikomas 101,325 kPa. Su juo vandens virimo temperatūra yra 100 laipsnių Celsijaus. Bet jei lipate į kalną, kuriame slėgis vidutiniškai siekia 40 kPa, tada vanduo ten užvirs 75,88 C. Bet tai nereiškia, kad gaminimas kalnuose užtruks beveik pusę laiko. Termiškai apdoroti gaminius reikia tam tikros temperatūros.
Manoma, kad 500 metrų aukštyje virš jūros lygio vanduo užvirs 98,3 C, o 3000 metrų aukštyje – 90 C.
Atkreipkite dėmesį, kad šis įstatymas taip pat taikomas atvirkštinė kryptis. Jei skystis dedamas į uždarą kolbą, pro kurią negali praeiti garai, tada, kylant temperatūrai ir formuojantis garams, slėgis šioje kolboje padidės, o virimas aukštas kraujo spaudimas atsiras aukštesnėje temperatūroje. Pavyzdžiui, esant 490,3 kPa slėgiui, vandens virimo temperatūra bus 151 C.
Verdantis distiliuotas vanduo
Distiliuotas vanduo yra išgrynintas vanduo be jokių priemaišų. Jis dažnai naudojamas medicininiais ar techniniais tikslais. Atsižvelgiant į tai, kad tokiame vandenyje nėra priemaišų, jis nenaudojamas maisto ruošimui. Įdomu pastebėti, kad distiliuotas vanduo užverda greičiau nei paprastas gėlas, tačiau virimo temperatūra išlieka ta pati – 100 laipsnių. Tačiau virimo laiko skirtumas bus minimalus – tik sekundės dalis.
arbatinuke
Dažnai žmonės domisi, kokios temperatūros vanduo verda virdulyje, nes būtent šiais prietaisais jie verda skysčius. Atsižvelgiant į tai, kad atmosferos slėgis bute yra lygus standartiniam, o naudojamame vandenyje nėra druskų ir kitų priemaišų, kurių neturėtų būti, tada virimo temperatūra taip pat bus standartinė - 100 laipsnių. Bet jei vandenyje yra druskos, tada virimo temperatūra, kaip jau žinome, bus aukštesnė.
Išvada
Dabar žinote, kokioje temperatūroje vanduo verda ir kaip atmosferos slėgis bei skysčio sudėtis veikia šį procesą. Čia nėra nieko sudėtingo, o tokią informaciją vaikai gauna mokykloje. Svarbiausia atsiminti, kad mažėjant slėgiui skysčio virimo temperatūra taip pat mažėja, o didėjant - taip pat didėja.
Internete galite rasti daugybę skirtingos lentelės, kur skysčio virimo temperatūros priklausomybė nuo Atmosferos slėgis. Jie yra prieinami visiems, jais aktyviai naudojasi moksleiviai, studentai ir net institutų mokytojai.
Iš aukščiau pateiktų samprotavimų aišku, kad skysčio virimo temperatūra turi priklausyti nuo išorinis slėgis. Stebėjimai tai patvirtina.
Kuo didesnis išorinis slėgis, tuo aukštesnė virimo temperatūra. Taigi garo katile, kurio slėgis siekia 1,6 10 6 Pa, vanduo neužverda net 200 °C temperatūroje. V gydymo įstaigos verdantis vanduo hermetiškai uždarytuose induose – autoklavuose (6.11 pav.) taip pat atsiranda esant padidintam slėgiui. Todėl virimo temperatūra yra daug aukštesnė nei 100 °C. Autoklavai naudojami sterilizuoti chirurginius instrumentus, tvarsčius ir kt.
Ir atvirkščiai, sumažindami išorinį slėgį, sumažiname virimo temperatūrą. Po oro siurblio varpeliu galite užvirti vandenį kambario temperatūroje (6.12 pav.). Lipant į kalnus atmosferos slėgis mažėja, todėl mažėja ir virimo temperatūra. 7134 m aukštyje (Lenino viršūnė Pamyre) slėgis yra maždaug 4 10 4 Pa (300 mm Hg). Vanduo ten užverda apie 70°C. Tokiomis sąlygomis neįmanoma virti, pavyzdžiui, mėsos.
