Кипение жидкости

Кипение. Удельная теплота парообразования и конденсации. урок. Физика 8 Класс

Кипение жидкости

Тема: Агрегатные состояния вещества

Урок: Кипение. Удельная теплота парообразования и конденсации

На прошлом уроке мы уже рассмотрели один из видов парообразования – испарение – и выделили свойства этого процесса. Сегодня мы обсудим такой вид парообразования, как процесс кипения, и введем величину, которая численно характеризует процесс парообразования – удельная теплота парообразования и конденсации.

Определение.Кипение (рис. 1) – это процесс интенсивного перехода жидкости в газообразное состояние, сопровождающийся образованием пузырьков пара и происходящий по всему объему жидкости при определенной температуре, которую называют температурой кипения.

Рис. 1. Кипение (Источник)

Сравним два вида парообразования между собой. Процесс кипения более интенсивен, чем процесс испарения.

Кроме того, как мы помним, процесс испарения протекает при любой температуре выше температуры плавления, а процесс кипения – строго при определенной температуре, которая является различной для каждого из веществ и называется температурой кипения.

Еще следует отметить, что испарение происходит только со свободной поверхности жидкости, т. е. с области, разграничивающей ее с окружающими газами, а кипение – сразу со всего объема.

Более подробно рассмотрим протекание процесса кипения. Представим ситуацию, с которой многие из нас неоднократно сталкивались, – это нагревание и кипячение воды в некотором сосуде, например, в кастрюле.

В ходе нагревания воде будет передаваться определенное количество теплоты, что будет приводить к увеличению ее внутренней энергии и увеличению активности движения молекул.

Этот процесс будет протекать до определенного этапа, пока энергия движения молекул не станет достаточной для начала кипения.

В воде присутствуют растворенные газы (или другие примеси), которые выделяются в ее структуре, что приводит к так называемому возникновению центров парообразования. Т. е.

именно в этих центрах начинает происходить выделение пара, и по всему объему воды образовываются пузырьки, которые наблюдаются при кипении. Важно понимать, что в этих пузырьках находится не воздух, а именно пар, который образовывается в процессе кипения.

После образования пузырьков количество пара в них растет, и они начинают увеличиваться в размерах.

Зачастую, изначально пузырьки образуются вблизи стенок сосуда и не сразу поднимаются на поверхность; сначала они, увеличиваясь в размерах, оказываются под воздействием нарастающей силы Архимеда, а затем отрываются от стенки и поднимаются на поверхность, где лопаются и высвобождают порцию пара.

Стоит отметить, что далеко не сразу все пузырьки пара достигают свободной поверхности воды. В начале процесса кипения вода прогрета еще далеко не равномерно и нижние слои, вблизи которых происходит непосредственно процесс теплопередачи, еще горячее верхних, даже с учетом процесса конвекции.

Это приводит к тому, что поднимающиеся снизу пузырьки пара схлопываются из-за явления поверхностного натяжения, еще не доходя до свободной поверхности воды. При этом пар, который находился внутри пузырьков, переходит в воду, тем самым дополнительно нагревая ее и ускоряя процесс равномерного прогрева воды по всему объему.

В результате, когда вода прогревается практически равномерно, почти все пузырьки пара начинают достигать поверхности воды и начинается процесс интенсивного парообразования.

Важно выделить тот факт, что температура, при которой проходит процесс кипения, остается неизменной даже в том случае, если увеличивать интенсивность подвода тепла к жидкости.

Простыми словами, если в процессе кипения прибавить газ на конфорке, которая разогревает кастрюлю с водой, то это приведет только к увеличению интенсивности кипения, а не к увеличению температуры жидкости.

Если углубляться более серьезно в процесс кипения, то стоит отметить, что в воде возникают области, в которых она может быть перегрета выше температуры кипения, но величина такого перегрева, как правило, не превышает одного-пары градусов и незначительна в общем объеме жидкости. Температура кипения воды при нормальном давлении составляет 100°С.

В процессе кипения воды можно заметить, что он сопровождается характерными звуками так называемого бурления. Эти звуки возникают как раз из-за описанного процесса схлопывания пузырьков пара.

Процессы кипения других жидкостей протекают аналогичным образом, что и кипение воды. Основное отличие в этих процессах составляют различные температуры кипения веществ, которые при нормальном атмосферном давлении являются уже измеренными табличными величинами. Укажем основные значения этих температур в таблице.

Вещество
Вода100
Спирт78
Ртуть357
Железо2860
Кислород–183
Водород–253

Интересен тот факт, что температура кипения жидкостей зависит от величины атмосферного давления, поэтому мы и указывали, что все значения в таблице приведены при нормальном атмосферном давлении. При возрастании давления воздуха возрастает и температура кипения жидкости, при уменьшении, наоборот, уменьшается.

На этой зависимости температуры кипения от давления окружающей среды основан принцип работы такого известного кухонного прибора, как скороварка (рис. 2).

Она представляет собой кастрюлю с плотно закрывающейся крышкой, под которой в процессе парообразования воды давление воздуха с паром достигает значения до 2 атмосферных давлений, что приводит к увеличению температуры кипения воды в ней до .

