VÄRMEÖVERFÖRING UNDER KOKNING OCH KONDENSATION
VÄRMEÖVERFÖRING UNDER KOKNING
Kokandeär den process av intensiv förångning som sker genom hela volymen av en vätska som har mättnadstemperatur eller något överhettad i förhållande till mättnadstemperaturen, med bildandet av ångbubblor. Under fasomvandlingsprocessen absorberas förångningsvärmen. Kokningsprocessen innebär vanligtvis tillsats av värme till en kokande vätska.
Vätskekokningslägen.
Man skiljer på kokning av vätskor på en fast värmeväxlaryta, till vilken värme tillförs utifrån, och kokning i huvuddelen av vätskan.
Vid kokning på en fast yta observeras bildandet av en ångfas på vissa ställen på denna yta. Vid volymkokning uppstår ångfasen spontant direkt i vätskevolymen i form av individuella ångbubblor. Volymkokning kan endast ske när vätskefasen överhettas mer signifikant i förhållande till mättnadstemperaturen vid ett givet tryck än kokning på en fast yta. Betydande överhettning kan till exempel uppstå när trycket i systemet snabbt släpps ut. Volymkokning kan uppstå när det finns interna värmekällor i vätskan.
Inom modern energi och teknik förekommer vanligtvis kokprocesser på fasta värmeytor (rörytor, kanalväggar etc.). Denna typ av kokning diskuteras huvudsakligen nedan.
Mekanismen för värmeöverföring under kokning av kärnor skiljer sig från mekanismen för värmeöverföring under konvektion av en enfasvätska genom närvaron av ytterligare överföring av materialmassa och värme genom ångbubblor från gränsskiktet till volymen av den kokande vätskan. Detta leder till en hög intensitet av värmeöverföring under kokning jämfört med konvektion av en enfasvätska.
För att kokningsprocessen ska inträffa måste två villkor vara uppfyllda: närvaron av överhettning av vätskan i förhållande till mättnadstemperaturen och närvaron av förångningscentra.
Vätskans överhettning har ett maxvärde direkt vid den uppvärmda värmeväxlarytan. På den finns centra för ångbildning i form av väggojämnheter, luftbubblor, dammpartiklar etc. Därför uppstår bildandet av ångbubblor direkt på värmeväxlingsytan.
Figur 3.1 – vätskekokningslägen i en obegränsad volym: a) bubbel; b) – övergångsperiod; c) - film
På fig. 3.1. visar schematiskt kokningsregimerna för en vätska i en obegränsad volym. På bubbelläge kokning (Fig. 3.1, a) när temperaturen på värmeytan ökar t c och följaktligen ökar antalet aktiva förångningscentra, och kokningsprocessen blir mer och mer intensiv. Ångbubblor bryter periodvis av från ytan och flyter till den fria ytan och fortsätter att växa i volym.
Med ökande temperaturtryck Δ t värmeflödet, som förs bort från värmeytan till den kokande vätskan, ökar avsevärt. All denna värme används i slutändan för att skapa ånga. Därför har värmebalansekvationen för kokning formen:
Var F- värmeflöde, W; r- fasövergångsvärme för vätska, J/kg; G sid- mängden ånga som alstras per tidsenhet till följd av kokning av vätskan och avlägsnad från dess fria yta, kg/s.
Värmeflöde F med ökande temperaturskillnad Δ t växer inte i det oändliga. Vid ett visst värde Δ t den når sitt maximala värde (Fig. 3.2), och med en ytterligare ökning av Δ t börjar minska.
Figur 3.2 – Beroende av värmeflödestäthet q
från temperaturskillnaden Δ t vid kokning av vatten i en stor volym vid atmosfärstryck: 1- uppvärmning till mättnadstemperatur; 2 – bubbelläge; 3 – övergångsläge; 4 – filmläge.
Ge områden 1 2 3 och 4
Bubbelkokningsläget sker i sektion 2 (fig. 3.2) tills maximal värmeavledning uppnås vid punkten q kr1, kallad första kritiska värmeflödestätheten. För vatten vid atmosfärstryck är den första kritiska värmeflödestätheten ≈ W/m2; motsvarande kritiska värde för temperaturskillnaden W/m 2. (Dessa värden gäller för kokande vattenförhållanden med fri rörelse i stor volym. För andra förhållanden och andra vätskor kommer värdena att vara annorlunda).
Vid större Δ t kommer övergångssystemet kokande (bild 3.1, b). Det kännetecknas av det faktum att både på själva värmeytan och nära den smälter bubblor kontinuerligt samman med varandra och stora ånghåligheter bildas. På grund av detta blir tillgången av vätska till själva ytan gradvis svårare och svårare. "Torra" fläckar visas på vissa ställen på ytan; deras antal och storlek ökar kontinuerligt när yttemperaturen ökar. Sådana områden är så att säga uteslutna från värmeväxling, eftersom värmeavlägsnande direkt till ångan sker mycket mindre intensivt. Detta bestämmer den kraftiga minskningen av värmeflödet (avsnitt 3 i fig. 3.2) och värmeöverföringskoefficienten i området för övergångskokningsregimen.
