Кипение жидкостей. Что такое кипение? Удельная теплота парообразования

Эти знания быстро улетучиваются, и постепенно люди прекращают обращать внимание на сущность привычных явлений. Иногда бывает полезно вспомнить теоретические знания.

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.

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 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.

Удельная теплота парообразования

Практически ежедневно мы сталкиваемся с таким явлением, как кипение. Удельная теплота парообразования представляет собой физическую величину, которая определяет количество теплоты. С ее помощью жидкое вещество может быть обращено в пар. Для того чтобы рассчитать данный параметр, нужно разделить показатель теплоты испарения на массу.

Как происходит измерение

Показатель удельной 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.

Пузырьковый режим кипения

Разбираясь с вопросом о том, что такое кипение, стоит отметить, что оно имеет несколько режимов. Так, при нагревании пар может образовываться в виде пузырей. Они периодически растут и лопаются. Такой режим кипения называется пузырьковым. Обычно полости, наполненные паром образуются именно у стенок сосуда. Это связано с тем, что они, как правило, перегреты. Это необходимое условие для кипения, ведь в противном случае пузырьки будут схлопываться, не достигая больших размеров.

Пленочный режим кипения

Что такое кипение? Проще всего объяснить этот процесс как парообразование при определенной температуре и постоянном давлении. Помимо пузырькового режима, выделяют также пленочный. Его сущность состоит в том, что при усилении теплового потока отдельные пузырьки объединяются, образуя паровой слой на стенках сосуда. При достижении критического показателя они прорываются на поверхность воды. Данный режим кипения отличается тем, что степень теплопередачи от стенок сосуда к самой жидкости значительно снижается. Причиной этому становится та самая паровая пленка.

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 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.

Чем отличается кипение от испарения

Всякий раз, когда происходит кипение воды, пар выделяется в атмосферу. Но эти два процесса нельзя отождествлять. Они являются лишь способами парообразования, которое происходит при определенных условиях. Так, кипение - это первого рода. Данный процесс является более интенсивным, чем обусловлено образованием паровых очагов. Также стоит отметить, что процесс испарения происходит исключительно на поверхности воды. Кипение же касается всего объема жидкости.

От чего зависит испарение

Испарение представляет собой процесс преобразования жидкого или твердого вещества в газообразное состояние. Происходит "вылетание" атомов и молекул, связь которых с остальными частицами оказывается ослабленной под воздействием определенных условий. Скорость испарения может изменяться под влиянием следующих факторов:

• площадь поверхности жидкости;
• температура самого вещества, а также окружающей среды;
• скорость движения молекул;
• вид вещества.

Энергия кипения воды широко используется человеком в быту. Данный процесс стал настолько обыденным и привычным, что никто не задумывается о его природе и особенностях. Тем не менее с кипением связан целый ряд интересных фактов:

• Наверное, все замечали, что в крышке чайника есть отверстие, но мало кто задумывается о его предназначении. Оно проделывается с той целью, чтобы частично выпускать пар. В противном случае вода может расплескаться через носик.
• Продолжительность варки картофеля, яиц и прочих продуктов питания не зависит от того, насколько мощным является нагреватель. Имеет значение лишь тот факт, как долго они находились под воздействием кипящей воды.
• На такой показатель, как температура кипения, никак не влияет мощность нагревательного прибора. Она может сказаться лишь на скорости испарения жидкости.
• Кипение связано не только с нагреванием воды. При помощи данного процесса можно также заставить жидкость замерзнуть. Так, в процессе кипения нужно производить непрерывную откачку воздуха из сосуда.
• Одна из самых актуальных проблем для хозяек заключается в том, что молоко может "убежать". Так, риск этого явления значительно повышается во время ухудшения погоды, которое сопровождается падением атмосферного давления.
• Самый горячий кипяток получается в глубоких подземных шахтах.
• Путем экспериментальных исследований ученым удалось установить, что на Марсе вода закипает при температуре 45 градусов Цельсия.

Может ли вода кипеть при комнатной температуре?

Путем несложных подсчетов ученым удалось установить, что вода может закипеть при 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 - это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырь­ков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

В отличие от испарения, которое происходит при любой температуре жидкости, другой вид парообразования - кипение - возможен лишь при совершенно определенной (при данном давле­нии) температуре - температуре кипения.

При нагревании воды в открытом стеклянном сосуде можно увидеть, что по мере увеличения температуры стенки и дно сосуда покрываются мелкими пузырьками. Они образуются в результа­те расширения мельчайших пузырьков воздуха, которые существуют в углублениях и микротре­щинах не полностью смачиваемых стенок сосуда.

