SOOJUSE ÜLEKANDMINE KEEMMISEL JA KONDENSEERIMISEL
SOOJUSE ÜLEKANDMINE KEEMISEL
Keetmine nimetatakse intensiivseks aurustumisprotsessiks, mis toimub kogu vedeliku mahus, mis on küllastustemperatuuril või küllastustemperatuuri suhtes mõnevõrra ülekuumenenud, koos aurumullide moodustumisega. Faasimuundamisprotsessi käigus neeldub aurustumissoojus. Keemisprotsess hõlmab tavaliselt kuumuse lisamist keevale vedelikule.
Vedelate keetmise režiimid.
Eristatakse vedelike keemist tahkel soojusvahetuspinnal, millele soojus antakse väljastpoolt, ja vedeliku mahus keemist.
Tahkel pinnal keetes täheldatakse sellel pinnal kohati aurufaasi teket. Mahulise keetmise ajal tekib aurufaas spontaanselt (spontaanselt) otse vedeliku põhiosasse üksikute aurumullidena. Mahuline keetmine võib toimuda ainult siis, kui vedela faasi ülekuumenemine on antud rõhul küllastustemperatuuri suhtes suurem kui tahkel pinnal keemine. Olulise ülekuumenemise võib saavutada näiteks süsteemi kiire rõhu vähendamisega. Mahuline keetmine võib toimuda siis, kui vedelikus on sisemisi soojusallikaid.
Kaasaegses energeetikas ja -tehnoloogias kohtab tavaliselt keemisprotsesse tahketel küttepindadel (torupinnad, kanaliseinad jne). Seda tüüpi keetmist käsitletakse peamiselt allpool.
Soojusülekande mehhanism tuumakeemise ajal erineb soojusülekande mehhanismist ühefaasilise vedeliku konvektsiooni ajal aine massi ja soojuse täiendava ülekande olemasoluga piirkihist aurumullide abil keemismahusse. vedel. See toob kaasa kõrge soojusülekande intensiivsuse keemise ajal võrreldes ühefaasilise vedeliku konvektsiooniga.
Keemisprotsessi toimumiseks peavad olema täidetud kaks tingimust: vedeliku ülekuumenemine küllastustemperatuuri suhtes ja aurustumiskeskuste olemasolu.
Vedeliku ülekuumenemise maksimumväärtus on otse kuumutatud soojusvahetuspinnal. Sellel on aurude moodustumise keskused seina ebatasasuste, õhumullide, tolmuosakeste jms kujul. Seetõttu tekivad aurumullid otse soojusvahetuspinnal.
Joonis 3.1 – vedelikukeetmisrežiimid piiramatus mahus: a) mullitav; b) – üleminekuperiood; c) - film
Joonisel fig. 3.1. skemaatiliselt kujutab vedeliku keemisrežiime piiramatus mahus. Kell mullirežiim keema (joon. 3.1, a) küttepinna temperatuuri tõustes t c ja vastavalt sellele suureneb aktiivsete aurustumiskeskuste arv ning keemisprotsess muutub järjest intensiivsemaks. Aurumullid purunevad aeg-ajalt pinnalt ja vabale pinnale hõljudes jätkavad nende mahu kasvu.
Kasvava temperatuuriga rõhuga Δ t soojusvoog, mis eemaldatakse küttepinnalt keevasse vedelikku, suureneb oluliselt. Kogu seda soojust kasutatakse lõpuks auru tekitamiseks. Seetõttu on keetmise soojusbilansi võrrand järgmine:
Kus K- soojusvoog, W; r- vedeliku faasisiirdesoojus, J/kg; G p- vedeliku keetmise tulemusena tekkinud ja selle vabalt pinnalt eemaldatud auru kogus ajaühikus, kg/s.
Soojuse vool K temperatuuride erinevuse Δ suurenemisega t ei kasva lõputult. Teatud väärtusel Δ t see saavutab maksimaalse väärtuse (joonis 3.2) ja Δ edasise suurenemisega t hakkab vähenema.
Joonis 3.2 – Soojusvoo tiheduse sõltuvus q
temperatuuride erinevusest Δ t suures koguses vee keetmisel atmosfäärirõhul: 1- kuumutamine küllastustemperatuurini; 2 – mullirežiim; 3 – üleminekurežiim; 4 – filmirežiim.
Andke aladele 1 2 3 ja 4
Mullkeetmisrežiim toimub jaotises 2 (joonis 3.2), kuni punktis saavutatakse maksimaalne soojuse eemaldamine q kr1, kutsus esimene kriitiline soojusvoo tihedus. Atmosfäärirõhuga vee puhul on esimene kriitiline soojusvoo tihedus ≈ W/m2; temperatuuride erinevuse W/m 2 vastav kriitiline väärtus. (Need väärtused kehtivad keeva vee tingimustes, kus on vaba liikumine suures mahus. Muude tingimuste ja muude vedelike puhul on väärtused erinevad).
Suurema Δ korral t tuleb üleminekurežiim keetmine (joonis 3.1, b). Seda iseloomustab asjaolu, et nii küttepinnal endal kui ka selle läheduses sulanduvad mullid pidevalt üksteisega ja moodustuvad suured auruõõnsused. Seetõttu muutub vedeliku juurdepääs pinnale järk-järgult üha raskemaks. Pinnale ilmuvad teatud kohtadesse "kuivad" laigud; nende arv ja suurus kasvavad pidevalt pinnatemperatuuri tõustes. Sellised alad on soojusvahetusest justkui välja jäetud, kuna soojuse eemaldamine otse aurule toimub palju vähem intensiivselt. See määrab soojusvoo järsu vähenemise (joon. 3.2 lõik 3) ja soojusülekandeteguri ülemineku keemisrežiimi piirkonnas.
