Ciepło właściwe parowania wody w różnych temperaturach. Jakie jest ciepło właściwe waporyzacji i jak je określać

W tej lekcji zwrócimy uwagę na taki rodzaj waporyzacji jak gotowanie, omówimy jego różnice w stosunku do rozważanego wcześniej procesu parowania, wprowadzimy taką wartość jak temperatura wrzenia i omówimy od czego to zależy. Na końcu lekcji przedstawimy bardzo ważną wielkość opisującą proces waporyzacji - ciepło właściwe parowania i kondensacji.

Temat: Zagregowane stany materii

Lekcja: gotować. Ciepło właściwe parowania i kondensacji

W ostatniej lekcji omówiliśmy już jeden z rodzajów waporyzacji - parowanie - i podkreśliliśmy właściwości tego procesu. Dzisiaj omówimy taki rodzaj waporyzacji, jak proces wrzenia, oraz wprowadzimy wartość liczbowo charakteryzującą proces waporyzacji – ciepło właściwe waporyzacji i kondensacji.

Definicja.Wrzenie(ryc. 1) to proces intensywnego przejścia cieczy w stan gazowy, któremu towarzyszy tworzenie się pęcherzyków pary i zachodzący w całej objętości cieczy w określonej temperaturze, która nazywana jest temperaturą wrzenia.

Porównajmy ze sobą dwa rodzaje waporyzacji. Proces wrzenia jest intensywniejszy niż proces parowania. Ponadto, jak pamiętamy, proces parowania zachodzi w dowolnej temperaturze powyżej temperatury topnienia, a proces wrzenia - ściśle w określonej temperaturze, która jest różna dla każdej z substancji i nazywana jest temperaturą wrzenia. Należy również zauważyć, że parowanie następuje tylko z wolnej powierzchni cieczy, czyli z obszaru, który ją odgranicza od otaczających gazów, a wrzenie następuje natychmiast z całej objętości.

Rozważmy bardziej szczegółowo przebieg procesu wrzenia. Wyobraźmy sobie sytuację, z którą wielu z nas wielokrotnie się spotykało - jest to podgrzewanie i gotowanie wody w pewnym naczyniu, na przykład w rondlu. Podczas ogrzewania do wody zostanie oddana pewna ilość ciepła, co spowoduje wzrost jej energia wewnętrzna oraz wzrost aktywności ruchu cząsteczek. Proces ten będzie przebiegał do pewnego etapu, aż energia ruchu molekularnego stanie się wystarczająca do rozpoczęcia wrzenia.

W wodzie znajdują się rozpuszczone gazy (lub inne zanieczyszczenia), które uwalniają się w jej strukturze, co prowadzi do powstawania tzw. ośrodków parowania. Oznacza to, że w tych ośrodkach uwalniana jest para, a w całej objętości wody tworzą się bąbelki, które obserwuje się podczas wrzenia. Ważne jest, aby zrozumieć, że te pęcherzyki nie są powietrzem, ale parą, która powstaje podczas procesu wrzenia. Po utworzeniu bąbelków ilość zawartej w nich pary wzrasta i zaczynają się zwiększać. Często bąbelki początkowo tworzą się w pobliżu ścian naczynia i nie wypływają natychmiast na powierzchnię; najpierw, powiększając się, znajdują się pod wpływem rosnącej siły Archimedesa, a następnie odrywają się od ściany i unoszą na powierzchnię, gdzie pękają i uwalniają porcję pary.

Należy zauważyć, że nie wszystkie pęcherzyki pary od razu docierają na wolną powierzchnię wody. Na początku procesu wrzenia woda jeszcze nie jest równomiernie nagrzana, a warstwy dolne, w pobliżu których zachodzi proces wymiany ciepła, są jeszcze gorętsze niż górne, nawet biorąc pod uwagę proces konwekcji. Prowadzi to do tego, że unoszące się od dołu pęcherzyki pary zapadają się na skutek zjawiska napięcia powierzchniowego, nie docierając jeszcze do swobodnej powierzchni wody. Jednocześnie para znajdująca się wewnątrz bąbelków przechodzi do wody, tym samym dodatkowo ją podgrzewając i przyspieszając proces równomiernego nagrzewania wody w całej objętości. W efekcie, gdy woda jest podgrzewana niemal równomiernie, prawie wszystkie pęcherzyki pary zaczynają docierać do powierzchni wody i rozpoczyna się proces intensywnego waporyzacji.

