Кипение, свойства паров, критическое состояние вещества - формулы и определения с примерами решения задач

Переохлажденный пар и перегретая жидкость

При переходе температуры кипения пар должен конденсироваться, превращаться в жидкость. Однако,; оказывается, если пар не соприкасается с жидкостью и если пар очень чистый, то удается получить переохлажденный или «пересыщенный пар — пар, которому давно следовало бы уже стать жидкостью.

Пересыщенный пар очень неустойчив. Иногда достаточно толчка или брошенной в пространстве пара крупинки, чтобы запоздавшая конденсация началась.

Опыт показывает, что сгущение молекул пара резко облегчается внесением в пар мелких инородных частиц. В пыльном воздухе пересыщение водяного пара не происходит. Можно вызвать конденсацию клубами дыма. Ведь дым состоит из мелких твердых частичек. Попадая в пар, эти частички собирают около себя молекулы, становятся центрами конденсации.

Итак, хотя и неустойчиво, пар может существовать в области температур, приспособленной для «жизни» жидкости.

А может ли жидкость на тех же условиях «жить» в области пара? Иначе говоря, можно ли перегреть жидкость?

Оказывается, можно. Для этого нужно добиться, чтобы молекулы жидкости не отрывались от ее поверхности. Радикальное средство — ликвидировать свободную поверхность, т. е. поместить жидкость в такой сосуд, где она была бы сжата со всех сторон твердыми стенками. Таким способом удается достигнуть перегрева порядка нескольких градусов, т. е. увести точку, изображающую состояние жидкостей, вправо от кривой кипения (рис. 4.4).

Перегрев — это сдвиг жидкости в область пара, поэтому перегрева жидкости можно добиться как подводом тепла так и уменьшением давления.

Последним способом можно добиться удивительного результата. Вода или другая жидкость, тщательно, освобожденная от растворенных газов (это нелегко сделать), помещается в сосуд с поршнем, доходящим до поверхности жидкости. Сосуд и поршень должны смачиваться жидкостью. Если теперь тянуть поршень на себя, то вода, сцепленная с дном поршня, последует за ним. Но слой воды, уцепившийся за поршень, потянет за собой следующий слой воды, этот слой потянет нижележащий, в результате жидкость растянется.

В конце концов столб воды разорвется (именно столб воды, а не вода оторвется от поршня), но произойдет это тогда, когда сила на единицу площади дойдет до десятков килограммов. Другими словами, в жидкости создается отрицательное давление в десятки атмосфер.

Уже при малых положительных давлениях устойчивым является парообразное состояние вещества. А жидкость можно довести до отрицательного давления. Более яркого примера «перегрева» не придумаешь.

Еще термины по предмету «Теплоэнергетика и теплотехника»

Ядерная энергетика

раздел энергетики, связанный с использованием ядерной энергии для производства тепла и электрической энергии.

Перегрев
Перегрев ГТД
Перегрев экономики
Понятие «Перегрев» экономики
Промежуточный перегрев пара
Жидкость
Бордосская жидкость
Барометрическая жидкость
Разделительная жидкость
Культуральная жидкость
Амниотическая жидкость
Амортизаторная жидкость
Антиобледенительная жидкость
Гидравлическая жидкость
Специальные жидкости
Тормозная жидкость
Эксплуатационные жидкости
Охлаждающая жидкость
Охлаждениe в жидкости
Полировальная жидкость

Явление кипения жидкости

Определение 1

Кипением называют процедуру активного образования пара во всем объеме жидкости.

Для получения процесса кипения жидкость должна иметь относительно высокую температуру.

В процессе кипения важную роль играют пузырьки газа, которые имеются в жидкости. Ведут себя эти пузырьки следующим образом:

Они возникают на границе жидкости и твердого тела. Внутри пузырьков находится насыщенный пар жидкого вещества.
С ростом температуры жидкости давление газа в пузырьке повышается, при этом происходит увеличение объема пузырька.
В соответствии с законом Архимеда выталкивающая сила, действующая на пузырек, увеличивается при увеличении его объема.
Создаются условия, при которых сила Архимеда становится равной, а затем и больше, чем сила сцепления пузырька и твердой стенки. В таком случае пузырек будет отрываться от твердой поверхности, всплывать и лопаться. При лопании пузырька происходит выброс пара.

