Dépendance du point d'ébullition d'un liquide à la pression. Début d'ébullition

Pourquoi les gens ont-ils commencé à faire bouillir l’eau avant de l’utiliser directement ? C'est vrai, pour vous protéger de nombreuses bactéries et virus pathogènes. Cette tradition est arrivée sur le territoire de la Russie médiévale avant même Pierre le Grand, même si l'on pense que c'est lui qui a introduit le premier samovar dans le pays et a introduit le rituel de la consommation tranquille du thé en soirée. En fait, notre peuple utilisait des sortes de samovars à l'époque Rus antique pour préparer des boissons à base d'herbes, de baies et de racines. L'ébullition était ici principalement nécessaire pour extraire des extraits de plantes utiles plutôt que pour la désinfection. Après tout, à cette époque, on ne connaissait même pas le microcosme où vivaient ces bactéries et virus. Cependant, grâce à l’ébullition, notre pays a été épargné par des pandémies mondiales de terribles maladies comme le choléra ou la diphtérie.

Celsius

Le grand météorologue, géologue et astronome suédois utilisait à l'origine la valeur de 100 degrés pour indiquer le point de congélation de l'eau dans des conditions normales, et le point d'ébullition de l'eau était considéré comme étant de zéro degré. Et après sa mort en 1744, rien de moins célébrité, le botaniste Carl Linnaeus et le receveur Celsius Morten Stremer, ont inversé cette échelle pour en faciliter l'utilisation. Cependant, selon d'autres sources, Celsius lui-même l'aurait fait peu de temps avant sa mort. Mais dans tous les cas, la stabilité des lectures et l'étalonnage compréhensible ont influencé la large diffusion de son utilisation parmi les professions scientifiques les plus prestigieuses de l'époque - les chimistes. Et, malgré le fait que, inversée, l'échelle de 100 degrés établissait le point d'ébullition stable de l'eau, et non le début de sa congélation, l'échelle a commencé à porter le nom de son créateur principal, Celsius.

Sous l'atmosphère

Cependant, tout n’est pas aussi simple qu’il y paraît à première vue. En regardant n'importe quel diagramme de phase en coordonnées P-T ou P-S (l'entropie S est une fonction directe de la température), nous voyons à quel point la température et la pression sont étroitement liées. De même, l'eau change ses valeurs en fonction de la pression. Et tout grimpeur connaît bien cette propriété. Quiconque a connu au moins une fois dans sa vie des altitudes supérieures à 2 000-3 000 mètres au-dessus du niveau de la mer sait à quel point il est difficile de respirer en altitude. En effet, plus nous montons haut, plus l’air se raréfie. La pression atmosphérique chute en dessous d'une atmosphère (en dessous du niveau de la mer, c'est-à-dire en dessous de " conditions normales"). Le point d'ébullition de l'eau baisse également. En fonction de la pression à chaque hauteur, elle peut bouillir à la fois à quatre-vingts et soixante

Autocuiseurs

Cependant, il ne faut pas oublier que même si la plupart des microbes meurent à des températures supérieures à soixante degrés Celsius, beaucoup peuvent survivre à quatre-vingts degrés ou plus. C'est pourquoi on obtient de l'eau bouillante, c'est-à-dire qu'on porte sa température à 100°C. Il existe cependant des appareils de cuisine intéressants qui permettent de réduire le temps et de chauffer le liquide à hautes températures, sans le faire bouillir et sans perdre de masse par évaporation. Réalisant que le point d'ébullition de l'eau peut changer en fonction de la pression, des ingénieurs américains, sur la base d'un prototype français, ont présenté au monde un autocuiseur dans les années 1920. Le principe de son fonctionnement repose sur le fait que le couvercle est fermement plaqué contre les parois, sans possibilité de sortie de vapeur. Une pression accrue est créée à l’intérieur et l’eau bout à des températures plus élevées. Cependant, de tels appareils sont assez dangereux et entraînent souvent des explosions et de graves brûlures chez les utilisateurs.

Idéalement

Regardons comment le processus lui-même commence et se déroule. Imaginons une surface chauffante idéalement lisse et infiniment grande, où la répartition de la chaleur se produit uniformément (la même quantité d'énergie thermique est fournie à chaque millimètre carré de surface) et le coefficient de rugosité de la surface tend vers zéro. Dans ce cas, au n. toi. l'ébullition dans une couche limite laminaire commencera simultanément sur toute la surface et se produira instantanément, évaporant immédiatement toute l'unité de volume de liquide située à sa surface. Ce conditions idéales, V vrai vie Cela n'arrive pas.

