KAYNATMA VE YOĞUNLAŞMA ESNASINDA ISI TRANSFERİ
KAYNATMA SIRASINDA ISI TRANSFERİ
Kaynamak Doyma sıcaklığındaki veya doyma sıcaklığına göre biraz aşırı ısınan bir sıvının tüm hacmi boyunca buhar kabarcıklarının oluşmasıyla meydana gelen yoğun buharlaşma sürecidir. Faz dönüşüm süreci sırasında buharlaşma ısısı emilir. Kaynatma işlemi genellikle kaynayan bir sıvıya ısı eklenmesini içerir.
Sıvı kaynatma modları.
Sıvıların, ısının dışarıdan sağlandığı katı bir ısı değişim yüzeyinde kaynatılması ile sıvının büyük kısmının kaynatılması arasında bir ayrım yapılır.
Katı bir yüzey üzerinde kaynatıldığında bu yüzeyin belirli yerlerinde buhar fazının oluşumu gözlenir. Hacimsel kaynama ile buhar fazı, bireysel buhar kabarcıkları şeklinde doğrudan sıvı hacminde kendiliğinden ortaya çıkar. Hacimsel kaynama, yalnızca sıvı fazın belirli bir basınçta doyma sıcaklığına göre katı bir yüzeyde kaynamaya göre daha fazla aşırı ısıtılması durumunda meydana gelebilir. Örneğin sistemdeki basınç hızla serbest bırakıldığında önemli ölçüde aşırı ısınma meydana gelebilir. Sıvıda dahili ısı kaynakları olduğunda hacimsel kaynama meydana gelebilir.
Modern enerji ve teknolojide genellikle katı ısıtma yüzeylerinde (boru yüzeyleri, kanal duvarları vb.) kaynatma işlemlerine rastlanmaktadır. Bu tür kaynatma esas olarak aşağıda tartışılmaktadır.
Çekirdek kaynaması sırasındaki ısı transfer mekanizması, tek fazlı bir sıvının taşınımı sırasındaki ısı transfer mekanizmasından, sınır tabakasından kaynayan sıvının hacmine buhar kabarcıkları tarafından ilave madde kütlesi ve ısı transferinin varlığı nedeniyle farklılık gösterir. Bu, tek fazlı bir sıvının taşınımıyla karşılaştırıldığında kaynama sırasında yüksek yoğunlukta ısı transferine yol açar.
Kaynama işleminin gerçekleşmesi için iki koşulun karşılanması gerekir: sıvının doyma sıcaklığına göre aşırı ısınması ve buharlaşma merkezlerinin varlığı.
Sıvının aşırı ısınması, doğrudan ısıtılan ısı değişim yüzeyinde maksimum değere sahiptir. Üzerinde duvar düzensizlikleri, hava kabarcıkları, toz parçacıkları vb. Şeklinde buhar oluşum merkezleri vardır. Bu nedenle buhar kabarcıklarının oluşumu doğrudan ısı değişim yüzeyinde meydana gelir.
Şekil 3.1 – Sınırsız hacimde sıvı kaynama modları: a) kabarcıklı; b) – geçici; c) - film
İncirde. 3.1. sınırsız hacimdeki bir sıvının kaynama rejimlerini şematik olarak gösterir. Şu tarihte: kabarcık moduısıtma yüzeyinin sıcaklığı arttıkça kaynama (Şekil 3.1,a) tc ve buna bağlı olarak aktif buharlaşma merkezlerinin sayısı artar ve kaynama işlemi giderek daha yoğun hale gelir. Buhar kabarcıkları periyodik olarak yüzeyden kırılır ve serbest yüzeye doğru yüzerek hacim olarak büyümeye devam eder.
Artan sıcaklık basıncıyla Δ Tısıtma yüzeyinden kaynayan sıvıya çıkan ısı akışı önemli ölçüde artar. Tüm bu ısı sonuçta buhar oluşturmak için kullanılır. Bu nedenle kaynama için ısı dengesi denklemi şu şekildedir:
Nerede Q- ısı akışı, W; R- sıvının faz geçiş ısısı, J/kg; Gp- Sıvının kaynatılması sonucu birim zamanda üretilen ve serbest yüzeyinden çıkan buhar miktarı, kg/s.
Isı akışı Q artan sıcaklık farkıyla Δ T sonsuza kadar büyümez. Belirli bir değerde Δ T maksimum değerine ulaşır (Şekil 3.2) ve Δ'nın daha da artmasıyla T azalmaya başlar.
Şekil 3.2 – Isı akışı yoğunluğunun bağımlılığı Q
sıcaklık farkından Δ T atmosferik basınçta büyük hacimde suyu kaynatırken: 1- doyma sıcaklığına ısıtma; 2 – kabarcık modu; 3 – geçiş modu; 4 – film modu.
1 2 3 ve 4 numaralı alanları verin
Bu noktada maksimum ısı giderimi elde edilene kadar bölüm 2'de (Şekil 3.2) kabarcıklı kaynatma modu gerçekleşir. Q kr1 denir ilk kritik ısı akısı yoğunluğu. Atmosfer basıncındaki su için ilk kritik ısı akışı yoğunluğu ≈ W/m2'dir; sıcaklık farkının karşılık gelen kritik değeri W/m2. (Bu değerler büyük hacimde serbest dolaşıma sahip kaynar su koşulları için geçerlidir. Diğer koşullar ve diğer sıvılar için değerler farklı olacaktır).
Daha büyük Δ'da T geliyor geçiş rejimi kaynatma (Şekil 3.1, B). Hem ısıtma yüzeyinde hem de yakınında kabarcıkların sürekli olarak birbirleriyle birleşmesi ve büyük buhar boşluklarının oluşması ile karakterize edilir. Bu nedenle sıvının yüzeye erişimi giderek zorlaşmaktadır. Yüzeyin belirli yerlerinde “kuru” noktalar beliriyor; yüzey sıcaklığı arttıkça sayıları ve boyutları sürekli olarak artar. Bu tür alanlar, ısı değişiminin dışında tutulur, çünkü doğrudan buhara ısının uzaklaştırılması çok daha az yoğundur. Bu, geçiş kaynama rejimi bölgesindeki ısı akışındaki (Şekil 3.2'deki bölüm 3) ve ısı transfer katsayısındaki keskin düşüşü belirler.
