A que temperatura a água ferve? Dependência da temperatura de ebulição da pressão. Ebulição e evaporação da água

Do raciocínio acima fica claro que o ponto de ebulição de um líquido deve depender de pressão externa. As observações confirmam isso.

Quanto maior for a pressão externa, maior será o ponto de ebulição. Assim, em uma caldeira a vapor a uma pressão que atinge 1,6 × 10 6 Pa, a água não ferve mesmo a uma temperatura de 200 °C. Nas instituições médicas, a fervura da água em recipientes hermeticamente fechados - autoclaves (Fig. 6.11) também ocorre sob pressão elevada. Portanto, o ponto de ebulição é significativamente superior a 100 °C. As autoclaves são usadas para esterilizar instrumentos cirúrgicos, curativos, etc.

E vice-versa, ao reduzir a pressão externa, diminuímos o ponto de ebulição. Sob o sino de uma bomba de ar, você pode fazer a água ferver em temperatura ambiente (Fig. 6.12). À medida que você sobe montanhas, a pressão atmosférica diminui e, portanto, o ponto de ebulição diminui. A uma altitude de 7.134 m (Pico Lenin nos Pamirs) a pressão é de aproximadamente 4 10 4 Pa (300 mm Hg). A água ferve ali a cerca de 70 °C. É impossível cozinhar carne, por exemplo, nestas condições.

A Figura 6.13 mostra uma curva do ponto de ebulição da água versus pressão externa. É fácil entender que esta curva também é uma curva que expressa a dependência da pressão do vapor de água saturado com a temperatura.

Diferenças nos pontos de ebulição dos líquidos

Cada líquido tem seu próprio ponto de ebulição. A diferença nos pontos de ebulição dos líquidos é determinada pela diferença na pressão de seus vapores saturados na mesma temperatura. Por exemplo, os vapores de éter já à temperatura ambiente têm uma pressão superior à metade da pressão atmosférica. Portanto, para que a pressão de vapor do éter se iguale à pressão atmosférica, é necessário um ligeiro aumento de temperatura (até 35°C). No mercúrio, os vapores saturados têm uma pressão insignificante à temperatura ambiente. A pressão do vapor de mercúrio torna-se igual à pressão atmosférica apenas com um aumento significativo da temperatura (até 357 ° C). É nesta temperatura, se a pressão externa for 105 Pa, que o mercúrio ferve.

A diferença nos pontos de ebulição das substâncias é amplamente utilizada em tecnologia, por exemplo, na separação de produtos petrolíferos. Quando o óleo é aquecido, as suas partes voláteis mais valiosas (gasolina) evaporam primeiro, podendo assim ser separadas dos resíduos “pesados” (óleos, óleo combustível).

Um líquido ferve quando sua pressão vapor saturado em comparação com a pressão dentro do líquido.

§ 6.6. Calor da vaporização

É necessária energia para transformar líquido em vapor? Provavelmente sim! Não é?

Observamos (ver § 6.1) que a evaporação de um líquido é acompanhada pelo seu resfriamento. Para manter inalterada a temperatura do líquido em evaporação, o calor deve ser fornecido de fora. É claro que o próprio calor pode ser transferido para o líquido a partir dos corpos circundantes. Assim, a água do copo evapora, mas a temperatura da água, ligeiramente inferior à temperatura ambiente, permanece inalterada. O calor é transferido do ar para a água até que toda a água tenha evaporado.

Para manter a ebulição da água (ou outro líquido), também deve ser-lhe fornecido calor continuamente, por exemplo, aquecendo-a com um queimador. Nesse caso, a temperatura da água e da vasilha não aumenta, mas uma certa quantidade de vapor é produzida a cada segundo.

Assim, para converter um líquido em vapor por evaporação ou ebulição, é necessária uma entrada de calor. A quantidade de calor necessária para converter uma determinada massa de líquido em vapor na mesma temperatura é chamada de calor de vaporização desse líquido.

Em que é gasta a energia fornecida ao corpo? Em primeiro lugar, para aumentar a sua energia interna durante a transição do estado líquido para o gasoso: afinal, isso aumenta o volume da substância do volume de líquido para o volume de vapor saturado. Consequentemente, a distância média entre as moléculas aumenta e, portanto, sua energia potencial.

