Непостоянная величина, или какова температура кипения воды

Зависимость температуры кипения жидкости от давления

Из приведенныхрассуждений ясно, что температуракипения жидкости должна зависеть отвнешнего давления. Наблюдения подтверждаютэто.

Чембольше внешнее давление, тем вышетемпература кипения. Так, в паровомкотле при давлении, достигающем 1,6 · 106Па, вода не кипит и при температуре 200°С.

В медицинских учреждениях кипениеводы в герметически закрытых сосудах— автоклавах (рис. 6.11) также происходитпри повышенном давлении. Поэтомутемпература кипения значительно выше100 °С.

Автоклавы применяют для стерилизациихирургических инструментов, перевязочногоматериала и т. д.

Рис. 6.11

Инаоборот, уменьшая внешнее давление,мы тем самым понижаем температурукипения. Под колоколом воздушного насосаможно заставить воду кипеть при комнатнойтемпературе (рис. 6.12).

При подъеме в горыатмосферное давление уменьшается,поэтому уменьшается температура кипения.На высоте 7134 м (пик Ленина на Памире)давление приближенно равно 4 · 104Па (300 мм рт. ст.). Вода кипит там примернопри 70 °С.

Сварить, например, мясо в этихусловиях невозможно.

Рис. 6.12

На рисунке 6.13изображена кривая зависимости температурыкипения воды от внешнего давления. Легкосообразить, что эта кривая являетсяодновременно и кривой, выражающейзависимость давления насыщенноговодяного пара от температуры.

Рис. 6.13

Различие температур кипения жидкостей

У каждой жидкостисвоя температура кипения. Различиетемператур кипения жидкостей определяетсяразличием в давлении их насыщенныхпаров при одной и той же температуре.Например, пары эфира уже при комнатнойтемпературе имеют давление, большееполовины атмосферного.

Поэтому, чтобыдавление паров эфира стало равныматмосферному, нужно небольшое повышениетемпературы (до 35 °С). У ртути же насыщенныепары имеют при комнатной температуресовсем ничтожное давление. Давлениепаров ртути делается равным атмосферномутолько при значительном повышениитемпературы (до 357 °С).

Именно при этойтемпературе, если внешнее давлениеравно 105 Па, и кипит ртуть.

Различие температуркипения веществ находит большоеприменение в технике, например приразделении нефтепродуктов. При нагреваниинефти раньше всего испаряются наиболееценные, летучие ее части (бензин), которыеможно таким образом отделить от «тяжелых»остатков (масел, мазута).

Жидкость закипает,когда давление ее насыщенного парасравнивается с давлением внутри жидкости.

§ 6.6. Теплота парообразования

Требуется лиэнергия для превращения жидкости в пар?Скорее всего да! Не так ли?

Мы отмечали (см. §6.1), что испарение жидкости сопровождаетсяее охлаждением. Для поддержаниятемпературы испаряющейся жидкостинеизменной к ней необходимо подводитьизвне теплоту.

Конечно, теплота и самаможет передаваться жидкости от окружающихтел. Так, вода в стакане испаряется, нотемпература воды, несколько болеенизкая, чем температура окружающеговоздуха, остается неизменной.

Теплотапередается от воздуха к воде до тех пор,пока вся вода не испарится.

Чтобы поддерживатькипение воды (или иной жидкости), к нейтоже нужно непрерывно подводить теплоту,например подогревать ее горелкой. Приэтом температура воды и сосуда неповышается, но каждую секунду образуетсяопределенное количество пара.

На что расходуетсяподводимая к телу энергия? Прежде всегона увеличение его внутренней энергиипри переходе из жидкого состояния вгазообразное: ведь при этом увеличиваетсяобъем вещества от объема жидкости дообъема насыщенного пара. Следовательно,увеличивается среднее расстояние междумолекулами, а значит, и их потенциальнаяэнергия.

Кроме того, приувеличении объема вещества совершаетсяработа против сил внешнего давления.Эта часть теплоты парообразования прикомнатной температуре составляет обычнонесколько процентов всей теплотыпарообразования.

