Faire bouillir des liquides. Dépendance de la température d'ébullition sur la pression

Ébullition- il s'agit d'une transition intensive du liquide en vapeur, qui se produit avec la formation de bulles de vapeur dans tout le volume du liquide à une certaine température.

Pendant l'ébullition, la température du liquide et de la vapeur au-dessus ne change pas. Il reste inchangé jusqu'à ce que tout le liquide soit évaporé. Cela se produit parce que toute l’énergie fournie au liquide est utilisée pour le convertir en vapeur.

La température à laquelle bout un liquide s'appelle point d'ébullition.

Le point d'ébullition dépend de la pression exercée sur la surface libre du liquide. Ceci s'explique par la dépendance de la pression de vapeur saturée à la température. La bulle de vapeur grandit jusqu'à ce que la pression de la vapeur saturée à l'intérieur dépasse légèrement la pression dans le liquide, qui est la somme de pression extérieure et la pression hydrostatique de la colonne de liquide.

Plus la pression extérieure est forte, plus température d'ébullition.

Tout le monde sait que l’eau bout à une température de 100 ºC. Mais il ne faut pas oublier que cela n’est vrai qu’à pression atmosphérique normale (environ 101 kPa). À mesure que la pression augmente, le point d’ébullition de l’eau augmente. Par exemple, dans les autocuiseurs, les aliments sont cuits sous une pression d’environ 200 kPa. Le point d'ébullition de l'eau atteint 120°C. Dans l'eau à cette température, le processus de cuisson se produit beaucoup plus rapidement que dans l'eau bouillante ordinaire. Cela explique le nom « autocuiseur ».

Et vice versa, en réduisant la pression extérieure, on abaisse ainsi le point d'ébullition. Par exemple, dans les zones montagneuses (à 3 km d'altitude, où la pression est de 70 kPa), l'eau bout à une température de 90°C. Par conséquent, les habitants de ces zones qui utilisent une telle eau bouillante ont besoin de beaucoup plus de temps pour préparer la nourriture que les habitants des plaines. Mais il est généralement impossible de faire bouillir, par exemple, un œuf de poule dans cette eau bouillante, car le blanc ne coagule pas à des températures inférieures à 100 °C.

Chaque liquide a son propre point d’ébullition, qui dépend de la pression de vapeur saturée. Plus la pression de vapeur saturée est élevée, plus le point d'ébullition du liquide correspondant est bas, car à des températures plus basses, la pression de vapeur saturée devient égale à la pression atmosphérique. Par exemple, à un point d'ébullition de 100 °C, la pression vapeurs saturées l'eau est de 101 325 Pa (760 mm Hg) et la vapeur n'est que de 117 Pa (0,88 mm Hg). Le mercure bout à 357°C sous pression normale.

Chaleur de vaporisation.

Chaleur de vaporisation (chaleur d'évaporation)- la quantité de chaleur qui doit être transmise à la substance (à pression et Température constante) Pour transformation complète substance liquide en vapeur.

La quantité de chaleur nécessaire à la vaporisation (ou libérée lors de la condensation). Pour calculer la quantité de chaleur Q nécessaire pour transformer toute masse de liquide prise à point d'ébullition en vapeur, la chaleur spécifique de vaporisation est nécessaire r esprit-à-masse m:

Lorsque la vapeur se condense, la même quantité de chaleur est libérée.

L'ébullition est le processus de modification de l'état d'agrégation d'une substance. Lorsque nous parlons d’eau, nous entendons 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 à température ambiante. Il ne faut pas non plus la confondre avec l’ébullition, qui est le processus consistant à chauffer l’eau à une certaine température. Maintenant que nous avons compris les concepts, nous pouvons déterminer à quelle température l’eau bout.

