Температура кипіння у нормальних умовах. Кипіння - це процес інтенсивного пароутворення, що відбувається в рідині

ТЕПЛООБМІН ПРИ КИПЕННІ І КОНДЕНСАЦІЇ

Теплообмін при кипінні

Кипіннямназивається процес інтенсивного пароутворення, що відбувається у всьому обсязі рідини, що знаходиться при температурі насичення або дещо перегрітої щодо температури насичення, з утворенням парових бульбашок. У процесі фазового перетворення поглинається теплота пароутворення. Процес кипіння зазвичай пов'язаний із підведенням теплоти до киплячої рідини.

Режими кипіння рідини.

Розрізняють кипіння рідин на твердій поверхні теплообміну, до якої ззовні підводиться теплота, і кипіння обсягом рідини.

При кипінні на твердій поверхні утворення парової фази спостерігається в окремих місцях цієї поверхні. При об'ємному кипінні парова фаза виникає спонтанно безпосередньо в обсязі рідини у вигляді окремих бульбашок пари. Об'ємне кипіння може відбуватися лише при значному перегріві рідкої фази щодо температури насичення при даному тиску, ніж кипіння на твердій поверхні. Значний перегрів може бути отриманий, наприклад, швидкого скидання тиску в системі. Об'ємне кипіння може мати місце за наявності в рідині внутрішніх джерел тепла.

У сучасній енергетиці та техніці зазвичай зустрічаються процеси кипіння на твердих поверхнях нагріву (поверхні труб, стінки каналів тощо). Цей вид кипіння переважно і розглядається далі.

Механізм теплообміну при бульбашковому кипінні відрізняється від механізму тепловіддачі при конвекції однофазної рідини наявністю додаткового перенесення маси речовини та теплоти паровими бульбашками з прикордонного шару обсяг киплячої рідини. Це призводить до високої інтенсивності тепловіддачі під час кипіння порівняно з конвекцією однофазної рідини.

Для виникнення процесу кипіння необхідно виконання двох умов: наявність перегріву рідини щодо температури насичення та наявність центрів пароутворення.

Перегрів рідини має максимальну величину безпосередньо у поверхні теплообміну, що обігрівається. На ній же знаходяться центри пароутворення у вигляді нерівностей стінки, бульбашок повітря, порошинок та ін. Тому утворення бульбашок пари відбувається безпосередньо на поверхні теплообміну.

Малюнок 3.1 – режими кипіння рідини в необмеженому обсязі: а) -бульбашковий; б) – перехідний; в) - плівковий

На рис. 3.1. схематично показані режими кипіння рідини у необмеженому обсязі. При бульбашковому режимікипіння (рис. 3.1,а) у міру збільшення температури поверхні нагріву t cі відповідно температурного напору число діючих центрів пароутворення зростає, процес кипіння стає все більш інтенсивним. Парові бульбашки періодично відриваються від поверхні і, спливаючи до вільної поверхні, продовжують рости обсягом.

При підвищенні температурного тиску Δ tзначно зростає потік теплоти, що відводиться від поверхні нагрівання до киплячої рідини. Вся ця теплота зрештою витрачається на утворення пари. Тому рівняння теплового балансу при кипінні має вигляд:

де Q- тепловий потік, Вт; r- теплота фазового переходу рідини, Дж/кг; G п- кількість пари, що утворюється в одиницю часу в результаті кипіння рідини та відведеної від її вільної поверхні, кг/с.

Тепловий потік Qзі збільшенням температурного напору Δ tзростає не безмежно. За деякого значення Δ tвін досягає максимального значення (Рис. 3.2), а при подальшому підвищенні tпочинає зменшуватись.

Рисунок 3.2 – Залежність щільності теплового потоку q

від температурного напору Δ tпри кипінні води у великому обсязі при атмосферному тиску: 1 підігрів до температури насичення; 2 – бульбашковий режим; 3 – перехідний режим; 4 – плівковий режим.

Дати ділянки 1 2 3 та 4

Пухирцевий режим кипіння має місце на ділянці 2 (Рис. 3.2) до досягнення максимального тепловідведення в точці qкр1 першою критичною щільністю теплового потоку. Для води при атмосферному тиску перша критична густина теплового потоку становить ≈ Вт/м 2 ; відповідне критичне значення температурного тиску Вт/м 2 . (Ці значення відносяться до умов кипіння води при вільному русі у великому обсязі. Для інших умов та інших рідин значення будуть іншими).

При більших Δ tнастає перехідний режимкипіння (рис. 3.1, б). Він характеризується тим, що як на поверхні нагріву, так і поблизу неї бульбашки безперервно зливаються між собою, утворюються великі парові порожнини. Через це доступ рідини до самої поверхні поступово дедалі більше утрудняється. В окремих місцях поверхні з'являються «сухі» плями; їх число та розміри безперервно зростають у міру збільшення температури поверхні. Такі ділянки вимикаються з теплообміну, оскільки відведення теплоти безпосередньо до пари відбувається значно менш інтенсивно. Це визначає різке зниження теплового потоку (ділянка 3 на Рис. 3.2) і коефіцієнта тепловіддачі в області перехідного режиму кипіння.

