PRENOS TOPLOTE PRILIKOM KVANJA I KONDENZACIJE
VRANJE TOPLOTE
Kipuće naziva se proces intenzivnog isparavanja koji se odvija u cijeloj zapremini tekućine, koja je na temperaturi zasićenja ili je donekle pregrijana u odnosu na temperaturu zasićenja, uz stvaranje mjehurića pare. U procesu fazne transformacije apsorbuje se toplota isparavanja. Proces ključanja obično je povezan sa dovodom toplote u kipuću tečnost.
Načini ključanja tečnosti.
Razlikovati ključanje tečnosti na čvrstoj površini za izmjenu topline, kojoj se toplina dovodi izvana, i ključanje u zapremini tekućine.
Prilikom ključanja na čvrstoj površini, na nekim mjestima na ovoj površini uočava se stvaranje parne faze. Tokom volumetrijskog ključanja, parna faza nastaje spontano (spontano) direktno u masi tečnosti u obliku pojedinačnih mehurića pare. Do ključanja u rasutom stanju može doći samo kada je pregrijavanje tekuće faze veće u odnosu na temperaturu zasićenja pri datom pritisku od ključanja na čvrstoj površini. Značajno pregrijavanje može se postići, na primjer, brzim smanjenjem tlaka u sistemu. Do ključanja u rasutom stanju može doći kada u tečnosti postoje unutrašnji izvori toplote.
U savremenoj elektroenergetici i tehnologiji najčešće se susreću procesi ključanja na čvrstim grejnim površinama (površine cevi, zidovi kanala itd.). O ovoj vrsti ključanja se uglavnom govori u nastavku.
Mehanizam prenosa toplote tokom ključanja nukleata razlikuje se od mehanizma prenosa toplote tokom konvekcije jednofazne tečnosti po prisustvu dodatnog prenosa mase materije i toplote mjehurićima pare iz graničnog sloja u zapreminu ključanja. tečnost. Ovo dovodi do visokog intenziteta prenosa toplote tokom ključanja u poređenju sa konvekcijom jednofazne tečnosti.
Da bi došlo do procesa ključanja moraju biti ispunjena dva uslova: prisustvo pregrijavanja tečnosti u odnosu na temperaturu zasićenja i prisustvo centara isparavanja.
Pregrijavanje tekućine ima maksimalnu vrijednost direktno na zagrijanoj površini izmjenjivača topline. Sadrži i centre isparavanja u vidu neravnina na zidovima, mehurića vazduha, čestica prašine itd. Zbog toga se formiranje mehurića pare dešava direktno na površini razmene toplote.
Slika 3.1 - režimi ključanja tečnosti u neograničenoj zapremini: a) - mehur; b) - prelazni; c) - film
Na sl. 3.1. shematski prikazuje načine ključanja tekućine u neograničenoj zapremini. At bubble mod ključanja (slika 3.1, a) kako temperatura grijaće površine raste tc a s obzirom na temperaturnu razliku raste broj aktivnih centara isparavanja, proces ključanja postaje sve intenzivniji. Mjehurići pare se povremeno odvajaju od površine i, plutajući na slobodnu površinu, nastavljaju rasti u volumenu.
Sa povećanjem temperaturne razlike Δ t toplotni tok, koji se odvodi s površine grijanja do kipuće tekućine, značajno se povećava. Sva ta toplota se na kraju troši na stvaranje pare. Dakle, jednadžba toplotnog bilansa za ključanje ima oblik:
Gdje Q- protok toplote, W; r- toplota prelaza tečne faze, J/kg; G str- količina pare koja nastaje u jedinici vremena kao rezultat ključanja tečnosti i uklonjena sa njene slobodne površine, kg/s.
toplotni tok Q sa povećanjem temperaturne razlike Δ t ne raste beskonačno. Za neku vrijednost Δ t dostiže svoju maksimalnu vrijednost (slika 3.2), a sa daljim povećanjem Δ t počinje da se smanjuje.
Slika 3.2 - Zavisnost gustine toplotnog toka q
od temperaturne razlike Δ t pri ključanju vode u velikoj zapremini pri atmosferskom pritisku: 1- zagrijavanje do temperature zasićenja; 2 - režim mehurića; 3 - prelazni režim; 4 - filmski mod.
Dajte parcele 1 2 3 i 4
Ključanje mehurića se dešava u sekciji 2 (slika 3.2) sve dok se ne postigne maksimalno odvođenje toplote na tački q kr1 , zv prva kritična gustina toplotnog toka. Za vodu pri atmosferskom pritisku, prva kritična gustina toplotnog toka je ≈ W/m 2 ; odgovarajuću kritičnu vrijednost temperaturne razlike W/m 2 . (Ove vrijednosti se odnose na uslove ključanja vode u slobodnom kretanju u velikoj zapremini. Za druge uslove i druge tečnosti vrednosti su različite).
Za veće Δ t dolazi prelazni režim ključanje (slika 3.1, b). Karakterizira ga činjenica da se, kako na samoj površini grijanja, tako iu njenoj blizini, mjehurići neprekidno spajaju jedni s drugima i stvaraju velike parne šupljine. Zbog toga je pristup tečnosti samoj površini postepeno sve teži. Na nekim mjestima na površini pojavljuju se "suhe" mrlje; njihov broj i veličina kontinuirano rastu kako se temperatura površine povećava. Takve sekcije su, takoreći, isključene iz razmjene topline, jer se odvođenje topline direktno na paru odvija mnogo manje intenzivno. Ovo određuje nagli pad toplotnog fluksa (sekcija 3 na slici 3.2) i koeficijenta prenosa toplote u oblasti prelaznog režima ključanja.