Além disso, à medida que o volume de uma substância aumenta, é realizado trabalho contra forças de pressão externas. Esta parte do calor de vaporização à temperatura ambiente é geralmente vários por cento do calor total de vaporização.

O calor de vaporização depende do tipo de líquido, sua massa e temperatura. A dependência do calor de vaporização do tipo de líquido é caracterizada por um valor denominado calor específico de vaporização.

O calor específico de vaporização de um determinado líquido é a razão entre o calor de vaporização de um líquido e sua massa:

(6.6.1)

Onde R- calor específico de vaporização do líquido; T- massa de líquido; P n- o seu calor de vaporização. A unidade SI de calor específico de vaporização é joule por quilograma (J/kg).

O calor específico de vaporização da água é muito elevado: 2,256·10 6 J/kg a uma temperatura de 100 °C. Para outros líquidos (álcool, éter, mercúrio, querosene, etc.) o calor específico de vaporização é 3 a 10 vezes menor.

A ebulição é o processo de alteração do estado agregado de uma substância. Quando falamos de água, queremos dizer a mudança do estado líquido para o estado de vapor. É importante ressaltar que ebulição não é evaporação, que pode ocorrer mesmo em temperatura ambiente. Também não deve ser confundida com fervura, que é o processo de aquecimento da água a uma determinada temperatura. Agora que entendemos os conceitos, podemos determinar a que temperatura a água ferve.

Processo

O processo de transformação do estado agregado de líquido para gasoso é complexo. E embora as pessoas não vejam, existem 4 etapas:

Na primeira fase, pequenas bolhas se formam no fundo do recipiente aquecido. Eles também podem ser vistos nas laterais ou na superfície da água. Eles são formados devido à expansão das bolhas de ar, que estão sempre presentes nas fendas do recipiente onde a água é aquecida.
Na segunda etapa, o volume das bolhas aumenta. Todos começam a subir à superfície, pois dentro deles existe vapor saturado, que é mais leve que a água. À medida que a temperatura de aquecimento aumenta, a pressão das bolhas aumenta e elas são empurradas para a superfície graças à conhecida força de Arquimedes. Neste caso, é possível ouvir o som característico de fervura, que se forma devido à constante expansão e redução do tamanho das bolhas.
No terceiro estágio você pode ver na superfície um grande número de bolhas. Isso inicialmente cria turvação na água. Esse processo é popularmente chamado de “fervura branca” e dura um curto período de tempo.
No quarto estágio, a água ferve intensamente, grandes bolhas estourando aparecem na superfície e podem aparecer respingos. Na maioria das vezes, respingos significam que o líquido atingiu a temperatura máxima. O vapor começará a emanar da água.

Sabe-se que a água ferve a uma temperatura de 100 graus, o que só é possível no quarto estágio.

Temperatura do vapor

O vapor é um dos estados da água. Quando entra no ar, como outros gases, exerce uma certa pressão sobre ele. Durante a vaporização, a temperatura do vapor e da água permanece constante até que todo o líquido mude seu estado agregado. Esse fenômeno pode ser explicado pelo fato de que durante a fervura toda a energia é gasta na conversão da água em vapor.

Logo no início da fervura forma-se um vapor úmido e saturado, que fica seco após a evaporação de todo o líquido. Se sua temperatura começar a ultrapassar a temperatura da água, esse vapor superaquecerá e suas características ficarão mais próximas das do gás.

Água fervente com sal

É bastante interessante saber a que temperatura ferve a água com alto teor de sal. Sabe-se que deveria ser maior devido ao teor de íons Na+ e Cl- na composição, que ocupam a área entre as moléculas de água. Isso torna a composição química da água com sal diferente do líquido fresco comum.