Зрештою, при деякому температурному натиску вся поверхня нагріву покривається суцільною плівкою пари, що відтісняє рідину від поверхні. З цього моменту має місце плівковий режимкипіння (рис. 3.1, в). При цьому перенесення теплоти від поверхні нагрівання до рідини здійснюється шляхом конвективного теплообміну та випромінювання через парову плівку. Інтенсивність теплообміну у режимі плівкового кипіння досить низька (ділянка 4 на рис. 3.2). Парова плівка зазнає пульсації; пара, що періодично накопичується в ній, відривається у вигляді великих бульбашок. У момент настання плівкового кипіння теплове навантаження, що відводиться від поверхні, і відповідно кількість пари, що утворюється, мають мінімальні значення. Це відповідає рис. 3.2 точці qкр2 другий критичною щільністю теплового потоку.При атмосферному тиску для води момент початку плівкового кипіння характеризується температурним напором ≈150 °С, тобто температура поверхні t cстановить приблизно 250°С. Принаймні збільшення температурного напору дедалі більша частина теплоти передається з допомогою теплообміну випромінюванням.

Всі три режими кипіння можна спостерігати у зворотному порядку, якщо, наприклад, розпечений масивний металевий виріб опустити у воду для загартування. Вода закипає, спочатку охолодження тіла йде відносно повільно (плівкове кипіння), потім швидкість охолодження швидко наростає (перехідний режим), вода починає періодично змочувати поверхню, і найбільша швидкість зниження температури поверхні досягається в кінцевій стадії охолодження (бульбашкове кипіння). У цьому прикладі кипіння протікає у нестаціонарних умовах у часі.

На рис. 3.3 показана візуалізація бульбашкового та плівкового режимів кипіння на дроті, що електрично обігрівається, що знаходиться у воді.

Мал. 3.3 візуалізація бульбашкового та плівкового режимів кипіння на дроті, що електрично обігрівається: а) - бульбашковий і б) - плівковий режим кипіння.

Насправді часто зустрічаються також умови, коли до поверхні підводиться фіксований тепловий потік, тобто. q= Const. Це характерно, наприклад, для електричних теплових нагрівачів, тепловиділяючих елементів ядерних реакторів і, приблизно, у разі променистого обігріву поверхні від джерел з дуже високою температурою. В умовах q= const температура поверхні t cі відповідно температурний напір Δ tзалежить від режиму кипіння рідини. Виявляється, що за таких умов підведення теплоти перехідний режим стаціонарно існувати не може. Внаслідок цього процес кипіння набуває ряду важливих особливостей. При поступовому підвищенні теплового навантаження qтемпературний напір Δ tзростає відповідно до лінії бульбашкового режиму кипіння на рис. 3.2 і процес розвивається так само, як це було описано вище. Нові умови виникають тоді, коли щільність теплового потоку, що підводиться, досягає значення, яке відповідає першій критичній щільності теплового потоку. qкр1. Тепер за будь-якого незначного (навіть випадкового) підвищення величини qвиникає надлишок між кількістю теплоти, що підводиться до поверхні, і тим максимальним тепловим навантаженням. qкр1 яка може бути відведена в киплячу рідину. Цей надлишок ( q-qкр1) викликає збільшення температури поверхні, тобто починається нестаціонарне розігрів матеріалу стінки. Розвиток процесу набуває кризового характеру. За частки секунди температура матеріалу поверхні нагріву зростає на сотні градусів, і лише за умови, що стінка досить тугоплавка, криза закінчується благополучно новим стаціонарним станом, що відповідає області плівкового кипіння за дуже високої температури поверхні. На рис. 3.2 цей кризовий перехід від бульбашкового режиму кипіння до плівкового умовно показаний стрілкою як «перескок» з кривою бульбашкового кипіння на лінію плівкового кипіння при тій же тепловій навантаженні qкр1. Однак зазвичай це супроводжується розплавленням та руйнуванням поверхні нагріву (її перепалом).

Друга особливість полягає в тому, що якщо відбулася криза та встановився плівковий режим кипіння (поверхня не зруйнувалася), то при зниженні теплового навантаження плівкове кипіння зберігатиметься, тобто зворотний процес тепер відбуватиметься по лінії плівкового кипіння (рис. 3.2). Лише при досягненні qкр2 рідина починає знову в окремих точках періодично досягати (змочувати) поверхню нагріву. Відведення теплоти зростає і перевищує підведення теплоти, внаслідок чого виникає швидке охолодження поверхні, яке також має кризовий характер. Відбувається швидка зміна режимів і встановлюється стаціонарне бульбашкове кипіння. Цей зворотний перехід (друга криза) на рис. 3.2 також умовно показаний стрілкою як «перескок» з кривою плівкового кипіння на лінію бульбашкового кипіння при q = qкр2.

Отже, в умовах фіксованого значення густини теплового потоку q, що підводиться до поверхні нагріву, обидва переходи від бульбашкового до плівкового і назад мають кризовий характер. Вони відбуваються при критичних густинах теплового потоку qкр1 та qкр2 відповідно. У умовах перехідний режим кипіння стаціонарно існувати неспроможна, він є нестійким.