Konačno, pri određenoj temperaturnoj razlici, cijela grijaća površina je prekrivena neprekidnim filmom pare, koji gura tekućinu od površine. Od sada postoji filmski mod ključanje (slika 3.1, V). U ovom slučaju, prijenos topline s površine grijanja na tekućinu se vrši konvektivnim prijenosom topline i zračenjem kroz parni film. Intenzitet prenosa toplote u režimu filmskog ključanja je prilično nizak (odeljak 4 na slici 3.2). Parni film doživljava pulsacije; para, koja se povremeno nakuplja u njemu, odvaja se u obliku velikih mjehurića. U trenutku početka filmskog ključanja, toplinsko opterećenje koje se uklanja s površine i, shodno tome, količina pare koja se stvara su minimalni. Ovo odgovara sl. 3,2 bod q kr2 , zv druga kritična gustina toplotnog toka. Pri atmosferskom pritisku za vodu, trenutak početka ključanja filma karakterizira temperaturna razlika od ≈150 °C, tj. temperatura površine tc je približno 250°C. Kako se temperaturna razlika povećava, sve veći dio topline se prenosi zbog izmjene topline zračenjem.
Sva tri režima ključanja mogu se promatrati obrnutim redoslijedom, ako se, na primjer, usijani masivni metalni proizvod spusti u vodu radi gašenja. Voda ključa, u početku se hlađenje tijela odvija relativno sporo (filmsko ključanje), zatim se brzina hlađenja brzo povećava (prijelazni način rada), voda počinje periodično kvasiti površinu, a najveća brzina pada površinske temperature postiže se u završna faza hlađenja (mjehurasto ključanje). U ovom primjeru, ključanje se odvija u nestacionarnim uslovima u vremenu.
Na sl. 3.3 prikazuje vizualizaciju režima ključanja mehurića i filma na električno zagrijanoj žici u vodi.
pirinač. 3.3 vizualizacija režima ključanja mehurića i filma na električno zagrijanoj žici: a) - mehur i b) - režim ključanja filma.
U praksi se često susreću i uslovi kada se na površinu dovodi fiksni toplotni tok, tj. q= konst. To je tipično, na primjer, za termoelektrične grijače, gorive elemente nuklearnih reaktora i, otprilike, u slučaju zračećeg površinskog grijanja iz izvora s vrlo visokom temperaturom. U uslovima q= konstantna temperatura površine tc i, shodno tome, temperaturna razlika Δ t zavisi od stanja ključanja tečnosti. Ispada da u takvim uslovima snabdevanja toplotom prelazni režim ne može postojati stacionaran. Kao rezultat toga, proces ključanja poprima niz važnih karakteristika. Uz postupno povećanje toplinskog opterećenja q temperaturna razlika Δ t raste u skladu sa linijom ključanja mehurića na Sl. 3.2, a proces se razvija na isti način kao što je gore opisano. Novi uslovi nastaju kada isporučena gustina toplotnog toka dostigne vrednost koja odgovara prvoj kritičnoj gustini toplotnog fluksa q cr1 . Sada, za svako blago (čak i slučajno) povećanje vrijednosti q postoji višak između količine topline dovedene na površinu i tog maksimalnog toplinskog opterećenja q kr1, koji se može pretvoriti u kipuću tečnost. Ovaj višak ( q-q kp1) uzrokuje porast temperature površine, odnosno počinje nestacionarno zagrijavanje materijala zida. Razvoj procesa poprima krizni karakter. U djeliću sekunde, temperatura materijala grijaće površine raste za stotine stupnjeva, i samo ako je zid dovoljno vatrostalan, kriza se uspješno završava novim stacionarnim stanjem koje odgovara području ključanja filma na vrlo visokoj površinskoj temperaturi. . Na sl. 3.2, ovaj krizni prijelaz od ključanja jezgra do filmskog ključanja uvjetno je prikazan strelicom kao “skok” sa krivulje ključanja jezgra na liniju ključanja filma pri istom toplinskom opterećenju. q cr1 . Međutim, to je obično praćeno topljenjem i uništavanjem grijaće površine (njeno izgaranje).
Druga karakteristika je da ako je došlo do krize i uspostavljen je režim ključanja filma (površina se nije srušila), onda će se sa smanjenjem toplotnog opterećenja, filmsko ključanje nastaviti, tj. sada će se dogoditi obrnuti proces duž filmska linija ključanja (slika 3.2). Tek po dolasku q kr2, tečnost počinje periodično da stiže (kvasi) grejnu površinu na različitim tačkama. Odvođenje toplote se povećava i premašuje uloženu toplotu, usled čega dolazi do brzog hlađenja površine, koje ima i krizni karakter. Dolazi do brze promjene režima i uspostavlja se stacionarno nukleatno vrenje. Ova obrnuta tranzicija (druga kriza) na Sl. 3.2 je takođe konvencionalno prikazan strelicom kao "skok" sa krivulje ključanja filma na liniju ključanja jezgra na q = q cr2 .
Dakle, pod uslovima fiksne vrednosti gustine toplotnog toka q dovedeni na ogrjevnu površinu, oba prijelaza s mjehurića na film i obrnuto su krizne prirode. Javljaju se pri kritičnim gustinama toplotnog toka q kr1 i q cr2, respektivno. U ovim uslovima, prelazni način ključanja ne može postojati stacionaran, on je nestabilan.
