Зависимост на температурата на кипене на течността от налягането. Начало на кипене

Защо хората започнаха да преваряват водата, преди да я използват директно? Точно така, за да се предпазите от много болестотворни бактерии и вируси. Тази традиция дойде на територията на средновековна Русия още преди Петър Велики, въпреки че се смята, че именно той донесе първия самовар в страната и въведе ритуала на спокойно вечерно пиене на чай. Всъщност нашите хора са използвали някакви самовари древна русза приготвяне на напитки от билки, горски плодове и корени. Тук кипенето се изисква главно за извличане на полезни растителни екстракти, а не за дезинфекция. В крайна сметка по това време дори не се знаеше за микрокосмоса, в който живеят тези бактерии и вируси. Въпреки това, благодарение на варенето, страната ни беше пощадена от глобални пандемии от ужасни болести като холера или дифтерия.

Целзий

Големият метеоролог, геолог и астроном от Швеция първоначално използва стойността от 100 градуса, за да посочи точката на замръзване на водата при нормални условия, а точката на кипене на водата се приема за нула градуса. И след смъртта му през 1744 г. не по-малко известен човек, ботаникът Карл Линей и приемникът на Целзий Мортен Стремер, обърнаха тази скала за по-лесна употреба. Според други източници обаче самият Целзий е направил това малко преди смъртта си. Но във всеки случай стабилността на показанията и разбираемото калибриране повлияха на широкото разпространение на използването му сред най-престижните научни професии по това време - химиците. И въпреки факта, че обърната, скалата от 100 градуса установява стабилната точка на кипене на водата, а не началото на нейното замръзване, скалата започва да носи името на своя първи създател - Целзий.

Под атмосферата

Не всичко обаче е толкова просто, колкото изглежда на пръв поглед. Разглеждайки всяка фазова диаграма в P-T или P-S координати (ентропията S е пряка функция на температурата), виждаме колко тясно са свързани температурата и налягането. По същия начин водата променя своите стойности в зависимост от налягането. И всеки алпинист е добре запознат с това свойство. Всеки, който поне веднъж в живота си се е сблъсквал с надморска височина над 2000-3000 метра, знае колко е трудно да се диша на височина. Това е така, защото колкото по-високо се издигаме, толкова по-разреден става въздухът. Атмосферното налягане пада под една атмосфера (под морското равнище, т.е. под " нормални условия"). Точката на кипене на водата също пада. В зависимост от налягането на всяка височина, тя може да кипи както при осемдесет, така и при шестдесет

Тенджери под налягане

Все пак трябва да се помни, че въпреки че повечето микроби умират при температури над шестдесет градуса по Целзий, много от тях могат да оцелеят при осемдесет градуса или повече. Ето защо постигаме вряща вода, тоест довеждаме температурата й до 100 ° C. Има обаче интересни кухненски уреди, които ви позволяват да намалите времето и да загреете течността до високи температури, без да го варите и да губите маса чрез изпаряване. Осъзнавайки, че точката на кипене на водата може да се променя в зависимост от налягането, инженери от САЩ, базирайки се на френски прототип, представиха на света тенджера под налягане през 20-те години на миналия век. Принципът на действие се основава на факта, че капакът е плътно притиснат към стените, без възможност за излизане на пара. Вътре се създава повишено налягане и водата кипи при по-високи температури. Подобни устройства обаче са доста опасни и често водят до експлозии и сериозни изгаряния на потребителите.

В идеалния случай

Нека да разгледаме как започва и протича самият процес. Нека си представим идеално гладка и безкрайно голяма нагряваща повърхност, където разпределението на топлината става равномерно (на всеки квадратен милиметър от повърхността се подава същото количество топлинна енергия), а коефициентът на грапавост на повърхността клони към нула. В този случай на n. u. кипенето в ламинарен граничен слой ще започне едновременно върху цялата повърхност и ще се случи мигновено, като незабавно се изпарява цялата единица обем течност, разположена на повърхността му. Това идеални условия, В Истински животТова не се случва.

