Кипение

Подробный обзор

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия нагретого водяного пара активно
используется в промышленности. В частности, на основе энергии пара работает
такое устройство как паровая турбина. Она представляет собой насаженный на вал
массивный диск, на котором закреплены лопасти. На эти лопасти поступает пар,
нагретый в паровом котле и имеющий температуру около 600 градусов. Этот пар
расширяется в сопло, происходит превращение его внутренней энергии в
кинетическую энергию направленного движения. Струя пара, обладающая большой
кинетической энергией поступает из сопло на лопасти турбины, приводя турбину во
вращение.

Температура кипения

Стоит отметить, что существует зависимость температуры кипения от давления, которое оказывается на поверхность нагреваемой жидкости. Так, принято считать, что вода кипит при нагревании до 100 градусов Цельсия. Тем не менее данный показатель можно считать справедливым лишь в том случае, если показатель атмосферного давления будет считаться нормальным (101 кПа). Если же оно будет увеличиваться, температура кипения также поменяется в сторону повышения. Так, например, в популярных кастрюлях-скороварках давление равно примерно 200 кПа. Таким образом, температура кипения повышается на 20 пунктов (до 20 градусов).Примером низкого атмосферного давления можно считать горные районы. Так, учитывая, что там оно достаточно небольшое, вода начинает закипать при температуре около 90 градусов. Жителям подобных районов приходится тратить намного больше времени на приготовление пищи. Так, например, чтобы сварить яйцо, придется нагреть воду не меньше, чем на 100 градусов, иначе белок не свернется.Кипение вещества зависит от показателя давления насыщенного пара. Влияние его на температуру обратно пропорционально. Например, ртуть закипает при нагревании до 357 градусов Цельсия. Это можно объяснить тем, что давление насыщенных паров равно всего лишь 114 Па (для воды данный показатель составляет 101 325 Па).

Кипение

Стадии кипения воды

Непременно начинает образовываться пар во время такой процедуры, как нагревание. Кипение подразумевает прохождение жидкости через 4 стадии:

  1. На дне сосуда, а также на его стенках начинают образовываться небольшие пузырьки. Это является результатом того, что в трещинках материала, из которого изготовлена емкость, содержится воздух, который расширяется под воздействием высокой температуры.
  2. Пузырьки начинают увеличиваться в объеме, в результате чего они вырываются на поверхность воды. Если верхний слой жидкости еще не достиг температуры кипения, полости опускаются ко дну, после чего снова начинают стремиться вверх. Этот процесс приводит к образованию звуковых волн. Именно поэтому во время кипения воды мы можем услышать шум.
  3. На поверхность выплывает наибольшее количество пузырьков, что создает впечатление мутности воды. После этого жидкость бледнеет. Учитывая визуальный эффект, данную стадию кипения называют «белым ключом».
  4. Наблюдается интенсивное бурление, которое сопровождается образованием больших пузырей, которые быстро лопаются. Этот процесс сопровождается появлением брызг, а также интенсивным образованием пара.

Кипение

Литература

  • Кипение // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  • Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. — М.: Энергия, 1969.
  • Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. — М., 1963.
  • Радченко И. В. Молекулярная физика. — М., 1965.
  • Михеев М. А. Глава 5 // Основы теплопередачи. — 3-е изд. — М.Л., 1956.
  • Петухов Б. С., Генин Л. Г., Ковалев С. А. Теплообмен в ядерных энергетических реакторах. — М.: Энергоатомиздат, 1986.
  • Кириллов П. Л., Юрьев Ю. С., Бобков В. П. Справочник по теплогидравлическим расчетам. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
  • Кипение //  :  / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.

Как изменить температуру кипения

В некоторых случаях возникает необходимость изменить
температуру кипения воды. Можно как понизить, так и повысить ее.

Влияние давления

Интересно проследить процесс кипения воды в зависимости от
высоты над уровнем моря.

При температуре кипения давление насыщенного пара равняется
внешнему (то есть атмосферному давлению). Следовательно, изменяя внешнее
давления, можно влиять на температуру кипения. Изменить давление можно,
например, поднявшись высоко в горы. Атмосферное давление станет ниже, чем в
обычной ситуации. И температура кипения воды станет ниже.