Son olarak, belirli bir sıcaklık düşüşünde, tüm ısıtma yüzeyi sürekli bir buhar filmi ile kaplanır ve sıvıyı yüzeyden uzaklaştırır. Şu andan itibaren gerçekleşecek film modu kaynatma (Şekil 3.1, V). Bu durumda, ısıtma yüzeyinden sıvıya ısı transferi, konvektif ısı değişimi ve buhar filmi boyunca radyasyon yoluyla gerçekleştirilir. Film kaynama modunda ısı transferinin yoğunluğu oldukça düşüktür (Şekil 3.2'deki bölüm 4). Buhar filmi titreşimler yaşar; periyodik olarak içinde biriken buhar, büyük kabarcıklar şeklinde kırılır. Filmin kaynama anında yüzeyden kaldırılan termal yük ve buna bağlı olarak üretilen buhar miktarı minimumdur. Bu Şekil 2'ye karşılık gelir. 3,2 puan Q kr2 denir ikinci kritik ısı akısı yoğunluğu. Su için atmosferik basınçta, filmin kaynamaya başlama anı, ≈150 °C'lik bir sıcaklık farkıyla, yani yüzey sıcaklığıyla karakterize edilir. tc yaklaşık 250°C'dir. Sıcaklık farkı arttıkça, ışınım yoluyla ısı alışverişi nedeniyle daha fazla ısı aktarılır.
Örneğin, kırmızı-sıcak masif metal bir ürün söndürme için suya daldırılırsa, üç kaynama modunun tümü ters sırada gözlemlenebilir. Su kaynar, başlangıçta gövdenin soğuması nispeten yavaş ilerler (film kaynaması), daha sonra soğuma hızı hızla artar (geçiş modu), su periyodik olarak yüzeyi ıslatmaya başlar ve yüzey sıcaklığındaki en yüksek düşüş oranı soğutmanın son aşaması (çekirdek kaynaması). Bu örnekte kaynama zamanla kararsız koşullar altında meydana gelir.
İncirde. Şekil 3.3, su içinde elektrikle ısıtılan bir tel üzerinde kabarcık ve film kaynama modlarının görselleştirilmesini göstermektedir.
pirinç. 3.3 elektrikle ısıtılan bir tel üzerinde kabarcık ve film kaynama modlarının görselleştirilmesi: a) - kabarcık ve b) film kaynama modu.
Uygulamada, yüzeye sabit bir ısı akışı sağlandığında da sıklıkla koşullarla karşılaşılır; Q= sabit Bu, örneğin termal elektrikli ısıtıcılar, nükleer reaktörlerin yakıt elemanları ve yaklaşık olarak çok yüksek sıcaklığa sahip kaynaklardan bir yüzeyin radyant ısıtılması durumunda tipiktir. Koşullarda Q= sabit yüzey sıcaklığı tc ve buna göre sıcaklık farkı Δ T sıvının kaynama moduna bağlıdır. Bu tür ısı temini koşulları altında geçiş rejiminin sabit olarak var olamayacağı ortaya çıktı. Sonuç olarak kaynatma işlemi bir takım önemli özellikler kazanır. Termal yükte kademeli bir artışla Q sıcaklık farkı Δ TŞekil 2'deki çekirdek kaynama rejimi çizgisine uygun olarak artar. 3.2 ve süreç yukarıda anlatıldığı gibi gelişir. Sağlanan ısı akısı yoğunluğu, ilk kritik ısı akısı yoğunluğuna karşılık gelen bir değere ulaştığında yeni koşullar ortaya çıkar. Q cr1. Şimdi, değerdeki hafif (hatta kazara) bir artışla Q yüzeye verilen ısı miktarı ile maksimum termal yük arasında bir fazlalık var Q kaynayan bir sıvıya çekilebilen kr1. Bu fazlalık ( Q-Q cr1) yüzey sıcaklığında bir artışa neden olur, yani duvar malzemesinin sabit olmayan ısınması başlar. Sürecin gelişimi kriz niteliği kazanıyor. Saniyeden çok daha kısa bir sürede, ısıtma yüzeyi malzemesinin sıcaklığı yüzlerce derece artar ve ancak duvar yeterince dirençliyse kriz, filmin çok yüksek bir yüzeydeki kaynama bölgesine karşılık gelen yeni bir sabit durumda mutlu bir şekilde sona erer. sıcaklık. İncirde. Şekil 3.2'de çekirdek kaynama rejiminden film kaynama moduna bu kriz geçişi geleneksel olarak okla aynı termal yükte çekirdek kaynama eğrisinden film kaynama çizgisine bir "sıçrama" olarak gösterilmektedir. Q cr1. Ancak buna genellikle ısıtma yüzeyinin erimesi ve tahrip olması (yanma) eşlik eder.
İkinci özellik, bir kriz meydana gelirse ve bir film kaynama rejimi kurulursa (yüzey tahrip edilmezse), o zaman termal yükte bir azalma ile film kaynaması devam edecek, yani film boyunca ters işlem gerçekleşecektir. kaynama hattı (Şekil 3.2). Sadece ulaştığında Q kr2 sıvısı, ısıtma yüzeyine periyodik olarak ulaşmak (ıslatmak) için bireysel noktalarda yeniden başlar. Isının uzaklaştırılması, ısı tedarikini arttırır ve aşar, bu da yüzeyin hızla soğumasına neden olur ve bu da kriz niteliğindedir. Hızlı bir rejim değişikliği meydana gelir ve sabit çekirdek kaynaması sağlanır. Şekil 2'deki bu ters geçiş (ikinci kriz). Şekil 3.2 aynı zamanda geleneksel olarak film kaynama eğrisinden çekirdek kaynama çizgisine bir "sıçrama" olarak bir okla gösterilmektedir. Q = Q cr2.
Yani, sabit bir ısı akısı yoğunluğu değeri koşulları altında Q Isıtma yüzeyine sağlanan hem kabarcıktan filme geçiş hem de tam tersi kriz niteliğindedir. Kritik ısı akısı yoğunluklarında meydana gelirler Q kr1 ve Q sırasıyla kr2. Bu koşullar altında geçiş kaynama rejimi istikrarlı bir şekilde var olamaz; istikrarsızdır.