Slutligen, vid ett visst temperaturfall, täcks hela uppvärmningsytan med en kontinuerlig film av ånga, som trycker bort vätskan från ytan. Från och med nu äger det rum filmläge kokande (bild 3.1, V). I detta fall utförs värmeöverföringen från värmeytan till vätskan genom konvektiv värmeväxling och strålning genom ångfilmen. Intensiteten för värmeöverföringen i filmkokningsläget är ganska låg (avsnitt 4 i fig. 3.2). Ångfilmen upplever pulseringar; ångan som periodvis ackumuleras i den bryter av i form av stora bubblor. I ögonblicket för filmens kokning är den termiska belastningen som avlägsnas från ytan och följaktligen mängden ånga som genereras minimal. Detta motsvarar fig. 3,2 poäng q kr2, kallad den andra kritiska värmeflödestätheten. Vid atmosfärstryck för vatten kännetecknas ögonblicket då filmen börjar koka av en temperaturskillnad på ≈150 °C, d.v.s. yttemperaturen t cär cirka 250°C. När temperaturskillnaden ökar överförs mer och mer av värmen på grund av värmeväxling genom strålning.
Alla tre kokningslägen kan observeras i omvänd ordning om till exempel en glödhet massiv metallprodukt nedsänks i vatten för härdning. Vatten kokar, först går kylningen av kroppen relativt långsamt (filmkokning), sedan ökar kylhastigheten snabbt (övergångsläge), vattnet börjar periodiskt väta ytan och den högsta minskningshastigheten i yttemperatur uppnås i det sista steget av kylning (kärnkokning). I detta exempel sker kokning under ostadiga förhållanden över tiden.
På fig. Figur 3.3 visar en visualisering av bubbel- och filmkokningslägen på en elektriskt uppvärmd tråd i vatten.
ris. 3.3 visualisering av bubbel- och filmkokningslägen på en elektriskt uppvärmd tråd: a) - bubbel- och b) filmkokningsläge.
I praktiken uppstår även ofta förhållanden när ett fast värmeflöde tillförs ytan, d.v.s. q= konst. Detta är typiskt till exempel för termiska elektriska värmare, bränsleelement i kärnreaktorer och, ungefär, vid strålningsuppvärmning av en yta från källor med mycket hög temperatur. Under förhållanden q= konstant yttemperatur t c och följaktligen temperaturskillnaden Δ t beror på vätskans kokningsläge. Det visar sig att under sådana förhållanden för värmeförsörjning kan övergångsregimen inte existera stationärt. Som ett resultat får kokningsprocessen ett antal viktiga egenskaper. Med en gradvis ökning av termisk belastning q temperaturskillnad Δ tökar i enlighet med linjen för nukleatkokningsregimen i fig. 3.2, och processen utvecklas på samma sätt som beskrivits ovan. Nya förhållanden uppstår när den tillförda värmeflödestätheten når ett värde som motsvarar den första kritiska värmeflödestätheten q cr1. Nu, med någon liten (även oavsiktlig) ökning av värdet q det finns ett överskott mellan mängden värme som tillförs ytan och den maximala termiska belastningen q kr1, som kan dras upp i en kokande vätska. Detta överskott ( q-q cr1) orsakar en ökning av yttemperaturen, dvs. icke-stationär uppvärmning av väggmaterialet börjar. Utvecklingen av processen håller på att få en kriskaraktär. På en bråkdel av en sekund ökar temperaturen på uppvärmningsytmaterialet med hundratals grader, och bara om väggen är tillräckligt eldfast slutar krisen lyckligt i ett nytt stationärt tillstånd, motsvarande filmens kokområde vid en mycket hög yta temperatur. På fig. 3.2 denna krisövergång från nukleatkokningsregimen till filmkokningsläget visas konventionellt med pilen som ett "hopp" från kärnans kokkurva till filmens koklinje vid samma termiska belastning q cr1. Detta åtföljs dock vanligtvis av smältning och förstörelse av värmeytan (utbrändhet).
Den andra egenskapen är att om en kris inträffar och en filmkokningsregim etableras (ytan förstörs inte), kommer filmkokningen att bibehållas med en minskning av den termiska belastningen, det vill säga den omvända processen kommer nu att inträffa längs filmen koklinje (Fig. 3.2). Först när man når q kr2 vätska börjar igen vid enskilda punkter för att periodvis nå (våta) värmeytan. Värmeavledningen ökar och överstiger värmetillförseln, vilket ger snabb nedkylning av ytan, vilket också är av kriskaraktär. En snabb förändring av regimer inträffar och stationär kärnkokning etableras. Denna omvända övergång (andra krisen) i fig. 3.2 visas också konventionellt med en pil som ett "hopp" från filmens kokkurva till kärnans koklinje vid q = q cr2.
Så, under förhållanden med ett fast värde för värmeflödestätheten q, som tillförs värmeytan, är båda övergångarna från bubbla till film och vice versa av kriskaraktär. De förekommer vid kritiska värmeflödestätheter q 1 kr och q 2 kr respektive. Under dessa förhållanden kan övergångskokningsregimen inte existera stadigt, den är instabil.
