ТОПЛОПРЕДАВАНЕ ПО ВРЕМЕ НА КИПЕНЕ И КОНДЕНЗАЦИЯ
ТОПЛОПРЕДАВАНЕ ПО ВРЕМЕ НА ВРЕНЕ
кипенее процесът на интензивно изпаряване, който протича в целия обем на течност, която е при температура на насищане или леко прегрята спрямо температурата на насищане, с образуването на мехурчета от пара. По време на процеса на фазова трансформация топлината от изпарението се абсорбира. Процесът на кипене обикновено включва добавяне на топлина към кипяща течност.
Режими на кипене на течности.
Прави се разлика между кипене на течности върху твърда топлообменна повърхност, към която се подава топлина отвън, и кипене в обема на течността.
При кипене върху твърда повърхност на определени места на тази повърхност се наблюдава образуване на парна фаза. При обемно кипене парната фаза възниква спонтанно директно в обема на течността под формата на отделни мехурчета пара. Обемно кипене може да възникне само когато течната фаза е прегрята по-значително спрямо температурата на насищане при дадено налягане, отколкото кипене върху твърда повърхност. Значително прегряване може да възникне, например, когато налягането в системата се освободи бързо. Обемно кипене може да възникне, когато в течността има вътрешни източници на топлина.
В съвременната енергетика и технология обикновено се срещат процеси на кипене върху твърди нагряващи повърхности (тръбни повърхности, стени на канали и др.). Този тип кипене се обсъжда основно по-долу.
Механизмът на пренос на топлина по време на ядрено кипене се различава от механизма на пренос на топлина по време на конвекция на еднофазна течност чрез наличието на допълнителен пренос на маса на веществото и топлина чрез парни мехурчета от граничния слой в обема на кипящата течност. Това води до висок интензитет на топлообмен по време на кипене в сравнение с конвекцията на еднофазна течност.
За протичане на процеса на кипене трябва да са изпълнени две условия: наличие на прегряване на течността спрямо температурата на насищане и наличие на центрове на изпаряване.
Прегряването на течността има максимална стойност директно при нагрятата топлообменна повърхност. Върху него има центрове на образуване на пари под формата на неравности по стените, въздушни мехурчета, прахови частици и др. Следователно образуването на парни мехурчета се случва директно върху топлообменната повърхност.
Фигура 3.1 – режими на кипене на течност в неограничен обем: а) мехурче; б) – преходен; в) - филм
На фиг. 3.1. схематично показва режимите на кипене на течност в неограничен обем. При балон режимкипене (фиг. 3.1, а) с повишаване на температурата на нагряващата повърхност t cи съответно броят на активните изпарителни центрове се увеличава и процесът на кипене става все по-интензивен. Парните мехурчета периодично се откъсват от повърхността и, изплувайки на свободната повърхност, продължават да нарастват в обем.
С повишаване на температурното налягане Δ Tтоплинният поток, който се отвежда от нагревателната повърхност към кипящата течност, се увеличава значително. Цялата тази топлина в крайна сметка се използва за създаване на пара. Следователно уравнението на топлинния баланс за кипене има формата:
Където Q- топлинен поток, W; r- топлина на фазов преход на течност, J/kg; Личен лекар- количеството пара, образувана за единица време в резултат на кипене на течността и отстранена от свободната й повърхност, kg/s.
Топлинен поток Qс увеличаване на температурната разлика Δ Tне расте безкрайно. При определена стойност Δ Tтя достига максималната си стойност (фиг. 3.2), а при по-нататъшно увеличаване на Δ Tзапочва да намалява.
Фигура 3.2 – Зависимост на плътността на топлинния поток р
от температурна разлика Δ Tпри кипене на вода в голям обем при атмосферно налягане: 1- нагряване до температура на насищане; 2 – балонен режим; 3 – преходен режим; 4 – филмов режим.
Дайте области 1 2 3 и 4
Режимът на балонно кипене се извършва в секция 2 (фиг. 3.2), докато се постигне максимално отделяне на топлина в точката р kr1, наречено първа критична плътност на топлинния поток. За вода при атмосферно налягане първата критична плътност на топлинния поток е ≈ W/m2; съответната критична стойност на температурната разлика W/m 2. (Тези стойности се отнасят за условия на кипяща вода със свободно движение в голям обем. За други условия и други течности стойностите ще бъдат различни).
При по-голямо Δ Tидва преходен режимкипене (фиг. 3.1, b). Характеризира се с факта, че както на самата нагревателна повърхност, така и в близост до нея, мехурчетата непрекъснато се сливат помежду си и се образуват големи парни кухини. Поради това достъпът на течност до самата повърхност постепенно става все по-труден. На определени места на повърхността се появяват "сухи" петна; техният брой и размер непрекъснато се увеличават с повишаване на повърхностната температура. Такива зони са, така да се каже, изключени от топлообмен, тъй като отделянето на топлина директно към парата се извършва много по-малко интензивно. Това определя рязкото намаляване на топлинния поток (участък 3 на фиг. 3.2) и коефициента на топлопреминаване в областта на преходния режим на кипене.