Uygulamada çeşitli şekillerdeki boru veya kanalların içinde hareket eden sıvının kaynatılması sırasında ısının uzaklaştırılması yöntemleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Böylece kazan boruları içerisinde hareket eden suyun kaynaması nedeniyle buhar üretim işlemleri gerçekleştirilir. Radyasyon ve konvektif ısı değişimi nedeniyle yakıtın sıcak yanma ürünlerinden boruların yüzeyine ısı sağlanır.
Sınırlı hacimde bir borunun (kanalın) içinde hareket eden bir sıvının kaynatılması işlemi için yukarıda açıklanan koşullar geçerliliğini korur, ancak aynı zamanda bir dizi yeni özellik ortaya çıkar.
Dikey boru. Boru veya kanal, kaynayan bir sıvı hareket ettikçe buhar fazında sürekli bir artış ve sıvı fazında bir azalmanın olduğu sınırlı bir sistemdir. Buna göre akışın hidrodinamik yapısı borunun hem uzunluğu hem de kesiti boyunca değişir. Isı transferi de buna göre değişir.
Akış aşağıdan yukarıya doğru hareket ettiğinde dikey borunun uzunluğu boyunca farklı akışkan yapılarına sahip üç ana alan vardır (Şekil 3.4): BEN– ısıtma alanı (ekonomizer bölümü, boru bölümüne kadar, burada T s = T n); II– kaynama bölgesi (buharlaşma bölümü, bulunduğu bölümden) T s = T n, Ben<Ben n, bulunduğu bölüme T s = T n, ben cm→Ben N); III– ıslak buharın kuruduğu alan.
Buharlaşma bölümü doymuş sıvının yüzeyde kaynadığı alanları içerir.
İncirde. 3.4 böyle bir akışın yapısını şematik olarak göstermektedir. Bölüm 1, tek fazlı bir sıvının doyma sıcaklığına kadar ısıtılmasına karşılık gelir (ekonomizer bölümü). Bölüm 2'de, bölüm 2'ye kıyasla ısı transferinin arttığı yüzey çekirdek kaynaması meydana gelir. Bölüm 3'te, iki fazlı bir akışın bir sıvıdan ve içinde eşit şekilde dağılmış nispeten küçük kabarcıklardan oluştuğu ve daha sonra bu şekilde dağılan bir emülsiyon rejimi meydana gelir. büyük kabarcıklar oluşturmak için birleşin - borunun çapıyla orantılı tapalar. Fiş modunda (bölüm 4), buhar, buhar-sıvı emülsiyon katmanlarıyla ayrılmış, ayrı büyük tıkaç kabarcıkları şeklinde hareket eder. Ayrıca bölüm 5'te ıslak buhar, akış çekirdeğinde sürekli bir kütle olarak hareket eder ve boru duvarında halka şeklinde ince bir sıvı tabakası hareket eder. Bu sıvı tabakasının kalınlığı giderek azalır. Bu bölüm, sıvının duvardan kaybolmasıyla sona eren halka şeklindeki kaynama rejimine karşılık gelir. 6. bölümde buhar kurutulur (buharın kuruluk derecesi arttırılır). Kaynama işlemi tamamlandığı için ısı transferi azalır. Daha sonra buharın özgül hacmindeki artışa bağlı olarak buhar hızı artar ve bu da ısı transferinde bir miktar artışa neden olur.
Şekil 3.4 – Sıvı dikey bir boru içinde kaynadığında akış yapısı
Verili durumda dolaşım oranındaki artış ile boru uzunluğu ve giriş sıcaklığı, kaynamanın gelişmiş olduğu bölgelerde azalmaya ve ekonomizer bölümünün uzunluğunun artmasına neden olur; artışla ile belirli bir hızda ise tam tersine kaynama gelişmiş bölümlerin uzunluğu artar ve ekonomizör bölümünün uzunluğu azalır.
Yatay ve eğimli borular.İki fazlı bir akış, yatay olarak veya hafif bir eğimle yerleştirilmiş boruların içinde hareket ettiğinde, akış yapısındaki uzunluk boyunca değişikliklere ek olarak, borunun çevresi boyunca yapıda da önemli bir değişiklik olur. Böylece akıştaki sirkülasyon hızı ve buhar içeriği düşükse, iki fazlı akışın borunun alt kısmında hareket eden bir sıvı faza ve üst kısmında hareket eden bir buhar fazına ayrılması gözlemlenir (Şekil 1). .3.5, A). Buhar içeriği ve sirkülasyon hızının daha da artmasıyla, buhar ve sıvı fazlar arasındaki arayüz dalga karakteri kazanır ve sıvı periyodik olarak borunun üst kısmını dalga tepeleriyle ıslatır. Buhar içeriği ve hızının daha da artmasıyla arayüzeydeki dalga hareketi yoğunlaşır ve bu da sıvının buhar bölgesine kısmen püskürtülmesine yol açar. Sonuç olarak, iki fazlı akış, önce tıkaç akışına ve daha sonra dairesel akışa yakın bir akış karakteri kazanır.
Pirinç. 3.5 – Sıvı yatay bir boru içinde kaynadığında akış yapısı.
A– tabakalı kaynama rejimi; B– çubuk modu; 1 - buhar; 2 – sıvı.
Halka şeklinde modda, borunun tüm çevresi boyunca ince bir sıvı tabakasının hareketi kurulur ve akışın merkezinde bir buhar-sıvı karışımı hareket eder (Şekil 3.5, B). Ancak bu durumda akış yapısında tam bir eksenel simetri gözlenmez.
Boru duvarlarına verilen ısının yoğunluğu yeterince yüksekse, sıvının doyma sıcaklığına kadar ısıtılmamış bir borudaki akış sırasında da kaynama işlemi meydana gelebilir.Bu işlem, duvar sıcaklığının düşük olduğu durumlarda meydana gelir. tc doyma sıcaklığını aşar ts. sıvının sınır katmanını doğrudan duvarda kaplar. Akışın soğuk çekirdeğine giren buhar kabarcıkları hızla yoğunlaşır. Bu tür kaynamaya denir alt ısıtma ile kaynatma.
Çekirdek kaynatma modunda ısının uzaklaştırılması, ısıtma yüzeyinin soğutulması için en gelişmiş yöntemlerden biridir. Teknik cihazlarda geniş uygulama alanı bulur.
3.1.2. Çekirdek kaynaması sırasında ısı transferi.