Теплотапарообразования зависит от рода жидкости,ее массы и температуры. Зависимостьтеплоты парообразования от рода жидкостихарактеризуется величиной, называемойудельнойтеплотой парообразования.

Удельной теплотойпарообразования данной жидкостиназывается отношение теплотыпарообразования жидкости к ее массе:

(6.6.1)

гдеr— удельная теплота парообразованияжидкости; т—масса жидкости; Qn— ее теплота парообразования. Единицейудельной теплоты парообразования в СИявляется джоульна килограмм (Дж/кг).

Удельнаятеплота парообразования воды оченьвелика: 2,256·106Дж/кг при температуре 100 °С. У другихжидкостей (спирт, эфир, ртуть, керосини др.) удельная теплота парообразованияменьше в 3—10 раз.

§ 34. Кипение. Зависимость температуры кипения от давления [1975 Ковалев П.Г., Хлиян М.Д. – Физика (молекулярная физика, электродинамика)]

Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Ссылки    Карта сайта    О сайте

Парообразование может происходить не только в результате испарения, но и при кипении. Рассмотрим кипение с энергетической точки зрения.

В жидкости всегда растворено некоторое количество воздуха. При нагревании жидкости количество растворенного в ней газа уменьшается, вследствие чего часть его выделяется в виде маленьких пузырьков на дне и стенках сосуда и на взвешенных в жидкости нерастворенных твердых частичках.

Происходит испарение жидкости во внутрь этих воздушных пузырьков. Со временем пары в них становятся насыщенными. При дальнейшем нагревании увеличиваются давление насыщенного пара внутри пузырьков и их объем.

Когда давление пара внутри пузырьков становится равным атмосферному, они под действием выталкивающей силы Архимеда поднимаются на поверхность жидкости, лопаются, и из них выходит пар.

Парообразование, происходящее одновременно и с поверхности жидкости и внутри самой жидкости в воздушные пузырьки, называется кипением. Температура, при которой давление насыщенных паров в пузырьках становится равно внешнему давлению, называется температурой кипения.

Так как при одинаковых температурах давления насыщенных паров разнообразных жидкостей разные, то при различных температурах они становятся равными атмосферному давлению.

Это приводит к тому, что разные жидкости кипят при различных температурах. Данное свойство жидкостей используется при возгонке нефтепродуктов.

При нагревании нефти первыми испаряются наиболее ценные, летучие ее части (бензин), которые таким образом отделяются от “тяжелых” остатков (масел, мазута).

Рис. 37. Зависимость температуры кипения жидкости от давления

Из того, что кипение наступает, когда давление насыщенных паров равно внешнему давлению на жидкость, следует, что температура кипения жидкости зависит от внешнего давления. Если оно увеличено, то жидкость кипит при более высокой температуре, так как для достижения такого давления насыщенным парам необходима более высокая температура.

Наоборот, при пониженном давлении жидкость кипит при более низкой температуре. В этом можно убедиться на опыте. Нагреем воду в колбе до кипения и уберем спиртовку (рис. 37, а). Кипение воды прекращается.

При давлении 1 атм вода кипит при 100° С, а при 10 атм – при 180° С. Эта зависимость используется, например в автоклавах, в медицине для стерилизации, в кулинарии для ускорения варки пищевых продуктов.

Чтобы жидкость начала кипеть, ее следует нагреть до температуры кипения. Для этого надо жидкости сообщить энергию, например количество теплоты Q = cm(t°к – t°0). При кипении температура жидкости остается постоянной.

Так происходит потому, что сообщаемое при кипении количество теплоты затрачивается не на увеличение кинетической энергии молекул жидкости, а на работу разрыва молекулярных связей, т. е. на парообразование. При конденсации пар по закону сохранения энергии отдает в окружающую среду такое количество теплоты, которое было затрачено на парообразование.

Конденсация происходит при температуре кипения, которая в процессе конденсации остается постоянной. (Объясните почему).

Составим уравнение теплового баланса при парообразовании и конденсации. Пар, взятый при температуре кипения жидкости, по трубке А. поступает в воду, находящуюся в калориметре (рис.

