PRZENIKANIE CIEPŁA PODCZAS WRZENIA I KONDENSACJI
PRZENIKANIE CIEPŁA PODCZAS WRZENIA
Wrzenie to proces intensywnego odparowania, który zachodzi w całej objętości cieczy, która ma temperaturę nasycenia lub jest lekko przegrzana w stosunku do temperatury nasycenia, z utworzeniem pęcherzyków pary. W procesie przemiany fazowej następuje absorpcja ciepła parowania. Proces wrzenia zwykle polega na dodaniu ciepła do wrzącej cieczy.
Tryby wrzenia cieczy.
Rozróżnia się gotowanie cieczy na stałej powierzchni wymiany ciepła, do której ciepło jest dostarczane z zewnątrz, oraz gotowanie w większej części cieczy.
Podczas gotowania na stałej powierzchni w niektórych miejscach na tej powierzchni obserwuje się tworzenie się fazy gazowej. Podczas wrzenia objętościowego faza parowa powstaje samoistnie bezpośrednio w objętości cieczy w postaci pojedynczych pęcherzyków pary. Wrzenie objętościowe może nastąpić tylko wtedy, gdy faza ciekła zostanie przegrzana w sposób bardziej znaczący w stosunku do temperatury nasycenia przy danym ciśnieniu niż wrzenie na powierzchni stałej. Do znacznego przegrzania może dojść na przykład w przypadku gwałtownego spadku ciśnienia w układzie. Wrzenie objętościowe może wystąpić, gdy w cieczy znajdują się wewnętrzne źródła ciepła.
We współczesnej energetyce i technologii zwykle spotyka się procesy wrzenia na stałych powierzchniach grzewczych (powierzchnie rur, ściany kanałów itp.). Ten rodzaj wrzenia omówiono głównie poniżej.
Mechanizm przenoszenia ciepła podczas wrzenia zarodkowego różni się od mechanizmu przenoszenia ciepła podczas konwekcji cieczy jednofazowej obecnością dodatkowego przenoszenia masy materii i ciepła przez pęcherzyki pary z warstwy granicznej do objętości wrzącej cieczy. Prowadzi to do dużej intensywności wymiany ciepła podczas wrzenia w porównaniu do konwekcji cieczy jednofazowej.
Aby doszło do procesu wrzenia, muszą zostać spełnione dwa warunki: obecność przegrzania cieczy względem temperatury nasycenia oraz obecność centrów parowania.
Przegrzanie cieczy osiąga maksymalną wartość bezpośrednio przy nagrzanej powierzchni wymiany ciepła. Znajdują się na nim centra tworzenia się pary w postaci nieregularności ścianek, pęcherzyków powietrza, cząstek kurzu itp. Dlatego tworzenie się pęcherzyków pary następuje bezpośrednio na powierzchni wymiany ciepła.
Rysunek 3.1 – tryby wrzenia cieczy w nieograniczonej objętości: a) musujący; b) – przejściowe; c) - film
Na ryc. 3.1. schematycznie pokazuje reżimy wrzenia cieczy w nieograniczonej objętości. Na tryb bąbelkowy wrzenie (ryc. 3.1, a) wraz ze wzrostem temperatury powierzchni grzewczej tc i odpowiednio wzrasta liczba aktywnych centrów odparowania, a proces wrzenia staje się coraz bardziej intensywny. Pęcherzyki pary okresowo odrywają się od powierzchni i unosząc się na swobodną powierzchnię, nadal zwiększają swoją objętość.
Wraz ze wzrostem temperatury ciśnienie Δ T znacznie wzrasta przepływ ciepła odprowadzanego z powierzchni grzewczej do wrzącej cieczy. Całe to ciepło jest ostatecznie wykorzystywane do wytworzenia pary. Dlatego równanie bilansu cieplnego wrzenia ma postać:
Gdzie Q- przepływ ciepła, W; R- ciepło przemiany fazowej cieczy, J/kg; G str- ilość pary wytworzonej w jednostce czasu w wyniku wrzenia cieczy i usuniętej z jej swobodnej powierzchni, kg/s.
Przepływ ciepła Q wraz ze wzrostem różnicy temperatur Δ T nie rośnie w nieskończoność. Przy pewnej wartości Δ T osiąga swoją wartość maksymalną (ryc. 3.2) i przy dalszym wzroście Δ T zaczyna spadać.
Rysunek 3.2 – Zależność gęstości strumienia ciepła Q
od różnicy temperatur Δ T podczas gotowania wody w dużej objętości pod ciśnieniem atmosferycznym: 1- ogrzewanie do temperatury nasycenia; 2 – tryb bańki; 3 – tryb przejściowy; 4 – tryb filmowy.
Podaj obszary 1 2 3 i 4
Tryb wrzenia bąbelkowego odbywa się w sekcji 2 (ryc. 3.2) do momentu osiągnięcia maksymalnego usunięcia ciepła w tym punkcie Q kr1, tzw pierwsza krytyczna gęstość strumienia ciepła. Dla wody pod ciśnieniem atmosferycznym pierwsza krytyczna gęstość strumienia ciepła wynosi ≈ W/m2; odpowiadająca wartość krytyczna różnicy temperatur W/m2. (Wartości te dotyczą warunków wrzącej wody ze swobodnym przepływem w dużej objętości. Dla innych warunków i innych cieczy wartości będą inne).
Przy większym Δ T pochodzi reżim przejściowy wrzenie (ryc. 3.1, B). Charakteryzuje się tym, że zarówno na samej powierzchni grzewczej, jak i w jej pobliżu pęcherzyki stale łączą się ze sobą i tworzą się duże wnęki parowe. Z tego powodu dostęp cieczy do samej powierzchni staje się stopniowo coraz trudniejszy. W niektórych miejscach na powierzchni pojawiają się „suche” plamy; ich liczba i rozmiar stale rosną wraz ze wzrostem temperatury powierzchni. Obszary takie są niejako wyłączone z wymiany ciepła, gdyż odprowadzanie ciepła bezpośrednio do pary następuje znacznie mniej intensywnie. Określa to gwałtowny spadek przepływu ciepła (sekcja 3 na ryc. 3.2) i współczynnika przenikania ciepła w obszarze reżimu wrzenia przejściowego.