Należy podkreślić, że temperatura, w której zachodzi proces wrzenia, pozostaje niezmieniona nawet w przypadku zwiększenia intensywności dostarczania ciepła do cieczy. W prostych słowach Jeżeli w trakcie gotowania do palnika zostanie dodany gaz, który podgrzewa garnek z wodą, to tylko zwiększy intensywność gotowania, a nie podwyższy temperaturę płynu. Jeśli poważniej zagłębimy się w proces wrzenia, warto zauważyć, że istnieją obszary w wodzie, w których można ją przegrzać powyżej temperatury wrzenia, ale wielkość takiego przegrzania z reguły nie przekracza jednej lub kilku stopni i jest nieistotny w całkowitej objętości cieczy. Temperatura wrzenia wody pod normalnym ciśnieniem wynosi 100°C.

W trakcie gotowania wody można zauważyć, że towarzyszą jej charakterystyczne odgłosy tzw. wrzenia. Dźwięki te powstają właśnie z powodu opisanego procesu zapadania się pęcherzyków pary.

Procesy gotowania innych płynów przebiegają tak samo jak gotowanie wody. Główną różnicą w tych procesach są różne temperatury wrzenia substancji, które przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym są już zmierzone wartościami tabelarycznymi. Wskażmy główne wartości tych temperatur w tabeli.

Ciekawostką jest to, że temperatura wrzenia cieczy zależy od wartości ciśnienia atmosferycznego, dlatego wskazaliśmy, że wszystkie wartości w tabeli podane są przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym. Wraz ze wzrostem ciśnienia powietrza wzrasta również temperatura wrzenia cieczy, a gdy spada, wręcz przeciwnie, maleje.

Na tej zależności temperatury wrzenia od ciśnienia środowisko w oparciu o zasadę działania tak dobrze znanego sprzęt kuchenny jak szybkowar (rys. 2). Jest to patelnia ze szczelnie dopasowaną pokrywką, pod którą w procesie odparowywania wody ciśnienie powietrza z parą dochodzi do 2 ciśnień atmosferycznych, co prowadzi do wzrostu temperatury wrzenia zawartej w nim wody do . Dzięki temu woda z zawartym w niej jedzeniem ma możliwość podgrzania się do temperatury wyższej niż zwykle (), a proces gotowania zostaje przyspieszony. Dzięki temu efektowi urządzenie otrzymało swoją nazwę.

Ryż. 2. Szybkowar ()

Sytuacja ze spadkiem temperatury wrzenia cieczy wraz ze spadkiem ciśnienia atmosferycznego również ma przykład z życia, ale dla wielu już nie codzienny. Ten przykład dotyczy podróży wspinaczy po wyżynach. Okazuje się, że na obszarze położonym na wysokości 3000-5000 m temperatura wrzenia wody, ze względu na spadek ciśnienia atmosferycznego, spada do jeszcze niższych wartości, co prowadzi do trudności w gotowaniu na wędrówkach, ponieważ dla efektywnego obróbka cieplna produkty w tym przypadku zajmuje to znacznie więcej czasu niż w normalnych warunkach. Na wysokości około 7000 m temperatura wrzenia wody sięga , co uniemożliwia gotowanie wielu produktów w takich warunkach.

W tym punkcie wrzenia różne substancje różnią się, niektóre technologie separacji substancji są oparte. Na przykład, jeśli weźmiemy pod uwagę podgrzewanie oleju, który jest złożoną cieczą składającą się z wielu składników, to w procesie wrzenia można go podzielić na kilka różnych substancji. W tym przypadku, ze względu na to, że temperatury wrzenia nafty, benzyny, benzyny ciężkiej i oleju opałowego są różne, można je od siebie oddzielić przez odparowanie i kondensację w różnych temperaturach. Proces ten jest zwykle określany jako frakcjonowanie (ryc. 3).

Ryż. 3 Rozdzielanie oleju na frakcje ()

Jak każdy proces fizyczny, wrzenie należy scharakteryzować jakąś wartością liczbową, taką wartość nazywamy ciepłem właściwym parowania.

