ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΤΑ ΤΟ ΒΡΑΣΜΑ ΚΑΙ ΤΗ ΣΥΜΠΥΚΝΩΣΗ
ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΤΑ ΤΟ ΒΡΑΣΜΑ
Βρασμόςείναι η διαδικασία έντονης εξάτμισης που συμβαίνει σε ολόκληρο τον όγκο ενός υγρού που βρίσκεται σε θερμοκρασία κορεσμού ή ελαφρώς υπερθερμασμένο σε σχέση με τη θερμοκρασία κορεσμού, με το σχηματισμό φυσαλίδων ατμού. Κατά τη διαδικασία μετασχηματισμού φάσης, η θερμότητα της εξάτμισης απορροφάται. Η διαδικασία βρασμού συνήθως περιλαμβάνει την προσθήκη θερμότητας σε ένα βραστό υγρό.
Τρόποι βρασμού υγρού.
Γίνεται διάκριση μεταξύ του βρασμού υγρών σε μια στερεή επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας, στην οποία παρέχεται θερμότητα από το εξωτερικό, και του βρασμού στο μεγαλύτερο μέρος του υγρού.
Όταν βράζει σε στερεά επιφάνεια, παρατηρείται σχηματισμός ατμικής φάσης σε ορισμένα σημεία αυτής της επιφάνειας. Με τον όγκο βρασμού, η φάση ατμού προκύπτει αυθόρμητα απευθείας στον όγκο του υγρού με τη μορφή μεμονωμένων φυσαλίδων ατμού. Ο όγκος βρασμού μπορεί να συμβεί μόνο όταν η υγρή φάση υπερθερμανθεί σημαντικά σε σχέση με τη θερμοκρασία κορεσμού σε μια δεδομένη πίεση από το βρασμό σε μια στερεή επιφάνεια. Μπορεί να συμβεί σημαντική υπερθέρμανση, για παράδειγμα, όταν η πίεση στο σύστημα εκτονώνεται γρήγορα. Ο όγκος βρασμού μπορεί να συμβεί όταν υπάρχουν εσωτερικές πηγές θερμότητας στο υγρό.
Στη σύγχρονη ενέργεια και τεχνολογία, συνήθως συναντώνται διαδικασίες βρασμού σε στερεές επιφάνειες θέρμανσης (επιφάνειες σωλήνων, τοιχώματα καναλιών κ.λπ.). Αυτός ο τύπος βρασμού συζητείται κυρίως παρακάτω.
Ο μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας κατά τον βρασμό των πυρηνικών διαφέρει από τον μηχανισμό μεταφοράς θερμότητας κατά τη μεταφορά ενός μονοφασικού υγρού από την παρουσία πρόσθετης μεταφοράς μάζας ύλης και θερμότητας από φυσαλίδες ατμού από το οριακό στρώμα στον όγκο του υγρού που βράζει. Αυτό οδηγεί σε υψηλή ένταση μεταφοράς θερμότητας κατά τη διάρκεια του βρασμού σε σύγκριση με τη μεταφορά ενός μονοφασικού υγρού.
Για να συμβεί η διαδικασία βρασμού, πρέπει να πληρούνται δύο προϋποθέσεις: η παρουσία υπερθέρμανσης του υγρού σε σχέση με τη θερμοκρασία κορεσμού και η παρουσία κέντρων εξάτμισης.
Η υπερθέρμανση του υγρού έχει μέγιστη τιμή απευθείας στη θερμαινόμενη επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας. Σε αυτό υπάρχουν κέντρα σχηματισμού ατμού με τη μορφή ανωμαλιών τοιχωμάτων, φυσαλίδων αέρα, σωματιδίων σκόνης κ.λπ. Επομένως, ο σχηματισμός φυσαλίδων ατμού συμβαίνει απευθείας στην επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας.
Εικόνα 3.1 – τρόποι βρασμού υγρού σε απεριόριστο όγκο: α) αφρώδης. β) – μεταβατικό· γ) - ταινία
Στο Σχ. 3.1. δείχνει σχηματικά τα σχήματα βρασμού ενός υγρού σε απεριόριστο όγκο. Στο λειτουργία φούσκαςβράζει (Εικ. 3.1, α) καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία της επιφάνειας θέρμανσης t γκαι κατά συνέπεια, ο αριθμός των ενεργών κέντρων εξάτμισης αυξάνεται και η διαδικασία βρασμού γίνεται όλο και πιο έντονη. Οι φυσαλίδες ατμού αποσπώνται περιοδικά από την επιφάνεια και, επιπλέοντας στην ελεύθερη επιφάνεια, συνεχίζουν να αυξάνονται σε όγκο.
Με αυξανόμενη πίεση θερμοκρασίας Δ tη ροή θερμότητας, η οποία απομακρύνεται από την επιφάνεια θέρμανσης προς το βραστό υγρό, αυξάνεται σημαντικά. Όλη αυτή η θερμότητα χρησιμοποιείται τελικά για τη δημιουργία ατμού. Επομένως, η εξίσωση ισορροπίας θερμότητας για βρασμό έχει τη μορφή:
Οπου Q- ροή θερμότητας, W; r- θερμότητα μετάβασης φάσης υγρού, J/kg. G σελ- την ποσότητα του ατμού που παράγεται ανά μονάδα χρόνου ως αποτέλεσμα του βρασμού του υγρού και απομακρύνεται από την ελεύθερη επιφάνειά του, kg/s.
Ροή θερμότητας Qμε αυξανόμενη διαφορά θερμοκρασίας Δ tδεν μεγαλώνει επ' αόριστον. Σε μια ορισμένη τιμή Δ tφτάνει στη μέγιστη τιμή του (Εικ. 3.2), και με περαιτέρω αύξηση του Δ tαρχίζει να μειώνεται.
Σχήμα 3.2 – Εξάρτηση της πυκνότητας ροής θερμότητας q
από διαφορά θερμοκρασίας Δ tόταν βράζει νερό σε μεγάλο όγκο σε ατμοσφαιρική πίεση: 1- θέρμανση σε θερμοκρασία κορεσμού. 2 – λειτουργία φούσκας. 3 – μεταβατική λειτουργία. 4 – λειτουργία φιλμ.
Δώστε τις περιοχές 1 2 3 και 4
Η λειτουργία βρασμού με φυσαλίδες λαμβάνει χώρα στο τμήμα 2 (Εικ. 3.2) μέχρι να επιτευχθεί η μέγιστη απομάκρυνση θερμότητας στο σημείο q kr1, κλήθηκε πρώτη κρίσιμη πυκνότητα ροής θερμότητας. Για νερό σε ατμοσφαιρική πίεση, η πρώτη κρίσιμη πυκνότητα ροής θερμότητας είναι ≈ W/m2. την αντίστοιχη κρίσιμη τιμή της διαφοράς θερμοκρασίας W/m 2. (Αυτές οι τιμές ισχύουν για συνθήκες βρασμού νερού με ελεύθερη κίνηση σε μεγάλο όγκο. Για άλλες συνθήκες και άλλα υγρά, οι τιμές θα είναι διαφορετικές).
Στο μεγαλύτερο Δ tέρχεται μεταβατικό καθεστώςβρασμός (Εικ. 3.1, σι). Χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι τόσο στην ίδια την επιφάνεια θέρμανσης όσο και κοντά σε αυτήν, οι φυσαλίδες συγχωνεύονται συνεχώς μεταξύ τους και σχηματίζονται μεγάλες κοιλότητες ατμού. Εξαιτίας αυτού, η πρόσβαση του υγρού στην ίδια την επιφάνεια γίνεται σταδιακά όλο και πιο δύσκολη. Σε ορισμένα σημεία στην επιφάνεια εμφανίζονται «ξηρά» σημεία. Ο αριθμός και το μέγεθός τους αυξάνονται συνεχώς όσο αυξάνεται η θερμοκρασία της επιφάνειας. Τέτοιες περιοχές εξαιρούνται, όπως ήταν, από την ανταλλαγή θερμότητας, καθώς η απομάκρυνση θερμότητας απευθείας στον ατμό γίνεται πολύ λιγότερο έντονα. Αυτό καθορίζει την απότομη μείωση της ροής θερμότητας (τμήμα 3 στο Σχ. 3.2) και του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας στην περιοχή του μεταβατικού καθεστώτος βρασμού.