Gözlemler, artan sıcaklık basıncıyla Δ T = tc-ts ve ayrıca baskı Rısıtma yüzeyindeki aktif buharlaşma merkezlerinin sayısı artar. Sonuç olarak, ısıtma yüzeyinden sürekli olarak artan sayıda kabarcık ortaya çıkar, büyür ve kırılır. Sonuç olarak, sıvının duvara yakın sınır tabakasının türbülizasyonu ve karışımı artar. Kabarcıklar, ısıtma yüzeyindeki büyümeleri sırasında sınır tabakasından da yoğun bir şekilde ısı emer. Bütün bunlar ısı transferini iyileştirmeye yardımcı olur. Genel olarak çekirdeklerin kaynatılması süreci oldukça kaotiktir.
Araştırmalar, teknik ısıtma yüzeylerinde buharlaşma merkezlerinin sayısının yüzeyin malzemesine, yapısına ve mikro pürüzlülüğüne, yüzey bileşimindeki heterojenliğin varlığına ve yüzeyde adsorbe edilen gaza (havaya) bağlı olduğunu göstermektedir. Çeşitli birikintiler, oksit filmler ve diğer kalıntılar gözle görülür bir etkiye sahiptir.
Gözlemler, gerçek koşullarda buharlaşma merkezlerinin genellikle yüzey pürüzlülüğü ve mikro pürüzlülüğün (tercihen çeşitli çöküntüler ve çöküntüler) bireysel unsurları olduğunu göstermektedir.
Tipik olarak yeni yüzeylerdeki buharlaşma merkezlerinin sayısı, uzun süreli kaynatma sonrasında aynı yüzeylerdekinden daha fazladır. Bu esas olarak yüzeyde adsorbe edilen gazın varlığından kaynaklanmaktadır. Zamanla gaz yavaş yavaş uzaklaştırılır, büyüyen kabarcıklar içerisinde buharla karışır ve buhar boşluğuna taşınır. Kaynama işlemi ve ısı transferi zaman ve yoğunluk açısından stabildir.
Buhar kabarcıklarının oluşma koşulları, sıvı ve buhar arasındaki arayüzdeki yüzey geriliminden büyük ölçüde etkilenir.
Yüzey gerilimi nedeniyle baloncuğun içindeki buhar basıncı R n çevredeki sıvının basıncından daha yüksek R Ve. Aralarındaki fark Laplace denklemi ile belirlenir.
burada σ yüzey gerilimidir; R- kabarcığın yarıçapı.
Laplace denklemi mekanik dengenin durumunu ifade eder. Yüzey geriliminin, elastik bir kabuk gibi, bir kabarcıktaki buharı "sıkıştırdığını" ve yarıçapı ne kadar küçükse o kadar güçlü olduğunu gösterir. R.
Bir kabarcıktaki buhar basıncının büyüklüğüne bağlılığı, küçük kabarcıkların termal veya termodinamik dengesinin durumuna özel özellikler yükler. Kabarcıktaki buhar ve yüzeyindeki sıvı, sıvının yüzeyi kabarcıktaki buhar basıncındaki doyma sıcaklığına eşit bir sıcaklığa sahipse dengededir, T S ( R P). Bu sıcaklık, sıvının dış basınçtaki doyma sıcaklığından daha yüksektir. T S ( R Ve). Bu nedenle termal dengenin sağlanması için baloncuğun etrafındaki sıvının bir miktar aşırı ısıtılması gerekir. T S ( R P)- T S ( R Ve).
Bir sonraki özellik, bu dengenin şu şekilde ortaya çıkmasıdır: dengesiz. Sıvının sıcaklığı denge değerini biraz aşarsa, sıvının bir kısmı kabarcıklar halinde buharlaşacak ve yarıçapı artacaktır. Bu durumda Laplace denklemine göre kabarcıktaki buhar basıncı azalacaktır. Bu durum denge durumundan yeni bir sapmaya yol açacaktır. Balon sınırsızca büyümeye başlayacak. Ayrıca sıvının sıcaklığındaki hafif bir düşüşle buharın bir kısmı yoğunlaşacak, kabarcığın boyutu azalacak ve içindeki buhar basıncı artacaktır. Bu, denge koşullarından şimdi diğer yönde daha fazla sapmayı gerektirecektir. Sonuç olarak kabarcık tamamen yoğunlaşacak ve kaybolacaktır.
Sonuç olarak, aşırı ısıtılmış bir sıvıda, rastgele oluşturulmuş küçük kabarcıklar değil, yalnızca yarıçapı yukarıda tartışılan kararsız mekanik ve termal denge koşullarına karşılık gelen değeri aşan kabarcıklar daha fazla büyüme yeteneğine sahiptir. Bu Minimum değer
türev belirli bir maddenin fiziksel bir özelliği olduğunda Clapeyron - Clausis denklemi ile belirlenir.
yani diğer fiziksel sabitler aracılığıyla ifade edilir: faz geçiş ısısı R, buhar yoğunluğu ρp ve sıvılar ρ ve mutlak doyma sıcaklığı T'ler.
Denklem (3-2), eğer buhar çekirdekleri ısıtma yüzeyinin ayrı noktalarında görünüyorsa, o zaman yalnızca eğrilik yarıçapı değeri aşanların olduğunu gösterir. Rmin. Artan Δ ile T büyüklük Rmin azalır, denklem (3-2) açıklar
Yüzey sıcaklığının artmasıyla birlikte buharlaşma merkezlerinin sayısının da arttığı deneysel olarak gözlemlendi.
Artan basınçla birlikte buharlaşma merkezlerinin sayısındaki artış da bir azalmayla ilişkilidir. Rminçünkü basınç arttıkça değer p's büyür ve σ azalır. Hesaplamalar suyun atmosferik basınçta Δ'da kaynadığını göstermektedir. T= 5°С Rmin= 6,7 µm ve Δ'da T= 25°C Rmin= 1,3 mikron.
Yüksek hızlı film çekimi kullanılarak yapılan gözlemler, sabit bir kaynama rejiminde, buhar kabarcıklarının oluşma sıklığının hem yüzeyin farklı noktalarında hem de zaman içinde aynı olmadığını göstermektedir. Bu, kaynatma işlemine karmaşık bir istatistiksel karakter kazandırır. Buna göre, çeşitli kabarcıkların büyüme oranları ve ayrılma boyutları da belirli ortalama değerler etrafında rastgele sapmalarla karakterize edilir.