6.13 paveiksle parodyta vandens virimo temperatūros priklausomybė nuo išorinio slėgio. Nesunku pastebėti, kad ši kreivė taip pat yra kreivė, išreiškianti sočiųjų vandens garų slėgio priklausomybę nuo temperatūros.
Skysčių virimo taškų skirtumas
Kiekvienas skystis turi savo virimo temperatūrą. Skysčių virimo taškų skirtumą lemia jų sočiųjų garų slėgio skirtumas esant tokiai pačiai temperatūrai. Pavyzdžiui, eterio garų slėgis jau kambario temperatūroje yra didesnis nei pusė atmosferos slėgio. Todėl norint, kad eterio garų slėgis taptų lygus atmosferiniam, reikia šiek tiek padidinti temperatūrą (iki 35 ° C). Gyvsidabrio sočiųjų garų slėgis kambario temperatūroje yra labai nereikšmingas. Gyvsidabrio garų slėgis tampa lygus atmosferiniam tik žymiai pakilus temperatūrai (iki 357 ° C). Būtent tokioje temperatūroje, jei išorinis slėgis yra 105 Pa, gyvsidabris užverda.
Medžiagų virimo temperatūrų skirtumas labai praverčia technologijoje, pavyzdžiui, atskiriant naftos produktus. Kaitinant aliejų, pirmiausia išgaruoja jos vertingiausios, lakiosios dalys (benzinas), kurios taip gali būti atskirtos nuo „sunkiųjų“ likučių (alyvų, mazuto).
Skystis užverda, kai jo slėgis sočiųjų garų lyginant su slėgiu skysčio viduje.
§ 6.6. Garavimo šiluma
Ar reikia energijos, kad skystis virstų garais? Tikriausiai taip! Ar ne taip?
Pastebėjome (žr. § 6.1), kad skysčio išgaravimą lydi jo aušinimas. Norint išlaikyti nepakitusią garuojančio skysčio temperatūrą, šiluma į jį turi būti tiekiama iš išorės. Žinoma, pati šiluma gali būti perduodama skysčiui iš aplinkinių kūnų. Taigi, vanduo stiklinėje išgaruoja, tačiau vandens temperatūra, kuri yra kiek žemesnė už aplinkos oro temperatūrą, išlieka nepakitusi. Šiluma iš oro perduodama vandeniui, kol visas vanduo išgaruoja.
Kad vanduo (ar bet koks kitas skystis) neužvirtų, į jį taip pat turi būti nuolat tiekiama šiluma, pavyzdžiui, kaitinant degikliu. Tokiu atveju vandens ir indo temperatūra nepakyla, tačiau kas sekundę susidaro tam tikras kiekis garų.
Taigi, norint paversti skystį garais garuojant arba verdant, reikalingas šilumos antplūdis. Šilumos kiekis, reikalingas tam tikrai skysčio masei toje pačioje temperatūroje paversti garais, vadinamas to skysčio garavimo šiluma.
Kam naudojama kūnui tiekiama energija? Visų pirma, padidinti jos vidinę energiją pereinant iš skystos į dujinę būseną: juk tokiu atveju medžiagos tūris didėja nuo skysčio tūrio iki sočiųjų garų tūrio. Dėl to didėja vidutinis atstumas tarp molekulių, taigi ir jų potenciali energija.
Be to, padidėjus medžiagos tūriui, dirbama prieš išorinio slėgio jėgas. Ši garavimo šilumos dalis kambario temperatūroje paprastai sudaro kelis procentus visos garavimo šilumos.
Garavimo šiluma priklauso nuo skysčio rūšies, jo masės ir temperatūros. Garavimo šilumos priklausomybė nuo skysčio tipo apibūdinama verte, vadinama specifine garavimo šiluma.