На вершине Эвереста давление настолько низкое, что вода
закипает при 60 градусах. При такой температуре уже невозможно готовить,
поэтому для питания в горах берут с собой готовую пищу.

Можно не только понижать, но и повышать температуры кипения
воды. Для этого используют специальные приспособления. Например, для этой цели
предназначена посуда, которая в быту называется скороваркой. Представляет она
из себя кастрюлю с толстыми стенками и плотно прилегающей крышкой. В крышке имеется
клапан с грузиком, выпускающий лишний пар.

В закрытом сосуде давление будет складываться из
атмосферного давления и давления пара, который находится над жидкостью. Таким
образом, общее внешнее давление станет больше и это позволит поднять
температуру кипения. Однако слишком высоко поднимать давление опасно, поскольку
это может вызвать разрыв тары. Чтобы это предотвратить и существует клапан,
который выпускает лишний пар, когда давление становится слишком высоким.

Есть подобное устройство, которое позволяет нагревать
жидкость ещё сильнее чем в скороварке. На профессиональном языке это устройство
называется автоклав. Чаще всего его используют для стерилизации.

Кипение соленой воды

Согласно второму закону Рауля соленая вода (в том числе
морская, а также минеральная вода) должна кипеть при более высокой температуре
чем пресная. Происходит это по ряду причин. Упрощенно эту теорию можно
объяснить так: в соленой жидкости молекулы h2o связываются с ионами соли. Этот
процесс называется гидратацией. В результате этого процесса образуются крепкие
связи, которые сильнее, чем связи между молекулами воды в несоленой жидкости.
Поэтому молекулам солёной воды нужна большая температура (и соответственно
больше времени) на закипание, чем молекулам пресной воды.

Температуры кипения для простых веществ

В приведенной таблице элементов Д. И. Менделеева для каждого элемента указаны:

  • атомный номер элемента;
  • обозначение элемента;
  • температура насыщения при нормальных условиях OC{\displaystyle ^{O}C};
  • молярная скрытая теплота парообразования (кДж/моль);
  • молярная масса.
Группа  → I A II A III B IV B V B VI B VII B VIII B VIII B VIII B I B II B III A IV A V A VI A VII A VIII A
Период
1 1H -2530,4491,008 2He -2680,08454,003
2 3Li 1340145,96,941 4Be 2477292,49,012 5B 3927489,710,81 6C ~4850355,812,01 7N -1962,79314,01 😯 -1833,41016,00 9F -1883,27019,00 10Ne -2461,73320,18
3 11Na 88396,9622,99 12Mg 1090127,424,33 13Al 2467293,426,98 14Si 2355384,228,09 15P 27712,1330,97 16S 4459,632,07 17Cl -3410,235,45 18Ar -1866,44739,95
4 19K 75979,8739,10 20Ca 1484153,640,08 21Sc 2830314,244,96 22Ti 328742147,87 23V 340945250,94 24Cr 2672344,352,00 25Mn 196222654,94 26Fe 2750349,655,85 27Co 2927376,558,93 28Ni 2913370,458,69 29Cu 2567300,363,55 30Zn 907115,365,41 31Ga 2204258,769,71 32Ge 2820330,972,64 33As 61634,7674,92 34Se 22126,378,96 35Br 5915,4479,9 36Kr -1539,02983,80
5 37Rb 68872,2285,47 38Sr 138214487,62 39Y 222636388,91 40Zr 4409591,691,22 41Nb 4744696,692,91 42Mo 463959895,94 43Tc 487766098,91 44Ru 4150595101,1 45Rh 3695493102,9 46Pd 2963357106,4 47Ag 2162250,6107,9 48Cd 767100112,4 49In 2072231,5114,8 50Sn 2602295,8118,7 51Sb 158777,14121,8 52Te 45052,55127,6 53I 18420,75126,9 54Xe -10812,64131,3
6 55Cs 70567,74132,9 56Ba 1640142137,3 * 72Hf 4603575178,5 73Ta 5458743180,9 74W 5555824183,8 75Re 5596715186,2 76Os 5012627,6190,2 77Ir 4428604192,2 78Pt 3827510195,1 79Au 2856334,4197,0 80Hg 35759,23200,6 81Tl 1473164,1204,4 82Pb 1749177,7207,2 83Bi 1564104,8209,0 84Po 962120209,0 85At 33730210,0 86Rn -6216,4222,0
7 87Fr 66764223 88Ra 1737137226,0 ** 104Rf n/an/a261 105Db n/an/a262 106Sg n/an/a263 107Bh n/an/a262 108Hs n/an/a265 109Mt n/an/a268 110Ds n/an/a281 111Rg n/an/a280 112Cn n/an/an/a 113Uut n/an/an/a 114Fl n/an/an/a 115Uup n/an/an/a 116Lv n/an/an/a 117Uus n/an/an/a 118Uuo n/an/an/a
* Лантаноиды 57La 3457414138,9 58Ce 3426414140,1 59Pr 3520297140,9′ 60Nd 3100273144,2 61Pm ~3500n/a146,9 62Sm 1803166150,4 63Eu 1527144152,0 64Gd 3250359157,3 65Tb 3230331158,9 66Dy 2567230162,5 67Ho 2695241164,9 68Er 2510193167,3 69Tm 1947191168,9 70Yb 1194127173,0 71Lu 3395356175,0
** Актиноиды 89Ac 3200293227,0 90Th 4788514,4232,0 91Pa 4027470231,0 92U 4134423238,0 93Np 3902n/a237,0 94Pu 3327325244,1 95Am 2607239243,1 96Cm 3110n/a247,1 97Bk n/an/a247 98Cf n/an/a251 99Es n/an/a253 100Fm n/an/a255 101Md n/an/a256 102No n/an/a255 103Lr n/an/a260
0—10 кДж/моль 10—100 кДж/моль 100—300 кДж/моль >300 кДж/моль

