Поскольку давление насыщающего пара однозначно определяется температурой, а кипение жидкости наступает в тот момент, когда давление насыщающих паров этой жидкости равно внешнему давлению, температура кипения должна зависеть от внешнего давления. С помощью опытов легко показать, что при уменьшении внешнего давления температура кипения понижается, а при увеличении давления - повышается.
Кипение жидкости при пониженном давлении можно показать с помощью следующего опыта. В стакан наливают воду из водопровода и опускают в нее термометр. Стакан с водой помещают под стеклянный колпак вакуумной установки и включают насос. Когда давление под колпаком достаточно понизится, вода в стакане начинает кипеть. Так как на парообразование затрачивается энергия, то температура воды в стакане при кипении начинает понижаться, и при хорошей работе насоса вода наконец закерзает.
Нагревание воды до высоких температур осуществляют в котлах и автоклавах. Устройство автоклава показано на рис. 8.6, где К - предохранительный клапан, - рычаг, прижимающий клапан, М - манометр. При давлениях больше 100 атм воду нагревают до температуры выше 300 °С.
Таблица 8.2. Точки кипения некоторых веществ
Температура кипения жидкости при нормальном атмосферном давлении называется точкой кипения. Из табл. 8.1 и 8.2 вцдно, что давление насыщающих паров для эфира, воды и спирта в точке кипения равно 1,013 105 Па (1 атм).
Из изложенного выше следует, что в глубоких шахтах вода должна кипеть при температуре выше 100 °С, а в горных местностях - ниже 100 °С. Поскольку температура кипения воды зависит от высоты над уровнем моря, на шкале термометра вместо температуры можно указать ту высоту, на которой кипит вода при этой температуре. Определение высоты с помощью такого термометра называется гипсометрией.
Опыт показывает, что температура кипения раствора всегда выше, чем температура кипения чистого растворителя, и возрастает при увеличении концентрации раствора. Однако температура паров над поверхностью кипящего раствора равна температуре кипения чистого растворителя. Поэтому для определения температуры кипения чистой жидкости термометр лучше помещать не в жидкость, а в пары над поверхностью кипящей жидкости.
Процесс кипения тесно связан с наличием растворенного газа в жидкости. Если из жидкости удалить растворенный в ней газ, например, продолжительным кипячением, то можно нагревать эту жидкость до температуры, заметно превышающей температуру ее кипения. Такую жидкость называют перегретой. При отсутствии газовых пузырьков зарождению мельчайших пузырьков пара, которые могли бы стать центрами парообразования, препятствует лапласовское давление, которое при малом радиусе пузырька велико. Этим и объясняется перегрев жидкости. Когда она все же закипает, кипение происходит очень бурно.
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).
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. Закрыв пробкой колбу, начнем насосом удалять из нее воздух и пары воды, уменьшая тем самым давление на воду, которая в"результате этого закипает. Заставив ее кипеть в открытой колбе, накачиванием воздуха в колбу увеличим давление на воду (рис. 37, б). Кипение ее 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.
Конденсирующийся пар отдал количество теплоты Q п = rm 3 (рис. 38, б). Жидкость, полученная из пара, охладившись от t° 3 до θ°, отдала количество теплоты Q 3 = c 2 m 3 (t 3 ° - θ°).
Калориметр и вода, нагреваясь от t° 2 до θ° (рис. 38, в), получили количество теплоты
Q 1 = c 1 m 1 (θ° - t° 2); Q 2 = c 2 m 2 (θ° - t° 2).
На основании закона сохранения и превращения энергии
Q п + Q 3 = Q 1 + Q 2 ,
Кипение – это парообразование, которое происходит в объеме всей жидкости при постоянной температуре.
Процесс испарения может происходить не только с поверхности жидкости, но и внутри жидкости. Пузырьки пара внутри жидкости расширяются и всплывают на поверхность, если давление насыщенного пара равно внешнему давлению или превышает его. Этот процесс называется кипением. Пока жидкость кипит, ее температура остается постоянной.
При температуре 100 0 С давление насыщенного водяного пара равно нормальному атмосферному давлению, поэтому при нормальном давлении кипение воды происходит при 100 °С. При температуре 80 °С давление насыщенного пара примерно в два раза меньше нормального атмосферного давления. Поэтому вода кипит при 80 °С, если давление над ней уменьшить до 0,5 нормального атмосферного давления (рисунок).