Кипение – это фазовый переход первого рода.

Явление возникновения пузырьков можно корректировать, используя:

изменение давления;
воздействуя на жидкость при помощи волн звука;
ионизацией и др.

Использование кипячения как метода

Как метод дезинфекции воды, кипячение ее при 100° C (212° F), является самым старым и наиболее эффективным способом, поскольку оно не влияет на вкус, эффективно, несмотря на наличие загрязнений или частиц, присутствующих в нем, и представляет собой одноступенчатый процесс, который устраняет большинство микробов. Рекомендуется только в качестве метода экстренной помощи или для получения питьевой воды в пустыне или в сельской местности, поскольку кипячение не может удалить химические токсины или примеси.

Кипячение также часто используется для удаления излишней соли из определенных продуктов, таких как бекон.

Перегретая жидкость

Перегретая жидкость, как известно, отличается тем, что давление ее паров превышает атмосферное. В химической технологии приходится иметь дело с огромными массами как нейтральных, так и горючих перегретых жидкостей; к ним относятся сжиженные углеводородные газы, хлор, аммиак, фреоны, находящиеся в технологических системах при температуре окружающей среды и давлении, превышающем атмосферное. Перегретыми могут быть жидкости, имеющие температуру кипения выше температуры окружающей среды при высоких температурах и давлениях, превышающих атмосферные, например вода в паровых котлах. Уровень перегрева жидкости обычно характеризуется разностью между температурой, при которой жидкость находится в технологической системе, и температурой ее кипения при атмосферном давлении. Если происходит внезапное разрушение сосуда ( системы) с перегретой жидкостью, она быстро испаряется с образованием паров в окружающей среде и формированием ударных волн. При расчетах взрывов систем с перегретыми жидкостями используют их термодинамические параметры.

Перегретая жидкость является, по-видимому, лучшим объектом для проверки теории гомогенной нуклеа-ции. Это обусловлено несколькими обстоятельствами, о которых речь пойдет ниже.

Перегретая жидкость и пересыщенный пар представляют собой состояния с ограниченной устойчивостью, которые называются также метастабильными состояниями. Равновесие в таких системах легко нарушается и они бурно переходят в устойчивое для данной температуры состояние.

Области перегретой жид — жидкой. пленки вообще не сопряжено с за.

Перегретая жидкость может быть получена быстрым уменьшением ( сбросом) давления жидкости. Интересно отметить, что в перегретой жидкости ВОЗМОЖБЫ.

Метастабилъные состояния жидкой и газообразно фаз.

Перегретая жидкость может быть получена быстрым уменьшением ( сбросом) давления жидкости. Пересыщенный пар образуется при быстром адиабатическом расширении насыщенного пара. Следует отметить, что в перегретой жидкости возможны состояния с отрицательными давлениями.

Почему перегретая жидкость и пересыщенный пар являются метастабильными состояниями. При адиабатическом расширении газа в вакуум его внутренняя энергия не меняется. Как изменится температура, если газ идеальный.

Когда перегретая жидкость все же, в конце концов, закипает, то кипение происходит очень бурно, напоминая взрыв. При этом жидкость быстро охлаждается до нормальной при данном давлении температуры кипения.

Почему перегретая жидкость и пересыщенный пар являются метастабильными состояниями.

Некоторые аналитические характеристики, рассчитанные по первому периоду пульсаций плазменной каверны.

Взрывы перегретых жидкостей, паров или сжиженных газов относятся к мягким.