Wreszcie, przy pewnym spadku temperatury, cała powierzchnia grzewcza pokrywa się ciągłą warstwą pary, wypychając ciecz z powierzchni. Odtąd to się dzieje tryb filmowy wrzenie (ryc. 3.1, V). W tym przypadku przenoszenie ciepła z powierzchni grzewczej do cieczy odbywa się poprzez konwekcyjną wymianę ciepła i promieniowanie przez warstwę pary. Intensywność wymiany ciepła w trybie wrzenia folii jest dość niska (sekcja 4 na ryc. 3.2). Warstwa pary ulega pulsacjom; para, która okresowo się w nim gromadzi, odrywa się w postaci dużych pęcherzyków. W momencie zagotowania filmu obciążenie termiczne usuwane z powierzchni, a co za tym idzie, ilość wytwarzanej pary są minimalne. Odpowiada to rys. 3,2 punktu Q kr2, tzw druga krytyczna gęstość strumienia ciepła. Przy ciśnieniu atmosferycznym dla wody moment rozpoczęcia wrzenia filmu charakteryzuje się różnicą temperatur ≈150 °C, tj. temperaturą powierzchni tc wynosi około 250°C. Wraz ze wzrostem różnicy temperatur coraz więcej ciepła jest przekazywane w wyniku wymiany ciepła przez promieniowanie.
Wszystkie trzy tryby wrzenia można zaobserwować w odwrotnej kolejności, jeśli na przykład rozpalony do czerwoności masywny produkt metalowy zanurzy się w wodzie w celu hartowania. Woda wrze, początkowo wychładzanie ciała przebiega stosunkowo wolno (wrzenie filmowe), następnie szybkość chłodzenia szybko wzrasta (tryb przejściowy), woda zaczyna okresowo zwilżać powierzchnię, a największe tempo spadku temperatury powierzchni osiąga się w końcowy etap chłodzenia (wrzenie zarodkowe). W tym przykładzie wrzenie zachodzi w niestabilnych warunkach w czasie.
Na ryc. Rysunek 3.3 przedstawia wizualizację trybów wrzenia pęcherzykowego i warstewkowego na elektrycznie podgrzewanym drucie w wodzie.
Ryż. 3.3 wizualizacja trybów wrzenia bąbelkowego i filmowego na drucie podgrzewanym elektrycznie: a) - tryb wrzenia bąbelkowego i b) wrzenia filmowego.
W praktyce często spotyka się także warunki, w których na powierzchnię dostarczany jest stały strumień ciepła, tj. Q= stała Jest to typowe na przykład w przypadku grzejników termoelektrycznych, elementów paliwowych reaktorów jądrowych i, w przybliżeniu, w przypadku promiennikowego ogrzewania powierzchni ze źródeł o bardzo wysokiej temperaturze. W warunkach Q= stała temperatura powierzchni tc i odpowiednio różnica temperatur Δ T zależą od trybu wrzenia cieczy. Okazuje się, że w takich warunkach zaopatrzenia w ciepło reżim przejściowy nie może istnieć stacjonarnie. W rezultacie proces gotowania zyskuje szereg ważnych cech. Ze stopniowym wzrostem obciążenia termicznego Q różnica temperatur Δ T wzrasta zgodnie z linią reżimu wrzenia jąder na ryc. 3.2, a proces przebiega w taki sam sposób, jak opisano powyżej. Nowe warunki powstają, gdy gęstość strumienia ciepła dostarczonego osiągnie wartość odpowiadającą pierwszej krytycznej gęstości strumienia ciepła Q kr1. Teraz przy każdym niewielkim (nawet przypadkowym) wzroście wartości Q występuje nadmiar pomiędzy ilością ciepła dostarczanego do powierzchni a maksymalnym obciążeniem cieplnym Q kr1, który można wycofać do wrzącej cieczy. Ten nadmiar ( Q-Q cr1) powoduje wzrost temperatury powierzchni, czyli rozpoczyna się niestacjonarne nagrzewanie materiału ściany. Rozwój procesu nabiera charakteru kryzysowego. W ułamku sekundy temperatura materiału powierzchni grzewczej wzrasta o setki stopni i tylko wtedy, gdy ściana jest wystarczająco ogniotrwała, kryzys kończy się szczęśliwie w nowym stanie stacjonarnym, odpowiadającym obszarowi wrzenia filmu na bardzo dużej powierzchni temperatura. Na ryc. 3.2 to kryzysowe przejście od trybu wrzenia zarodkowego do trybu wrzenia filmowego jest tradycyjnie pokazane strzałką jako „przeskok” od krzywej wrzenia zarodkowego do linii wrzenia filmowego przy tym samym obciążeniu termicznym Q kr1. Zwykle jednak towarzyszy temu stopienie i zniszczenie powierzchni grzewczej (wypalenie).
Drugą cechą jest to, że jeśli nastąpi kryzys i ustali się reżim wrzenia filmu (powierzchnia nie ulegnie zniszczeniu), to przy spadku obciążenia termicznego wrzenie filmu zostanie utrzymane, tj. Teraz wzdłuż filmu nastąpi proces odwrotny linia wrzenia (ryc. 3.2). Dopiero po osiągnięciu Q Płyn kr2 rozpoczyna się ponownie w poszczególnych punktach, aby okresowo docierać (zwilżać) powierzchnię grzewczą. Odprowadzanie ciepła wzrasta i przewyższa dostarczanie ciepła, co powoduje szybkie wychłodzenie powierzchni, co również ma charakter kryzysowy. Następuje szybka zmiana reżimów i ustala się stacjonarne wrzenie jąder. To odwrotne przejście (drugi kryzys) na ryc. 3.2 jest również tradycyjnie pokazany strzałką jako „przeskok” od krzywej wrzenia filmu do linii wrzenia jąder w temperaturze Q = Q kr2.
Zatem w warunkach ustalonej wartości gęstości strumienia ciepła Q, dostarczanych do powierzchni grzewczej, oba przejścia od pęcherzyka do filmu i odwrotnie mają charakter kryzysowy. Występują przy krytycznych gęstościach strumienia ciepła Q kr1 i Q odpowiednio kr2. W tych warunkach reżim wrzenia przejściowego nie może istnieć stale; jest niestabilny.