U praksi se široko koriste metode odvođenja topline kada se tekućina ključanja kreće unutar cijevi ili kanala različitih oblika. Dakle, procesi stvaranja pare se odvijaju zbog ključanja vode koja se kreće unutar kotlovskih cijevi. Toplota se na površinu cijevi dovodi iz vrućih produkata sagorijevanja goriva uslijed zračenja i konvektivnog prijenosa topline.
Za proces ključanja tečnosti koja se kreće unutar ograničenog volumena cijevi (kanala) ostaju važeći gore opisani uvjeti, ali uz to se pojavljuju i brojne nove karakteristike.
vertikalna cijev. Cev ili kanal je ograničeni sistem u kojem, tokom kretanja tečnosti koja ključa, dolazi do neprekidnog povećanja parne faze i smanjenja tečne faze. U skladu s tim, hidrodinamička struktura toka se mijenja i po dužini i po poprečnom presjeku cijevi. Shodno tome, mijenja se i prijenos topline.
Postoje tri glavna područja sa različitom strukturom toka fluida duž dužine vertikalne cijevi kada se tok kreće odozdo prema gore (slika 3.4): I- prostor za grijanje (odjeljak ekonomajzera, do dijela cijevi, gdje T c \u003d T n); II- područje ključanja (odsjek isparavanja, od dijela gdje T c \u003d T n, i f<i n, do sekcije, gdje T c \u003d T n, i cm→i n); III- područje sušenja vlažne pare.
Odjeljak za isparavanje uključuje područja s površinskim ključanjem zasićene tekućine.
Na sl. 3.4 shematski prikazuje strukturu takvog toka. Sekcija 1 odgovara zagrijavanju jednofazne tekućine do temperature zasićenja (odjeljak ekonomajzera). U sekciji 2 dolazi do površinskog nukleatnog ključanja, pri čemu se prenos toplote povećava u odnosu na sekciju 2. U sekciji 3 odvija se režim emulzije, u kojem se dvofazno strujanje sastoji od tečnosti i relativno malih mehurića ravnomerno raspoređenih u njoj, koji nakon toga se spajaju, formirajući velike mjehuriće - čepove srazmjerne promjeru cijevi. U režimu čepa (odjeljak 4), para se kreće u obliku zasebnih velikih mjehurića-čepova, razdvojenih međuslojevima emulzije para-tečnost. Dalje, u sekciji 5, mokra para se kreće u kontinuiranoj masi u jezgru toka i tankom prstenastom sloju tekućine u blizini zida cijevi. Debljina ovog sloja tečnosti postepeno se smanjuje. Ovaj dio odgovara prstenastom režimu ključanja, koji se završava kada tečnost nestane sa zida. U odeljku 6 dolazi do sušenja parom (povećanje stepena suvoće parom). Pošto je proces ključanja završen, prenos toplote se smanjuje. U budućnosti, zbog povećanja specifičnog volumena pare, brzina pare se povećava, što dovodi do određenog povećanja prijenosa topline.
Slika 3.4 – Struktura protoka kada tečnost ključa unutar vertikalne cevi
Povećanje brzine cirkulacije u datom trenutku q sa, dužina cijevi i ulazna temperatura dovodi do smanjenja područja s razvijenim ključanjem i povećanja dužine dijela ekonomajzera; sa povećanjem q sa pri datoj brzini, naprotiv, dužina sekcija sa razvijenim ključanjem se povećava, a dužina sekcije ekonomajzera smanjuje.
Horizontalne i nagnute cijevi. Kada se dvofazni tok kreće unutar cijevi smještenih vodoravno ili s blagim nagibom, osim promjene strukture toka po dužini, dolazi do značajne promjene strukture duž perimetra cijevi. Dakle, ako su brzina cirkulacije i sadržaj pare u protoku mali, dolazi do raslojavanja dvofaznog toka u tečnu fazu koja se kreće u donjem dijelu cijevi, a para koja se kreće u gornjem dijelu ( Slika 3.5, A). Daljnjim povećanjem sadržaja pare i brzine cirkulacije, granica između parne i tekuće faze poprima valni karakter, a tekućina periodično vlaži gornji dio cijevi s valovitim vrhovima. Sa daljim povećanjem sadržaja pare i brzine, talasno kretanje na granici faza se povećava, što dovodi do delimičnog izbacivanja tečnosti u područje pare. Kao rezultat toga, dvofazno strujanje poprima karakter strujanja, prvo bliskog strujanju, a zatim prstenastom.
Rice. 3.5 - Struktura toka tokom ključanja tečnosti unutar horizontalne cijevi.
A– slojeviti način ključanja; b– način rada štapa; 1 - para; 2 - tečnost.
U prstenastom načinu rada uspostavlja se kretanje tankog sloja tekućine duž cijelog perimetra cijevi, mješavina para-tečnost se kreće u jezgru toka (slika 3.5, b). Međutim, čak ni u ovom slučaju nije uočena potpuna aksijalna simetrija u strukturi protoka.
ako je intenzitet dovoda toplote na zidove cevi dovoljno visok, tada do procesa ključanja može doći i kada se tok u cevi pothladi na temperaturu zasićenja tečnosti.Takav proces se dešava kada temperatura zida tc prelazi temperaturu zasićenja t s . zatvara granični sloj tečnosti direktno na zidu. Mjehurići pare koji ulaze u hladno jezgro toka brzo se kondenzuju. Ova vrsta ključanja se zove ključanje sa pothlađivanjem.
Uklanjanje topline u načinu ključanja s mjehurićima jedna je od najnaprednijih metoda hlađenja grijaće površine. Nalazi široku primjenu u tehničkim uređajima.