Processus

Le processus de transformation de l’état d’agrégation de liquide à gazeux est complexe. Et même si les gens ne le voient pas, il y a 4 étapes :

Dans un premier temps, de petites bulles se forment au fond du récipient chauffé. On les voit également sur les côtés ou à la surface de l’eau. Ils se forment en raison de l'expansion des bulles d'air, toujours présentes dans les fissures du récipient où l'eau est chauffée.
Dans un deuxième temps, le volume des bulles augmente. Ils commencent tous à se précipiter à la surface, car à l'intérieur se trouvent de la vapeur saturée, plus légère que l'eau. À mesure que la température de chauffage augmente, la pression des bulles augmente et elles sont poussées vers la surface grâce à la force d'Archimède bien connue. Dans ce cas, vous pouvez entendre le son caractéristique de l'ébullition, qui se forme en raison de l'expansion constante et de la réduction de la taille des bulles.
Au troisième stade, vous pouvez voir à la surface un grand nombre de bulles. Cela crée initialement un trouble dans l’eau. Ce processus est communément appelé « ébullition blanche » et 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 a atteint sa température maximale. De la vapeur commencera à émaner de l'eau.

On sait que l'eau bout à une température de 100 degrés, ce qui n'est possible qu'au quatrième stade.

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 sur lui. Lors de la vaporisation, la température de la vapeur et de l'eau reste constante jusqu'à ce que l'ensemble du liquide change d'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, de la vapeur humide et saturée se forme, qui devient sèche une fois que tout le liquide s'est évaporé. Si sa température commence à dépasser la température de l'eau, cette vapeur est alors surchauffée et ses caractéristiques seront plus proches de celles du gaz.

Eau salée bouillante

Il est assez intéressant de savoir à quelle température bout une 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 la zone située entre les molécules d'eau. Cela rend la composition chimique de l’eau salée différente de celle du liquide frais ordinaire.

Le fait est que dans l'eau salée, une réaction d'hydratation a lieu - le processus d'ajout de molécules d'eau aux ions sel. Les liaisons entre les molécules d’eau douce sont plus faibles que celles formées lors de l’hydratation, il faudra donc plus de temps pour qu’un liquide contenant du sel dissous bout. À mesure que la température augmente, les molécules de l’eau salée se déplacent plus rapidement, mais elles sont moins nombreuses, ce qui les fait entrer en collision moins souvent. En conséquence, moins de vapeur est produite et sa pression est donc inférieure à la pression de vapeur de l’eau douce. Par conséquent, plus d’énergie (température) sera nécessaire pour une vaporisation 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 % (soit de 10 C).

Dépendance de l'ébullition à la pression

On sait qu'en montagne, peu importe composition chimique l'eau aura un point d'ébullition plus bas. Cela se produit parce que la pression atmosphérique est plus basse en altitude. La pression normale est considérée comme étant de 101,325 kPa. Avec lui, le point d'ébullition de l'eau est de 100 degrés Celsius. Mais si vous escaladez une montagne où la pression est en moyenne de 40 kPa, l'eau y bouillira à 75,88 C. Mais cela ne signifie pas que vous devrez passer presque la moitié moins de temps à cuisiner en montagne. Le traitement thermique des aliments nécessite une certaine température.

On pense qu'à une altitude de 500 mètres au-dessus du niveau de la mer, l'eau bout à 98,3 °C et qu'à une altitude de 3 000 mètres, le point d'ébullition sera de 90 °C.

A noter que cette loi s’applique également en sens inverse. Si vous placez un liquide dans un ballon fermé à travers lequel la vapeur ne peut pas passer, alors avec l'augmentation de la température et la formation de vapeur, la pression dans ce ballon augmentera et l'ébullition à pression accrue se produira à plus haute température. Par exemple, à une pression de 490,3 kPa, le point d'ébullition de l'eau sera de 151 C.

Eau distillée bouillante

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 cette eau, elle n'est pas utilisée pour la cuisson. Il est intéressant de noter que l'eau distillée bout plus vite 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 une théière

Les gens se demandent souvent à quelle température bout l’eau dans une bouilloire, car ce sont les appareils qu’ils utilisent pour faire bouillir des liquides. Compte tenu du fait que la pression atmosphérique dans l'appartement est égale à la norme et que l'eau utilisée ne contient pas de sels ni d'autres impuretés qui ne devraient pas être là, le point d'ébullition sera également standard - 100 degrés. Mais si l'eau contient du sel, alors 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 liquide affectent ce processus. Il n'y a rien de compliqué à cela et les enfants reçoivent de telles informations à l'école. L'essentiel est de se rappeler qu'à mesure que la pression diminue, le point d'ébullition du liquide diminue également et qu'à mesure qu'il augmente, il augmente également.