Из-за этого вода с продуктами в ней имеют возможность нагреться до температуры выше, чем обычно (), и процесс приготовления ускоряется. Из-за такого эффекта устройство и получило свое название.

Рис. 2. Скороварка (Источник)

Ситуация с уменьшением температуры кипения жидкости с понижением атмосферного давления также имеет пример из жизни, но уже не повседневной для многих людей. Относится такой пример к путешествиям альпинистов в высокогорных районах.

Оказывается, что в местности, находящейся на высоте 3000–5000 м, температура кипения воды из-за уменьшения атмосферного давления снижается до  и более низких значений, что приводит к сложностям при приготовлении пищи в походах, т. к. для эффективной термической обработки продуктов в таком случае требуется значительно большее время, чем при нормальных условиях.

На высотах около 7000 м температура кипения воды доходит до , что приводит к невозможности приготовления многих продуктов в таких условиях.

На том, что температуры кипения различных веществ отличаются, основаны некоторые технологии разделения веществ.

Например, если рассматривать нагревание нефти, которая представляет собой сложную жидкость, состоящую из множества компонентов, то в процессе кипения ее можно будет разделить на несколько различных веществ.

В данном случае, благодаря тому, что температуры кипения керосина, бензина, лигроина и мазута различны, их можно отделить друг от друга путем парообразования и конденсации при различных температурах. Такой процесс, как правило, называют разделением на фракции (рис. 3).

Рис. 3 Разделение нефти на фракции (Источник)

Как и любой физический процесс, кипение необходимо характеризовать с помощью какой-то численной величины, такую величину называют удельной теплотой парообразования.

Для того чтобы понять физический смысл этой величины, рассмотрим следующий пример: возьмем 1 кг воды и доведем ее до температуры кипения, затем замерим, какое количество теплоты необходимо для того, чтобы полностью испарить эту воду (без учета тепловых потерь) – эта величина и будет равна удельной теплоте парообразования воды. Для другого вещества это значение теплоты будет другим и будет являться удельной теплотой парообразования этого вещества.

Удельная теплота парообразования оказывается очень важной характеристикой в современных технологиях производства металлов. Оказывается, что, например, при плавлении и испарении железа с его последующей конденсацией и затвердеванием образуется кристаллическая решетка с такой структурой, которая обеспечивает более высокую прочность, чем исходный образец.

Обозначение:  удельная теплота парообразования и конденсации (иногда обозначается ).

Единица измерения: .

Удельная теплота парообразования веществ определяется с помощью экспериментов в лабораторных условиях, и ее значения для основных веществ занесены в соответствующую таблицу.

Вещество
Вода
Спирт
Ртуть
Воздух (жидкий)

Если известно, что вещество находится при температуре кипения, то для вычисления количества теплоты, необходимого для превращения его в газообразное состояние используют следующую формулу:

Обозначения:

 количество теплоты парообразования, Дж;

 удельная теплота парообразования и конденсации, ;

 масса вещества, кг.

В случае рассмотрения процесса конденсации вещества формула, описывающая количество теплоты, остается такой же, но берется со знаком минус, что подчеркивает выделение тепла в процессе конденсации, в отличие от поглощения тепла в процессе кипения, однако, зачастую этот минус не учитывается, если находится модуль количества теплоты.

На следующем уроке мы уделим внимание решению задач.

Список литературы

  1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
  2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
  3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Домашнее задание

  1. Стр. 45: вопросы № 1–3; стр. 51: вопросы № 1–5, упражнение № 10. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
  2. Какое количество теплоты нужно затратить для превращения в пар 100 г воды, 50 г спирта, 12 г эфира? Жидкости находятся при температуре кипения.
  3. Любое кипение одновременно является парообразованием, а всякое ли парообразование является кипением? Какое явление встречается чаще?
  4. В кастрюлю налито 2 л воды при температуре . После закипания в кастрюле оказалось на 200 г меньше воды, чем в начале нагревания. Сколько тепла получила вода в кастрюле?
  5. В открытой кастрюле с гладкими стенками и дном можно, осторожно нагревая, довести чистую воду (без крупинок и растворенного воздуха) до температуры свыше . Но почему вода не закипает?

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/8-klass/bagregatnye-sostoyaniya-vewestvab/kipenie-udelnaya-teplota-paroobrazovaniya-i-kondensatsii

Режимы кипения жидкости

Кипение жидкости

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ И КОНДЕНСАЦИИ

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ

Кипением называется процесс интенсивного парообразования, происходящего во всем объеме жидкости, находящейся при температуре насыщения или несколько перегретой относительно температуры насыщения, с образованием паровых пузырей. В процессе фазового превращения поглощается теплота парообразования. Процесс кипения обычно связан с подводом теплоты к кипящей жидкости.

Режимы кипения жидкости.

Различают кипение жидкостей на твердой поверхности теплообмена, к которой извне подводится теплота, и кипение в объеме жидкости.