W praktyce szeroko stosowane są metody odprowadzania ciepła podczas wrzenia cieczy poruszającej się w rurach lub kanałach o różnych kształtach. Zatem procesy wytwarzania pary odbywają się w wyniku wrzenia wody poruszającej się w rurach kotła. Ciepło dostarczane jest na powierzchnię rur z gorących produktów spalania paliwa w wyniku promieniowania i konwekcyjnej wymiany ciepła.
Dla procesu wrzenia cieczy poruszającej się w ograniczonej objętości rury (kanału) opisane powyżej warunki pozostają w mocy, ale jednocześnie pojawia się szereg nowych cech.
Rura pionowa. Rura lub kanał to ograniczony system, w którym podczas przemieszczania się wrzącej cieczy następuje ciągły wzrost fazy gazowej i spadek fazy ciekłej. W związku z tym zmienia się struktura hydrodynamiczna przepływu, zarówno wzdłuż długości, jak i przekroju rury. Odpowiednio zmienia się również wymiana ciepła.
Istnieją trzy główne obszary o różnej strukturze przepływu płynu wzdłuż pionowej rury, gdy przepływ przemieszcza się od dołu do góry (ryc. 3.4): I– obszar grzewczy (odcinek ekonomizera do odcinka rurowego, gdzie Ts = T n); II– obszar wrzenia (sekcja odparowania, z sekcji gdzie Ts = T n, I<I n, do sekcji gdzie Ts = T n, ja cm→I N); III– obszar schnięcia mokrej pary.
Sekcja odparowania obejmuje obszary, w których występuje wrzenie powierzchniowe nasyconej cieczy.
Na ryc. 3.4 schematycznie przedstawia strukturę takiego przepływu. Sekcja 1 odpowiada podgrzewaniu cieczy jednofazowej do temperatury nasycenia (sekcja ekonomizera). W odcinku 2 następuje powierzchniowe wrzenie zarodków, w którym następuje zwiększenie wymiany ciepła w stosunku do odcinka 2. W dziale 3 występuje reżim emulsyjny, w którym przepływ dwufazowy składa się z cieczy i stosunkowo małych, równomiernie rozmieszczonych w niej pęcherzyków, które następnie łączą się, tworząc duże pęcherzyki - korki proporcjonalne do średnicy rury. W trybie wtyczki (sekcja 4) para przemieszcza się w postaci oddzielnych dużych pęcherzyków korkowych, oddzielonych warstwami emulsji para-ciecz. Ponadto w sekcji 5 mokra para przemieszcza się w postaci ciągłej masy w rdzeniu przepływowym, a cienka pierścieniowa warstwa cieczy przemieszcza się po ściance rury. Grubość tej warstwy cieczy stopniowo maleje. Ta sekcja odpowiada pierścieniowemu reżimowi wrzenia, który kończy się, gdy ciecz zniknie ze ściany. W sekcji 6 następuje osuszenie pary wodnej (zwiększenie stopnia wysuszenia pary). Po zakończeniu procesu wrzenia przenikanie ciepła maleje. Następnie w wyniku wzrostu objętości właściwej pary wzrasta prędkość pary, co prowadzi do nieznacznego wzrostu wymiany ciepła.
Rys. 3.4 – Struktura przepływu cieczy wrzącej w pionowej rurze
Zwiększenie nakładu w danym terminie q z, długość rury i temperatura na wlocie prowadzą do zmniejszenia obszarów z rozwiniętym wrzeniem i wzrostu długości sekcji ekonomizera; ze wzrostem q z wręcz przeciwnie, przy danej prędkości zwiększa się długość odcinków z rozwiniętym wrzeniem, a długość odcinka ekonomizera maleje.
Rury poziome i nachylone. Kiedy przepływ dwufazowy przemieszcza się w rurach ułożonych poziomo lub z niewielkim nachyleniem, oprócz zmian w strukturze przepływu na długości, następuje znacząca zmiana struktury wzdłuż obwodu rury. Zatem, jeśli natężenie cyrkulacji i zawartość pary w przepływie są małe, obserwuje się rozdzielenie przepływu dwufazowego na fazę ciekłą poruszającą się w dolnej części rury i fazę parową poruszającą się w jej górnej części (rys. 3,5, A). Wraz ze wzrostem zawartości pary i prędkości cyrkulacji granica faz gazowej i ciekłej nabiera charakteru falowego, a ciecz okresowo zwilża górną część rury grzbietami fal. Wraz ze wzrostem zawartości pary i prędkości, ruch falowy na granicy faz nasila się, co prowadzi do częściowego wyrzucenia cieczy do obszaru pary. W efekcie przepływ dwufazowy nabiera charakteru przepływowego, najpierw zbliżonego do przepływu tłokowego, a następnie pierścieniowego.
Ryż. 3.5 – Struktura przepływu cieczy wrzącej w poziomej rurze.
A– warstwowy reżim wrzenia; B– tryb wędki; 1 - para; 2 - płyn.
W trybie pierścieniowym ruch cienkiej warstwy cieczy odbywa się na całym obwodzie rury, a mieszanina para-ciecz porusza się w rdzeniu przepływu (ryc. 3.5, B). Jednak w tym przypadku nie obserwuje się całkowitej symetrii osiowej w strukturze przepływu.
jeżeli intensywność dopływu ciepła do ścianek rury jest wystarczająco duża, to proces wrzenia może zachodzić także podczas przepływu w rurze nienagrzanej do temperatury nasycenia cieczą. Proces ten zachodzi, gdy temperatura ścianki tc przekracza temperaturę nasycenia ts. pokrywa warstwę graniczną cieczy bezpośrednio przy ścianie. Pęcherzyki pary dostające się do zimnego rdzenia strumienia szybko się kondensują. Ten rodzaj gotowania nazywa się wrzenie z przegrzaniem.
Odprowadzanie ciepła w trybie wrzenia zarodkowego jest jedną z najbardziej zaawansowanych metod chłodzenia powierzchni grzewczej. Znajduje szerokie zastosowanie w urządzeniach technicznych.