Sur Internet, vous pouvez trouver de nombreux tableaux différents indiquant la dépendance du point d'ébullition d'un liquide par rapport à pression atmosphérique. Ils sont accessibles à tous et sont activement utilisés par les écoliers, les étudiants et même les enseignants des instituts.

Lors de l'ébullition, le liquide commence à se transformer intensément en vapeur, des bulles de vapeur s'y forment et remontent à la surface. Lorsqu'elle est chauffée, la vapeur apparaît d'abord uniquement à la surface du liquide, puis ce processus commence dans tout le volume. De petites bulles apparaissent sur le fond et les parois de la casserole. À mesure que la température augmente, la pression à l’intérieur des bulles augmente, elles grossissent et montent vers le haut.

Lorsque la température atteint le point d'ébullition, la formation rapide de bulles commence, elles sont nombreuses et le liquide commence à bouillir. Il se forme de la vapeur dont la température reste constante jusqu'à ce que toute l'eau soit présente. Si la vaporisation se produit dans des conditions normales, à une pression standard de 100 mPa, sa température est de 100°C. Si vous augmentez artificiellement la pression, vous pouvez obtenir de la vapeur surchauffée. Les scientifiques ont réussi à chauffer la vapeur d'eau à une température de 1227°C ; avec un chauffage supplémentaire, la dissociation des ions transforme la vapeur en plasma ;

À composition donnée et pression constante, le point d’ébullition de tout liquide est constant. Dans les manuels et les manuels, vous pouvez voir des tableaux indiquant le point d'ébullition de divers liquides et même de métaux. Par exemple, l'eau bout à une température de 100°C, à 78,3°C, l'éther à 34,6°C, l'or à 2600°C et l'argent à 1950°C. Ces données concernent une pression standard de 100 mPa, elles sont calculées au niveau de la mer.

Comment changer le point d'ébullition

Si la pression diminue, le point d’ébullition diminue, même si la composition reste la même. Cela signifie que si vous escaladez une montagne de 4 000 mètres d'altitude avec une casserole d'eau et que vous la mettez au feu, l'eau bouillira à 85°C, et cela nécessitera beaucoup moins de bois de chauffage qu'en dessous.

Les femmes au foyer seront intéressées par une comparaison avec un autocuiseur, dans lequel la pression est artificiellement augmentée. Dans le même temps, le point d'ébullition de l'eau augmente également, ce qui permet aux aliments de cuire beaucoup plus rapidement. Les autocuiseurs modernes vous permettent de modifier en douceur la température d'ébullition de 115 à 130°C ou plus.

Un autre secret du point d’ébullition de l’eau réside dans sa composition. L'eau dure, qui contient divers sels, met plus de temps à bouillir et nécessite plus d'énergie pour chauffer. Si vous ajoutez deux cuillères à soupe de sel à un litre d’eau, son point d’ébullition augmentera de 10°C. On peut en dire autant du sucre : le sirop de sucre à 10 % bout à une température de 100,1°C.

Dépendance de la température d'ébullition sur la pression

Le point d'ébullition de l'eau est de 100 °C ; on pourrait penser qu'il s'agit d'une propriété inhérente à l'eau, que l'eau, peu importe où 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 le savent bien.

Près du sommet de l'Elbrouz se trouvent une maison pour touristes et une station scientifique. Les débutants sont parfois surpris de « combien il est difficile de faire bouillir un œuf dans de l’eau bouillante » ou de « pourquoi l’eau bouillante ne brûle-t-elle pas ». Dans ces cas-là, on leur dit que l'eau bout déjà à 82 °C au sommet de l'Elbrouz.

Quel est le problème? Quel facteur physique interfère avec le phénomène d’ébullition ? Quelle est l’importance de l’altitude au-dessus du niveau de la mer ?

