Нагревание жидкости в закрытом сосуде
Добрый день наш уважаемый читатель. Получая часто вопросы от наших клиентов в 90% процентов из всех случаев, мы даем быстрые, четкие и грамотные ответы нашему собеседнику. Дело в том, что нашего богатого опыта работа отлично хватает чтобы закрыть потребности среднестатистического клиента или спикера.
Развернуто и не очень мы уже отвечали в нашем блоге людям на следующие вопросы:
Поставленная задача
Сейчас перед нами встала следующая задача вот такого содержания: есть сосуд с неизменяемым объемом жидкости внутри него. Предположим, что сосуд состоит из обыкновенного железа, например, возьмем простой накопительный бойлер (V = 50 литров). Начальное давление в системе 2 атмосферы, начальная температура воды Т1 = 17 градусов цельсия, конечная температура после нагрева Т2 = 57 градусов цельсия. Исходные параметры могут быть разные, но конечная задача, на которую нужно получить ответ будет следующая: какое давление будет в закрытом сосуде при нагреве воды до указанной температуры Т2, если учесть, что краны на сосуде (вход и выход) находятся в положении закрыто, и начальный объем не изменяется??? Давление можно снимать (измерять) при помощи встроенного или выносного трубного манометра. Расширительного бака нет. Все для эксперимента.
Остаемся на связи в любой момент! Компания Монтажник работает для Вас!
Закон и формула Шарля
Начав решать эту задачу, каждый может прибегнуть к такому ответу: «да ладно, это же задачка за 7 класс, тут нужно применять формулу известного физика Шарля, Вы что учебник физики не читали?». Далее следует решение:
Формула: (273+t2)/(273+t1)=коэффициент увеличения давления от исходного.
(273+57)/(273+17)=330/290=1.13.
1.13 умножаем на 2 получаем что давление будет равно 2.26 после нагрева жидкости с 17 до 57 на 40 единиц.
Ну дела, вот же решение, зачем страдать дальше? Но нет друзья, это решение конечно же хорошее – но применимо только для изохорных идеальных газов, но не в коем случае не для жидкости, представленной у нас на примере воды.
Едем дальше изучая попутно других известных святил физики, и воуля мы натыкаемся на еще одно решение.
Для расчетов берем исходные данные из чего изготовлен сосуд, у нас это железо. Коэффициент объёмного расширения железа стабильно одинаковый, берем за основу среднее значение 0,000036, а вот коэффициент объема воды изменяется в зависимости от ее нагрева. Примерно 0,00015 при 20 градусах цельсия и 0,00045 при 60 градусах цельсия. Среднее значение путем сложения из двух данных получаем 0,00030.
Чтобы посчитать объем во сколько увеличиться объем в сосуде воспользуемся формулой: 1 + коэффициент расширения железа * (t2-t1).
В цифрах будет выглядеть так: 1 + 0,000036 * (57 – 17) = 1.002;
В качестве информационной нагрузки узнаем еще на сколько бы увеличился V воды если бы она была вне сосуда: 1 + 0,0003 * (57 – 17) = 1,012. Далее все упирается на сколько же прочный Ваш сосуд и не раздует ли его при повышении давления.
Чтобы узнать процентное увеличение объема воды с воздействием на сосуд воспользуемся следующей формулой подставим все цифры: 1,012 / 1,002 * 100 – 100 = 1 %.
Обратившись к учебнику физики, мы узнаем, что при давлении каждой атмосферы объем воды уменьшается на 0,000006. Например, 50 литров, при одной атмосфере сожмется на 0,001 и будет 49.999. Зато по сравнению с газами сжимаемость жидкостей действительно ничтожна: в десятки тысяч раз меньше.
Если объём воды при 2 атм = 50 литров, то при 500 атм объём станет примерно на 1 литр меньше. (разница в двух числах 2%).
1%/2% * 500 = 250 атмосфер, то значение при котором по идее должно разорвать Ваш бак и то давление которое будет у вас при нагреве. Честно, считаем это какой-то бред и не он никак не сочетается с реальными жизненными показателями, полученными в ходе эксперимента.