Пары жидкости, которые находятся внутри пузырьков, являются насыщенными. С ростом тем­пературы давление насыщенных паров возрастает, и пузырьки увеличиваются в размерах. С уве­личением объема пузырьков растет и действующая на них выталкивающая (архимедова) сила. Под действием этой силы наиболее крупные пузырьки отрываются от стенок сосуда и поднимаются вверх. Если верхние слои воды еще не успели нагреться до 100 °С, то в такой (более холодной) воде часть водяного пара внутри пузырьков конденсируется и уходит в воду; пузырьки при этом сокращаются в размерах, и сила тяжести заставляет их снова опускаться вниз. Здесь они опять увеличиваются и вновь начинают всплывать вверх. Попеременное увеличение и уменьшение пузырьков внутри во­ды сопровождается возникновением в ней характерных звуковых волн: закипающая вода шумит.

Когда вся вода прогреется до 100 °С, поднявшиеся вверх пузырьки уже не сокращаются в раз­мерах, а лопаются на поверхности воды, выбрасывая пар наружу. Возникает характерное булька­ние - вода кипит.

Кипение начинается после того, как давление насыщенного пара внутри пузырьков сравнива­ется с давлением в окружающей жидкости.

Во время кипения температура жидкости и пара над ней не меняется. Она сохраняется неиз­менной до тех пор, пока вся жидкость не выкипит. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия уходит на превращение ее в пар.

Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.

Температура кипения зависит от давления, оказываемого на свободную поверхность жидкос­ти. Это объясняется зависимостью давления насыщенного пара от температуры. Пузырек пара растет, пока давление насыщенного пара внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из внешнего давления и гидростатического давления столба жидкости.

Чем больше внешнее давление, тем больше температура кипения.

Всем известно, что вода кипит при температуре 100 °С. Но не следует забывать, что это спра­ведливо лишь при нормальном атмосферном давлении (примерно 101 кПа). При увеличении дав­ления температура кипения воды возрастает. Так, например, в кастрюлях-скороварках пищу ва­рят под давлением около 200 кПа. Температура кипения воды при этом достигает 120 °С. В воде такой температуры процесс варки происходит значительно быстрее, чем в обычном кипятке. Этим и объясняется название «скороварка».

И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Напри­мер, в горных районах (на высоте 3 км, где давление составляет 70 кПа) вода кипит при температуре 90°С. Поэтому жителям этих районов, использующим такой кипяток, требуется значительно больше времени для приготовления пищи, чем жителям равнин. А сварить в этом кипятке, например, кури­ное яйцо вообще невозможно, так как при температуре ниже 100 °С белок не сворачивается.

У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, т. к. при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному. Например, при температуре кипения 100 °С давление насыщенных паров воды равно 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а паров ртути - всего лишь 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипит ртуть при 357°С при нормальном давлении.

Жидкость испаряется с открытой поверхности при любой температуре, при этом испарение происходит на границе раздела жидкости и пара.

Жидкость кипит при определенной температуре, определяемой давлением в газовой фазе, при этом парообразование

происходит во всем объеме жидкости; при кипении бурлит вся толща среды.

Несмотря на внешние различия, молекулярный механизм фазовых превращений при спокойном испарении и бурном кипении один и тот же - в обоих случаях имеет место выход части молекул из объема жидкости в объем, занимаемый паром.

Для кипения жидкости необходимо два условия: 1) наличие в ней парогазовых пузырьков, 2) повышение температуры до определенного предела (температуры кипения) и сообщение жидкости при этой температуре теплоты. Если жидкость полностью лишена пузырьков (зародышей газовой фазы), то в такой идеализированной среде кипения быть не может. В самом деле, кипение - это испарение в объеме жидкости, а для того чтобы оно имело место, необходимы полости (пузырьки), где могли бы накапливаться пары. Кипение может происходить только в том случае, если в жидкости существуют пузырьки (обычно на стенках сосуда). Пузырьки сначала могут быть очень малыми и невидимыми для глаза, но они принципиально необходимы для кипения.

Пока не наступило кипение, система жидкость - пузырьки находится в механическом равновесии. Рассмотрим условия механического равновесия пузырьков, «сидящих» на стенках или дне сосуда. Их два: 1) пузырек не должен всплывать (равновесие по высоте), 2) пузырек не должен раздавливаться (равновесие по объему). Первое условие требует, чтобы архимедова сила действующая на пузырек плотность жидкости, V - объем пузырька), была меньше той предельной силы сцепления которая возможна между пузырьком и стенкой сосуда: или

где есть то значение объема, при котором пузырек отрывается и всплывает.