Стадии кипячения воды

Выделяется три стадии:

Первоначальное кипение. Кинетирование жидкости характеризуется ростом количества пузырьков на нагретой поверхности, поднимающихся из дискретных точек, температура которых лишь немного выше жидкостной. Неправильная поверхность емкости может создавать дополнительные места зарождения пузырьков, в то время как исключительно гладкая поверхность, такая как пластик, поддается перегреву. В этих условиях нагретая вода может показывать задержку кипения и температура несколько превышает температуру кипения без образования пузырьков.
Критический тепловой поток. Когда температура поднимается выше критической, на поверхности образуется пар. Поскольку эта паровая пленка гораздо менее способна переносить тепло от поверхности, температура быстро возрастает, жидкость переходит в режим кипения. Точка, в которой это происходит, зависит от характеристик кипящей воды и рассматриваемой поверхности нагрева.
Переходное состояние. Переходное состояние можно определить как нестабильное кипение, которое происходит на поверхности. Образование пузырьков в нагретой воде представляет собой сложный физический процесс, который часто включает кавитационные и акустические эффекты, такие как шипение широкого спектра, слышимое в чайнике или другой емкости, еще не нагретой до того момента, когда появятся пузырьки.

Если поверхностное нагревание жидкости значительно сильнее, чем внутри нее, тогда тонкий слой пара, который имеет низкую теплопроводность, изолирует поверхность. Это состояние паровой пленки, изолирующей поверхность от жидкости, характеризует кипение пленки.

Хроматография

Обратно-фазовая ВЭЖХ часто использует смеси метанол-вода в качестве подвижной фазы. Поскольку полярность воды находится в том же диапазоне от 25 до 205 ° C, можно использовать температурный градиент для осуществления аналогичного разделения, например, фенолов. Использование воды позволяет использовать пламенно-ионизационный детектор (FID), который дает чувствительный к массе выходной сигнал почти для всех органических соединений. Максимальная температура ограничена той, при которой стационарная фаза устойчива. Связанные C18 фазы, которые являются обычными для ВЭЖХ, кажутся стабильными при температурах до 200 ° C, что намного выше, чем у чистого кремнезема, а полимерные стирол- дивинилбензольные фазы обладают аналогичной температурной стабильностью. Вода также совместима с использованием ультрафиолетового детектора до длины волны 190 нм.

Точка кипения

Определение 2

Температура, при которой начинается процесс кипения вещества, называют точкой кипения.

Если давление увеличивать, то температура кипения растет и наоборот. Воду в плотно закрытом сосуде можно нагреть до температуры, которая будет значительно превосходить $100^0$C, не имея процесса кипения.

С другой стороны, поместив воду в герметично закрытый сосуд и откачав из него воздух, можно получить процесс кипения жидкости без ее нагревания, то есть при комнатной температуре.

Так, кипение на разных уровнях жидкости может идти при разных температурах, то есть не существует строго определенной температуры кипения. Температура определена для насыщенного пара над открытой поверхностью жидкости при кипении. Эта температура не связана с тем, как идет процесс кипения на разной глубине. Данная температура определена исключительно внешним давлением.

Замечание 1

Когда говорят о температуре кипения, имеют в виде температуру насыщенного пара над поверхностью жидкости в состоянии кипения.

Сублимация

Испарение происходит и в твёрдых телах. Мы видим, как постепенно высыхает на морозе замёрзшее, покрытое льдом бельё. Лёд превращается в пар. Мы ощущаем резкий запах, образующийся при испарении твёрдого вещества нафталина.

Некоторые вещества вообще не имеют жидкой фазы. К примеру, элементарный иод
I

— простое вещество, представляющее собой кристаллы чёрно-серого цвета с фиолетовым металлическим блеском, при нормальных условиях сразу же превращается в газообразный иод — фиолетовые пары с резким запахом. Тот жидкий йод, который мы покупаем в аптеках, — это не жидкое его состояние, а раствор йода в спирте.

Процесс перехода твёрдых тел в газообразное состояние, минуя жидкую стадию, называют сублимацией,

или возгонкой

.

Температура кипения и температура перегонки

Процесс превращения жидкости в пар и обратного превращения паров в жидкое состояние при конденсации называется дистилляцией. Постоянная температура, при которой жидкость превращается в пар и обратно в жидкость, называется температурой перегонки.

Это метод, используемый для отделения жидкости от смеси или для удаления примесей из жидкости. Поскольку тепловой энергии, полученной жидкостью, достаточно, температура жидкости достигает точки кипения. В дальнейшем пар образуется в виде паров, которые испаряются вертикально вверх. Этот испарившийся пар собирается в контейнере, в котором поддерживается определенное давление, так что эти пары конденсируются и переходят в жидкое состояние.