Τέλος, σε μια ορισμένη πτώση θερμοκρασίας, ολόκληρη η θερμαντική επιφάνεια καλύπτεται με μια συνεχή μεμβράνη ατμού, ωθώντας το υγρό μακριά από την επιφάνεια. Από εδώ και πέρα λαμβάνει χώρα λειτουργία ταινίαςβρασμός (Εικ. 3.1, V). Σε αυτή την περίπτωση, η μεταφορά θερμότητας από την επιφάνεια θέρμανσης στο υγρό πραγματοποιείται με μεταφορά θερμότητας και ακτινοβολία μέσω του φιλμ ατμού. Η ένταση της μεταφοράς θερμότητας στη λειτουργία βρασμού μεμβράνης είναι αρκετά χαμηλή (ενότητα 4 στην Εικ. 3.2). Το φιλμ ατμού υφίσταται παλμούς. ο ατμός που συσσωρεύεται περιοδικά σε αυτό σπάει με τη μορφή μεγάλων φυσαλίδων. Τη στιγμή του βρασμού του φιλμ, το θερμικό φορτίο αφαιρείται από την επιφάνεια και, κατά συνέπεια, η ποσότητα του ατμού που δημιουργείται είναι ελάχιστη. Αυτό αντιστοιχεί στο Σχ. 3,2 βαθμοί q kr2, κλήθηκε η δεύτερη κρίσιμη πυκνότητα ροής θερμότητας.Στην ατμοσφαιρική πίεση του νερού, η στιγμή της έναρξης του βρασμού του φιλμ χαρακτηρίζεται από διαφορά θερμοκρασίας ≈150 °C, δηλαδή τη θερμοκρασία της επιφάνειας t γείναι περίπου 250°C. Καθώς η διαφορά θερμοκρασίας αυξάνεται, όλο και περισσότερη θερμότητα μεταφέρεται λόγω της ανταλλαγής θερμότητας από την ακτινοβολία.
Και οι τρεις τρόποι βρασμού μπορούν να παρατηρηθούν με αντίστροφη σειρά εάν, για παράδειγμα, ένα θερμό ογκώδες μεταλλικό προϊόν βυθιστεί σε νερό για σβήσιμο. Το νερό βράζει, στην αρχή η ψύξη του σώματος προχωρά σχετικά αργά (βρασμός μεμβράνης), μετά ο ρυθμός ψύξης αυξάνεται γρήγορα (τρόπος μετάβασης), το νερό αρχίζει να βρέχει περιοδικά την επιφάνεια και ο υψηλότερος ρυθμός μείωσης της θερμοκρασίας της επιφάνειας επιτυγχάνεται σε το τελικό στάδιο της ψύξης (πυρηνικός βρασμός). Σε αυτό το παράδειγμα, ο βρασμός συμβαίνει κάτω από ασταθείς συνθήκες με την πάροδο του χρόνου.
Στο Σχ. Το σχήμα 3.3 δείχνει μια απεικόνιση των τρόπων βρασμού με φυσαλίδες και φιλμ σε ένα ηλεκτρικά θερμαινόμενο καλώδιο σε νερό.
ρύζι. 3.3 απεικόνιση των τρόπων βρασμού με φυσαλίδες και φιλμ σε ηλεκτρικά θερμαινόμενο καλώδιο: α) - φυσαλίδα και β) λειτουργία βρασμού μεμβράνης.
Στην πράξη, οι συνθήκες συναντώνται επίσης συχνά όταν μια σταθερή ροή θερμότητας παρέχεται στην επιφάνεια, δηλ. q= συνθ. Αυτό είναι χαρακτηριστικό, για παράδειγμα, για θερμικούς ηλεκτρικούς θερμαντήρες, στοιχεία καυσίμου πυρηνικών αντιδραστήρων και, περίπου, στην περίπτωση ακτινοβολίας θέρμανσης μιας επιφάνειας από πηγές με πολύ υψηλή θερμοκρασία. Σε συνθήκες q= σταθερή θερμοκρασία επιφάνειας t γκαι, κατά συνέπεια, διαφορά θερμοκρασίας Δ tεξαρτώνται από τον τρόπο βρασμού του υγρού. Αποδεικνύεται ότι υπό τέτοιες συνθήκες παροχής θερμότητας, το καθεστώς μετάβασης δεν μπορεί να υπάρχει σταθερά. Ως αποτέλεσμα, η διαδικασία βρασμού αποκτά μια σειρά από σημαντικά χαρακτηριστικά. Με σταδιακή αύξηση του θερμικού φορτίου qδιαφορά θερμοκρασίας Δ tαυξάνεται σύμφωνα με τη γραμμή του καθεστώτος βρασμού πυρηνικών στο Σχ. 3.2 και η διαδικασία εξελίσσεται με τον ίδιο τρόπο που περιγράφηκε παραπάνω. Νέες συνθήκες προκύπτουν όταν η παρεχόμενη πυκνότητα ροής θερμότητας φτάσει σε μια τιμή που αντιστοιχεί στην πρώτη κρίσιμη πυκνότητα ροής θερμότητας q cr1. Τώρα, με οποιαδήποτε μικρή (έστω και τυχαία) αύξηση της αξίας qΥπάρχει μια περίσσεια μεταξύ της ποσότητας θερμότητας που παρέχεται στην επιφάνεια και αυτού του μέγιστου θερμικού φορτίου q kr1, το οποίο μπορεί να αποσυρθεί σε ένα βραστό υγρό. Αυτή η υπέρβαση ( q-q cr1) προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας, δηλ. αρχίζει η μη ακίνητη θέρμανση του υλικού του τοίχου. Η εξέλιξη της διαδικασίας αποκτά χαρακτήρα κρίσης. Σε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, η θερμοκρασία του υλικού της επιφάνειας θέρμανσης αυξάνεται κατά εκατοντάδες μοίρες και μόνο εάν ο τοίχος είναι επαρκώς ανθεκτικός, η κρίση τελειώνει ευτυχώς σε μια νέα σταθερή κατάσταση, που αντιστοιχεί στην περιοχή βρασμού του φιλμ σε πολύ υψηλή επιφάνεια θερμοκρασία. Στο Σχ. 3.2 αυτή η μετάβαση κρίσης από το καθεστώς βρασμού πυρηνικών στη λειτουργία βρασμού μεμβράνης εμφανίζεται συμβατικά με το βέλος ως «άλμα» από την καμπύλη βρασμού πυρηνικών στη γραμμή βρασμού μεμβράνης με το ίδιο θερμικό φορτίο q cr1. Ωστόσο, αυτό συνήθως συνοδεύεται από τήξη και καταστροφή της θερμαντικής επιφάνειας (burnout).
Το δεύτερο χαρακτηριστικό είναι ότι εάν παρουσιαστεί κρίση και δημιουργηθεί καθεστώς βρασμού μεμβράνης (η επιφάνεια δεν καταστρέφεται), τότε με μείωση του θερμικού φορτίου, ο βρασμός του φιλμ θα διατηρηθεί, δηλαδή η αντίστροφη διαδικασία θα συμβεί τώρα κατά μήκος του φιλμ γραμμή βρασμού (Εικ. 3.2). Μόνο όταν φτάσει qΤο υγρό kr2 ξεκινά ξανά σε μεμονωμένα σημεία για να φθάνει περιοδικά (βρέχεται) στην επιφάνεια θέρμανσης. Η απομάκρυνση της θερμότητας αυξάνεται και ξεπερνά την παροχή θερμότητας, με αποτέλεσμα την ταχεία ψύξη της επιφάνειας, η οποία είναι επίσης κρίσης. Παρουσιάζεται ταχεία αλλαγή των αγωγών και εγκαθίσταται σταθερός βρασμός πυρηνικών. Αυτή η αντίστροφη μετάβαση (δεύτερη κρίση) στο Σχ. Το 3.2 εμφανίζεται επίσης συμβατικά με ένα βέλος ως "άλμα" από την καμπύλη βρασμού του φιλμ στη γραμμή βρασμού των πυρήνων στο q = q cr2.
Έτσι, υπό συνθήκες σταθερής τιμής πυκνότητας ροής θερμότητας q, που παρέχεται στην επιφάνεια θέρμανσης, και οι δύο μεταβάσεις από φυσαλίδα σε φιλμ και αντίστροφα έχουν χαρακτήρα κρίσης. Εμφανίζονται σε κρίσιμες πυκνότητες ροής θερμότητας q kr1 και q kr2 αντίστοιχα. Υπό αυτές τις συνθήκες, το μεταβατικό καθεστώς βρασμού δεν μπορεί να υπάρχει σταθερά· είναι ασταθές.