3.1.2. Prenos toplote tokom ključanja jezgra.
Zapažanja pokazuju da s povećanjem temperaturne razlike Δ t = tc-t s, kao i pritisak R na površini grijanja povećava se broj aktivnih centara isparavanja. Kao rezultat, sve veći broj mjehurića kontinuirano nastaje, raste i odvaja se od grijaće površine. Kao rezultat toga, turbulencija i miješanje graničnog sloja tekućine uz zid se povećava. Prilikom rasta na površini grijanja, mjehurići također intenzivno preuzimaju toplinu iz graničnog sloja. Sve to doprinosi poboljšanju prijenosa topline. Općenito, proces ključanja jezgara je prilično haotičan.
Istraživanja pokazuju da broj centara isparavanja na tehničkim grijaćim površinama ovisi o materijalu, strukturi i mikrohrapavosti površine, prisutnosti heterogenosti sastava površine i plina (vazduha) adsorbiranog na površini. Primjetan učinak imaju različiti napadi, oksidni filmovi, kao i bilo koje druge inkluzije.
Zapažanja pokazuju da u realnim uslovima centri isparavanja obično služe kao pojedinačni elementi površinske hrapavosti i mikrohrapavosti (poželjno različite udubljenja i udubljenja).
Obično je broj centara isparavanja na novim površinama veći nego na istim površinama nakon dužeg ključanja. To je uglavnom zbog prisustva plina adsorbiranog na površini. S vremenom se plin postepeno uklanja, miješa se s parom u rastućim mjehurićima i odvodi u prostor pare. Proces ključanja i prenos toplote se stabilizuju u vremenu i intenzitetu.
Na uslove za stvaranje mehurića pare u velikoj meri utiče površinska napetost na granici između tečnosti i pare.
Zbog površinske napetosti, pritisak pare unutar mjehura R n iznad pritiska fluida koji ga okružuje R i. Njihova razlika je određena Laplaceovom jednačinom
gdje je σ površinski napon; R je radijus balona.
Laplaceova jednačina izražava uslov mehaničke ravnoteže. Pokazuje da površinski napon, poput elastične ljuske, "komprimira" paru u mjehuru, a što je jači, to je manji njegov polumjer. R.
Ovisnost pritiska pare u mjehuriću o njegovoj veličini nameće karakteristike uvjeta toplinske ili termodinamičke ravnoteže malih mjehurića. Para u mjehuru i tekućina na njegovoj površini su u ravnoteži ako površina tekućine ima temperaturu jednaku temperaturi zasićenja pri tlaku pare u mjehuru, t s( R P). Ova temperatura je viša od temperature zasićenja pri vanjskom pritisku u tekućini t s( R i). Stoga, da bi se postigla termička ravnoteža, tečnost oko mjehurića mora biti pregrijana za određenu količinu t s( R P)- t s( R i).
Sljedeća karakteristika je da se ispostavlja da je ova ravnoteža nestabilno. Ako temperatura tekućine malo prijeđe ravnotežnu vrijednost, tada će dio tekućine ispariti u mjehuriće i njen polumjer će se povećati. U ovom slučaju, prema Laplaceovoj jednačini, pritisak pare u mjehuru će se smanjiti. To će dovesti do novog odstupanja od ravnotežnog stanja. Balon će početi da raste u nedogled. Također, uz blagi pad temperature tekućine, dio pare će se kondenzirati, veličina mjehurića će se smanjiti, a tlak pare u njemu će se povećati. To će za sobom povući dalje odstupanje od ravnotežnih uslova, sada u drugom pravcu. Kao rezultat toga, mjehur će se potpuno kondenzirati i nestati.
Shodno tome, u pregrijanoj tekućini, nisu nikakvi slučajno formirani mali mjehurići sposobni za daljnji rast, već samo oni čiji radijus prelazi vrijednost koja odgovara uvjetima nestabilne mehaničke i termičke ravnoteže koji su gore razmatrani. Ovo minimalna vrijednost
gdje je derivacija fizička karakteristika date supstance, određena je Clapeyron-Clausis jednačinom
tj. izražava se u terminima drugih fizičkih konstanti: toplina faznog prijelaza r, gustina pare ρ p i tečnosti ρ w i apsolutnu temperaturu zasićenja Ts.
Jednadžba (3-2) pokazuje da ako se na određenim točkama grijaće površine pojavljuju jezgre pare, onda samo one čiji radijus zakrivljenosti prelazi vrijednost Rmin. Budući da sa povećanjem Δ t magnitude Rmin opada, objašnjava jednačina (3-2).
eksperimentalno uočena činjenica povećanja broja centara isparavanja s povećanjem površinske temperature.
Povećanje broja centara isparavanja sa povećanjem pritiska je takođe povezano sa smanjenjem Rmin, jer kako se pritisak povećava, vrijednost p's raste i σ smanjuje se. Proračuni pokazuju da za vodu koja ključa pri atmosferskom pritisku, na Δ t= 5°S Rmin= 6,7 µm, i na Δ t= 25°S Rmin= 1,3 µm.
Zapažanja napravljena korištenjem snimanja velikih brzina pokazuju da pri fiksnom režimu ključanja, učestalost stvaranja mjehurića pare nije ista kako na različitim mjestima na površini tako iu vremenu. To daje procesu ključanja složen statistički karakter. U skladu s tim, stope rasta i veličine odvajanja različitih mehurića također karakteriziraju nasumična odstupanja oko nekih prosječnih vrijednosti.
