Молекулярна фізика Кипіння рідини

Якщо рідину нагрівати, то за певної температури вона закипить. При кипінні в рідині утворюються бульбашки, які піднімаються нагору та лопаються. У бульбашках міститься повітря, в якому є водяна пара. Коли бульбашки лопаються, пара виривається, і, таким чином, рідина інтенсивно випаровується.

Різні речовини, що знаходяться в рідкому стані, киплять при своїй характерній для них температурі. Причому ця температура залежить від характеру речовини, а й від атмосферного тиску. Так вода при нормальному атмосферному тиску кипить при 100 ° C, а в горах, де тиск нижче, вода кипить при нижчій температурі.

Коли рідина закипає, то подальше підведення до неї енергії (тепла) не підвищує її температуру, а просто підтримує кипіння. Тобто енергія витрачається підтримку процесу кипіння, а чи не підняття температури речовини. Тому у фізиці вводиться таке поняття як питома теплота пароутворення(L). Вона дорівнює кількості тепла, необхідному для того, щоб повністю википів 1 кг рідини.

Зрозуміло, що у різних речовинсвоя питома теплота пароутворення. Так у води вона дорівнює 2,3 · 106 Дж/кг. У ефіру, що кипить при 35 °C, L = 0,4 · 10 6 Дж/кг. У ртуті, що кипить при 357 °C, L = 0,3 · 10 6 Дж/кг.

У чому полягає процес кипіння? Коли вода нагрівається, але ще не досягнуто температури її кипіння, в ній починають утворюватися маленькі бульбашки. Зазвичай вони утворюються на дні ємності, оскільки зазвичай нагрівають під дном, і температура вище.

Бульбашки легше води, що оточує їх, і тому починають підніматися у верхні шари. Однак тут температура ще нижча, ніж біля дна. Тому пара конденсується, бульбашки стають меншими і важчими, знову опускаються вниз. Так відбувається доти, доки вся вода не прогріється до температури кипіння. У цей час чути шум, що передує кипінню.

Коли досягнуто температури кипіння, бульбашки вже не опускаються вниз, а спливають на поверхню і лопаються. З них виривається пара. В цей час чути вже не шум, а булькання рідини, яке говорить про те, що вона закипіла.

Таким чином, при кипінні, як і при випаровуванні, відбувається перехід рідини в пару. Однак, на відміну від випаровування, яке відбувається тільки на поверхні рідини, кипіння супроводжується утворенням бульбашок, що містять пару по всьому об'єму. Також на відміну від випаровування, яке відбувається за будь-якої температури, кипіння можливе лише за певної, характерної для даної рідини температури.

Чому чим вищий атмосферний тиск, тим температура кипіння рідини більша? Повітря тисне на воду, і, отже, створюється тиск усередині води. Коли утворюються бульбашки, у них пара також тисне, причому сильніше ніж зовнішній тиск. Чим більший тиск ззовні на бульбашки, тим сильнішим у них має бути внутрішній тиск. Тому вони утворюються при більш високій температурі. А значить, і вода кипить за більш високої температури.

Наш світ живе за законами, які легко можна пояснити завдяки законам хімії та фізики. Про те, який саме процес стався з якимось тілом чи речовиною, можна судити з характеру змін. А за якими ознаками можна дізнатися, чи кипіння води - це фізичне чи хімічне явище?

Характеристики явищ

Основною ознакою всіх фізичних явищ вважається незмінність складу тіл. Простіше кажучи, всі речовини, які брали участь у процесі, після закінчення зберігають свій початковий склад. Змінюватися може форма речовини або її агрегатний стан. Наприклад, склад води залишається одним і тим же, чи вона в твердому, рідкому або пароподібному стані. При зниженні температури вода може перетворитися на лід, а при підвищенні знову перейти в рідкий стан.

Під час хімічних реакційвідбувається перетворення одних речовин на інші, і при цьому набуваються нових властивостей.

Наприклад, при спалюванні паперу, крім золи, утворюється деяка кількість вологи та вуглекислого газу. Причому одержати папір назад вже неможливо. Також сюди належить іржавіння заліза. Його реакція з киснем, що входить до складу повітря, веде до утворення оксиду заліза, який має інші властивості, ніж первісний метал.

На відміну від фізичних явищ, хімічні протікають із зміною кольору, запаху, температури, виділенням різних газів. Кожна речовина має свій склад і має якісь особливі властивості. Одне з головних завдань хімії – вивчення будови тіл, а також особливості їх перетворення під час реакцій. Дуже часто хімічні реакції здійснюються одночасно із фізичними. Тому фізичні властивостітіл залежать і від хімічних реакцій, які у них.