38, а), конденсируется в ней, отдавая ей затраченное на его получение количество теплоты. Вода и калориметр получают при этом количество теплоты не только от конденсации пара, но и от жидкости, которая при этом получается из него.

Данные физических величин приведены в табл. 3.

Таблица 3

Конденсирующийся пар отдал количество теплоты Qп = rm3 (рис. 38, б). Жидкость, полученная из пара, охладившись от t°3 до θ°, отдала количество теплоты Q3 = c2m3 (t3° – θ°).

Рис. 38. К выводу уравнения теплового баланса при кипении и конденсации

Q1 = c1m1(θ° – t°2); Q2 = c2m2(θ° – t°2).

На основании закона сохранения и превращения энергии

Qп + Q3 = Q1 + Q2,

или

rm3 + c2m3 (t°2 – θ°) = c1m1(θ° – t°2) + c2m2(θ° – t°2).

Это уравнение называется уравнением теплового баланса при парообразовании и конденсации.

Задача 14. Перед тем как подать бревно в лесопильную раму, его в зимнее время освобождают от снега и льда, для чего оно некоторое время находится в бассейне, вода которого подогревается паром.

Рассчитать, какое количество 100-градусного пара расходуется за смену для плавления 5 т снега и льда и нагревания воды, полученной из них. Температура воздуха -20° С; конечная температура воды в бассейне стала 30° С.

Масса воды в бассейне 10 т, при работе бассейна ее температура повышается на 5° С.

Рис. 39. К задаче 14

По закону сохранения энергии:

Отсюда

Вычислим

Отв.: m1 ≈ 900 кг.

Температура кипения дистиллированной воды

Дистиллированная вода – это очищенная вода H2O, в которой практически не содержится каких-либо примесей. Обычно ее используют в медицинских, технических или исследовательских целях.

Дистиллированная вода не предназначена для питья или приготовления пищи. Такую воду производят в специальном оборудовании – дистилляторах, где происходит выпаривание пресной воды и последующая конденсация пара.

Данный процесс называется «дистилляция». После дистилляции все присутствовавшие в воде примеси остаются в выпаренном остатке.

Температура кипения дистиллированной воды будет такой же, как и у обычной водопроводной воды — 100 градусов Цельсия. Разница же заключается в том, что дистиллированная вода будет закипать быстрее по времени, нежели пресная.

Однако этот показатель практически не отличается от времени закипания обычной воды: разница состоит в считанных долях секунды.

Как будет меняться температура кипения воды: влияние факторов

Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.

Стоит отметить, что она всегда остается неизменной. Поэтому, если увеличить огонь под кипящей кастрюлей с водой, выкипать будет быстрее, но температура при этом не увеличится, так как средняя кинетическая энергия молекул остаётся неизменной.

Рассмотрим 4 фактора, которые влияют на изменение t°:

• Пониженное атмосферное давление (наблюдается в горной местности) – t° уменьшается.
• Повышенное атмосферное давление (наблюдается в шахте) – t° наоборот увеличивается.
• Применения герметической крышки, вакуума. За счёт герметической крышки или посуды пар не выходит градус кипения увеличивается. При использовании вакуума температура зависит от давления, которое создано внутри его.
• Свойства воды. Соленая вода начинает кипеть при более высокой температуре, чем пресная.

Рассмотрим более подробно каждый из факторов.

Влияние атмосферного давления на кипение воды

Согласно исследованиям и уравнению Клапейрона — Клаузиуса, градус кипения напрямую зависит от атмосферного давления. С его ростом температура кипения увеличивается, а с уменьшением, наоборот, становится все ниже и ниже.

Атмосферное давление — это давление атмосферы, действующее на все находящиеся на ней предметы и земную поверхность. Оно может меняться в зависимости от места и времени и измеряется барометром.

В горной местности давление уменьшается, а под землей (в шахте) увеличивается.