Nakon što mjehur dostigne određenu veličinu, odvaja se od površine. Veličina za otkidanje je određena uglavnom interakcijom gravitacije, površinske napetosti i inercije. Posljednja vrijednost je dinamička reakcija koja se javlja u tekućini zbog brzog rasta mjehurića u veličini. Obično ova sila sprečava da se mehurići odlome. Osim toga, priroda razvoja i odvajanja mjehurića u velikoj mjeri ovisi o tome da li tekućina vlaži površinu ili ne. Sposobnost vlaženja tečnosti karakteriše kontaktni ugao θ, koji se formira između zida i slobodne površine tečnosti. Što je veći θ, to je lošija sposobnost vlaženja tečnosti. Općenito je prihvaćeno da za θ<90° (рис. 3.6, A), tečnost vlaži površinu, ali pri θ >90° ne. Vrijednost kontaktnog ugla ovisi o prirodi tekućine, materijalu, stanju i čistoći površine. Ako kipuća tečnost navlaži površinu za grijanje, tada mjehurići pare imaju tanku nogu i lako se skidaju s površine (slika 3.7, A). Ako tečnost ne navlaži površinu, tada mjehurići pare imaju široku nogu (slika 3.7, b) i odlijeću duž prevlake, ili dolazi do isparavanja po cijeloj površini.
Kipuće- ovo je isparavanje koje se dešava istovremeno i sa površine i po celoj zapremini tečnosti. Sastoji se od toga da brojni mjehurići iskaču i pucaju, uzrokujući karakteristično kiptanje.
Kao što pokazuje iskustvo, ključanje tečnosti pri datom vanjskom pritisku počinje na sasvim određenoj temperaturi koja se ne mijenja tokom procesa ključanja i može se dogoditi samo kada se energija dovodi izvana kao rezultat prijenosa topline (slika 1) :
gdje je L specifična toplina isparavanja na tački ključanja.
Mehanizam ključanja: uvijek postoji otopljeni plin u tekućini, čiji stupanj rastvaranja opada s povećanjem temperature. Osim toga, na zidovima posude postoji adsorbirani plin. Kada se tečnost zagreje odozdo (slika 2), gas počinje da se razvija u obliku mehurića u blizini zidova posude. Tečnost isparava u ove mehuriće. Stoga, osim zraka, sadrže i zasićenu paru, čiji se tlak brzo povećava s povećanjem temperature, a mjehurići rastu u volumenu, a samim tim i Arhimedove sile koje djeluju na njih. Kada sila uzgona postane veća od gravitacije mehurića, on počinje da pluta. Ali sve dok se tečnost ne zagreje ravnomerno, kako se diže, volumen mjehurića se smanjuje (pritisak zasićene pare opada sa smanjenjem temperature) i, prije nego što dosegnu slobodnu površinu, mjehurići nestaju (kolapse) (slika 2, a), zbog čega čujemo karakterističan šum prije ključanja. Kada se temperatura tečnosti izjednači, zapremina mjehurića će se povećavati kako se diže, jer se pritisak zasićene pare ne mijenja, a vanjski pritisak na mjehur, koji je zbir hidrostatskog pritiska tečnosti iznad mjehurića a atmosferski pritisak se smanjuje. Mjehurić dospije do slobodne površine tečnosti, pukne, a zasićena para izlazi (slika 2, b) - tečnost proključa. Pritisak pare zasićenja u mjehurićima je praktično jednak vanjskom pritisku.
Temperatura pri kojoj je pritisak zasićene pare tečnosti jednak spoljašnjem pritisku na njenoj slobodnoj površini naziva se tačka ključanja tečnosti.
Pošto pritisak zasićene pare raste sa povećanjem temperature, a tokom ključanja treba da bude jednak spoljašnjem pritisku, temperatura ključanja raste sa povećanjem spoljašnjeg pritiska.
Tačka ključanja također ovisi o prisutnosti nečistoća, koja se obično povećava sa povećanjem koncentracije nečistoća.
Ako se tečnost prvo oslobodi gasa rastvorenog u njoj, onda se može pregrijati, tj. toplote iznad tačke ključanja. Ovo je nestabilno stanje tečnosti. Dovoljno malo mućkanja i tečnost proključa, a njena temperatura odmah pada na tačku ključanja.
Sve što nas okružuje u svakodnevnom životu može se predstaviti kao fizički i hemijski procesi. Neprestano izvodimo mnogo manipulacija koje su izražene formulama i jednadžbama, a da to i ne znamo. Jedan od ovih procesa je ključanje. Ovo je fenomen koji apsolutno sve domaćice koriste tokom kuvanja. Čini nam se potpuno uobičajenim. Ali pogledajmo proces ključanja sa naučne tačke gledišta.
Vrenje - šta je to?
Još iz školskog kursa fizike poznato je da materija može biti u tečnom i gasovitom stanju. Proces pretvaranja tečnosti u stanje pare je ključanje. To se događa samo kada se postigne ili prekorači određeni temperaturni režim. Učestvuje u ovom procesu i pritisak, to se mora uzeti u obzir. Svaka tečnost ima svoju tačku ključanja, što izaziva stvaranje pare.
Ovo je suštinska razlika između ključanja i isparavanja koje se dešava pri bilo kom temperaturnom režimu tečnosti.
Kako nastaje ključanje?
Ako ste ikada prokuvali vodu u staklenoj posudi, primetili ste stvaranje mehurića na zidovima posude u procesu zagrevanja tečnosti. Nastaju zbog činjenice da se u mikropukotinama posuđa nakuplja zrak, koji se, kada se zagrije, počinje širiti. Mjehurići se sastoje od tečne pare pod pritiskom. Ovi parovi se nazivaju zasićeni. Kako se tečnost zagrijava, pritisak u mjehurićima zraka raste i oni se povećavaju u veličini. Naravno, počinju da se uzdižu na vrh.