Накрая, при определен спад на температурата, цялата нагревателна повърхност се покрива с непрекъснат филм от пара, изтласквайки течността от повърхността. Отсега нататък се провежда филмов режимкипене (фиг. 3.1, V). В този случай преносът на топлина от нагряващата повърхност към течността се осъществява чрез конвективен топлообмен и излъчване през парния филм. Интензитетът на топлообмен в режим на филмово кипене е доста нисък (секция 4 на фиг. 3.2). Парният филм изпитва пулсации; парата, която периодично се натрупва в него, се откъсва под формата на големи мехурчета. В момента на кипене на филма термичното натоварване, отстранено от повърхността и съответно количеството генерирана пара, са минимални. Това съответства на фиг. 3.2 точка р kr2, наречено втората критична плътност на топлинния поток.При атмосферно налягане за водата моментът на началото на кипенето на филма се характеризира с температурна разлика от ≈150 °C, т.е. температурата на повърхността t cе приблизително 250°C. Тъй като температурната разлика се увеличава, все повече и повече топлина се пренася поради топлообмен чрез излъчване.
И трите режима на кипене могат да се наблюдават в обратен ред, ако например нажежен до червено масивен метален продукт се потопи във вода за охлаждане. Водата кипи, първоначално охлаждането на тялото протича сравнително бавно (кипене на филм), след това скоростта на охлаждане бързо се увеличава (преходен режим), водата започва периодично да намокря повърхността и най-високата скорост на намаляване на повърхностната температура се постига в последният етап на охлаждане (ядрено кипене). В този пример кипенето се случва при нестабилни условия във времето.
На фиг. Фигура 3.3 показва визуализация на режимите на кипене на мехурчета и филм върху електрически нагрята жица във вода.
ориз. 3.3 визуализация на режимите на мехурче и филмово кипене върху електрически нагрята жица: а) - мехурчест и б) режим на филмово кипене.
На практика често се срещат и условия, когато към повърхността се подава фиксиран топлинен поток, т.е. р= конст. Това е характерно например за топлинни електрически нагреватели, горивни елементи на ядрени реактори и приблизително в случай на лъчисто нагряване на повърхност от източници с много висока температура. В условия р= постоянна повърхностна температура t cи съответно температурна разлика Δ Tзависят от режима на кипене на течността. Оказва се, че при такива условия на топлоснабдяване преходният режим не може да съществува стационарно. В резултат на това процесът на кипене придобива редица важни характеристики. С постепенно увеличаване на термичното натоварване ртемпературна разлика Δ Tнараства в съответствие с линията на ядрения режим на кипене на фиг. 3.2, и процесът се развива по същия начин, както е описано по-горе. Нови условия възникват, когато доставената плътност на топлинния поток достигне стойност, която съответства на първата критична плътност на топлинния поток р cr1. Сега, при всяко леко (дори случайно) увеличение на стойността рима излишък между количеството топлина, подадено към повърхността, и това максимално топлинно натоварване р kr1, който може да се изтегли във вряща течност. Този излишък ( р-р cr1) предизвиква повишаване на повърхностната температура, т.е. започва нестационарно нагряване на материала на стената. Развитието на процеса придобива кризисен характер. За част от секундата температурата на материала на нагряващата повърхност се повишава със стотици градуси и само ако стената е достатъчно огнеупорна, кризата завършва щастливо в ново стационарно състояние, съответстващо на филмовата област на кипене при много висока повърхност температура. На фиг. 3.2 този кризисен преход от режим на ядрено кипене към режим на филмово кипене е условно показан със стрелката като „скок“ от кривата на ядрено кипене към линията на филмово кипене при същото топлинно натоварване р cr1. Това обаче обикновено е придружено от топене и разрушаване на нагревателната повърхност (прегаряне).
Втората особеност е, че ако възникне криза и се установи режим на кипене на филм (повърхността не се разрушава), тогава с намаляване на термичното натоварване кипенето на филма ще се запази, т.е. обратният процес ще се случи по филма линия на кипене (фиг. 3.2). Само при достигане р kr2 течност започва отново в отделни точки, за да достигне периодично (намокри) нагревателната повърхност. Отвеждането на топлина се увеличава и надвишава подаването на топлина, което води до бързо охлаждане на повърхността, което също има кризисен характер. Настъпва бърза смяна на режимите и се установява стационарно ядрено кипене. Този обратен преход (втора криза) на фиг. 3.2 също е условно показана със стрелка като „скок“ от филмовата крива на кипене към ядрената линия на кипене при р = р cr2.
И така, при условия на фиксирана стойност на плътността на топлинния поток р, подавани към нагревателната повърхност, и двата прехода от мехур към филм и обратно са от кризисен характер. Те възникват при критични плътности на топлинния поток р kr1 и р kr2 съответно. При тези условия преходният режим на кипене не може да съществува стабилно, той е нестабилен.