При понижении внешнего давления температура кипения жидкости понижается, при повышении давления температура кипения повышается.
Температура кипения жидкости - этотемпература, при которой давление насыщенных паров в пузырьках жидкости равно внешнему давлению на ее поверхности.
Критическая температура.
В1861г. Д. И. Менделеев установил, что для каждой жидкости должна существовать такая температура, при которой исчезает различие между жидкостью и ее паром. Менделеев назвал ее температурой абсолютного кипения (критической температурой). Принципиальной разницы междугазом и паром нет. Обычно газом называют вещество в газообразном состоянии, когда его температура выше критической, а паром - когда температура ниже критической.
Критической температуройвещества называется такая температура, при которой плотность жидкости и плотность ее насыщенного пара становятся одинаковыми.
Любое вещество, находящееся в газообразном состоянии, может превратиться в жидкость. Однако каждое вещество может испытать такое превращение лишь при температурах, меньших некоторого, особого для каждого вещества значения, называемого критической температурой Т к. При температурах, больших критической, вещество не превращается в жидкость ни при каких давлениях.
Модель идеального газа применима для описания свойств реально существующих в природе газов в ограниченном диапазоне температур и давлений. При понижении температуры ниже критической для данного газа действием сил притяжения между молекулами уже нельзя пренебрегать, и при достаточно высоком давлении молекулы вещества соединяются между собой.
Если вещество находится при критической температуре и критическом давлении, то его состояние называют критическим состоянием.
(При нагревании воды растворенный в ней воздух выделяется у стенок сосуда и количество пузырьков непрерывно увеличивается, а их объем возрастает. При достаточно большом объеме пузырька действующая на него сила Архимеда отрывает его от поверхности дна и поднимает вверх, а на месте оторвавшегося пузырька остается зародыш нового пузырька. Так как при нагревании жидкости снизу ее верхние слои холоднее нижних, то при подъеме пузырька водяной пар в нем конденсируется, а воздух снова растворяется в воде и объем пузырька уменьшается. Многие пузырьки, не достигнув поверхности воды, исчезают, а некоторые доходят до поверхности. Воздуха и пара в них к этому моменту остается очень мало. Это происходит до тех пор, пока вследствие конвекции температура во всей жидкости не станет одинаковой. Когда температура в жидкости выровняется, объем пузырьков при подъеме будет уже возрастать. Объясняется это следующим образом. Когда во всей жидкости установилась одинаковая температура и пузырек поднимается вверх, то давление насыщенного пара внутри пузырька остается постоянным, а гидростатическое давление (давление верхнего слоя жидкости) уменьшается, поэтому пузырек растет. Все пространство внутри пузырька при его росте заполняется насыщенным паром. Когда такой пузырек достигает поверхности жидкости, то давление насыщенного пара в нем равно атмосферному давлению на поверхности жидкости.)
ЗАДАЧИ
1.Относительная влажность воздуха при 20° С равна 58%. При какой максимальной температуре выпадет роса?
2.Сколько надо испарить воды в 1000 мл воздуха, относительная влажность которого 40% при 283 К, чтобы увлажнить его до 40% при 290 К?
3.Воздух при температуре 303 К имеет точку росы при 286 К. Определить абсолютную и относительную влажность воздуха.
4.При 28° С относительная влажность воздуха 50%. Определить массу выпавшей росы из 1 км3 воздуха при понижении температуры до 12° С.
5.В комнате объемом 200 м3 относительная влажность воздуха при 20° С равна 70%. Определить массу водяных паров в воздухе комнаты.
Кипение - процесс изменения агрегатного состояния вещества. Когда мы говорим о воде, то имеем в виду изменение жидкого состояния в парообразное. Важно отметить, что кипение - это не испарение, которое может протекать даже при комнатной температуре. Также не стоит путать с кипячением, что является процессом нагревания воды до определенной температуры. Теперь, когда мы разобрались с понятиями, можно определить, при какой температуре кипит вода.