Lõpuks kaetakse teatud temperatuuri languse korral kogu küttepind pideva aurukilega, mis surub vedeliku pinnalt eemale. Nüüdsest see toimub filmi režiim keetmine (joonis 3.1, V). Sel juhul toimub soojusülekanne küttepinnalt vedelikule konvektiivse soojusvahetuse ja kiirgusega läbi aurukile. Soojusülekande intensiivsus kile keetmise režiimis on üsna madal (4. lõik joonisel 3.2). Aurukile kogeb pulsatsioone; sellesse perioodiliselt kogunev aur puruneb suurte mullidena. Kile keemise hetkel on pinnalt eemaldatav soojuskoormus ja vastavalt ka tekkiva auru hulk minimaalne. See vastab joonisele fig. 3,2 punkti q kr2, kutsus teine kriitiline soojusvoo tihedus. Vee atmosfäärirõhul iseloomustab kile keemise algushetke temperatuuride erinevus ≈150 °C, st pinnatemperatuur t c on umbes 250°C. Temperatuuride erinevuse suurenedes kandub kiirgusega soojusvahetuse tõttu üle üha suurem osa soojusest.
Kõiki kolme keemisrežiimi saab jälgida vastupidises järjekorras, kui näiteks kastetakse kuumaks kuum massiivne metalltoode kustutamiseks vette. Vesi keeb, algul toimub keha jahutamine suhteliselt aeglaselt (kilekeemine), seejärel kiireneb jahutuskiirus kiiresti (üleminekurežiim), vesi hakkab perioodiliselt pinda niisutama ja pinnatemperatuuri suurim langus saavutatakse jahutamise viimane etapp (tuumakeetmine). Selles näites toimub keetmine aja jooksul mittestatsionaarsetes tingimustes.
Joonisel fig. Joonisel 3.3 on kujutatud mull- ja kilekeetmisrežiimide visualiseerimist elektriliselt kuumutatud juhtmel vees.
riis. 3.3 mulli- ja kilekeetmisrežiimide visualiseerimine elektriküttega juhtmel: a) - mull- ja b) kilekeetmisrežiim.
Praktikas tuleb sageli ette ka tingimusi, kui pinnale antakse fikseeritud soojusvoog, s.t. q= konst. See on tüüpiline näiteks elektriliste termiliste küttekehade, tuumareaktorite kütuseelementide ja ligikaudu väga kõrge temperatuuriga allikate pinna kiirguskuumutuse korral. Tingimustes q= püsiv pinnatemperatuur t c ja vastavalt temperatuuri erinevus Δ t sõltuvad vedeliku keemisastmest. Selgub, et sellistes soojusvarustuse tingimustes ei saa üleminekurežiim paigalt eksisteerida. Selle tulemusena omandab keemisprotsess mitmeid olulisi omadusi. Soojuskoormuse järkjärgulise suurenemisega q temperatuuri erinevus Δ t suureneb vastavalt mullide keemisjoonele joonisel fig. 3.2 ja protsess areneb samamoodi nagu eespool kirjeldatud. Uued tingimused tekivad, kui tarnitud soojusvoo tihedus saavutab väärtuse, mis vastab esimesele kriitilisele soojusvoo tihedusele q cr1. Nüüd, mis tahes väikese (isegi juhusliku) väärtuse tõusuga q pinnale antava soojushulga ja selle maksimaalse soojuskoormuse vahel on ülejääk q kr1, mille saab tõmmata keevasse vedelikku. See liigne ( q-q cr1) põhjustab pinnatemperatuuri tõusu, st algab seinamaterjali mittestatsionaarne kuumenemine. Protsessi areng on omandamas kriisi iseloomu. Sekundi murdosaga tõuseb küttepinna materjali temperatuur sadade kraadide võrra ja ainult siis, kui sein on piisavalt tulekindel, lõpeb kriis õnnelikult uude statsionaarsesse olekusse, mis vastab kile keemispiirkonnale väga kõrgel pinnal. temperatuuri. Joonisel fig. 3.2 seda kriisiüleminekut tuumakeemisrežiimilt kile keemisrežiimile näidatakse tavapäraselt noolega "hüppena" tuumakeemiskõveralt kile keemisjoonele sama soojuskoormuse juures q cr1. Tavaliselt kaasneb sellega aga küttepinna sulamine ja hävimine (läbipõlemine).
Teine omadus on see, et kui tekib kriis ja kehtestatakse kile keemisrežiim (pind ei hävine), siis termilise koormuse vähenemisega säilib kile keemine, st piki kilet toimub nüüd vastupidine protsess. keemisjoon (joonis 3.2). Ainult jõudmisel q kr2 vedelik hakkab uuesti üksikutes punktides jõudma perioodiliselt (märjaks) küttepinnale. Soojuse eemaldamine suurendab ja ületab soojusvarustust, mille tulemuseks on pinna kiire jahtumine, mis on samuti kriisi iseloomuga. Toimub kiire režiimimuutus ja tekib statsionaarne tuumakeetmine. See vastupidine üleminek (teine kriis) joonisel fig. 3.2 on tavapäraselt näidatud ka noolega kui "hüpet" kile keemiskõveralt tuumakeemisjoonele q = q cr2.
Niisiis, soojusvoo tiheduse fikseeritud väärtuse tingimustes q, toidetakse küttepinnale, on nii üleminekud mullist kilele kui ka vastupidi kriisi iseloomu. Need tekivad kriitilise soojusvoo tiheduse juures q 1 kr ja q vastavalt 2 kr. Nendes tingimustes ei saa ülemineku keemisrežiim püsivalt eksisteerida, see on ebastabiilne.