O fato é que na água salgada ocorre uma reação de hidratação - o processo de adição de moléculas de água aos íons salinos. As ligações entre as moléculas de água doce são mais fracas do que aquelas formadas durante a hidratação, por isso levará mais tempo para um líquido com sal dissolvido ferver. À medida que a temperatura aumenta, as moléculas da água salgada se movem mais rápido, mas há menos delas, fazendo com que as colisões entre elas ocorram com menos frequência. Como resultado, é produzido menos vapor e a sua pressão é, portanto, inferior à pressão do vapor da água doce. Consequentemente, mais energia (temperatura) será necessária para a vaporização completa. Em média, para ferver um litro de água contendo 60 gramas de sal, é necessário aumentar o grau de ebulição da água em 10% (ou seja, em 10 C).

Dependência da fervura da pressão

Sabe-se que nas montanhas, independente de composição química a água terá um ponto de ebulição mais baixo. Isso ocorre porque a pressão atmosférica é menor em altitude. A pressão normal é considerada 101,325 kPa. Com ele, o ponto de ebulição da água é de 100 graus Celsius. Mas se você escalar uma montanha onde a pressão é em média de 40 kPa, a água lá ferverá a 75,88 C. Mas isso não significa que você terá que gastar quase metade do tempo cozinhando nas montanhas. O tratamento térmico dos alimentos requer uma certa temperatura.

Acredita-se que a uma altitude de 500 metros acima do nível do mar, a água ferverá a 98,3 C, e a uma altitude de 3.000 metros o ponto de ebulição será de 90 C.

Observe que esta lei também se aplica na direção oposta. Se você colocar um líquido em um frasco fechado através do qual o vapor não pode passar, à medida que a temperatura aumenta e o vapor se forma, a pressão neste frasco aumentará e a ebulição a uma pressão aumentada ocorrerá em uma temperatura mais alta. Por exemplo, a uma pressão de 490,3 kPa, o ponto de ebulição da água será 151 C.

Ferver água destilada

A água destilada é água purificada sem quaisquer impurezas. Muitas vezes é usado para fins médicos ou técnicos. Por não conter impurezas nessa água, ela não é utilizada para cozinhar. É interessante notar que a água destilada ferve mais rápido que a água doce comum, mas o ponto de ebulição permanece o mesmo - 100 graus. No entanto, a diferença no tempo de ebulição será mínima - apenas uma fração de segundo.

Em um bule

Muitas vezes as pessoas se perguntam a que temperatura a água ferve em uma chaleira, já que esses são os aparelhos que usam para ferver líquidos. Levando em consideração que a pressão atmosférica do apartamento é igual à padrão, e a água utilizada não contém sais e outras impurezas que não deveriam estar presentes, então o ponto de ebulição também será padrão - 100 graus. Mas se a água contiver sal, então o ponto de ebulição, como já sabemos, será maior.

Conclusão

Agora você sabe a que temperatura a água ferve e como a pressão atmosférica e a composição do líquido afetam esse processo. Não há nada de complicado nisso, e as crianças recebem essas informações na escola. O principal é lembrar que à medida que a pressão diminui, o ponto de ebulição do líquido também diminui e, à medida que aumenta, também aumenta.

Na Internet você pode encontrar diversas tabelas que indicam a dependência do ponto de ebulição de um líquido com a pressão atmosférica. Eles estão disponíveis para todos e são usados ativamente por alunos, alunos e até professores de institutos.

>>Física: Dependência da pressão de vapor saturado da temperatura. Ebulição

O líquido não apenas evapora. A uma certa temperatura ferve.
Dependência da pressão de vapor saturado da temperatura. O estado do vapor saturado, como mostra a experiência (falamos sobre isso no parágrafo anterior), é descrito aproximadamente pela equação de estado de um gás ideal (10.4), e sua pressão é determinada pela fórmula

À medida que a temperatura aumenta, a pressão aumenta. Porque A pressão de vapor saturado não depende do volume, portanto depende apenas da temperatura.
No entanto, a dependência r n.p. de T, encontrado experimentalmente, não é diretamente proporcional, como o de um gás ideal a volume constante. Com o aumento da temperatura, a pressão do vapor saturado real aumenta mais rapidamente do que a pressão de um gás ideal ( Figura 11.1, parte da curva AB). Isto se torna óbvio se traçarmos isócoros de um gás ideal através dos pontos A E EM(linhas tracejadas). Por que isso está acontecendo?