1 кПа = 1000 Па = 0,00986923 атм = 7, 50062 мм. рт. ст

Нормальное атмосферное давление составляет 765 мм. РТ. Ст. = 101,325 Р, кПа

Температура кипения воды в горах

При подъеме над поверхностью Земли (в горах), температура кипения воды падает, так как снижается атмосферное давление (на каждые 10, 5 м на 1 мм РТ. С). Пузырькам легче всплывать –  процесс происходит быстрее.

Для варки мяса, как и других продуктов, нужны привычные 100  градусов. В обратном случае все компоненты бульона просто останутся сырыми.

Температура кипения воды в шахте

Если спуститься в шахту, то давление будет увеличиваться.

Температура кипения воды в шахте зависит от глубины (при спуске на 300 м вода закипит при t 101°C, при глубине 600 метров -102 °C.

Применение герметической крышки при закипании воды

Герметичные крышки не позволяет образовавшемуся пару ускользнуть. В среднем температура закипания воды увеличивается от 5-20 градусов.

В хозяйстве для приготовления блюд часто используют кастрюли, сковородки с герметичной крышкой. Таким образом, уменьшается время приготовления пищи за счет высокой температуры, а блюда получаются более вкусными. В горных районах с низким давлением это необходимая вещь для приготовления пищи. Так же используют мультиварки и сотейники.

Кипячение воды в вакууме

Вакуум — это среда с газом, с пониженным давлением.

Виды вакуумов:

• низкий;
• средний;
• высокий;
• сверхвысокий;
• экстремальный;
• космическое пространство;
• абсолютный.

Температура кипения воды в вакууме зависит от того, какое давление в нём.

Кипение солёной воды

Солёная вода закипает при более высокой температуре за счет своих свойств.

Соль увеличивает плотность воды, соответственно на процесс требуется больше времени.

t° повышается примерно на 1 градус при добавлении 40 грамм соли на литр воды.

Температура кипения воды в чайнике

Чистая пресная вода закипает в чайнике при t° 100 градусов °C  при условиях нормального атм. давления 760 мм ртутного столба.

Различные условия

При нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст., или 101 кПа, 1 атм.) вода начинает кипеть, нагревшись до 100 ℃. Это знают все.

Уравнение зависимости температуры кипения воды от давления довольно сложное. Зависимость эта не линейная. Иногда пользуются барометрической формулой для расчета, делая некоторые приближения, и уравнением Клапейрона-Клаузиуса.

Удобнее воспользоваться таблицами из справочников, в которых приведены данные, полученные экспериментальным путем. По ним можно построить график и, проведя экстраполяцию, вычислить требуемое значение.

В горах вода закипит, не успев нагреться до 100 ℃. На самой высокой вершине мира Джомолунгме (Эверест, высота над уровнем моря 8848 м) температура закипания воды равняется приблизительно 69 ℃. Но даже если опуститься немного ниже, то все равно вода будет кипеть не при ста градусах, пока мы не достигнем давления в 101 к Па. На Эльбрусе, который ниже Эвереста, чайник с водой закипит при 82 ℃ – там давление равно 0,5 атм.

Поэтому в горных условиях для приготовления пищи потребуется значительно больше времени, а некоторые продукты вообще не сварятся в воде, их придется готовить другим способом. Иногда неопытные туристы удивляются, почему яйца так долго варятся, а кипяток не обжигает. Все дело в том, что этот кипяток недостаточно нагрет.

В автоклавах и скороварках, наоборот, давление увеличивают. Это заставляет воду кипеть при более высокой температуре. Пища сильнее разогревается, и готовка происходит быстрее. Поэтому скороварки так и назвали. Нагрев до высокой температуры полезен еще и тем, что происходит дезинфекция жидкости, в ней погибают микробы.

Температура кипения соленой воды

Температура кипения соленой воды превышает температуру кипения пресной воды. Как следствие соленая вода закипает позднее пресной. В соленой воде присутствуют ионы Na+ и Cl-, которые занимают определенную область между молекулами воды.

В соленой воде молекулы воды присоединяются к ионам соли – данные процесс имеет название «гидратация». Связь между молекулами воды значительно слабее связи, образовавшейся в процессе гидратации.
Поэтому при кипении из молекул пресной воды парообразование происходит быстрее.