Ali, ako tečnost još nije dostigla tačku ključanja, tada se u gornjim slojevima mjehurići hlade, pritisak se smanjuje i završavaju na dnu posude, gdje se ponovo zagrijavaju i dižu. Ovaj proces je poznat svakoj domaćici, kao da voda počinje da šumi. Čim se temperatura tečnosti u gornjem i donjem sloju izjednači, mjehurići počinju izlaziti na površinu i pucati - dolazi do ključanja. To je moguće samo kada pritisak unutar mehurića postane isti kao i pritisak same tečnosti.
Kao što smo već spomenuli, svaka tekućina ima svoj temperaturni režim, pri kojem počinje proces ključanja. Štoviše, tijekom cijelog procesa temperatura tvari ostaje nepromijenjena, sva oslobođena energija se troši na isparavanje. Stoga lonci izgaraju kod nemarnih domaćica - sav njihov sadržaj proključa, a sam spremnik se počinje zagrijavati.
Tačka ključanja je direktno proporcionalna pritisku koji se vrši na cijelu tekućinu, tačnije na njenu površinu. U školskom kursu fizike naznačeno je da voda počinje da ključa na temperaturi od sto stepeni Celzijusa. Ali malo ljudi se sjeća da je ova izjava istinita samo pod uslovima normalnog pritiska. Normom se smatra vrijednost od sto i jedan kilopaskal. Ako se pritisak poveća, tečnost će ključati na drugoj temperaturi.
Ovo fizičko svojstvo koriste proizvođači modernih kućanskih aparata. Primjer bi bio ekspres lonac. Sve domaćice znaju da se u takvim uređajima hrana kuha mnogo brže nego u konvencionalnim tavama. Sa čime je to povezano? Sa pritiskom koji se formira u ekspres loncu. To je duplo više od norme. Dakle, voda ključa na otprilike sto dvadeset stepeni Celzijusa.
Ako ste ikada bili u planinama, vidjeli ste obrnuti proces. Na visini voda počinje ključati na devedeset stepeni, što uvelike otežava proces kuhanja. Lokalno stanovništvo i penjači koji sve svoje slobodno vrijeme provode u planinama dobro su svjesni ovih poteškoća.
Još malo o ključanju
Mnogi su čuli za izraz "tačka ključanja" i vjerovatno su iznenađeni što ga nismo spomenuli u članku. U stvari, to smo već opisali. Nemojte žuriti da pročitate tekst. Činjenica je da se u fizici tačka i temperatura procesa ključanja smatraju identičnima.
U naučnom svijetu, razdvajanje u ovoj terminologiji vrši se samo u slučaju miješanja različitih tečnih supstanci. U takvoj situaciji određuje se upravo tačka ključanja, i to najmanja od svih mogućih. Ona je ta koja se uzima kao norma za sve sastavne dijelove smjese.
Voda: zanimljive činjenice o fizičkim procesima
U laboratorijskim eksperimentima fizičari uvijek uzimaju tekućinu bez nečistoća i stvaraju apsolutno idealne vanjske uvjete. Ali u životu se sve događa malo drugačije, jer vodu često posolimo ili joj dodamo razne začine. Koja će biti tačka ključanja u ovom slučaju?
Slana voda zahteva višu temperaturu da proključa nego slatka voda. To je zbog nečistoća natrijuma i hlora. Njihovi se molekuli međusobno sudaraju, a za njihovo zagrijavanje je potrebna mnogo veća temperatura. Postoji određena formula koja vam omogućava da izračunate točku ključanja slane vode. Imajte na umu da šezdeset grama soli po litri vode povećava tačku ključanja za deset stepeni.
Može li voda da ključa u vakuumu? Naučnici su dokazali da može. To je samo tačka ključanja u ovom slučaju bi trebalo da dostigne granicu od tri stotine stepeni Celzijusa. Uostalom, u vakuumu je pritisak samo četiri kilopaskala.
Svi prokuvamo vodu u kotliću, pa nam je poznat tako neugodan fenomen kao što je "skala". Šta je to i zašto nastaje? U stvari, sve je jednostavno: slatka voda ima različit stepen tvrdoće. Određuje se količinom nečistoća u tečnosti, najčešće sadrži različite soli. U procesu ključanja pretvaraju se u sediment i u velikim količinama se pretvaraju u kamenac.
Može li alkohol da proključa?
Alkohol koji ključa koristi se u procesu kuhanja mjesečine i naziva se destilacija. Ovaj proces direktno zavisi od količine vode u rastvoru alkohola. Ako za osnovu uzmemo čisti etilni alkohol, tada će njegova tačka ključanja biti blizu sedamdeset osam stepeni Celzijusa.
Ako alkoholu dodate vodu, temperatura ključanja tečnosti se povećava. U zavisnosti od koncentracije rastvora, ključaće u rasponu od sedamdeset osam stepeni do sto stepeni Celzijusa. Naravno, tokom procesa ključanja alkohol će se pretvoriti u paru u kraćem vremenskom intervalu od vode.
Vrenje je proces promjene agregatnog stanja tvari. Kada govorimo o vodi, mislimo na promjenu iz tečnosti u paru. Važno je napomenuti da ključanje nije isparavanje, koje se može dogoditi čak i na sobnoj temperaturi. Također, nemojte brkati s ključanjem, što je proces zagrijavanja vode do određene temperature. Sada kada smo razumjeli koncepte, možemo odrediti na kojoj temperaturi voda ključa.
