Давление в кипящем сосуде

>>> Перейти на мобильный размер сайта >>>

Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

• Жидкость не только испаряется. При некоторой температуре она кипит. Что такое кипение и чем определяется температура кипения?

Нальем в стеклянную колбу воду и станем ее нагревать. Скоро дно и стенки колбы покроются пузырьками. Появление этих пузырьков объясняется выделением воздуха, растворенного в воде. В воде (а также в любой другой жидкости) всегда имеется некоторое количество растворенного воздуха.

Этим воздухом дышат рыбы и другие живые существа, обитающие в воде. Чаще всего пузырьки зарождаются в маленьких трещинках на дне сосуда. Так как внутри каждого пузырька происходит испарение воды, то, кроме воздуха, пузырьки содержат насыщенные пары воды.

При повышении температуры пузырьки, заполненные воздухом и паром, увеличиваются в размерах и становятся многочисленнее.

Проследим за ростом одного из пузырьков, образовавшегося на дне сосуда. Когда пузырек сделается достаточно большим (рис. 6.10, а), действующая на него выталкивающая (архимедова) сила со стороны воды заставляет его оторваться, подобно тому как отрывается слишком тяжелая капля воды, повисшая на крыше. При этом между пузырьком и дном сосуда образуется все суживающаяся воздушная перемычка (рис. 6.10, б), и наконец пузырек отрывается, оставляя у дна небольшое количество воздуха, из которого с течением времени разовьется новый пузырек.

Рис. 6.10

Поднимающийся пузырек, попадая в верхние, более холодные слои воды, уменьшается в размере, так как содержащийся в нем пар конденсируется (рис. 6.10, в). Давление стремительно падает, и пузырек захлопывается. Захлопывание происходит настолько быстро, что стенки пузырька, сталкиваясь, производят нечто вроде маленького взрыва. Множество таких микровзрывов создает характерный шум. Закипающая вода шумит. Другой, менее существенной причиной шума являются колебания жидкости, возникающие при отрыве пузырьков от дна сосуда.

Наконец, когда вся вода достаточно прогреется, поднимающиеся пузырьки уже не будут уменьшаться в размерах и достигают поверхности, выбрасывая пар во внешнее пространство (рис. 6.10, г). Шум при этом прекращается и начинается «бульканье» — вода закипела.

Таким образом, кипение — это переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости или на поверхности сосуда. Термометр, помещенный в пар над кипящей водой, все время, пока вода кипит, показывает одну и ту же температуру (около 100 °С). Эта температура не изменится, пока вся вода не выкипит.

Очевидно, при кипении давление паров(1), образующихся внутри пузырьков у дна сосуда, таково, что пузырьки могут расширяться, преодолевая атмосферное давление, а также давление столба воды. Таким образом, кипение происходит при такой температуре, когда давление насыщенных паров сравнивается с давлением внутри жидкости. Температура кипения определяется, следовательно, давлением насыщенного пара, а значит, его температурой. Температура пара кипящей жидкости и есть температура кипения.

Зависимость температуры кипения жидкости от давления

Из приведенных рассуждений ясно, что температура кипения жидкости должна зависеть от внешнего давления. Наблюдения подтверждают это.

Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения. Так, в паровом котле при давлении, достигающем 1,6 • 106 Па, вода не кипит и при температуре 200 °С. В медицинских учреждениях кипение воды в герметически закрытых сосудах — автоклавах (рис. 6.11) также происходит при повышенном давлении. Поэтому температура кипения значительно выше 100 °С. Автоклавы применяют для стерилизации хирургических инструментов, перевязочного материала и т. д.

Рис. 6.11

И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Под колоколом воздушного насоса можно заставить воду кипеть при комнатной температуре (рис. 6.12). При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, поэтому уменьшается температура кипения. На высоте 7134 м (пик Ленина на Памире) давление приближенно равно 4 • 105 Па (300 мм рт. ст.). Вода кипит там примерно при 70 °С. Сварить, например, мясо в этих условиях невозможно.

Рис. 6.12

На рисунке 6.13 изображена кривая зависимости температуры кипения воды от внешнего давления. Легко сообразить, что эта кривая является одновременно и кривой, выражающей зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры.

Рис. 6.13

Различие температур кипения жидкостей

У каждой жидкости своя температура кипения. Различие температур кипения жидкостей определяется различием в давлении их насыщенных паров при одной и той же температуре. Например, пары эфира уже при комнатной температуре имеют давление, большее половины атмосферного. Поэтому, чтобы давление паров эфира стало равным атмосферному, нужно небольшое повышение температуры (до 35 °С). У ртути же насыщенные пары имеют при комнатной температуре совсем ничтожное давление. Давление паров ртути делается равным атмосферному только при значительном повышении температуры (до 357 °С). Именно при этой температуре, если внешнее давление равно 105 Па, и кипит ртуть.