На закипание воды с растворенной солью потребуется больше энергии, в качестве которой в данном случае выступает температура.

По мере увеличения температуры молекулы в соленой воде начинаются двигаться быстрее, но при этом их становится меньше, ввиду чего они сталкиваются реже. В результате образуется меньше пара, давление которого ниже, нежели у пара пресной воды.

Для того чтобы в соленой воде давление стало выше атмосферного и начался процесс кипения, необходима более высокая температура. При добавлении 60 граммов соли в воду объемом 1 литр температура кипения увеличится на 10 С.

Температура кипения дистиллированной воды

Дистиллированная вода – это очищенная вода H2O, в которой практически не содержится каких-либо примесей. Обычно ее используют в медицинских, технических или исследовательских целях.

Дистиллированная вода не предназначена для питья или приготовления пищи. Такую воду производят в специальном оборудовании – дистилляторах, где происходит выпаривание пресной воды и последующая конденсация пара.

Данный процесс называется «дистилляция». После дистилляции все присутствовавшие в воде примеси остаются в выпаренном остатке.

Температура кипения дистиллированной воды будет такой же, как и у обычной водопроводной воды — 100 градусов Цельсия. Разница же заключается в том, что дистиллированная вода будет закипать быстрее по времени, нежели пресная.

Однако этот показатель практически не отличается от времени закипания обычной воды: разница состоит в считанных долях секунды.

Процесс кипячения воды: 3 основных стадии

Кипение – это интенсивное парообразование, которое происходит при нагревании жидкости по всему объёму при определённой температуре.

Весь процесс кипения воды сопровождается выделением пара. Это одно из состояний воды. При парообразовании температура пара и воды остаются постоянными до тех пор, пока жидкость не изменит свое агрегатное состояние. Это явление объясняется тем, что при кипении вся энергия расходуется в преобразование воды в пар.

В воде растворены молекулы воздуха (газов). При нагревании газ превращается в воздушные пузырьки. При достижении достаточной температуры они лопаются, создаётся характерный шум.

Процесс можно разделить на 3 стадии:

1. Появление небольших пузырьков вдоль стенок сосуда. Их количество стремительно увеличивается.
2. Массовый подъем пузырьков и увлечения их объема. Помутнение воды, затем «побеление».
3. Интенсивное бурление. Пузырьки увеличиваются в размере, поднимаются и лопаются, выпуская пар. Слышен характерный звук кипения.

Что такое кипячёная вода?

Это вода, ранее доведенная до температуры кипения. Сырая вода в своем составе может содержать различные бактерии, микроорганизмы. В водопроводе больших городов много хлора и различных других химических веществ. Процесс кипячения обезвреживает многие микробы. Однако не все бактерии и тяжёлые металлы убиваются в кипящей воде, поэтому питьевая вода происходит предварительную проверку пригодности.

Что еще влияет на скорость закипания?

На этот показатель влияют:

1. Наличие в воде примесей. Раньше закипит чистая. Перед закипанием молекулы примесей, не способных улетучиваться, занимают на поверхности место молекул воды, покинувших жидкость. Они тормозят процесс кипения.
2. Атмосферное давление. Закипание происходит, когда давление внутри пузырьков становится равным атмосферному, и они получают возможность всплывать на поверхность.
3. То, в какой, открытой или закрытой посуде происходит кипячение. В открытой посуде происходит испарение воды. При этом улетают молекулы с большей кинетической энергией. В результате внутренняя энергия воды уменьшается. Для закипания требуется ее повысить с помощью нагревателя. Для этого требуется время.

Температура пара при кипении воды

Пар – это газообразное состояние воды. Когда пар поступает в воздух, то он, как и другие газы, оказывает на него определенное давление.

В процессе парообразования величина температуры пара и воды будет оставаться постоянной до тех пор, пока не испарится вся вода. Такое явление объясняется тем, что вся энергия (температура) направлена на превращение воды в пар.