Praktikas kasutatakse laialdaselt kuumuse eemaldamise meetodeid erineva kujuga torudes või kanalites liikuva vedeliku keetmise ajal. Seega viiakse auru tekitamise protsessid läbi katla torude sees liikuva vee keemise tõttu. Kütuse kuumadest põlemisproduktidest tarnitakse torude pinnale soojust kiirguse ja konvektiivse soojusvahetuse tõttu.
Piiratud mahus toru (kanali) sees liikuva vedeliku keetmise protsessi jaoks jäävad kehtima ülalkirjeldatud tingimused, kuid samal ajal ilmnevad mitmed uued omadused.
Vertikaalne toru. Toru või kanal on piiratud süsteem, milles keeva vedeliku liikumisel toimub pidev aurufaasi tõus ja vedela faasi vähenemine. Vastavalt sellele muutub voolu hüdrodünaamiline struktuur nii toru pikkuses kui ka ristlõikes. Vastavalt sellele muutub ka soojusülekanne.
Vertikaalse toru pikkuses on kolm peamist erineva struktuuriga vedelikuvoolu piirkonda, kui vool liigub alt üles (joonis 3.4): I- küttepind (ökonomaiseri sektsioon, kuni toruosani, kus T s = T n); II- keemisala (aurustumisosa, sektsioonist, kus T s = T n, i<i n, jaotisesse, kus T s = T n, i cm→i n); III– ala, kus märg aur kuivab.
Aurustamissektsioon hõlmab alasid, kus küllastunud vedelik keeb pinnapealselt.
Joonisel fig. 3.4 näitab skemaatiliselt sellise voolu struktuuri. Sektsioon 1 vastab ühefaasilise vedeliku kuumutamisele küllastustemperatuurini (ökonomaiseri sektsioon). Sektsioonis 2 toimub pinna tuumakeemine, mille puhul soojusülekanne suureneb võrreldes lõiguga 2. Sektsioonis 3 toimub emulsioonirežiim, kus kahefaasiline vool koosneb vedelikust ja selles ühtlaselt jaotunud suhteliselt väikestest mullidest, mis järgnevalt ühendage, moodustades suured mullid - toru läbimõõduga proportsionaalsed pistikud. Pistikurežiimis (jaotis 4) liigub aur eraldi suurte mullide kujul, mis on eraldatud auru-vedeliku emulsiooni kihtidega. Lisaks liigub jaotises 5 märg aur pideva massina voolu südamikus ja õhuke rõngakujuline vedelikukiht liigub toru seina juures. Selle vedelikukihi paksus väheneb järk-järgult. See lõik vastab rõngakujulisele keemisrežiimile, mis lõpeb vedeliku kadumisel seinast. Sektsioonis 6 aur kuivatatakse (suurendab auru kuivusastet). Kuna keemisprotsess on lõppenud, väheneb soojusülekanne. Seejärel suureneb auru erimahu suurenemise tõttu auru kiirus, mis toob kaasa soojusülekande kerge suurenemise.
Joonis 3.4 – Voolu struktuur, kui vedelik keeb vertikaalses torus
Tsirkulatsioonikiiruse suurenemine antud hetkel q koos, toru pikkus ja sisselasketemperatuur põhjustavad arenenud keemistemperatuuriga alade vähenemist ja ökonomaiseri sektsiooni pikkuse suurenemist; suurenemisega q koos antud kiirusel, vastupidi, arenenud keevusega sektsioonide pikkus suureneb ja ökonomaiseri sektsiooni pikkus väheneb.
Horisontaalsed ja kaldtorud. Kui kahefaasiline vool liigub horisontaalselt või väikese kaldega torude sees, toimub lisaks piki voolu struktuuri muutustele piki toru perimeetrit konstruktsioonis oluline muutus. Seega, kui tsirkulatsioonikiirus ja auru sisaldus voolus on madal, siis täheldatakse kahefaasilise voolu eraldumist toru alumises osas liikuvaks vedelfaasiks ja selle ülemises osas liikuvaks aurufaasiks (joonis fig. 3.5, A). Aurusisalduse ja tsirkulatsioonikiiruse edasise suurenemisega omandab auru- ja vedelikufaaside vaheline liides lainelise iseloomu ning vedelik niisutab perioodiliselt toru ülemist osa laineharjadega. Aurusisalduse ja kiiruse edasise suurenemisega intensiivistub laine liikumine liideses, mis viib vedeliku osalise väljapaiskumiseni aurupiirkonda. Selle tulemusena omandab kahefaasiline vool voolu iseloomu, esmalt korgivoolule ja seejärel rõngakujulisele voolule.
Riis. 3.5 – Voolu struktuur, kui vedelik keeb horisontaalses torus.
A– kihiline keemisrežiim; b– vardarežiim; 1 - aur; 2 - vedelik.
Rõngakujulises režiimis toimub õhukese vedelikukihi liikumine piki toru kogu perimeetrit ja voolu südamikus liigub auru-vedeliku segu (joonis 3.5, b). Kuid sel juhul ei täheldata voolustruktuuri täielikku aksiaalset sümmeetriat.
kui toruseinte soojusvarustuse intensiivsus on piisavalt kõrge, võib keemisprotsess toimuda ka voolu ajal torus, mis ei ole kuumutatud vedeliku küllastustemperatuurini. See protsess toimub siis, kui seina temperatuur tõuseb t cületab küllastustemperatuuri ts. see katab vedeliku piirkihi otse seina ääres. Voolu külma südamikusse sisenevad aurumullid kondenseeruvad kiiresti. Seda tüüpi keetmist nimetatakse keetmine koos alajahutusega.
Soojuse eemaldamine tuumakeemisrežiimis on üks kõige arenenumaid meetodeid küttepinna jahutamiseks. See leiab laialdast rakendust tehnilistes seadmetes.