3.1.2. Przenikanie ciepła podczas wrzenia zarodków.
Obserwacje pokazują, że wraz ze wzrostem temperatury ciśnienie Δ T = tc-ts, a także ciśnienie R wzrasta liczba aktywnych ośrodków parowania na powierzchni grzewczej. W rezultacie stale pojawia się coraz większa liczba pęcherzyków, które rosną i odrywają się od powierzchni grzewczej. W rezultacie wzrasta turbulizacja i mieszanie przyściennej warstwy granicznej cieczy. Pęcherzyki w czasie wzrostu na powierzchni grzewczej intensywnie absorbują także ciepło z warstwy przyściennej. Wszystko to pomaga poprawić wymianę ciepła. Ogólnie rzecz biorąc, proces wrzenia jąder jest dość chaotyczny.
Z badań wynika, że na technicznych powierzchniach grzewczych liczba ośrodków parowania zależy od materiału, struktury i mikrochropowatości powierzchni, obecności niejednorodności w składzie powierzchni oraz gazu (powietrza) zaadsorbowanego na powierzchni. Zauważalny wpływ mają różne osady, warstwy tlenkowe, a także wszelkie inne wtrącenia.
Z obserwacji wynika, że w warunkach rzeczywistych centrami parowania są najczęściej pojedyncze elementy chropowatości i mikrochropowatości powierzchni (najlepiej różne zagłębienia i zagłębienia).
Zwykle na nowych powierzchniach liczba ośrodków parowania jest większa niż na tych samych powierzchniach po dłuższym gotowaniu. Dzieje się tak głównie na skutek obecności gazu zaadsorbowanego na powierzchni. Z biegiem czasu gaz jest stopniowo usuwany, miesza się z parą w rosnących pęcherzykach i jest przenoszony do przestrzeni parowej. Proces wrzenia i przenoszenie ciepła są ustabilizowane w czasie i intensywności.
Na warunki powstawania pęcherzyków pary duży wpływ ma napięcie powierzchniowe na granicy cieczy i pary.
Ze względu na napięcie powierzchniowe, ciśnienie pary wewnątrz bańki R n wyższe niż ciśnienie otaczającego płynu R I. Ich różnicę wyznacza równanie Laplace'a
gdzie σ jest napięciem powierzchniowym; R- promień bańki.
Równanie Laplace'a wyraża warunek równowagi mechanicznej. Pokazuje, że napięcie powierzchniowe, niczym elastyczna skorupa, „ściska” parę w bańce, a im mniejszy jest jej promień, tym jest ona silniejsza. R.
Zależność prężności pary w pęcherzyku od jego wielkości nakłada szczególne cechy na stan równowagi termicznej lub termodynamicznej małych pęcherzyków. Para w bańce i ciecz na jej powierzchni są w równowadze, jeżeli powierzchnia cieczy ma temperaturę równą temperaturze nasycenia przy ciśnieniu pary w bańce, T S ( R P). Temperatura ta jest wyższa od temperatury nasycenia przy ciśnieniu zewnętrznym w cieczy T S ( R I). Dlatego, aby osiągnąć równowagę termiczną, ciecz wokół bańki musi zostać nieco przegrzana T S ( R P)- T S ( R I).
Następną cechą jest to, że okazuje się, że jest to równowaga nietrwały. Jeśli temperatura cieczy nieznacznie przekroczy wartość równowagi, wówczas część cieczy odparuje do pęcherzyków, a jej promień wzrośnie. W tym przypadku, zgodnie z równaniem Laplace’a, prężność pary w pęcherzyku zmniejszy się. Doprowadzi to do nowego odchylenia od stanu równowagi. Bańka zacznie rosnąć bez ograniczeń. Ponadto przy niewielkim spadku temperatury cieczy część pary skondensuje się, rozmiar pęcherzyka zmniejszy się, a ciśnienie pary w nim wzrośnie. Będzie to pociągać za sobą dalsze odchylenie od warunków równowagi, teraz w odwrotnym kierunku. W rezultacie bańka całkowicie się skondensuje i zniknie.
W rezultacie w przegrzanej cieczy zdolność dalszego wzrostu nie mają przypadkowo utworzone małe pęcherzyki, a jedynie te, których promień przekracza wartość odpowiadającą omówionym powyżej warunkom niestabilnej równowagi mechanicznej i termicznej. Ten minimalna wartość
gdzie pochodną jest cecha fizyczna danej substancji, wyznacza się ją za pomocą równania Clapeyrona – Clausisa
tj. wyraża się go innymi stałymi fizycznymi: ciepłem przemiany fazowej R, gęstość pary ρ s i płyny ρ i bezwzględna temperatura nasycenia T.
Z równania (3-2) wynika, że jeśli w poszczególnych punktach powierzchni grzewczej pojawią się zarodki pary, to tylko te, których promień krzywizny przekracza wartość Rmin. Ponieważ wraz ze wzrostem Δ T ogrom Rmin maleje, wyjaśnia równanie (3-2).
zaobserwowano eksperymentalnie fakt wzrostu liczby centrów parowania wraz ze wzrostem temperatury powierzchni.
Wzrost liczby ośrodków waporyzacji wraz ze wzrostem ciśnienia wiąże się również ze spadkiem Rmin, ponieważ wraz ze wzrostem ciśnienia wartość p.s rośnie i σ maleje. Obliczenia pokazują, że dla wody wrzącej pod ciśnieniem atmosferycznym przy Δ T= 5°С Rmin= 6,7 µm i przy Δ T= 25°С Rmin= 1,3 µm.
Obserwacje wykonane przy użyciu szybkiego filmowania pokazują, że przy ustalonym reżimie wrzenia częstotliwość tworzenia się pęcherzyków pary nie jest taka sama zarówno w różnych punktach powierzchni, jak i w czasie. Nadaje to procesowi wrzenia złożony charakter statystyczny. W związku z tym szybkości wzrostu i rozmiary separacji różnych pęcherzyków charakteryzują się również przypadkowymi odchyleniami od pewnych średnich wartości.