На практиці широко застосовуються методи відведення теплоти при кипінні рідини, що рухається всередині труб або каналів різної форми. Так, процеси генерації пари здійснюються за рахунок кипіння води, що рухається всередині котельних труб. Теплота до поверхні труб підводиться від розпечених продуктів згоряння палива за рахунок випромінювання та конвективного теплообміну.

Для процесу кипіння рідини, що рухається всередині обмеженого об'єму труби (каналу), описані вище умови залишаються чинними, але разом з цим з'являється ряд нових особливостей.

Вертикальна труба. Труба або канал є обмеженою системою, в якій при русі киплячої рідини відбуваються безперервне збільшення парової і зменшення рідкої фаз. Відповідно до цього змінюється і гідродинамічна структура потоку, як за довжиною, так і поперечним перерізом труби. Відповідно, змінюється і тепловіддача.

Спостерігається три основні області з різною структурою потоку рідини по довжині вертикальної труби під час руху потоку знизу вгору (рис. 3.4): I– область підігріву (економайзерна ділянка, до перерізу труби, де Т с = Т н); II- область кипіння (випарна ділянка, від перерізу, де Т с = Т н, і ж<iн, до перерізу, де Т с = Т н, і див→iн); III– область підсихання вологої пари.

Випарна ділянка включає області з поверхневим кипінням насиченої рідини.

На рис. 3.4 схематично показано структуру такого потоку. Ділянка 1 відповідає підігріву однофазної рідини до температури насичення (економайзерна ділянка). На ділянці 2 відбувається поверхневе бульбашкове кипіння, при якому тепловіддача збільшується в порівнянні з ділянкою 2. На ділянці 3 має місце емульсійний режим, при якому двофазний потік складається з рідини і рівномірно розподілених у ній порівняно невеликих бульбашок, які надалі зливаються, утворюючи великі бульбашки -пробки, порівняні з діаметром труби. При пробковому режимі (ділянка 4) пар рухається у вигляді окремих великих бульбашок-пробок, розділених прошарками парорідкістної емульсії. Далі на ділянці 5 в ядрі потоку суцільною масою рухається волога пара, а біля стінки труби - тонкий кільцевий шар рідини. Товщина цього шару рідини поступово зменшується. Ця ділянка відповідає кільцевому режиму кипіння, який закінчується при зникненні рідини на стінці. На ділянці 6 відбувається підсушування пари (підвищення ступеня сухості пари). Оскільки процес кипіння завершено, то тепловіддача знижується. Надалі, внаслідок збільшення питомого обсягу пари, швидкість пари збільшується, що веде до деякого збільшення тепловіддачі.

Рис.3.4 – Структура потоку під час кипіння рідини всередині вертикальної труби

Збільшення швидкості циркуляції при заданих q з, Довжина труби і температури на вході призводить до зменшення ділянок з розвиненим кипінням і збільшення довжини економайзерної ділянки; зі збільшенням q зпри заданій швидкості, навпаки, довжина ділянок із розвиненим кипінням збільшується, а довжина економайзерної ділянки зменшується.

Горизонтальні та похилі труби.При русі двофазного потоку всередині труб, розташованих горизонтально або з невеликим нахилом, крім зміни структури потоку по довжині, має місце значна зміна структури по периметру труби. Так, якщо швидкість циркуляції та вмісту пари в потоці невеликі, спостерігається розшарування двофазного потоку на рідку фазу, що рухається в нижній частині труби, і парову, що рухається у верхній частині її (рис. 3.5, а). При подальшому збільшенні парозмісту та швидкості циркуляції поверхня розділу між парової та рідкої фазами набуває хвильового характеру, і рідина гребенями хвиль періодично змочує верхню частину труби. З подальшим збільшення вмісту пари та швидкості хвильовий рух на межі розділу фаз посилюється, що призводить до часткового викидання рідини у парову область. В результаті двофазний потік набуває характеру течії, спочатку близький до коркового, а потім - кільцевого.

Мал. 3.5 – Структура потоку під час кипіння рідини всередині горизонтальної труби.

а- Розшарований режим кипіння; б- стрижневий режим; 1 – пара; 2 - Рідина.

При кільцевому режимі по всьому периметру труби встановлюється рух тонкого шару рідини, в ядрі потоку переміщається парорідинна суміш (рис. 3.5, б). Проте й у разі повної осьової симетрії у структурі потоку немає.

якщо інтенсивність підведення теплоти до стінок труби досить висока, то процес кипіння може відбуватися також при перебігу в трубі, недогрітій до температури насичення рідини, Такий процес виникає, коли температура стінки t cперевищує температуру насичення t s.він охоплює прикордонний шар рідини у стінки. Парові бульбашки, які у холодне ядро ​​потоку, швидко конденсуються. Цей вид кипіння називають кипінням з недогрівом.

Відведення теплоти в режимі бульбашкового кипіння є одним із найбільш досконалих методів охолодження поверхні нагріву. Він знаходить широке застосування у технічних пристроях.