Различие температур кипения веществ находит большое применение в технике, например при разделении нефтепродуктов. При нагревании нефти раньше всего испаряются наиболее ценные, летучие ее части (бензин), которые можно таким образом отделить от «тяжелых» остатков (масел, мазута).

Жидкость закипает, когда давление ее насыщенного пара сравнивается с давлением внутри жидкости.

(1) Давление воздуха внутри пузырьков очень мало, поэтому им можно пренебречь. Главную роль играет давление пара внутри пузырьков.

Что вы знаете о температуре кипения воды?

Если вас спросят, при какой температуре закипает вода, вы скорее всего ответите, что при 100 °C. И ваш ответ будет правильным, но это значение верно только при обычном атмосферном давлении – 760 мм рт. ст. На самом деле вода может закипать и при 80 °C, и при 130 °C. Чтобы объяснить причину таких расхождений, прежде всего нужно выяснить, что такое кипение.

Механизм кипения

Разобраться, сколько нужно градусов, чтобы вода закипела, поможет изучение механизма этого физического явления. Кипение представляет собой процесс преобразования жидкости в пар и проходит в несколько этапов:

1. При нагревании жидкости из микротрещин в стенках сосуда выходят пузырьки с воздухом и водяным паром.
2. Пузыри немного расширяются, но жидкость в сосуде настолько холодна, что это приводит к конденсации пара в пузырях.
3. Пузырьки начинают лопаться до тех пор, пока вся толща жидкости не станет достаточно горячей.
4. Через некоторое время происходит уравнивание давления воды и пара в пузырях. На этом этапе отдельные пузырьки могут подниматься на поверхность и выпускать пар.
5. Пузырьки начинают интенсивно подниматься, начинается бурление с характерным звуком. Начиная с этого этапа, температура в сосуде не меняется.
6. Процесс кипения будет продолжаться до тех пор, пока вся жидкость не перейдет в газообразное состояние.

Температура пара

Температура пара при кипении воды такая же, как и самой воды. Это значение не будет меняться до тех пор, пока не испарится вся жидкость в сосуде. В процессе кипения образуется влажный пар. Он насыщен жидкими частицами, равномерно распределенными по всему объему газа. Далее высокодисперсные частицы жидкости конденсируются, а насыщенный пар превращается в сухой.

Также существует перегретый пар, который намного горячее, чем кипяток. Но его можно получить только с помощью специальной аппаратуры.

Влияние давления

Мы уже выяснили, что для закипания жидкости необходимо уравнивание давления жидкого вещества и пара. Так как давление воды складывается из атмосферного давления и давления самой жидкости, изменить время закипания можно двумя способами:

• изменением атмосферного давления;
• изменением давления в самом сосуде.

Первый случай мы можем наблюдать на территориях, расположенных на разной высоте над уровнем моря. На побережьях температура закипания будет составлять 100 °C, а на вершине Эвереста – всего 68 °C. Исследователи рассчитали, что при подъеме в горы каждые 300 метров температура закипания воды снижается на 1 °C.

Данные значения могут меняться в зависимости от химического состава воды и наличия примесей (солей, ионов металлов, растворимых газов).

Для получения кипятка чаще всего используют чайники. Температура кипения воды в чайнике также зависит от района проживания. Жителям горной местности рекомендуется использовать автоклавы и скороварки, которые помогают сделать кипяток более горячим и ускорить процесс приготовления пищи.

Кипение соленой воды

То, при скольких градусах закипает вода, определяет и наличие в ней примесей. В составе морской воды присутствуют ионы натрия и хлора. Они располагаются между молекулами H2O и притягивают их. Этот процесс известен как гидратация.

Связь между водой и ионами соли намного сильнее, чем между молекулами воды. Для закипания соленой воды требуется больше энергии, чтобы можно было разорвать эти связи. Этой энергией является температура.

Также соленая жидкость отличается от пресной низкой концентрацией молекул H2O. В этом случае при нагревании они начинают быстрее двигаться, но не могут образовать достаточно большой пузырь пара, так как реже сталкиваются. Давления маленьких пузырьков недостаточно для их выхода на поверхность.