Gdy bańka osiągnie określony rozmiar, odrywa się od powierzchni. Rozmiar do oderwania zależy głównie od interakcji grawitacji, napięcia powierzchniowego i bezwładności. Ta ostatnia wartość reprezentuje dynamiczną reakcję zachodzącą w cieczy w wyniku szybkiego wzrostu wielkości pęcherzyków. Siła ta zwykle zapobiega pękaniu pęcherzyków. Ponadto charakter powstawania i oddzielania się pęcherzyków zależy w dużej mierze od tego, czy ciecz zwilża powierzchnię, czy też jej nie zwilża. Zdolność zwilżania cieczy charakteryzuje się kątem zwilżania θ, który tworzy się pomiędzy ścianką a swobodną powierzchnią cieczy. Im większe θ, tym gorsza zdolność zwilżania cieczy. Ogólnie przyjmuje się, że dla θ<90° (рис. 3.6, A), ciecz zwilża powierzchnię, ale przy θ > 90° tak się nie dzieje. Wartość kąta zwilżania zależy od rodzaju cieczy, materiału, stanu i czystości powierzchni. Jeśli wrząca ciecz zwilży powierzchnię grzejną, wówczas pęcherzyki pary mają cienką łodygę i łatwo odchodzą od powierzchni (ryc. 3.7, A). Jeśli ciecz nie zwilża powierzchni, pęcherzyki pary mają szeroką łodygę (ryc. 3.7, B) i odchodzą wzdłuż przesmyku lub parowanie zachodzi na całej powierzchni.
Wrzenie- jest to parowanie, które zachodzi jednocześnie zarówno z powierzchni, jak i w całej objętości cieczy. Polega ona na tym, że liczne pęcherzyki unoszą się i pękają, powodując charakterystyczne wrzenie.
Jak pokazuje doświadczenie, wrzenie cieczy przy danym ciśnieniu zewnętrznym rozpoczyna się od ściśle określonej temperatury, która nie zmienia się w trakcie procesu wrzenia i może nastąpić dopiero wtedy, gdy w wyniku wymiany ciepła dostarczona zostanie energia z zewnątrz (rys. 1). ):
gdzie L jest ciepłem właściwym parowania w temperaturze wrzenia.
Mechanizm wrzenia: ciecz zawsze zawiera rozpuszczony gaz, którego stopień rozpuszczenia maleje wraz ze wzrostem temperatury. Ponadto na ściankach naczynia znajduje się zaadsorbowany gaz. Gdy ciecz zostanie podgrzana od dołu (ryc. 2), na ściankach naczynia zaczyna wydzielać się gaz w postaci pęcherzyków. Ciecz paruje w te bąbelki. Dlatego oprócz powietrza zawierają parę nasyconą, której ciśnienie szybko wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, a pęcherzyki zwiększają swoją objętość, a co za tym idzie, zwiększają się działające na nie siły Archimedesa. Kiedy siła wyporu staje się większa niż ciężar bańki, zaczyna ona unosić się w powietrzu. Ale dopóki ciecz nie zostanie równomiernie podgrzana, podczas jej wznoszenia objętość pęcherzyka maleje (prężność pary nasyconej zmniejsza się wraz ze spadkiem temperatury) i przed dotarciem do swobodnej powierzchni pęcherzyki znikają (zapadają się) (ryc. 2, a), co dlatego przed gotowaniem słychać charakterystyczny dźwięk. Kiedy temperatura cieczy się wyrówna, objętość pęcherzyka będzie wzrastać wraz ze wzrostem, ponieważ ciśnienie pary nasyconej nie zmienia się, a ciśnienie zewnętrzne działające na pęcherzyk, które jest sumą ciśnienia hydrostatycznego cieczy nad pęcherzykiem i ciśnienie atmosferyczne maleje. Bąbel dociera do wolnej powierzchni cieczy, pęka i wydobywa się para nasycona (ryc. 2, b) - ciecz wrze. Prężność pary nasyconej w pęcherzykach jest prawie równa ciśnieniu zewnętrznemu.
Nazywa się temperaturą, w której ciśnienie pary nasyconej cieczy jest równe ciśnieniu zewnętrznemu na jej swobodnej powierzchni temperatura wrzenia płyny.
Ponieważ prężność pary nasyconej wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, a podczas wrzenia musi być równa ciśnieniu zewnętrznemu, wówczas wraz ze wzrostem ciśnienia zewnętrznego wzrasta temperatura wrzenia.
Temperatura wrzenia zależy również od obecności zanieczyszczeń i zwykle wzrasta wraz ze wzrostem stężenia zanieczyszczeń.
Jeśli najpierw uwolnisz ciecz z rozpuszczonego w niej gazu, może ona ulec przegrzaniu, tj. ciepło powyżej temperatury wrzenia. Jest to niestabilny stan cieczy. Wystarczą małe wstrząsy, a ciecz wrze, a jej temperatura natychmiast spada do temperatury wrzenia.
Wszystko, co nas otacza na co dzień, można przedstawić w postaci procesów fizycznych i chemicznych. Stale wykonujemy wiele manipulacji wyrażonych formułami i równaniami, nawet o tym nie wiedząc. Jednym z takich procesów jest gotowanie. Jest to zjawisko, z którego korzystają absolutnie wszystkie gospodynie domowe podczas gotowania. Nam wydaje się to zupełnie zwyczajne. Ale spójrzmy na proces wrzenia z naukowego punktu widzenia.
Gotowanie – co to jest?
Od czasów szkolnych fizyki wiadomo było, że materia może występować w stanie ciekłym i gazowym. Proces przemiany cieczy w stan pary to wrzenie. Dzieje się tak tylko po osiągnięciu lub przekroczeniu określonej temperatury. Ciśnienie również bierze udział w tym procesie i należy je wziąć pod uwagę. Każda ciecz ma swoją temperaturę wrzenia, która uruchamia proces tworzenia się pary.
Jest to znacząca różnica między wrzeniem a parowaniem, które zachodzi w dowolnej temperaturze cieczy.
Jak dochodzi do wrzenia?
Jeśli kiedykolwiek gotowałeś wodę w szklanym naczyniu, zaobserwowałeś powstawanie pęcherzyków na ściankach pojemnika w miarę podgrzewania płynu. Powstają w wyniku gromadzenia się powietrza w mikropęknięciach naczyń, które zaczyna się rozszerzać po podgrzaniu. Pęcherzyki składają się z pary cieczy pod ciśnieniem. Pary te nazywane są nasyconymi. Gdy ciecz się nagrzewa, ciśnienie w pęcherzykach powietrza wzrasta, a one powiększają się. Naturalnie zaczynają wznosić się na górę.