3.1.2. Soojusülekanne tuumakeetmise ajal.
Vaatlused näitavad, et temperatuuri tõusuga rõhul Δ t = t c-ts, samuti surve R suureneb aktiivsete aurustumiskeskuste arv küttepinnal. Selle tulemusena ilmub, kasvab ja eraldub küttepinnast pidevalt üha rohkem mulli. Selle tulemusena suureneb turbuliseerumine ja vedeliku seinalähedase piirkihi segunemine. Küttepinnal kasvades neelavad mullid intensiivselt ka piirkihist soojust. Kõik see aitab parandada soojusülekannet. Üldiselt on tuumakeetmise protsess üsna kaootiline.
Uuringud näitavad, et aurustumiskeskuste arv tehnilistel küttepindadel sõltub pinna materjalist, struktuurist ja mikrokaredusest, pinna koostise heterogeensuse olemasolust ja pinnale adsorbeeritud gaasist (õhust). Märkimisväärset mõju avaldavad mitmesugused haarangud, oksiidkiled ja kõik muud kandmised.
Vaatlused näitavad, et reaalsetes tingimustes toimivad aurustumiskeskused tavaliselt pinnakareduse ja mikrokareduse üksikute elementidena (eelistatavalt mitmesugused süvendid ja süvendid).
Tavaliselt on uutel pindadel aurustumiskeskuste arv pärast pikemaajalist keetmist suurem kui samadel pindadel. See on peamiselt tingitud pinnale adsorbeeritud gaasi olemasolust. Aja jooksul eemaldatakse gaas järk-järgult, see seguneb kasvavates mullides auruga ja juhitakse aururuumi. Keemisprotsess ja soojusülekanne on ajaliselt ja intensiivsuselt stabiliseeritud.
Aurumullide moodustumise tingimusi mõjutab suuresti pindpinevus vedeliku ja auru kokkupuutepinnal.
Pindpinevuse tõttu aururõhk mulli sees R n kõrgem kui ümbritseva vedeliku rõhk R ja. Nende erinevuse määrab Laplace'i võrrand
kus σ on pindpinevus; R- mulli raadius.
Laplace'i võrrand väljendab mehaanilise tasakaalu tingimust. See näitab, et pindpinevus, nagu elastne kest, "pressib kokku" mulli auru ja mida tugevam, seda väiksem on selle raadius. R.
Aururõhu sõltuvus mullis selle suurusest seab väikeste mullide termilise või termodünaamilise tasakaalu seisundile erijooned. Aur mullis ja vedelik selle pinnal on tasakaalus, kui vedeliku pinna temperatuur on võrdne küllastustemperatuuriga mulli aururõhul, t s ( R P). See temperatuur on kõrgem kui küllastustemperatuur vedeliku välisrõhul t s ( R ja). Seetõttu tuleb termilise tasakaalu saavutamiseks mulli ümbritsevat vedelikku teatud koguse võrra üle kuumutada t s ( R P)- t s ( R ja).
Järgmine omadus on see, et see tasakaal osutub olevat ebastabiilne. Kui vedeliku temperatuur ületab veidi tasakaaluväärtust, aurustub osa vedelikust mullideks ja selle raadius suureneb. Sel juhul vastavalt Laplace'i võrrandile aururõhk mullis väheneb. See toob kaasa uue kõrvalekaldumise tasakaaluseisundist. Mull hakkab piiramatult kasvama. Samuti kondenseerub vedeliku temperatuuri vähesel langusel osa aurust, mulli suurus väheneb ja aururõhk selles suureneb. See toob kaasa edasise kõrvalekaldumise tasakaalutingimustest, nüüd teises suunas. Selle tulemusena mull kondenseerub täielikult ja kaob.
Järelikult ei ole ülekuumutatud vedelikus võimelised edasi kasvama mitte ühelgi juhuslikult moodustunud väikesed mullid, vaid ainult need, mille raadius ületab eespool käsitletud ebastabiilse mehaanilise ja termilise tasakaalu tingimustele vastava väärtuse. See minimaalne väärtus
kui tuletis on antud aine füüsikaline omadus, määratakse see Clapeyroni-Clausise võrrandiga
st seda väljendatakse teiste füüsikaliste konstantide kaudu: faasisiirdesoojus r, auru tihedus ρ lk ja vedelikud ρ ja absoluutne küllastustemperatuur T s.
Võrrand (3-2) näitab, et kui küttepinna üksikutesse punktidesse tekivad aurutuumad, siis ainult need, mille kõverusraadius ületab väärtuse Rmin. Kuna Δ suurenemisega t suurusjärk Rmin väheneb, selgitab võrrand (3-2).
eksperimentaalselt täheldatud fakt aurustumiskeskuste arvu suurenemisest pinnatemperatuuri tõusuga.
Aurustumiskeskuste arvu suurenemine koos rõhu suurenemisega on samuti seotud vähenemisega Rmin, sest suureneva rõhuga väärtus p's kasvab ja σ väheneb. Arvutused näitavad, et atmosfäärirõhul keeva vee puhul on Δ t= 5°С Rmin= 6,7 µm ja Δ juures t= 25 °C Rmin= 1,3 µm.
Kiirfilmimise abil tehtud vaatlused näitavad, et fikseeritud keemisrežiimi korral ei ole aurumullide moodustumise sagedus nii pinna eri punktides kui ka aja jooksul sama. See annab keemisprotsessile keeruka statistilise iseloomu. Vastavalt sellele iseloomustavad erinevate mullide kasvukiirusi ja eraldumise suurusi ka juhuslikud kõrvalekalded teatud keskmiste väärtuste ümber.
