Нагревание воды в сосуде

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.

Виды вакуумов:

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;

Q — кол-во теплоты;

— 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.

Подготовлено специалистами www.vodasila.ru

Автор Марюшина Мария

Вода и водяной пар являются рабочим телом парогенераторов, паровых турбин, ядерных реакторов, конденсаторов, регенеративных и сетевых подогревателей и многих других теплоэнергетических элементов ТЭС, АЭС и ПГУ. Их свойства в значительной степени определяют конструкции этих элементов. Вода практически несжимаемая жидкость: при изменении давления в широких пределах её плотность изменяется очень мало.

Если воду нагреть в открытом сосуде (рис. 1.1), то при определённой температуре начинается её кипение и образование над её поверхностью пара. Температура кипящей воды и образующегося при кипении пара одинаковы и неизменны в процессе полного выкипания жидкости. Если описанный выше опыт поставить при атмосферном давлении (760 мм рт. ст.), то кипение и испарение будут происходить при 100 °С.

Рисунок 2.1. Нагревание воды в открытом сосуде

Эту температуру называют температурой кипения, или температурой насыщения и обозначают tн. Последнее название связано с тем, что при спокойном кипении над поверхностью воды образуется сухой насыщенный пар – пар, в котором отсутствуют капельки воды. Если температуру сухого насыщенного пара снизить (а это можно сделать только путём одновременного снижения давления), то часть пара сконденсируется, и в нём появятся капельки воды. Такой пар называется влажным. Если, наоборот, сухой насыщенный пар нагреть, то он окажется перегретым по отношению к состоянию насыщения.

Если снизить давление в сосуде, то кипение и испарение будут происходить при меньшей температуре. Это используется в так называемых вакуумных деаэраторах, установленных в системах подпитки теплосети: достаточно в сосуде (деаэраторе) создать давление в 0,5 кгс/см2 » 50 кПа, и она закипит всего при температуре 81 °С.

Наоборот, если повысить давление в сосуде, то она закипает и начинает испаряться при более высокой температуре. Это свойство широко используют в для стерилизации мединструментов при повышенной температуре в автоклавах, для быстрого приготовления пищи и т.д. Оно очень широко используется в различном оборудовании ТЭС. Например, в стандартном деаэраторе поддерживается давление 6 кгс/см2 » 0,6 МПа, и вода в нем закипает при нагреве до 159 °С.

В барабане барабанных котлов поддерживается давление 140 кгс/см2 = 13,7 МПа, и поэтому в нём генерируется насыщенный пар с температурой примерно 335 °С. В парогенераторах двухконтурных АЭС нагрев и испарение воды происходит при давлении 6 МПа, и поэтому температура образующегося насыщенного пара составляет 275,6 °С.

Необходимо отметить, что температура насыщения однозначно определяется давлением над её поверхностью. Эта связь показана на рис. 1.2.

Рисунок 2.2. Зависимость температуры насыщения пара от давления

Тепловая энергия, расходуемая на поддержание кипения в сосуде, затрачивается на разрыв связей между молекулами воды, т.е. на её испарение. Молекулы испарившейся жидкости обладают большей энергией на величину удельной теплоты парообразования r, представляющей собой количество тепловой энергии, необходимой для испарения 1 кг кипящей жидкости. Измеряется величина r в кДж/кг или ккал/кг.

Плотность сухого насыщенного пара, естественно, меньше, чем воды, и так же, как температура насыщения, она однозначно определяется давлением. Чем выше давление, тем больше плотность. При давлении pкр = 22,115 МПа плотность воды и сухого насыщенного пара совпадают, температура насыщения tн = tкр = 374,12 °С, а теплота парообразования r = 0. Столь своеобразное состояние, характеризуемое отмеченными параметрами, называется критическим, а они сами – критическими. В критическом состоянии плотность воды и пара совпадают и они по существу неразличимы.

История развития энергетики это история повышения параметров пара. С начала 60 годов 20 века в СССР (впервые в мировой энергетике) начался быстрый переход от докритических параметров (130 ат, 540О С) к сверхкритическим (СКД 240 ат, 540О С). В настоящее время мировая энергетика начала использовать супер – сверхкритические (ССКД) параметры пара: 300 ат, 600О С; затем 350 ат, 650О С; и уже имеются блоки, использующие пар с температурой до 700О С. Повышение параметров пара это один из наиболее эффективных способов повышения КПД ТЭС.

В турбины ТЭС и ТЭЦ, построенные на докритические параметры, поступает перегретый пар, температура которого больше температуры насыщения (при этом же давлении) на значение Dtп.

Поступивший в турбину пар расширяется в ней и в определённой точке турбины проходит через состояние насыщения, а затем становится влажным – смесью сухого насыщенного пара и капель воды. Содержание влаги на выходе из турбины (точнее – за её последними вращающимися лопатками) для её надёжной работы не должно превышать 10 – 13 %. Влажный пар из турбины поступает в конденсатор, где превращается в воду, имеющую температуру насыщения.