Aby zrozumieć fizyczne znaczenie tej wartości rozważmy następujący przykład: weź 1 kg wody i doprowadź ją do temperatury wrzenia, następnie zmierz ile ciepła potrzeba do całkowitego odparowania tej wody (bez strat ciepła) - wartość ta będzie równa ciepłu właściwemu parowanie wody. Dla innej substancji ta wartość ciepła będzie inna i będzie ciepłem właściwym parowania tej substancji.

Ciepło właściwe waporyzacji okazuje się być bardzo ważną cechą w nowoczesne technologie produkcja metali. Okazuje się, że np. podczas topienia i odparowywania żelaza, a następnie jego kondensacji i krzepnięcia, kryształowa komórka o strukturze zapewniającej wyższą wytrzymałość niż oryginalna próbka.

Przeznaczenie: ciepło właściwe parowania i kondensacji (czasami oznaczane jako ).

jednostka miary: .

Ciepło właściwe parowania substancji określa się eksperymentalnie w warunkach laboratoryjnych, a jego wartości dla głównych substancji podano w odpowiedniej tabeli.

Substancja

Wrzenie to intensywne parowanie, które następuje, gdy ciecz jest podgrzewana nie tylko z powierzchni, ale także z jej wnętrza.

Wrzenie następuje wraz z pochłanianiem ciepła.
Większość dostarczonego ciepła jest zużywana na zerwanie wiązań między cząsteczkami substancji, reszta - na pracę wykonaną podczas rozprężania pary.
W rezultacie energia interakcji między cząstkami pary staje się większa niż między cząstkami cieczy, więc energia wewnętrzna pary jest większa niż energia wewnętrzna cieczy w tej samej temperaturze.
Ilość ciepła potrzebną do przekształcenia cieczy w parę podczas procesu wrzenia można obliczyć za pomocą wzoru:

gdzie m jest masą cieczy (kg),
L to ciepło właściwe parowania.

Ciepło właściwe waporyzacji pokazuje, ile ciepła potrzeba, aby zamienić 1 kg danej substancji w parę o temperaturze wrzenia. Jednostka ciepło właściwe waporyzacja w układzie SI:
[ L ] = 1 J/kg
Wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta temperatura wrzenia cieczy, a ciepło właściwe parowania maleje i odwrotnie.

Podczas gotowania temperatura cieczy nie zmienia się.
Temperatura wrzenia zależy od ciśnienia wywieranego na ciecz.
Każda substancja pod tym samym ciśnieniem ma swoją własną temperaturę wrzenia.
Wraz ze wzrostem ciśnienia atmosferycznego wrzenie zaczyna się w wyższej temperaturze, ze spadkiem ciśnienia - odwrotnie.
Na przykład woda wrze w temperaturze 100°C tylko przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym.

CO DZIEJE SIĘ WE WNĘTRZU PŁYNU PODCZAS GOTOWANIA?

Wrzenie to przejście cieczy w parę z ciągłym tworzeniem i wzrostem pęcherzyków pary w cieczy, wewnątrz której ciecz odparowuje. Na początku grzania woda jest nasycona powietrzem i ma temperatura pokojowa. Gdy woda jest podgrzewana, rozpuszczony w niej gaz uwalnia się na dnie i ściany naczynia, tworząc pęcherzyki powietrza. Zaczynają pojawiać się na długo przed gotowaniem. Woda paruje w te bąbelki. Pęcherzyk wypełniony parą zaczyna się nadmuchiwać w wystarczająco wysokiej temperaturze.

Po osiągnięciu pewnego rozmiaru odrywa się od dna, unosi się na powierzchnię wody i pęka. W takim przypadku para opuszcza ciecz. Jeśli woda nie zostanie wystarczająco podgrzana, pęcherzyk pary, unoszący się w zimne warstwy, zapada się. Powstałe wahania wody prowadzą do pojawienia się ogromnej liczby małych pęcherzyków powietrza w całej objętości wody: tak zwanego „białego klucza”.

