Варене на течности. Зависимост на температурата на кипене от налягането

кипене- това е интензивен преход на течност в пара, който протича с образуването на парни мехурчета в целия обем на течността при определена температура.

По време на кипене температурата на течността и парите над нея не се променят. Остава непроменен, докато цялата течност изври. Това се случва, защото цялата енергия, подадена на течността, се използва за превръщането й в пара.

Температурата, при която течността кипи, се нарича точка на кипене.

Точката на кипене зависи от налягането, упражнявано върху свободната повърхност на течността. Това се обяснява със зависимостта на налягането на наситените пари от температурата. Парният мехур расте, докато налягането на наситената пара вътре в него леко надвиши налягането в течността, което е сумата от външен натиски хидростатично налягане на течния стълб.

Колкото по-голямо е външното налягане, толкова повече температура на кипене.

Всеки знае, че водата кипи при температура 100 ºC. Но не трябва да забравяме, че това е вярно само при нормално атмосферно налягане (приблизително 101 kPa). С увеличаване на налягането точката на кипене на водата се повишава. Например в тенджери под налягане храната се готви под налягане от около 200 kPa. Точката на кипене на водата достига 120°C. Във вода при тази температура процесът на готвене протича много по-бързо, отколкото в обикновена вряща вода. Това обяснява името „тенджера под налягане“.

И обратното, като намаляваме външното налягане, по този начин намаляваме точката на кипене. Например в планински райони (на надморска височина 3 km, където налягането е 70 kPa) водата кипи при температура 90 ° C. Следователно жителите на тези райони, които използват такава вряща вода, изискват много повече време за приготвяне на храна, отколкото жителите на равнините. Но по принцип е невъзможно да сварите например пилешко яйце в тази вряща вода, тъй като бялото не се коагулира при температури под 100 °C.

Всяка течност има своя точка на кипене, която зависи от налягането на наситените пари. Колкото по-високо е налягането на наситените пари, толкова по-ниска е точката на кипене на съответната течност, тъй като при по-ниски температури налягането на наситените пари става равно на атмосферното налягане. Например при точка на кипене 100 °C налягането наситени париводата е 101 325 Pa (760 mm Hg), а парата е само 117 Pa (0,88 mm Hg). Живакът кипи при 357°C при нормално налягане.

Топлина на изпарение.

Топлина на изпарение (топлина на изпарение)- количеството топлина, което трябва да се предаде на веществото (при постоянно налягане и постоянна температура) За пълна трансформациятечно вещество в пара.

Количеството топлина, необходимо за изпаряване (или освободено по време на кондензация). За изчисляване на количеството топлина Qнеобходима за превръщането на всяка маса от течност, взета при точка на кипене в пара, е необходима специфичната топлина на изпаряване rразум към масата м:

Когато парата кондензира, се отделя същото количество топлина.

Кипенето е процес на промяна на агрегатното състояние на дадено вещество. Когато говорим за вода, имаме предвид преминаването от течно състояние в състояние на пара. Важно е да се отбележи, че кипенето не е изпарение, което може да се случи дори при стайна температура. Също така не трябва да се бърка с кипенето, което е процес на нагряване на водата до определена температура. Сега, след като разбрахме понятията, можем да определим при каква температура кипи водата.

Процес

Процесът на трансформиране на агрегатното състояние от течно в газообразно е сложен. И въпреки че хората не го виждат, има 4 етапа:

1. На първия етап на дъното на нагрятия съд се образуват малки мехурчета. Те могат да се видят и отстрани или на повърхността на водата. Те се образуват поради разширяването на въздушните мехурчета, които винаги присъстват в пукнатините на контейнера, където се нагрява водата.
2. Във втория етап обемът на мехурчетата се увеличава. Всички те започват да се втурват към повърхността, тъй като вътре в тях има наситена пара, която е по-лека от водата. С повишаване на температурата на нагряване налягането на мехурчетата се увеличава и те се изтласкват към повърхността благодарение на добре познатата Архимедова сила. В този случай можете да чуете характерния звук на кипене, който се образува поради постоянното разширяване и намаляване на размера на мехурчетата.
3. На третия етап можете да видите на повърхността голям броймехурчета. Това първоначално създава мътност във водата. Този процес се нарича популярно „варене на бяло“ и трае кратък период от време.
4. На четвъртия етап водата кипи интензивно, на повърхността се появяват големи пукащи се мехурчета и могат да се появят пръски. Най-често пръскането означава, че течността е достигнала максималната си температура. От водата ще започне да излиза пара.