На практика широко се използват методи за отстраняване на топлина по време на кипене на течност, движеща се вътре в тръби или канали с различни форми. По този начин процесите на генериране на пара се извършват поради кипене на вода, движеща се вътре в тръбите на котела. Топлината се подава към повърхността на тръбите от горещите продукти на изгаряне на горивото поради радиация и конвективен топлообмен.
За процеса на кипене на течност, движеща се в ограничен обем на тръба (канал), описаните по-горе условия остават в сила, но в същото време се появяват редица нови характеристики.
Вертикална тръба. Тръба или канал е ограничена система, в която при движение на кипяща течност има непрекъснато увеличаване на парната фаза и намаляване на течната фаза. Съответно се променя хидродинамичната структура на потока, както по дължината, така и по напречното сечение на тръбата. Топлопредаването също се променя съответно.
Има три основни области с различни структури на флуиден поток по дължината на вертикалната тръба, когато потокът се движи отдолу нагоре (фиг. 3.4): аз– отоплителна площ (секция економайзер, до тръбната секция, където T s = T n); II– област на кипене (изпарителна секция, от секцията, където T s = T n, аз<аз n, към секцията, където T s = T n, i cm→азн); III– зона, където мократа пара изсъхва.
Изпарителната секция включва зони с повърхностно кипене на наситената течност.
На фиг. 3.4 схематично показва структурата на такъв поток. Секция 1 съответства на нагряване на еднофазна течност до температура на насищане (секция економайзер). В секция 2 възниква повърхностно ядрено кипене, при което преносът на топлина се увеличава в сравнение със секция 2. В секция 3 възниква режим на емулсия, при който двуфазен поток се състои от течност и относително малки мехурчета, равномерно разпределени в нея, които впоследствие се сливат, за да образуват големи мехурчета - тапи, съизмерими с диаметъра на тръбата. В режим на тапа (секция 4) парата се движи под формата на отделни големи мехурчета от тапа, разделени от слоеве емулсия пара-течност. Освен това, в секция 5, мократа пара се движи като непрекъсната маса в ядрото на потока и тънък пръстеновиден слой течност се движи по стената на тръбата. Дебелината на този слой течност постепенно намалява. Този участък съответства на пръстеновидния режим на кипене, който завършва, когато течността изчезне от стената. В секция 6 парата се изсушава (увеличавайки степента на сухота на парата). Тъй като процесът на кипене е завършен, преносът на топлина намалява. Впоследствие, поради увеличаване на специфичния обем на парата, скоростта на парата се увеличава, което води до леко увеличаване на топлопреминаването.
Фиг. 3.4 – Структура на потока, когато течността кипи във вертикална тръба
Увеличаване на скоростта на обращение при даденост q с, дължината на тръбата и входната температура води до намаляване на зоните с развито кипене и увеличаване на дължината на секцията на економайзера; с увеличаване q спри дадена скорост, напротив, дължината на секциите с развито кипене се увеличава, а дължината на секцията на економайзера намалява.
Хоризонтални и наклонени тръби.Когато двуфазен поток се движи вътре в тръби, разположени хоризонтално или с лек наклон, в допълнение към промените в структурата на потока по дължината, има значителна промяна в структурата по периметъра на тръбата. По този начин, ако скоростта на циркулация и съдържанието на пара в потока са ниски, се наблюдава разделяне на двуфазния поток на течна фаза, движеща се в долната част на тръбата, и парна фаза, движеща се в горната й част (фиг. 3.5, А). С по-нататъшно увеличаване на съдържанието на пара и скоростта на циркулация, интерфейсът между парата и течната фаза придобива вълнообразен характер, а течността периодично намокря горната част на тръбата с гребени на вълната. С по-нататъшно увеличаване на съдържанието и скоростта на парите вълновото движение на границата се засилва, което води до частично изхвърляне на течността в областта на парите. В резултат на това двуфазният поток придобива характер на потока, първо близък до пробков поток, а след това до пръстеновиден.
Ориз. 3.5 – Структура на потока, когато течността кипи в хоризонтална тръба.
А– стратифициран режим на кипене; b– прътов режим; 1 - пара; 2 – течност.
В пръстеновидния режим се установява движението на тънък слой течност по целия периметър на тръбата, а в сърцевината на потока се движи смес от пара и течност (фиг. 3.5, b). В този случай обаче не се наблюдава пълна аксиална симетрия в структурата на потока.
ако интензитетът на подаване на топлина към стените на тръбата е достатъчно висок, тогава процесът на кипене може да възникне и по време на поток в тръба, която не се нагрява до температурата на насищане на течността.Този процес се случва, когато температурата на стената t cнадвишава температурата на насищане ц.покрива граничния слой течност директно на стената. Парните мехурчета, влизащи в студената сърцевина на потока, бързо кондензират. Този вид кипене се нарича кипене с подгряване.
Отвеждането на топлина в режим на ядрено кипене е един от най-модерните методи за охлаждане на нагряващата повърхност. Намира широко приложение в техническите устройства.