Пар превращается обратно в жидкую форму при той же температуре;Изображение Фото: Pixabay

Вы, должно быть, заметили, что пар собирается на крышке сковороды во время приготовления карри. Вода, добавленная в карри, выпускается в виде пара после температура достигает точки кипения воды. Пар, собранный на крышке, затем возвращается обратно в основной контейнер, снова конденсируя пар в воду. Этот процесс продолжается до тех пор, пока температура карри не станет достаточно высокой, чтобы передать тепловую энергию молекулам воды, чтобы покинуть карри.

Подробнее о Как тепло передается излучением: исчерпывающее объяснение.

Добыча

Экстракция с использованием перегретой воды имеет тенденцию быть быстрой, поскольку скорость диффузии увеличивается с температурой. Органические материалы имеют тенденцию увеличиваться в растворимости с температурой, но не все с одинаковой скоростью. Например, при экстракции эфирных масел из розмарина и кориандра более ценные кислородсодержащие терпены извлекались намного быстрее, чем углеводороды. Следовательно, экстракция перегретой водой может быть как селективной, так и быстрой, и использовалась для фракционирования частиц дизельного топлива и древесного дыма. Перегретая вода коммерчески используется для извлечения крахмала из корня мальвы болотной в целях ухода за кожей и для удаления низких уровней металлов из термостойкого полимера.

В аналитических целях перегретая вода может заменить органические растворители во многих областях, например, для экстракции ПАУ из почв, а также может использоваться в больших масштабах для восстановления загрязненных почв либо путем экстракции, либо путем экстракции, связанной с сверхкритическим или влажным окислением.

Метастабильные состояния. Перегретая жидкость и переохлаждённый пар. Кипение. Роль зародышей в образовании новой фазы

Так как давление под искривлённой поверхностью отличается от давления снаружи, становится понятно, почему можно, например, перегреть жидкость, даже есть в ней есть маленькие пузырьки. Если радиус достаточно мал, то давление насыщенного пара в этом пузырьке будет меньше, чем адвление над ровной поверхностью, и пузырьки будут сжаты гидростатическим давлением и исчезнут.

Также дело обстоит с пересыщенным паром. Это тоже метастабильное состояние вещества. Давление этого пара больше насыщенного для данной температуры. Допустим, в таком паре образовались маленькие капельки жидкости. Но давление пара, находящегося в равновесии с каплей тем больше, чем меньше её радиус. Поэтому капли с радиусом меньше определённого испарятся обратно.

Конденсации способствует наличие пыли и других мелких частиц. Капля, образовавшаяся вокруг пылинки, не будет круглой, и на ней могут быть участки с небольшой кривизной. Такии капли будут эффективными центрами конденсации.

Ещё более эффективными центрами конденсации будут заряженные частицы. На поверхностные заряды действуют силы, направленные наружу шара. Она направлены противоположна силам Лапласа и такое влияние эквивалентно уменьшению поверхностного натяжения. Для такой капли давленые насыщенного пара будет меньше и она станет центром конденсации.

Перенасыщенный пар и перегретая жидкость используются для фиксации треков заряженных частиц. Это камера Вильсона и пузырьковая камера. В паре заряженная частица становится центром конденсации. А в пузырьковой камере частица, проходя сквозь воду, теряет энергию, энергия переходит в тепло и вода испаряется.

Ещё одно метастабильное состояние — переохлаждённая жидкость. Например, воду можно охладить до -10 градусов, если она чистая и в ней нет посторонних вкраплений, которые становятся центрами кристаллизации.

Примером роли зародышей в образовании новой фазы может быть такой пример. Существуют две модификации олова: обычное, белое, и серое, или порошкообразное. Выше 18 С при атмосферном давлении устойчиво белое олово, ниже — серое. При сильном морозе скорость образования зародышей серого олова ничтожна, но при потеплении иногда происходят эпидемии оловянной чумы. Например, достаточно известен печальный случай, когда в Петербурге на складе военного обмундирования рассыпался в порожок большой запас оловянных пуговиц. «Заболевшие» пуговицы «заражали» своих соседей, и за несколько дней всё олово рассыпалось в порошок.