Quando um líquido é aquecido em um recipiente fechado, parte do líquido se transforma em vapor. Como resultado, de acordo com a fórmula (11.1) a pressão do vapor saturado aumenta não apenas devido ao aumento da temperatura do líquido, mas também devido ao aumento da concentração de moléculas (densidade) do vapor. Basicamente, o aumento da pressão com o aumento da temperatura é determinado justamente pelo aumento da concentração. A principal diferença no comportamento de um gás ideal e do vapor saturado é que quando a temperatura do vapor em um recipiente fechado muda (ou quando o volume muda com Temperatura constante) a massa do vapor muda. O líquido transforma-se parcialmente em vapor ou, pelo contrário, o vapor condensa parcialmente. Nada disso acontece com um gás ideal.
Quando todo o líquido tiver evaporado, o vapor deixará de ficar saturado após aquecimento adicional e sua pressão a um volume constante aumentará em proporção direta à temperatura absoluta (ver. Figura 11.1, parte da curva Sol).
. À medida que a temperatura do líquido aumenta, a taxa de evaporação aumenta. Finalmente, o líquido começa a ferver. Ao ferver, bolhas de vapor que crescem rapidamente se formam em todo o volume do líquido, que flutuam até a superfície. O ponto de ebulição do líquido permanece constante. Isso acontece porque toda a energia fornecida ao líquido é gasta para transformá-lo em vapor. Em que condições começa a fervura?
Um líquido sempre contém gases dissolvidos, liberados no fundo e nas paredes do recipiente, bem como em partículas de poeira suspensas no líquido, que são centros de vaporização. Os vapores líquidos dentro das bolhas estão saturados. À medida que a temperatura aumenta, a pressão do vapor saturado aumenta e as bolhas aumentam de tamanho. Sob a influência da força de empuxo, eles flutuam para cima. Se as camadas superiores do líquido tiverem uma temperatura mais baixa, ocorre a condensação do vapor em bolhas nessas camadas. A pressão cai rapidamente e as bolhas entram em colapso. O colapso ocorre tão rapidamente que as paredes da bolha colidem e produzem algo semelhante a uma explosão. Muitas dessas microexplosões criam um ruído característico. Quando o líquido aquecer o suficiente, as bolhas pararão de desmoronar e flutuarão na superfície. O líquido irá ferver. Observe atentamente a chaleira no fogão. Você descobrirá que ele quase para de fazer barulho antes de ferver.
A dependência da pressão do vapor saturado com a temperatura explica porque o ponto de ebulição de um líquido depende da pressão na sua superfície. Uma bolha de vapor pode crescer quando a pressão do vapor saturado dentro dela excede ligeiramente a pressão no líquido, que é a soma da pressão do ar na superfície do líquido (pressão externa) e a pressão hidrostática da coluna de líquido.
Prestemos atenção ao fato de que a evaporação de um líquido ocorre em temperaturas abaixo do ponto de ebulição, e somente na superfície do líquido durante a ebulição ocorre a formação de vapor em todo o volume do líquido;
A ebulição começa na temperatura na qual a pressão do vapor saturado nas bolhas é igual à pressão no líquido.
Quanto maior a pressão externa, maior o ponto de ebulição. Assim, em uma caldeira a vapor com pressão que chega a 1,6 · 10 6 Pa, a água não ferve mesmo a uma temperatura de 200 ° C. Em instituições médicas em recipientes hermeticamente fechados - autoclaves ( Figura 11.2) a ebulição da água também ocorre a pressão elevada. Portanto, o ponto de ebulição do líquido é muito superior a 100°C. Autoclaves são usadas para esterilizar instrumentos cirúrgicos, etc.

E vice versa, ao reduzir a pressão externa, reduzimos assim o ponto de ebulição. Ao bombear ar e vapor de água para fora do frasco, você pode fazer a água ferver em temperatura ambiente ( Figura 11.3). À medida que você sobe montanhas, a pressão atmosférica diminui e, portanto, o ponto de ebulição diminui. A uma altitude de 7.134 m (Pico Lenin nos Pamirs) a pressão é de aproximadamente 4 10 4 Pa (300 mm Hg). A água ferve ali a cerca de 70°C. É impossível cozinhar carne nestas condições.