3.1.2. Теплообмін при бульбашковому кипінні.

Спостереження показують, що зі збільшенням температурного напору Δ t = t c-t s, а також тиску рна поверхні нагрівання збільшується кількість активних центрів пароутворення. У результаті дедалі більше бульбашок безперервно з'являється, росте і відривається від поверхні нагрівання. Внаслідок цього збільшуються турбулізація та перемішування пристінного прикордонного шару рідини. У процесі зростання на поверхні нагріву бульбашки також інтенсивно забирають теплоту з прикордонного шару. Все це сприяє покращенню тепловіддачі. У цілому нині процес бульбашкового кипіння носить досить хаотичний характер.

Дослідження показують, що на технічних поверхнях нагрівання кількість центрів пароутворення залежить від матеріалу, будови та мікрошорсткості поверхні, наявності неоднорідності складу поверхні та адсорбованого поверхнею газу (повітря). Помітний вплив мають різні нальоти, окисні плівки, а також будь-які інші включення.

Спостереження показують, що в реальних умовах центрами пароутворення зазвичай служать окремі елементи нерівності та мікрошорсткості поверхні (переважно різні поглиблення та западини).

Зазвичай на нових поверхнях число центрів пароутворення вище, ніж тих же поверхнях після тривалого кипіння. Здебільшого це пояснюється наявністю адсорбованого поверхнею газу. Згодом газ поступово видаляється, він змішується з парою, що знаходиться в бульбашках, що ростуть, і виноситься в паровий простір. Процес кипіння та тепловіддача стабілізуються в часі та за інтенсивністю.

На умови утворення парових бульбашок великий вплив має поверхневий натяг на межі розділу рідини та пари.

Внаслідок поверхневого натягу тиск пари всередині бульбашки рп вище тиску навколишньої рідини рж. Їхня різниця визначається рівнянням Лапласа

де σ-поверхневий натяг; R- Радіус бульбашки.

Рівняння Лапласа висловлює умову механічної рівноваги. Воно показує, що поверхневий натяг на зразок пружної оболонки «стискає» пар у бульбашці, причому тим сильніше, чим менше його радіус. R.

Залежність тиску пари в бульбашці від його розміру накладає особливості на умову теплової або термодинамічної рівноваги малих бульбашок. Пара в бульбашці і рідина на його поверхні знаходяться в рівновазі, якщо поверхня рідини має температуру, рівну температурі насичення при тиску пари в бульбашці, t s ( рд). Ця температура вища, ніж температура насичення при зовнішньому тиску рідини t s ( рж). Отже, для здійснення теплової рівноваги рідина навколо бульбашки має бути перегріта на величину t s ( рп)- t s ( рж).

Наступна особливість полягає в тому, що ця рівновага виявляється нестійким. Якщо температура рідини трохи перевищить рівноважне значення, то станеться випаровування частини рідини всередину бульбашок і його радіус збільшиться. При цьому згідно з рівнянням Лапласа тиск пари в бульбашці знизиться. Це спричинить нове відхилення від рівноважного стану. Бульбашка почне необмежено рости. Також при незначному зниженні температури рідини частина пари сконденсується, розмір бульбашки зменшиться, тиск пари в ньому підвищиться. Це спричинить подальше відхилення від рівноважних умов, тепер уже в інший бік. У результаті бульбашка повністю сконденсується і зникне.

Отже, у перегрітій рідині не будь-які випадково виниклі маленькі бульбашки мають здатність до подальшого зростання, а тільки ті, радіус яких перевищує значення, що відповідає розглянутим вище умовам нестійкої механічної та теплової рівноваги. Це мінімальне значення

де похідна є фізичною характеристикою даної речовини, вона визначається рівнянням Клапейрона - Клаузиса

тобто виражається через інші фізичні постійні: теплоту фазового переходу r, щільність пари ρ пта рідини ρ жта абсолютну температуру насичення T s.

Рівняння (3-2) показує, що якщо в окремих точках поверхні нагріву з'являються парові зародки, то здатність до подальшого мимовільного зростання мають лише ті з них, радіус кривизни яких перевищує значення R min. Оскільки зі зростанням Δ tвеличина R minзнижується, рівняння (3-2) пояснює

експериментально спостерігається факт збільшення числа центрів пароутворення у разі підвищення температури поверхні.

Збільшення числа центрів пароутворення зі зростанням тиску також пов'язане із зменшенням R minбо при підвищенні тиску величина p′sзростає, а σ знижується. Розрахунки показують, що для води, що кипить при атмосферному тиску, при Δ t= 5 ° С R min= 6,7 мкм, а за Δ t= 25 ° С R min= 1,3 мкм.

Спостереження, проведені із застосуванням швидкісної кінозйомки, показують, що при фіксованому режимі кипіння частота утворення парових бульбашок виявляється неоднаковою як у різних точках поверхні, так і в часі. Це надає процесу кипіння складного статистичного характеру. Відповідно швидкості росту та відривні розміри різних бульбашок також характеризуються випадковими відхиленнями біля деяких середніх величин.