Для уравнивания водного и атмосферного давления нужно увеличить температуру. Поэтому соленой воде для закипания требуется намного больше времени, чем пресной, а температура кипения будет зависеть от концентрации соли. Известно, что при добавлении 60 г NaCl в 1 л жидкости температура закипания возрастает на 10 °C.

Как изменить температуру кипения

В горной местности очень тяжело приготовить пищу, на это уходит слишком много времени. Причина – недостаточно горячий кипяток. На очень больших высотах почти невозможно сварить яйцо, что уж говорить о приготовлении мяса, которое нуждается в хорошей термической обработке.

Изменение температуры, при которой закипает жидкость, важна для жителей не только горных районов.

Для стерилизации продуктов и оборудования желательно использовать более высокую температуру, чем 100 °C, так как некоторые микроорганизмы являются термостойкими.

Это важная информация не только для домохозяек, но и для специалистов, работающих в лабораториях. Также увеличение температуры кипения может заметно сэкономить время, уходящее на приготовление пищи, что немаловажно в наше время.

Чтобы увеличить этот показатель, нужно использовать плотно закрывающуюся емкость. Лучше всего для этого подойдут скороварки, в которых крышка не пропускает пар, увеличивая давление внутри сосуда. Во время нагревания выделяется пар, но, так как он не может выйти наружу, происходит его конденсация на внутренней стороне крышки. Это приводит к существенному увеличению внутреннего давления. В автоклавах давление составляет 1–2 атмосферы, поэтому жидкость в них закипает при температуре 120–130 °C.

Максимальная температура кипения воды до сих пор остается неизвестной, так как этот показатель может увеличиваться до тех пор, пока увеличивается атмосферное давление. Известно, что в паровых турбинах вода не может закипеть даже при 400 °C и давлении в несколько десятков атмосфер. Такие же данные получили на больших глубинах океана.

Кипение воды при пониженном давлении: Видео

Источник

При какой температуре закипает вода в чайнике

Кипение воды – процесс интенсивного образования пара, происходящий как на свободной поверхности жидкости, так и внутри её структуры. От испарения его отличает подчиненность определённым параметрам – температуре и давлению. Скорость закипания зависит от степени взаимодействия на молекулярном уровне.

Многие считают, что вода начинает кипеть при 100°С. Но это верно лишь для обычных условий. В действительности, температурные показатели закипания – это диапазон величин, зависящий и от самой жидкости, и от давления (наружного и внутреннего). Парообразование может происходить и при 80°С, и при 130°С. При какой температуре закипает вода в чайнике? Попытаемся ответить на этот вопрос в данной статье.

Температура пара кипящей воды в чайнике

Паром называется газообразное состояние воды. Взаимодействуя с окружающим воздухом, он может оказывать на него давление. В процессе образования пара температура его и воды будет оставаться неизменной до тех пор, пока жидкость полностью не испариться. Это обусловлено тем, что вся мощь градусов идёт на парообразование. Подобное обстоятельство позволяет образовываться сухому насыщенному пару.

Внимание! Температура пара и кипящей жидкости всегда одинакова. Более горячий пар уместно получить, лишь применив специальные установки. Для закипания обыкновенной воды требуется нагреть её до 100°С.

При какой температуре закипает соленая вода

Солёная вода требует более высоких градусов для закипания, чем обычная жидкость. Это объясняется особенностью её состава. Всё пространство между водными молекулами занимают ионы, что приводит к гидратации. Напомним, данным термином называется присоединение молекул воды к ионам соли. Гидратация усиливает межмолекулярную связь, что отодвигает время закипания.

Нагреваясь, солёная вода непрерывно теряет молекулы. Соответственно, сталкиваться они будут значительно реже. Для инициации парообразования понадобится больший временной период, чем для рядовой жидкости. В общем и целом, можно уверенно утверждать, что солёная вода начинает кипеть при температуре приблизительно на 10°С выше, чем пресная.

Градус закипания дистиллированной воды

Дистиллированная вода – это вода, которую очистили от растворённых в ней минералов, органики и прочих примесей. Обычно её используют в химических лабораториях и в промышленности. Также она применяется в медицинских и исследовательских целях.

Важно! Дистиллированную воду запрещается пить или использовать для приготовления пищи.

Получается такая вода путём дистилляции. Обычную воду помещают в специальный агрегат-дистиллятор. Он выпаривает её и конденсирует пар. В конце у вас будет отдельно дистиллят, и отдельно примеси.

Температура, при которой из дистиллированной воды делается кипяток, равна показателю кипения водопроводной, т.е. всё тем же 100°С. Разница заключается в том, что закипать очищенная от солей жидкость начинает чуть быстрее.