Jeśli jednak ciecz nie osiągnęła jeszcze temperatury wrzenia, wówczas pęcherzyki w górnych warstwach ochładzają się, ciśnienie spada i trafiają na dno pojemnika, gdzie ponownie się nagrzewają i unoszą. Ten proces jest znany każdej gospodyni domowej, woda wydaje się zaczynać hałasować. Gdy tylko porówna się temperaturę cieczy w górnej i dolnej warstwie, pęcherzyki zaczynają unosić się na powierzchnię i pękać - następuje wrzenie. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy ciśnienie wewnątrz pęcherzyków zrówna się z ciśnieniem samej cieczy.
Jak już wspomnieliśmy, każda ciecz ma swój własny reżim temperaturowy, w którym rozpoczyna się proces wrzenia. Co więcej, podczas całego procesu temperatura substancji pozostaje niezmieniona, cała uwolniona energia jest zużywana na odparowanie. Dlatego wypalają się garnki nieostrożnych gospodyń domowych – cała ich zawartość wyparowuje, a sam pojemnik zaczyna się nagrzewać.
Temperatura wrzenia jest wprost proporcjonalna do ciśnienia wywieranego na całą ciecz, a dokładniej na jej powierzchnię. Na szkolnym kursie fizyki jest powiedziane, że woda zaczyna wrzeć w temperaturze stu stopni Celsjusza. Ale niewiele osób pamięta, że to stwierdzenie jest prawdziwe tylko w normalnych warunkach ciśnienia. Za wartość standardową uważa się sto jeden kilopaskali. Jeśli zwiększysz ciśnienie, ciecz będzie wrzeć w innej temperaturze.
Z tej właściwości fizycznej korzystają producenci nowoczesnych urządzeń gospodarstwa domowego. Przykładem może być szybkowar. Wszystkie gospodynie domowe wiedzą, że na takich urządzeniach jedzenie gotuje się znacznie szybciej niż na zwykłych patelniach. Z czym to się wiąże? Z ciśnieniem wytwarzanym w szybkowarze. To dwa razy więcej niż norma. Dlatego woda wrze w temperaturze około stu dwudziestu stopni Celsjusza.
Jeśli kiedykolwiek byłeś w górach, zaobserwowałeś proces odwrotny. Na wysokości woda zaczyna wrzeć w temperaturze dziewięćdziesięciu stopni, co znacznie komplikuje proces gotowania. Z tych trudności doskonale zdają sobie sprawę lokalni mieszkańcy i wspinacze, którzy cały swój wolny czas spędzają w górach.
Trochę więcej o gotowaniu
Wiele osób słyszało takie określenie jak „temperatura wrzenia” i zapewne zdziwiło się, że nie wspomnieliśmy o tym w artykule. Właściwie, już to opisaliśmy. Nie spiesz się, aby ponownie przeczytać tekst. Faktem jest, że w fizyce punkt i temperatura procesu wrzenia są uważane za identyczne.
W świecie naukowym rozdziału w tej terminologii dokonuje się jedynie w przypadku mieszania różnych substancji ciekłych. W takiej sytuacji określa się temperaturę wrzenia, i to najniższą ze wszystkich możliwych. To jest uważane za normę dla wszystkich składników mieszaniny.
Woda: ciekawe fakty na temat procesów fizycznych
W eksperymentach laboratoryjnych fizycy zawsze pobierają ciecz bez zanieczyszczeń i tworzą absolutnie idealne warunki zewnętrzne. Ale w życiu wszystko dzieje się trochę inaczej, ponieważ często dodajemy do wody sól lub dodajemy do niej różne przyprawy. Jaka będzie temperatura wrzenia w tym przypadku?
Woda słona wymaga wyższej temperatury wrzenia niż woda słodka. Jest to spowodowane zanieczyszczeniami sodem i chlorem. Ich cząsteczki zderzają się ze sobą, a do ich ogrzania potrzebna jest znacznie wyższa temperatura. Istnieje pewien wzór, który pozwala obliczyć temperaturę wrzenia słonej wody. Należy pamiętać, że sześćdziesiąt gramów soli na litr wody podnosi temperaturę wrzenia o dziesięć stopni.
Czy woda może zagotować się w próżni? Naukowcy udowodnili, że można. Ale temperatura wrzenia w tym przypadku powinna osiągnąć granicę trzystu stopni Celsjusza. Przecież w próżni ciśnienie wynosi tylko cztery kilopaskale.
Wszyscy gotujemy wodę w czajniku, dlatego znane jest nam tak nieprzyjemne zjawisko, jak „kamień”. Co to jest i dlaczego powstaje? W rzeczywistości wszystko jest proste: świeża woda ma różne stopnie twardości. Decyduje o tym ilość zanieczyszczeń w cieczy, najczęściej zawiera ona różne sole. Podczas gotowania zamieniają się w osad, a w dużych ilościach w kamień.
Czy alkohol może się zagotować?
W procesie warzenia bimbru stosuje się gotowanie alkoholu, zwane destylacją. Proces ten zależy bezpośrednio od ilości wody w roztworze alkoholu. Jeśli za podstawę weźmiemy czysty alkohol etylowy, jego temperatura wrzenia będzie bliska siedemdziesięciu ośmiu stopni Celsjusza.
Jeśli dodasz wodę do alkoholu, temperatura wrzenia cieczy wzrośnie. W zależności od stężenia roztworu będzie on wrzał w zakresie od siedemdziesięciu ośmiu stopni do stu stopni Celsjusza. Naturalnie podczas gotowania alkohol zamieni się w parę w krótszym czasie niż woda.
Wrzenie to proces zmiany stanu skupienia substancji. Kiedy mówimy o wodzie, mamy na myśli zmianę stanu ciekłego w stan pary. Należy pamiętać, że gotowanie nie jest parowaniem, które może wystąpić nawet w temperaturze pokojowej. Nie należy go mylić z gotowaniem, czyli procesem podgrzewania wody do określonej temperatury. Teraz, gdy zrozumieliśmy pojęcia, możemy określić, w jakiej temperaturze wrze woda.