Що таке випаровування

Процес пароутворення прийнято називати випаровуванням. Пояснюється воно в такий спосіб. При ударах молекул одна одну їх швидкість змінюється. Часто вона збільшується настільки, що перевищує тяжіння прилеглих молекул. Це дозволяє молекулі, яка пересувається з великою швидкістю відриватися від поверхні. Слід сказати, що процес пароутворення є незмінним, незалежно від температури повітря.

Молекули, що відірвалися від поверхні, якийсь час знаходяться над нею у вигляді пари. Завдяки хаотичному руху певна кількість може повернутися знову у воду. Тому на швидкість випаровування впливає вітер, який своєю силою переносить пару убік. У закритій ємності пароутворення моментально припиняється, оскільки молекули, що відірвалися, через певний час знову потрапляють у воду.

Оскільки це явище не впливає на зміну складу, можна висловити сумнів щодо поширеної думки, що випаровування води – це хімічний процес. Швидкість пароутворення залежить також від наступних факторів:

1. Якщо тяжіння молекул у рідині знижується, то інтенсивність пароутворення зростає.
2. Зі збільшенням площі поверхні, яку займає рідина, збільшується і швидкість випаровування.
3. Підвищена температура істотно впливає на швидкість руху молекул, а, отже, і на інтенсивність пароутворення.

Що таке кипіння

Дуже цікаво відбувається також кипіння води. Яке це явище? Його суть полягає в інтенсивному пароутворенні, що відбувається під час підвищення температури рідини, появі в ній пари у вигляді бульбашок, які, спливаючи на поверхню, розриваються. При кипінні температура води не змінюється і цей градус називають температурою кипіння.

Кипіння- це інтенсивний перехід рідини в пару, що відбувається з утворенням бульбашок пари по всьому об'єму рідини за певної температури.

Під час кипіння температура рідини та пари над нею не змінюється. Вона зберігається незмінною до того часу, поки вся рідина не википить. Це відбувається тому, що вся енергія, що підводиться до рідини, йде на перетворення її в пару.

Температура, за якої кипить рідина, називається температурою кипіння.

Температура кипіння залежить від тиску, що чиниться на вільну поверхню рідини. Це пояснюється залежністю тиску насиченої пари від температури. Пухирець пари зростає, поки тиск насиченої пари всередині нього трохи перевершує тиск у рідині, який складається із зовнішнього тиску та гідростатичного тиску стовпа рідини.

Чим більший зовнішній тиск, тим більше температура кипіння.

Всім відомо, що вода кипить за температури 100 ºC. Але не слід забувати, що це справедливо лише за нормального атмосферного тиску (приблизно 101 кПа). При збільшенні тиску температура кипіння води зростає. Так, наприклад, у каструлях-скороварках їжу варять під тиском близько 200 кПа. Температура кипіння води досягає при цьому 120°С. У воді такої температури процес варіння відбувається значно швидше, ніж у звичайному окропі. Цим пояснюється назва «скороварка».

І навпаки, зменшуючи зовнішній тиск, ми тим самим знижуємо температуру кипіння. Наприклад, у гірських районах (на висоті 3 км, де тиск становить 70 кПа) вода кипить при температурі 90 °С. Тому мешканцям цих районів, які використовують такий окріп, потрібно значно більше часу для приготування їжі, ніж мешканцям рівнин. А зварити в цьому окропі, наприклад, куряче яйце взагалі неможливо, так як при температурі нижче 100 ° С білок не згортається.

Кожна рідина має свою температуру кипіння, яка залежить від тиску насиченої пари. Чим вищий тиск насиченої пари, тим нижча температура кипіння відповідної рідини, тому що при менших температурах тиск насиченої пари стає рівним атмосферному. Наприклад, при температурі кипіння 100 °С тиск насиченої пари води дорівнює 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а парів - всього лише 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипить ртуть при 357 ° С при нормальному тиску.

Теплота пароутворення.

Теплота пароутворення (теплота випаровування)- кількість теплоти, яку необхідно повідомити речовині (при постійному тиску та постійній температурі) для повного перетворення рідкої речовини на пару.

Кількість теплоти, необхідне для пароутворення (або що виділяється при конденсації). Щоб обчислити кількість теплоти Q, необхідне для перетворення на пару рідини будь-якої маси, взятої при температурі кипіння, потрібно питому теплоту пароутворення rрозум-ножити на масу m:

При конденсації пари відбувається виділення такої кількості теплоти.

Сторінка 1

Кипіння рідини відбувається при однаковій температурі всієї рідини, коли тиск пари, що насичує, дорівнює зовнішньому тиску.  

Кипіння рідини настає тоді, коли пружність її парів, що насичують простір, дорівнюватиме зовнішньому тиску.  