Після досягнення бульбашкою певного розміру він відривається від поверхні. Відривний розмірвизначається в основному взаємодією сил тяжіння, поверхневого натягу та інерції. Остання величина є динамічною реакцією, що виникає в рідині внаслідок швидкого зростання бульбашок у розмірах. Зазвичай ця сила перешкоджає відриву бульбашок. Крім того, характер розвитку та відриву бульбашок великою мірою залежить від того, змочує рідина поверхню або не змочує. Змочує здатність рідини характеризується крайовим кутом θ, який утворюється між стінкою та вільною поверхнею рідини. Чим більше θ, тим гірша здатність рідини, що змочує. Прийнято вважати, що за θ<90° (рис. 3.6, а), рідина змочує поверхню, а при θ >90° - не змочує. Значення крайового кута залежить від природи рідини, матеріалу, стану та чистоти поверхні. Якщо кипляча рідина змочує поверхню нагріву, то парові бульбашки мають тонку ніжку і від поверхні легко відриваються (рис. 3.7, а). Якщо ж рідина не змочує поверхню, то парові бульбашки мають широку ніжку (рис. 3.7, б) і відриваються по перешийку, або пароутворення відбувається по всій поверхні.

Кипіння- це пароутворення, що відбувається одночасно і з поверхні і по всьому об'єму рідини. Воно полягає в тому, що спливають і лопаються численні бульбашки, викликаючи характерне вирування.

Як показує досвід, кипіння рідини при заданому зовнішньому тиску починається за цілком певної температурі, що не змінюється в процесі кипіння, і може відбуватися тільки при підведенні енергії ззовні в результаті теплообміну (рис. 1):

де L – питома теплота пароутворення при температурі кипіння.

Механізм кипіння: у рідині завжди є розчинений газ, ступінь розчинення якого знижується зі зростанням температури. Крім того, на стінках судини є адсорбований газ. При нагріванні рідини знизу (рис. 2) газ починає виділятися як бульбашок біля стінок судини. У ці бульбашки відбувається випаровування рідини. Тому в них, крім повітря, знаходиться насичена пара, тиск якої зі зростанням температури швидко збільшується, і бульбашки ростуть в обсязі, а отже, збільшуються сили Архімеда, що діють на них. Коли сила, що виштовхує, стане більше сили тяжіння бульбашки, він починає спливати. Але поки рідина не буде рівномірно прогріта, у міру випливання об'єм бульбашки зменшується (тиск насиченої пари зменшується зі зниженням температури) і, не досягнувши вільної поверхні, бульбашки зникають (захлопуються) (мал. 2, а), ось чому ми чуємо характерний шум перед закипанням. Коли температура рідини вирівнюється, обсяг бульбашки при підйомі зростатиме, оскільки тиск насиченої пари не змінюється, а зовнішній тиск на бульбашку, що представляє собою суму гідростатичного тиску рідини, що знаходиться над бульбашкою, і атмосферного, зменшується. Пухирець досягає вільної поверхні рідини, лопається, і насичена пара виходить назовні (рис. 2, б) - рідина закипає. Тиск насиченої пари при цьому в бульбашках практично дорівнює зовнішньому тиску.

Температура, при якій тиск насиченої пари рідини дорівнює зовнішньому тиску на її вільну поверхню, називається температурою кипіннярідини.

Так як тиск насиченої пари збільшується зі зростанням температури, а при кипінні воно повинно дорівнювати зовнішньому, то при збільшенні зовнішнього тиску температура кипіння збільшується.

Температура кипіння залежить також від наявності домішок, зазвичай збільшуючись із зростанням концентрації домішок.

Якщо попередньо звільнити рідину від розчиненого у ній газу, її можна перегріти, тобто. нагріти вище за температуру кипіння. Це нестійкий стан рідини. Достатньо невеликих струсу і рідина закипає, а її температура відразу знижується до температури кипіння.

Все, що оточує нас у повсякденному житті, можна уявити у вигляді фізичних та хімічних процесів. Ми постійно виробляємо масу маніпуляцій, які виражаються формулами та рівняннями, навіть не підозрюючи про це. Одним із таких процесів є кипіння. Це явище, яке використовують абсолютно всі господині під час приготування їжі. Воно здається нам абсолютно звичайним. Але погляньмо на процес кипіння з погляду науки.

Кипіння – це що таке?

Ще зі шкільного курсу фізики відомо, що речовина може бути в рідкому та газоподібному стані. Процес трансформації рідини у стан пари - кипіння. Це відбувається лише при досягненні або перевищенні певного температурного режиму. Бере участь у цьому процесі та тиск, його необхідно обов'язково враховувати. Кожна рідина має власну температуру кипіння, яка запускає процес утворення пари.

У цьому полягає суттєва різниця між кипінням і випаром, що відбувається за будь-якого температурного режиму рідини.

Як відбувається кипіння?