Proces
Proces przejścia stanu skupienia z ciekłego w gazowy jest złożony. I chociaż ludzie tego nie widzą, są 4 etapy:
- W pierwszym etapie na dnie podgrzewanego pojemnika tworzą się małe pęcherzyki. Można je również zobaczyć na bokach lub na powierzchni wody. Powstają w wyniku rozszerzania się pęcherzyków powietrza, które zawsze znajdują się w pęknięciach pojemnika, w którym podgrzewana jest woda.
- W drugim etapie zwiększa się objętość bąbelków. Wszyscy zaczynają wypływać na powierzchnię, ponieważ w nich znajduje się para nasycona, która jest lżejsza od wody. Wraz ze wzrostem temperatury ogrzewania wzrasta ciśnienie pęcherzyków, które są wypychane na powierzchnię dzięki dobrze znanej sile Archimedesa. W tym przypadku słychać charakterystyczny dźwięk wrzenia, który powstaje w wyniku ciągłego rozszerzania się i zmniejszania wielkości pęcherzyków.
- W trzecim etapie na powierzchni widać dużą liczbę bąbelków. Początkowo powoduje to zmętnienie wody. Proces ten popularnie nazywany jest „gotowaniem na biało” i trwa krótko.
- W czwartym etapie woda intensywnie wrze, na powierzchni pojawiają się duże, pękające bąbelki, mogą pojawić się rozpryski. Najczęściej rozpryskiwanie oznacza, że ciecz osiągnęła maksymalną temperaturę. Z wody zacznie wydobywać się para.
Wiadomo, że woda wrze w temperaturze 100 stopni, co jest możliwe dopiero na czwartym etapie.
Temperatura pary
Para to jeden ze stanów wody. Kiedy dostanie się do powietrza, podobnie jak inne gazy wywiera na niego określone ciśnienie. Podczas odparowywania temperatura pary i wody pozostaje stała, dopóki cała ciecz nie zmieni stanu skupienia. Zjawisko to można wytłumaczyć faktem, że podczas gotowania cała energia jest zużywana na przemianę wody w parę.
Już na początku gotowania tworzy się wilgotna, nasycona para, która po odparowaniu całej cieczy staje się sucha. Jeśli jego temperatura zacznie przekraczać temperaturę wody, wówczas taka para ulegnie przegrzaniu, a jej właściwości będą bliższe gazowi.
Wrząca słona woda
Bardzo interesujące jest wiedzieć, w jakiej temperaturze wrze woda o dużej zawartości soli. Wiadomo, że powinna być większa ze względu na zawartość w składzie jonów Na+ i Cl-, które zajmują przestrzeń pomiędzy cząsteczkami wody. Tym różni się skład chemiczny wody z solą od zwykłej świeżej cieczy.
Faktem jest, że w słonej wodzie zachodzi reakcja hydratacji – proces dodawania cząsteczek wody do jonów soli. Wiązania między cząsteczkami świeżej wody są słabsze niż te utworzone podczas hydratacji, dlatego wrzenie cieczy z rozpuszczoną solą zajmie więcej czasu. Wraz ze wzrostem temperatury cząsteczki słonej wody poruszają się szybciej, ale jest ich mniej, co powoduje, że zderzają się rzadziej. W rezultacie wytwarza się mniej pary, a zatem jej ciśnienie jest niższe niż ciśnienie pary w świeżej wodzie. W rezultacie do całkowitego odparowania potrzeba więcej energii (temperatury). Aby zagotować średnio jeden litr wody zawierającej 60 gramów soli, należy zwiększyć stopień wrzenia wody o 10% (czyli o 10 ° C).
Zależność wrzenia od ciśnienia
Wiadomo, że w górach niezależnie od składu chemicznego wody temperatura wrzenia będzie niższa. Dzieje się tak, ponieważ na wysokościach ciśnienie atmosferyczne jest niższe. Przyjmuje się, że ciśnienie normalne wynosi 101,325 kPa. Dzięki niemu temperatura wrzenia wody wynosi 100 stopni Celsjusza. Ale jeśli wejdziesz na górę, gdzie ciśnienie wynosi średnio 40 kPa, wówczas woda tam zagotuje się w temperaturze 75,88 C. Nie oznacza to jednak, że w górach będziesz musiał spędzać prawie o połowę mniej czasu na gotowaniu. Obróbka cieplna żywności wymaga określonej temperatury.
Uważa się, że na wysokości 500 m n.p.m. woda wrze w temperaturze 98,3°C, a na wysokości 3000 m n.p.m. temperatura wrzenia wyniesie 90°C.
Należy pamiętać, że to prawo ma również zastosowanie w odwrotnym kierunku. Jeśli umieścisz ciecz w zamkniętej kolbie, przez którą nie może przejść para, to wraz ze wzrostem temperatury i utworzeniem się pary ciśnienie w tej kolbie wzrośnie i w wyższej temperaturze nastąpi wrzenie pod zwiększonym ciśnieniem. Na przykład przy ciśnieniu 490,3 kPa temperatura wrzenia wody wyniesie 151 C.
Wrząca woda destylowana
Woda destylowana to woda oczyszczona, pozbawiona jakichkolwiek zanieczyszczeń. Jest często używany do celów medycznych lub technicznych. Biorąc pod uwagę, że w takiej wodzie nie ma zanieczyszczeń, nie używa się jej do gotowania. Warto zauważyć, że woda destylowana wrze szybciej niż zwykła świeża woda, ale temperatura wrzenia pozostaje taka sama - 100 stopni. Jednak różnica w czasie wrzenia będzie minimalna - tylko ułamek sekundy.
W czajniku
Ludzie często zastanawiają się, w jakiej temperaturze wrze woda w czajniku, ponieważ to właśnie za ich pomocą gotuje się płyny. Biorąc pod uwagę fakt, że ciśnienie atmosferyczne w mieszkaniu jest równe normie, a używana woda nie zawiera soli i innych zanieczyszczeń, których nie powinno tam być, wówczas temperatura wrzenia również będzie standardowa - 100 stopni. Ale jeśli woda zawiera sól, wówczas temperatura wrzenia, jak już wiemy, będzie wyższa.