Cada líquido tem seu próprio ponto de ebulição, que depende da pressão de vapor saturado. Quanto maior a pressão do vapor saturado, menor o ponto de ebulição do líquido, pois em temperaturas mais baixas a pressão do vapor saturado torna-se igual à pressão atmosférica. Por exemplo, a um ponto de ebulição de 100°C, a pressão de vapor saturado da água é 101.325 Pa (760 mm Hg), e a pressão do vapor de mercúrio é de apenas 117 Pa (0,88 mm Hg). Mercúrio entra em ebulição a uma temperatura de 357°C em pressão normal.
Um líquido entra em ebulição quando sua pressão de vapor saturado se torna igual à pressão dentro do líquido.

???
1. Por que o ponto de ebulição aumenta com o aumento da pressão?
2. Por que é importante que a fervura aumente a pressão do vapor saturado nas bolhas e não aumente a pressão do ar nelas?
3. Como fazer um líquido ferver enquanto esfria a vasilha? (Esta não é uma pergunta fácil.)

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Física 10ª série

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A vaporização pode ocorrer não apenas como resultado da evaporação, mas também durante a fervura. Vamos considerar a fervura do ponto de vista energético.

Sempre há um pouco de ar dissolvido em um líquido. Quando um líquido é aquecido, a quantidade de gás nele dissolvido diminui, e como resultado parte dele é liberada na forma de pequenas bolhas no fundo e nas paredes do recipiente e em partículas sólidas não dissolvidas suspensas no líquido. O líquido evapora nessas bolhas de ar. Com o tempo, os vapores neles ficam saturados. Com mais aquecimento, a pressão do vapor saturado dentro das bolhas e seu volume aumentam. Quando a pressão do vapor dentro das bolhas se torna igual à pressão atmosférica, elas sobem à superfície do líquido sob a influência da força de empuxo de Arquimedes, estouram e sai vapor delas. A vaporização que ocorre simultaneamente na superfície do líquido e dentro do próprio líquido em bolhas de ar é chamada de ebulição. A temperatura na qual a pressão do vapor saturado nas bolhas se torna igual à pressão externa é chamada ponto de ebulição.

Como nas mesmas temperaturas as pressões dos vapores saturados de vários líquidos são diferentes, então nas mesmas temperaturas temperaturas diferentes eles se tornam iguais pressão atmosférica. Isso faz com que diferentes líquidos fervam em temperaturas diferentes. Esta propriedade dos líquidos é utilizada na sublimação de produtos petrolíferos. Quando o óleo é aquecido, as partes voláteis mais valiosas (gasolina) evaporam primeiro, sendo assim separadas dos resíduos “pesados” (óleos, óleo combustível).

Do fato de que a ebulição ocorre quando a pressão dos vapores saturados é igual à pressão externa no líquido, segue-se que o ponto de ebulição do líquido depende da pressão externa. Se for aumentada, o líquido ferve a uma temperatura mais elevada, pois para atingir tal pressão o vapor saturado necessita de mais aquecer. Pelo contrário, a pressão reduzida o líquido ferve a uma temperatura mais baixa. Isto pode ser verificado pela experiência. Aqueça a água do frasco até ferver e retire a lamparina a álcool (Fig. 37, a). A água para de ferver. Fechado o frasco com rolha, começaremos a retirar o ar e o vapor d'água dele com uma bomba, reduzindo assim a pressão sobre a água, que por isso ferve, forçando-a a ferver no frasco aberto, bombeando o ar. no frasco aumentaremos a pressão sobre a água (Fig. 37, b) . 1 caixa eletrônico a água ferve a 100°C e a 10 atm- a 180° C. Esta dependência é utilizada, por exemplo, em autoclaves, em medicamentos para esterilização, na culinária para acelerar o cozimento de produtos alimentícios.

Para que um líquido comece a ferver, ele deve ser aquecido até a temperatura de ebulição. Para fazer isso, você precisa transmitir energia ao líquido, por exemplo, a quantidade de calor Q = cm(t° a - t° 0). Ao ferver, a temperatura do líquido permanece constante. Isso acontece porque a quantidade de calor relatada durante a ebulição não é gasta no aumento da energia cinética das moléculas líquidas, mas no trabalho de quebra de ligações moleculares, ou seja, na vaporização. Ao condensar, o vapor, de acordo com a lei da conservação da energia, libera ambiente a quantidade de calor que foi gasta para a vaporização. A condensação ocorre no ponto de ebulição, que permanece constante durante o processo de condensação. (Explique por quê).