Якщо ви колись кип'ятили воду в скляному посуді, то спостерігали за утворенням бульбашок на стінках ємності в процесі нагрівання рідини. Вони утворюються завдяки тому, що в мікротріщинах посуду накопичується повітря, яке при нагріванні починає розширюватися. Пухирці складаються з пар рідини, що знаходяться під тиском. Ці пари називають насиченими. У міру нагрівання рідини збільшується тиск у бульбашках повітря і вони збільшуються у розмірах. Звичайно, що вони починають підніматися нагору.

Але якщо рідина ще не досягла температури кипіння, то у верхніх шарах бульбашки охолоджуються, тиск знижується і вони виявляються на дні ємності, де знову нагріваються і піднімаються вгору. Цей процес знайомий кожній господині, вода ніби починає шуміти. Як тільки температура рідини у верхніх та нижніх шарах порівнюється, бульбашки починаються підніматися на поверхню та лопатися – відбувається кипіння. Це можливо тільки тоді, коли тиск усередині бульбашок стає однаковим із тиском самої рідини.

Як ми вже згадували, кожна рідина має свій температурний режим, коли починається процес закипання. Причому протягом усього процесу температура речовини залишається незмінною, вся виділена енергія витрачається на пароутворення. Тому у недбайливих господарок згоряють каструлі - весь їхній вміст википає і починає нагріватися сама ємність.

Температура кипіння знаходиться в прямо пропорційній залежності від тиску, що надається на всю рідину, точніше на її поверхню. У шкільному курсі фізики зазначено, що вода починає кипіти при температурі сто градусів за Цельсієм. Але мало хто пам'ятає, що це твердження правильне лише в умовах нормального тиску. За норму прийнято вважати величину сто один кілопаскаль. Якщо збільшити тиск, то кипіння рідини відбуватиметься за іншої температури.

Цю фізичну властивість використовують виробники сучасних побутових приладів. Прикладом може бути скороварка. Всім господарями відомо, що в подібних пристроях їжа готується набагато швидше, ніж у звичайних каструлях. З чим це пов'язано? З тиском, що утворюється у скороварці. Воно вдвічі перевищує норму. Тому і кипіння води відбувається приблизно за сто двадцять градусів за Цельсієм.

Якщо ви коли-небудь були в горах, спостерігали зворотний процес. На висоті вода починає закипати при 90 градусах, що суттєво ускладнює процес приготування їжі. З цими труднощами добре знайомі місцеві жителі та альпіністи, які проводять у горах увесь вільний час.

Ще трохи про кипіння

Багато хто чув такий вираз, як "точка кипіння" і, мабуть, здивувалися, що ми його не згадали у статті. Насправді ми його вже описали. Не поспішайте перечитувати текст. Справа в тому, що у фізиці точка та температура процесу кипіння вважаються ідентичними.

У науковому світі поділ у даній термінології проводиться лише у разі змішування різних рідких речовин. У такій ситуації визначається саме точка кипіння, причому найменша з усіх можливих. Саме вона береться за норму для всіх складових частин суміші.

Вода: цікаві факти про фізичні процеси

У лабораторних дослідах фізики завжди беруть рідину без домішок та створюють абсолютно ідеальні зовнішні умови. Але в житті все відбувається трохи інакше, адже ми часто підсолюємо воду або додаємо в неї різні приправи. Якою буде температура кипіння в цьому випадку?

Солона вода вимагає вищої температури для закипання, ніж прісна. Це пов'язано з домішками натрію та хлору. Їхні молекули стикаються між собою, і на їх нагрівання потрібно значно вища температура. Існує певна формула, що дозволяє обчислити температуру кипіння солоної води. Врахуйте, що шістдесят грамів солі на один літр води збільшують температуру кипіння на десять градусів.

А чи може кипіти вода у вакуумі? Вчені довели, що може. Ось тільки температура кипіння в цьому випадку має досягати межі трьохсот градусів за Цельсієм. Адже у вакуумі тиск становить лише чотири кілопаскалі.

Всі ми кип'ятимо воду в чайнику, тому знайомі з таким неприємним явищем, як накип. Що це таке і чому вона утворюється? Насправді все просто: прісна вода має різний рівень жорсткості. Вона визначається кількістю домішок у рідині, найчастіше у ній містяться різні солі. У процесі кип'ятіння вони трансформуються в осад і у великій кількості перетворюються на накип.

Чи може кипіти спирт?

Кипіння спирту використовується в процесі самогоноваріння і називається дистиляцією. Цей процес залежить від кількості води в спиртовому розчині. Якщо взяти за основу чистий етиловий спирт, то температура його кипіння буде наближена до сімдесяти восьми градусів за Цельсієм.

Якщо ви додаєте до спирту воду, то температура кипіння рідини збільшується. Залежно від концентрації розчину він закипатиме в проміжку від сімдесяти восьми до ста градусів за Цельсієм. Природно, що в процесі кипіння спирт перетвориться на пару за більш короткий часовий інтервал, ніж вода.

Кипіння – процес зміни агрегатного стану речовини. Коли ми говоримо про воду, то маємо на увазі зміну рідкого стану на пароподібний. кипіння - це не випаровування, яке може протікати навіть при кімнатній температурі. Також не варто плутати із кип'ятінням, що є процесом нагрівання води до певної температури. Тепер, коли ми розібралися з поняттями, можна визначити, за якої температури кипить вода.