При кипении на твердой поверхности образования паровой фазы наблюдается в отдельных местах этой поверхности. При объемном кипении паровая фаза возникает самопроизвольно (спонтанно) непосредственно в объеме жидкости в виде отдельных пузырьков пара.

Объемное кипение может происходить лишь при более значительном перегреве жидкой фазы относительно температуры насыщения при данном давлении, чем кипение на твердой поверхности. Значительный перегрев может быть получен, например, при быстром сбросе давления в системе.

Объемное кипение может иметь место при наличии в жидкости внутренних источников тепла.

В современной энергетике и технике обычно встречаются процессы кипения на твердых поверхностях нагрева (поверхности труб, стенки каналов и т.п.). Этот вид кипения в основном и рассматривается далее.

Механизм теплообмена при пузырьковом кипении отличается от механизма теплоотдачи при конвекции однофазной жидкости наличием дополнительного переноса массы вещества и теплоты паровыми пузырями из пограничного слоя в объем кипящей жидкости. Это приводит к высокой интенсивности теплоотдачи при кипении по сравнению с конвекцией однофазной жидкости.

Для возникновения процесса кипения необходимо выполнение двух условий: наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения и наличие центров парообразования.

Перегрев жидкости имеет максимальную величину непосредственно у обогреваемой поверхности теплообмена. На ней же находятся центры парообразования в виде неровностей стенки, пузырьков воздуха, пылинок и др. Поэтому образование пузырьков пара происходит непосредственно на поверхности теплообмена.

Рисунок 3.1 – режимы кипения жидкости в неограниченном объеме: а) -пузырьковый; б) – переходный; в) — пленочный

На рис. 3.1. схематически показаны режимы кипения жидкости в неограниченном объеме. При пузырьковом режиме кипения (рис. 3.

1,а) по мере увеличения температуры поверхности нагрева tc и соответственно температурного напора число действующих центров парообразования растет, процесс кипения становится все более интенсивным.

Паровые пузырьки периодически отрываются от поверхности и, всплывая к свободной поверхности, продолжают расти в объеме.

При повышении температурного напора Δt значительно возрастает поток теплоты, который отводится от поверхности нагрева к кипящей жидкости. Вся эта теплота в конечном счете расходуется на образование пара. Поэтому уравнение теплового баланса при кипении имеет вид:

, (3-1)

где Q — тепловой поток, Вт; r — теплота фазового перехода жидкости, Дж/кг; Gп — количество пара, образующегося в единицу времени в результате кипения жидкости и отводимого от ее свободной поверхности, кг/с.

Тепловой поток Q при увеличении температурного напора Δt растет не беспредельно. При некотором значении Δt он достигает максимального значения (Рис. 3.2), а при дальнейшем повышении Δt начинает уменьшаться.

Рисунок 3.2 – Зависимость плотности теплового потока q

от температурного напора Δt при кипении воды в большом объеме при атмосферном давлении: 1- подогрев до температуры насыщения; 2 – пузырьковый режим; 3 – переходный режим; 4 – пленочный режим.

Дать участки 1 2 3 и 4

Пузырьковыйрежим кипения имеет место на участке 2 (Рис. 3.2) до достижения максимального теплоотвода в точке qкр1 , называемой первой критической плотностью теплового потока.

Для воды при атмосферном давлении первая критическая плотность теплового потока составляет ≈ Вт/м2; соответствующее критическое значение температурного напора Вт/м2. (Эти значения относятся к условиям кипения воды при свободном движении в большом объеме.

Для других условий и других жидкостей значения будут иными).

При бóльших Δt наступает переходный режим кипения (рис. 3.1, б). Он характеризуется тем, что как на самой поверхности нагрева, так и вблизи нее пузырьки непрерывно сливаются между собой, образуются большие паровые полости. Из-за этого доступ жидкости к самой поверхности постепенно все более затрудняется.

В отдельных местах поверхности возникают «сухие» пятна; их число и размеры непрерывно растут по мере увеличения температуры поверхности. Такие участки как бы выключаются из теплообмена, так как отвод теплоты непосредственно к пару происходит существенно менее интенсивно. Это и определяет резкое снижение теплового потока (участок 3 на Рис. 3.

2) и коэффициента теплоотдачи в области переходного режима кипения.

Наконец, при некотором температурном напоре вся поверхность нагрева покрывается сплошной пленкой пара, оттесняющей жидкость от поверхности. С этого момента имеет место пленочный режим кипения (рис. 3.1, в). При этом перенос теплоты от поверхности нагрева к жидкости осуществляется путем конвективного теплообмена и излучения через паровую пленку.

Интенсивность теплообмена в режиме пленочного кипения достаточно низкая (участок 4 на рис. 3.2). Паровая пленка испытывает пульсации; пар, периодически накапливающийся в ней, отрывается в виде больших пузырей. В момент наступления пленочного кипения тепловая нагрузка, отводимая от поверхности, и соответственно количество образующегося пара имеют минимальные значения.