Сам процесс преобразования агрегатного состояния из жидкого в газообразное является сложным. И хотя люди этого не видят, существует 4 стадии:
Известно, что вода кипит при температуре 100 градусов, которая возможна лишь на четвертой стадии.
Пар представляет собой одно из состояний воды. Когда он поступает в воздух, то, как и другие газы, оказывает на него определенное давление. При парообразовании температура пара и воды остаются постоянными до тех пор, пока вся жидкость не изменит свое агрегатное состояние. Это явление можно объяснить тем, что при кипении вся энергия расходуется на преобразование воды в пар.
В самом начале закипания образуется влажный насыщенный пар, который после испарения всей жидкости становится сухим. Если его температура начинает превышать температуру воды, то такой пар является перегретым, и по своим характеристикам он будет ближе к газу.
Достаточно интересно знать, при какой температура кипит вода с повышенным содержанием соли. Известно, что она должна быть выше из-за содержания в составе ионов Na+ и Cl-, которые между молекулами воды занимают область. Этим химический состав воды с солью отличается от обычной пресной жидкости.
Дело в том, что в соленой воде имеет место реакция гидратации - процесс присоединения молекул воды к ионам соли. Связь между молекулами пресной воды слабее тех, которые образуются при гидратации, поэтому закипание жидкости с растворенной солью будет происходить дольше. По мере роста температуры молекулы в воде с содержанием соли двигаются быстрее, но их становится меньше, из-за чего столкновения между ними осуществляются реже. В результате пара образуется меньше, и его давление из-за этого ниже, чем напор пара пресной воды. Следовательно, для полноценного парообразования потребуется больше энергии (температуры). В среднем для закипания одного литра воды с содержанием 60 граммов соли необходимо поднять градус кипения воды на 10% (то есть на 10 С).
Известно, что в горах вне зависимости от химического состава воды температура кипения будет ниже. Это происходит из-за того, что атмосферное давление на высоте ниже. Нормальным принято считать давление со значением 101.325 кПа. При нем температура закипания воды составляет 100 градусов по Цельсию. Но если подняться на гору, где давление составляет в среднем 40 кПа, то там вода закипит при 75.88 С. Но это не значит, что для приготовления еды в горах придется потратить почти вдвое меньше времени. Для термической обработки продуктов нужна определенная температура.
Считается, что на высоте 500 метров над уровнем моря вода будет закипать при 98.3 С, а на высоте 3000 метров температура закипания составит 90 С.
Отметим, что данный закон действует и в обратном направлении. Если поместить жидкость в замкнутую колбу, через которую не может проходить пар, то с ростом температуры и образованием пара давление в этой колбе будет расти, и закипание при повышенном давлении произойдет при более высокой температуре. Например, при давлении 490.3 кПа температура кипения воды составит 151 С.
Дистиллированной называется очищенная вода без содержания каких-либо примесей. Ее часто применяют в медицинских или технических целях. С учетом того, что в такой воде нет никаких примесей, ее не используют для приготовления пищи. Интересно заметить, что закипает дистиллированная вода быстрее обычной пресной, однако температура кипения остается такой же - 100 градусов. Впрочем, разница по времени закипания будет минимальной - всего доли секунды.
Часто люди интересуются, при какой температуре кипит вода в чайнике, так как именно этими приборами они пользуются для кипячения жидкости. С учетом того, что атмосферное давление в квартире равно стандартному, а используемая вода не содержит солей и других примесей, которых там не должно быть, то и температура закипания также будет стандартной - 100 градусов. Но если вода будет содержать соль, то температура закипания, как мы уже знаем, будет выше.
Теперь вы знаете, при какой температуре кипит вода, и как атмосферное давление и состав жидкости влияют на данный процесс. В этом нет ничего сложного, и подобную информацию дети получают еще в школе. Главное - запомнить, что со снижением давления понижается и температура кипения жидкости, а с его ростом увеличивается и она.
В интернете можно найти множество разных таблиц, где указывается зависимость температуры кипения жидкости от атмосферного давления. Они доступны всем и активно используются школьниками, студентами и даже преподавателями в институтах.