Pärast seda, kui mull saavutab teatud suuruse, puruneb see pinnast. Ärarebitav suurus mille määrab peamiselt gravitatsiooni, pindpinevuse ja inertsi koostoime. Viimane väärtus tähistab dünaamilist reaktsiooni, mis toimub vedelikus mullide suuruse kiire kasvu tõttu. See jõud takistab tavaliselt mullide purunemist. Lisaks sõltub mullide tekke ja eraldumise iseloom suuresti sellest, kas vedelik niisutab pinda või ei niisuta seda. Vedeliku märgamisvõimet iseloomustab kontaktnurk θ, mis tekib seina ja vedeliku vaba pinna vahele. Mida suurem θ, seda halvem on vedeliku märgamisvõime. On üldtunnustatud, et θ puhul<90° (рис. 3.6, A), vedelik niisutab pinda, kuid θ >90° juures mitte. Kontaktnurga väärtus oleneb vedeliku iseloomust, materjalist, seisukorrast ja pinna puhtusest. Kui keev vedelik niisutab küttepinda, on aurumullid õhukese varrega ja tulevad pinnalt kergesti lahti (joon. 3.7, A). Kui vedelik ei niisuta pinda, on aurumullidel lai vars (joonis 3.7, b) ja eralduvad mööda maakitsust, vastasel juhul toimub aurustumine kogu pinna ulatuses.
Keetmine- see on aurustumine, mis toimub samaaegselt nii pinnalt kui ka kogu vedeliku mahu ulatuses. See seisneb tõsiasjas, et arvukad mullid hõljuvad üles ja lõhkevad, põhjustades iseloomuliku kiha.
Nagu kogemused näitavad, algab vedeliku keemine antud välisrõhul täpselt määratletud temperatuuril, mis keemisprotsessi käigus ei muutu ja saab toimuda ainult siis, kui soojusvahetuse tulemusena antakse energiat väljastpoolt (joon. 1). ):
kus L on aurustumise erisoojus keemistemperatuuril.
Keemismehhanism: vedelikus on alati lahustunud gaas, mille lahustumise aste temperatuuri tõustes väheneb. Lisaks on anuma seintel adsorbeeritud gaas. Kui vedelikku kuumutatakse altpoolt (joonis 2), hakkab gaas anuma seinte lähedal mullidena eralduma. Vedelik aurustub nendeks mullideks. Seetõttu sisaldavad need lisaks õhule ka küllastunud auru, mille rõhk tõuseb temperatuuri tõustes kiiresti ning mullide maht kasvab ning sellest tulenevalt suurenevad ka neile mõjuvad Archimedese jõud. Kui üleslükkejõud muutub suuremaks kui mulli raskusjõud, hakkab see hõljuma. Kuid kuni vedeliku ühtlase kuumenemiseni selle tõustes mulli maht väheneb (küllastunud aururõhk väheneb temperatuuri langedes) ja enne vabale pinnale jõudmist mullid kaovad (kokkuvarisevad) (joonis 2, a), mistõttu kuuleme enne keetmist iseloomulikku müra. Kui vedeliku temperatuur ühtlustub, suureneb mulli maht selle tõustes, kuna küllastunud auru rõhk ei muutu, ja välisrõhk mullile, mis on mulli kohal oleva vedeliku hüdrostaatilise rõhu summa. ja atmosfäärirõhk väheneb. Mull jõuab vedeliku vabale pinnale, lõhkeb ja küllastunud aur väljub (joonis 2, b) - vedelik keeb. Küllastusauru rõhk mullides on praktiliselt võrdne välisrõhuga.
Nimetatakse temperatuuri, mille juures vedeliku küllastunud auru rõhk on võrdne välisrõhuga selle vabal pinnal keemispunkt vedelikud.
Kuna küllastunud auru rõhk tõuseb temperatuuri tõustes ja keemise ajal peab see olema võrdne välisrõhuga, siis välisrõhu suurenemisega keemistemperatuur tõuseb.
Keemistemperatuur sõltub ka lisandite olemasolust, mis tavaliselt suureneb lisandite kontsentratsiooni suurenedes.
Kui esmalt vabastada vedelik selles lahustunud gaasist, siis võib see üle kuumeneda, s.t. kuumutada üle keemistemperatuuri. See on vedeliku ebastabiilne olek. Piisab väikestest löökidest ja vedelik keeb ning selle temperatuur langeb kohe keemistemperatuurini.
Kõik, mis meid igapäevaelus ümbritseb, on kujutatav füüsikaliste ja keemiliste protsesside kujul. Teeme pidevalt palju manipulatsioone, mida väljendatakse valemite ja võrranditega, seda teadmatagi. Üks neist protsessidest on keetmine. See on nähtus, mida absoluutselt kõik koduperenaised toiduvalmistamisel kasutavad. Meile tundub see täiesti tavaline. Aga vaatame keemisprotsessi teaduslikust vaatenurgast.
Keetmine - mis see on?
Koolifüüsikast saadik on teada, et aine võib olla vedelas ja gaasilises olekus. Vedeliku auruolekusse muutmise protsess on keemine. See juhtub ainult siis, kui teatud temperatuur on saavutatud või ületatud. Ka surve osaleb selles protsessis ja sellega tuleb arvestada. Igal vedelikul on oma keemistemperatuur, mis käivitab aurude moodustumise protsessi.
See on oluline erinevus keemise ja aurustumise vahel, mis toimub vedeliku mis tahes temperatuuril.
Kuidas keemine toimub?
Kui olete kunagi klaasanumas vett keetnud, olete täheldanud vedeliku kuumenemisel mullide tekkimist anuma seintele. Need tekivad tänu sellele, et nõude mikropragudesse koguneb õhk, mis hakkab kuumutamisel paisuma. Mullid koosnevad rõhu all olevast vedelikuaurust. Neid paare nimetatakse küllastunud. Vedeliku kuumenemisel suureneb rõhk õhumullides ja nende suurus suureneb. Loomulikult hakkavad nad tippu tõusma.