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.

Использование кипячения как метода очистки

Кипячение является популярным методом очистки воды. Однако
нужно понимать, что далеко не все бактерии и примеси уничтожаются при обычных
ста градусах. Поэтому в очистке воды не стоит полагаться на одно только
кипячение.

Кроме того, кипячение длительное время являлось основным
методом стерилизации медицинских инструментов. И для этой цели кипячение при
нормальных условиях не является эффективным.

Кипячение можно использовать для очистки предметов (в том
числе посуды, кухонных поверхностей) от загрязнений. Кипяток хорошо расплавляет
многие вещества. Какие же вещества можно расплавить в кипящей воде? Все
вещества, имеющие температуру плавления ниже 100 градусов Цельсия. А это, в
частности, многие жиры.

Может ли вода кипеть при комнатной температуре?

Путем несложных подсчетов ученым удалось установить, что вода может закипеть при комнатной температуре на уровне стратосферы. Аналогичные условия можно воссоздать при помощи вакуумного насоса. Тем не менее подобный опыт можно провести и в более простых, приземленных условиях.В литровой колбе нужно вскипятить 200 мл воды, а когда емкость заполнится паром, ее нужно плотно закрыть, снять с огня. Поместив ее над кристаллизатором, нужно дождаться окончания процесса кипения. Далее колбу обливают холодной водой. После этого в емкости снова начнется интенсивное кипение. Это связано с тем, что под воздействием низкой температуры пар, находящийся в верхней части колбы, опускается.

Кипение в разных условиях

В зависимости от условий и состояния жидкости, температура кипения может существенно отличаться. Например, стоит добавить в жидкость соль. Ионы хлора и натрия размещаются между молекулами воды. Таким образом, на закипание требуется на порядок больше энергии, а соответственно — времени. Кроме того, такая вода образует намного меньше пара. Чайник используется для кипячения воды в бытовых условиях. Если используется чистая жидкость, то температура данного процесса составляет стандартные 100 градусов. При аналогичных условиях закипает дистиллированная вода. Тем не менее будет затрачено немного меньше времени, если учесть отсутствие посторонних примесей.

Определение

Что такое кипение? Это физический процесс, в ходе которого происходит интенсивное парообразование как на свободной поверхности жидкости, так и внутри ее структуры. Одним из признаков кипения является образование пузырьков, которые состоят из насыщенного пара и воздуха.Стоит отметить существование такого понятия, как температура кипения. От давления также зависит скорость образования пара. Оно должно быть постоянным. Как правило, основной характеристикой жидких химических веществ является температура кипения при нормальном атмосферном давлении. Тем не менее на данный процесс также могут оказать влияние такие факторы, как интенсивность звуковых волн, ионизация воздуха.