“И умный человек должен иногда задумываться” Геннадий Малкин
В быту, на примере работы автоклава, можно проследить зависимость температуры кипения воды от давления. Допустим, для приготовления продукта и уничтожения всей опасной живности, включая споры ботулизма, нам необходима температура в 120 °С. В простой кастрюле такую температуру не получить, вода просто закипит при 100°С. Все верно, при атмосферном давлении 1 кгс/см² (760 мм.рт.ст.) вода будет кипеть при 100°С. Одним словом, нам надо из кастрюли сделать герметическую емкость, то есть автоклав. По таблице определяем давление, при котором вода закипит при 120 °С. Это давление равно 2 кгс/см². Но это абсолютное давление, а нам надо манометрическое, большинство манометров показывает избыточное давление. Поскольку абсолютное давление равно сумме избыточного (Р изб.) и барометрического (Р бар.) т.е. Р абс. = Р изб. + Р бар, то избыточное давление в автоклаве должно быть не меньше Р изб = Р абс. – Р бар. = 2-1=1 кгс/см 2 . Что мы и наблюдаем на вышеприведенном рисунке. Принцип работы заключается в том, что из-за закачивания избыточного давления 0,1 МРа. при нагреве увеличивается температура стерилизации консервируемых продуктов до 110-120°С, причем вода внутри автоклава не закипает.
Зависимость температуры кипения воды от давления представлена таблицей В.П.Вукаловича
Таблица В.П.Вукаловича
| Р | t | i / | i // | r |
| 0,010 | 6,7 | 6,7 | 600,2 | 593,5 |
| 0,050 | 32,6 | 32,6 | 611,5 | 578,9 |
| 0,10 | 45,5 | 45,5 | 617,0 | 571,6 |
| 0,20 | 59,7 | 59,7 | 623,1 | 563,4 |
| 0,30 | 68,7 | 68,7 | 626,8 | 558,1 |
| 0,40 | 75,4 | 75,4 | 629,5 | 554,1 |
| 0,50 | 80,9 | 80,9 | 631,6 | 550,7 |
| 0,60 | 85,5 | 85,5 | 633,5 | 548,0 |
| 0,70 | 89,5 | 89,5 | 635,1 | 545,6 |
| 0,80 | 93,0 | 93.1 | 636,4 | 543,3 |
| 0,90 | 96,2 | 96,3 | 637,6 | 541,3 |
| 1,0 | 99,1 | 99,2 | 638,8 | 539,6 |
| 1,5 | 110,8 | 111,0 | 643,1 | 532,1 |
| 2,0 | 119,6 | 120,0 | 646,3 | 526,4 |
| 2,5 | 126,8 | 127,2 | 648,7 | 521,5 |
| 3,0 | 132,9 | 133,4 | 650,7 | 517,3 |
| 3,5 | 138,2 | 138,9 | 652,4 | 513,5 |
| 4,0 | 142,9 | 143,7 | 653,9 | 510,2 |
| 4,5 | 147,2 | 148,1 | 655,2 | 507,1 |
| 5,0 | 151,1 | 152,1 | 656,3 | 504,2 |
| 6,0 | 158,1 | 159,3 | 658,3 | 498,9 |
| 7,0 | 164,2 | 165,7 | 659,9 | 494,2 |
| 8,0 | 169,6 | 171,4 | 661,2 | 489,8 |
Р – абсолютное давление в ат, кгс/см 2 ; t – температура в о С; i / – энтальпия кипящей воды, ккал/кг; i // – энтальпия сухого насыщенного пара, ккал/кг; r – скрытая теплота парообразования, ккал/кг.
Зависимость температуры кипения воды от давления прямопропорциональная, то есть чем больше давление, тем больше и температура кипения. Для лучшего понимания данной зависимости, вам предлагается ответить на следующие вопросы:
1. Что такое перегретая вода? Какая максимальная температура воды возможна в вашей котельной?
2. Чем определяется давление, при котором работает ваш водогрейный котел?
3. Приведите примеры использования зависимости температуры кипения воды от давления в вашей котельной.
4. Причины гидравлических ударов в водяных тепловых сетях. Почему слышится потрескивание в местных системах отопления частного дома и как его избежать?
5. И наконец, что такое скрытая теплота парообразования? Почему мы испытываем, при определенных условиях, в Русской бане непереносимый жар и покидаем парную. Хотя температура в парной при этом не более 60 о С.