Tam tikro skysčio savitoji garavimo šiluma yra skysčio garavimo šilumos ir jo masės santykis:
(6.6.1)
kur r - specifinė šiluma skysčio garinimas; T- skysčio masė; K n yra jo garavimo šiluma. Specifinės garavimo šilumos SI vienetas yra džaulis kilogramui (J/kg).
Savitoji vandens garavimo šiluma yra labai didelė: 2,256 10 6 J/kg esant 100 °C temperatūrai. Kitų skysčių (alkoholio, eterio, gyvsidabrio, žibalo ir kt.) savitoji garavimo šiluma yra 3-10 kartų mažesnė.
Kadangi sočiųjų garų slėgį vienareikšmiškai lemia temperatūra, o skysčio virimas vyksta tuo momentu, kai šio skysčio sočiųjų garų slėgis yra lygus išoriniam slėgiui, virimo temperatūra turi priklausyti nuo išorinio slėgio. . Eksperimentų pagalba nesunku parodyti, kad mažėjant išoriniam slėgiui virimo temperatūra mažėja, o didėjant slėgiui – kyla.
Skysčio virimas sumažintame slėgyje gali būti parodytas naudojant šį eksperimentą. Į stiklinę supilkite vandenį iš čiaupo ir nuleiskite į ją termometrą. Stiklinė vandens dedama po stikliniu vakuuminio bloko kupolu ir įjungiamas siurblys. Kai slėgis po dangteliu pakankamai sumažėja, vanduo stiklinėje pradeda virti. Kadangi energija eikvojama garinimui, verdant vandens temperatūra stiklinėje pradeda mažėti, o gerai veikiant siurbliui, vanduo galiausiai užšąla.
Vandens šildymas iki aukšta temperatūra atliekami katiluose ir autoklavuose. Autoklavo įtaisas parodytas fig. 8.6, kur K yra apsauginis vožtuvas, yra vožtuvą spaudžianti svirtis, M yra slėgio matuoklis. Esant didesniam nei 100 atm slėgiui, vanduo įkaista iki aukštesnės nei 300 °C temperatūros.
8.2 lentelė. Kai kurių medžiagų virimo temperatūra
Skysčio virimo temperatūra esant normaliam atmosferos slėgiui vadinama virimo temperatūra. Iš lentelės. 8.1 ir 8.2 aišku, kad eterio, vandens ir alkoholio sočiųjų garų slėgis virimo temperatūroje yra 1,013 105 Pa (1 atm).
Iš to, kas išdėstyta pirmiau, išplaukia, kad giliose kasyklose vanduo turėtų virti aukštesnėje nei 100 ° C temperatūroje, o kalnuotose vietovėse- žemiau 100 °С. Kadangi vandens virimo temperatūra priklauso nuo aukščio virš jūros lygio, termometro skalėje vietoj temperatūros galite nurodyti aukštį, kuriame vanduo verda šioje temperatūroje. Ūgio nustatymas naudojant tokį termometrą vadinamas hipsometrija.
Patirtis rodo, kad tirpalo virimo temperatūra visada yra aukštesnė už gryno tirpiklio virimo temperatūrą ir didėja didėjant tirpalo koncentracijai. Tačiau garų temperatūra virš verdančio tirpalo paviršiaus yra lygi gryno tirpiklio virimo temperatūrai. Todėl norint nustatyti gryno skysčio virimo temperatūrą, termometrą geriau dėti ne į skystį, o į garus virš verdančio skysčio paviršiaus.
Virimo procesas yra glaudžiai susijęs su ištirpusių dujų buvimu skystyje. Jei jame ištirpusios dujos pašalinamos iš skysčio, pavyzdžiui, ilgai verdant, tai šis skystis gali būti pakaitintas iki žymiai aukštesnės nei jo virimo temperatūra. Toks skystis vadinamas perkaitintu. Nesant dujų burbuliukų, susidaryti mažiausiems garų burbuliukams, kurie galėtų tapti garavimo centrais, neleidžia Laplaso slėgis, kuris yra didelis mažam burbulo spinduliui. Tai paaiškina skysčio perkaitimą. Kai užverda, verda labai smarkiai.