I praktiken används i stor utsträckning metoder för att avlägsna värme under kokning av vätska som rör sig inuti rör eller kanaler av olika former. Sålunda utförs ånggenereringsprocesser på grund av kokningen av vatten som rör sig inuti pannrören. Värme tillförs till ytan av rören från de heta förbränningsprodukterna av bränsle på grund av strålning och konvektiv värmeväxling.
För processen för kokning av en vätska som rör sig inuti en begränsad volym av ett rör (kanal), förblir de ovan beskrivna villkoren i kraft, men samtidigt uppstår ett antal nya funktioner.
Vertikalt rör. Ett rör eller en kanal är ett begränsat system där det, när en kokande vätska rör sig, sker en kontinuerlig ökning av ångfasen och en minskning av vätskefasen. Följaktligen förändras flödets hydrodynamiska struktur, både längs rörets längd och tvärsnitt. Värmeöverföringen ändras också i enlighet med detta.
Det finns tre huvudområden med olika strukturer av vätskeflöde längs det vertikala rörets längd när flödet rör sig från botten till toppen (Fig. 3.4): jag– värmeområde (ekonomisektion, upp till rörsektion, där T s = T n); II– kokande område (avdunstning, från avsnittet där T s = T n, i<i n, till avsnittet där T s = T n, jag cm→i n); III– område där våt ånga torkar.
Indunstningssektionen omfattar områden med ytkokning av den mättade vätskan.
På fig. 3.4 visar schematiskt strukturen för ett sådant flöde. Sektion 1 motsvarar uppvärmning av en enfasvätska till mättnadstemperatur (economizersektion). I sektion 2 sker ytkärnkokning, där värmeöverföringen ökar jämfört med sektion 2. I sektion 3 uppträder en emulsionsregim, där ett tvåfasflöde består av en vätska och relativt små bubblor jämnt fördelade i den, vilka därefter slå samman för att bilda stora bubblor - pluggar i proportion till rörets diameter. I pluggläge (avsnitt 4) rör sig ånga i form av separata stora pluggbubblor, åtskilda av skikt av ång-vätskeemulsion. Vidare, i avsnitt 5, rör sig våt ånga som en kontinuerlig massa i flödeskärnan, och ett tunt ringformigt lager av vätska rör sig vid rörväggen. Tjockleken på detta lager av vätska minskar gradvis. Denna sektion motsvarar det ringformiga kokningsregimen, som slutar när vätskan försvinner från väggen. I avsnitt 6 torkas ångan (ökar ångans torrhetsgrad). Eftersom kokningsprocessen är avslutad minskar värmeöverföringen. Därefter, på grund av en ökning av den specifika volymen av ånga, ökar ånghastigheten, vilket leder till en liten ökning av värmeöverföringen.
Fig. 3.4 – Flödesstruktur när vätska kokar inuti ett vertikalt rör
Ökning i cirkulationshastighet vid given q med, rörlängd och inloppstemperatur leder till en minskning av områden med utvecklad kokning och en ökning av ekonomisektionens längd; med ökning q med vid en given hastighet ökar tvärtom längden på sektioner med utvecklad kokning och längden på economizersektionen minskar.
Horisontella och lutande rör. När ett tvåfasflöde rör sig inuti rör som är placerade horisontellt eller med en liten lutning, förutom förändringar i flödets struktur längs längden, finns det en betydande förändring i strukturen längs rörets omkrets. Sålunda, om cirkulationshastigheten och ånginnehållet i flödet är lågt, observeras separation av tvåfasflödet i en vätskefas som rör sig i den nedre delen av röret och en ångfas som rör sig i den övre delen av det (fig. 3,5, A). Med en ytterligare ökning av ånghalten och cirkulationshastigheten får gränssnittet mellan ång- och vätskefasen en vågkaraktär, och vätskan väter periodiskt den övre delen av röret med vågtoppar. Med en ytterligare ökning av ånghalten och hastigheten intensifieras vågrörelsen vid gränsytan, vilket leder till partiell utstötning av vätskan i ångområdet. Som ett resultat får det tvåfasiga flödet en flödeskaraktär, först nära ett pluggflöde och sedan ett ringformigt.
Ris. 3.5 – Flödesstruktur när vätska kokar inuti ett horisontellt rör.
A– stratifierad kokning. b– spöläge; 1 - ånga; 2 – vätska.
I det ringformiga läget etableras rörelsen av ett tunt lager av vätska längs hela rörets omkrets, och en ång-vätskeblandning rör sig i kärnan av flödet (fig. 3.5, b). Men i detta fall observeras inte fullständig axiell symmetri i flödesstrukturen.
om intensiteten av värmetillförseln till rörväggarna är tillräckligt hög, så kan kokningsprocessen även ske under flöde i ett rör som inte är uppvärmt till vätskans mättnadstemperatur Denna process inträffar när väggtemperaturen t cöverstiger mättnadstemperaturen ts. den täcker gränsskiktet av vätska direkt vid väggen. Ångbubblor som kommer in i den kalla kärnan av flödet kondenseras snabbt. Denna typ av kokning kallas kokning med undervärme.
Värmeavlägsnande i nukleatkokningsläge är en av de mest avancerade metoderna för att kyla värmeytan. Den finner bred tillämpning i tekniska enheter.