3.1.2. Пренос на топлина по време на ядрено кипене.
Наблюденията показват, че с повишаване на температурата налягането Δ T = t c-ц, както и натиск Рброят на активните центрове на изпарение върху нагряващата повърхност се увеличава. В резултат на това нарастващ брой мехурчета непрекъснато се появяват, растат и се отделят от нагревателната повърхност. В резултат на това се увеличава турбулизацията и смесването на пристенния граничен слой течност. По време на растежа си върху нагряващата повърхност, мехурчетата интензивно абсорбират топлина и от граничния слой. Всичко това спомага за подобряване на топлообмена. Като цяло, процесът на ядрено кипене е доста хаотичен.
Изследванията показват, че при техническите нагревателни повърхности броят на изпарителните центрове зависи от материала, структурата и микрограпавостта на повърхността, наличието на хетерогенност в състава на повърхността и газа (въздуха), адсорбиран на повърхността. Различни отлагания, оксидни филми, както и всякакви други включвания имат забележим ефект.
Наблюденията показват, че в реални условия центровете на изпаряване обикновено са отделни елементи на повърхностна грапавост и микрограпавост (за предпочитане различни вдлъбнатини и вдлъбнатини).
Обикновено при нови повърхности броят на центровете за изпаряване е по-голям, отколкото при същите повърхности след продължително кипене. Това се дължи главно на наличието на газ, адсорбиран на повърхността. С течение на времето газът постепенно се отстранява, смесва се с парата в нарастващите мехурчета и се пренася в парното пространство. Процесът на кипене и пренос на топлина са стабилизирани по време и интензитет.
Условията за образуване на парни мехурчета са силно повлияни от повърхностното напрежение на границата между течност и пара.
Поради повърхностното напрежение, налягането на парите вътре в мехура Р n по-високо от налягането на околната течност Ри. Тяхната разлика се определя от уравнението на Лаплас
където σ е повърхностното напрежение; Р- радиус на мехурчето.
Уравнението на Лаплас изразява условието за механично равновесие. Това показва, че повърхностното напрежение, подобно на еластична обвивка, "компресира" парата в балон и колкото по-малък е радиусът му, толкова по-силен е той. Р.
Зависимостта на налягането на парите в мехур от неговия размер налага особености на състоянието на термично или термодинамично равновесие на малки мехурчета. Парата в мехурчето и течността на неговата повърхност са в равновесие, ако повърхността на течността има температура, равна на температурата на насищане при налягането на парите в мехурчето, Tс ( РП). Тази температура е по-висока от температурата на насищане при външно налягане в течността Tс ( Ри). Следователно, за да се постигне топлинно равновесие, течността около мехура трябва да бъде прегрята с известно количество Tс ( РП)- Tс ( Ри).
Следващата особеност е, че това равновесие се оказва нестабилен. Ако температурата на течността леко надвиши равновесната стойност, тогава част от течността ще се изпари в мехурчетата и нейният радиус ще се увеличи. В този случай, според уравнението на Лаплас, налягането на парите в мехура ще намалее. Това ще доведе до ново отклонение от равновесното състояние. Балонът ще започне да расте неограничено. Също така, при леко понижаване на температурата на течността, част от парата ще се кондензира, размерът на мехурчето ще намалее и налягането на парите в него ще се увеличи. Това ще доведе до допълнително отклонение от равновесните условия, вече в другата посока. В резултат на това балонът ще се кондензира напълно и ще изчезне.
Следователно в прегрята течност не произволно образуваните малки мехурчета имат способността да растат допълнително, а само тези, чийто радиус надвишава стойността, съответстваща на условията на нестабилно механично и топлинно равновесие, обсъдени по-горе. Това минимална стойност
където производното е физическа характеристика на дадено вещество, то се определя от уравнението на Клапейрон - Клаузис
т.е. изразява се чрез други физически константи: топлината на фазов преход r, плътност на парите ρ pи течности ρи абсолютна температура на насищане T s.
Уравнение (3-2) показва, че ако ядрата на парата се появят в отделни точки на нагряващата повърхност, тогава само тези, чийто радиус на кривина надвишава стойността Rmin. Тъй като с увеличаване на Δ Tвеличина Rminнамалява, обяснява уравнение (3-2).
експериментално наблюдаван факт за увеличаване на броя на центровете за изпаряване с повишаване на повърхностната температура.
Увеличаването на броя на центровете за изпаряване с увеличаване на налягането също е свързано с намаляване Rmin, защото с увеличаване на налягането стойността p′ sрасте и σ намалява. Изчисленията показват, че за вода, кипяща при атмосферно налягане, при Δ T= 5°С Rmin= 6,7 µm и при Δ T= 25°С Rmin= 1,3 цт.
Наблюденията, направени чрез високоскоростно заснемане, показват, че при фиксиран режим на кипене честотата на образуване на парни мехурчета не е еднаква както в различни точки на повърхността, така и във времето. Това придава на процеса на кипене сложен статистически характер. Съответно, темповете на растеж и размерите на разделяне на различни мехурчета също се характеризират със случайни отклонения около определени средни стойности.