En vrai

Voyons quel est le point d'ébullition initial de l'eau. En fonction de la pression, il change également ses valeurs, mais l'essentiel ici réside là-dedans. Même si nous prenons la casserole la plus lisse, à notre avis, et la plaçons sous un microscope, nous verrons dans son oculaire des bords inégaux et des pics aigus et fréquents dépassant de la surface principale. Nous supposerons que la chaleur est fournie uniformément à la surface de la casserole, bien qu'en réalité ce ne soit pas tout à fait vrai non plus. déclaration vraie. Même lorsque la casserole est sur le plus grand brûleur, le gradient de température sur la cuisinière est inégalement réparti et il existe toujours des zones de surchauffe locales responsables de l'ébullition précoce de l'eau. Combien de degrés y a-t-il aux sommets de la surface et à ses vallées ? Les sommets de la surface, avec un apport ininterrompu de chaleur, se réchauffent plus rapidement que les basses terres et les soi-disant dépressions. De plus, entourés de tous côtés par de l’eau à basse température, ils transfèrent mieux l’énergie aux molécules d’eau. Le coefficient de diffusivité thermique des sommets est une fois et demie à deux fois supérieur à celui des basses terres.

Températures

C'est pourquoi le point d'ébullition initial de l'eau est d'environ quatre-vingts degrés Celsius. A cette valeur, les pics superficiels fournissent suffisamment de ce qui est nécessaire à l'ébullition instantanée du liquide et à la formation des premières bulles, visible à l'oeil, qui commencent timidement à remonter à la surface. Quel est le point d'ébullition de l'eau à pression normale- beaucoup de gens demandent. La réponse à cette question se trouve facilement dans les tableaux. À pression atmosphérique une ébullition stable est établie à 99,9839 °C.

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 :

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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 à mesure que la température augmente et que de la vapeur se forme, la pression dans ce ballon augmentera et l'ébullition à pression accrue se produira à une température plus élevée. 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 à la pression atmosphérique. Ils sont accessibles à tous et sont activement utilisés par les écoliers, les étudiants et même les enseignants des instituts.

Étant donné que la pression de vapeur saturante est uniquement déterminée par la température et que l'ébullition d'un liquide se produit au moment où la pression de vapeur saturante de ce liquide est égale à pression extérieure, le point d'ébullition doit dépendre de la pression extérieure. À l'aide d'expériences, il est facile de montrer que lorsque la pression externe diminue, le point d'ébullition diminue et que lorsque la pression augmente, il augmente.

L’ébullition d’un liquide à pression réduite peut être démontrée à l’aide de l’expérience suivante. L'eau du robinet est versée dans un verre et un thermomètre y est plongé. Un verre d'eau est placé sous le couvercle en verre de l'unité à vide et la pompe est allumée. Lorsque la pression sous la hotte chute suffisamment, l’eau dans le verre commence à bouillir. Étant donné que l'énergie est dépensée pour la formation de vapeur, la température de l'eau dans le verre commence à baisser à mesure qu'elle bout et, lorsque la pompe fonctionne bien, l'eau finit par geler.

Le chauffage de l'eau à haute température est effectué dans des chaudières et des autoclaves. La structure de l'autoclave est représentée sur 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. De la table 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).

De ce qui précède, il s'ensuit que dans les mines profondes, l'eau doit bouillir à une température supérieure à 100 °C et dans les zones montagneuses - en dessous de 100 °C. Étant donné que le point d'ébullition de l'eau dépend de l'altitude 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 est appelée 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 de la solution bouillante est égale au point d’ébullition du solvant pur. Par conséquent, pour déterminer le point d'ébullition d'un liquide pur, il est préférable de placer le thermomètre non pas dans le liquide, mais dans la vapeur au-dessus de la surface du 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 d'un liquide, par exemple par une ébullition prolongée, ce liquide peut alors 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 de minuscules bulles de vapeur, qui pourraient devenir des centres de vaporisation, est empêchée par la pression de Laplace, qui est élevée dans un petit rayon de la bulle. Ceci explique la surchauffe du liquide. Lorsqu’il bout, l’ébullition se produit très violemment.

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.

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 se développe 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 la pression externe et de 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.