3.1.2. Värmeöverföring under kärnkokning.
Observationer visar att med ökande temperatur tryck Δ t = t c-ts, såväl som tryck R antalet aktiva förångningscentra på värmeytan ökar. Som ett resultat uppstår ett ökande antal bubblor kontinuerligt, växer och bryts loss från värmeytan. Som ett resultat ökar turbuliseringen och blandningen av det nära väggens gränsskikt av vätska. Under sin tillväxt på värmeytan absorberar bubblor också intensivt värme från gränsskiktet. Allt detta hjälper till att förbättra värmeöverföringen. I allmänhet är kokningsprocessen för kärnor ganska kaotisk.
Forskning visar att på tekniska värmeytor beror antalet förångningscentra på ytans material, struktur och mikroråhet, närvaron av heterogenitet i ytans sammansättning och gasen (luften) som adsorberas på ytan. Olika avlagringar, oxidfilmer, liksom alla andra inneslutningar har en märkbar effekt.
Observationer visar att under verkliga förhållanden är förångningscentra vanligtvis individuella element av ytjämnhet och mikrogrovhet (helst olika fördjupningar och fördjupningar).
Normalt är antalet förångningscentra på nya ytor högre än på samma ytor efter långvarig kokning. Detta beror främst på närvaron av gas adsorberad på ytan. Med tiden avlägsnas gasen gradvis, den blandas med ångan i de växande bubblorna och förs in i ångutrymmet. Kokningsprocessen och värmeöverföringen stabiliseras i tid och intensitet.
Förutsättningarna för bildandet av ångbubblor påverkas i hög grad av ytspänningen vid gränsytan mellan vätska och ånga.
På grund av ytspänningen, ångtrycket inuti bubblan R n högre än trycket hos den omgivande vätskan R och. Deras skillnad bestäms av Laplaces ekvation
där σ är ytspänning; R- bubblans radie.
Laplaces ekvation uttrycker tillståndet för mekanisk jämvikt. Den visar att ytspänning, som ett elastiskt skal, "komprimerar" ångan i en bubbla, och ju mindre radie är, desto starkare är den. R.
Beroendet av ångtrycket i en bubbla av dess storlek ålägger speciella egenskaper på tillståndet för termisk eller termodynamisk jämvikt hos små bubblor. Ångan i bubblan och vätskan på dess yta är i jämvikt om vätskans yta har en temperatur som är lika med mättnadstemperaturen vid ångtrycket i bubblan, t s ( R P). Denna temperatur är högre än mättnadstemperaturen vid yttre tryck i vätskan t s ( R och). Därför, för att uppnå termisk jämvikt, måste vätskan runt bubblan överhettas med en mängd t s ( R P)- t s ( R och).
Nästa funktion är att denna jämvikt visar sig vara instabil. Om temperaturen på vätskan något överstiger jämviktsvärdet, kommer en del av vätskan att avdunsta in i bubblorna och dess radie ökar. I det här fallet, enligt Laplaces ekvation, kommer ångtrycket i bubblan att minska. Detta kommer att leda till en ny avvikelse från jämviktstillståndet. Bubblan kommer att börja växa utan gränser. Dessutom, med en liten minskning av vätskans temperatur, kommer en del av ångan att kondensera, storleken på bubblan kommer att minska och ångtrycket i den kommer att öka. Detta kommer att innebära en ytterligare avvikelse från jämviktsförhållandena, nu i andra riktningen. Som ett resultat kommer bubblan att kondensera helt och försvinna.
Följaktligen, i en överhettad vätska, har inga slumpmässigt bildade små bubblor förmågan att växa ytterligare, utan endast de vars radie överstiger värdet som motsvarar villkoren för instabil mekanisk och termisk jämvikt som diskuterats ovan. Detta lägsta värde
där derivatan är en fysikalisk egenskap hos en given substans, bestäms den av Clapeyron - Clausis ekvation
d.v.s. det uttrycks genom andra fysiska konstanter: fasövergångens värme r, ång-densitet ρ sid och vätskor ρ och absolut mättnadstemperatur T s.
Ekvation (3-2) visar att om ångkärnor uppträder vid individuella punkter på värmeytan, då endast de vars krökningsradie överstiger värdet Rmin. Eftersom med ökande Δ t magnitud Rmin minskar, förklarar ekvation (3-2).
experimentellt observerat faktum av en ökning av antalet förångningscentra med ökande yttemperatur.
En ökning av antalet förångningscentra med ökande tryck är också förknippad med en minskning Rmin, eftersom med ökande tryck värdet p′ s växer och σ minskar. Beräkningar visar att för vatten som kokar vid atmosfärstryck, vid Δ t= 5°C Rmin= 6,7 µm och vid Δ t= 25°C Rmin= 1,3 µm.
Observationer gjorda med höghastighetsfilmning visar att vid en fast kokning är frekvensen av bildandet av ångbubblor inte densamma både vid olika punkter på ytan och över tiden. Detta ger kokningsprocessen en komplex statistisk karaktär. Följaktligen kännetecknas tillväxthastigheterna och separationsstorlekarna för olika bubblor också av slumpmässiga avvikelser kring vissa medelvärden.