Kabarcık belli bir büyüklüğe ulaştıktan sonra yüzeyden koparak ayrılır. Yırtma boyutu esas olarak yerçekimi, yüzey gerilimi ve ataletin etkileşimi ile belirlenir. İkinci değer, kabarcıkların boyutlarının hızlı büyümesi nedeniyle bir sıvıda meydana gelen dinamik bir reaksiyonu temsil eder. Bu kuvvet genellikle kabarcıkların patlamasını engeller. Ek olarak, kabarcıkların gelişiminin ve ayrılmasının doğası büyük ölçüde sıvının yüzeyi ıslatıp ıslatmadığına bağlıdır. Bir sıvının ıslatma kabiliyeti, duvar ile sıvının serbest yüzeyi arasında oluşan temas açısı θ ile karakterize edilir. θ ne kadar büyük olursa sıvının ıslatma yeteneği o kadar kötü olur. Genel olarak kabul edilir ki θ için<90° (рис. 3.6, A), sıvı yüzeyi ıslatır ancak θ >90°'de ıslatmaz. Temas açısının değeri sıvının niteliğine, malzemesine, yüzeyin durumuna ve temizliğine bağlıdır. Kaynayan bir sıvı ısıtma yüzeyini ıslatırsa, buhar kabarcıkları ince bir gövdeye sahip olur ve yüzeyden kolayca çıkar (Şekil 3.7, A). Sıvı yüzeyi ıslatmazsa, buhar kabarcıklarının geniş bir gövdesi vardır (Şekil 3.7, B) ve kıstak boyunca çıkar veya tüm yüzeyde buharlaşma meydana gelir.
Kaynamak- bu, hem yüzeyden hem de sıvının tüm hacmi boyunca aynı anda meydana gelen buharlaşmadır. Çok sayıda baloncuğun yukarı çıkıp patlaması ve karakteristik bir kaynamaya neden olması gerçeğinden oluşur.
Deneyimlerin gösterdiği gibi, bir sıvının belirli bir dış basınçta kaynaması, kaynama işlemi sırasında değişmeyen ve yalnızca ısı değişiminin bir sonucu olarak dışarıdan enerji sağlandığında gerçekleşebilen, iyi tanımlanmış bir sıcaklıkta başlar (Şekil 1). ):
burada L kaynama noktasındaki spesifik buharlaşma ısısıdır.
Kaynama mekanizması: Bir sıvı her zaman çözünmüş bir gaz içerir ve çözünme derecesi artan sıcaklıkla azalır. Ayrıca kabın duvarlarında adsorbe edilmiş gaz bulunmaktadır. Sıvı alttan ısıtıldığında (Şekil 2), kabın duvarlarında kabarcıklar şeklinde gaz salınmaya başlar. Sıvı bu kabarcıkların içine buharlaşır. Bu nedenle havaya ek olarak, artan sıcaklıkla birlikte basıncı hızla artan doymuş buhar içerirler ve kabarcıkların hacmi artar ve dolayısıyla onlara etki eden Arşimet kuvvetleri artar. Kaldırma kuvveti balonun yerçekiminden büyük olduğunda yüzmeye başlar. Ancak sıvı eşit şekilde ısıtılıncaya kadar, yükseldikçe kabarcığın hacmi azalır (sıcaklığın azalmasıyla doymuş buhar basıncı azalır) ve serbest yüzeye ulaşmadan önce kabarcıklar kaybolur (çöker) (Şekil 2, a), bu da kaynamadan önce karakteristik bir ses duymamızın nedeni budur. Sıvının sıcaklığı eşitlendiğinde, doymuş buhar basıncı değişmediğinden kabarcığın hacmi yükseldikçe artacaktır ve kabarcığın üzerindeki sıvının hidrostatik basıncının toplamı olan kabarcık üzerindeki dış basınç ve atmosfer basıncı azalır. Kabarcık sıvının serbest yüzeyine ulaşır, patlar ve doymuş buhar çıkar (Şekil 2, b) - sıvı kaynar. Kabarcıklardaki doymuş buhar basıncı neredeyse dış basınca eşittir.
Bir sıvının doymuş buhar basıncının serbest yüzeyindeki dış basınca eşit olduğu sıcaklığa denir. kaynama noktası sıvılar.
Doymuş buhar basıncı sıcaklık arttıkça arttığından ve kaynama sırasında dış basınca eşit olması gerektiğinden, dış basınç arttıkça kaynama noktası artar.
Kaynama noktası aynı zamanda yabancı maddelerin varlığına da bağlıdır ve genellikle yabancı maddelerin konsantrasyonu arttıkça artar.
Sıvıyı önce içinde çözünmüş gazdan kurtarırsanız, aşırı ısınabilir, yani. kaynama noktasının üzerinde ısı. Bu, sıvının kararsız halidir. Küçük şoklar yeterlidir ve sıvı kaynar ve sıcaklığı hemen kaynama noktasına düşer.
Günlük yaşamda bizi çevreleyen her şey fiziksel ve kimyasal süreçler şeklinde temsil edilebilir. Formüller ve denklemlerle ifade edilen birçok manipülasyonu farkında olmadan sürekli olarak gerçekleştiriyoruz. Böyle bir işlem kaynatmadır. Bu kesinlikle tüm ev hanımlarının yemek pişirirken kullandığı bir olgudur. Bize kesinlikle sıradan geliyor. Ancak kaynatma sürecine bilimsel açıdan bakalım.
Kaynama - nedir bu?
Maddenin sıvı ve gaz halinde olabileceği okul fiziğinden beri bilinmektedir. Bir sıvıyı buhar durumuna dönüştürme işlemi kaynamadır. Bu yalnızca belirli bir sıcaklığa ulaşıldığında veya bu sıcaklık aşıldığında gerçekleşir. Baskı da bu süreçte yer alır ve dikkate alınmalıdır. Her sıvının, buhar oluşum sürecini tetikleyen kendi kaynama noktası vardır.
Bu, sıvının herhangi bir sıcaklığında meydana gelen kaynama ve buharlaşma arasındaki önemli farktır.
Kaynama nasıl oluşur?
Eğer cam bir kapta su kaynattıysanız, sıvı ısındıkça kabın duvarlarında kabarcıklar oluştuğunu gözlemlemişsinizdir. Isıtıldığında genişlemeye başlayan bulaşıkların mikro çatlaklarında havanın birikmesi nedeniyle oluşurlar. Kabarcıklar basınç altındaki sıvı buhardan oluşur. Bu çiftlere doymuş denir. Sıvı ısındıkça hava kabarcıklarının basıncı artar ve boyutları artar. Doğal olarak üst sıralara yükselmeye başlarlar.