След като мехурът достигне определен размер, той се отделя от повърхността. Размер на откъсванеопределя се главно от взаимодействието на гравитацията, повърхностното напрежение и инерцията. Последната стойност представлява динамична реакция, която възниква в течност поради бързото нарастване на размера на мехурчетата. Тази сила обикновено предотвратява разпадането на мехурчетата. В допълнение, характерът на развитието и отделянето на мехурчета до голяма степен зависи от това дали течността намокря повърхността или не я намокря. Омокрящата способност на течността се характеризира с контактния ъгъл θ, който се образува между стената и свободната повърхност на течността. Колкото по-голямо е θ, толкова по-лоша е омокрящата способност на течността. Общоприето е, че за θ<90° (рис. 3.6, А), течността намокря повърхността, но при θ >90° не го прави. Стойността на контактния ъгъл зависи от естеството на течността, материала, състоянието и чистотата на повърхността. Ако кипяща течност намокри нагревателната повърхност, тогава парните мехурчета имат тънко стъбло и лесно се отделят от повърхността (фиг. 3.7, А). Ако течността не намокри повърхността, тогава парните мехурчета имат широко стъбло (фиг. 3.7, b) и се отделят по протежение на провлака или се получава изпарение по цялата повърхност.
кипене- това е изпарение, което се случва едновременно както от повърхността, така и в целия обем на течността. Състои се във факта, че множество мехурчета изплуват и се пукат, причинявайки характерно кипене.
Както показва опитът, кипенето на течност при дадено външно налягане започва при точно определена температура, която не се променя по време на процеса на кипене и може да се случи само когато енергията се доставя отвън в резултат на топлообмен (фиг. 1 ):
където L е специфичната топлина на изпарение при точката на кипене.
Механизъм на кипене: течността винаги съдържа разтворен газ, чиято степен на разтваряне намалява с повишаване на температурата. Освен това по стените на съда има адсорбиран газ. При нагряване на течността отдолу (фиг. 2) започва да се отделя газ под формата на мехурчета по стените на съда. Течността се изпарява в тези мехурчета. Следователно, в допълнение към въздуха, те съдържат наситена пара, чието налягане бързо се увеличава с повишаване на температурата и мехурчетата нарастват по обем и следователно Архимедовите сили, действащи върху тях, се увеличават. Когато плаващата сила стане по-голяма от гравитацията на мехура, той започва да плава. Но докато течността се нагрее равномерно, докато се издига, обемът на мехурчето намалява (налягането на наситените пари намалява с намаляване на температурата) и преди да достигнат свободната повърхност, мехурчетата изчезват (колабират) (фиг. 2, а), което затова чуваме характерен шум преди кипене. Когато температурата на течността се изравни, обемът на мехурчето ще се увеличи, докато се издига, тъй като налягането на наситените пари не се променя, а външното налягане върху мехурчето, което е сумата от хидростатичното налягане на течността над мехурчето и атмосферното налягане, намалява. Мехурът достига свободната повърхност на течността, пука се и от него излиза наситена пара (фиг. 2, б) - течността кипи. Налягането на наситените пари в мехурчетата е почти равно на външното налягане.
Температурата, при която налягането на наситените пари на течността е равно на външното налягане върху свободната й повърхност, се нарича точка на кипенетечности.
Тъй като налягането на наситените пари се увеличава с повишаване на температурата и по време на кипене трябва да бъде равно на външното налягане, тогава с увеличаване на външното налягане точката на кипене се повишава.
Точката на кипене също зависи от наличието на примеси, обикновено нараства с увеличаване на концентрацията на примеси.
Ако първо освободите течността от разтворения в нея газ, тогава тя може да бъде прегрята, т.е. загрейте над точката на кипене. Това е нестабилно състояние на течност. Достатъчни са малки удари и течността завира, като температурата й веднага пада до точката на кипене.
Всичко, което ни заобикаля в ежедневието, може да бъде представено под формата на физични и химични процеси. Постоянно извършваме много манипулации, които се изразяват с формули и уравнения, без дори да го знаем. Един такъв процес е кипенето. Това е феномен, който абсолютно всички домакини използват при готвене. Изглежда ни съвсем обикновено. Но нека разгледаме процеса на кипене от научна гледна точка.
Кипене - какво е това?
От училищната физика се знае, че материята може да бъде в течно и газообразно състояние. Процесът на превръщане на течност в състояние на пара е кипене. Това се случва само когато се достигне или превиши определена температура. Натискът също участва в този процес и трябва да се вземе предвид. Всяка течност има своя точка на кипене, която задейства процеса на образуване на пара.
Това е съществената разлика между кипене и изпарение, което се случва при всяка температура на течността.
Как възниква кипенето?