Siła nośna działa na pęcherzyk powietrza na dnie naczynia:
Fpod \u003d Farchimede - Fgravity
Bańka jest dociskana do dna, ponieważ siły nacisku nie działają na dolną powierzchnię. Po podgrzaniu pęcherzyk rozszerza się z powodu uwolnienia do niego gazu i odrywa się od dna, gdy siła podnoszenia jest nieco większa niż siła nacisku. Wielkość bańki, która może oderwać się od dna, zależy od jej kształtu. Kształt pęcherzyków na dnie zależy od zwilżalności dna naczynia.

Niejednorodność zwilżania i zlewanie się pęcherzyków na dnie prowadziło do wzrostu ich wielkości. Na duże rozmiary Gdy za nią unosi się bańka, powstają puste przestrzenie, luki i wiry.

Kiedy bańka pęka, cała otaczająca ją ciecz wpada do środka i pojawia się fala pierścieniowa. Zamykając, wyrzuca słup wody.

Kiedy pękające bąbelki zapadają się w cieczy, rozchodzą się fale uderzeniowe o częstotliwościach ultradźwiękowych, którym towarzyszy słyszalny hałas. Początkowe etapy wrzenia charakteryzują się najgłośniejszymi i wysokie dźwięki(na scenie " biały klawisz"czajnik" śpiewa ").

(źródło: virlib.eunnet.net)

WYKRES TEMPERATUR ZMIAN ZAGREGOWANYCH STANÓW WODY

ZOBACZ REGAŁ!

CIEKAWE

Dlaczego w pokrywce czajnika jest dziura?
Aby uwolnić parę. Bez dziury w pokrywce para może chlapać wodą na dziobek czajnika.
___

Czas gotowania ziemniaków od momentu ugotowania nie zależy od mocy grzałki. Czas trwania zależy od czasu przebywania produktu w temperaturze wrzenia.
Moc grzałki nie wpływa na temperaturę wrzenia, a jedynie na szybkość parowania wody.

Gotowanie może spowodować zamarznięcie wody. W tym celu konieczne jest wypompowanie powietrza i pary wodnej z naczynia, w którym znajduje się woda, tak aby woda cały czas wrzała.

"Garnki łatwo gotują się na krawędzi - na złą pogodę!"
Towarzyszący pogarszającej się pogodzie spadek ciśnienia atmosferycznego powoduje, że mleko szybciej „ucieka”.
___

Bardzo gorącą wrzącą wodę można uzyskać na dnie kopalń głębinowych, gdzie ciśnienie powietrza jest znacznie większe niż na powierzchni Ziemi. Tak więc na głębokości 300 m woda wrze w 101 ͦ C. Przy ciśnieniu powietrza 14 atmosfer woda wrze w 200 ͦ C.
Pod dzwonem pompy powietrza można dostać „wrzącą wodę” o temperaturze 20ͦC.
Na Marsie pilibyśmy „wrzącą wodę” o temperaturze 45 C.
Słona woda wrze powyżej 100 ͦ C. ___

W rejonach górskich na znacznych wysokościach, pod zmniejszonym ciśnieniem atmosferycznym, woda wrze w temperaturach niższych niż 100 ͦ Celsjusza.

Oczekiwanie na ugotowanie takiego posiłku trwa dłużej.

Wlej zimno ... i się zagotuje!

Normalnie woda wrze w 100 stopniach Celsjusza. Podgrzej wodę w kolbie na palniku do wrzenia. Wyłączmy palnik. Woda przestaje się gotować. Zamykamy kolbę korkiem i zaczynamy ostrożnie nalewać na korek zimną wodę. Co to jest? Woda znów się gotuje!

..............................

pod odrzutowcem zimna woda w kolbie trochę wody, a wraz z nią para wodna zaczyna się ochładzać.
Zmniejsza się objętość pary i zmienia się ciśnienie nad powierzchnią wody...
Jak myślisz, w jakim kierunku?
... Temperatura wrzenia wody pod zmniejszonym ciśnieniem to mniej niż 100 stopni, a woda w kolbie znów się zagotuje!
____

Podczas gotowania ciśnienie wewnątrz garnka – „szybkowaru” – wynosi około 200 kPa, a zupa w takim garnku gotuje się znacznie szybciej.