Кипіння рідини на поверхні нагріву спостерігається в тому випадку, коли температура поверхні tc вище температури насичення tH при даному тиску. Розрізняють пухирчастий та плівковий режими кипіння.  

Кипіння рідини при кімнатній температуріі знижений тиск також використовується в техніці. Зокрема, в СРСР винайдено пральна машина, що працює на цьому принципі  

Кипіння рідини має протікати спокійно. Йодид олова, що утворюється, полегшує кипіння.  

Кипіння рідини, яке є окремим випадком випаровування, спостерігається іритою температурою, при якій тиск насичених парів стає рівним зовнішньому тиску. Температура кипіння рідини за нормального тиску називається точкою кипіння рідини. Щоб рідина продовжувала кипіти, необхідно постійно її підігрівати. Ця витрата тепла не підвищує енергії руху молекул, тому не виявляється термометром. Кількість теплоти, яку необхідно витратити, щоб 1 г або 1 кг рідини при температурі її кипіння перевести в пар тієї ж температури, називається питомою теплотою пароутворення.  

Кипіння рідини і конденсація пари є прикладами фазових переходів першого роду. Характерна рисавсіх фазових переходів першого роду у тому, що у цих процесах одночасно постійні тиск і температура, зате змінюється співвідношення між масами двох фаз. Другою особливістю цих процесів є те, що для їх здійснення необхідно підводити до системи або відводити від неї деяку кількість теплоти, яка називається теплотою фазового переходу.  

Кипіння рідини відбувається тоді, коли тиск її парів дорівнює зовнішньому тиску.  

Кипіння рідини починається, коли пружність її парів стає рівною зовнішньому тиску. Якщо цей тиск знизити, то відповідно знизиться і пружність парів, потрібна для кипіння, а нижча пружність парів досягається при нижчій температурі нагріву.  

Кипіння рідини відбувається за рівності тиску її насиченої пари тиску середовища. У даному випадкуце тиск в апараті, де знаходиться рідина.  

Кипіння рідини найчастіше характеризується нерегулярним вибуховим рухом. Як це виходить відповідно до сказаного вище.  

Кипіння рідин призводить до порушення суцільності середовища, тому значення параметрів, при яких воно настає, визначають межу застосування всіх висновків, заснованих на гіпотезі суцільності.  

Кипіння рідин також пов'язане з поверхневими явищами: при кипінні відбувається випаровування рідини всередину повітряних бульбашок, які є як обсягом самої рідини, так і на кордоні зі стінками судини. Розглянемо механізм кипіння; на рис. 2.47 показано різні стадіїрозвитку повітряних пухирців, що прикріпилися до стінки судини. У міру випаровування рідини всередину цих бульбашок тиск пари в них підвищується, гідростатичний тискдолаються, і бульбашка починає рости вгору. При цьому поверхневі сили, деформуючи бульбашку, відокремлюють від нього деяку частину, яка архімедовою силою піднімається вгору і звільняє пар на поверхні рідини, що міститься в ній. Решта бульбашки продовжує грати роль резервуара для накопичення пари і генератора нових бульбашок пари.  

Кипіння рідини відбувається за постійної температури, яка залежить від тиску. При кипінні утворюються бульбашки пари, які з'являються на поверхні нагріву. Перевищення середньої температури рідини над температурою пари становить Д/(0 2 - 2) С. Температура поверхні tf, що омивається киплячою рідиною, може перевищувати середню температуруокропу на кілька десятків градусів.  

Кипіння – процес зміни агрегатного стану речовини. Коли ми говоримо про воду, то маємо на увазі зміну рідкого стануу пароподібне. кипіння - це не випаровування, яке може протікати навіть при кімнатній температурі. Також не варто плутати із кип'ятінням, що є процесом нагрівання води до певної температури. Тепер, коли ми розібралися з поняттями, можна визначити, за якої температури кипить вода.

Процес

Сам процес перетворення агрегатного стану з рідкого на газоподібний є складним. І хоча люди цього не бачать, існує 4 стадії:

1. На першій стадії на дні ємності, що нагрівається, утворюються невеликі бульбашки. Також їх можна помітити з боків чи поверхні води. Вони утворюються через розширення повітряних бульбашок, які завжди є у тріщинах ємності, де нагрівається вода.
2. На другій стадії обсяг бульбашок збільшується. Всі вони починають рватися до поверхні, тому що всередині них знаходиться насичена пара, яка легша за воду. При підвищенні температури нагрівання тиск бульбашок зростає і вони виштовхуються на поверхню завдяки відомій силі Архімеда. При цьому можна чути характерний звук кипіння, який утворюється через постійне розширення та зменшення у розмірі бульбашок.
3. На третій стадії на поверхні можна бачити велика кількістьбульбашок. Це спочатку створює помутніння води. Цей процес у народі називають " кипінням білим ключем " , і він триває короткий проміжок часу.
4. На четвертій стадії вода інтенсивно вирує, на поверхні виникають великі бульбашки, що лопаються, можлива поява бризок. Найчастіше бризки означають, що рідина нагрілася до максимальної температури. З води почне виходити пара.