В данном случае образуется сухой насыщенный пар. Высокодисперсные частицы жидкой фазы в таком паре отсутствуют. Также пар может быть насыщенным влажным и перегретым.

Насыщенный пар с содержанием взвешенных высокодисперсных частиц жидкой фазы, которые равномерно распределены по всей массе пара, называется влажным насыщенным паром.

В начале закипания воды образуется именно такой пар, который затем переходит в сухой насыщенный. Пар, температура которого больше температуры кипящей воды, а точнее перегретый пар, можно получить только с использованием специального оборудования. При этом такой пар будет близок по своим характеристикам к газу.

Стадии кипения воды

Выделяется три стадии кипения воды:

• Первоначальное кипение. Кинетирование жидкости характеризуется ростом количества пузырьков на нагретой поверхности, поднимающихся из дискретных точек, температура которых лишь немного выше жидкостной. Неправильная поверхность емкости может создавать дополнительные места зарождения пузырьков, в то время как исключительно гладкая поверхность, такая как пластик, поддается перегреву. В этих условиях нагретая вода может показывать задержку кипения и температура несколько превышает температуру кипения без образования пузырьков.
• Критический тепловой поток. Когда температура поднимается выше критической, на поверхности образуется пар. Поскольку эта паровая пленка гораздо менее способна переносить тепло от поверхности, температура быстро возрастает, жидкость переходит в режим кипения. Точка, в которой это происходит, зависит от характеристик кипящей воды и рассматриваемой поверхности нагрева.
• Переходное состояние. Переходное состояние можно определить как нестабильное кипение, которое происходит на поверхности. Образование пузырьков в нагретой воде представляет собой сложный физический процесс, который часто включает кавитационные и акустические эффекты, такие как шипение широкого спектра, слышимое в чайнике или другой емкости, еще не нагретой до того момента, когда появятся пузырьки.

Если поверхностное нагревание жидкости значительно сильнее, чем внутри нее, тогда тонкий слой пара, который имеет низкую теплопроводность, изолирует поверхность. Это состояние паровой пленки, изолирующей поверхность от жидкости, характеризует кипение пленки.

Что такое кипячёная вода?

Кипяченая вода – это вода, ранее доведенная до температуры кипения. Сырая вода в своем составе может содержать различные бактерии, микроорганизмы. В водопроводе больших городов много хлора и различных других химических веществ. Процесс кипячения обезвреживает многие микробы. Однако не все бактерии и тяжёлые металлы убиваются в кипящей воде, поэтому питьевая вода происходит предварительную проверку пригодности.

Механизм кипения воды

Разобраться, сколько нужно градусов, чтобы вода закипела, поможет изучение механизма этого физического явления. Кипение представляет собой процесс преобразования жидкости в пар и проходит в несколько этапов:

1. При нагревании жидкости из микротрещин в стенках сосуда выходят пузырьки с воздухом и водяным паром.
2. Пузыри немного расширяются, но жидкость в сосуде настолько холодна, что это приводит к конденсации пара в пузырях.
3. Пузырьки начинают лопаться до тех пор, пока вся толща жидкости не станет достаточно горячей.
4. Через некоторое время происходит уравнивание давления воды и пара в пузырях. На этом этапе отдельные пузырьки могут подниматься на поверхность и выпускать пар.
5. Пузырьки начинают интенсивно подниматься, начинается бурление с характерным звуком. Начиная с этого этапа, температура в сосуде не меняется.
6. Процесс кипения будет продолжаться до тех пор, пока вся жидкость не перейдет в газообразное состояние.

Температура пара при кипении воды

Температура пара при кипении воды такая же, как и самой воды. Это значение не будет меняться до тех пор, пока не испарится вся жидкость в сосуде. В процессе кипения образуется влажный пар. Он насыщен жидкими частицами, равномерно распределенными по всему объему газа. Далее высокодисперсные частицы жидкости конденсируются, а насыщенный пар превращается в сухой.

Также существует перегретый пар, который намного горячее, чем кипяток. Но его можно получить только с помощью специальной аппаратуры.