Proces
Sam proces transformacije agregatnog stanja iz tečnog u gasovito je složen. Iako ljudi to ne vide, postoje 4 faze:
- U prvoj fazi na dnu zagrijane posude formiraju se mali mjehurići. Mogu se vidjeti i sa strane ili na površini vode. Nastaju zbog širenja mjehurića zraka, koji su uvijek prisutni u pukotinama rezervoara, gdje se voda zagrijava.
- U drugoj fazi, volumen mjehurića se povećava. Svi oni počinju juriti na površinu, jer se u njima nalazi zasićena para, koja je lakša od vode. Sa povećanjem temperature zagrijavanja, pritisak mjehurića raste, a oni se guraju na površinu zahvaljujući dobro poznatoj Arhimedovoj sili. U tom slučaju možete čuti karakterističan zvuk ključanja, koji nastaje zbog stalnog širenja i smanjenja veličine mjehurića.
- U trećoj fazi na površini se može vidjeti veliki broj mjehurića. Ovo u početku stvara zamućenost u vodi. Ovaj proces se popularno naziva "kuhanje bijelim ključem", a traje kratko.
- U četvrtoj fazi, voda intenzivno ključa, na površini se pojavljuju veliki mjehurići koji pucaju, a mogu se pojaviti i prskanje. Najčešće prskanje znače da je tečnost dostigla svoju maksimalnu temperaturu. Para će početi da izlazi iz vode.
Poznato je da voda ključa na temperaturi od 100 stepeni, što je moguće tek u četvrtoj fazi.
Temperatura pare
Para je jedno od stanja vode. Kada uđe u vazduh, tada, kao i drugi gasovi, vrši određeni pritisak na njega. Tokom isparavanja, temperatura pare i vode ostaje konstantna sve dok cijela tekućina ne promijeni svoje agregacijsko stanje. Ovaj fenomen se može objasniti činjenicom da se tokom ključanja sva energija troši na pretvaranje vode u paru.
Na samom početku ključanja nastaje vlažna zasićena para, koja nakon isparavanja sve tečnosti postaje suha. Ako njegova temperatura počne prelaziti temperaturu vode, tada se takva para pregrijava, a po svojim karakteristikama bit će bliža plinu.
Kipuća slana voda
Zanimljivo je znati na kojoj temperaturi ključa voda sa visokim sadržajem soli. Poznato je da bi trebao biti veći zbog sadržaja Na+ i Cl- jona u sastavu, koji zauzimaju prostor između molekula vode. Ovaj hemijski sastav vode sa solju razlikuje se od uobičajene sveže tečnosti.
Činjenica je da se u slanoj vodi odvija reakcija hidratacije - proces vezivanja molekula vode na jone soli. Veza između molekula slatke vode je slabija od onih nastalih tokom hidratacije, pa će ključanje tekućine s otopljenom soli trajati duže. Kako temperatura raste, molekuli u vodi koja sadrži sol kreću se brže, ali ih je sve manje, zbog čega se sudari među njima rjeđe događaju. Kao rezultat, proizvodi se manje pare i njen pritisak je stoga niži od glave pare slatke vode. Stoga je za potpuno isparavanje potrebno više energije (temperature). U prosjeku, da prokuha jedan litar vode koja sadrži 60 grama soli, potrebno je podići tačku ključanja vode za 10% (odnosno za 10 C).
Zavisnosti od pritiska ključanja
Poznato je da će u planinama, bez obzira na hemijski sastav vode, tačka ključanja biti niža. To je zato što je atmosferski pritisak niži na nadmorskoj visini. Normalnim pritiskom se smatra 101,325 kPa. Sa njim, tačka ključanja vode je 100 stepeni Celzijusa. Ali ako se popnete na planinu, gdje je pritisak u prosjeku 40 kPa, tada će voda tamo ključati na 75,88 C. Ali to ne znači da će kuhanje u planinama trajati skoro pola vremena. Za toplinsku obradu proizvoda potrebna je određena temperatura.
Vjeruje se da će na nadmorskoj visini od 500 metara voda ključati na 98,3 C, a na visini od 3000 metara tačka ključanja će biti 90 C.
Imajte na umu da ovaj zakon djeluje i u suprotnom smjeru. Ako se tečnost stavi u zatvorenu tikvicu kroz koju para ne može da prođe, onda kako temperatura raste i nastaje para, pritisak u ovoj boci će porasti, a ključanje pri povišenom pritisku će se desiti na višoj temperaturi. Na primjer, pri pritisku od 490,3 kPa, tačka ključanja vode će biti 151 C.
Kipuća destilovana voda
Destilirana voda je pročišćena voda bez ikakvih nečistoća. Često se koristi u medicinske ili tehničke svrhe. S obzirom da u takvoj vodi nema nečistoća, ona se ne koristi za kuvanje. Zanimljivo je napomenuti da destilovana voda ključa brže od obične slatke vode, ali tačka ključanja ostaje ista - 100 stepeni. Međutim, razlika u vremenu ključanja bit će minimalna - samo djelić sekunde.
u čajniku
Često ljude zanima na kojoj temperaturi voda ključa u kotliću, jer upravo ti uređaji koriste za kuhanje tekućine. Uzimajući u obzir činjenicu da je atmosferski pritisak u stanu jednak standardnom, a voda koja se koristi ne sadrži soli i druge nečistoće kojih ne bi trebalo biti, tada će i tačka ključanja biti standardna - 100 stepeni. Ali ako voda sadrži sol, tada će tačka ključanja, kao što već znamo, biti viša.