Wodę można nabrać do strzykawki do około połowy, zamknąć ją tym samym korkiem i mocno pociągnąć za tłok. W wodzie pojawi się dużo bąbelków, co oznacza, że rozpoczął się proces gotowania wody (i to w temperaturze pokojowej!).
___

Gdy substancja przechodzi w stan gazowy, jej gęstość zmniejsza się około 1000 razy.
___

Pierwsze czajniki elektryczne miały pod spodem grzałki. Woda nie miała kontaktu z grzałką i gotowała się bardzo długo. W 1923 Arthur Large dokonał odkrycia: umieścił grzejnik w specjalnym miedziana rura i umieścił go w czajniczku. Woda szybko się zagotowała.

Puszki samoschładzające do napojów bezalkoholowych zostały opracowane w USA. W słoiku zamontowana jest komora z płynem niskowrzącym. Jeśli zmiażdżysz kapsułkę w upalny dzień, płyn zacznie gwałtownie wrzeć, odbierając ciepło zawartości słoika, a po 90 sekundach temperatura napoju spada o 20-25 stopni Celsjusza.

CZEMU?

Czy uważasz, że można ugotować jajko na twardo, jeśli woda wrze w temperaturze niższej niż 100 stopni Celsjusza?
____

Czy woda zagotuje się w garnku pływającym w innym garnku z wrzącą wodą?
Czemu? ___

Czy można zagotować wodę bez podgrzewania?

Ta wiedza szybko zanika, a ludzie stopniowo przestają zwracać uwagę na istotę znanych nam zjawisk. Czasami warto przywołać wiedzę teoretyczną.

Definicja

Co to jest czyrak? Jest to proces fizyczny, podczas którego następuje intensywne parowanie zarówno na swobodnej powierzchni cieczy, jak i wewnątrz jej struktury. Jedną z oznak wrzenia jest tworzenie się bąbelków, które składają się z pary nasyconej i powietrza.

Warto zwrócić uwagę na istnienie czegoś takiego jak temperatura wrzenia. Szybkość tworzenia pary zależy również od ciśnienia. Musi być trwały. Z reguły główna cecha cieczy substancje chemiczne to temperatura wrzenia przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym. Jednak na ten proces mogą również wpływać takie czynniki, jak intensywność fale dźwiękowe, jonizacja powietrza.

Etapy wrzenia wody

Para z pewnością zacznie się tworzyć podczas zabiegu takiego jak ogrzewanie. Gotowanie polega na przejściu cieczy przez 4 etapy:

Na dnie naczynia, a także na jego ścianach zaczynają tworzyć się małe bąbelki. Wynika to z faktu, że w pęknięciach materiału, z którego wykonany jest pojemnik, zawarte jest powietrze, które pod wpływem wysokiej temperatury rozszerza się.
Bąbelki zaczynają zwiększać swoją objętość, w wyniku czego wybijają się na powierzchnię wody. Jeśli Górna warstwa ciecz nie osiągnęła jeszcze temperatury wrzenia, wgłębienia opadają na dno, po czym zaczynają ponownie się unosić. Proces ten prowadzi do powstania fal dźwiękowych. Dlatego słyszymy hałas, gdy woda się gotuje.
Wypływa na powierzchnię największa liczba bąbelki, co sprawia wrażenie Po tym płyn blednie. Rozważając efekt wizualny, ten etap wrzenia nazywany jest „białym kluczem”.
Następuje intensywne wrzenie, któremu towarzyszy tworzenie się dużych bąbelków, które szybko pękają. Procesowi temu towarzyszy pojawianie się rozprysków, a także intensywne tworzenie się pary.

Ciepło właściwe waporyzacji

Niemal codziennie mamy do czynienia z takim zjawiskiem jak gotowanie. Ciepło właściwe parowania to wielkość fizyczna, która określa ilość ciepła. Z jej pomocą płynna substancja można przekonwertować na par. Aby obliczyć ten parametr, musisz podzielić ciepło parowania przez masę.