Как будет меняться температура кипения воды: 4 фактора

Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.

Стоит отметить, что она всегда остается неизменной. Поэтому, если увеличить огонь под кипящей кастрюлей с водой, выкипать будет быстрее, но температура при этом не увеличится, так как средняя кинетическая энергия молекул остаётся неизменной.

Рассмотрим 4 фактора, которые влияют на изменение t°:

Пониженное атмосферное давление (наблюдается в горной местности) – t° уменьшается.
Повышенное атмосферное давление (наблюдается в шахте) – t° наоборот увеличивается.
Применения герметической крышки, вакуума. За счёт герметической крышки или посуды пар не выходит градус кипения увеличивается. При использовании вакуума температура зависит от давления, которое создано внутри его.
Свойства воды. Соленая вода начинает кипеть при более высокой температуре, чем пресная.

Рассмотрим более подробно каждый из факторов.

Влияние атмосферного давления

Согласно исследованиям и уравнению Клапейрона — Клаузиуса, градус кипения напрямую зависит от атмосферного давления. С его ростом температура кипения увеличивается, а с уменьшением, наоборот, становится все ниже и ниже.

Атмосферное давление — это давление атмосферы, действующее на все находящиеся на ней предметы и земную поверхность. Оно может меняться в зависимости от места и времени и измеряется барометром.

Таблица № 1. «Температура кипения воды от давления».

Р, кПа	t, °C	Р, кПа	t, °C	Р, кПа	t, °C
5,0	32,88	91,5	97,17	101,325	100,00
10,0	45,82	92,0	97,32	101,5	100,05
15,0	53,98	92,5	97,47	102,0	100,19
20,0	60,07	93,0	97,62	102,5	100,32
25,0	64,98	93,5	97,76	103,0	100,46
30,0	69,11	94,0	97,91	103,5	100,60
35,0	72,70	94,5	98,06	104,0	100,73
40,0	75,88	95,0	98,21	104,5	100,87
45,0	78,74	95,5	98,35	105,0	101,00
50,0	81,34	96,0	98,50	105,5	101,14
55,0	83,73	96,5	98,64	106,0	101,27
60,0	85,95	97,0	98,78	106,5	101,40
65,0	88,02	97,5	98,93	107,0	101,54
70,0	89,96	98,0	99,07	107,5	101,67
75,0	91,78	98,5	99,21	108,0	101,80
80,0	93,51	99,0	99,35	108,5	101,93
85,0	95, 15	99,5	99,49	109,0	102,06
90,0	96,71	100,0	99,63	109,5	102,19
90,5	96,87	100,5	99,77	110,0	102,32
91,0	97, 02	101,0	99,91	115,0	103,59

Единицы измерения давления в таблице: кПа.

Нормальное атмосферное давление составляет 765 мм. РТ. Ст. = 101,325 Р, кПа

Температура кипения в горах

При подъеме над поверхностью Земли (в горах), температура кипения воды падает, так как снижается атмосферное давление (на каждые 10, 5 м на 1 мм РТ. С). Пузырькам легче всплывать – процесс происходит быстрее.

Поэтому высоко в горах альпинисты не могут приготовить нормальную пищу, а используют законсервированные продукты.

Для варки мяса, как и других продуктов, нужны привычные 100 градусов. В обратном случае все компоненты бульона просто останутся сырыми.

Таблица № 2. «Как будет меняться t° кипения с высотой».

Высота над уровнем моря	t° кипения
100,0
500	98,3
1000	96,7
1500	95,0
2000	93, 3
2500	91,7
3000	90,0
3500	88,3
4000	86,7
4500	85,0
5000	83,3
6000	80,0

Температура кипения воды в шахте

Если спуститься в шахту, то давление будет увеличиваться.

Температура кипения воды в шахте зависит от глубины (при спуске на 300 м вода закипит при t 101°C, при глубине 600 метров -102 °C

Применение герметической крышки

Герметичные крышки не позволяет образовавшемуся пару ускользнуть. В среднем температура закипания воды увеличивается от 5-20 градусов.