В реално

Нека да разберем каква е началната точка на кипене на водата. В зависимост от налягането той също променя стойностите си, но основното тук е в това. Дори ако вземем най-гладкия според нас тиган и го поставим под микроскоп, тогава в неговия окуляр ще видим неравни ръбове и остри, чести върхове, изпъкнали над основната повърхност. Ще приемем, че топлината се подава равномерно към повърхността на тигана, въпреки че в действителност това също не е съвсем вярно. вярно твърдение. Дори когато тиганът е на най-голямата горелка, температурният градиент на печката се разпределя неравномерно и винаги има локални зони на прегряване, отговорни за ранното кипене на водата. Колко градуса има по върховете на повърхността и по нейните долини? Върховете на повърхността, с непрекъснато подаване на топлина, се затоплят по-бързо от низините и така наречените депресии. Освен това, заобиколени отвсякъде с вода с ниска температура, те по-добре пренасят енергия към водните молекули. Коефициентът на топлопроводимост на върховете е един и половина до два пъти по-висок от този на низините.

Температури

Ето защо началната точка на кипене на водата е около осемдесет градуса по Целзий. При тази стойност повърхностните пикове доставят достатъчно от необходимото за мигновено кипене на течността и образуване на първите мехурчета, видими за окото, които плахо започват да изплуват на повърхността. Каква е точката на кипене на водата нормално налягане- питат много хора. Отговорът на този въпрос можете лесно да намерите в таблиците. При атмосферно наляганестабилно кипене се установява при 99,9839 °C.

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 води до по-редки сблъсъци между тях. 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 повишаването на температурата и образуването на пара налягането в тази колба ще се увеличи и кипенето при повишено налягане ще настъпи при по-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 атмосферното налягане. Те са достъпни за всички и се използват активно от ученици, студенти и дори учители в институти.

Тъй като налягането на наситените пари се определя еднозначно от температурата и кипенето на течност възниква в момента, когато налягането на наситените пари на тази течност е равно на външен натиск, точката на кипене трябва да зависи от външното налягане. С помощта на експерименти е лесно да се покаже, че когато външното налягане намалява, точката на кипене се понижава, а когато налягането се увеличава, тя се увеличава.

Кипенето на течност при понижено налягане може да се демонстрира чрез следния експеримент. Водата от чешмата се налива в чаша и в нея се спуска термометър. Под стъкления капак на вакуумния уред се поставя чаша вода и помпата се включва. Когато налягането под капака спадне достатъчно, водата в чашата започва да кипи. Тъй като енергията се изразходва за образуване на пара, температурата на водата в чашата започва да пада, докато кипи, и когато помпата работи добре, водата накрая замръзва.

Загряването на водата до високи температури се извършва в котли и автоклави. Конструкцията на автоклава е показана на фиг. 8.6, където K е предпазен клапан, е лост, натискащ клапана, M е манометър. При налягане над 100 atm водата се нагрява до температури над 300 °C.

Таблица 8.2. Точки на кипене на някои вещества

Точката на кипене на течност при нормално атмосферно налягане се нарича точка на кипене. От масата 8.1 и 8.2 е ясно, че налягането на наситените пари за етер, вода и алкохол при точката на кипене е 1,013 105 Pa (1 atm).

От горното следва, че в дълбоките мини водата трябва да кипи при температура над 100 °C, а в планинските райони - под 100 °C. Тъй като точката на кипене на водата зависи от надморската височина, на скалата на термометъра, вместо температура, можете да посочите височината, на която водата кипи при тази температура. Определянето на височина с помощта на такъв термометър се нарича хипсометрия.

Опитът показва, че точката на кипене на разтвора винаги е по-висока от точката на кипене на чистия разтворител и се увеличава с увеличаване на концентрацията на разтвора. Температурата на парите над повърхността на кипящия разтвор обаче е равна на точката на кипене на чистия разтворител. Следователно, за да се определи точката на кипене на чиста течност, е по-добре да поставите термометъра не в течността, а в парата над повърхността на кипящата течност.

Процесът на кипене е тясно свързан с наличието на разтворен газ в течността. Ако разтвореният в него газ се отстрани от течност, например чрез продължително кипене, тогава тази течност може да се нагрее до температура, значително по-висока от нейната точка на кипене. Такава течност се нарича прегрята. При липса на газови мехурчета, образуването на малки мехурчета от пара, които биха могли да станат центрове на изпарение, се предотвратява от налягането на Лаплас, което е високо при малък радиус на мехурчето. Това обяснява прегряването на течността. Когато заври, кипенето става много бурно.

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.

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 наситените пари вътре в него леко надвиши налягането в течността, което е сумата от външното налягане и хидростатичното налягане на колоната течност.

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.