Jak jest pomiar

Określony wskaźnik jest mierzony w laboratorium poprzez przeprowadzenie odpowiednich eksperymentów. Należą do nich:

odmierzona wymagana ilość płyn, który następnie wlewa się do kalorymetru;
przeprowadzany jest wstępny pomiar temperatury wody;
na palniku instaluje się kolbę z umieszczoną w niej wcześniej substancją badaną;
para emitowana przez badaną substancję jest wprowadzana do kalorymetru;
temperatura wody jest ponownie mierzona;
kalorymetr jest ważony, co umożliwia obliczenie masy skroplonej pary.

tryb wrzenia bąbelkowego

Zajmując się pytaniem, czym jest gotowanie, warto zauważyć, że ma ono kilka trybów. Tak więc po podgrzaniu para może tworzyć się w postaci bąbelków. Okresowo rosną i pękają. Ten tryb wrzenia nazywa się musującym. Zazwyczaj wnęki wypełnione parą tworzą się właśnie na ściankach naczynia. Wynika to z tego, że zwykle są przegrzane. To jest warunek konieczny do gotowania, bo w przeciwnym razie bąbelki zapadną się, nie osiągając dużych rozmiarów.

Tryb wrzenia filmu

Co to jest czyrak? Najprościej wyjaśnić ten proces jako waporyzację w określonej temperaturze i stałym ciśnieniu. Oprócz trybu bąbelkowego wyróżnia się również tryb filmowy. Jego istota polega na tym, że podczas wzmacniania Przepływ ciepła pojedyncze pęcherzyki łączą się, tworząc warstwę pary na ściankach naczynia. Po osiągnięciu krytycznego wskaźnika przebijają się na powierzchnię wody. Ten tryb wrzenia różni się tym, że stopień przenoszenia ciepła ze ścian naczynia do samej cieczy jest znacznie zmniejszony. Powodem tego jest ten sam film parowy.

Temperatura wrzenia

Należy zauważyć, że istnieje zależność temperatury wrzenia od ciśnienia wywieranego na powierzchnię ogrzanej cieczy. Tak więc ogólnie przyjmuje się, że woda wrze po podgrzaniu do 100 stopni Celsjusza. Niemniej jednak wskaźnik ten można uznać za sprawiedliwy tylko wtedy, gdy wskaźnik ciśnienia atmosferycznego zostanie uznany za normalny (101 kPa). Jeśli wzrośnie, temperatura wrzenia również zmieni się w górę. Czyli np. w popularnych szybkowarach ciśnienie wynosi około 200 kPa. W ten sposób temperatura wrzenia wzrasta o 20 punktów (do 20 stopni).

Obszary górskie można uznać za przykład niskiego ciśnienia atmosferycznego. Tak więc, biorąc pod uwagę, że jest tam dość mały, woda zaczyna wrzeć w temperaturze około 90 stopni. Mieszkańcy takich terenów muszą poświęcać znacznie więcej czasu na przygotowywanie posiłków. Na przykład, aby ugotować jajko, będziesz musiał podgrzać wodę o co najmniej 100 stopni, w przeciwnym razie białko się nie zwinie.

Temperatura wrzenia substancji zależy od ciśnienia pary nasyconej. Jego wpływ na temperaturę jest odwrotnie proporcjonalny. Na przykład rtęć wrze po podgrzaniu do 357 stopni Celsjusza. Można to wytłumaczyć faktem, że ciśnienie pary nasyconej wynosi tylko 114 Pa (dla wody liczba ta wynosi 101 325 Pa).

Gotowanie w różnych warunkach

W zależności od warunków i stanu cieczy temperatura wrzenia może się znacznie różnić. Na przykład warto dodać sól do płynu. Jony chloru i sodu znajdują się pomiędzy cząsteczkami wody. Tak więc gotowanie wymaga o rząd wielkości więcej energii, a zatem i czasu. Ponadto taka woda wytwarza znacznie mniej pary.

Czajnik służy do gotowania wody w warunki życia. Jeśli używany jest czysty płyn, to temperatura tego procesu wynosi standardowe 100 stopni. W podobnych warunkach wrze woda destylowana. Jednak zajmie to trochę mniej czasu, jeśli weźmiesz pod uwagę brak obcych zanieczyszczeń.

Jaka jest różnica między wrzeniem a parowaniem

Za każdym razem, gdy woda się zagotuje, do atmosfery uwalniana jest para. Ale tych dwóch procesów nie można zidentyfikować. Są to tylko sposoby na waporyzację, która zachodzi w określonych warunkach. Tak więc gotowanie jest pierwszym rodzajem. Proces ten jest intensywniejszy niż z powodu tworzenia się kieszeni parowych. Warto również zauważyć, że proces parowania zachodzi wyłącznie na powierzchni wody. Gotowanie dotyczy całej objętości płynu.