Wniosek
Teraz wiesz, w jakiej temperaturze wrze woda i jak ciśnienie atmosferyczne i skład cieczy wpływają na ten proces. Nie ma w tym nic skomplikowanego, a dzieci otrzymują takie informacje w szkole. Najważniejsze jest, aby pamiętać, że wraz ze spadkiem ciśnienia temperatura wrzenia cieczy również maleje, a wraz ze wzrostem również wzrasta.
W Internecie można znaleźć wiele różnych tabel wskazujących zależność temperatury wrzenia cieczy od ciśnienia atmosferycznego. Są dostępne dla wszystkich i aktywnie korzystają z nich uczniowie, studenci, a nawet nauczyciele w instytutach.
Proces wrzenia wody składa się z trzech etapów:
- początek pierwszego etapu - wyskakujące z dna czajnika lub innego naczynia, w którym woda się zagotuje, wyskakujące drobne pęcherzyki powietrza, na powierzchni wody pojawiają się nowe pęcherzyki. Stopniowo liczba takich bąbelków wzrasta.
- Na drugim etap wrzenia wody następuje masowe, szybkie unoszenie się pęcherzyków ku górze, powodując początkowo lekkie zmętnienie wody, które następnie przechodzi w „wybielenie”, w którym woda wygląda jak strumień źródlany. Zjawisko to nazywa się wrzeniem biały klucz i wyjątkowo krótkotrwałe.
– etapowi trzeciemu towarzyszą intensywne procesy wrzenia wody, pojawienie się dużych, pękających pęcherzyków i rozprysków na powierzchni. Duża ilość rozprysków oznacza, że woda za bardzo się zagotowała.
Nawiasem mówiąc, jeśli lubisz pić herbatę parzoną z czystej, naturalnej wody, możesz złożyć na nią zamówienie bez wychodzenia z domu, na stronie internetowej, na przykład: http://www.aqualader.ru/. Następnie firma dostarczająca wodę dostarczy ją do Twojego domu.
Zwykli obserwatorzy już dawno zauważyli, że wszystkim trzem etapom gotowania wody towarzyszą różne dźwięki. Woda na pierwszym etapie wydaje ledwo słyszalny, cienki dźwięk. W drugim etapie dźwięk zamienia się w hałas przypominający brzęczenie roju pszczół. W trzecim etapie odgłosy wrzącej wody tracą jednolitość i stają się ostre i głośne, narastając chaotycznie.
Wszystko etap wrzenia wody można łatwo zweryfikować doświadczalnie. Rozpoczynając podgrzewanie wody w otwartym szklanym naczyniu i okresowo mierząc temperaturę, po krótkim czasie zaczniemy obserwować bąbelki pokrywające dno i ścianki naczynia.
Przyjrzyjmy się bliżej bańce, która pojawia się u dołu. Stopniowo zwiększając swoją objętość, bąbel zwiększa także powierzchnię kontaktu z podgrzewającą się wodą, która nie osiągnęła jeszcze wysokiej temperatury. W wyniku tego para i powietrze wewnątrz pęcherzyka ulegają ochłodzeniu, w wyniku czego spada ich ciśnienie, a grawitacja wody rozrywa pęcherzyk. To właśnie w tym momencie woda wydaje dźwięk charakterystyczny dla wrzenia, który powstaje w wyniku zderzeń wody z dnem pojemnika w miejscach, w których pękają pęcherzyki.
Gdy temperatura w dolnych warstwach wody zbliża się do 100 stopni Celsjusza, ciśnienie wewnątrzpęcherzyków wyrównuje się z ciśnieniem wody na nie, w wyniku czego pęcherzyki stopniowo się rozszerzają. Wzrost objętości pęcherzyków prowadzi również do wzrostu działającej na nie siły wyporu, pod wpływem której pęcherzyki o największej objętości odrywają się od ścian pojemnika i szybko unoszą się do góry. Jeśli górna warstwa wody nie osiągnęła jeszcze temperatury 100 stopni, wówczas pęcherzyk wpadając do zimniejszej wody traci część pary wodnej, która się skrapla i trafia do wody. W tym przypadku pęcherzyki ponownie zmniejszają się i opadają pod wpływem grawitacji. W pobliżu dna ponownie zyskują objętość i unoszą się do góry i to właśnie te zmiany wielkości pęcherzyków powodują charakterystyczny dźwięk wrzącej wody.
Zanim cała objętość wody osiągnie 100 stopni, wznoszące się pęcherzyki nie zmniejszają się już, ale pękają na samej powierzchni wody. W tym przypadku para wydobywa się na zewnątrz, czemu towarzyszy charakterystyczny bulgoczący dźwięk - to oznacza, że woda się gotuje. Temperatura, w której ciecz osiąga wrzenie, zależy od ciśnienia wywieranego na jej swobodną powierzchnię. Im wyższe ciśnienie, tym wyższa wymagana temperatura i odwrotnie.
Ta woda wrze w 100 stopni Celsjusza to dobrze znany fakt. Warto jednak wziąć pod uwagę, że ta temperatura obowiązuje tylko przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym (około 101 kilopaskali). Wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta również temperatura, w której ciecz osiąga wrzenie. Na przykład w szybkowarach żywność gotuje się pod ciśnieniem dochodzącym do 200 kilopaskali, przy czym temperatura wrzenia wody wynosi 120 stopni. W wodzie o tej temperaturze gotowanie przebiega znacznie szybciej niż w normalnej temperaturze wrzenia – stąd nazwa patelni.
W związku z tym spadek ciśnienia obniża również temperaturę wrzenia wody. Na przykład mieszkańcy regionów górskich, żyjący na wysokości 3 kilometrów, szybciej osiągają wrzącą wodę niż mieszkańcy równin - wszystkie etapy wrzenia wody zachodzą szybciej, ponieważ wymaga to tylko 90 stopni przy ciśnieniu 70 kilopaskali. Ale mieszkańcy gór nie mogą ugotować na przykład jaja kurzego, ponieważ minimalna temperatura, w której białko krzepnie, wynosi dokładnie 100 stopni Celsjusza.