Это соответствует на рис. 3.2 точке qкр2, называемой второй критической плотностью теплового потока.При атмосферном давлении для воды момент начала пленочного кипения характеризуется температурным напором ≈150 °С, т. е. температура поверхности tc составляет примерно 250°С.

По мере увеличения температурного напора все большая часть теплоты передается за счет теплообмена излучением.

Все три режима кипения можно наблюдать в обратном порядке, если, например, раскаленное массивное металлическое изделие опустить в воду для закалки.

Вода закипает, вначале охлаждение тела идет относительно медленно (пленочное кипение), затем скорость охлаждения быстро нарастает (переходный режим), вода начинает периодически смачивать поверхность, и наибольшая скорость снижения температуры поверхности достигается в конечной стадии охлаждения (пузырьковое кипение). В этом примере кипение протекает в нестационарных условиях во времени.

На рис. 3.3 показана визуализация пузырькового и пленочного режимов кипения на электрически обогреваемой проволоке, находящейся в воде.

А б

рис. 3.3 визуализация пузырькового и пленочного режимов кипения на электрически обогреваемой проволоке: а) — пузырьковый и б) — пленочный режим кипения.

На практике часто встречаются также условия, когда к поверхности подводится фиксированный тепловой поток, т. е. q = const. Это характерно, например, для тепловых электрических нагревателей, тепловыделяющих элементов ядерных реакторов и, приближенно, в случае лучистого обогрева поверхности от источников с весьма высокой температурой.

В условиях q = const температура поверхности tc и соответственно температурный напор Δt зависят от режима кипения жидкости. Оказывается, что при таких условиях подвода теплоты переходный режим стационарно существовать не может. Вследствие этого процесс кипения приобретает ряд важных особенностей.

При постепенном повышении тепловой нагрузки q температурный напор Δt возрастает в соответствии с линией пузырькового режима кипения на рис. 3.2, и процесс развивается так же, как это было описано выше.

Новые условия возникают тогда, когда подводимая плотность теплового потока достигает значения, которое соответствует первой критической плотности теплового потока qкр1.

Теперь при любом незначительном (даже случайном) повышении величины q возникает избыток между количеством подводимой к поверхности теплоты и той максимальной тепловой нагрузкой qкр1, которая может быть отведена в кипящую жидкость. Этот избыток (q qкр1) вызывает увеличение температуры поверхности, т. е.

начинается нестационарный разогрев материала стенки. Развитие процесса приобретает кризисный характер.

За доли секунды температура материала поверхности нагрева возрастает на сотни градусов, и лишь при условии, что стенка достаточно тугоплавкая, кризис заканчивается благополучно новым стационарным состоянием, отвечающим области пленочного кипения при весьма высокой температуре поверхности. На рис. 3.2 этот кризисный переход от пузырькового режима кипения к пленочному условно показан стрелкой как «перескок» с кривой пузырькового кипения на линию пленочного кипения при той же тепловой нагрузке qкр1. Однако обычно это сопровождается расплавлением и разрушением поверхности нагрева (ее пережогом).

Вторая особенность состоит в том, что если произошел кризис и установился пленочный режим кипения (поверхность не разрушилась), то при снижении тепловой нагрузки пленочное кипение будет сохраняться, т. е.

обратный процесс теперь будет происходить по линии пленочного кипения (рис. 3.2). Лишь при достижении qкр2 жидкость начинает вновь в отдельных точках периодически достигать (смачивать) поверхность нагрева.

Отвод теплоты растет и превышает подвод теплоты, вследствие чего возникает быстрое охлаждение поверхности, которое также носит кризисный характер. Происходит быстрая смена режимов, и устанавливается стационарное пузырьковое кипение. Этот обратный переход (второй кризис) на рис.

3.2 также условно показан стрелкой как «перескок» с кривой пленочного кипения на линию пузырькового кипения при q = qкр2.

Итак, в условиях фиксированного значения плотности теплового потока q, подводимого к поверхности нагрева, оба перехода от пузырькового к пленочному и обратно носят кризисный характер. Они происходят при критических плотностях теплового потока qкр1 и qкр2 соответственно. В этих условиях переходный режим кипения стационарно существовать не может, он является неустойчивым.

На практике широко применяются методы отвода теплоты при кипении жидкости, движущейся внутри труб или каналов различной формы. Так, процессы генерации пара осуществляются за счет кипения воды, движущейся внутри котельных труб. Теплота к поверхности труб подводится от раскаленных продуктов сгорания топлива за счет излучения и конвективного теплообмена.

Для процесса кипения жидкости, движущейся внутри ограниченного объема трубы (канала), описанные выше условия остаются в силе, но вместе с этим появляется ряд новых особенностей.

Вертикальная труба. Труба или канал представляет собой ограниченную систему, в которой при движении кипящей жидкости происходят непрерывное увеличение паровой и уменьшение жидкой фаз. Соответственно этому изменяется и гидродинамическая структура потока, как по длине, так и по поперечному сечению трубы. Соответственно изменяется и теплоотдача.