Как влияет давление на процесс закипания воды

Давление (и атмосферное, и внутри жидкости) может существенно повлиять на процесс парообразования. Так, температурой кипения воды на высокой горе является 70°С, что значительно осложняет готовку. Чтобы приготовить пищу на высоте, требуется намного больше времени, поскольку, как это не парадоксально, закипевшая жидкость не будет достаточно горячей. Сварить куриное яйцо не получится совсем. Невозможно и приготовление мясных блюд.

Внимание! Употреблять еду на природе можно только, если она термически обработана и качественно проварена. Отправляясь в горный поход, следует заранее предвидеть такой нюанс и принять все необходимые меры по страховке себя от потенциальных неожиданных ситуаций.

Точка кипения воды на морском побережье — 100°С. При подъёме в гору, через каждые пройденные три сотни метров температура кипения будет уменьшаться на 1°С. Вследствие этого, жителям горных районов рекомендуется использовать автоклавы, чтобы жидкость получалась достаточно горячей. Это стоит помнить не только домохозяйкам, но и служащим лабораторий. Ведь все знают, что для стерилизации продуктов и инструментов необходимы более 100°С. Иначе оборудование не будет стерильным, ведь некоторые микробы являются термостойкими, и может принести в дальнейшем множество осложнений.

Уже доказано, что повышение температуры кипения может существенно сократить время, требующееся для приготовления еды, что очень важно в наш прогрессивный век.

Чтобы повысить данный показатель, надо применять герметично закрывающуюся ёмкость. Оптимальным выбором будут скороварки, в которых крышка не пропускает пар, увеличивая внутреннее давление. В процессе нагрева образуется пар, но, поскольку он не может попасть наружу, он конденсируется на внутренней стороне крышки. Это приводит к заметному повышению давления внутри сосуда. В автоклавах давление равняется 1-2 атмосферы, из-за этого жидкость в них начинает кипеть при 120-130°C.

Наибольшая возможная температура кипения воды пока учёными не обнаружена. Это обусловлено её способностью расти до поры, пока атмосферное давление не достигнет своего предела. Паровые турбинные установки подогревают воду до 400°С, но при этом она не кипит, а давление сохраняется в пределах нескольких десятков атмосфер. Аналогичные данные были получены при проведении исследований на больших океанических глубинах.

Источник

Температура кипения воды в зависимости от давления: 4 фактора, таблица для расчёта

Многие люди думают, что температура кипения воды составляет 100 градусов Цельсия. Однако этот показатель может меняться в зависимости от атмосферного давления.

Например, на горе Эверест на подъеме 8842 метра над уровнем моря вода закипит при +70°C. А в глубокой шахте при достижении температуры + 103°C

В данной статье мы выясним, как будет меняться температура кипения воды в зависимости от давления: в горах, шахте, вакууме. Рассмотрим особенности процесса кипячения с точки зрения физики и химии.

Как будет меняться температура кипения воды: 4 фактора

Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.

Стоит отметить, что она всегда остается неизменной. Поэтому, если увеличить огонь под кипящей кастрюлей с водой, выкипать будет быстрее, но температура при этом не увеличится, так как средняя кинетическая энергия молекул остаётся неизменной.

Рассмотрим 4 фактора, которые влияют на изменение t°:

1. Пониженное атмосферное давление (наблюдается в горной местности) – t° уменьшается.
2. Повышенное атмосферное давление (наблюдается в шахте) – t° наоборот увеличивается.
3. Применения герметической крышки, вакуума. За счёт герметической крышки или посуды пар не выходит градус кипения увеличивается. При использовании вакуума температура зависит от давления, которое создано внутри его.
4. Свойства воды. Соленая вода начинает кипеть при более высокой температуре, чем пресная.

Рассмотрим более подробно каждый из факторов.

Влияние атмосферного давления

Согласно исследованиям и уравнению Клапейрона — Клаузиуса, градус кипения напрямую зависит от атмосферного давления. С его ростом температура кипения увеличивается, а с уменьшением, наоборот, становится все ниже и ниже.

Атмосферное давление — это давление атмосферы, действующее на все находящиеся на ней предметы и земную поверхность. Оно может меняться в зависимости от места и времени и измеряется барометром.

При нормальном атмосферном давлении 760 мм ртутного столба вода кипит при + 100 °C

В горной местности давление уменьшается, а под землей (в шахте) увеличивается.

Для наглядности предоставлена таблица № 1 из большого химического справочника, источник: Волков А. И, Жарский И. В.