Virimas- tai garavimas, kuris vyksta vienu metu tiek nuo paviršiaus, tiek per visą skysčio tūrį. Jį sudaro tai, kad iškyla ir sprogsta daugybė burbulų, sukeldami būdingą šurmulį.
Kaip rodo patirtis, skysčio virimas, esant tam tikram išoriniam slėgiui, prasideda gana apibrėžtoje temperatūroje, kuri virimo metu nekinta ir gali vykti tik tada, kai dėl šilumos perdavimo energija tiekiama iš išorės (1 pav.). :
čia L yra savitoji garavimo šiluma virimo temperatūroje.
Virimo mechanizmas: skystyje visada yra ištirpusių dujų, kurių tirpimo laipsnis mažėja didėjant temperatūrai. Be to, ant indo sienelių yra adsorbuotų dujų. Kai skystis pašildomas iš apačios (2 pav.), dujos burbuliukų pavidalu pradeda išsiskirti prie indo sienelių. Skystis išgaruoja į šiuos burbuliukus. Todėl, be oro, juose yra ir sočiųjų garų, kurių slėgis, kylant temperatūrai, sparčiai didėja, o burbuliukų tūris auga, taigi, didėja juos veikiančios Archimedo jėgos. Kai plūduriavimo jėga tampa didesnė už burbulo gravitaciją, jis pradeda plūduriuoti. Bet kol skystis tolygiai įkaista, jam kylant, burbulo tūris mažėja (mažėjant temperatūrai mažėja sočiųjų garų slėgis) ir, dar nepasiekę laisvo paviršiaus, burbuliukai išnyksta (susitraukia) (2 pav., a) todėl prieš verdant girdime būdingą triukšmą. Kai skysčio temperatūra išsilygins, burbulo tūris padidės jam kylant, nes sočiųjų garų slėgis nesikeičia, o išorinis slėgis burbulą, kuris yra skysčio hidrostatinio slėgio virš burbulo suma. ir atmosferos slėgis, mažėja. Burbulas pasiekia laisvą skysčio paviršių, sprogsta ir išeina sotieji garai (2 pav., b) – skystis užverda. Sočiųjų garų slėgis burbuliukuose praktiškai lygus išoriniam slėgiui.
Temperatūra, kurioje skysčio sočiųjų garų slėgis yra lygus išoriniam slėgiui jo laisvajame paviršiuje, vadinama virimo taškas skysčių.
Kadangi sočiųjų garų slėgis didėja didėjant temperatūrai, o verdant jis turi būti lygus išoriniam slėgiui, didėjant išoriniam slėgiui, virimo temperatūra didėja.
Virimo temperatūra taip pat priklauso nuo priemaišų buvimo, dažniausiai didėjant priemaišų koncentracijai.
Jeigu skystis iš pradžių išlaisvinamas iš jame ištirpusių dujų, tuomet jis gali būti perkaitintas, t.y. pašildykite virš virimo temperatūros. Tai nestabili skysčio būsena. Užtenka nedidelio purtymo ir skystis užverda, o jo temperatūra iškart nukrenta iki virimo temperatūros.
Garinimo centrai. Virimo procesui būtina, kad skystyje būtų nehomogeniškumo - dujinės fazės branduolių, kurie atlieka garavimo centrų vaidmenį. Paprastai skystyje yra ištirpusių dujų, kurios išsiskiria burbuliukais ant indo dugno ir sienelių bei ant skystyje pakibusių dulkių dalelių. Kaitinant, šie burbuliukai didėja ir dėl sumažėjusio dujų tirpumo esant temperatūrai, ir dėl juose esančio skysčio išgaravimo. Burbulai, kurių tūris padidėjo, plūduriuoja, veikiami Archimedo plūdrumo jėgos. Jei viršutiniuose skysčio sluoksniuose yra daugiau žema temperatūra, tuomet dėl garų kondensacijos slėgis juose smarkiai nukrenta ir burbuliukai „sugriūva“ su būdingu triukšmu. Kai visas skystis sušyla iki virimo temperatūros, burbuliukai nustoja byrėti ir išplaukia į paviršių: visas skystis užverda.