Στην πράξη, χρησιμοποιούνται ευρέως μέθοδοι απομάκρυνσης θερμότητας κατά το βρασμό του υγρού που κινείται μέσα σε σωλήνες ή κανάλια διαφόρων σχημάτων. Έτσι, οι διαδικασίες παραγωγής ατμού πραγματοποιούνται λόγω του βρασμού του νερού που κινείται μέσα στους σωλήνες του λέβητα. Η θερμότητα παρέχεται στην επιφάνεια των σωλήνων από τα θερμά προϊόντα καύσης του καυσίμου λόγω της ακτινοβολίας και της συναγωγής ανταλλαγής θερμότητας.
Για τη διαδικασία βρασμού ενός υγρού που κινείται μέσα σε περιορισμένο όγκο σωλήνα (κανάλι), οι συνθήκες που περιγράφονται παραπάνω παραμένουν σε ισχύ, αλλά ταυτόχρονα εμφανίζονται μια σειρά από νέα χαρακτηριστικά.
Κάθετος σωλήνας. Ένας σωλήνας ή κανάλι είναι ένα περιορισμένο σύστημα στο οποίο, καθώς κινείται ένα βραστό υγρό, υπάρχει συνεχής αύξηση στη φάση ατμού και μείωση στην υγρή φάση. Αντίστοιχα, η υδροδυναμική δομή της ροής αλλάζει, τόσο κατά το μήκος όσο και στη διατομή του σωλήνα. Η μεταφορά θερμότητας αλλάζει επίσης ανάλογα.
Υπάρχουν τρεις κύριες περιοχές με διαφορετικές δομές ροής ρευστού κατά μήκος του κατακόρυφου σωλήνα όταν η ροή κινείται από κάτω προς τα πάνω (Εικ. 3.4): Εγώ– περιοχή θέρμανσης (τμήμα εξοικονομητή, μέχρι το τμήμα σωλήνα, όπου T s = T n); II– περιοχή βρασμού (τμήμα εξάτμισης, από το τμήμα όπου T s = T n, Εγώ<Εγώ n, στην ενότητα όπου T s = T n, i cm→Εγώ n); III– περιοχή όπου στεγνώνει ο υγρός ατμός.
Το τμήμα εξάτμισης περιλαμβάνει περιοχές με επιφανειακό βρασμό του κορεσμένου υγρού.
Στο Σχ. Το 3.4 δείχνει σχηματικά τη δομή μιας τέτοιας ροής. Το τμήμα 1 αντιστοιχεί στη θέρμανση ενός μονοφασικού υγρού σε θερμοκρασία κορεσμού (τμήμα εξοικονομητή). Στην ενότητα 2, λαμβάνει χώρα βρασμός επιφανειακών πυρηνικών, όπου η μεταφορά θερμότητας αυξάνεται σε σύγκριση με την ενότητα 2. Στην ενότητα 3, εμφανίζεται ένα καθεστώς γαλακτώματος, στο οποίο μια ροή δύο φάσεων αποτελείται από ένα υγρό και σχετικά μικρές φυσαλίδες ομοιόμορφα κατανεμημένες σε αυτό, οι οποίες στη συνέχεια συγχωνεύονται για να σχηματίσουν μεγάλες φυσαλίδες - βύσματα ανάλογα με τη διάμετρο του σωλήνα. Στη λειτουργία βύσματος (ενότητα 4), ο ατμός κινείται με τη μορφή ξεχωριστών μεγάλων φυσαλίδων βύσματος, που χωρίζονται από στρώματα γαλακτώματος ατμού-υγρού. Περαιτέρω, στο τμήμα 5, ο υγρός ατμός κινείται ως συνεχής μάζα στον πυρήνα ροής και ένα λεπτό δακτυλιοειδές στρώμα υγρού κινείται στο τοίχωμα του σωλήνα. Το πάχος αυτού του στρώματος υγρού μειώνεται σταδιακά. Αυτό το τμήμα αντιστοιχεί στο καθεστώς δακτυλιοειδούς βρασμού, το οποίο τελειώνει όταν το υγρό εξαφανιστεί από τον τοίχο. Στην ενότητα 6, ο ατμός ξηραίνεται (αυξάνοντας τον βαθμό ξηρότητας του ατμού). Δεδομένου ότι η διαδικασία βρασμού έχει ολοκληρωθεί, η μεταφορά θερμότητας μειώνεται. Στη συνέχεια, λόγω της αύξησης του συγκεκριμένου όγκου ατμού, η ταχύτητα του ατμού αυξάνεται, γεγονός που οδηγεί σε ελαφρά αύξηση της μεταφοράς θερμότητας.
Εικ. 3.4 – Δομή ροής όταν βράζει υγρό μέσα σε κάθετο σωλήνα
Αύξηση του ρυθμού κυκλοφορίας σε δεδομένη q με, το μήκος του σωλήνα και η θερμοκρασία εισόδου οδηγεί σε μείωση των περιοχών με αναπτυγμένο βρασμό και αύξηση του μήκους του τμήματος εξοικονομητή. με αύξηση q μεσε μια δεδομένη ταχύτητα, αντίθετα, το μήκος των τμημάτων με αναπτυγμένο βρασμό αυξάνεται και το μήκος του τμήματος εξοικονομητή μειώνεται.
Οριζόντιοι και κεκλιμένοι σωλήνες.Όταν μια διφασική ροή κινείται μέσα σε σωλήνες που βρίσκονται οριζόντια ή με μικρή κλίση, εκτός από αλλαγές στη δομή της ροής κατά μήκος, υπάρχει σημαντική αλλαγή στη δομή κατά μήκος της περιμέτρου του σωλήνα. Έτσι, εάν ο ρυθμός κυκλοφορίας και η περιεκτικότητα ατμού στη ροή είναι χαμηλή, παρατηρείται διαχωρισμός της διφασικής ροής σε μια υγρή φάση που κινείται στο κάτω μέρος του σωλήνα και μια φάση ατμού που κινείται στο πάνω μέρος του (Εικ. 3.5, ΕΝΑ). Με μια περαιτέρω αύξηση της περιεκτικότητας σε ατμό και της ταχύτητας κυκλοφορίας, η διεπαφή μεταξύ των φάσεων ατμού και υγρών αποκτά έναν κυματικό χαρακτήρα και το υγρό βρέχει περιοδικά το πάνω μέρος του σωλήνα με κορυφές κυμάτων. Με περαιτέρω αύξηση της περιεκτικότητας σε ατμούς και της ταχύτητας, η κυματική κίνηση στη διεπιφάνεια εντείνεται, γεγονός που οδηγεί σε μερική εκτόξευση του υγρού στην περιοχή των ατμών. Ως αποτέλεσμα, η διφασική ροή αποκτά χαρακτήρα ροής, πρώτα κοντά σε μια ροή βύσματος και στη συνέχεια σε μια δακτυλιοειδή.
Ρύζι. 3.5 – Δομή ροής όταν βράζει υγρό μέσα σε οριζόντιο σωλήνα.
ΕΝΑ– στρωματοποιημένο καθεστώς βρασμού. σι– λειτουργία ράβδου; 1 - ατμός 2 – υγρό.
Στη δακτυλιοειδή λειτουργία, η κίνηση ενός λεπτού στρώματος υγρού εδραιώνεται σε όλη την περίμετρο του σωλήνα και ένα μείγμα ατμού-υγρού κινείται στον πυρήνα της ροής (Εικ. 3.5, σι). Ωστόσο, σε αυτή την περίπτωση, δεν παρατηρείται πλήρης αξονική συμμετρία στη δομή ροής.
εάν η ένταση της παροχής θερμότητας στα τοιχώματα του σωλήνα είναι αρκετά υψηλή, τότε η διαδικασία βρασμού μπορεί επίσης να συμβεί κατά τη ροή σε σωλήνα που δεν θερμαίνεται στη θερμοκρασία κορεσμού του υγρού. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει όταν η θερμοκρασία του τοιχώματος t γυπερβαίνει τη θερμοκρασία κορεσμού ts.καλύπτει το οριακό στρώμα του υγρού απευθείας στον τοίχο. Οι φυσαλίδες ατμού που εισέρχονται στον ψυχρό πυρήνα της ροής συμπυκνώνονται γρήγορα. Αυτό το είδος βρασμού ονομάζεται βράζει με υποθέρμανση.
Η απομάκρυνση θερμότητας στη λειτουργία βρασμού πυρηνικών είναι μια από τις πιο προηγμένες μεθόδους για την ψύξη της επιφάνειας θέρμανσης. Βρίσκει ευρεία εφαρμογή σε τεχνικές συσκευές.
3.1.2. Μεταφορά θερμότητας κατά τον βρασμό των πυρηνικών.
Οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας η πίεση Δ t = t γ-ts, καθώς και πίεση Rο αριθμός των ενεργών κέντρων εξάτμισης στην επιφάνεια θέρμανσης αυξάνεται. Ως αποτέλεσμα, ένας αυξανόμενος αριθμός φυσαλίδων εμφανίζεται συνεχώς, μεγαλώνει και αποσπάται από την επιφάνεια θέρμανσης. Ως αποτέλεσμα, η στροβιλοποίηση και η ανάμειξη του οριακού στρώματος του υγρού κοντά στο τοίχωμα αυξάνεται. Κατά την ανάπτυξή τους στην επιφάνεια θέρμανσης, οι φυσαλίδες απορροφούν επίσης εντατικά θερμότητα από το οριακό στρώμα. Όλα αυτά βοηθούν στη βελτίωση της μεταφοράς θερμότητας. Γενικά, η διαδικασία βρασμού των πυρηνικών είναι αρκετά χαοτική.
Η έρευνα δείχνει ότι στις επιφάνειες τεχνικής θέρμανσης ο αριθμός των κέντρων εξάτμισης εξαρτάται από το υλικό, τη δομή και την μικροτραχύτητα της επιφάνειας, την παρουσία ετερογένειας στη σύνθεση της επιφάνειας και το αέριο (αέρας) που προσροφάται στην επιφάνεια. Διάφορες εναποθέσεις, μεμβράνες οξειδίου, καθώς και οποιαδήποτε άλλα εγκλείσματα έχουν αξιοσημείωτο αποτέλεσμα.
Οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι σε πραγματικές συνθήκες, τα κέντρα εξάτμισης είναι συνήθως μεμονωμένα στοιχεία επιφανειακής τραχύτητας και μικρο-τραχύτητας (κατά προτίμηση διάφορες κοιλότητες και κοιλότητες).
Συνήθως, σε νέες επιφάνειες ο αριθμός των κέντρων εξάτμισης είναι μεγαλύτερος από ό,τι στις ίδιες επιφάνειες μετά από παρατεταμένο βρασμό. Αυτό οφείλεται κυρίως στην παρουσία αερίου που απορροφάται στην επιφάνεια. Με την πάροδο του χρόνου, το αέριο απομακρύνεται σταδιακά, αναμιγνύεται με τον ατμό στις αναπτυσσόμενες φυσαλίδες και μεταφέρεται στον χώρο ατμού. Η διαδικασία βρασμού και η μεταφορά θερμότητας σταθεροποιούνται σε χρόνο και ένταση.
Οι συνθήκες για το σχηματισμό φυσαλίδων ατμού επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από την επιφανειακή τάση στη διεπιφάνεια μεταξύ υγρού και ατμού.
Λόγω της επιφανειακής τάσης, η τάση ατμών μέσα στη φυσαλίδα R n υψηλότερη από την πίεση του περιβάλλοντος υγρού Rκαι. Η διαφορά τους καθορίζεται από την εξίσωση του Laplace
όπου σ είναι η επιφανειακή τάση. R- ακτίνα της φυσαλίδας.
Η εξίσωση του Laplace εκφράζει την κατάσταση της μηχανικής ισορροπίας. Δείχνει ότι η επιφανειακή τάση, όπως ένα ελαστικό κέλυφος, «συμπιέζει» τον ατμό σε μια φυσαλίδα, και όσο μικρότερη είναι η ακτίνα της, τόσο ισχυρότερη είναι. R.
Η εξάρτηση της τάσης ατμών σε μια φυσαλίδα από το μέγεθός της επιβάλλει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά στην κατάσταση της θερμικής ή θερμοδυναμικής ισορροπίας των μικρών φυσαλίδων. Ο ατμός στη φυσαλίδα και το υγρό στην επιφάνειά της βρίσκονται σε ισορροπία εάν η επιφάνεια του υγρού έχει θερμοκρασία ίση με τη θερμοκρασία κορεσμού στην πίεση ατμών στη φυσαλίδα, t s ( RΠ). Αυτή η θερμοκρασία είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία κορεσμού σε εξωτερική πίεση στο υγρό t s ( Rκαι). Επομένως, για να επιτευχθεί θερμική ισορροπία, το υγρό γύρω από τη φυσαλίδα πρέπει να υπερθερμανθεί κατά μια ποσότητα t s ( RΠ)- t s ( Rκαι).
Το επόμενο χαρακτηριστικό είναι ότι αυτή η ισορροπία αποδεικνύεται ότι είναι ασταθής. Εάν η θερμοκρασία του υγρού ξεπεράσει ελαφρώς την τιμή ισορροπίας, τότε μέρος του υγρού θα εξατμιστεί στις φυσαλίδες και η ακτίνα του θα αυξηθεί. Σε αυτή την περίπτωση, σύμφωνα με την εξίσωση του Laplace, η τάση ατμών στη φυσαλίδα θα μειωθεί. Αυτό θα οδηγήσει σε νέα απόκλιση από την κατάσταση ισορροπίας. Η φούσκα θα αρχίσει να μεγαλώνει χωρίς όρια. Επίσης, με μια ελαφρά μείωση της θερμοκρασίας του υγρού, μέρος του ατμού θα συμπυκνωθεί, το μέγεθος της φυσαλίδας θα μειωθεί και η πίεση ατμών σε αυτήν θα αυξηθεί. Αυτό θα συνεπάγεται περαιτέρω απόκλιση από τις συνθήκες ισορροπίας, τώρα προς την άλλη κατεύθυνση. Ως αποτέλεσμα, η φούσκα θα συμπυκνωθεί εντελώς και θα εξαφανιστεί.
Κατά συνέπεια, σε ένα υπερθερμασμένο υγρό, καμία τυχαία σχηματισμένη μικρή φυσαλίδα δεν έχει την ικανότητα να αναπτυχθεί περαιτέρω, αλλά μόνο εκείνες των οποίων η ακτίνα υπερβαίνει την τιμή που αντιστοιχεί στις συνθήκες ασταθούς μηχανικής και θερμικής ισορροπίας που συζητήθηκαν παραπάνω. Αυτό ελάχιστη τιμή
όπου το παράγωγο είναι φυσικό χαρακτηριστικό μιας δεδομένης ουσίας, προσδιορίζεται από την εξίσωση Clapeyron - Clausis
δηλ. εκφράζεται μέσω άλλων φυσικών σταθερών: τη θερμότητα της μετάβασης φάσης r, πυκνότητα ατμών ρ pκαι υγρά ρκαι θερμοκρασία απόλυτης κορεσμού T s.
Η εξίσωση (3-2) δείχνει ότι εάν οι πυρήνες ατμού εμφανίζονται σε μεμονωμένα σημεία της θερμαινόμενης επιφάνειας, τότε μόνο εκείνοι των οποίων η ακτίνα καμπυλότητας υπερβαίνει την τιμή Rmin. Δεδομένου ότι με την αύξηση του Δ tμέγεθος Rminμειώνεται, εξηγεί η εξίσωση (3-2).
πειραματικά παρατηρούμενο γεγονός αύξησης του αριθμού των κέντρων εξάτμισης με την αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας.
Η αύξηση του αριθμού των κέντρων εξάτμισης με αυξανόμενη πίεση σχετίζεται επίσης με μείωση Rmin, γιατί με την αύξηση της πίεσης η τιμή ΥΣΤΕΡΟΓΡΑΦΟμεγαλώνει και σ μειώνεται. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι για νερό που βράζει σε ατμοσφαιρική πίεση, στο Δ t= 5°С Rmin= 6,7 μm, και στο Δ t= 25°С Rmin= 1,3 μm.
Οι παρατηρήσεις που έγιναν με φιλμ υψηλής ταχύτητας δείχνουν ότι σε ένα σταθερό καθεστώς βρασμού, η συχνότητα σχηματισμού φυσαλίδων ατμού δεν είναι η ίδια τόσο σε διαφορετικά σημεία της επιφάνειας όσο και με την πάροδο του χρόνου. Αυτό δίνει στη διαδικασία βρασμού έναν σύνθετο στατιστικό χαρακτήρα. Αντίστοιχα, οι ρυθμοί ανάπτυξης και τα μεγέθη διαχωρισμού των διαφόρων φυσαλίδων χαρακτηρίζονται επίσης από τυχαίες αποκλίσεις γύρω από ορισμένες μέσες τιμές.