Таблица № 1. «Температура кипения воды от давления».

Единицы измерения давления в таблице: кПа.

1 кПа = 1000 Па = 0,00986923 атм = 7, 50062 мм. рт. ст

Нормальное атмосферное давление составляет 765 мм. РТ. Ст. = 101,325 Р, кПа

Температура кипения в горах

При подъеме над поверхностью Земли (в горах), температура кипения воды падает, так как снижается атмосферное давление (на каждые 10, 5 м на 1 мм РТ. С). Пузырькам легче всплывать – процесс происходит быстрее.

Для варки мяса, как и других продуктов, нужны привычные 100 градусов. В обратном случае все компоненты бульона просто останутся сырыми.

Таблица № 2. «Как будет меняться t° кипения с высотой».

Температура кипения воды в шахте

Если спуститься в шахту, то давление будет увеличиваться.

Температура кипения воды в шахте зависит от глубины (при спуске на 300 м вода закипит при t 101°C, при глубине 600 метров -102 °C

Применение герметической крышки

Герметичные крышки не позволяет образовавшемуся пару ускользнуть. В среднем температура закипания воды увеличивается от 5-20 градусов.

В хозяйстве для приготовления блюд часто используют кастрюли, сковородки с герметичной крышкой. Таким образом, уменьшается время приготовления пищи за счет высокой температуры, а блюда получаются более вкусными. В горных районах с низким давлением это необходимая вещь для приготовления пищи. Так же используют мультиварки и сотейники.

Кипячение воды в вакууме

Вакуум — это среда с газом, с пониженным давлением.

1. низкий;
2. средний;
3. высокий;
4. сверхвысокий;
5. экстремальный;
6. космическое пространство;
7. абсолютный.

Температура кипения воды в вакууме зависит от того, какое давление в нём.

Разные виды вакуумов поддерживают разное давление. Например, в низком вакууме давление составляет от 760 до 25 мм. РТ. Ст. В абсолютном вакууме давление полностью отсутствует. Для точного расчета нужно знать модель вакуума и давление, которое он поддерживает.

Кипение солёной воды

Солёная вода закипает при более высокой температуре за счет своих свойств.

Соль увеличивает плотность воды, соответственно на процесс требуется больше времени.

t° повышается примерно на 1 градус при добавлении 40 грамм соли на литр воды.

Температура кипения воды в чайнике

Чистая пресная вода закипает в чайнике при t° 100 градусов °C при условиях нормального атм. давления 760 мм ртутного столба.

Удельная теплоемкость

Удельной теплоемкостью вещества называется количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг этого вещества, чтобы его температура изменилась на 1 градус Цельсия.

Это количество теплоты необходимое для нагревания массы вещества на один градус.

С — удельная теплоемкость;

— масса нагреваемого охлаждающегося вещества;

— ΔT — разность конечной и начальной температур вещества.

Процесс кипячения воды: 3 основных стадии

Кипение – это интенсивное парообразование, которое происходит при нагревании жидкости по всему объёму при определённой температуре.

Весь процесс кипения воды сопровождается выделением пара. Это одно из состояний воды. При парообразовании температура пара и воды остаются постоянными до тех пор, пока жидкость не изменит свое агрегатное состояние. Это явление объясняется тем, что при кипении вся энергия расходуется в преобразование воды в пар.

В воде растворены молекулы воздуха (газов). При нагревании газ превращается в воздушные пузырьки. При достижении достаточной температуры они лопаются, создаётся характерный шум.

Процесс можно разделить на 3 стадии:

1. Появление небольших пузырьков вдоль стенок сосуда. Их количество стремительно увеличивается.
2. Массовый подъем пузырьков и увлечения их объема. Помутнение воды, затем «побеление».
3. Интенсивное бурление. Пузырьки увеличиваются в размере, поднимаются и лопаются, выпуская пар. Слышен характерный звук кипения.

Что такое кипячёная вода?

Это вода, ранее доведенная до температуры кипения. Сырая вода в своем составе может содержать различные бактерии, микроорганизмы. В водопроводе больших городов много хлора и различных других химических веществ. Процесс кипячения обезвреживает многие микробы. Однако не все бактерии и тяжёлые металлы убиваются в кипящей воде, поэтому питьевая вода происходит предварительную проверку пригодности.

Выводы и рекомендации

Кипячение необходимый процесс для человечества. С помощью него приготавливают пищу, стирают загрязненную одежду, проводят дезинфекцию.

Градус кипения напрямую зависит от давления, свойств воды и емкости.

Источник