Ако някога сте преварявали вода в стъклен съд, сте наблюдавали образуването на мехурчета по стените на съда, докато течността се нагрява. Те се образуват поради факта, че в микропукнатините на съдовете се натрупва въздух, който при нагряване започва да се разширява. Мехурчетата се състоят от течни пари под налягане. Тези двойки се наричат наситени. С нагряването на течността налягането във въздушните мехурчета се увеличава и те се увеличават по размер. Естествено, те започват да се издигат до върха.
Но ако течността все още не е достигнала точката на кипене, тогава мехурчетата в горните слоеве се охлаждат, налягането намалява и те се озовават на дъното на контейнера, където отново се нагряват и се издигат нагоре. Този процес е познат на всяка домакиня, водата сякаш започва да шуми. Веднага след като температурата на течността в горния и долния слой се сравни, мехурчетата започват да се издигат на повърхността и да се спукат - настъпва кипене. Това е възможно само когато налягането вътре в мехурчетата стане същото като налягането на самата течност.
Както вече споменахме, всяка течност има свой температурен режим, при който започва процесът на кипене. Освен това по време на целия процес температурата на веществото остава непроменена, цялата освободена енергия се изразходва за изпаряване. Ето защо тенджерите на небрежните домакини прегарят - цялото им съдържание извира и самият съд започва да се нагрява.
Точката на кипене е право пропорционална на налягането, упражнявано върху цялата течност, по-точно върху нейната повърхност. В училищния курс по физика се казва, че водата започва да кипи при температура от сто градуса по Целзий. Но малко хора си спомнят, че това твърдение е вярно само при нормални условия на налягане. Стандартната стойност се счита за сто и един килопаскал. Ако увеличите налягането, течността ще кипи при различна температура.
Това физическо свойство се използва от производителите на съвременни домакински уреди. Пример за това е тенджера под налягане. Всички домакини знаят, че в такива устройства храната се приготвя много по-бързо, отколкото в обикновените тигани. С какво е свързано това? С налягането, което се създава в тенджерата под налягане. Двойно е над нормата. Следователно водата кипи при приблизително сто и двадесет градуса по Целзий.
Ако някога сте били в планината, сте наблюдавали обратния процес. На надморска височина водата започва да кипи при деветдесет градуса, което значително усложнява процеса на готвене. Местните жители и алпинистите, които прекарват цялото си свободно време в планината, са добре запознати с тези трудности.
Още малко за варенето
Много хора са чували такъв израз като „точка на кипене“ и вероятно са били изненадани, че не го споменаваме в статията. Всъщност ние вече го описахме. Не бързайте да препрочитате текста. Факт е, че във физиката точката и температурата на процеса на кипене се считат за идентични.
В научния свят разделянето в тази терминология се прави само в случай на смесване на различни течни вещества. В такава ситуация се определя точката на кипене и то най-малката от всички възможни. Именно това се приема като норма за всички компоненти на сместа.
Вода: интересни факти за физическите процеси
В лабораторни експерименти физиците винаги вземат течност без примеси и създават абсолютно идеални външни условия. Но в живота всичко се случва малко по-различно, защото често добавяме сол към водата или добавяме различни подправки към нея. Каква ще бъде точката на кипене в този случай?
Солената вода изисква по-висока температура, за да заври, отколкото прясната вода. Това се дължи на примесите на натрий и хлор. Молекулите им се сблъскват една с друга и за нагряването им е необходима много по-висока температура. Има определена формула, която ви позволява да изчислите точката на кипене на солената вода. Моля, имайте предвид, че шестдесет грама сол на литър вода повишават точката на кипене с десет градуса.
Може ли водата да заври във вакуум? Учените са доказали, че може. Но точката на кипене в този случай трябва да достигне граница от триста градуса по Целзий. В крайна сметка във вакуум налягането е само четири килопаскала.
Всички ние кипваме вода в чайник, така че сме запознати с такова неприятно явление като „накип“. Какво представлява и защо се образува? Всъщност всичко е просто: прясната вода има различна степен на твърдост. Определя се от количеството примеси в течността, най-често съдържа различни соли. По време на процеса на кипене те се трансформират в утайка и в големи количества се превръщат в котлен камък.
Може ли алкохолът да заври?
Кипенето на алкохол се използва в процеса на варене на самогон и се нарича дестилация. Този процес зависи пряко от количеството вода в алкохолния разтвор. Ако вземем за основа чист етилов алкохол, тогава неговата точка на кипене ще бъде близо до седемдесет и осем градуса по Целзий.
Ако добавите вода към алкохола, точката на кипене на течността се повишава. В зависимост от концентрацията на разтвора, той ще кипи в диапазона от седемдесет и осем градуса до сто градуса по Целзий. Естествено, по време на процеса на кипене алкохолът ще се превърне в пара за по-кратък интервал от време от водата.
Кипенето е процес на промяна на агрегатното състояние на дадено вещество. Когато говорим за вода, имаме предвид преминаването от течно състояние в състояние на пара. Важно е да се отбележи, че кипенето не е изпарение, което може да се случи дори при стайна температура. Също така не трябва да се бърка с кипенето, което е процес на нагряване на водата до определена температура. Сега, след като разбрахме понятията, можем да определим при каква температура кипи водата.