Известно е, че водата кипи при температура 100 градуса, което е възможно само на четвъртия етап.

Температура на парата

Парата е едно от състоянията на водата. Когато попадне във въздуха, той, подобно на другите газове, упражнява определен натиск върху него. По време на изпаряването температурата на парата и водата остава постоянна, докато цялата течност промени агрегатното си състояние. Това явление може да се обясни с факта, че по време на кипене цялата енергия се изразходва за превръщане на водата в пара.

В самото начало на кипенето се образува влажна, наситена пара, която става суха, след като цялата течност се изпари. Ако температурата му започне да надвишава температурата на водата, тогава такава пара се прегрява и нейните характеристики ще бъдат по-близки до газа.

Кипяща солена вода

Доста интересно е да се знае при каква температура кипи вода с високо съдържание на сол. Известно е, че тя трябва да бъде по-висока поради съдържанието на Na+ и Cl- йони в състава, които заемат пространството между водните молекули. Ето как химичният състав на водата със сол се различава от обикновената прясна течност.

Факт е, че в солената вода протича реакция на хидратация - процесът на добавяне на водни молекули към йони на солта. Връзките между молекулите на прясна вода са по-слаби от тези, образувани по време на хидратация, така че ще отнеме повече време, за да заври течност с разтворена сол. С повишаването на температурата молекулите в солената вода се движат по-бързо, но те са по-малко, което ги кара да се сблъскват по-рядко. В резултат на това се произвежда по-малко пара и следователно нейното налягане е по-ниско от налягането на парата на прясна вода. Следователно ще е необходима повече енергия (температура) за пълното изпаряване. Средно, за да сварите един литър вода, съдържаща 60 грама сол, е необходимо да увеличите степента на кипене на водата с 10% (т.е. с 10 С).

Зависимост на кипенето от налягането

Известно е, че в планината, независимо от химичен съставводата ще има по-ниска точка на кипене. Това се случва, защото атмосферното налягане е по-ниско на надморска височина. Нормалното налягане се счита за 101,325 kPa. При него точката на кипене на водата е 100 градуса по Целзий. Но ако се изкачите на планина, където налягането е средно 40 kPa, тогава водата там ще заври при 75,88 C. Но това не означава, че ще трябва да отделите почти наполовина по-малко време за готвене в планината. Термичната обработка на храните изисква определена температура.

Смята се, че на надморска височина от 500 метра водата ще кипи при 98,3 C, а на надморска височина от 3000 метра точката на кипене ще бъде 90 C.

Обърнете внимание, че този закон важи и в обратната посока. Ако поставите течност в затворена колба, през която парата не може да премине, тогава с повишаване на температурата и образуването на пара налягането в тази колба ще се увеличи и кипенето при повишено налягане ще настъпи при повече висока температура. Например, при налягане от 490,3 kPa, точката на кипене на водата ще бъде 151 C.

Кипяща дестилирана вода

Дестилираната вода е пречистена вода без никакви примеси. Често се използва за медицински или технически цели. Като се има предвид, че в такава вода няма примеси, тя не се използва за готвене. Интересно е да се отбележи, че дестилираната вода завира по-бързо от обикновената прясна вода, но точката на кипене остава същата – 100 градуса. Разликата във времето за кипене обаче ще бъде минимална - само част от секундата.

В чайник

Хората често се чудят при каква температура кипи водата в чайник, тъй като това са устройствата, които използват за варене на течности. Като се има предвид фактът, че атмосферното налягане в апартамента е равно на стандартното, а използваната вода не съдържа соли и други примеси, които не трябва да има, тогава точката на кипене също ще бъде стандартна - 100 градуса. Но ако водата съдържа сол, тогава точката на кипене, както вече знаем, ще бъде по-висока.

Заключение

Сега знаете при каква температура кипи водата и как атмосферното налягане и съставът на течността влияят на този процес. В това няма нищо сложно и децата получават такава информация в училище. Основното нещо е да запомните, че когато налягането намалява, точката на кипене на течността също намалява, а когато се увеличава, тя също се увеличава.

В интернет можете да намерите много различни таблици, които показват зависимостта на точката на кипене на течност от атмосферно налягане. Те са достъпни за всички и се използват активно от ученици, студенти и дори учители в институти.

При кипене течността започва интензивно да се превръща в пара и в нея се образуват парни мехурчета, които се издигат на повърхността. При нагряване парата първо се появява само на повърхността на течността, след което този процес започва в целия обем. По дъното и стените на тигана се появяват малки мехурчета. С повишаването на температурата налягането вътре в мехурчетата се увеличава, те се увеличават по размер и се издигат нагоре.