Литература

  • Кипение // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  • Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. — М.: Энергия, 1969.
  • Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. — М., 1963.
  • Радченко И. В. Молекулярная физика. — М., 1965.
  • Михеев М. А. Глава 5 // Основы теплопередачи. — 3-е изд. — М.Л., 1956.
  • Петухов Б. С., Генин Л. Г., Ковалев С. А. Теплообмен в ядерных энергетических реакторах. — М.: Энергоатомиздат, 1986.
  • Кириллов П. Л., Юрьев Ю. С., Бобков В. П. Справочник по теплогидравлическим расчетам. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
  • Кипение //  :  / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.

Температуры кипения для простых веществ

В приведенной таблице элементов Д. И. Менделеева для каждого элемента указаны:

  • атомный номер элемента;
  • обозначение элемента;
  • температура насыщения при нормальных условиях OC{\displaystyle ^{O}C};
  • молярная скрытая теплота парообразования (кДж/моль);
  • молярная масса.
Группа  → I A II A III B IV B V B VI B VII B VIII B VIII B VIII B I B II B III A IV A V A VI A VII A VIII A
Период
1 1H -2530,4491,008 2He -2680,08454,003
2 3Li 1340145,96,941 4Be 2477292,49,012 5B 3927489,710,81 6C ~4850355,812,01 7N -1962,79314,01 😯 -1833,41016,00 9F -1883,27019,00 10Ne -2461,73320,18
3 11Na 88396,9622,99 12Mg 1090127,424,33 13Al 2467293,426,98 14Si 2355384,228,09 15P 27712,1330,97 16S 4459,632,07 17Cl -3410,235,45 18Ar -1866,44739,95
4 19K 75979,8739,10 20Ca 1484153,640,08 21Sc 2830314,244,96 22Ti 328742147,87 23V 340945250,94 24Cr 2672344,352,00 25Mn 196222654,94 26Fe 2750349,655,85 27Co 2927376,558,93 28Ni 2913370,458,69 29Cu 2567300,363,55 30Zn 907115,365,41 31Ga 2204258,769,71 32Ge 2820330,972,64 33As 61634,7674,92 34Se 22126,378,96 35Br 5915,4479,9 36Kr -1539,02983,80
5 37Rb 68872,2285,47 38Sr 138214487,62 39Y 222636388,91 40Zr 4409591,691,22 41Nb 4744696,692,91 42Mo 463959895,94 43Tc 487766098,91 44Ru 4150595101,1 45Rh 3695493102,9 46Pd 2963357106,4 47Ag 2162250,6107,9 48Cd 767100112,4 49In 2072231,5114,8 50Sn 2602295,8118,7 51Sb 158777,14121,8 52Te 45052,55127,6 53I 18420,75126,9 54Xe -10812,64131,3
6 55Cs 70567,74132,9 56Ba 1640142137,3 * 72Hf 4603575178,5 73Ta 5458743180,9 74W 5555824183,8 75Re 5596715186,2 76Os 5012627,6190,2 77Ir 4428604192,2 78Pt 3827510195,1 79Au 2856334,4197,0 80Hg 35759,23200,6 81Tl 1473164,1204,4 82Pb 1749177,7207,2 83Bi 1564104,8209,0 84Po 962120209,0 85At 33730210,0 86Rn -6216,4222,0
7 87Fr 66764223 88Ra 1737137226,0 ** 104Rf n/an/a261 105Db n/an/a262 106Sg n/an/a263 107Bh n/an/a262 108Hs n/an/a265 109Mt n/an/a268 110Ds n/an/a281 111Rg n/an/a280 112Cn n/an/an/a 113Uut n/an/an/a 114Fl n/an/an/a 115Uup n/an/an/a 116Lv n/an/an/a 117Uus n/an/an/a 118Uuo n/an/an/a
* Лантаноиды 57La 3457414138,9 58Ce 3426414140,1 59Pr 3520297140,9′ 60Nd 3100273144,2 61Pm ~3500n/a146,9 62Sm 1803166150,4 63Eu 1527144152,0 64Gd 3250359157,3 65Tb 3230331158,9 66Dy 2567230162,5 67Ho 2695241164,9 68Er 2510193167,3 69Tm 1947191168,9 70Yb 1194127173,0 71Lu 3395356175,0
** Актиноиды 89Ac 3200293227,0 90Th 4788514,4232,0 91Pa 4027470231,0 92U 4134423238,0 93Np 3902n/a237,0 94Pu 3327325244,1 95Am 2607239243,1 96Cm 3110n/a247,1 97Bk n/an/a247 98Cf n/an/a251 99Es n/an/a253 100Fm n/an/a255 101Md n/an/a256 102No n/an/a255 103Lr n/an/a260
0—10 кДж/моль 10—100 кДж/моль 100—300 кДж/моль >300 кДж/моль