Наблюдается три основные области с разной структурой потока жидкости по длине вертикальной трубы при движении потока снизу вверх (рис. 3.4): I – область подогрева (экономайзерный участок, до сечения трубы, где Тс=Тн); II – область кипения (испарительный участок, от сечения, где Тс=Тн,

Источник: https://studopedia.ru/12_128567_rezhimi-kipeniya-zhidkosti.html

Кипение воды

Кипение жидкости

  • Участник: Ярославцев Максим Александрович
  • Руководитель: Трубенко Фаина Ивановна
Техника безопасностиПравила безопасности при работе со спиртовкой и стеклянной посудой.
Цель экспериментаНаблюдать процесс кипения воды и описать основные явления, которые сопровождают процесс кипения воды.
Гипотеза:Процесс кипения сопровождается рядом удивительных явлений
Оборудование:Фото
  • Штатив;
  • Колба с водой;
  • Спиртовка;
  • Спички
Описание опытаРезультаты опытаОбъяснение
В лапке штатива закрепляем колбу с водой, снизу поместим спиртовку. Зажигаем спиртовку и наблюдаем за процессами, происходящими в колбе.1. Идет обильное испарение с поверхности жидкости, над горлышком колбы образуется туман.1. Пар невидимый, но при попадании в холодную среду (наружный воздух) происходит конденсация пара и образуется туман.
2. На внутренней поверхности стенок образуются и начинают расти пузырьки.2. Пузырьки содержат воздух, растворенный в воде и водяной пар, который образуется за счет испарения воды внутрь пузырьков.
3. Пузырьки увеличиваются в размерах, отрываются от стенок колбы, поднимаются вверх и исчезают.3.В холодных непрогретых слоях воды происходит конденсация пара.
4. Возникает шум предшествующий закипанию воды.4. Шум вызван попеременным уменьшением и увеличением пузырьков в размерах, вода постепенно полностью прогревается.
5. Пузырьки всплывают на поверхность, лопаются, слышно как булькает вода, кипит.5.Пузырьки всплывают на поверхность под действием архимедовой силы, насыщенный пар из пузырьков выбрасывается в атмосферу.

Жидкость закипит, если давление насыщенного пара в пузырьках будет больше суммы гидростатического давления жидкости и атмосферного давлении:

рнас. п. > ρgh + ратм.

Из этого выражения вытекает, что изменив внешнее давление над водой можно изменить температуру кипения воды: при уменьшении внешнего давления температура кипения понижается, а при увеличении давления — повышается. Докажем этот вывод на опыте.

Техника безопасностиПравила безопасности при работе со стеклянной посудой
Цель экспериментаНаблюдать процесс кипения воды в условиях пониженного давления
Гипотеза:При уменьшении внешнего давления температура кипения понижается
Опыт 2
Оборудование:Фото
  • Штатив;
  • Колба с водой;
  • Насос;
  • Резиновый шланг
Описание опытаРезультаты опытаОбъяснение
А) Измеряем начальную температуру в колбе.Начальная температура воды 30 °С.Когда из колбы выкачиваем воздух, то давление над жидкостью уменьшается, процесс роста пузырьков начинается при меньшем давлении, что сказывается на понижение температуры кипения.
б) В лапке штатива закрепляем колбу с водой, закрываем резиновой пробкой со стеклянной трубкой. Соединим с помощью резинового шланга колбу с насосом. Из колбы выкачиваем воздух.В воде образуются пузырьки, они поднимаются на поверхность воды, лопаются, вода закипает
в) Измеряем температуру воды после кипения.Конечная температура воды 29 °С (понижение температуры вызвано теплоотдачей воды окружающей среде).

Опыт 3. Задача № 862 (снег заменен холодной водой)

(А.Е. Марон, Е.А. Марон, С. В. Позойский. Сборник вопросов и задач Физика 7-9 к учебнику А.В. Перышкина)