Когато температурата достигне така наречената точка на кипене, започва бързо образуване на мехурчета, има много от тях и течността започва да кипи. Образува се пара, чиято температура остава постоянна, докато присъства цялата вода. Ако изпарението настъпи при нормални условия, при стандартно налягане от 100 mPa, неговата температура е 100°C. Ако изкуствено увеличите налягането, можете да получите прегрята пара. Учените успяха да загреят водната пара до температура от 1227 ° C; при по-нататъшно нагряване дисоциацията на йони превръща парата в плазма.

При даден състав и постоянно налягане точката на кипене на всяка течност е постоянна. В учебниците и ръководствата можете да видите таблици, показващи точката на кипене на различни течности и дори метали. Например водата кипи при температура 100°C при 78,3°C, етерът при 34,6°C, златото при 2600°C и среброто при 1950°C. Тези данни са за стандартно налягане от 100 mPa и са изчислени на морското равнище.

Как да промените точката на кипене

Ако налягането намалее, точката на кипене намалява, дори ако съставът остане същият. Това означава, че ако изкачите планина на височина 4000 метра с тенджера с вода и я поставите на огън, водата ще заври при 85°C и това ще изисква много по-малко дърва за огрев, отколкото по-долу.

Домакините ще се интересуват от сравнение с тенджера под налягане, в която налягането е изкуствено увеличено. В същото време точката на кипене на водата също се повишава, поради което храната се готви много по-бързо. Съвременните тенджери под налягане ви позволяват плавно да променяте температурата на кипене от 115 до 130°C или повече.

Друга тайна за точката на кипене на водата се крие в нейния състав. Твърдата вода, която съдържа различни соли, кипи по-дълго и изисква повече енергия за нагряване. Ако добавите две супени лъжици сол към един литър вода, нейната точка на кипене ще се повиши с 10°C. Същото може да се каже и за захарта; 10% захарен сироп кипи при температура 100,1°C.

Зависимост на температурата на кипене от налягането

Точката на кипене на водата е 100 °C; може да се мисли, че това е присъщо свойство на водата, че водата, независимо къде и при какви условия е, винаги ще кипи при 100 ° C.

Но това не е така и жителите на високопланинските села го знаят добре.

Близо до върха на Елбрус има къща за туристи и научна станция. Начинаещите понякога се изненадват от „колко трудно е да сварите 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.

Какъв е проблема? Какъв физически фактор пречи на явлението кипене? Какво е значението на надморската височина?

Това физически факторе налягането, действащо върху повърхността на течността. Не е нужно да се изкачвате до върха на планината, за да проверите истинността на казаното.

Като поставите загрята вода под камбана и изпомпвате или изпомпвате въздух оттам, можете да се уверите, че точката на кипене се повишава с увеличаване на налягането и пада, когато намалява.

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 atm и това налягане съответства на точка на кипене 82 °C.

Но с вода, кипяща при 10–15 mm Hg, можете да се освежите горещо време. При това налягане точката на кипене ще падне до 10–15 °C.

Можете дори да получите „вряща вода“, която има температура на замръзваща вода. За да направите това, ще трябва да намалите налягането до 4,6 mm Hg.

Интересна картина може да се наблюдава, ако поставите отворен съд с вода под камбаната и изпомпате въздуха. Изпомпването ще доведе до кипене на водата, но кипенето изисква топлина. Няма откъде да се вземе и водата ще трябва да отдаде енергията си. Температурата на врящата вода ще започне да пада, но докато изпомпването продължава, налягането също ще спадне. Следователно кипенето няма да спре, водата ще продължи да се охлажда и накрая ще замръзне.

Такъв цирей студена водавъзниква не само при изпомпване на въздух. Например, когато витлото на кораба се върти, налягането в бързо движещ се слой вода в близост до метална повърхност пада силно и водата в този слой кипи, т.е. В него се появяват множество мехурчета, пълни с пара. Това явление се нарича кавитация (от латинската дума cavitas - кухина).

Като намалим налягането, понижаваме точката на кипене. И като го увеличите? Графика като нашата отговаря на този въпрос. Налягане от 15 atm може да забави кипенето на водата, то ще започне само при 200 °C, а налягане от 80 atm ще доведе до кипене на вода само при 300 °C.