Ancak sıvı henüz kaynama noktasına ulaşmadıysa üst katmanlardaki kabarcıklar soğur, basınç düşer ve kabın dibine varır, orada tekrar ısınıp yükselirler. Bu süreç her ev hanımına tanıdık geliyor, su ses çıkarmaya başlıyor gibi görünüyor. Üst ve alt katmanlardaki sıvının sıcaklığı karşılaştırıldığında kabarcıklar yüzeye çıkmaya başlar ve patlama - kaynama meydana gelir. Bu ancak kabarcıkların içindeki basınç sıvının kendi basıncıyla aynı olduğunda mümkündür.
Daha önce de belirttiğimiz gibi, her sıvının kaynama işleminin başladığı kendi sıcaklık rejimi vardır. Üstelik tüm süreç boyunca maddenin sıcaklığı değişmeden kalır, açığa çıkan enerjinin tamamı buharlaşmaya harcanır. Bu yüzden dikkatsiz ev kadınlarının tencereleri yanar - tüm içerikleri kaynar ve kabın kendisi ısınmaya başlar.
Kaynama noktası, sıvının tamamına, daha doğrusu yüzeyine uygulanan basınçla doğru orantılıdır. Okul fizik dersinde suyun yüz santigrat derece sıcaklıkta kaynamaya başladığı belirtiliyor. Ancak çok az kişi bu ifadenin yalnızca normal baskı koşulları altında doğru olduğunu hatırlıyor. Standart değerin yüz bir kilopaskal olduğu kabul edilir. Basıncı arttırırsanız sıvı farklı bir sıcaklıkta kaynar.
Bu fiziksel özellik, modern ev aletleri üreticileri tarafından kullanılmaktadır. Bir örnek düdüklü tencere olabilir. Tüm ev hanımları, bu tür cihazlarda yiyeceklerin sıradan tavalardan çok daha hızlı pişirildiğini bilir. Bunun neyle bağlantısı var? Düdüklü tencerede oluşan basınç ile. Bu normalin iki katıdır. Bu nedenle su yaklaşık yüz yirmi santigrat derecede kaynar.
Eğer dağlarda bulunduysanız tam tersi bir süreç gözlemlemişsinizdir. Yükseklikte su doksan derecede kaynamaya başlar ve bu da pişirme işlemini önemli ölçüde zorlaştırır. Boş zamanlarının tamamını dağlarda geçiren bölge sakinleri ve dağcılar bu zorlukların farkındadır.
Kaynatma hakkında biraz daha
Pek çok kişi “kaynama noktası” gibi bir ifade duymuş ve muhtemelen makalede bundan bahsetmememize şaşırmıştır. Aslında bunu daha önce de anlatmıştık. Metni tekrar okumak için acele etmeyin. Gerçek şu ki, fizikte kaynama işleminin noktası ve sıcaklığı aynı kabul edilir.
Bilim dünyasında bu terminolojide ayrım yalnızca farklı sıvı maddelerin karıştırılması durumunda yapılır. Böyle bir durumda belirlenen kaynama noktasıdır ve mümkün olanların en küçüğüdür. Karışımın tüm bileşenleri için norm olarak alınan şey budur.
Su: fiziksel süreçlerle ilgili ilginç gerçekler
Laboratuvar deneylerinde fizikçiler her zaman safsızlık içermeyen sıvıyı alır ve kesinlikle ideal dış koşullar yaratırlar. Ancak hayatta her şey biraz farklı oluyor çünkü suya sıklıkla tuz ekliyoruz veya ona çeşitli baharatlar ekliyoruz. Bu durumda kaynama noktası ne olur?
Tuzlu suyun kaynaması için tatlı sudan daha yüksek bir sıcaklık gerekir. Bunun nedeni sodyum ve klor safsızlıklarıdır. Molekülleri birbirleriyle çarpışır ve onları ısıtmak için çok daha yüksek bir sıcaklık gerekir. Tuzlu suyun kaynama noktasını hesaplamanızı sağlayan belirli bir formül vardır. Litre suya altmış gram tuzun kaynama noktasını on derece artırdığını lütfen unutmayın.
Su boşlukta kaynayabilir mi? Bilim insanları bunun mümkün olduğunu kanıtladı. Ancak bu durumda kaynama noktasının üç yüz santigrat derece sınırına ulaşması gerekir. Sonuçta boşlukta basınç yalnızca dört kilopaskaldır.
Hepimiz bir su ısıtıcısında su kaynatıyoruz, bu yüzden "ölçek" gibi hoş olmayan bir olguya aşinayız. Nedir ve neden oluştu? Aslında her şey basit: tatlı suyun farklı sertlik dereceleri vardır. Sıvıdaki yabancı maddelerin miktarına göre belirlenir, çoğunlukla çeşitli tuzlar içerir. Kaynama işlemi sırasında tortuya dönüşürler ve büyük miktarlarda tortuya dönüşürler.
Alkol kaynatılabilir mi?
Alkolün kaynatılması, kaçak içki yapımı sürecinde kullanılır ve damıtma olarak adlandırılır. Bu işlem doğrudan alkol çözeltisindeki su miktarına bağlıdır. Saf etil alkolü esas alırsak kaynama noktası yetmiş sekiz santigrat dereceye yakın olacaktır.
Alkole su eklenirse sıvının kaynama noktası artar. Çözeltinin konsantrasyonuna bağlı olarak yetmiş sekiz dereceden yüz santigrat dereceye kadar kaynayacaktır. Doğal olarak kaynatma işlemi sırasında alkol suya göre daha kısa sürede buhara dönüşecektir.
Kaynama, bir maddenin toplanma durumunu değiştirme sürecidir. Sudan bahsettiğimizde sıvı durumdan buhar durumuna geçişi kastediyoruz. Kaynamanın oda sıcaklığında bile oluşabilecek buharlaşma olmadığını unutmamak önemlidir. Ayrıca suyun belirli bir sıcaklığa kadar ısıtılması işlemi olan kaynatma ile de karıştırılmamalıdır. Artık kavramları anladığımıza göre suyun hangi sıcaklıkta kaynadığını belirleyebiliriz.