Изучав дальше интернет и опираясь на наши знания всех из коллег нашего отдела было перепробовано масса различных вариантов и изучено мнений других людей, которые потом можно было бы использоваться для выявления формулы по нашей задаче:
Вода при нагревании увеличивается в объеме до 4%, т.е. 50 наших литров должны превратиться в 52 литра за счет ее расширения, но применить данную теорию в нашем вопросе нам пока не удалось. Мы даже изучили соотношение плотности льда к плотности воды и поняли объем в этом случае увеличивается на 11 процентов.
Есть мнение (алгоритм) с нашей стороны что ни одну из формул применить тут нельзя, так как в баке или бойлере представленным нами невозможно заполнить его на все 100% жидкостью, какую часть в одной жидкости все равно будет составлять воздух, который в этом случае будет работать как расширительный бак и возможно поэтому те 800 атмосфер которые получаются у разных людей нормализуются тем количеством воздуха который содержаться в сосуде.
Если Вы физик или технически подкованный человек, разбираетесь в данном вопросе и готовы разрешить наш спор и получить ответ на поставленную задачу – ждем Ваших решений под этой записью в комментариях.
Со своей стороны хотим так же сказать, что при проведении реального эксперимента и нагрева воды в бойлере с 18-20 градусов до 50, давление поднялось по манометру с 1.5 очков (бар, атмосфер) примерно и до 5 бар.
Спасибо за проявленный труд, терпение и прочтение данной статьи. Надеемся что этот вопрос решится в ближайшее время и мы найдем грамотный ответ.
Всего Вам доброго и приятного дня.
Другие полезные записи в блоге – только для Вас!
- Котел КСУВ наружного размещения. Почему он является лучшим из всех? Технические особенности, выбор большинства организаций. Котельная больше не нужна. Устанавливай прямо со зданием.
- История на “миллион”, как мы помогли ДОЛ “Лесное озеро”. Крупный DIY проект России, сделай сам!
- Тепловой пункт: какой промышленный котел выбрать?
- Наглядный ремонт КЧМ руками наших специалистов.
- ОАО “Кировский завод” банкрот. Какая судьба ожидает котлы КЧМ-5, КЧМ-5К, КЧМ-7 Гном?
- Почему в котлах КЧМ-5К не используются колосники? Техническая информация и не только.
- Все основные запасные части к котлу КЧМ, артикулы, описание и много полезной информации.
- Лемакс – лучшее соотношение цена/качество в бытовых котлах.
- 1000 колосников на складе компании МОНТАЖНИК – новый завоз.
- Что такое колосник? Расскажем все очень подробно.
- Почему котлы ИШМА покупают 90 из 100 клиентов. Лучшее соотношение цены-качества.
- Лучший конкурент котла Buderus, Valliant, Protherm – это Кентатсу (Kentatsu) – или как мы его называем один в поле ВОИН! А так же там мы ответили на вопрос, что лучше русский КЧМ или Турецкояпонский гигант?
- Полная подробная инструкция по монтажу промышленных котлов
- Посмотреть все статьи и новости
Наши отправки (отгрузки), услуги и выполненные работы:
Статьи посвященные нашим отгрузкам не только поднимают наш авторитет как считаем мы, но они направлены на увеличение доверия со стороны потенциальных клиентов. Нам нечего скрывать – мы делимся с Вами своими продажами и успехами. У нас нет скрытых продаж и ухода от налогов. Мы стараемся делать наше с Вами сотрудничество и работу максимально прозрачными. Мы хотим чтобы Вы доверяли нашей команде!
Если у Вас есть идеи о том, о том что Вы бы хотели увидеть на нашем канале. То присылайте их на нашу легкую почту: 426909@bk.ru. Если Вам понравилась статья оцените ее, поставьте палец вверх слева экрана (если Вы читаете ее с компьютера), а также подпишитесь на наш блог, Вас ждет много полезной и интересной информации.