Режимы кипения жидкостей – пузырьковое и пленочное кипение

Кипение

Кипением называется процесс парообразования в толще жидкости. Кипение начинается тогда, когда температура внутри жидкости оказывается выше температуры насыщения (кипения) при данном давлении.

Если в жидкость погружена некоторая поверхность нагрева, температура которой выше температуры насыщения при данном давлении, то на ней возникает процесс парообразования.

Величина перегрева жидкости в момент вскипания по сравнению с температурой насыщения при данном давлении над плоскостью зависит от наличия тех или иных потенциальных центров парообразования (микровпадины, микропузырьки газа, искусственные неоднородности на поверхности нагрева и т.п.).

Эти эффекты имеют значение при малых плотностях теплового потока. Если вся жидкость значительно перегрета против температуры насыщения (например, в результате сброса давления), то паровые пузыри образуются по всей ее толще – жидкость вскипает во всем занимаемом ею объеме.

В зависимости от плотности теплового потока, подводимого к жидкости от поверхности нагрева, на последней возникают отдельные паровые пузыри (пузырьковое кипение) или образуется сплошной слой пара (пленочное кипение).

Пузырьковое кипение

При пузырьковом кипении жидкость непосредственно омывает поверхность нагрева, причем ее пограничный слой интенсивно разрушается (турбулизуется) возникающими паровыми пузырями.

Кроме того, всплывающие пузыри увлекают из пристенного слоя в ядро потока присоединенную массу перегретой жидкости, что создает интенсивный перенос теплоты от поверхности нагрева к общей массе кипящей жидкости.

Следствием этого является высокая интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении, возрастающая с увеличением числа действующих центров парообразования и количества образующегося пара.

Пленочное кипение

При пленочном кипении жидкость отделена от поверхности нагрева слоем пара, с внешней стороны которого время от времени отрываются и всплывают крупные пузыри. Вследствие относительно малой теплопроводности парового слоя интенсивность теплоотдачи при пленочном кипении существенно меньше, чем при пузырьковом.

Пленочное кипение жидкости

Условия возникновения и перехода от одного режима к другому

Возникновение того или иного вида кипения определяется плотностью теплового потока у поверхности нагрева, ее физическими свойствами (в частности смачиваемостью), физическими свойствами жидкости и гидродинамическим режимом потока в целом.

Таким образом приходится говорить о существовании двух критических плотностях теплового потока.

Первая критическая плотность теплового потока – при которой происходит переход от пузырькового кипения к пленочному, вторая – при которой происходит разрушение сплошного парового слоя и восстановление пузырькового режима кипения.

В области значений плотности теплового потока, лежащих между двумя этими критическими значениями возможно устойчивое существование обоих режимов кипения или даже их длительное совместное сосуществование на разных частях одной и той же поверхности нагрева.

Паровая пленка обычно возникает в отдельных местах поверхности нагрева при достижении значений теплового потока выше критического и далее с конечной скоростью распространяется по всей поверхности нагрева.

Аналогично при снижении теплового потока до значений меньше критического, происходят локальные разрушения пленки с последующим распространением пузырькового кипения на всю поверхность нагрева.

На поверхностях нагрева, обедненных центрами парообразования, процесс кипения имеет нестабильный характер, а интенсивность теплообмена колеблется между условиями конвекции однофазного потока и развитого пузырькового кипения. При этом возможен непосредственный переход от однофазной конвекции жидкости к режиму пленочного кипения.

Применение в теплообменной технике

Изучение условий, при которых возникают различные режимы кипения необходимо для расчета теплообменников, используемых в качестве испарителей.