И така, определено външно налягане съответства на определена точка на кипене. Но това твърдение може да се „обърне“, като се каже следното: всяка точка на кипене на водата съответства на собственото си специфично налягане. Това налягане се нарича парно налягане.

Кривата, изобразяваща точката на кипене като функция от налягането, също е крива на налягането на парите като функция от температурата.

Числата, нанесени на графиката на точката на кипене (или на графиката на налягането на парите), показват, че налягането на парите се променя много рязко 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. приблизително 10 000 пъти.

Следователно, напротив, точката на кипене се променя с налягане доста бавно. Когато налягането се промени наполовина - от 0,5 atm на 1 atm, точката на кипене се повишава от 82 °C (т.е. 355 K) на 100 °C (т.е. 373 K), а при удвояване от 1 atm на 2 atm - от 100 °C (т.е. 373 K) до 120 °C (т.е. 393 K).

Същата крива, която сега разглеждаме, също контролира кондензацията (кондензацията) на пара във вода.

Парата може да се преобразува във вода чрез компресия или охлаждане.

Както по време на кипене, така и по време на кондензация, точката няма да се премести от кривата, докато не завърши превръщането на парата във вода или водата в пара. Това може да се формулира и така: при условията на нашата крива и само при тези условия е възможно съвместното съществуване на течност и пара. Ако не добавяте или премахвате топлина, тогава количествата пара и течност в затворен съд ще останат непроменени. Такава пара и течност се наричат ​​​​в равновесие, а парата, която е в равновесие с течността, се нарича наситена.

Кривата на кипене и кондензация, както виждаме, има друго значение - това е кривата на равновесие на течността и парата. Равновесната крива разделя полето на диаграмата на две части. Наляво и нагоре (до високи температурии по-ниски налягания) има област на стабилно състояние на парата. Вдясно и надолу е областта на стабилно състояние на течността.

Кривата на равновесие пара-течност, т.е. кривата на точката на кипене спрямо налягането или, което е същото, налягането на парите спрямо температурата, е приблизително еднаква за всички течности. В някои случаи промяната може да бъде малко по-рязка, в други малко по-бавна, но налягането на парите винаги нараства бързо с повишаване на температурата.

Вече сме използвали думите „газ“ и „пара“ много пъти. Тези две думи са доста равни. Можем да кажем: водният газ е водна пара, кислородният газ е течна кислородна пара. Въпреки това се е развил известен навик при използването на тези две думи. Тъй като сме свикнали с определен сравнително малък температурен диапазон, обикновено използваме думата „газ“ за онези вещества, чиято еластичност на парите при обикновени температури е по-висока от атмосферното налягане. Напротив, говорим за пара, когато при стайна температура и атмосферно налягане веществото е по-стабилно под формата на течност.

От книгата Физиците продължават да се шегуват автор Конобеев Юрий

Към квантовата теория абсолютна нулатемпература D. Buck, G. Bethe, W. Riezler (Кеймбридж) „Към квантовата теория на абсолютната нулева температура“ и бележки, чиито преводи са поставени по-долу: Към квантовата теория на абсолютната нулева температура Движение на долната челюст в голям

От книгата Физиците се шегуват автор Конобеев Юрий

Относно квантовата теория за абсолютната нулева температура По-долу е даден превод на бележка, написана от известни физици и публикувана в Natur-wissenschaften. Редакторите на списанието „хванаха стръвта на големи имена“ и, без да навлизат в същността на написаното, изпратиха получения материал на

От книгата Медицинска физика автор Подколзина Вера Александровна

6. Математическа статистика и корелационна зависимост Математическата статистика е наука за математическите методи за систематизиране и използване на статистически данни за решаване на научни и практически проблеми. Математическата статистика е тясно свързана с теорията на автора

От книгата на автора

Промяна на налягането с надморската височина С промяната на надморската височина налягането пада. Това е открито за първи път от французина Перие от името на Паскал през 1648 г. Планината Пуч дьо Дом, близо до която е живял Перие, е била висока 975 м. Измерванията показват, че живакът в тръбата на Торичели пада при изкачване до

От книгата на автора

Влияние на налягането върху точката на топене Ако промените налягането, температурата на топене също ще се промени. Срещнахме същия модел, когато говорихме за кипене. Колкото по-високо е налягането, толкова по-висока е точката на кипене. Това обикновено важи и за топенето. въпреки това

От горните съображения става ясно, че точката на кипене на течността трябва да зависи от външното налягане. Наблюденията потвърждават това.