Efter att bubblan når en viss storlek bryter den loss från ytan. Avrivningsstorlek bestäms främst av växelverkan mellan gravitation, ytspänning och tröghet. Det senare värdet representerar en dynamisk reaktion som sker i en vätska på grund av den snabba tillväxten av bubblor i storlek. Denna kraft förhindrar vanligtvis bubblorna från att bryta av. Dessutom beror karaktären på utvecklingen och separationen av bubblor till stor del på om vätskan väter ytan eller inte väter den. Vätningsförmågan hos en vätska kännetecknas av kontaktvinkeln θ, som bildas mellan väggen och vätskans fria yta. Ju större θ, desto sämre vätningsförmåga har vätskan. Det är allmänt accepterat att för θ<90° (рис. 3.6, A), väter vätskan ytan, men vid θ >90° gör den det inte. Värdet på kontaktvinkeln beror på vätskans beskaffenhet, material, tillstånd och ytans renhet. Om en kokande vätska väter värmeytan, har ångbubblorna en tunn stjälk och lossnar lätt från ytan (bild 3.7, A). Om vätskan inte väter ytan, har ångbubblorna en bred skaft (bild 3.7, b) och lossna längs näset, eller så sker förångning över hela ytan.
Kokande- detta är förångning som sker samtidigt både från ytan och genom hela vätskans volym. Det består i det faktum att många bubblor flyter upp och spricker, vilket orsakar en karakteristisk sjudning.
Som erfarenheten visar, börjar kokningen av en vätska vid ett givet yttre tryck vid en väldefinierad temperatur som inte förändras under kokningsprocessen och som endast kan ske när energi tillförs utifrån som ett resultat av värmeväxling (Fig. 1) ):
där L är det specifika förångningsvärmet vid kokpunkten.
Kokmekanism: en vätska innehåller alltid en löst gas, vars upplösningsgrad minskar med ökande temperatur. Dessutom finns det adsorberad gas på kärlets väggar. När vätskan värms upp underifrån (fig. 2) börjar gas att frigöras i form av bubblor vid kärlets väggar. Vätska avdunstar in i dessa bubblor. Därför innehåller de, förutom luft, mättad ånga, vars tryck snabbt ökar med ökande temperatur, och bubblorna växer i volym, och följaktligen ökar Archimedes-krafterna som verkar på dem. När flytkraften blir större än bubblans gravitation börjar den flyta. Men tills vätskan är jämnt uppvärmd, när den stiger upp, minskar bubblans volym (mättat ångtryck minskar med sjunkande temperatur) och innan de når den fria ytan försvinner (kollapsar) bubblorna (fig. 2, a), vilket det är därför vi hör ett karakteristiskt ljud innan vi kokar. När vätskans temperatur utjämnas kommer bubblans volym att öka när den stiger, eftersom det mättade ångtrycket inte förändras, och det yttre trycket på bubblan, vilket är summan av det hydrostatiska trycket för vätskan ovanför bubblan och atmosfärstrycket, minskar. Bubblan når den fria ytan av vätskan, spricker och mättad ånga kommer ut (fig. 2, b) - vätskan kokar. Det mättade ångtrycket i bubblorna är nästan lika med det yttre trycket.
Den temperatur vid vilken en vätskas mättade ångtryck är lika med det yttre trycket på dess fria yta kallas kokpunkt vätskor.
Eftersom det mättade ångtrycket ökar med ökande temperatur, och under kokning måste det vara lika med det yttre trycket, ökar kokpunkten med ökande yttre tryck.
Kokpunkten beror också på närvaron av föroreningar, vanligtvis ökar med ökande koncentration av föroreningar.
Om du först frigör vätskan från gasen som är löst i den, kan den överhettas, d.v.s. värme över kokpunkten. Detta är ett instabilt tillstånd av vätska. Små stötar är tillräckligt och vätskan kokar, och dess temperatur sjunker omedelbart till kokpunkten.
Allt som omger oss i vardagen kan representeras i form av fysiska och kemiska processer. Vi utför ständigt många manipulationer som uttrycks av formler och ekvationer, utan att ens veta det. En sådan process är kokning. Detta är ett fenomen som absolut alla hemmafruar använder när de lagar mat. Det verkar helt vanligt för oss. Men låt oss titta på kokningsprocessen ur en vetenskaplig synvinkel.
Kokning - vad är det?
Det har varit känt sedan skolfysiken att materia kan vara i flytande och gasformiga tillstånd. Processen att omvandla en vätska till ett ångtillstånd är kokande. Detta händer endast när en viss temperatur uppnås eller överskrids. Trycket deltar också i denna process och måste beaktas. Varje vätska har sin egen kokpunkt, vilket utlöser processen för ångbildning.
Detta är den betydande skillnaden mellan kokning och förångning, som sker vid vilken temperatur som helst på vätskan.
Hur uppstår kokning?
Om du någon gång har kokat vatten i en glasbehållare har du observerat att det bildas bubblor på behållarens väggar när vätskan värms upp. De bildas på grund av det faktum att luft samlas i diskens mikrosprickor, som börjar expandera när de värms upp. Bubblor består av flytande ånga under tryck. Dessa par kallas mättade. När vätskan värms upp ökar trycket i luftbubblorna och de ökar i storlek. Naturligtvis börjar de stiga till toppen.