С вами на связи была компания ООО “Монтажник” – официальный дистрибьютор нескольких заводов изготовителей по всей стране. По вопросам приобретения котлов, насосов и другого сопутствующего оборудования (запчасти, дымоходы, автоматика) можете обращаться по телефонам: 8(47354) 2-55-25; 2-69-09 или на электронную почту: 426909@bk.ru или montagnikvrn@yandex.ru.
Наш логотип
Отзывы о нашей компании:
15 лет на рынке – ни одного плохого отзыва за все время работы.
Посмотреть все отзывы.
СПАСИБО ЧТО ОСТАЕТЕСЬ С НАМИ! Рассказывайте друзьям, делитесь материалом со своими знакомыми. Нам важен каждый.
Компания которая относится к своему клиенту с ДУШОЙ!
Заказ через наш интернет магазин
Источник
Жидкость не только
испаряется. При некоторой температуре она кипит.
Зависимость давления
насыщенного пара от температуры. Состояние насыщенного пара, как
показывает опыт (мы говорили об этом в предыдущем параграфе),
приближенно описывается уравнением состояния идеального газа (10.4), а
его давление определяется формулой
С ростом температуры давление растет. Так как давление
насыщенного пара не зависит от объема, то, следовательно, оно зависит
только от температуры.
Однако зависимость рн.п. от Т,
найденная экспериментально, не является прямо пропорциональной, как у
идеального газа при постоянном объеме. С увеличением температуры
давление реального насыщенного пара растет быстрее, чем давление
идеального газа (рис.11.1, участок кривой АВ).
Это становится очевидным, если провести изохоры идеального газа через
точки А и В (штриховые
прямые). Почему это происходит?
При нагревании жидкости в закрытом сосуде часть жидкости превращается
в пар. В результате согласно формуле (11.1) давление
насыщенного пара растет не только вследствие повышения температуры
жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности)
пара. В основном увеличение давления при повышении температуры
определяется именно увеличением концентрации. Главное различие в
поведении идеального газа и насыщенного пара состоит в том, что при
изменении температуры пара в закрытом сосуде (или при изменении объема
при постоянной температуре) меняется масса пара. Жидкость частично
превращается в пар, или, напротив, пар частично конденсируется. С
идеальным газом ничего подобного не происходит.
Когда вся жидкость испарится, пар при дальнейшем нагревании
перестанет быть насыщенным и его давление при постоянном объеме будет
возрастать прямо пропорционально абсолютной температуре (см. рис.11.1,
участок кривой ВС).
Кипение. По
мере увеличения температуры жидкости интенсивность испарения
увеличивается. Наконец, жидкость начинает кипеть. При кипении по всему
объему жидкости образуются быстро растущие пузырьки пара, которые
всплывают на поверхность. Температура кипения жидкости остается
постоянной. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия
расходуется на превращение ее в пар. При каких условиях начинается
кипение?
В жидкости всегда присутствуют растворенные газы, выделяющиеся на дне
и стенках сосуда, а также на взвешенных в жидкости пылинках, которые
являются центрами парообразования. Пары жидкости, находящиеся внутри
пузырьков, являются насыщенными. С увеличением температуры давление
насыщенных паров возрастает и пузырьки увеличиваются в размерах. Под
действием выталкивающей силы они всплывают вверх. Если верхние слои
жидкости имеют более низкую температуру, то в этих слоях происходит
конденсация пара в пузырьках. Давление стремительно падает, и пузырьки
захлопываются. Захлопывание происходит настолько быстро, что стенки
пузырька, сталкиваясь, производят нечто вроде взрыва. Множество таких
микровзрывов создает характерный шум. Когда жидкость достаточно
прогреется, пузырьки перестанут захлопываться и всплывут на поверхность.
Жидкость закипит. Понаблюдайте внимательно за чайником на плите. Вы
обнаружите, что перед закипанием он почти перестает шуметь.
Зависимость давления насыщенного пара от температуры объясняет,
почему температура кипения жидкости зависит от давления на ее
поверхность. Пузырек пара может расти, когда давление насыщенного пара
внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое
складывается из давления воздуха на поверхность жидкости (внешнее
давление) и гидростатического давления столба жидкости.