Αφού η φούσκα φτάσει σε ένα ορισμένο μέγεθος, αποσπάται από την επιφάνεια. Μέγεθος αποκοπήςκαθορίζεται κυρίως από την αλληλεπίδραση της βαρύτητας, της επιφανειακής τάσης και της αδράνειας. Η τελευταία τιμή αντιπροσωπεύει μια δυναμική αντίδραση που συμβαίνει σε ένα υγρό λόγω της ταχείας αύξησης των φυσαλίδων σε μέγεθος. Αυτή η δύναμη συνήθως εμποδίζει τις φυσαλίδες να σπάσουν. Επιπλέον, η φύση της ανάπτυξης και του διαχωρισμού των φυσαλίδων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το εάν το υγρό βρέχει την επιφάνεια ή δεν την βρέχει. Η ικανότητα διαβροχής ενός υγρού χαρακτηρίζεται από τη γωνία επαφής θ, η οποία σχηματίζεται μεταξύ του τοιχώματος και της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού. Όσο μεγαλύτερο είναι το θ, τόσο χειρότερη είναι η ικανότητα διαβροχής του υγρού. Είναι γενικά αποδεκτό ότι για το θ<90° (рис. 3.6, ΕΝΑ), το υγρό βρέχει την επιφάνεια, αλλά σε θ >90° όχι. Η τιμή της γωνίας επαφής εξαρτάται από τη φύση του υγρού, το υλικό, την κατάσταση και την καθαριότητα της επιφάνειας. Εάν ένα βραστό υγρό βρέξει την επιφάνεια θέρμανσης, τότε οι φυσαλίδες ατμού έχουν ένα λεπτό στέλεχος και ξεκολλούν εύκολα από την επιφάνεια (Εικ. 3.7, ΕΝΑ). Εάν το υγρό δεν βρέξει την επιφάνεια, τότε οι φυσαλίδες ατμού έχουν ένα φαρδύ στέλεχος (Εικ. 3.7, σι) και ξεκολλούν κατά μήκος του ισθμού, ή συμβαίνει εξάτμιση σε ολόκληρη την επιφάνεια.
Βρασμός- αυτή είναι η εξάτμιση που συμβαίνει ταυτόχρονα τόσο από την επιφάνεια όσο και σε όλο τον όγκο του υγρού. Συνίσταται στο γεγονός ότι πολλές φυσαλίδες επιπλέουν και σκάνε, προκαλώντας ένα χαρακτηριστικό βρασμό.
Όπως δείχνει η εμπειρία, ο βρασμός ενός υγρού σε μια δεδομένη εξωτερική πίεση αρχίζει σε μια καλά καθορισμένη θερμοκρασία που δεν αλλάζει κατά τη διάρκεια της διαδικασίας βρασμού και μπορεί να συμβεί μόνο όταν παρέχεται ενέργεια από το εξωτερικό ως αποτέλεσμα ανταλλαγής θερμότητας (Εικ. 1 ):
όπου L είναι η ειδική θερμότητα της εξάτμισης στο σημείο βρασμού.
Μηχανισμός βρασμού: ένα υγρό περιέχει πάντα ένα διαλυμένο αέριο, ο βαθμός διάλυσης του οποίου μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Επιπλέον, υπάρχει προσροφημένο αέριο στα τοιχώματα του δοχείου. Όταν το υγρό θερμαίνεται από κάτω (Εικ. 2), αρχίζει να απελευθερώνεται αέριο με τη μορφή φυσαλίδων στα τοιχώματα του δοχείου. Το υγρό εξατμίζεται σε αυτές τις φυσαλίδες. Ως εκ τούτου, εκτός από τον αέρα, περιέχουν κορεσμένο ατμό, η πίεση του οποίου αυξάνεται γρήγορα με την αύξηση της θερμοκρασίας και οι φυσαλίδες αυξάνονται σε όγκο και κατά συνέπεια αυξάνονται οι δυνάμεις του Αρχιμήδη που δρουν σε αυτές. Όταν η άνωση γίνεται μεγαλύτερη από τη βαρύτητα της φυσαλίδας, αρχίζει να επιπλέει. Αλλά μέχρι να θερμανθεί ομοιόμορφα το υγρό, καθώς ανεβαίνει, ο όγκος της φυσαλίδας μειώνεται (η πίεση των κορεσμένων ατμών μειώνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας) και, πριν φτάσουν στην ελεύθερη επιφάνεια, οι φυσαλίδες εξαφανίζονται (καταρρέουν) (Εικ. 2, α), το οποίο γι' αυτό ακούμε έναν χαρακτηριστικό θόρυβο πριν βράσει. Όταν η θερμοκρασία του υγρού εξισωθεί, ο όγκος της φυσαλίδας θα αυξηθεί καθώς αυξάνεται, καθώς η πίεση των κορεσμένων ατμών δεν αλλάζει και η εξωτερική πίεση στη φυσαλίδα, που είναι το άθροισμα της υδροστατικής πίεσης του υγρού πάνω από τη φυσαλίδα και η ατμοσφαιρική πίεση, μειώνεται. Η φούσκα φτάνει στην ελεύθερη επιφάνεια του υγρού, σκάει και βγαίνει κορεσμένος ατμός (Εικ. 2, β) - το υγρό βράζει. Η πίεση κορεσμένων ατμών στις φυσαλίδες είναι σχεδόν ίση με την εξωτερική πίεση.
Η θερμοκρασία στην οποία η πίεση κορεσμένων ατμών ενός υγρού είναι ίση με την εξωτερική πίεση στην ελεύθερη επιφάνειά του ονομάζεται σημείο βρασμούυγρά.
Δεδομένου ότι η πίεση των κορεσμένων ατμών αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και κατά τη διάρκεια του βρασμού πρέπει να είναι ίση με την εξωτερική πίεση, τότε με την αύξηση της εξωτερικής πίεσης το σημείο βρασμού αυξάνεται.
Το σημείο βρασμού εξαρτάται επίσης από την παρουσία ακαθαρσιών, που συνήθως αυξάνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης των ακαθαρσιών.
Εάν πρώτα απελευθερώσετε το υγρό από το αέριο που είναι διαλυμένο σε αυτό, τότε μπορεί να υπερθερμανθεί, δηλ. θερμότητα πάνω από το σημείο βρασμού. Αυτή είναι μια ασταθής κατάσταση υγρού. Αρκούν μικρά χτυπήματα και το υγρό βράζει, και η θερμοκρασία του πέφτει αμέσως στο σημείο βρασμού.
Όλα όσα μας περιβάλλουν στην καθημερινή ζωή μπορούν να αναπαρασταθούν με τη μορφή φυσικών και χημικών διεργασιών. Κάνουμε συνεχώς πολλούς χειρισμούς που εκφράζονται με τύπους και εξισώσεις, χωρίς καν να το γνωρίζουμε. Μια τέτοια διαδικασία είναι το βράσιμο. Αυτό είναι ένα φαινόμενο που χρησιμοποιούν απολύτως όλες οι νοικοκυρές όταν μαγειρεύουν. Μας φαίνεται απολύτως συνηθισμένο. Ας δούμε όμως τη διαδικασία βρασμού από επιστημονική άποψη.
Βρασμός - τι είναι;
Είναι γνωστό από τη σχολική φυσική ότι η ύλη μπορεί να βρίσκεται σε υγρή και αέρια κατάσταση. Η διαδικασία μετατροπής ενός υγρού σε κατάσταση ατμού βράζει. Αυτό συμβαίνει μόνο όταν επιτευχθεί ή ξεπεραστεί μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Η πίεση συμμετέχει επίσης σε αυτή τη διαδικασία και πρέπει να λαμβάνεται υπόψη. Κάθε υγρό έχει το δικό του σημείο βρασμού, το οποίο πυροδοτεί τη διαδικασία σχηματισμού ατμού.
Αυτή είναι η σημαντική διαφορά μεταξύ βρασμού και εξάτμισης, η οποία συμβαίνει σε οποιαδήποτε θερμοκρασία του υγρού.
Πώς συμβαίνει ο βρασμός;
Εάν έχετε βράσει ποτέ νερό σε γυάλινο δοχείο, έχετε παρατηρήσει το σχηματισμό φυσαλίδων στα τοιχώματα του δοχείου καθώς το υγρό θερμαίνεται. Σχηματίζονται λόγω του γεγονότος ότι ο αέρας συσσωρεύεται στις μικρορωγμές των πιάτων, ο οποίος αρχίζει να διαστέλλεται όταν θερμαίνεται. Οι φυσαλίδες αποτελούνται από υγρό ατμό υπό πίεση. Αυτά τα ζεύγη ονομάζονται κορεσμένα. Καθώς το υγρό θερμαίνεται, η πίεση στις φυσαλίδες αέρα αυξάνεται και αυξάνονται σε μέγεθος. Φυσικά, αρχίζουν να ανεβαίνουν στην κορυφή.