Оборудование:Фото
  • Штатив;
  • Колба с водой;
  • Спиртовка;
  • Спички
  • стакан с холодной водой
Описание опытаРезультаты опытаОбъяснение
В колбе доведем воду до кипения. Убираем спиртовку, закрываем колбу плотно резиновой пробкой. Переворачиваем колбу с водой, надежно ее закрепляем в лапке штатива. Сверху колбу обливаем холодной водойВ воде образуются пузырьки воздуха, вода закипает.Холодная вода охлаждает горячий воздух над водой в колбе, его давление над жидкостью уменьшается. Вода кипит при температуре ниже 100°С.
Применение рассматриваемого явления на практике.
  1. Закипания перегретой жидкости используется в пузырьковой камере – современном приборе для регистрации частиц высокой энергии.
  2. Получение сахара из сахарного тростника или свеклы: воду из сиропа удаляют с помощью выпаривания при низком давлении.
  3.  Зная температуру кипения воды можно по таблицам давления пара при разных температурах узнать атмосферное давление. Специально приспособленные для таких измерений термометры называют гипсотермометрами.
  4. Кипение при повышенном давлении широко используется на практике: в медицине для стерилизации инструментов, в пищевой промышленности для консервирования, в химической промышленности (производство гербицидов, органических полупродуктов и красителей, в процессах синтеза). Для этого используют автоклав.
  5. Ректификационное разделение нефти, жидких смесей, расплавов металлов на составные части.
Природные явленияГейзеры – одно из самых удивительных явлений природы, это периодически фонтанирующие источники горячей воды с паром.
Интересные факты в рассматриваемом явленииИнтересная задача из задачника 861(опыт со шприцем).Ее можно продемонстрировать на оборудовании L-микро. Наблюдение кипения спирта: пробирку со спиртом помещают в сосуд с кипящей водой, фиксируют температуру кипения воды, с помощью шприца повышают давление над спиртом, на графике при этом видно увеличение температуры кипения спирта (в углу графика t кип. при обычном и повышенном давлениях).
Кипение дистиллированной воды.Дистиллированная вода – это очищенная вода H2O, в которой практически не содержится каких-либо примесей. В чистую колбу наливаем дистиллированную воду и начинаем нагревать на медленном огне. С помощью электронного термометра измеряем температуру пара над водой (рис.1). Видим, что при температуре 100 °С вода не кипит. Убираем спиртовку, и в перегретую воду бросим кусочки мела (рис.2), на ее поверхности сразу образуются пузырьки. Видим бурное закипание воды (рис.3).рис. 1рис.2рис.3
  1. Рассказывают, что вождь одной из африканских деревень, чтобы определить, кто из двух подозреваемых говорит правду, приказал каждому лизнуть горячий нож. Удивительно, с помощью такого «Детектор лжи» всегда находили виновного, у лжеца пересыхало во рту, и он получал сильный ожог языка.
  2. Из истории каслинских литейщиков. (Здесь важна быстрота реакции человека). Сначала человек опускал руку в ведро с водой, а затем быстро погружал в кипящий металл и так же быстро вытаскивал руку. Рука оставалась целой. (Правда в примерах 3, 4 идет речь о пленочном кипении).
  3. Кипит ли вода внутри макарон при варке?
  4. Объясните, можно ли с помощью поршневого насоса поднять кипящую воду? Ответ обоснуйте.
  5. Сырая и кипяченая вода имеют одинаковую начальную температуру. Какая из них быстрее закипит при прочих равных условиях? Ответ обоснуйте.
  6. Почему использование скороварок особенно ценно в условиях горной местности?
  7. Интересны задачи №828, 830831, 832,833 из А.Е. Марон, Е.А. Марон,  С. В. Позойский Сборник вопросов и задач Физика 7-9 к учебнику А.В. Перышкина.

Ссылка на видео https://cloud.mail.ru/public/4k82/e7MeqkpeB (Облако Mail.Ru)

содержит все фрагменты:

  • Кипение воды;
  • Кипение при пониженном давлении (с помощью насоса и холодной воды);
  • Кипение дистиллированной воды.

Тема: Тепловые явления

Источник: https://rosuchebnik.ru/material/kipenie-vody-7874/

Кипение воды: почему, как и когда

Кипение жидкости

Кипение воды — довольно обыденный, но от этого не менееинтересный процесс. В этой статье опишем:

  • почему вода кипит;
  • как ведёт себя закипающая вода и откуда появляются хлопки перед закипанием;
  • сколько градусов составляет кипящая вода;
  • какая вода закипит быстрее: соленая или пресная и от чего это зависит.

Механизм кипения

Кипение — процесс парообразования, то есть перехода веществаиз жидкой фазы в газообразную. От испарения кипение отличается тем, что процесспарообразования происходит не только на поверхности, но и по всему объёмужидкости. И если испарение происходит при любой температуре, то кипение — пристрого определенной температуре (которая называется температурой кипения) идавлении.

Что же происходит с водой при кипячении?

Для того чтобы жидкость закипела, нужно чтобы ей было кудаиспаряться (так называемые центры кипения). Конечно, жидкость может испарятьсяс поверхности, но этот процесс не является кипением.

Для кипения необходимочто-то, куда жидкость могла бы испаряться внутри своего объёма — пустоепространство. Как правило, это растворённый в жидкости воздух, которыйрасполагается, например, в мельчайших неровностях тары.

Также часто пузыривоздуха находятся в порах накипи в чайнике.

Итак, мы имеем воду и растворенные в ней пузырьки (помимовоздуха, там находится насыщенный пар, поскольку в этот пузырёк происходитиспарение).

Что происходит при нагревании? При увеличении температурыувеличивается объём пузырьков.

Под действием силы Архимеда (которая гласит, чтона тело, погружённое в жидкость действует выталкивающая сила, равная весуобъёма жидкости, вытесненного телом) они отрываются от внутренней поверхностисосуда и начинают всплывать.

Всплывая, пузырек попадает в верхние слои жидкости, которыеещё недостаточно прогрелись. В результате этого давление в пузырьке падает, ион схлопывается. В этом случае слышатся характерные щелчки, называемыекавитационными. Их слышно, когда вода только начинает закипать, но ещё невскипела.

Когда все слои жидкости достаточно прогреются, пузырькиперестают схлопываться и всплывать на поверхность. Вода начинает булькать.