Ce facteur physique est la pression agissant à la surface du liquide. Vous n’avez pas besoin de grimper au sommet d’une montagne pour vérifier la véracité de ce qui a été dit.

En plaçant de l'eau chauffée sous une cloche et en pompant ou en pompant de l'air à partir de là, vous pouvez vous assurer que le point d'ébullition augmente à mesure que la pression augmente et diminue à mesure qu'elle diminue.

L'eau bout à 100 °C seulement à une certaine pression - 760 mm Hg.

La courbe du point d’ébullition en fonction de la pression est présentée sur la figure. 98. Au sommet de l'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 en temps chaud. À cette pression, le point d'ébullition descendra à 10-15 °C.

Vous pouvez même obtenir de l’« eau bouillante », qui a la température de l’eau glacée. 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 la prendre et l'eau devra renoncer à 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 éventuellement à geler.

Une telle ébullition eau froide ne se produit pas seulement lors du pompage de l'air. Par exemple, lorsque l'hélice d'un navire tourne, la pression dans une couche d'eau en mouvement rapide près d'une surface métallique diminue considérablement 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 réduisant la pression, on abaisse le point d’ébullition. Et en l'augmentant ? Un graphique comme le nôtre répond à cette question. Une pression de 15 atm peut retarder l'ébullition de l'eau, elle ne commencera qu'à 200 °C, et une pression de 80 atm ne fera bouillir l'eau qu'à 300 °C.

Ainsi, à une certaine pression extérieure correspond un certain point d’ébullition. Mais cette affirmation peut être « inversée » en disant ceci : à chaque point d’ébullition de l’eau correspond 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 une courbe de pression de vapeur en fonction de la température.

Les nombres tracés sur un graphique du point d’ébullition (ou sur un graphique de la pression de vapeur) montrent que la pression de vapeur change très fortement avec la température. À 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 augmente 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 change de moitié – de 0,5 atm à 1 atm, le point d'ébullition augmente de 82 °C (soit 355 K) à 100 °C (soit 373 K) et lorsqu'il double de 1 atm à 2 atm – de 100 °C (soit 373 K) à 120 °C (soit 393 K).

La même courbe que nous examinons maintenant contrôle également la condensation (condensation) de la vapeur en eau.

La vapeur peut être transformée en eau par compression ou refroidissement.

Tant pendant l'ébullition que pendant la condensation, le point ne bougera pas de la courbe jusqu'à ce que la conversion de la vapeur en eau ou de l'eau en vapeur soit terminée. Cela peut aussi se formuler ainsi : dans les conditions de notre courbe et seulement dans ces conditions, la coexistence du liquide et de la vapeur est possible. Si vous n'ajoutez ou ne supprimez pas de chaleur, les quantités de vapeur et de liquide dans un récipient fermé resteront inchangées. On dit que cette vapeur et ce liquide sont en équilibre, et la vapeur qui est 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 (vers hautes températures et des pressions plus faibles), il existe une région d'état stable de la vapeur. À droite et en bas se trouve la région d’état stable du liquide.

La courbe d'équilibre vapeur-liquide, c'est-à-dire la courbe du point d'ébullition en fonction de la pression ou, ce qui revient au même, de la pression de vapeur en fonction de la température, est à peu près la même pour tous les liquides. Dans certains cas, le changement peut être un peu plus brusque, dans d'autres un peu plus lent, mais la pression de vapeur augmente toujours rapidement avec l'augmentation de la température.

Nous avons déjà utilisé à plusieurs reprises les mots « gaz » et « vapeur ». Ces deux mots sont assez égaux. On peut dire : l'eau gazeuse est de la vapeur d'eau, l'oxygène gazeux est de la vapeur d'oxygène liquide. Néanmoins, une certaine habitude s’est développée lors de l’utilisation de ces deux mots. Puisque nous sommes habitués à une certaine plage de température relativement petite, nous appliquons généralement le mot « gaz » aux substances dont l'élasticité de la vapeur aux températures ordinaires est supérieure à la pression atmosphérique. Au contraire, on parle de vapeur lorsque, à température ambiante et pression atmosphérique, la substance est plus stable sous forme liquide.