Обратим внимание на то, что испарение жидкости происходит при
температурах, меньших температуры кипения, и только с поверхности
жидкости, при кипении образование пара происходит по всему объему
жидкости.
Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного
пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости.
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 в
герметически закрытых сосудах – автоклавах (рис.11.2) кипение
воды также происходит при повышенном давлении. Поэтому температура
кипения жидкости значительно выше 100°С. Автоклавы применяют для
стерилизации хирургических инструментов и др.
И наоборот, уменьшая
внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения.
Откачивая насосом воздух и пары воды из колбы, можно заставить воду
кипеть при комнатной температуре (рис.11.3). При подъеме в горы
атмосферное давление уменьшается, поэтому уменьшается температура
кипения. На высоте 7134 м (пик Ленина на Памире) давление приближенно
равно 4•104 Па
(300 мм рт. ст.). Вода кипит там примерно при 70°С. Сварить мясо в этих
условиях невозможно.
У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления
ее насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже
температура кипения жидкости, так как при меньших температурах давление
насыщенного пара становится равным атмосферному. Например, при
температуре кипения 100°С давление насыщенных паров воды равно 101 325
Па (760 мм рт. ст.), а паров ртути – всего лишь 117 Па (0,88 мм рт.
ст.). Кипит ртуть при температуре 357°С при нормальном давлении.
Жидкость закипает, когда давление ее насыщенного пара становится
равно давлению внутри жидкости.
Источник
Что это за явление?
Кипение — это процесс перехода воды из жидкого агрегатного состояния в газообразное, то есть ее превращение в пар.
От обычного испарения оно отличается высокой степенью интенсивности: если на испарение воды может потребоваться несколько дней или недель, то выкипеть такой же ее объем сможет за считанные часы.
При необходимости ёмкость можно прикрыть, тогда часть пара будет конденсироваться обратно, становясь капельками воды.
Процесс кипения условно можно разделить на два этапа:
- сначала вода нагревается до нужной температуры (при нормальном атмосферном давлении — это 100 градусов Цельсия),
- потом происходит её превращение в пар, в течение которого показания термометра уже не меняются.
Однако источник тепла нужен даже на этой стадии, ведь парообразование тоже требует энергетических затрат.
Какие факторы влияют на закипание?
На кипение влияет множество факторов:
- количество воды;
- наличие примесей;
- емкость, в которой она содержится;
- температура окружающей среды;
- высота, где происходит кипячение;
- давление атмосферы;
- мощность источника тепла.
Чем выше изначальная температура воды и воздуха вокруг, тем быстрее начнётся кипение: на нагревание будет затрачено меньше энергии, а значит, меньше времени уйдёт на её получение.
Также часть тепла забирает ёмкость, в которой содержится вода, ведь она должна дойти до нужной температуры ещё раньше, чем ее содержимое. Поэтому посуда с более тонкими стенками, сделанная из легко проводящего тепло материала, например, металла, лучше подходит для кипячения.
От массы, а значит и от объёма вещества, кипение находится в обратной зависимости. Чем больше вес, тем больше энергии требуется на его нагревание, тем дольше будет необходимо ждать.
При прочих равных условиях вода без соли и других примесей закипает несколько быстрее, чем солёная. Однако, если концентрация соли очень низкая, этой разницы может быть практически незаметно.
Давление также влияет на процесс. Чем оно выше, тем дольше будет закипать вода, потому что давление атмосферы как бы удерживает пузырьки газа внутри, а испаряться она начинает тогда, когда давление пара уравнивается с атмосферным.
Соответственно, влияние оказывает также высота, на которой происходит кипячение, ведь с высотой давление уменьшается, как и температура кипения, потому что слой атмосферы сверху становится тоньше.
Эта разница мало заметна, если сравнивать первый этаж жилого дома с пятым, однако становится ощутима, если речь идёт, например, о подъеме в горы.
В вакууме температура кипения всех веществ очень сильно снижается из-за понижения давления, обычно отличие составляет 100-200 градусов. Для воды она стремится к нулю по мере уменьшения количества воздуха, оставшегося в сосуде.