Процес
Процесът на трансформиране на агрегатното състояние от течно в газообразно е сложен. И въпреки че хората не го виждат, има 4 етапа:
- На първия етап на дъното на нагрятия съд се образуват малки мехурчета. Те могат да се видят и отстрани или на повърхността на водата. Те се образуват поради разширяването на въздушните мехурчета, които винаги присъстват в пукнатините на контейнера, където се нагрява водата.
- Във втория етап обемът на мехурчетата се увеличава. Всички те започват да се втурват към повърхността, тъй като вътре в тях има наситена пара, която е по-лека от водата. С повишаване на температурата на нагряване налягането на мехурчетата се увеличава и те се изтласкват към повърхността благодарение на добре познатата Архимедова сила. В този случай можете да чуете характерния звук на кипене, който се образува поради постоянното разширяване и намаляване на размера на мехурчетата.
- На третия етап на повърхността могат да се видят голям брой мехурчета. Това първоначално създава мътност във водата. Този процес се нарича популярно „варене на бяло“ и трае кратък период от време.
- На четвъртия етап водата кипи интензивно, на повърхността се появяват големи пукащи се мехурчета и могат да се появят пръски. Най-често пръскането означава, че течността е достигнала максималната си температура. От водата ще започне да излиза пара.
Известно е, че водата кипи при температура 100 градуса, което е възможно само на четвъртия етап.
Температура на парата
Парата е едно от състоянията на водата. Когато попадне във въздуха, той, подобно на другите газове, упражнява определен натиск върху него. По време на изпаряването температурата на парата и водата остава постоянна, докато цялата течност промени агрегатното си състояние. Това явление може да се обясни с факта, че по време на кипене цялата енергия се изразходва за превръщане на водата в пара.
В самото начало на кипенето се образува влажна, наситена пара, която става суха, след като цялата течност се изпари. Ако температурата му започне да надвишава температурата на водата, тогава такава пара се прегрява и нейните характеристики ще бъдат по-близки до газа.
Кипяща солена вода
Доста интересно е да се знае при каква температура кипи вода с високо съдържание на сол. Известно е, че тя трябва да бъде по-висока поради съдържанието на Na+ и Cl- йони в състава, които заемат пространството между водните молекули. Ето как химичният състав на водата със сол се различава от обикновената прясна течност.
Факт е, че в солената вода протича реакция на хидратация - процесът на добавяне на водни молекули към йони на солта. Връзките между молекулите на прясна вода са по-слаби от тези, образувани по време на хидратация, така че ще отнеме повече време, за да заври течност с разтворена сол. С повишаването на температурата молекулите в солената вода се движат по-бързо, но те са по-малко, което води до по-редки сблъсъци между тях. В резултат на това се произвежда по-малко пара и следователно нейното налягане е по-ниско от налягането на парата на прясна вода. Следователно ще е необходима повече енергия (температура) за пълното изпаряване. Средно, за да сварите един литър вода, съдържаща 60 грама сол, е необходимо да увеличите степента на кипене на водата с 10% (т.е. с 10 С).
Зависимост на кипенето от налягането
Известно е, че в планината, независимо от химичния състав на водата, точката на кипене ще бъде по-ниска. Това се случва, защото атмосферното налягане е по-ниско на надморска височина. Нормалното налягане се счита за 101,325 kPa. При него точката на кипене на водата е 100 градуса по Целзий. Но ако се изкачите на планина, където налягането е средно 40 kPa, тогава водата там ще заври при 75,88 C. Но това не означава, че ще трябва да отделите почти наполовина по-малко време за готвене в планината. Термичната обработка на храните изисква определена температура.
Смята се, че на надморска височина от 500 метра водата ще кипи при 98,3 C, а на надморска височина от 3000 метра точката на кипене ще бъде 90 C.
Обърнете внимание, че този закон важи и в обратната посока. Ако поставите течност в затворена колба, през която парата не може да премине, тогава с повишаването на температурата и образуването на пара налягането в тази колба ще се увеличи и кипенето при повишено налягане ще настъпи при по-висока температура. Например, при налягане от 490,3 kPa, точката на кипене на водата ще бъде 151 C.
Кипяща дестилирана вода
Дестилираната вода е пречистена вода без никакви примеси. Често се използва за медицински или технически цели. Като се има предвид, че в такава вода няма примеси, тя не се използва за готвене. Интересно е да се отбележи, че дестилираната вода завира по-бързо от обикновената прясна вода, но точката на кипене остава същата – 100 градуса. Разликата във времето за кипене обаче ще бъде минимална - само част от секундата.
В чайник
Хората често се чудят при каква температура кипи водата в чайник, тъй като това са устройствата, които използват за варене на течности. Като се има предвид фактът, че атмосферното налягане в апартамента е равно на стандартното, а използваната вода не съдържа соли и други примеси, които не трябва да има, тогава точката на кипене също ще бъде стандартна - 100 градуса. Но ако водата съдържа сол, тогава точката на кипене, както вече знаем, ще бъде по-висока.