Kui aga vedelik ei ole veel keemistemperatuurini jõudnud, siis ülemistes kihtides olevad mullid jahtuvad, rõhk langeb ja need satuvad anuma põhja, kus soojenevad uuesti ja tõusevad üles. See protsess on tuttav igale perenaisele, tundub, et vesi hakkab müra tegema. Niipea, kui võrreldakse ülemise ja alumise kihi vedeliku temperatuuri, hakkavad mullid pinnale tõusma ja lõhkema - tekib keemine. See on võimalik ainult siis, kui mullide sees olev rõhk muutub samaks kui vedeliku enda rõhk.
Nagu me juba mainisime, on igal vedelikul oma temperatuurirežiim, mille juures keemisprotsess algab. Pealegi jääb aine temperatuur kogu protsessi vältel muutumatuks, kogu vabanev energia kulutatakse aurustumisele. Seetõttu põlevad hooletute perenaiste potid läbi – kogu nende sisu keeb ära ja anum ise hakkab kuumenema.
Keemistemperatuur on otseselt võrdeline rõhuga, mis avaldatakse kogu vedelikule, täpsemalt selle pinnale. Koolifüüsika kursusel on näidatud, et vesi hakkab keema temperatuuril sada kraadi Celsiuse järgi. Kuid vähesed inimesed mäletavad, et see väide kehtib ainult normaalse rõhu tingimustes. Standardväärtuseks loetakse sada üks kilopascal. Kui rõhku tõsta, keeb vedelik erineval temperatuuril.
Seda füüsilist omadust kasutavad kaasaegsete kodumasinate tootjad. Näiteks oleks kiirkeedukell. Kõik koduperenaised teavad, et sellistes seadmetes valmib toit palju kiiremini kui tavalistes pannides. Millega see seotud on? Rõhuga, mis tekib kiirkeetjas. See on kaks korda normist suurem. Seetõttu keeb vesi umbes sada kakskümmend kraadi Celsiuse järgi.
Kui olete kunagi olnud mägedes, olete täheldanud vastupidist protsessi. Kõrgusel hakkab vesi üheksakümne kraadi juures keema, mis muudab toiduvalmistamise protsessi oluliselt keerulisemaks. Kohalikud elanikud ja mägironijad, kes veedavad kogu oma vaba aja mägedes, on neist raskustest hästi teadlikud.
Veidi lähemalt keetmisest
Paljud inimesed on kuulnud sellist väljendit nagu "keemistemperatuur" ja olid ilmselt üllatunud, et me seda artiklis ei maininud. Tegelikult oleme seda juba kirjeldanud. Ärge kiirustage teksti uuesti lugema. Fakt on see, et füüsikas peetakse keemisprotsessi punkti ja temperatuuri identseks.
Teadusmaailmas tehakse selles terminoloogias eraldamist ainult erinevate vedelate ainete segamise korral. Sellises olukorras määratakse keemistemperatuur ja kõigist võimalikest madalaim. Just seda peetakse segu kõigi komponentide normiks.
Vesi: huvitavaid fakte füüsikaliste protsesside kohta
Laborikatsetes võtavad füüsikud alati lisanditeta vedelikku ja loovad absoluutselt ideaalsed välistingimused. Kuid elus juhtub kõik veidi teisiti, sest me lisame vette sageli soola või lisame sellele erinevaid maitseaineid. Mis on sel juhul keemistemperatuur?
Soolane vesi vajab keemiseks kõrgemat temperatuuri kui mage vesi. Selle põhjuseks on naatriumi ja kloori lisandid. Nende molekulid põrkuvad üksteisega ja nende soojendamiseks on vaja palju kõrgemat temperatuuri. On olemas teatud valem, mis võimaldab arvutada soolase vee keemistemperatuuri. Pange tähele, et kuuskümmend grammi soola ühe liitri vee kohta tõstab keemistemperatuuri kümne kraadi võrra.
Kas vesi võib vaakumis keema minna? Teadlased on tõestanud, et see on võimalik. Kuid keemistemperatuur peaks sel juhul jõudma kolmesaja kraadini Celsiuse järgi. Lõppude lõpuks on vaakumis rõhk ainult neli kilopaskalit.
Me kõik keedame veekeetjas vett, nii et oleme tuttavad sellise ebameeldiva nähtusega nagu "skaala". Mis see on ja miks see moodustatakse? Tegelikult on kõik lihtne: magevesi on erineva karedusastmega. Selle määrab vedelikus olevate lisandite hulk, enamasti sisaldab see erinevaid sooli. Keemise ajal muutuvad need setteks ja suurtes kogustes katlakiviks.
Kas alkohol võib keeda?
Alkoholi keetmist kasutatakse moonshine'i valmistamise protsessis ja seda nimetatakse destilleerimiseks. See protsess sõltub otseselt alkoholilahuses olevast vee hulgast. Kui võtta aluseks puhas etüülalkohol, on selle keemistemperatuur ligi seitsekümmend kaheksa kraadi Celsiuse järgi.
Kui lisate alkoholile vett, tõuseb vedeliku keemistemperatuur. Sõltuvalt lahuse kontsentratsioonist keeb see vahemikus seitsekümmend kaheksa kraadi kuni saja kraadi Celsiuse järgi. Loomulikult muutub alkohol keemisprotsessi ajal auruks lühema aja jooksul kui vesi.
Keemine on aine agregatsiooni oleku muutmise protsess. Kui me räägime veest, peame silmas muutumist vedelast olekust auruks. Oluline on märkida, et keetmine ei ole aurustumine, mis võib toimuda isegi toatemperatuuril. Samuti ei tohiks seda segi ajada keetmisega, mis on vee kuumutamine teatud temperatuurini. Nüüd, kui oleme mõistetest aru saanud, saame määrata, millisel temperatuuril vesi keeb.