İşlem
Agregasyon durumunu sıvıdan gaza dönüştürme süreci karmaşıktır. İnsanlar bunu görmese de 4 aşama vardır:
- İlk aşamada ısıtılan kabın tabanında küçük kabarcıklar oluşur. Ayrıca suyun kenarlarında veya yüzeyinde de görülebilirler. Suyun ısıtıldığı kabın çatlaklarında her zaman mevcut olan hava kabarcıklarının genişlemesi nedeniyle oluşurlar.
- İkinci aşamada kabarcıkların hacmi artar. İçlerinde sudan daha hafif doymuş buhar olduğu için hepsi yüzeye koşmaya başlar. Isıtma sıcaklığı arttıkça kabarcıkların basıncı artar ve iyi bilinen Arşimet kuvveti sayesinde yüzeye doğru itilir. Bu durumda, kabarcıkların sürekli genişlemesi ve boyutunun küçülmesi nedeniyle oluşan karakteristik kaynama sesini duyabilirsiniz.
- Üçüncü aşamada yüzeyde çok sayıda kabarcık görülebilir. Bu başlangıçta suda bulanıklık yaratır. Bu işleme halk arasında "beyaz kaynama" denir ve kısa bir süre sürer.
- Dördüncü aşamada su yoğun bir şekilde kaynar, yüzeyde büyük patlayan kabarcıklar belirir ve sıçramalar meydana gelebilir. Çoğu zaman sıçrama, sıvının maksimum sıcaklığına ulaştığı anlamına gelir. Sudan buhar çıkmaya başlayacaktır.
Suyun 100 derece sıcaklıkta kaynadığı bilinmektedir ki bu ancak dördüncü aşamada mümkündür.
Buhar sıcaklığı
Buhar suyun hallerinden biridir. Havaya girdiğinde diğer gazlar gibi ona da belli bir basınç uygular. Buharlaşma sırasında, buharın ve suyun sıcaklığı, sıvının tamamı toplanma durumunu değiştirene kadar sabit kalır. Bu fenomen, kaynama sırasında tüm enerjinin suyu buhara dönüştürmek için harcanması ile açıklanabilir.
Kaynamanın en başında nemli, doymuş buhar oluşur ve tüm sıvı buharlaştıktan sonra kuru hale gelir. Sıcaklığı suyun sıcaklığını aşmaya başlarsa, bu tür buhar aşırı ısınır ve özellikleri gaza daha yakın olacaktır.
Tuzlu suyun kaynatılması
Yüksek tuz içeriğine sahip suyun hangi sıcaklıkta kaynadığını bilmek oldukça ilginçtir. Bileşiminde su molekülleri arasındaki alanı kaplayan Na+ ve Cl- iyonlarının içeriğinden dolayı daha yüksek olması gerektiği bilinmektedir. Tuzlu suyun kimyasal bileşimi sıradan taze sıvıdan bu şekilde farklıdır.
Gerçek şu ki, tuzlu suda bir hidrasyon reaksiyonu meydana gelir - tuz iyonlarına su molekülleri ekleme işlemi. Tatlı su molekülleri arasındaki bağlar hidrasyon sırasında oluşanlardan daha zayıftır, bu nedenle çözünmüş tuz içeren bir sıvının kaynaması daha uzun sürer. Sıcaklık arttıkça tuzlu sudaki moleküller daha hızlı hareket eder, ancak sayıları daha azdır ve bu da aralarındaki çarpışmaların daha az meydana gelmesine neden olur. Sonuç olarak daha az buhar üretilir ve bu nedenle basıncı, tatlı suyun buhar basıncından daha düşüktür. Sonuç olarak, tam buharlaşma için daha fazla enerji (sıcaklık) gerekecektir. Ortalama olarak 60 gram tuz içeren bir litre suyu kaynatmak için suyun kaynama derecesinin %10 (yani 10 C) arttırılması gerekir.
Kaynamanın basınca bağımlılığı
Dağlarda suyun kimyasal bileşimi ne olursa olsun kaynama noktasının daha düşük olacağı bilinmektedir. Bunun nedeni atmosfer basıncının yükseklikte daha düşük olmasıdır. Normal basınç 101.325 kPa olarak kabul edilir. Bununla birlikte suyun kaynama noktası 100 santigrat derecedir. Ancak basıncın ortalama 40 kPa olduğu bir dağa tırmanırsanız, oradaki su 75,88 C'de kaynar. Ancak bu, dağlarda yemek pişirmek için neredeyse yarısı kadar zaman harcamanız gerektiği anlamına gelmez. Gıdaların ısıl işlemi belirli bir sıcaklık gerektirir.
Deniz seviyesinden 500 metre yükseklikte suyun 98,3 C'de kaynayacağına, 3000 metre yükseklikte ise kaynama noktasının 90 C'ye ulaşacağına inanılıyor.
Bu yasanın ters yönde de geçerli olduğunu unutmayın. Buharın geçemeyeceği kapalı bir şişeye sıvı koyarsanız, sıcaklık arttıkça ve buhar oluştukça bu şişedeki basınç artacak ve daha yüksek sıcaklıkta artan basınçta kaynama meydana gelecektir. Örneğin 490,3 kPa basınçta suyun kaynama noktası 151 C olacaktır.
Damıtılmış suyun kaynatılması
Damıtılmış su, herhangi bir yabancı madde içermeyen arıtılmış sudur. Genellikle tıbbi veya teknik amaçlarla kullanılır. Bu tür sularda herhangi bir yabancı madde bulunmadığından yemek pişirmede kullanılmaz. Damıtılmış suyun sıradan tatlı sudan daha hızlı kaynadığını ancak kaynama noktasının aynı kaldığını - 100 derece - görmek ilginçtir. Ancak kaynama süresindeki fark minimum düzeyde olacaktır; yalnızca saniyenin çok küçük bir kısmı.
Bir çaydanlıkta
İnsanlar genellikle su ısıtıcısında suyun hangi sıcaklıkta kaynadığını merak ederler, çünkü bunlar sıvıları kaynatmak için kullandıkları cihazlardır. Dairedeki atmosferik basıncın standarda eşit olduğu ve kullanılan suyun tuz ve orada olmaması gereken diğer yabancı maddeleri içermediği göz önüne alındığında kaynama noktası da standart - 100 derece olacaktır. Ancak su tuz içeriyorsa, bildiğimiz gibi kaynama noktası daha yüksek olacaktır.