При появлении пленочного режима кипения эффективность работы испарителя падает и температура охлаждаемой среды на выходе из теплообменника оказывается выше заданной.

Поэтому при расчете и подборе таких аппаратов очень важным является определение плотности тепловых потоков между двумя средами.

Какие факторы влияют на закипание?

На кипение влияет множество факторов:

  • количество воды;
  • наличие примесей;
  • емкость, в которой она содержится;
  • температура окружающей среды;
  • высота, где происходит кипячение;
  • давление атмосферы;
  • мощность источника тепла.

Чем выше изначальная температура воды и воздуха вокруг, тем быстрее начнётся кипение: на нагревание будет затрачено меньше энергии, а значит, меньше времени уйдёт на её получение.

Также часть тепла забирает ёмкость, в которой содержится вода, ведь она должна дойти до нужной температуры ещё раньше, чем ее содержимое. Поэтому посуда с более тонкими стенками, сделанная из легко проводящего тепло материала, например, металла, лучше подходит для кипячения.

От массы, а значит и от объёма вещества, кипение находится в обратной зависимости. Чем больше вес, тем больше энергии требуется на его нагревание, тем дольше будет необходимо ждать.

При прочих равных условиях вода без соли и других примесей закипает несколько быстрее, чем солёная. Однако, если концентрация соли очень низкая, этой разницы может быть практически незаметно.

Давление также влияет на процесс. Чем оно выше, тем дольше будет закипать вода, потому что давление атмосферы как бы удерживает пузырьки газа внутри, а испаряться она начинает тогда, когда давление пара уравнивается с атмосферным.

Соответственно, влияние оказывает также высота, на которой происходит кипячение, ведь с высотой давление уменьшается, как и температура кипения, потому что слой атмосферы сверху становится тоньше.

Эта разница мало заметна, если сравнивать первый этаж жилого дома с пятым, однако становится ощутима, если речь идёт, например, о подъеме в горы.

В вакууме температура кипения всех веществ очень сильно снижается из-за понижения давления, обычно отличие составляет 100-200 градусов. Для воды она стремится к нулю по мере уменьшения количества воздуха, оставшегося в сосуде.

Не менее важны характеристики источника тепла. Чем больше его мощность, то есть количество выделяемой им энергии за единицу времени, тем быстрее идет процесс кипячения. На практике это означает, что на более сильном огне или при большей температуре конфорки на электроплите вода закипит скорее.

Физика8 класс

§ 18. Кипение

Рассмотрим второй способ образования пара — кипение.

Пронаблюдаем это явление на опыте. Для этого будем нагревать воду в открытом стеклянном сосуде, измеряя её температуру

Прежде всего обратим внимание на то, что с поверхности воды происходит испарение. На это указывает туман, образовавшийся над сосудом

Кипение воды

Это водяной пар смешивается с холодным воздухом и конденсируется в виде маленьких капель. Сам пар, конечно, невидим глазу.

При дальнейшем повышении температуры мы заметим появление в воде многочисленных мелких пузырьков (рис. 21, а). Они постепенно увеличиваются в размерах. Это пузырьки воздуха, который растворён в воде. При нагревании воздух выделяется из воды в виде пузырьков. Эти пузырьки содержат не только воздух, но и водяной пар, так как вода испаряется внутрь этих пузырьков воздуха. Поднимающиеся пузырьки, попадая в верхние, более холодные слои воды, уменьшаются в размерах, так как содержащиеся в них пары конденсируются и под действием силы тяжести они опускаются. Спустившись ниже, в более горячие слои воды, пузырьки начинают снова подниматься к поверхности. Это попеременное увеличение и уменьшение пузырьков в размерах сопровождается характерным шумом, предшествующим закипанию воды. Постепенно вся вода прогревается, пузырьки уже не уменьшаются в размерах. Под действием архимедовой силы они всплывают на поверхность и лопаются (рис. 21, б). Находящийся в них насыщенный пар выходит в атмосферу. Шум прекращается, и мы слышим бульканье — вода закипела.

Рис. 21. Нагревание воды

Кипение — это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объёму жидкости при определённой температуре.

Следует помнить, что у различных жидкостей температура кипения разная (табл. 5).