Заключение
Сега знаете при каква температура кипи водата и как атмосферното налягане и съставът на течността влияят на този процес. В това няма нищо сложно и децата получават такава информация в училище. Основното нещо е да запомните, че когато налягането намалява, точката на кипене на течността също намалява, а когато се увеличава, тя също се увеличава.
В интернет можете да намерите много различни таблици, които показват зависимостта на точката на кипене на течност от атмосферното налягане. Те са достъпни за всички и се използват активно от ученици, студенти и дори учители в институти.
Процес на кипене на водасе състои от три етапа:
- началото на първия етап - малки въздушни мехурчета изскачат от дъното на чайника или друг съд, в който водата завира и на повърхността на водата се появяват нови мехурчета. Постепенно броят на тези мехурчета се увеличава.
- На второто етап на вряща водаима масивно бързо издигане на мехурчета нагоре, причиняващо първоначално леко помътняване на водата, което след това преминава в „побеляване“, при което водата изглежда като поток от извор. Това явление се нарича кипене бял ключи изключително краткотраен.
– третият етап е придружен от интензивни процеси на кипене на водата, появата на големи спукващи се мехурчета и пръски по повърхността. Голямо количество пръски означава, че водата е кипнала твърде много.
Между другото, ако обичате да пиете чай, приготвен с чиста натурална вода, тогава можете да направите поръчка за това, без да напускате дома си, на уебсайта, например: http://www.aqualader.ru/. След което фирмата за доставка на вода ще я достави до дома ви.
Обикновените наблюдатели отдавна са забелязали факта, че и трите етапа на кипене на водата са придружени от различни звуци. Водата на първия етап издава едва доловим тънък звук. Във втория етап звукът преминава в шум, напомнящ бръмчене на пчелен рояк. На третия етап звуците на вряща вода губят своята еднородност и стават остри и силни, нарастващи хаотично.
всичко етап на вряща водалесно се проверяват от опит. След като започнахме да загряваме вода в отворен стъклен съд и периодично измерваме температурата, след кратък период от време ще започнем да наблюдаваме мехурчета, покриващи дъното и стените на контейнера.
Нека разгледаме по-отблизо балончето, което се появява близо до дъното. Постепенно увеличавайки обема си, балонът също така увеличава площта на контакт със затоплящата се вода, която все още не е достигнала висока температура. В резултат на това парата и въздухът вътре в мехура се охлаждат, в резултат на което налягането им намалява, а гравитацията на водата пука мехура. Точно в този момент водата издава звук, характерен за кипене, което се дължи на сблъсъка на водата с дъното на контейнера в местата, където се пукат мехурчетата.
Когато температурата в долните слоеве на водата се приближи до 100 градуса по Целзий, вътремехуровото налягане се изравнява с водното налягане върху тях, в резултат на което мехурчетата постепенно се разширяват. Увеличаването на обема на мехурчетата също води до увеличаване на силата на плаваемост върху тях, под въздействието на което най-обемните мехурчета се отделят от стените на контейнера и бързо се издигат нагоре. Ако горният слой вода все още не е достигнал 100 градуса, тогава мехурът, попадайки в по-студена вода, губи част от водната пара, която кондензира и отива във водата. В този случай мехурчетата отново намаляват по размер и падат под въздействието на гравитацията. Близо до дъното те отново придобиват обем и се издигат нагоре и именно тези промени в размера на мехурчетата създават характерния шум на вряща вода.
Докато целият обем вода достигне 100 градуса, издигащите се мехурчета вече не намаляват по размер, а се пукат на самата повърхност на водата. В този случай парата се изпуска навън, придружена от характерен бълбукащ звук - това означава, че водата кипи. Температурата, при която една течност достига кипене, зависи от налягането, изпитвано от нейната свободна повърхност. Колкото по-високо е това налягане, толкова по-висока е необходимата температура и обратно.
Тази вода кипи при 100 градуса по Целзийе добре известен факт. Но си струва да се има предвид, че тази температура е валидна само при нормално атмосферно налягане (около 101 килопаскала). С увеличаване на налягането температурата, при която течността достига кипене, също се повишава. Например в тенджери под налягане храната се готви под налягане, близко до 200 килопаскала, при което точката на кипене на водата е 120 градуса. Във вода при тази температура готвенето протича много по-бързо, отколкото при нормална температура на кипене - оттук и името на тигана.
Съответно намаляването на налягането също понижава точката на кипене на водата. Например жителите на планинските райони, живеещи на надморска височина от 3 километра, постигат вряща вода по-бързо от жителите на равнините - всички етапи на вряща вода се случват по-бързо, тъй като това изисква само 90 градуса при налягане от 70 килопаскала. Но жителите на планината не могат да сварят например пилешко яйце, тъй като минималната температура, при която бялото коагулира, е точно 100 градуса по Целзий.