Колкото по-голямо е външното налягане, толкова по-висока е точката на кипене. Така в парен котел при налягане, достигащо 1,6 × 10 6 Pa, водата не кипи дори при температура 200 ° C. В лечебните заведения кипенето на вода в херметически затворени съдове - автоклави (фиг. 6.11) също се случва при повишено налягане. Следователно точката на кипене е значително по-висока от 100 °C. Автоклавите се използват за стерилизиране на хирургически инструменти, превързочни материали и др.

И обратното, като намаляваме външното налягане, по този начин намаляваме точката на кипене. Под звънеца на въздушна помпа можете да накарате водата да заври при стайна температура (фиг. 6.12). Докато изкачвате планини, атмосферното налягане намалява, следователно точката на кипене намалява. На надморска височина от 7134 m (връх Ленин в Памир) налягането е приблизително 4 · 10 4 Pa ​​​​(300 mm Hg). Там водата кипи при около 70 °C. При тези условия е невъзможно да се готви например месо.

Фигура 6.13 показва крива на точката на кипене на водата спрямо външното налягане. Лесно е да се разбере, че тази крива също е крива, изразяваща зависимостта на налягането на наситените водни пари от температурата.

Разлики в точките на кипене на течности

Всяка течност има своя точка на кипене. Разликата в точките на кипене на течностите се определя от разликата в налягането на техните наситени пари при една и съща температура. Например, етерните пари вече при стайна температура имат налягане, по-голямо от половината от атмосферното. Следователно, за да може налягането на етерните пари да стане равно на атмосферното налягане, е необходимо леко повишаване на температурата (до 35 ° C). В живака наситените пари имат много незначително налягане при стайна температура. Налягането на живачните пари става равно на атмосферното само при значително повишаване на температурата (до 357 ° C). При тази температура, ако външното налягане е 105 Pa, живакът кипи.

Разликата в точките на кипене на веществата се използва широко в технологиите, например при разделянето на петролни продукти. При нагряване на маслото първо се изпаряват неговите най-ценни, летливи части (бензин), които по този начин могат да бъдат отделени от „тежките“ остатъци (масла, мазут).

Течността кипи, когато налягането на наситените й пари се изравни с налягането вътре в течността.

§ 6.6. Топлина на изпарение

Необходима ли е енергия за превръщането на течността в пара? Вероятно да! Не е ли?

Отбелязахме (виж § 6.1), че изпарението на течност е придружено от нейното охлаждане. За да се поддържа непроменена температурата на изпаряващата се течност, е необходимо да се доставя топлина отвън. Разбира се, самата топлина може да бъде прехвърлена към течността от околните тела. Така водата в чашата се изпарява, но температурата на водата, малко по-ниска от температурата на околната среда, остава непроменена. Топлината се предава от въздух към вода, докато цялата вода се изпари.

За да се поддържа кипенето на вода (или друга течност), към нея трябва непрекъснато да се подава топлина, например чрез нагряване с горелка. В този случай температурата на водата и съда не се повишава, но всяка секунда се произвежда определено количество пара.

По този начин, за да се превърне течността в пара чрез изпаряване или чрез кипене, е необходима топлина. Количеството топлина, необходимо за превръщане на дадена маса течност в пара при същата температура, се нарича топлина на изпаряване на тази течност.

За какво се изразходва енергията, предоставена на тялото? На първо място, за увеличаване на вътрешната му енергия по време на прехода от течно към газообразно състояние: в крайна сметка това увеличава обема на веществото от обема на течността до обема на наситената пара. Следователно средното разстояние между молекулите се увеличава, а оттам и тяхната потенциална енергия.

Освен това, когато обемът на веществото се увеличава, се извършва работа срещу външни сили на натиск. Тази част от топлината на изпаряване при стайна температура обикновено е няколко процента от общата топлина на изпаряване.

Топлината на изпаряване зависи от вида на течността, нейната маса и температура. Зависимостта на топлината на изпаряване от вида на течността се характеризира със стойност, наречена специфична топлина на изпарение.

Специфичната топлина на изпаряване на дадена течност е съотношението на топлината на изпаряване на течност към нейната маса:

(6.6.1)

Където r- специфична топлина на изпаряване на течността; T- маса на течността; Q н- топлината му на изпарение. Единицата SI за специфична топлина на изпарение е джаул на килограм (J/kg).

Специфичната топлина на изпаряване на водата е много висока: 2,256·10 6 J/kg при температура 100 °C. За други течности (алкохол, етер, живак, керосин и др.) специфичната топлина на изпарение е 3-10 пъти по-малка.