Процес

Сам процес перетворення агрегатного стану з рідкого на газоподібний є складним. І хоча люди цього не бачать, існує 4 стадії:

1. На першій стадії на дні ємності, що нагрівається, утворюються невеликі бульбашки. Також їх можна помітити з боків чи поверхні води. Вони утворюються через розширення повітряних бульбашок, які завжди є у тріщинах ємності, де нагрівається вода.
2. На другій стадії обсяг бульбашок збільшується. Всі вони починають рватися до поверхні, тому що всередині них знаходиться насичена пара, яка легша за воду. При підвищенні температури нагрівання тиск бульбашок зростає і вони виштовхуються на поверхню завдяки відомій силі Архімеда. При цьому можна чути характерний звук кипіння, який утворюється через постійне розширення та зменшення у розмірі бульбашок.
3. На третій стадії на поверхні можна бачити велику кількість бульбашок. Це спочатку створює помутніння води. Цей процес у народі називають " кипінням білим ключем " , і він триває короткий проміжок часу.
4. На четвертій стадії вода інтенсивно вирує, на поверхні виникають великі бульбашки, що лопаються, можлива поява бризок. Найчастіше бризки означають, що рідина нагрілася до максимальної температури. З води почне виходити пара.

Відомо, що вода кипить за температури 100 градусів, яка можлива лише на четвертій стадії.

Температура пари

Пара є одним із станів води. Коли він надходить у повітря, то, як і інші гази, чинить на нього певний тиск. При пароутворенні температура пари та води залишаються постійними доти, доки вся рідина не змінить свій агрегатний стан. Це можна пояснити тим, що з кипінні вся енергія витрачається перетворення води в пар.

На самому початку закипання утворюється волога насичена пара, яка після випаровування всієї рідини стає сухою. Якщо його температура починає перевищувати температуру води, то така пара є перегрітою, і за своїми характеристиками вона буде ближчою до газу.

Кипіння солоної води

Досить цікаво знати, за якої температура кипить вода з підвищеним вмістом солі. Відомо, що вона повинна бути вищою через вміст у складі іонів Na+ та Cl-, які між молекулами води займають область. Цим хімічний склад води із сіллю відрізняється від звичайної прісної рідини.

Річ у тім, що у солоній воді має місце реакція гідратації – процес приєднання молекул води до іонів солі. Зв'язок між молекулами прісної води слабший за ті, які утворюються при гідратації, тому закипання рідини з розчиненою сіллю відбуватиметься довше. У міру зростання температури молекули у воді із вмістом солі рухаються швидше, але їх стає менше, через що зіткнення між ними здійснюються рідше. В результаті пари утворюється менше, і її тиск через це нижче, ніж напір пари прісної води. Отже, для повноцінного пароутворення потрібно більше енергії (температури). В середньому для закипання одного літра води з вмістом 60 г солі необхідно підняти градус кипіння води на 10% (тобто на 10 С).

Залежність кипіння від тиску

Відомо, що в горах незалежно від хімічного складу води температура кипіння буде нижчою. Це відбувається через те, що атмосферний тиск на висоті нижчий. Нормальним прийнято вважати тиск із значенням 101.325 кПа. При ньому температура закипання води становить 100 градусів за Цельсієм. Але якщо піднятися на гору, де тиск становить у середньому 40 кПа, то там вода закипить за 75.88 С. Але це не означає, що для приготування їжі в горах доведеться витратити майже вдвічі менше часу. Для термічної обробки продуктів потрібна певна температура.

Вважається, що у висоті 500 метрів над рівнем моря вода закипатиме при 98.3 З, але в висоті 3000 метрів температура закипання становитиме 90 З.

Зазначимо, що цей закон діє і у зворотному напрямку. Якщо помістити рідину в замкнуту колбу, через яку не може проходити пара, то зі зростанням температури та утворенням пари тиск у цій колбі зростатиме, і закипання при підвищеному тиску відбудеться при вищій температурі. Наприклад, при тиску 490.3 кПа температура кипіння води становитиме 151°С.

Кипіння дистильованої води

Дистильованою називається очищена вода без вмісту будь-яких домішок. Її часто застосовують у медичних чи технічних цілях. З огляду на те, що у такій воді немає жодних домішок, її не використовують для приготування їжі. Цікаво помітити, що закипає дистильована вода швидше за звичайну прісну, проте температура кипіння залишається такою ж - 100 градусів. Втім, різниця в часі закипання буде мінімальною - лише частки секунди.

У чайнику

Часто люди цікавляться, за якої температури кипить вода в чайнику, оскільки саме цими приладами вони користуються для кип'ятіння рідини. З урахуванням того, що атмосферний тиск у квартирі дорівнює стандартному, а вода, що використовується, не містить солей та інших домішок, яких там не повинно бути, то й температура закипання також буде стандартною - 100 градусів. Але якщо вода міститиме сіль, то температура закипання, як ми вже знаємо, буде вищою.