Όμως, αν το υγρό δεν έχει φτάσει ακόμα στο σημείο βρασμού, τότε οι φυσαλίδες στα ανώτερα στρώματα κρυώνουν, η πίεση μειώνεται και καταλήγουν στον πάτο του δοχείου, όπου ζεσταίνονται ξανά και ανεβαίνουν. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή σε κάθε νοικοκυρά· το νερό φαίνεται να αρχίζει να κάνει θόρυβο. Μόλις συγκριθεί η θερμοκρασία του υγρού στο ανώτερο και το κάτω στρώμα, οι φυσαλίδες αρχίζουν να ανεβαίνουν στην επιφάνεια και να σκάνε - εμφανίζεται βρασμός. Αυτό είναι δυνατό μόνο όταν η πίεση μέσα στις φυσαλίδες γίνει ίδια με την πίεση του ίδιου του υγρού.
Όπως έχουμε ήδη αναφέρει, κάθε υγρό έχει το δικό του καθεστώς θερμοκρασίας στο οποίο ξεκινά η διαδικασία βρασμού. Επιπλέον, κατά τη διάρκεια ολόκληρης της διαδικασίας η θερμοκρασία της ουσίας παραμένει αμετάβλητη, όλη η απελευθερωμένη ενέργεια δαπανάται στην εξάτμιση. Γι' αυτό καίγονται οι κατσαρόλες των απρόσεκτων νοικοκυρών - όλο το περιεχόμενό τους βράζει και το ίδιο το δοχείο αρχίζει να ζεσταίνεται.
Το σημείο βρασμού είναι ευθέως ανάλογο με την πίεση που ασκείται σε ολόκληρο το υγρό, πιο συγκεκριμένα στην επιφάνειά του. Στο μάθημα της σχολικής φυσικής αναφέρεται ότι το νερό αρχίζει να βράζει σε θερμοκρασία εκατό βαθμών Κελσίου. Αλλά λίγοι άνθρωποι θυμούνται ότι αυτή η δήλωση ισχύει μόνο υπό κανονικές συνθήκες πίεσης. Η τυπική τιμή θεωρείται ότι είναι εκατόν ένα κιλοπασκάλ. Εάν αυξήσετε την πίεση, το υγρό θα βράσει σε διαφορετική θερμοκρασία.
Αυτή η φυσική ιδιότητα χρησιμοποιείται από κατασκευαστές σύγχρονων οικιακών συσκευών. Ένα παράδειγμα θα ήταν μια χύτρα ταχύτητας. Όλες οι νοικοκυρές γνωρίζουν ότι σε τέτοιες συσκευές το φαγητό μαγειρεύεται πολύ πιο γρήγορα από ότι στα συνηθισμένα τηγάνια. Με τι συνδέεται αυτό; Με την πίεση που δημιουργείται στη χύτρα ταχύτητας. Είναι διπλάσιο από τον κανόνα. Επομένως, το νερό βράζει περίπου στους εκατόν είκοσι βαθμούς Κελσίου.
Αν έχετε βρεθεί ποτέ στα βουνά, έχετε παρατηρήσει την αντίθετη διαδικασία. Σε υψόμετρο, το νερό αρχίζει να βράζει στους ενενήντα βαθμούς, γεγονός που περιπλέκει σημαντικά τη διαδικασία μαγειρέματος. Οι κάτοικοι της περιοχής και οι ορειβάτες που περνούν όλο τον ελεύθερο χρόνο τους στα βουνά γνωρίζουν καλά αυτές τις δυσκολίες.
Λίγα περισσότερα για το βράσιμο
Πολλοί άνθρωποι έχουν ακούσει μια τέτοια έκφραση ως «σημείο βρασμού» και μάλλον εξεπλάγησαν που δεν την αναφέραμε στο άρθρο. Μάλιστα, το έχουμε ήδη περιγράψει. Μην βιαστείτε να ξαναδιαβάσετε το κείμενο. Το γεγονός είναι ότι στη φυσική το σημείο και η θερμοκρασία της διαδικασίας βρασμού θεωρούνται πανομοιότυπα.
Στον επιστημονικό κόσμο, ο διαχωρισμός σε αυτήν την ορολογία γίνεται μόνο στην περίπτωση ανάμειξης διαφορετικών υγρών ουσιών. Σε μια τέτοια κατάσταση, είναι το σημείο βρασμού που προσδιορίζεται και το μικρότερο από όλα τα δυνατά. Είναι αυτό που λαμβάνεται ως κανόνας για όλα τα συστατικά του μείγματος.
Νερό: ενδιαφέροντα στοιχεία για τις φυσικές διεργασίες
Στα εργαστηριακά πειράματα, οι φυσικοί παίρνουν πάντα υγρό χωρίς ακαθαρσίες και δημιουργούν απολύτως ιδανικές εξωτερικές συνθήκες. Αλλά στη ζωή όλα συμβαίνουν λίγο διαφορετικά, γιατί συχνά προσθέτουμε αλάτι στο νερό ή του προσθέτουμε διάφορα καρυκεύματα. Ποιο θα είναι το σημείο βρασμού σε αυτή την περίπτωση;
Το αλμυρό νερό απαιτεί υψηλότερη θερμοκρασία για να βράσει από το γλυκό νερό. Αυτό οφείλεται σε ακαθαρσίες νατρίου και χλωρίου. Τα μόριά τους συγκρούονται μεταξύ τους και απαιτείται πολύ υψηλότερη θερμοκρασία για να θερμανθούν. Υπάρχει ένας συγκεκριμένος τύπος που σας επιτρέπει να υπολογίσετε το σημείο βρασμού του αλμυρού νερού. Σημειώστε ότι εξήντα γραμμάρια αλατιού ανά λίτρο νερού αυξάνουν το σημείο βρασμού κατά δέκα βαθμούς.
Μπορεί το νερό να βράσει στο κενό; Οι επιστήμονες έχουν αποδείξει ότι μπορεί. Όμως το σημείο βρασμού σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει να φτάσει στο όριο των τριακόσιων βαθμών Κελσίου. Εξάλλου, στο κενό η πίεση είναι μόλις τέσσερα κιλοπασκάλ.
Όλοι βράζουμε νερό σε ένα βραστήρα, επομένως είμαστε εξοικειωμένοι με ένα τόσο δυσάρεστο φαινόμενο όπως η "λέπια". Τι είναι και γιατί σχηματίζεται; Στην πραγματικότητα, όλα είναι απλά: το γλυκό νερό έχει διαφορετικούς βαθμούς σκληρότητας. Καθορίζεται από την ποσότητα των ακαθαρσιών στο υγρό, τις περισσότερες φορές περιέχει διάφορα άλατα. Κατά τη διαδικασία του βρασμού μετατρέπονται σε ίζημα και σε μεγάλες ποσότητες μετατρέπονται σε άλατα.
Μπορεί το αλκοόλ να βράσει;
Ο βρασμός του αλκοόλ χρησιμοποιείται στη διαδικασία της παρασκευής του φεγγαριού και ονομάζεται απόσταξη. Αυτή η διαδικασία εξαρτάται άμεσα από την ποσότητα νερού στο διάλυμα αλκοόλης. Αν πάρουμε ως βάση καθαρή αιθυλική αλκοόλη, τότε το σημείο βρασμού της θα είναι κοντά στους εβδομήντα οκτώ βαθμούς Κελσίου.
Εάν προσθέσετε νερό στο αλκοόλ, το σημείο βρασμού του υγρού αυξάνεται. Ανάλογα με τη συγκέντρωση του διαλύματος, θα βράσει στην περιοχή από εβδομήντα οκτώ βαθμούς έως εκατό βαθμούς Κελσίου. Φυσικά, κατά τη διάρκεια της διαδικασίας βρασμού, το αλκοόλ θα μετατραπεί σε ατμό σε μικρότερο χρονικό διάστημα από το νερό.
Ο βρασμός είναι η διαδικασία αλλαγής της κατάστασης συσσωμάτωσης μιας ουσίας. Όταν μιλάμε για νερό, εννοούμε την αλλαγή από υγρή σε κατάσταση ατμού. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι ο βρασμός δεν είναι εξάτμιση, η οποία μπορεί να συμβεί ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου. Δεν πρέπει επίσης να συγχέεται με το βράσιμο, που είναι η διαδικασία θέρμανσης του νερού σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Τώρα που καταλάβαμε τις έννοιες, μπορούμε να προσδιορίσουμε σε ποια θερμοκρασία βράζει το νερό.
Επεξεργάζομαι, διαδικασία
Η διαδικασία μετατροπής της κατάστασης συσσωμάτωσης από υγρή σε αέρια είναι πολύπλοκη. Και παρόλο που οι άνθρωποι δεν το βλέπουν, υπάρχουν 4 στάδια:
- Στο πρώτο στάδιο, σχηματίζονται μικρές φυσαλίδες στο κάτω μέρος του θερμαινόμενου δοχείου. Μπορούν επίσης να φαίνονται στα πλάγια ή στην επιφάνεια του νερού. Σχηματίζονται λόγω της διαστολής των φυσαλίδων αέρα, που υπάρχουν πάντα στις ρωγμές του δοχείου όπου θερμαίνεται το νερό.