Существует такое понятие, как перегретая вода. Это такое еесостояние, когда она достигла температуры кипения, но не может закипеть в связис отсутствием центров кипения (такое бывает с очень чистой водой). Вызватькипение этой воды можно поместив в неё какое-либо тело, например, ложку вкастрюлю, или насыпав туда сахар.

Еще одно интересное свойство воды — это кипение без нагрева.Как вызвать кипение воды, не нагревая ее? Нужно понизить давление пара (например,откачать из плотно закрытой тары воздух).

Температура закипания воды

Температура кипения характерна для каждого вещества изависит не только от вида жидкости, но и от атмосферного давления воздуха. Впроцессе кипения температура воды остаётся постоянной и равняется температурекипения, поскольку вся энергия затрачивается на парообразование.

В нормальных условиях точка кипения воды составляет 100градусов Цельсия или 212 градусов по Фаренгейту.

Как изменить температуру кипения

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

Влияние давления

Интересно проследить процесс кипения воды в зависимости отвысоты над уровнем моря.

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

На вершине Эвереста давление настолько низкое, что водазакипает 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 кипенияводы. Для этого используют специальные приспособления. Например, для этой целипредназначена посуда, которая в быту называется скороваркой. Представляет онаиз себя кастрюлю с толстыми стенками и плотно прилегающей крышкой. В крышке имеетсяклапан с грузиком, выпускающий лишний пар.

В закрытом сосуде давление будет складываться изатмосферного давления и давления пара, который находится над жидкостью.

Такимобразом, общее внешнее давление станет больше и это позволит поднятьтемпературу кипения. Однако слишком высоко поднимать давление опасно, посколькуэто может вызвать разрыв тары.

Чтобы это предотвратить и существует клапан,который выпускает лишний пар, когда давление становится слишком высоким.

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

Кипение соленой воды

Согласно второму закону Рауля соленая вода (в том числеморская, а также минеральная вода) должна кипеть при более высокой температуречем пресная. Происходит это по ряду причин. Упрощенно эту теорию можнообъяснить так: в соленой жидкости молекулы h2o связываются с ионами соли.

Этотпроцесс называется гидратацией. В результате этого процесса образуются крепкиесвязи, которые сильнее, чем связи между молекулами воды в несоленой жидкости.

Поэтому молекулам солёной воды нужна большая температура (и соответственнобольше времени) на закипание, чем молекулам пресной воды.

Температура пара

В обычных условиях температура пара равняется температуреводы. Как мы уже выяснили, температура кипящей воды — это постоянная величина,поскольку вся энергия расходуется на парообразование и более сильного нагрева,чем температура кипения, не происходит.

Температура пара равняется температуреводы, поскольку ничего его более не нагревает. А вот если нагреть пар отдельноот воды, то температура его повысится, и мы получим так называемый перегретыйпар.

Перегретый пар становится невидим и может быть очень опасен длячеловеческого здоровья.

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия нагретого водяного пара активноиспользуется в промышленности. В частности, на основе энергии пара работаеттакое устройство как паровая турбина. Она представляет собой насаженный на валмассивный диск, на котором закреплены лопасти.

На эти лопасти поступает пар,нагретый в паровом котле и имеющий температуру около 600 градусов. Этот паррасширяется в сопло, происходит превращение его внутренней энергии вкинетическую энергию направленного движения.

Струя пара, обладающая большойкинетической энергией поступает из сопло на лопасти турбины, приводя турбину вовращение.

Уменьшение времени приготовления пищи

Для того чтобы уменьшить время приготовления пищи,достаточно увеличить температуры кипения жидкости. А как это можно сделать,выше уже было сказано. Отлично для этого подойдут такие популярные кухонныепринадлежности как скороварка и мультиварка.

Каждое из этих устройств плотнозакрывается крышкой, что позволяет увеличить давление и температуру кипения. Аспециальный клапан удалит излишки пара.

Необходимо понимать, что клапан ни вкоем случае нельзя закрывать, поскольку это может вызвать разрыв посуды.

Использование кипячения как метода очистки

Кипячение является популярным методом очистки воды. Однаконужно понимать, что далеко не все бактерии и примеси уничтожаются при обычныхста градусах. Поэтому в очистке воды не стоит полагаться на одно толькокипячение.

Кроме того, кипячение длительное время являлось основнымметодом стерилизации медицинских инструментов. И для этой цели кипячение принормальных условиях не является эффективным.

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

Источник: https://VodaVoMne.ru/svojstva-vody/kipenie-vody

Кипение жидкости

Кипение жидкости

Определение 1

Кипение представляет процесс, при котором наблюдается интенсивное парообразование, осуществляемое непосредственно в жидкости не только на ее свободной поверхности, но и внутри структуры. В объеме жидкости при этом возникают границы разделения фаз в виде появляющихся на стенках сосуда пузырьков, содержащих насыщенный пар и воздух.

Кипение, наряду с испарением, представляет один из способов парообразования, но, в отличие от него. Его возникновение становится возможным исключительно при наличии определенной температуры и давления.