Відомо, що вода кипить за температури 100 градусів, яка можлива лише на четвертій стадії.

Температура пари

Пара є одним із станів води. Коли він надходить у повітря, то, як і інші гази, чинить на нього певний тиск. При пароутворенні температура пари та води залишаються постійними доти, доки вся рідина не змінить свій агрегатний стан. Це можна пояснити тим, що з кипінні вся енергія витрачається перетворення води в пар.

На самому початку закипання утворюється волога насичена пара, яка після випаровування всієї рідини стає сухою. Якщо його температура починає перевищувати температуру води, то така пара є перегрітою, і за своїми характеристиками вона буде ближчою до газу.

Кипіння солоної води

Досить цікаво знати, за якої температура кипить вода з підвищеним змістомсолі. Відомо, що вона повинна бути вищою через вміст у складі іонів Na+ та Cl-, які між молекулами води займають область. Цим хімічний склад води із сіллю відрізняється від звичайної прісної рідини.

Річ у тім, що у солоній воді має місце реакція гідратації – процес приєднання молекул води до іонів солі. Зв'язок між молекулами прісної води слабший за ті, які утворюються при гідратації, тому закипання рідини з розчиненою сіллю відбуватиметься довше. У міру зростання температури молекули у воді із вмістом солі рухаються швидше, але їх стає менше, через що зіткнення між ними здійснюються рідше. В результаті пари утворюється менше, і її тиск через це нижче, ніж напір пари прісної води. Отже, для повноцінного пароутворення потрібно більше енергії (температури). В середньому для закипання одного літра води з вмістом 60 г солі необхідно підняти градус кипіння води на 10% (тобто на 10 С).

Залежність кипіння від тиску

Відомо, що у горах незалежно від хімічного складуводи температура кипіння буде нижчою. Це відбувається через те, що атмосферний тиск на висоті нижчий. Нормальним прийнято вважати тиск із значенням 101.325 кПа. При ньому температура закипання води становить 100 градусів за Цельсієм. Але якщо піднятися на гору, де тиск становить у середньому 40 кПа, то там вода закипить за 75.88 С. Але це не означає, що для приготування їжі в горах доведеться витратити майже вдвічі менше часу. Для термічної обробки продуктів потрібна певна температура.

Вважається, що у висоті 500 метрів над рівнем моря вода закипатиме при 98.3 З, але в висоті 3000 метрів температура закипання становитиме 90 З.

Зазначимо, що цей закон діє і у зворотному напрямку. Якщо помістити рідину в замкнуту колбу, через яку не може проходити пара, то зі зростанням температури та утворенням пари тиск у цій колбі буде зростати, і закипання при підвищеному тискустанеться за вищої температури. Наприклад, при тиску 490.3 кПа температура кипіння води становитиме 151°С.

Кипіння дистильованої води

Дистильованою називається очищена вода без вмісту будь-яких домішок. Її часто застосовують у медичних чи технічних цілях. З огляду на те, що у такій воді немає жодних домішок, її не використовують для приготування їжі. Цікаво помітити, що закипає дистильована вода швидше за звичайну прісну, проте температура кипіння залишається такою ж - 100 градусів. Втім, різниця в часі закипання буде мінімальною - лише частки секунди.

У чайнику

Часто люди цікавляться, за якої температури кипить вода в чайнику, оскільки саме цими приладами вони користуються для кип'ятіння рідини. З урахуванням того, що атмосферний тиск у квартирі дорівнює стандартному, а вода, що використовується, не містить солей та інших домішок, яких там не повинно бути, то й температура закипання також буде стандартною - 100 градусів. Але якщо вода міститиме сіль, то температура закипання, як ми вже знаємо, буде вищою.

Висновок

Тепер ви знаєте, за якої температури кипить вода, і як атмосферний тиск і склад рідини впливають на даний процес. У цьому немає нічого складного, і таку інформацію діти отримують ще у школі. Головне – запам'ятати, що зі зниженням тиску знижується і температура кипіння рідини, а з його зростанням збільшується і вона.

В інтернеті можна знайти багато різних таблиць, де вказується залежність температури кипіння рідини від атмосферного тиску. Вони доступні всім і активно використовуються школярами, студентами та навіть викладачами в інститутах.