Protsess
Agregatsiooni oleku vedelast gaasiliseks muutmise protsess on keeruline. Ja kuigi inimesed seda ei näe, on 4 etappi:
- Esimesel etapil moodustuvad kuumutatud anuma põhja väikesed mullid. Neid võib näha ka külgedel või veepinnal. Need tekivad õhumullide paisumise tõttu, mis on alati olemas paagi pragudes, kus vesi soojendatakse.
- Teises etapis suureneb mullide maht. Nad kõik hakkavad pinnale tormama, kuna nende sees on küllastunud aur, mis on veest kergem. Kuumutustemperatuuri tõustes suureneb mullide rõhk ning tänu tuntud Archimedese jõule surutakse need pinnale. Sel juhul on kuulda iseloomulikku keemise heli, mis tekib mullide pideva laienemise ja suuruse vähenemise tõttu.
- Kolmandas etapis on pinnal näha suur hulk mulle. See tekitab esialgu vees hägusust. Seda protsessi nimetatakse rahvapäraselt "valgeks keemiseks" ja see kestab lühikest aega.
- Neljandas etapis keeb vesi intensiivselt, pinnale ilmuvad suured lõhkevad mullid ja võivad tekkida pritsmed. Enamasti tähendab pritsimine seda, et vedelik on saavutanud maksimaalse temperatuuri. Veest hakkab aur välja tulema.
On teada, et vesi keeb temperatuuril 100 kraadi, mis on võimalik alles neljandas etapis.
Auru temperatuur
Aur on üks vee olekutest. Õhku sattudes avaldab see, nagu ka teised gaasid, sellele teatud survet. Aurustumise ajal püsib auru ja vee temperatuur konstantsena, kuni kogu vedelik muudab oma agregatsiooni olekut. Seda nähtust saab seletada asjaoluga, et keemise ajal kulub kogu energia vee auruks muutmisele.
Keemise alguses moodustub niiske, küllastunud aur, mis pärast kogu vedeliku aurustumist muutub kuivaks. Kui selle temperatuur hakkab ületama vee temperatuuri, on selline aur ülekuumenenud ja selle omadused on gaasile lähemal.
Keev soolane vesi
Päris huvitav on teada, millisel temperatuuril keeb kõrge soolasisaldusega vesi. Teadaolevalt peaks see olema suurem Na+ ja Cl- ioonide sisalduse tõttu koostises, mis hõivavad veemolekulide vahelise ala. Nii erineb soolaga vee keemiline koostis tavalisest värskest vedelikust.
Fakt on see, et soolases vees toimub hüdratatsioonireaktsioon - veemolekulide soolaioonidele lisamise protsess. Sidemed magevee molekulide vahel on nõrgemad kui hüdratatsiooni käigus tekkivad sidemed, mistõttu lahustunud soolaga vedeliku keetmine võtab kauem aega. Temperatuuri tõustes liiguvad soolases vees olevad molekulid kiiremini, kuid neid on vähem, mistõttu nende vahel esineb kokkupõrkeid harvemini. Selle tulemusena toodetakse vähem auru ja selle rõhk on seetõttu madalam magevee auru rõhust. Järelikult on täielikuks aurustumiseks vaja rohkem energiat (temperatuuri). Keskmiselt on ühe liitri 60 grammi soola sisaldava vee keetmiseks vaja tõsta vee keemisastet 10% (see tähendab 10 C võrra).
Keemise sõltuvus rõhust
Teatavasti on mägedes vee keemilisest koostisest sõltumata madalam keemistemperatuur. See juhtub seetõttu, et õhurõhk on kõrgusel madalam. Normaalrõhuks loetakse 101,325 kPa. Sellega on vee keemistemperatuur 100 kraadi Celsiuse järgi. Kui aga ronida mäkke, kus rõhk on keskmiselt 40 kPa, siis seal keeb vesi 75,88 C. See aga ei tähenda, et peate mägedes küpsetama peaaegu poole vähem aega. Toidu kuumtöötlemine nõuab teatud temperatuuri.
Arvatakse, et 500 meetri kõrgusel merepinnast keeb vesi 98,3 C ja 3000 meetri kõrgusel on keemistemperatuur 90 C.
Pange tähele, et see seadus kehtib ka vastupidises suunas. Kui asetate vedeliku suletud kolbi, millest aur läbi ei pääse, siis temperatuuri tõustes ja auru moodustumisel selles kolvis rõhk tõuseb ja kõrgendatud rõhul keemine toimub kõrgemal temperatuuril. Näiteks rõhul 490,3 kPa on vee keemistemperatuur 151 C.
Keev destilleeritud vesi
Destilleeritud vesi on puhastatud vesi ilma lisanditeta. Seda kasutatakse sageli meditsiinilistel või tehnilistel eesmärkidel. Arvestades, et sellises vees ei ole lisandeid, ei kasutata seda toiduvalmistamiseks. Huvitav on märkida, et destilleeritud vesi keeb kiiremini kui tavaline mage vesi, kuid keemistemperatuur jääb samaks - 100 kraadi. Keemisaja erinevus on aga minimaalne – vaid sekundi murdosa.
Teekannu sees
Inimesed imestavad sageli, millisel temperatuuril vesi keedukannis keeb, kuna just neid seadmeid kasutatakse vedelike keetmiseks. Võttes arvesse asjaolu, et korteri õhurõhk on võrdne standardse ja kasutatav vesi ei sisalda sooli ja muid lisandeid, mida seal ei tohiks olla, on ka keemistemperatuur standardne - 100 kraadi. Aga kui vesi sisaldab soola, siis nagu me juba teame, on keemistemperatuur kõrgem.