Men om vätskan ännu inte har nått kokpunkten, kyls bubblorna i de övre lagren, trycket minskar och de hamnar i botten av behållaren, där de värms upp igen och stiger upp. Denna process är bekant för varje hemmafru, vattnet verkar börja göra ljud. Så snart temperaturen på vätskan i de övre och nedre skikten jämförs börjar bubblorna stiga till ytan och brister - kokning uppstår. Detta är endast möjligt när trycket inuti bubblorna blir detsamma som trycket i själva vätskan.
Som vi redan har nämnt har varje vätska sin egen temperaturregim där kokningsprocessen börjar. Dessutom förblir ämnets temperatur oförändrad under hela processen, all frigjord energi går åt till förångning. Det är därför slarviga hemmafruars grytor brinner ut - allt innehåll kokar bort och själva behållaren börjar värmas upp.
Kokpunkten är direkt proportionell mot trycket som utövas på hela vätskan, närmare bestämt på dess yta. I skolans fysikkurs står det att vatten börjar koka vid en temperatur av hundra grader Celsius. Men få människor kommer ihåg att detta uttalande endast är sant under normala tryckförhållanden. Standardvärdet anses vara hundra och en kilopascal. Om du ökar trycket kommer vätskan att koka vid en annan temperatur.
Denna fysiska egenskap används av tillverkare av moderna hushållsapparater. Ett exempel skulle vara en tryckkokare. Alla hemmafruar vet att i sådana anordningar tillagas mat mycket snabbare än i vanliga kastruller. Vad är detta kopplat till? Med trycket som genereras i tryckkokaren. Det är dubbelt så normalt. Därför kokar vattnet vid ungefär hundra och tjugo grader Celsius.
Om du någonsin har varit i bergen har du observerat den motsatta processen. På höjden börjar vattnet koka vid nittio grader, vilket avsevärt komplicerar matlagningsprocessen. Lokala invånare och klättrare som tillbringar all sin lediga tid i bergen är väl medvetna om dessa svårigheter.
Lite mer om kokning
Många har hört ett sådant uttryck som "kokpunkt" och blev förmodligen förvånade över att vi inte nämnde det i artikeln. Vi har faktiskt redan beskrivit det. Ha inte bråttom att läsa texten igen. Faktum är att i fysiken anses punkten och temperaturen för kokningsprocessen vara identiska.
I den vetenskapliga världen görs separation i denna terminologi endast vid blandning av olika flytande ämnen. I en sådan situation är det kokpunkten som bestäms, och den minsta av alla möjliga. Det är detta som tas som norm för alla komponenter i blandningen.
Vatten: intressanta fakta om fysiska processer
I laboratorieexperiment tar fysiker alltid vätska utan föroreningar och skapar absolut idealiska yttre förhållanden. Men i livet händer allt lite annorlunda, eftersom vi ofta tillsätter salt i vattnet eller tillsätter olika kryddor till det. Vad blir kokpunkten i det här fallet?
Saltvatten kräver en högre temperatur för att koka än färskvatten. Detta beror på natrium- och klorföroreningar. Deras molekyler kolliderar med varandra, och det krävs en mycket högre temperatur för att värma dem. Det finns en viss formel som låter dig beräkna kokpunkten för saltvatten. Observera att sextio gram salt per liter vatten ökar kokpunkten med tio grader.
Kan vatten koka i vakuum? Forskare har bevisat att det kan. Men kokpunkten i det här fallet bör nå en gräns på trehundra grader Celsius. När allt kommer omkring, i ett vakuum är trycket bara fyra kilopascal.
Vi kokar alla vatten i en vattenkokare, så vi är bekanta med ett sådant obehagligt fenomen som "skala". Vad är det och varför bildas det? Faktum är att allt är enkelt: färskvatten har olika hårdhetsgrader. Det bestäms av mängden föroreningar i vätskan, oftast innehåller den olika salter. Under kokningsprocessen omvandlas de till sediment och i stora mängder omvandlas de till skala.
Kan alkohol koka?
Kokning av alkohol används i processen för moonshine-bryggning och kallas destillation. Denna process beror direkt på mängden vatten i alkohollösningen. Om vi tar ren etylalkohol som bas, kommer dess kokpunkt att vara nära sjuttioåtta grader Celsius.
Om du tillsätter vatten till alkohol ökar vätskans kokpunkt. Beroende på koncentrationen av lösningen kommer den att koka i intervallet från sjuttioåtta grader till hundra grader Celsius. Naturligtvis kommer alkohol under kokningsprocessen att förvandlas till ånga på kortare tidsintervall än vatten.
Kokning är processen att ändra tillståndet för aggregation av ett ämne. När vi talar om vatten menar vi förändringen från flytande till ångtillstånd. Det är viktigt att notera att kokning inte är avdunstning, vilket kan ske även vid rumstemperatur. Det bör inte heller förväxlas med kokning, vilket är processen att värma vatten till en viss temperatur. Nu när vi har förstått begreppen kan vi bestämma vid vilken temperatur vatten kokar.