Bilieto numeris 15
1. Temperatūros pasiskirstymas pagal cilindrinio kuro elemento spindulį.
Visi žino, kad vandens virimo temperatūra esant normaliam atmosferos slėgiui (apie 760 mm Hg) yra 100 °C. Tačiau ne visi žino, kad vanduo gali užvirti skirtinga temperatūra. Virimo temperatūra priklauso nuo daugelio veiksnių. Suveikus tam tikroms sąlygoms vanduo gali užvirti +70 °C, ir +130 °C, ir net 300 °C! Panagrinėkime priežastis išsamiau.
Nuo ko priklauso vandens virimo temperatūra?
Verdantis vanduo talpykloje vyksta pagal tam tikrą mechanizmą. Kaitinant skystį, ant indo, į kurį jis pilamas, sienelių atsiranda oro burbuliukų. Kiekvieno burbulo viduje yra garai. Garų temperatūra burbuluose iš pradžių yra daug aukštesnė nei šildomo vandens. Tačiau jo slėgis šiuo laikotarpiu yra didesnis nei burbuliukų viduje. Kol vanduo sušyla, burbuluose esantys garai susispaudžia. Tada, veikiami išorinio slėgio, burbuliukai sprogo. Procesas tęsiasi tol, kol skysčio ir garų temperatūra burbuliukuose susilygina. Būtent dabar rutuliukai su garais gali iškilti į paviršių. Vanduo pradeda virti. Be to, šildymo procesas sustoja, nes šilumos perteklius garais pašalinamas į išorę į atmosferą. Tai yra termodinaminė pusiausvyra. Prisiminkite fiziką: vandens slėgis susideda iš paties skysčio svorio ir oro slėgio virš indo su vandeniu. Taigi, pakeitus vieną iš dviejų parametrų (skysčio slėgį inde ir atmosferos slėgį), galima keisti virimo temperatūrą.
Kokia vandens virimo temperatūra kalnuose?
Kalnuose skysčio virimo temperatūra palaipsniui krenta. Taip yra dėl to, kad kopiant į kalną atmosferos slėgis palaipsniui mažėja. Kad vanduo užvirtų, vandens kaitinimo metu atsirandančių burbuliukų slėgis turi būti lygus atmosferos slėgiui. Todėl, didėjant aukščiui kalnuose kas 300 m, vandens virimo temperatūra sumažėja maždaug vienu laipsniu. Toks verdantis vanduo nėra toks karštas kaip verdantis skystis lygumoje šalyje. Dideliame aukštyje sunku, o kartais ir neįmanoma išsivirti arbatos. Verdančio vandens priklausomybė nuo slėgio atrodo taip:
Aukštis virš jūros lygio | ||||||||
Virimo taškas |
O kitomis sąlygomis?
Kokia yra vandens virimo temperatūra vakuume? Vakuumas yra reta terpė, kurioje slėgis yra daug mažesnis už atmosferos slėgį. Vandens virimo temperatūra išretintoje terpėje taip pat priklauso nuo liekamojo slėgio. Esant 0,001 atm vakuuminiam slėgiui. skystis užvirs 6,7°C temperatūroje. Paprastai liekamasis slėgis yra apie 0,004 atm., Todėl esant tokiam slėgiui vanduo užverda 30 ° C temperatūroje. Didėjant slėgiui išretėjusioje terpėje, padidės skysčio virimo temperatūra.
Kodėl sandariame inde vanduo verda aukštesnėje temperatūroje?
Hermetiškai uždarytame inde skysčio virimo temperatūra yra susijusi su slėgiu indo viduje. Kaitinant išsiskiria garai, kurie kondensato pavidalu nusėda ant indo dangčio ir sienelių. Taigi slėgis indo viduje didėja. Pavyzdžiui, greitpuodyje slėgis siekia 1,04 atm., Todėl skystis jame užverda 120 ° C temperatūroje. Paprastai tokiuose konteineriuose slėgis gali būti reguliuojamas naudojant įmontuotus vožtuvus, taigi ir temperatūrą.