Zaključak
Sada znate na kojoj temperaturi voda ključa i kako atmosferski pritisak i sastav tečnosti utiču na ovaj proces. U tome nema ništa komplikovano, a djeca takve informacije dobijaju u školi. Glavna stvar koju treba zapamtiti je da se sa smanjenjem pritiska smanjuje i tačka ključanja tečnosti, a sa njenim povećanjem se i povećava.
Na internetu možete pronaći mnogo različitih tablica koje ukazuju na ovisnost točke ključanja tekućine od atmosferskog tlaka. Dostupni su svima i aktivno ih koriste školarci, studenti, pa čak i nastavnici u institutima.
Proces ključanja vode sastoji se od tri faze:
- početak prve faze - klizanje sa dna kotla ili bilo koje druge posude u kojoj se voda dovodi do ključanja, sitni mjehurići zraka i pojava novih mehurića na površini vode. Postepeno se broj takvih mjehurića povećava.
- Na drugom faze ključanja vode dolazi do ogromnog brzog dizanja mjehurića prema gore, uzrokujući najprije neznatnu zamućenost vode, koja se zatim pretvara u „bijeljenje“, u kojem voda izgleda kao mlaz izvora. Ova pojava se zove ključanje bijeli ključ i izuzetno kratka.
- treća faza je praćena intenzivnim procesima ključanja vode, pojavom velikih mehurića koji pucaju i prskanja po površini. Velika količina prskanja znači da je voda jako proključala.
Usput, ako volite piti čaj kuhan s čistom prirodnom vodom, onda možete naručiti ovo bez napuštanja kuće, na web stranici, na primjer: http://www.aqualeader.ru/. Nakon toga, kompanija za dostavu vode će je donijeti u Vašu kuću.
Jednostavni posmatrači dugo su obraćali pažnju na činjenicu da su sve tri faze ključanja vode praćene različitim zvukovima. Voda u prvoj fazi stvara suptilan suptilan zvuk. U drugoj fazi, zvuk se pretvara u buku, koja podsjeća na zujanje roja pčela. U trećoj fazi, zvuci kipuće vode gube svoju uniformnost i postaju oštri i glasni, rastući haotično.
Sve faze ključanja vode lako provjeriti iskustvom. Počevši sa zagrijavanjem vode u otvorenoj staklenoj posudi i periodičnim mjerenjem temperature, nakon kratkog vremenskog perioda počet ćemo uočavati mjehuriće koji prekrivaju dno i zidove posude.
Pogledajmo pobliže balon koji se pojavljuje pri dnu. Postepeno povećavajući volumen, mjehur također povećava površinu kontakta sa zagrijanom vodom, koja još nije dostigla visoku temperaturu. Kao rezultat toga, para i zrak unutar mjehurića se hlade, zbog čega se njihov pritisak smanjuje, a gravitacija vode puca u mjehur. U ovom trenutku voda emituje zvuk karakterističan za ključanje, koji nastaje zbog sudara vode s dnom rezervoara na onim mjestima gdje mjehurići pucaju.
Kako se temperatura u donjim slojevima vode približava 100 stepeni Celzijusa, pritisak unutar mehurića se izjednačava sa pritiskom vode na njih, usled čega se mehurići postepeno šire. Povećanje volumena mjehurića također dovodi do povećanja djelovanja sile uzgona na njih, pod čijim utjecajem se najobimniji mjehurići odvajaju od zidova posude i brzo se dižu prema gore. U slučaju da gornji sloj vode još nije dostigao 100 stepeni, tada mehur, padajući u hladniju vodu, gubi deo vodene pare koja se kondenzuje i odlazi u vodu. U tom slučaju mjehurići opet smanjuju veličinu i padaju pod utjecajem gravitacije. Blizu dna ponovo dobijaju volumen i dižu se, a upravo te promjene veličine mjehurića stvaraju karakterističan zvuk kipuće vode.
Dok cijela zapremina vode dostigne 100 stepeni, mjehurići koji se dižu više se ne smanjuju u veličini, već pucaju na samoj površini vode. U tom slučaju para se ispušta napolje, praćeno karakterističnim grkljanjem - to znači da voda ključa. Temperatura na kojoj tečnost dostigne ključanje zavisi od pritiska koji doživljava njena slobodna površina. Što je pritisak veći, to je veća potrebna temperatura i obrnuto.
Ta voda ključa 100 stepeni Celzijusa- dobro poznata činjenica. Ali vrijedi uzeti u obzir da takva temperatura vrijedi samo pod uvjetom normalnog atmosferskog tlaka (oko 101 kilopascal). Kako pritisak raste, tako se povećava i temperatura na kojoj tečnost dostigne ključanje. Na primjer, u ekspres loncu hrana se kuha pod pritiskom koji se približava 200 kilopaskala, pri čemu je tačka ključanja vode 120 stepeni. U vodi sa ovom temperaturom, ključanje se odvija mnogo brže nego na normalnoj tački ključanja - otuda i naziv tiganja.
Shodno tome, snižavanje pritiska snižava tačku ključanja vode. Na primjer, stanovnici planinskih područja koji žive na nadmorskoj visini od 3 kilometra postižu ključanje vode brže od stanovnika ravnica - sve faze ključanja vode se odvijaju brže, jer je za to potrebno samo 90 stepeni pri pritisku od 70 kilopaskala. Ali stanovnici planina ne mogu skuvati, na primjer, kokošje jaje, jer je minimalna temperatura na kojoj se protein koagulira samo 100 stepeni Celzijusa.