Висновок

Тепер ви знаєте, за якої температури кипить вода, і як атмосферний тиск і склад рідини впливають на цей процес. У цьому немає нічого складного, і таку інформацію діти отримують ще у школі. Головне – запам'ятати, що зі зниженням тиску знижується і температура кипіння рідини, а з його зростанням збільшується і вона.

В інтернеті можна знайти багато різних таблиць, де вказується залежність температури кипіння рідини від атмосферного тиску. Вони доступні всім і активно використовуються школярами, студентами та навіть викладачами в інститутах.

Процес кипіння водискладається з трьох стадій:
- початок першої стадії - проскакування з дна чайника або будь-якої іншої судини, в якій вода доводиться до кипіння, крихітних бульбашок повітря та появи на поверхні води нових утворень бульбашок. Поступово кількість таких бульбашок збільшується.

- на другий стадії кипіння водивідбувається масовий стрімкий підйом бульбашок вгору, що викликає спочатку легке помутніння води, яке потім перетворюється на «побіління», у якому вода зовні нагадує струмінь джерела. Це явище називається кипінням білим ключемі вкрай недовго.

- третя стадія супроводжується інтенсивними процесами бурління води, появи на поверхні великих бульбашок, що лопаються, і бризок. Велика кількість бризок означає, що вода сильно перекипіла.

До речі, якщо Ви любите попити чайку, заварену на чистій природній воді, то для цього можна зробити замовлення, не виходячи з дому, на сайті, наприклад: http://www.aqualeader.ru/. Після чого компанія з доставки води привезе її додому.

Прості спостерігачі вже давно звернули увагу на те, що всі три стадії кипіння води супроводжуються різними звуками. Вода першої стадії видає ледь помітний тонкий звук. У другій стадії звук переходить у шум, що нагадує гул бджолиного рою. На третій стадії звуки окропу втрачають рівномірність і стають різкими і гучними, хаотично наростаючи.

Усе стадії кипіння водилегко перевіряються досвідом. Почавши нагрівати воду у відкритій скляній ємності та періодично заміряючи температуру, через короткий проміжок часу ми почнемо спостерігати бульбашки, що покривають дно та стінки ємності.

Давайте докладніше зупинимося на бульбашці, що виникає біля дна. Поступово нарощуючи обсяг, бульбашка збільшує і площу зіткнення з водою, що прогрівається, яка ще не досягла високої температури. В результаті цього пари і повітря, що знаходяться всередині бульбашки, охолоджуються, внаслідок чого тиск їх зменшується, і тяжкість води лопає бульбашка. Саме в цей момент вода видає характерний для закипання звук, що виникає через зіткнення води з дном ємності в тих місцях, де лопаються бульбашки.

У міру наближення температури в нижніх шарах води до 100 градусів Цельсія внутрішньоміхурцевого тиску зрівнюється з тиском води на них, внаслідок чого бульбашки поступово розширюються. Збільшення обсягу бульбашок призводи і до збільшення дії на них сили, що виштовхує, під дією якої найбільш об'ємні бульбашки відриваються від стінок ємності і стрімко піднімаються вгору. У тому випадку, якщо верхній шар води ще не досяг 100 градусів, то бульбашка, потрапляючи в холоднішу воду, втрачає частину водяної пари, що конденсуються і йдуть у воду. При цьому бульбашки знову зменшуються у розмірі та опускаються вниз під дією сили тяжіння. Біля дна вони знову набирають об'єм і піднімаються вгору, і саме ці зміни бульбашок у розмірах створюють характерний шум води, що закипає.

До моменту, коли весь об'єм води досягає 100 градусів, бульбашки, що піднімаються, вже не зменшуються в розмірі, а лопаються на самій поверхні води. При цьому відбувається викид пари назовні, що супроводжується характерним бульканням - це означає, що вода кипить. Температура, коли він рідина досягає кипіння, залежить від тиску, яке відчуває її вільна поверхню. Чим більший цей тиск – тим більша потрібна температура, і навпаки.

Те, що вода закипає при 100 градусів Цельсія– загальновідомий факт. Але варто врахувати, що така температура справедлива лише за умови нормального атмосферного тиску (близько 101 кілопаскалю). Зі збільшенням тиску температура, коли він рідина досягає кипіння, теж зростає. Наприклад, у каструлях-скороварках їжа вариться під тиском, що наближається до 200 кілопаскалів, при якому температура кипіння води становить 120 градусів. У воді з такою температурою варення протікає набагато швидше, ніж при звичайній температурі кипіння - звідси і така назва каструлі.

Відповідно, зниження тиску знижує і температуру кипіння води. Наприклад, жителі гірських районів, що мешкають на висоті 3 кілометрів, домагаються кипіння води швидше за мешканців рівнин - всі стадії кипіння води відбуваються швидше, оскільки для цього необхідно всього 90 градусів при тиску 70 кілопаскалей. Але зварити, наприклад, куряче яйце жителі гір не можуть, оскільки мінімальна температура, за якої білок згортається – якраз 100 градусів за Цельсієм.