- Στο δεύτερο στάδιο, ο όγκος των φυσαλίδων αυξάνεται. Όλοι αρχίζουν να βγαίνουν ορμητικά στην επιφάνεια, αφού μέσα τους υπάρχει κορεσμένος ατμός, ο οποίος είναι ελαφρύτερος από το νερό. Καθώς η θερμοκρασία θέρμανσης αυξάνεται, η πίεση των φυσαλίδων αυξάνεται, και ωθούνται στην επιφάνεια χάρη στη γνωστή δύναμη του Αρχιμήδη. Σε αυτή την περίπτωση, μπορείτε να ακούσετε τον χαρακτηριστικό ήχο του βρασμού, που σχηματίζεται λόγω της συνεχούς διαστολής και μείωσης του μεγέθους των φυσαλίδων.
- Στο τρίτο στάδιο, ένας μεγάλος αριθμός φυσαλίδων μπορεί να φανεί στην επιφάνεια. Αυτό αρχικά δημιουργεί θολότητα στο νερό. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται ευρέως "λευκό βρασμό" και διαρκεί ένα μικρό χρονικό διάστημα.
- Στο τέταρτο στάδιο, το νερό βράζει έντονα, εμφανίζονται μεγάλες φυσαλίδες που σκάνε στην επιφάνεια και μπορεί να εμφανιστούν πιτσιλιές. Τις περισσότερες φορές, το πιτσίλισμα σημαίνει ότι το υγρό έχει φτάσει στη μέγιστη θερμοκρασία του. Από το νερό θα αρχίσει να βγαίνει ατμός.
Είναι γνωστό ότι το νερό βράζει σε θερμοκρασία 100 βαθμών, κάτι που είναι δυνατό μόνο στο τέταρτο στάδιο.
Θερμοκρασία ατμού
Ο ατμός είναι μια από τις καταστάσεις του νερού. Όταν εισέρχεται στον αέρα, ασκεί, όπως και άλλα αέρια, μια συγκεκριμένη πίεση πάνω του. Κατά την εξάτμιση, η θερμοκρασία του ατμού και του νερού παραμένει σταθερή έως ότου ολόκληρο το υγρό αλλάξει την κατάσταση συσσώρευσής του. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι κατά τη διάρκεια του βρασμού, όλη η ενέργεια δαπανάται για τη μετατροπή του νερού σε ατμό.
Στην αρχή του βρασμού, σχηματίζεται υγρός, κορεσμένος ατμός, ο οποίος ξηραίνεται αφού εξατμιστεί όλο το υγρό. Εάν η θερμοκρασία του αρχίσει να υπερβαίνει τη θερμοκρασία του νερού, τότε αυτός ο ατμός υπερθερμαίνεται και τα χαρακτηριστικά του θα είναι πιο κοντά στο αέριο.
Αλατόνερο που βράζει
Είναι πολύ ενδιαφέρον να γνωρίζουμε σε ποια θερμοκρασία βράζει το νερό με υψηλή περιεκτικότητα σε αλάτι. Είναι γνωστό ότι θα πρέπει να είναι υψηλότερο λόγω της περιεκτικότητας σε ιόντα Na+ και Cl- στη σύνθεση, τα οποία καταλαμβάνουν την περιοχή μεταξύ των μορίων του νερού. Έτσι διαφέρει η χημική σύνθεση του νερού με αλάτι από το συνηθισμένο φρέσκο υγρό.
Το γεγονός είναι ότι στο αλμυρό νερό λαμβάνει χώρα μια αντίδραση ενυδάτωσης - η διαδικασία προσθήκης μορίων νερού σε ιόντα αλατιού. Οι δεσμοί μεταξύ των μορίων του γλυκού νερού είναι πιο αδύναμοι από αυτούς που σχηματίζονται κατά την ενυδάτωση, επομένως θα χρειαστεί περισσότερος χρόνος για να βράσει ένα υγρό με διαλυμένο αλάτι. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, τα μόρια στο αλμυρό νερό κινούνται πιο γρήγορα, αλλά είναι λιγότερα από αυτά, με αποτέλεσμα οι συγκρούσεις μεταξύ τους να συμβαίνουν λιγότερο συχνά. Ως αποτέλεσμα, παράγεται λιγότερος ατμός, και επομένως η πίεσή του είναι χαμηλότερη από την πίεση ατμού του γλυκού νερού. Κατά συνέπεια, θα απαιτηθεί περισσότερη ενέργεια (θερμοκρασία) για την πλήρη εξάτμιση. Κατά μέσο όρο, για να βράσει ένα λίτρο νερού που περιέχει 60 γραμμάρια αλάτι, είναι απαραίτητο να αυξηθεί ο βαθμός βρασμού του νερού κατά 10% (δηλαδή κατά 10 C).
Εξάρτηση του βρασμού από την πίεση
Είναι γνωστό ότι στα βουνά, ανεξάρτητα από τη χημική σύσταση του νερού, το σημείο βρασμού θα είναι χαμηλότερο. Αυτό συμβαίνει επειδή η ατμοσφαιρική πίεση είναι χαμηλότερη σε υψόμετρο. Η κανονική πίεση θεωρείται ότι είναι 101,325 kPa. Με αυτό, το σημείο βρασμού του νερού είναι 100 βαθμοί Κελσίου. Αν όμως ανεβείτε σε ένα βουνό, όπου η πίεση είναι κατά μέσο όρο 40 kPa, τότε το νερό εκεί θα βράσει στους 75,88 C. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι θα χρειαστεί να αφιερώσετε σχεδόν τον μισό χρόνο μαγειρέματος στα βουνά. Η θερμική επεξεργασία των τροφίμων απαιτεί μια συγκεκριμένη θερμοκρασία.
Πιστεύεται ότι σε υψόμετρο 500 μέτρων πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας, το νερό θα βράσει στους 98,3 C και σε υψόμετρο 3000 μέτρων το σημείο βρασμού θα είναι 90 C.
Σημειώστε ότι αυτός ο νόμος ισχύει και προς την αντίθετη κατεύθυνση. Εάν τοποθετήσετε ένα υγρό σε μια κλειστή φιάλη από την οποία δεν μπορεί να περάσει ο ατμός, τότε καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία και σχηματίζεται ατμός, η πίεση σε αυτή τη φιάλη θα αυξηθεί και ο βρασμός σε αυξημένη πίεση θα συμβεί σε υψηλότερη θερμοκρασία. Για παράδειγμα, σε πίεση 490,3 kPa, το σημείο βρασμού του νερού θα είναι 151 C.
Αποσταγμένο νερό που βράζει
Το απεσταγμένο νερό είναι καθαρό νερό χωρίς ακαθαρσίες. Συχνά χρησιμοποιείται για ιατρικούς ή τεχνικούς σκοπούς. Λαμβάνοντας υπόψη ότι δεν υπάρχουν ακαθαρσίες σε τέτοιο νερό, δεν χρησιμοποιείται για μαγείρεμα. Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι το απεσταγμένο νερό βράζει πιο γρήγορα από το συνηθισμένο γλυκό νερό, αλλά το σημείο βρασμού παραμένει το ίδιο - 100 μοίρες. Ωστόσο, η διαφορά στο χρόνο βρασμού θα είναι ελάχιστη - μόνο ένα κλάσμα του δευτερολέπτου.
Σε μια τσαγιέρα
Οι άνθρωποι συχνά αναρωτιούνται σε ποια θερμοκρασία βράζει το νερό σε ένα βραστήρα, αφού αυτές είναι οι συσκευές που χρησιμοποιούν για να βράζουν υγρά. Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι η ατμοσφαιρική πίεση στο διαμέρισμα είναι ίση με την τυπική και το νερό που χρησιμοποιείται δεν περιέχει άλατα και άλλες ακαθαρσίες που δεν πρέπει να υπάρχουν, τότε το σημείο βρασμού θα είναι επίσης τυπικό - 100 μοίρες. Αν όμως το νερό περιέχει αλάτι, τότε το σημείο βρασμού, όπως ήδη γνωρίζουμε, θα είναι υψηλότερο.