Пузырек не раздавливается в том случае, если давление на стенки пузырька снаружи будет уравновешено давлением изнутри. Давление на пузырек складывается из атмосферного гидростатического (рис. 8.15, а) и капиллярного давление изнутри есть результат давления насыщенного пара жидкости и давления воздуха Равновесие по объему определяется равенством

При увеличении температуры давление насыщенного пара в пузырьке увеличивается, что приводит к расширению пузырька и соответственно уменьшению давления воздуха в нем, при этом условия (81.1) и (81.2) будут выполняться до некоторой определенной температуры. Действительно, при некоторой температуре объем пузырька увеличится настолько, что нарушится равновесие по высоте и пузырек всплывет, оставляя после себя зародыш нового пузырька (рис. 8.15, б). При повторных отрывах пузырьков от одних и тех же мест воздуха в них практически не будет. При всплытии пузырьков и их радиус делается достаточно большим, чтобы можно было пренебречь капиллярным давлением. Условие (81.2) для кипящей жидкости определяется равенством

Таким образом, при кипении жидкости давление ее насыщенного пара равно внешнему давлению. Если жидкость кипит при постоянном внешнем давлении, то ее температура остается неизменной. Теплота, подводимая к жидкости в процессе кипения, полностью идет на парообразование.

Можно выполнить условие кипения (81.3), не только нагревая жидкость, но и понижая давление при постоянной температуре. Если выкачивать воздух из колбы с водой (такая демонстрация легко осуществима), то этим можно вызвать кипение. Очевидно, что температура кипящей жидкости будет понижаться и может стать ниже комнатной температуры.

Температуру кипения жидкости при нормальном давлении атм) называют нормальной точкой кипения. Более высокой температурой кипения обладают те жидкости, у которых выше критические температуры.

Кипение приводит к уменьшению числа пузырьков в объеме жидкости. Можно еще более понизить количество пузырьков длительным встряхиванием жидкости или ее обработкой давлением до 400 атм. В первом случае пузырьки отрываются от стенок и дна сосуда и всплывают на поверхность, во втором случае содержание пузырьков растворяется в жидкости (пузырьки раздавливаются). Обработанная таким способом жидкость способна значительно перегреваться по отношению к нормальной точке кипения. В частности, при атмосферном давлении удалось нагреть специально обработанную воду до 170° (при нормальной точке кипения 100°С), и вода при этом не кипела.

Выше было сказано, что наличие парогазовых пузырьков - необходимое условие кипения жидкостей. Это справедливо только вдали от критической точки, когда плотности жидкости и пара сильно различаются между собой. Но по мере повышения температуры и давления различие в плотностях жидкости и пара уменьшается, в жидкости вследствие теплового движения молекул усилятся так называемые флюктуации плотности - местные уплотнения и разрежения, возникающие и исчезающие в различных точках среды.

Флюктуации, связанные с понижением плотности, очевидно, и будут служить центрами образования пузырьков, заполненных паром.

Перегретая жидкость закипает очень бурно, часто со взрывом, при этом происходит быстрое охлаждение до нормальной при данном давлении температуры кипения. Перегрев жидкости в известной мере является опасным, особенно в котельных установках, поэтому принимают специальные меры для предотвращения перегрева: в жидкость помещают пористые тела, выделяющие при нагревании воздух (необожженный фарфор, капиллярные трубки и т. д).

Если оставить незакрытым сосуд с водой, то через некоторое время вода испарится. Если проделать тот же опыт с этиловым спиртом или бензином, то процесс происходит несколько быстрее. Если кастрюлю с водой нагревать на достаточно мощной горелке, то вода закипит.

Все эти явления являются частным случаем парообразования превращения жидкости в пар. Существует два вида парообразования испарение и кипение.

Что такое испарение

Испарением называют парообразование с поверхности жидкости. Объяснить испарение можно следующим образом.

При соударениях скорости молекул меняются. Часто находятся молекулы, скорость которых настолько велика, что они преодолевают притяжение соседних молекул и отрываются от поверхности жидкости. (Молекулярное строение вещества). Так как даже в небольшом объёме жидкости очень много молекул, такие случаи получаются довольно часто, и идёт постоянный процесс испарения.

Отделившиеся от поверхности жидкости молекулы образуют над ней пар. Некоторые из них вследствие хаотического движения возвращаются обратно в жидкость. Поэтому испарение происходит быстрее, если есть ветер, так как он уносит пар в сторону от жидкости (здесь также имеет место явление «захвата» и отрыва молекул с поверхности жидкости ветром).

Поэтому же в закрытом сосуде испарение быстро прекращается: количество «оторвавшихся» за единицу времени молекул становится равно количеству «вернувшихся» в жидкость.

Интенсивность испарения зависит от рода жидкости: чем меньше притяжение между молекулами жидкости, тем интенсивнее испарение.

Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше молекул имеют возможность покинуть её. Значит, интенсивность испарения зависит от площади поверхности жидкости.

При повышении температуры скорости молекул возрастают. Поэтому чем выше температура, тем интенсивнее испарение.

Что такое кипение

Кипение это интенсивное парообразование, которое происходит в результате нагревания жидкости, образования в ней пузырьков пара, всплывающих на поверхность и разрывающихся там.

Во время кипения температура жидкости остаётся постоянной.

Температура кипения это температура, при которой жидкость кипит. Обычно, говоря о температуре кипения данной жидкости, подразумевают температуру, при которой эта жидкость кипит при нормальном атмосферном давлении.

При парообразовании молекулы, которые отделились от жидкости, уносят из неё часть внутренней энергии. Поэтому при испарении жидкость охлаждается.

Удельная теплота парообразования

Физическую величину, характеризующую количество теплоты, которое требуется для испарения единичной массы вещества, называют удельной теплотой парообразования . (по ссылке более подробный разбор этой темы)

В системе СИ единица измерения этой величины Дж/кг. Её обозначают буквой L.

Давайте рассмотрим второй всем известный способ образования пара – кипение. Продемонстрируем это явление на опыте. Возьмем открытый стеклянный сосуд с водой и будем его нагревать, измеряя при этом его температуру. При повышении температуры воды, ее испарение усиливается, а в некоторых случаях можно увидеть даже туман. Во время охлаждения, водяной пар в воздухе конденсируется, образуя при этом маленькие капельки (сам пар невозможно увидеть).

Если и дальше увеличивать температуру мы сможем увидеть появление небольших пузырьков на воде. Их размеры будут постепенно увеличиваться. Мы видим растворенные пузырьки воздуха, содержащиеся в воде. Во время нагревания, излишки воздуха выделяются из воды в виде пузырьков. Они содержат насыщенный водяной пар, потому что вода испаряется внутрь этих пузырьков воздуха.

Чем дольше мы нагреваем воду, тем крупнее и многочисленнее становятся пузырьки. С их ростом (пузырьков) увеличивается и сила Архимеда, выталкивающая сила, а затем они всплывают наружу. Обычно мы слышим шум, который предшествует кипению. Во время определенной температуры объем пузырьков, которые приближаются к поверхности жидкости, резко возрастает. При выходе на поверхность они лопаются, и насыщенный в них пар выходит наружу – вода кипит.

Кипением называется интенсивный переход жидкости в пар, во время которого начинается образование пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре. Не стоит забывать, что у разных жидкостей разная температура кипения. В отличие от процесса испарения, который может происходить при любой температуре, кипение в состоянии происходить только при определенной температуре, которая постоянна для каждой жидкости. Таким образом, к примеру, при парке пищи необходимо уменьшать огонь после вскипания воды. Можно сэкономить топливо, в то же время оставив температуру воды постоянной.

Температуру, во время которой жидкость вскипает, называют температурой кипения.

При кипении температура жидкости остается постоянной. Когда давление увеличивается, повышается и температура кипения жидкости (и наоборот). Выяснено, что давление воздуха уменьшается с увеличением высоты над уровнем моря. Таким образом, температура кипения жидкости с увеличением высоты также уменьшается.

Некоторые вещества, которые при обычных условиях пребывают в газообразном состоянии, при достаточно низкой температуре превращаются в жидкости, вскипающие при очень низкой температуре. Возьмем, к примеру, жидкий кислород, который при атмосферном давлении кипит при температуре – 183° С. Вещества, которые мы можем видеть в обычных условиях в твердом состоянии, при плавлении превращаются в жидкость, вскипающую при очень высокой температуре. Возьмем, к примеру, медь, которая кипит при 2567° С, или железо – при 2750° С.

Возможен ли процесс кипения в холодной воде? Если создать определенные условия то да. Проведем опыт. Вскипятим воду и нальем ее в колбу, закрыв ее сверху крышкой. Приступим к ее охлаждению путем полива холодной водой из крана. Удивительно, но на протяжении всего того времени, что мы будем ее поливать, вода внутри колбы будет продолжать кипеть. Спустя некоторое время, колба остынет настолько, что ее будет можно держать голыми руками, но вода в ней все еще будет кипеть, если мы продолжим поливать ее холодной водой. Процесс кипения происходит за счет того, что в колбе практически нет воздуха – его вытеснил пар. Во время того, как мы поливаем колбу холодной водой, пар охлаждается и конденсируется. Таким образом, в колбе образуется вакуум, пространство, которое разряжено. Давление воды, а также то давление, которое над водой понижается. Создаются подходящие условия для кипения, (образования пузырей с паром внутри воды).

Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – .
Первый урок – бесплатно!

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.