В хозяйстве для приготовления блюд часто используют кастрюли, сковородки с герметичной крышкой. Таким образом, уменьшается время приготовления пищи за счет высокой температуры, а блюда получаются более вкусными. В горных районах с низким давлением это необходимая вещь для приготовления пищи. Так же используют мультиварки и сотейники.

Кипячение воды в вакууме

Вакуум — это среда с газом, с пониженным давлением.

Виды вакуумов:

низкий;
средний;
высокий;
сверхвысокий;
экстремальный;
космическое пространство;
абсолютный.

Температура кипения воды в вакууме зависит от того, какое давление в нём.

Кипение солёной воды

Солёная вода закипает при более высокой температуре за счет своих свойств.

Соль увеличивает плотность воды, соответственно на процесс требуется больше времени.

t° повышается примерно на 1 градус при добавлении 40 грамм соли на литр воды.

Температура кипения воды в чайнике

Чистая пресная вода закипает в чайнике при t° 100 градусов °C при условиях нормального атм. давления 760 мм ртутного столба.

Условие кипения

Рассмотрим пузырек насыщенного пара, который находится около поверхности жидкости. Давление пара внутри него ($p_n$) можно определить как:

$p_n=p_v+\frac{2\sigma}{r}(1),$

где $p_v$ — внешнее давление на жидкость; $r$ — радиус пузырька; $\sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения; $\frac{2\sigma}{r}$ — давление под искривленной поверхностью.

При размерах пузырька в несколько миллиметров и более, давлением под искривленной поверхностью в выражении (1) часто пренебрегают.

Например, при температуре воды в $100^0 C$ коэффициент поверхностного натяжения равен $\sigma=58,8\bullet 10^{-3}$ Н/м. Предположим, что радиус пузырька равен одному миллиметру ($r=1$ мм), тогда давление под искривленной поверхностью составляет:

$\frac{2\sigma}{r}=118 Па$.

Мы помним, что нормальное давление атмосферы равно $10^5 Па$ и это в 1000 раз больше, чем давление, которое создает скривленная поверхность.

Это означает, что для относительно больших пузырей условие их всплытия и разрыва у поверхности жидкого вещества можно записать как:

$p_n>=p_v (2).$

Неравенство (2) — условие кипения жидкости.

Когда при увеличении температуры жидкости достигнута температура, при которой давление насыщенных паров равно внешнему давлению на поверхность жидкости, мы имеем равновесие жидкость – насыщенный пар. Если сообщается жидкости дополнительная теплота, то идет процесс немедленного перехода соответствующей массы жидкости в пар.

Процесс кипения жидкости становится возможным, если:

в жидкости присутствуют пузырьки относительно больших размеров (для воды размер пузырьков должен составлять около миллиметра);
давление насыщенного пара внутри пузырька станет равным внешнему давлению на жидкость.

Давление насыщенного пара зависит от температуры жидкости.

Условие кипения (2) указывает на то, что точка кипения связана с внешним давлением. При увеличении внешнего давления должна увеличиваться температура точки кипения.

Температура кипения и критическая температура

По мере увеличения тепловой энергии, подводимой к жидкости, температура жидкости становится высокой. Эта тепловая энергия необходима для разрыва ковалентных связей между атомами, необходимых для превращения жидкой фазы в газообразную.

В определенный момент температура, приобретаемая жидкостью, достаточна для изменения ее фазового состояния, называется критической температурой. За это время температура жидкости больше не повышается и вместе с паром, образующимся при кипении жидкости, выделяется тепловая энергия.

Для всех жидкостей температура кипения и критическая температура различны. Это связано с тем, что состав элементов и, следовательно, энергия, необходимая для образования связей между атомами, варьируется, следовательно, для разрыва связей между различными химическими компонентами требуется различное количество энергии.Выкипание молока;Изображение Фото: Pixabay

Простой пример, который я могу привести, — это кипячение молока с добавлением в него небольшого количества воды. Когда температура достигает 100C, вода, присутствующая в контейнере для молока, начнет испаряться, оставляя молоко, а через некоторое время молоко начнет кипеть.

Подробнее о 25+ примеров гидравлического трения: полезные сведения и важные часто задаваемые вопросы.