В отличие от испарения, которое происходит при любой температуре (см. § 17), кипение от начала до конца происходит при определённой и постоянной для каждой жидкости температуре. Поэтому, например, при варке пищи нужно уменьшать огонь после того, как вода закипит. Это даст экономию топлива, а температура воды всё равно сохраняется постоянной во время кипения.

Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения.

Во время кипения температура жидкости не меняется.

Температура кипения жидкости зависит от давления, которое оказывается на поверхность жидкости. При кипении давление насыщенного пара внутри пузырьков превосходит внешнее давление. Если внешнее давление увеличивается, увеличивается и температура кипения. При уменьшении давления уменьшается и температура кипения жидкости.

Вам известно, что давление воздуха уменьшается с увеличением высоты над уровнем моря. Следовательно, с увеличением высоты уменьшается и температура кипения жидкости. Так, в горах вода закипает при t = 90 °С. При низкой температуре кипения невозможно сварить обычное яйцо, так как белок не может свернуться, если температура ниже 100 °С.

Таблица 5.
Температура кипения некоторых веществ (при нормальном атмосферном давлении)

Кипение

Некоторые вещества, которые в обычных условиях являются газами, при достаточном охлаждении обращаются в жидкости, кипящие при очень низкой температуре. Жидкий кислород, например, при атмосферном давлении кипит при температуре -183 °С. Вещества, которые в обычных условиях мы наблюдаем в твёрдом состоянии, обращаются при плавлении в жидкости, кипящие при очень высокой температуре. Например, медь кипит при 2567 °С, а железо — при 2750 °С.

Вопросы

  1. Какие явления наблюдаются в жидкости перед тем, как она начинает кипеть?
  2. Какие силы действуют на пузырёк воздуха, наполненный паром, когда он находится внутри жидкости?
  3. Что называют температурой кипения жидкости?

Упражнение 14

  1. На рисунке 22 показаны графики зависимости температуры от времени при нагревании и кипении воды, спирта и эфира. Массы жидкостей одинаковы, нагреватели одинаковой мощности. Определите, какой жидкости соответствуют графики 1,2,3.

    Рис. 22

  2. Нагреется ли вода до более высокой температуры, если её дольше кипятить?

  3. Объясните, почему высоко в горах вода закипает при температуре ниже 100 °С.

Задание

Поставьте на плиту кастрюлю, наполненную водой. Опишите, что происходит с водой по мере её закипания. Объясните наблюдаемое явление.

Как происходит измерение

Показатель удельной теплоты образования измеряется в лабораторных условиях путем проведения соответствующих экспериментов. Они включают в себя следующие действия:

  • отмеряется необходимое количество жидкости, которое затем переливается в калориметр;
  • проводится первоначальный замер температуры воды;
  • на горелку устанавливается колба с заранее помещенным в нее исследуемым веществом;
  • пар, выделяемый исследуемым веществом, запускается в калориметр;
  • производится повторный замер температуры воды;
  • калориметр подвергается взвешиванию, что позволяет вычислить массу сконденсированного пара.

Кипение

Литература

  • Кипение // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  • Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. — М.: Энергия, 1969.
  • Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. — М., 1963.
  • Радченко И. В. Молекулярная физика. — М., 1965.
  • Михеев М. А. Глава 5 // Основы теплопередачи. — 3-е изд. — М.Л., 1956.
  • Петухов Б. С., Генин Л. Г., Ковалев С. А. Теплообмен в ядерных энергетических реакторах. — М.: Энергоатомиздат, 1986.
  • Кириллов П. Л., Юрьев Ю. С., Бобков В. П. Справочник по теплогидравлическим расчетам. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
  • Кипение //  :  / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.

Литература

  • Кипение // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  • Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. — М.: Энергия, 1969.
  • Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. — М., 1963.
  • Радченко И. В. Молекулярная физика. — М., 1965.
  • Михеев М. А. Глава 5 // Основы теплопередачи. — 3-е изд. — М.Л., 1956.
  • Петухов Б. С., Генин Л. Г., Ковалев С. А. Теплообмен в ядерных энергетических реакторах. — М.: Энергоатомиздат, 1986.
  • Кириллов П. Л., Юрьев Ю. С., Бобков В. П. Справочник по теплогидравлическим расчетам. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
  • Кипение //  :  / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
Михаил Фирсов
Оцените автора
( Пока оценок нет )
Добавить комментарий