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Effet de la pression sur le point de fusion Si vous modifiez la pression, la température de fusion changera également. Nous avons rencontré le même schéma lorsque nous avons parlé d’ébullition. Plus la pression est élevée, plus le point d’ébullition est élevé. Cela est également généralement vrai pour la fonte. Cependant

D’après les considérations ci-dessus, il ressort clairement que le point d’ébullition d’un liquide doit dépendre de la pression extérieure. Les observations le confirment.

Plus la pression extérieure 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. Dans les établissements médicaux, l'eau bouillante dans des récipients hermétiquement fermés - les autoclaves (Fig. 6.11) se produit également à une pression élevée. Le point d’ébullition est donc nettement supérieur à 100 °C. Les autoclaves sont utilisés pour stériliser les instruments chirurgicaux, les pansements, etc.

Et vice versa, en réduisant 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). À mesure que vous gravissez 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. Il est par exemple impossible de cuire de la viande dans ces conditions.

La figure 6.13 montre une courbe du point d'ébullition de l'eau en fonction de la pression externe. Il est facile de comprendre que cette courbe est aussi une courbe exprimant la dépendance de la pression de vapeur saturée d’eau à la température.

Différences de points d'ébullition des liquides

Chaque liquide a son propre point d'ébullition. La différence de points d'ébullition des liquides est déterminée par la différence de pression de leurs vapeurs saturées à la même température. Par exemple, la vapeur d'éther, déjà à température ambiante, a une pression supérieure à la moitié de la pression atmosphérique. Par conséquent, pour que la pression de vapeur d'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 très négligeable à température ambiante. La pression des vapeurs de mercure ne devient égale à la pression 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 entre les points d'ébullition des substances est largement utilisée en technologie, par exemple dans la séparation des produits pétroliers. Lorsque l'huile est chauffée, ses parties volatiles les plus précieuses (essence) s'évaporent en premier, qui peuvent ainsi être séparées des résidus « lourds » (huiles, fioul).

Un liquide bout lorsque sa pression de vapeur saturée est égale à la pression à l’intérieur du liquide.

§6.6. Chaleur de vaporisation

Faut-il de l’énergie pour transformer un liquide en vapeur ? Probablement oui! N'est-ce pas?

Nous avons constaté (voir § 6.1) que l'évaporation d'un liquide s'accompagne de son refroidissement. Pour maintenir la température du liquide qui s'évapore inchangée, la chaleur doit être fournie de l'extérieur. Bien entendu, la chaleur elle-même peut être transférée au liquide depuis les corps environnants. Ainsi, l'eau contenue dans le verre s'évapore, mais la température de l'eau, légèrement inférieure à la température ambiante, reste inchangée. La chaleur est transférée de l’air à l’eau jusqu’à ce que toute l’eau soit évaporée.

Pour maintenir l'ébullition de l'eau (ou d'un autre liquide), il faut également lui apporter de la chaleur en permanence, par exemple en la chauffant avec un brûleur. Dans ce cas, la température de l'eau et du récipient n'augmente pas, mais une certaine quantité de vapeur est produite chaque seconde.

Ainsi, pour transformer un liquide en vapeur par évaporation ou par ébullition, un apport de chaleur est nécessaire. La quantité de chaleur nécessaire pour convertir une masse donnée de liquide en vapeur à la même température est appelée chaleur de vaporisation de ce liquide.

À quoi sert l’énergie fournie au corps ? Tout d'abord, augmenter son énergie interne lors du passage de l'état liquide à l'état gazeux : après tout, cela augmente le volume de la 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, à mesure que le volume d’une substance augmente, un travail est effectué contre les forces de pression externes. Cette partie de la chaleur de vaporisation à température ambiante représente généralement plusieurs 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 sur le 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 de vaporisation du liquide ; T- masse de liquide ; Q n- 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. Pour les autres liquides (alcool, éther, mercure, kérosène, etc.), la chaleur spécifique de vaporisation est 3 à 10 fois inférieure.

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