Bearbeta
Processen att omvandla tillståndet för aggregation från flytande till gasformig är komplex. Och även om folk inte ser det, finns det fyra steg:
- I det första steget bildas små bubblor i botten av den uppvärmda behållaren. De kan också ses på sidorna eller på vattenytan. De bildas på grund av expansionen av luftbubblor, som alltid finns i sprickorna i behållaren där vattnet värms upp.
- I det andra steget ökar volymen av bubblor. De börjar alla rusa till ytan, eftersom det finns mättad ånga inuti dem, som är lättare än vatten. När uppvärmningstemperaturen ökar ökar trycket från bubblorna, och de trycks upp till ytan tack vare den välkända Archimedes-kraften. I det här fallet kan du höra det karakteristiska ljudet av kokning, som bildas på grund av den konstanta expansionen och minskningen av bubblornas storlek.
- I det tredje steget kan ett stort antal bubblor ses på ytan. Detta skapar initialt grumling i vattnet. Denna process kallas populärt för "vit kokning", och den varar en kort tid.
- I det fjärde steget kokar vattnet intensivt, stora sprängda bubblor uppstår på ytan och stänk kan uppstå. Oftast innebär stänk att vätskan har nått sin maximala temperatur. Ånga kommer att börja strömma ut från vattnet.
Det är känt att vatten kokar vid en temperatur på 100 grader, vilket är möjligt endast i det fjärde steget.
Ånga temperatur
Ånga är ett av vattentillstånden. När den kommer ut i luften utövar den, liksom andra gaser, ett visst tryck på den. Under förångningen förblir temperaturen på ånga och vatten konstant tills hela vätskan ändrar sitt aggregationstillstånd. Detta fenomen kan förklaras av det faktum att all energi under kokning går åt till att omvandla vatten till ånga.
Allra i början av kokningen bildas fuktig, mättad ånga, som blir torr efter att all vätska har avdunstat. Om dess temperatur börjar överstiga vattnets temperatur, överhettas sådan ånga, och dess egenskaper kommer att vara närmare gas.
Kokande saltvatten
Det är ganska intressant att veta vid vilken temperatur vatten med hög salthalt kokar. Det är känt att det borde vara högre på grund av innehållet av Na+ och Cl-joner i kompositionen, som upptar området mellan vattenmolekyler. Det är så den kemiska sammansättningen av vatten med salt skiljer sig från vanlig färsk vätska.
Faktum är att i saltvatten sker en hydratiseringsreaktion - processen att lägga till vattenmolekyler till saltjoner. Bindningarna mellan sötvattenmolekyler är svagare än de som bildas under hydrering, så det tar längre tid för en vätska med löst salt att koka. När temperaturen stiger rör sig molekylerna i saltvatten snabbare, men det finns färre av dem, vilket gör att kollisioner mellan dem inträffar mer sällan. Som ett resultat produceras mindre ånga, och dess tryck är därför lägre än ångtrycket i färskvatten. Följaktligen kommer mer energi (temperatur) att krävas för fullständig förångning. I genomsnitt, för att koka en liter vatten som innehåller 60 gram salt, är det nödvändigt att öka kokningsgraden av vatten med 10% (det vill säga med 10 C).
Beroende av kokning på tryck
Det är känt att i bergen, oavsett vattnets kemiska sammansättning, blir kokpunkten lägre. Detta beror på att atmosfärstrycket är lägre på höjden. Normaltrycket anses vara 101,325 kPa. Med det är vattnets kokpunkt 100 grader Celsius. Men om du klättrar på ett berg, där trycket i genomsnitt är 40 kPa, så kommer vattnet där att koka till 75,88 C. Men det betyder inte att du kommer att behöva spendera nästan hälften så mycket tid på att laga mat i bergen. Värmebehandling av livsmedel kräver en viss temperatur.
Man tror att på en höjd av 500 meter över havet kommer vattnet att koka vid 98,3 C, och på en höjd av 3000 meter kommer kokpunkten att vara 90 C.
Observera att denna lag också gäller i motsatt riktning. Om du placerar en vätska i en sluten kolv genom vilken ånga inte kan passera, kommer trycket i denna kolv att öka när temperaturen stiger och ånga bildas, och kokning vid ökat tryck kommer att ske vid högre temperatur. Till exempel, vid ett tryck på 490,3 kPa, kommer vattnets kokpunkt att vara 151 C.
Kokande destillerat vatten
Destillerat vatten är renat vatten utan några föroreningar. Det används ofta för medicinska eller tekniska ändamål. Med tanke på att det inte finns några föroreningar i sådant vatten, används det inte för matlagning. Det är intressant att notera att destillerat vatten kokar snabbare än vanligt färskvatten, men kokpunkten förblir densamma - 100 grader. Skillnaden i koktid blir dock minimal - bara en bråkdel av en sekund.
I en tekanna
Människor undrar ofta vid vilken temperatur vatten kokar i en vattenkokare, eftersom det är dessa enheter de använder för att koka vätskor. Med hänsyn till det faktum att atmosfärstrycket i lägenheten är lika med standard, och vattnet som används inte innehåller salter och andra föroreningar som inte borde vara där, kommer kokpunkten också att vara standard - 100 grader. Men om vattnet innehåller salt, kommer kokpunkten, som vi redan vet, att vara högre.