Не менее важны характеристики источника тепла. Чем больше его мощность, то есть количество выделяемой им энергии за единицу времени, тем быстрее идет процесс кипячения. На практике это означает, что на более сильном огне или при большей температуре конфорки на электроплите вода закипит скорее.
Сколько по времени закипает?
Становится понятно, что время кипения сильно зависит от условий, при которых оно происходит.
Чтобы узнать количество времени (секунд) точно до закипания, можно воспользоваться формулой: t= (c1m1t°C1+ c2m2t°C2 +Lm) / N
Величины:
- c1, L — табличные величины, теплоемкость и удельная теплота парообразования воды;
- m1 — ее масса;
- t°C — разница между изначальной и нужной для кипения температурой;
- N — мощность нагревательного прибора;
- m2 и c2 — характеристики емкости, в которой проводится кипячение (масса и теплоемкость).
Даже эта формула учитывает не все, ведь также существуют потери тепла, которое уходит в окружающую среду.
Однако такая точность редко бывает нужна в быту, кроме того, необходимые данные для расчётов получить затруднительно. Чаще всего кипение литра воды на плите при достаточно большом огне занимает около 10 минут. Здесь некоторую роль играет материал, из которого сделана посуда. Быстрее всего нагревается металл.
Как понять, что жидкость кипит?
По мере приближения к точке кипения в воде появляется все больше пузырьков. Сначала их можно увидеть на стенках сосуда, а потом они начинают всплывать на поверхность, отчего она становится неровной. Пропустить этот момент сложно из-за характерного бурления.
Присмотревшись, над поверхностью воды можно будет увидеть поднимающийся пар. Если нет цели заставить воду выкипать, стоит снять её с плиты.
Даже спустя некоторое время после этого испарение будет продолжаться, потому что температура не сразу опустится ниже точки кипения. Например, от чашки горячего чая еще некоторое время идет пар.
Как быстро остывает после?
Остывание зависит от тех же факторов, что и нагрев: от объема, температуры окружающей среды.
Например, электрочайник, вскипевший за пять минут, будет остывать около двух часов, чтобы дойти до комнатной температуры.
Если объем воды большой, то остывание при прочих равных займет более длительный промежуток времени, а чем холоднее воздух вокруг, тем быстрее охладится и сам кипяток. Его температура будет опускаться до того момента, пока не сравняется с окружающей.
Нюансы процесса
Кипение воды в чайнике и кастрюле немного различается между собой, но в обоих случаях оно происходит при 100 градусах. Рассмотрим особенности каждого процесса.
В чайнике
В электрическом чайнике процесс пойдёт быстрее, чем при кипячении в кастрюле, он займёт 3-4 минуты, точное время зависит от конкретной модели и ее мощности. Не потребуется даже выключать прибор – он сделает это автоматически.
Обычный чайник несильно отличается от металлической кастрюли похожей конфигурации и размера, поэтому время закипания у них приблизительно одинаково.
Свист, которым чайник оповещает, что вода кипит, связан с прохождением пара через крышку на его носике.
В кастрюле
При таком способе кипячения ждать потребуется дольше – около 10 мин. Лучше всего подойдет металлическая кастрюля, она нагреется быстрее, чем емкости из других материалов.
Не стоит наполнять ее до самого верха, потому что в таком случае при кипении брызги будут выплескиваться на плиту. Момент закипания сопровождается громким бурлением. Почти сразу после этого воду можно выключать.
Если накрыть кастрюлю крышкой, можно ускорить нагрев и закипание воды, потому что снизится количество тепла, уходящего в окружающую среду. Однако желательно оставить щель, через которую будет выходить пар.
Видео по теме статьи
О кипении жидкости расскажет видео:
Заключение
Хотя с точки зрения физики кипение — далеко не самый сложный процесс, говорить о нем можно долго, так как он связан со множеством факторов, под воздействием которых особенности его протекания несколько отличаются.
Даже общие знания из этой области могут быть полезны и найдут практическое применение, ведь в быту с необходимостью вскипятить воду регулярно сталкивается каждый.
А какова Ваша оценка данной статье?
Источник