Çözüm
Artık suyun hangi sıcaklıkta kaynadığını ve atmosferik basıncın ve sıvının bileşiminin bu süreci nasıl etkilediğini biliyorsunuz. Bunda karmaşık bir şey yok ve çocuklar bu tür bilgileri okulda alıyorlar. Önemli olan basınç düştükçe sıvının kaynama noktasının da düştüğünü, arttıkça da arttığını unutmamaktır.
İnternette bir sıvının kaynama noktasının atmosfer basıncına bağımlılığını gösteren birçok farklı tablo bulabilirsiniz. Herkesin kullanımına açıktır ve okul çocukları, öğrenciler ve hatta enstitülerdeki öğretmenler tarafından aktif olarak kullanılmaktadır.
Kaynar su işlemiüç aşamadan oluşur:
- ilk aşamanın başlangıcı - su ısıtıcısının veya suyun kaynatıldığı herhangi bir kabın tabanından atlayan küçük hava kabarcıkları ve su yüzeyinde yeni kabarcık oluşumları belirir. Yavaş yavaş bu tür kabarcıkların sayısı artar.
- İkincisinde kaynar su aşaması Kabarcıkların yukarıya doğru çok hızlı bir yükselişi var, bu da ilk başta suyun hafif bir bulanıklığına neden oluyor, bu daha sonra suyun bir kaynak akıntısı gibi göründüğü "beyazlaşmaya" dönüşüyor. Bu olaya kaynama denir beyaz anahtar ve son derece kısa ömürlüdür.
– üçüncü aşamaya yoğun su kaynama süreçleri, büyük patlayan kabarcıkların ortaya çıkması ve yüzeyde sıçramalar eşlik eder. Çok miktarda sıçrama, suyun çok fazla kaynadığı anlamına gelir.
Bu arada, temiz doğal suyla demlenmiş çay içmeyi seviyorsanız, evinizden çıkmadan bunun için web sitesinden sipariş verebilirsiniz, örneğin: http://www.aqualader.ru/. Bundan sonra su dağıtım şirketi onu evinize teslim edecektir.
Sıradan gözlemciler, suyun kaynamasının üç aşamasına da çeşitli seslerin eşlik ettiği gerçeğini uzun zamandır fark etmişlerdir. İlk aşamada su zar zor duyulabilen ince bir ses çıkarır. İkinci aşamada ses, arı sürüsünün uğultusunu anımsatan gürültüye dönüşür. Üçüncü aşamada kaynayan suyun sesleri bütünlüğünü kaybederek keskin ve gürültülü hale gelir ve kaotik bir şekilde büyür.
Tüm kaynar su aşaması deneyimle kolayca doğrulanır. Açık bir cam kapta suyu ısıtmaya ve sıcaklığı periyodik olarak ölçmeye başladığımızda, kısa bir süre sonra kabın tabanını ve duvarlarını kaplayan kabarcıkları gözlemlemeye başlayacağız.
Dibe yakın bir yerde görünen baloncuğa daha yakından bakalım. Hacmi giderek artan kabarcık, henüz yüksek sıcaklığa ulaşmamış ısınan su ile temas alanını da arttırır. Bunun sonucunda balonun içindeki buhar ve hava soğur, bunun sonucunda basınçları düşer ve suyun yerçekimi balonu patlatır. İşte bu anda, kabarcıkların patladığı yerlerde suyun kabın tabanıyla çarpışması nedeniyle ortaya çıkan su, kaynama gibi ses karakteristiği yapar.
Suyun alt katmanlarındaki sıcaklık 100 santigrat dereceye yaklaştıkça kabarcık içi basınç, üzerlerindeki su basıncıyla eşitlenir ve bunun sonucunda kabarcıklar giderek genişler. Kabarcıkların hacmindeki bir artış aynı zamanda, en hacimli kabarcıkların kabın duvarlarından kopup hızla yukarı doğru yükseldiği etkisi altında, üzerlerindeki kaldırma kuvvetinin de artmasına neden olur. Suyun üst tabakası henüz 100 dereceye ulaşmadıysa, daha soğuk suya düşen kabarcık, yoğunlaşan su buharının bir kısmını kaybeder ve suya girer. Bu durumda kabarcıklar yeniden boyut olarak küçülür ve yer çekiminin etkisiyle aşağıya düşer. Dibe yakın yerlerde tekrar hacim kazanırlar ve yukarı doğru yükselirler ve kaynayan suyun karakteristik sesini yaratan da kabarcık boyutundaki bu değişikliklerdir.
Suyun tüm hacmi 100 dereceye ulaştığında, yükselen kabarcıkların boyutu artık azalmaz, suyun tam yüzeyinde patlar. Bu durumda buhar, karakteristik bir gurultu sesiyle birlikte dışarı doğru salınır - bu şu anlama gelir: su kaynıyor. Bir sıvının kaynama noktasına ulaştığı sıcaklık, serbest yüzeyinin maruz kaldığı basınca bağlıdır. Bu basınç ne kadar yüksek olursa, gereken sıcaklık da o kadar yüksek olur ve bunun tersi de geçerlidir.
O su kaynar 100 santigrat derece bilinen bir gerçektir. Ancak bu sıcaklığın yalnızca normal atmosfer basıncında (yaklaşık 101 kilopaskal) geçerli olduğunu dikkate almakta fayda var. Basınç arttıkça sıvının kaynama noktasına ulaştığı sıcaklık da artar. Örneğin düdüklü tencerelerde yemek, suyun kaynama noktasının 120 derece olduğu 200 kilopaskal'a yaklaşan basınç altında pişirilir. Bu sıcaklıktaki suda pişirme, normal kaynama sıcaklığına göre çok daha hızlı gerçekleşir; tavanın adı da buradan gelir.
Buna göre basınçtaki azalma suyun kaynama noktasını da düşürür. Örneğin, 3 kilometre yükseklikte yaşayan dağlık bölge sakinleri, ova sakinlerinden daha hızlı kaynar suya ulaşır - suyun kaynamasının tüm aşamaları daha hızlı gerçekleşir, çünkü bu, 70 kilopaskal basınçta yalnızca 90 derece gerektirir. Ancak dağ sakinleri, örneğin bir tavuk yumurtasını kaynatamazlar çünkü beyazın pıhtılaştığı minimum sıcaklık tam olarak 100 santigrat derecedir.