Vamos criar uma equação de equilíbrio térmico para vaporização e condensação. O vapor, retirado do ponto de ebulição do líquido, entra na água do calorímetro pelo tubo A (Fig. 38, a), nele se condensa, dando-lhe a quantidade de calor gasta na sua produção. A água e o calorímetro recebem uma quantidade de calor não só da condensação do vapor, mas também do líquido que dele se obtém. Os dados das grandezas físicas são fornecidos na tabela. 3.

O vapor de condensação liberou a quantidade de calor Q p = rm 3(Fig. 38,b). O líquido obtido do vapor, tendo resfriado de t° 3 a θ°, cedeu uma quantidade de calor Q 3 = c 2 m 3 (t 3 ° - θ °).

O calorímetro e a água, aquecendo de t° 2 a θ° (Fig. 38, c), receberam a quantidade de calor

Q 1 = c 1 m 1 (θ° - t° 2); Q 2 = c 2 m 2 (θ° - t° 2).

Baseado na lei de conservação e transformação de energia

Q p + Q 3 = Q 1 + Q 2,

Ebulição- é a vaporização que ocorre simultaneamente tanto na superfície quanto em todo o volume do líquido. Consiste no fato de numerosas bolhas flutuarem e estourarem, causando uma fervura característica.

Como mostra a experiência, a ebulição de um líquido a uma determinada pressão externa começa a uma temperatura bem definida que não muda durante o processo de ebulição e só pode ocorrer quando a energia é fornecida de fora como resultado da troca de calor (Fig. 1 ):

onde L é o calor específico de vaporização no ponto de ebulição.

Mecanismo de ebulição: um líquido sempre contém um gás dissolvido, cujo grau de dissolução diminui com o aumento da temperatura. Além disso, há gás adsorvido nas paredes do vaso. Quando o líquido é aquecido por baixo (Fig. 2), o gás começa a ser liberado na forma de bolhas nas paredes do recipiente. O líquido evapora nessas bolhas. Portanto, além do ar, contêm vapor saturado, cuja pressão aumenta rapidamente com o aumento da temperatura, e as bolhas aumentam de volume e, conseqüentemente, as forças de Arquimedes que atuam sobre elas aumentam. Quando a força de empuxo se torna maior que a gravidade da bolha, ela começa a flutuar. Mas até que o líquido seja aquecido uniformemente, à medida que sobe, o volume da bolha diminui (a pressão do vapor saturado diminui com a diminuição da temperatura) e, antes de atingir a superfície livre, as bolhas desaparecem (colapsam) (Fig. 2, a), que é por isso que ouvimos um ruído característico antes de ferver. Quando a temperatura do líquido se equalizar, o volume da bolha aumentará à medida que sobe, uma vez que a pressão do vapor saturado não muda, e a pressão externa na bolha, que é a soma da pressão hidrostática do líquido acima da bolha e a pressão atmosférica diminui. A bolha atinge a superfície livre do líquido, estoura e sai vapor saturado (Fig. 2, b) - o líquido ferve. A pressão de vapor saturado nas bolhas é quase igual à pressão externa.

A temperatura na qual a pressão de vapor saturado de um líquido é igual à pressão externa em sua superfície livre é chamada ponto de ebulição líquidos.

Como a pressão do vapor saturado aumenta com o aumento da temperatura e durante a ebulição deve ser igual à pressão externa, então com o aumento da pressão externa o ponto de ebulição aumenta.

O ponto de ebulição também depende da presença de impurezas, geralmente aumentando com o aumento da concentração de impurezas.

Se você primeiro libertar o líquido do gás dissolvido nele, ele poderá superaquecer, ou seja, calor acima do ponto de ebulição. Este é um estado instável de líquido. Bastam pequenos choques e o líquido ferve, e sua temperatura cai imediatamente até o ponto de ebulição.

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