Slutsats
Nu vet du vid vilken temperatur vattnet kokar, och hur atmosfärstrycket och vätskans sammansättning påverkar denna process. Det är inget komplicerat med detta, och barn får sådan information i skolan. Det viktigaste är att komma ihåg att när trycket minskar, minskar också vätskans kokpunkt, och när den ökar ökar den också.
På Internet kan du hitta många olika tabeller som indikerar beroendet av en vätskas kokpunkt på atmosfärstrycket. De är tillgängliga för alla och används aktivt av skolbarn, studenter och till och med lärare vid institut.
Kokande vatten process består av tre steg:
- början av det första steget - små luftbubblor som hoppar från botten av vattenkokaren eller något annat kärl i vilket vatten kokas upp och nya bubbelbildningar dyker upp på vattenytan. Gradvis ökar antalet sådana bubblor.
- På den andra kokande vattenstadiet det sker en massiv snabb ökning av bubblor uppåt, vilket först orsakar en liten grumlighet i vattnet, som sedan övergår i "vitning", där vattnet ser ut som en ström av en källa. Detta fenomen kallas kokning vit nyckel och extremt kortlivad.
– det tredje steget åtföljs av intensiva processer med vattenkokning, uppkomsten av stora sprängda bubblor och stänk på ytan. En stor mängd stänk gör att vattnet har kokat för mycket.
Förresten, om du gillar att dricka te bryggt med rent naturligt vatten, kan du beställa detta utan att lämna ditt hem, på webbplatsen, till exempel: http://www.aqualader.ru/. Därefter kommer vattenleveransföretaget att leverera det till ditt hem.
Vanliga observatörer har länge lagt märke till det faktum att alla tre stegen av kokande vatten åtföljs av olika ljud. Vatten i det första steget gör ett knappt hörbart tunt ljud. I det andra steget förvandlas ljudet till brus, som påminner om surret från en binsvärm. I det tredje steget förlorar ljuden av kokande vatten sin enhetlighet och blir skarpa och högljudda, växer kaotiskt.
Allt kokande vattenstadietär lätt verifierade av erfarenhet. Efter att ha börjat värma vatten i en öppen glasbehållare och regelbundet mäta temperaturen, kommer vi efter en kort tid att börja observera bubblor som täcker behållarens botten och väggar.
Låt oss ta en närmare titt på bubblan som dyker upp nära botten. Gradvis ökar dess volym, bubblan ökar också kontaktytan med det värmande vattnet, som ännu inte har nått en hög temperatur. Som ett resultat av detta kyls ångan och luften inuti bubblan, vilket resulterar i att deras tryck minskar, och vattnets gravitation spränger bubblan. Det är i detta ögonblick som vattnet ger ett ljud som är karakteristiskt för kokning, vilket uppstår på grund av kollisioner av vatten med botten av behållaren på de platser där bubblorna spricker.
När temperaturen i de nedre vattenlagren närmar sig 100 grader Celsius, utjämnas intrabubbeltrycket med vattentrycket på dem, vilket resulterar i att bubblorna gradvis expanderar. En ökning av volymen av bubblor leder också till en ökning av flytkraften på dem, under påverkan av vilken de mest voluminösa bubblorna bryts bort från behållarens väggar och snabbt stiger uppåt. Om det översta lagret av vatten ännu inte har nått 100 grader, förlorar bubblan, som faller i kallare vatten, en del av vattenångan som kondenserar och går ner i vattnet. I detta fall minskar bubblorna igen i storlek och faller ner under påverkan av gravitationen. Nära botten får de volym igen och stiger uppåt, och det är dessa förändringar i bubbelstorlek som skapar det karakteristiska bruset av kokande vatten.
När hela vattenvolymen når 100 grader minskar de stigande bubblorna inte längre i storlek, utan spricker på själva vattenytan. I det här fallet släpps ånga utåt, åtföljd av ett karakteristiskt gurglande ljud - det betyder att vattnet kokar. Den temperatur vid vilken en vätska når kokning beror på trycket som upplevs av dess fria yta. Ju högre detta tryck, desto högre temperatur krävs, och vice versa.
Det vattnet kokar kl 100 grader Celsiusär ett välkänt faktum. Men det är värt att tänka på att denna temperatur endast är giltig under normalt atmosfärstryck (cirka 101 kilopascal). När trycket ökar ökar också temperaturen vid vilken vätskan når kokning. Till exempel, i tryckkokare, tillagas mat under tryck som närmar sig 200 kilopascal, vid vilken kokpunkten för vattnet är 120 grader. I vatten vid denna temperatur fortskrider tillagningen mycket snabbare än vid normal koktemperatur - därav namnet på pannan.
Följaktligen sänker en minskning av trycket också vattnets kokpunkt. Till exempel uppnår invånare i bergsregioner, som bor på en höjd av 3 kilometer, kokande vatten snabbare än invånare på slätten - alla stadier av kokande vatten sker snabbare, eftersom detta bara kräver 90 grader vid ett tryck på 70 kilopascal. Men bergsbor kan inte koka, till exempel, ett kycklingägg, eftersom den lägsta temperaturen vid vilken de vita koagulerar är exakt 100 grader Celsius.