Järeldus
Nüüd teate, millisel temperatuuril vesi keeb ja kuidas atmosfäärirõhk ja vedeliku koostis seda protsessi mõjutavad. Selles pole midagi keerulist ja lapsed saavad sellist teavet koolis. Peaasi on meeles pidada, et rõhu langedes langeb ka vedeliku keemistemperatuur ja tõustes ka tõuseb.
Internetist leiate palju erinevaid tabeleid, mis näitavad vedeliku keemistemperatuuri sõltuvust atmosfäärirõhust. Need on kõigile kättesaadavad ja neid kasutavad aktiivselt kooliõpilased, üliõpilased ja isegi instituutide õpetajad.
Keeva vee protsess koosneb kolmest etapist:
- esimese etapi algus - veekeetja või mõne muu anuma põhjast hüppavad pisikesed õhumullid, milles vesi aetakse keema ja vee pinnale tekivad uued mullimoodustised. Järk-järgult suureneb selliste mullide arv.
- Teisel keeva vee etapp toimub massiivne kiire mullide tõus ülespoole, põhjustades algul vee kerget hägusust, mis seejärel muutub “valgendamiseks”, milles vesi näeb välja nagu allika oja. Seda nähtust nimetatakse keemiseks valge võti ja äärmiselt lühiajaline.
– kolmanda etapiga kaasnevad intensiivsed vee keemise protsessid, suurte lõhkevate mullide ja pritsmete ilmumine pinnale. Suur hulk pritsmeid tähendab, et vesi on liiga palju keema läinud.
Muide, kui teile meeldib juua puhta loodusliku veega keedetud teed, saate seda tellida kodust lahkumata, näiteks veebisaidil: http://www.aqualader.ru/. Pärast seda toimetab veevarustusfirma selle teile koju.
Tavalised vaatlejad on juba ammu märganud tõsiasja, et vee keetmise kõiki kolme etappi saadavad erinevad helid. Vesi teeb esimesel etapil vaevukuuldavat õhukest heli. Teises etapis muutub heli müraks, mis meenutab mesilaste sülemi suminat. Kolmandas etapis kaotavad keeva vee helid oma ühtluse ning muutuvad teravaks ja valjuks, kasvades kaootiliselt.
Kõik keeva vee etapp on kogemustega hõlpsasti kontrollitavad. Olles alustanud avatud klaasanumas vee soojendamist ja perioodiliselt temperatuuri mõõtmist, hakkame mõne aja pärast jälgima anuma põhja ja seinu katvaid mullikesi.
Vaatame põhja lähedale ilmuvat mulli lähemalt. Järk-järgult suurendades oma mahtu, suurendab mull ka kokkupuuteala soojeneva veega, mis pole veel kõrget temperatuuri saavutanud. Selle tulemusena jahutatakse mulli sees olev aur ja õhk, mille tulemusena nende rõhk väheneb ja vee raskusjõu tõttu mulli lõhketakse. Just sel hetkel teeb vesi keemisele iseloomulikku heli, mis tekib vee kokkupõrkest anuma põhjaga kohtades, kus mullid lõhkevad.
Kui temperatuur alumistes veekihtides läheneb 100 kraadile Celsiuse järgi, võrdsustub mullide rõhk neile avaldatava veesurvega, mille tulemusena mullid järk-järgult laienevad. Mullide mahu suurenemine toob kaasa ka neile mõjuva ujuvusjõu suurenemise, mille mõjul purunevad mahukamad mullid konteineri seintelt ja tõusevad kiiresti üles. Kui vee pealmine kiht pole veel 100 kraadini jõudnud, siis külmemasse vette kukkudes kaotab mull osa kondenseeruvast veeaurust ja läheb vette. Sel juhul väheneb mullide suurus uuesti ja langeb gravitatsiooni mõjul alla. Põhja lähedal omandavad need uuesti mahu ja tõusevad ülespoole ning just need muutused mulli suuruses tekitavad vee keetmisele iseloomuliku müra.
Selleks ajaks, kui kogu vee maht jõuab 100 kraadini, ei vähene kerkivad mullid enam suuruselt, vaid lõhkevad veepinnal. Sel juhul eraldub aur väljapoole koos iseloomuliku uriseva heliga - see tähendab seda vesi keeb. Temperatuur, mille juures vedelik jõuab keemiseni, sõltub rõhust, mida selle vaba pind kogeb. Mida kõrgem on see rõhk, seda kõrgemat temperatuuri on vaja ja vastupidi.
See vesi keeb kell 100 kraadi Celsiuse järgi on üldtuntud fakt. Kuid tasub arvestada, et see temperatuur kehtib ainult normaalse atmosfäärirõhu korral (umbes 101 kilopaskalit). Rõhu tõustes tõuseb ka temperatuur, mille juures vedelik jõuab keemiseni. Näiteks kiirkeetjates valmib toit 200 kilopaskalile läheneva rõhu all, mille juures vee keemistemperatuur on 120 kraadi. Sellel temperatuuril vees kulgeb keetmine palju kiiremini kui tavalisel keemistemperatuuril – sellest ka panni nimi.
Vastavalt langetab rõhu langus ka vee keemistemperatuuri. Näiteks mägipiirkondade elanikud, kes elavad 3 kilomeetri kõrgusel, saavutavad keeva vee kiiremini kui tasandike elanikud - kõik keeva vee etapid toimuvad kiiremini, kuna selleks on vaja ainult 90 kraadi 70 kilopaskali rõhul. Kuid mägielanikud ei saa keeta näiteks kanamuna, kuna valge hüübimise minimaalne temperatuur on täpselt 100 kraadi Celsiuse järgi.