συμπέρασμα
Τώρα ξέρετε σε ποια θερμοκρασία βράζει το νερό και πώς η ατμοσφαιρική πίεση και η σύνθεση του υγρού επηρεάζουν αυτή τη διαδικασία. Δεν υπάρχει τίποτα περίπλοκο σε αυτό και τα παιδιά λαμβάνουν τέτοιες πληροφορίες στο σχολείο. Το κύριο πράγμα είναι να θυμάστε ότι καθώς η πίεση μειώνεται, το σημείο βρασμού του υγρού μειώνεται επίσης και καθώς αυξάνεται, αυξάνεται επίσης.
Στο Διαδίκτυο μπορείτε να βρείτε πολλούς διαφορετικούς πίνακες που υποδεικνύουν την εξάρτηση του σημείου βρασμού ενός υγρού από την ατμοσφαιρική πίεση. Είναι διαθέσιμα σε όλους και χρησιμοποιούνται ενεργά από μαθητές, φοιτητές και ακόμη και καθηγητές σε ινστιτούτα.
Διαδικασία βρασμού νερούαποτελείται από τρία στάδια:
- η αρχή του πρώτου σταδίου - μικροσκοπικές φυσαλίδες αέρα που πηδούν από τον πυθμένα του βραστήρα ή οποιοδήποτε άλλο δοχείο στο οποίο βράζει το νερό και εμφανίζονται νέοι σχηματισμοί φυσαλίδων στην επιφάνεια του νερού. Σταδιακά ο αριθμός τέτοιων φυσαλίδων αυξάνεται.
- Στο δεύτερο στάδιο βραστό νερόυπάρχει μια τεράστια ταχεία άνοδος των φυσαλίδων προς τα πάνω, προκαλώντας στην αρχή μια ελαφριά θολότητα του νερού, η οποία στη συνέχεια μετατρέπεται σε «λεύκανση», στην οποία το νερό μοιάζει με ρεύμα πηγής. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται βρασμός λευκό κλειδίκαι εξαιρετικά βραχύβια.
– το τρίτο στάδιο συνοδεύεται από έντονες διεργασίες βρασμού νερού, εμφάνιση μεγάλων φυσαλίδων που σκάνε και πιτσιλιές στην επιφάνεια. Μια μεγάλη ποσότητα πιτσιλιών σημαίνει ότι το νερό έχει βράσει πολύ.
Παρεμπιπτόντως, αν σας αρέσει να πίνετε τσάι παρασκευασμένο με καθαρό φυσικό νερό, τότε μπορείτε να κάνετε μια παραγγελία για αυτό χωρίς να φύγετε από το σπίτι σας, στον ιστότοπο, για παράδειγμα: http://www.aqualader.ru/. Μετά από αυτό η εταιρεία διανομής νερού θα το παραδώσει στο σπίτι σας.
Οι απλοί παρατηρητές έχουν από καιρό παρατηρήσει το γεγονός ότι και τα τρία στάδια του βρασμού του νερού συνοδεύονται από διάφορους ήχους. Το νερό στο πρώτο στάδιο κάνει έναν μόλις ακουστό λεπτό ήχο. Στο δεύτερο στάδιο, ο ήχος μετατρέπεται σε θόρυβο, που θυμίζει το βουητό ενός σμήνους μελισσών. Στο τρίτο στάδιο, οι ήχοι από το βραστό νερό χάνουν την ομοιομορφία τους και γίνονται απότομοι και δυνατοί, μεγαλώνοντας χαοτικά.
Ολα στάδιο βραστό νερόεπαληθεύονται εύκολα από την εμπειρία. Έχοντας αρχίσει να ζεσταίνουμε νερό σε ανοιχτό γυάλινο δοχείο και μετρώντας περιοδικά τη θερμοκρασία, μετά από σύντομο χρονικό διάστημα θα αρχίσουμε να παρατηρούμε φυσαλίδες που καλύπτουν τον πάτο και τα τοιχώματα του δοχείου.
Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στη φούσκα που εμφανίζεται κοντά στο κάτω μέρος. Αυξάνοντας σταδιακά τον όγκο της, η φυσαλίδα αυξάνει επίσης την περιοχή επαφής με το θερμαινόμενο νερό, το οποίο δεν έχει φτάσει ακόμη σε υψηλή θερμοκρασία. Ως αποτέλεσμα αυτού, ο ατμός και ο αέρας μέσα στη φυσαλίδα ψύχονται, με αποτέλεσμα να μειώνεται η πίεσή τους και η βαρύτητα του νερού να σκάσει τη φυσαλίδα. Είναι αυτή τη στιγμή που το νερό κάνει έναν ήχο που είναι χαρακτηριστικός του βρασμού, ο οποίος συμβαίνει λόγω των συγκρούσεων του νερού με τον πυθμένα του δοχείου σε εκείνα τα μέρη όπου σκάνε οι φυσαλίδες.
Καθώς η θερμοκρασία στα κατώτερα στρώματα του νερού πλησιάζει τους 100 βαθμούς Κελσίου, η πίεση εντός των φυσαλίδων εξισώνεται με την πίεση του νερού σε αυτά, με αποτέλεσμα οι φυσαλίδες να διαστέλλονται σταδιακά. Η αύξηση του όγκου των φυσαλίδων οδηγεί επίσης σε αύξηση της δύναμης άνωσης πάνω τους, υπό την επίδραση της οποίας οι πιο ογκώδεις φυσαλίδες αποσπώνται από τα τοιχώματα του δοχείου και ανεβαίνουν γρήγορα προς τα πάνω. Εάν το ανώτερο στρώμα του νερού δεν έχει φτάσει ακόμη τους 100 βαθμούς, τότε η φυσαλίδα, πέφτοντας σε πιο κρύο νερό, χάνει μέρος των υδρατμών που συμπυκνώνονται και πηγαίνει στο νερό. Σε αυτή την περίπτωση, οι φυσαλίδες μειώνονται και πάλι σε μέγεθος και πέφτουν κάτω υπό την επίδραση της βαρύτητας. Κοντά στον πυθμένα, αποκτούν ξανά όγκο και ανεβαίνουν προς τα πάνω, και είναι αυτές οι αλλαγές στο μέγεθος των φυσαλίδων που δημιουργούν τον χαρακτηριστικό θόρυβο του βραστού νερού.
Όταν ολόκληρος ο όγκος του νερού φτάσει τους 100 βαθμούς, οι φυσαλίδες που ανεβαίνουν δεν μειώνονται πλέον σε μέγεθος, αλλά σκάνε στην ίδια την επιφάνεια του νερού. Σε αυτή την περίπτωση, ο ατμός απελευθερώνεται προς τα έξω, συνοδευόμενος από έναν χαρακτηριστικό ήχο γουργουρίσματος - αυτό σημαίνει ότι το νερό βράζει. Η θερμοκρασία στην οποία ένα υγρό φθάνει σε βρασμό εξαρτάται από την πίεση που βιώνει η ελεύθερη επιφάνειά του. Όσο υψηλότερη είναι αυτή η πίεση, τόσο υψηλότερη είναι η απαιτούμενη θερμοκρασία και αντίστροφα.
Εκείνο το νερό βράζει 100 βαθμοί Κελσίουείναι ένα γνωστό γεγονός. Αξίζει όμως να ληφθεί υπόψη ότι αυτή η θερμοκρασία ισχύει μόνο υπό κανονική ατμοσφαιρική πίεση (περίπου 101 kilopascals). Καθώς η πίεση αυξάνεται, αυξάνεται και η θερμοκρασία στην οποία το υγρό φθάνει σε βρασμό. Για παράδειγμα, στις χύτρες ταχύτητας, το φαγητό μαγειρεύεται υπό πίεση που πλησιάζει τα 200 κιλοπασκάλ, στην οποία το σημείο βρασμού του νερού είναι 120 βαθμούς. Σε νερό σε αυτή τη θερμοκρασία, το μαγείρεμα προχωρά πολύ πιο γρήγορα από ότι σε κανονική θερμοκρασία βρασμού - εξ ου και το όνομα του τηγανιού.
Κατά συνέπεια, μια μείωση της πίεσης μειώνει επίσης το σημείο βρασμού του νερού. Για παράδειγμα, οι κάτοικοι των ορεινών περιοχών, που ζουν σε υψόμετρο 3 χιλιομέτρων, επιτυγχάνουν βραστό νερό γρηγορότερα από τους κατοίκους των πεδιάδων - όλα τα στάδια βρασμού νερού συμβαίνουν πιο γρήγορα, καθώς αυτό απαιτεί μόνο 90 μοίρες σε πίεση 70 kilopascals. Όμως οι κάτοικοι του βουνού δεν μπορούν να βράσουν, για παράδειγμα, ένα αυγό κοτόπουλου, αφού η ελάχιστη θερμοκρασία στην οποία πήζει το λευκό είναι ακριβώς 100 βαθμοί Κελσίου.