Определение кипения и стадии кипения воды

Итак, кипение, представляя собой физический процесс, характеризуется наличием пузырьков из воздуха и пара. При этом важным показателем является температура кипения. Скорость формирования пара зависит от давления, которое должно быть постоянным.

Рисунок 1. Процесс кипения. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Таким образом, в качестве основной характеристики жидких химических веществ выступает не только температура кипения, но и нормальное атмосферное давление. В то же время, на процесс кипения также могут оказать непосредственное воздействие следующие факторы: интенсивность звуковых волн и ионизация воздуха.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Непосредственное образование пара происходит в момент процесса нагревания жидкости. Кипение предполагает наличие четырех стадий, которым подвергается жидкость:

  1. На дне сосуда (равно как и на его стенках) начинается образование небольших пузырьков. Это является следствием содержания в трещинах материала емкости воздуха, способного к расширению под влиянием высоких температур.
  2. Пузырьки начинают расти в объеме, следствием чего становится их прорыв на поверхность воды. В случае не достижения верхним слоем жидкости температуры кипения, полости опустятся на дно, а затем снова начинают устремляться вверх. Данный процесс провоцирует образование звуковых волн, которые шумят в момент кипения воды.
  3. На поверхность начинает выплывать максимальное количество пузырьков, из-за чего вода становится мутной. Далее она бледнее. Благодаря визуальному эффекту данная стадия получила название «белого ключа».
  4. интенсивное бурление, которое сопровождается образованием больших пузырей, которые быстро лопаются. Этот процесс сопровождается появлением брызг, а также интенсивным образованием пара.

Удельная теплота парообразования

Определение 2

Удельная теплота парообразования представляет физическую величину, задачей которой является определение количества теплоты. Она способствует обращению жидкого вещества в пар. С целью расчета данного параметра, требуется разделить показатель теплоты испарения на массу.

Рисунок 2. Удельная теплота парообразования. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

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

  • отмерить требуемое количество жидкости, которое далее следует перелить в калориметр;
  • провести первоначальный замер температуры воды;
  • горелку установить колбу с заранее помещенным в нее исследуемым веществом;
  • выделяемый исследуемым веществом пар запустить в калориметр;
  • произвести повторный замер температуры воды;
  • калориметр подвергнуть взвешиванию для вычисления массы сконденсированного пара.

Режимы кипения жидкости

Различают следующие режимы, при которых происходит непосредственное кипение жидкости: кипение на твердой поверхности теплообмена (к ней извне подводится теплота), кипение в объеме жидкости.

При кипении на твердой поверхности формирование паровой фазы будет осуществляться в отдельных местах данной поверхности. В случае объемного кипения, возникновение паровой фазы будет происходить в самопроизвольном порядке (то есть, спонтанным образом) непосредственно в жидкости в форме отдельных паровых пузырьков.

Рисунок 3. Явление превращения жидкости в пар. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Объемное кипение становится возможным исключительно в случае более значительного перегрева жидкой фазы относительно температуры насыщения (при данном давлении), сравнительно с кипением на твердой поверхности.

Значительный перегрев возможен, например, если давление будет быстро сброшено в системе. Объемное кипение становится возможным, в свою очередь, при условии присутствия в жидкости внутренних источников тепла.

В современной энергетике зачастую можно встретить процессы кипения на твердых поверхностях нагрева (например, стенки каналов, поверхности труб и пр.).

Замечание 1

При пузырьковом кипении механизм теплового обмена будет отличным от механизма теплоотдачи в условиях конвекции однофазной жидкости.

Отличие при этом будет заключаться в наличии дополнительного переноса теплоты и массы вещества посредством паровых пузырьков из пограничного слоя непосредственно в объем кипящей жидкости.

Это провоцирует высокую интенсивность теплоотдачи в процессе кипения, сравнительно с конвекцией однофазной жидкости.

Рисунок 4. Коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Для того, чтобы возник процесс кипения, потребуется соблюдение двух условий: наличие факта перегрева жидкости в отношении температуры насыщения и присутствие центров парообразования.

Перегрев жидкости будет максимальным непосредственно у обогреваемой поверхности теплообмена, на которой также будут находиться центры парообразования (неровности стенки, пузырьки воздуха, пылинки и пр.) Образование пузырьков пара по этой причине осуществляется непосредственно на поверхности теплообмена.

В процессе пленочного кипения насыщенной жидкости происходит расход теплового потока не только на испарение, но также и на перегрев пара в пленке. В случае пленочного кипения недогретой жидкости, будет фиксироваться передача части теплоты в объем жидкости за счет конвекции.

Интенсивность теплоотдачи в процессе пленочного кипения оказывается существенно меньше, если сравнивать с пузырьковым. Пленочное кипение наблюдается:

  • в момент закалки закалке металлов в жидкой среде;
  • в перегонных аппаратах быстрого действия;
  • в момент кипения криогенных жидкостей;
  • в процессе охлаждения ракетных двигателей.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizika_zhidkostey/kipenie_zhidkosti/

Booksm
Добавить комментарий