Od czego zależy parowanie?

Parowanie to proces przekształcania cieczy lub ciała stałego w stan gazowy. Następuje „ucieczka” atomów i cząsteczek, których połączenie z resztą cząstek ulega osłabieniu pod wpływem określonych warunków. Szybkość parowania może się różnić pod wpływem następujących czynników:

powierzchnia cieczy;
temperatura samej substancji, a także środowiska;
prędkość ruchu cząsteczek;
rodzaj substancji.

Energia wrzącej wody jest powszechnie wykorzystywana przez człowieka w życiu codziennym. Proces ten stał się tak powszechny i znajomy, że nikt nie myśli o jego naturze i cechach. Niemniej jednak z gotowaniem wiąże się szereg ciekawostek:

Zapewne wszyscy zauważyli, że w pokrywce czajnika jest dziura, ale niewiele osób myśli o jej przeznaczeniu. Odbywa się to w celu częściowego uwolnienia pary. W przeciwnym razie woda może wytrysnąć przez dziobek.
Czas gotowania ziemniaków, jajek i innych artykułów spożywczych nie zależy od mocy grzałki. Liczy się tylko to, jak długo byli pod wpływem wrzącej wody.
Moc urządzenia grzewczego nie wpływa na taki wskaźnik, jak temperatura wrzenia. Może wpływać tylko na szybkość parowania cieczy.
Gotowanie to nie tylko podgrzewanie wody. Ten proces może również spowodować zamarznięcie cieczy. Tak więc w procesie wrzenia konieczne jest ciągłe wypompowywanie powietrza z naczynia.
Jeden z najbardziej rzeczywiste problemy dla gospodyń domowych jest to, że mleko może „uciec”. Tym samym ryzyko tego zjawiska znacznie wzrasta podczas pogorszenia pogody, któremu towarzyszy spadek ciśnienia atmosferycznego.
Najgorętszą wrzącą wodę uzyskuje się w głębokich kopalniach podziemnych.
sposób badania eksperymentalne Naukowcom udało się ustalić, że woda na Marsie wrze w temperaturze 45 stopni Celsjusza.

Czy woda może zagotować się w temperaturze pokojowej?

Za pomocą prostych obliczeń naukowcy byli w stanie ustalić, że woda może wrzeć na poziomie stratosfery. Podobne warunki można odtworzyć za pomocą pompa próżniowa. Niemniej jednak podobny eksperyment można przeprowadzić w prostszych, bardziej przyziemnych warunkach.

Zagotuj 200 ml wody w litrowej kolbie, a gdy pojemnik napełni się parą, zamknij go szczelnie i zdejmij z ognia. Po umieszczeniu go nad krystalizatorem należy poczekać na zakończenie procesu gotowania. Następnie kolba jest nalewana zimna woda. Następnie w pojemniku ponownie rozpocznie się intensywne gotowanie. Wynika to z faktu, że pod wpływem niskiej temperatury para w górnej części kolby opada.

Czy wiesz, jaka jest temperatura gotowanej zupy? 100 ˚С. Nie więcej nie mniej. W tej samej temperaturze gotuje się czajnik i gotuje się makaron. Co to znaczy?

Dlaczego temperatura wody w środku nie wzrasta powyżej stu stopni, gdy rondel lub czajnik jest stale podgrzewany palącym się gazem? Faktem jest, że gdy woda osiągnie temperaturę stu stopni, wszystko napływa energia cieplna wydaje się na przejście wody w stan gazowy, czyli parowanie. Do stu stopni parowanie następuje głównie z powierzchni, a gdy osiągnie tę temperaturę, woda wrze. Wrzenie to również parowanie, ale tylko w całej objętości cieczy. Wewnątrz wody tworzą się bąbelki gorącej pary, które jako lżejsze od wody wyrywają się na powierzchnię, a para z nich ulatnia się w powietrze.

Do stu stopni temperatura wody wzrasta po podgrzaniu. Po stu stopniach, przy dalszym ogrzewaniu, temperatura pary wodnej wzrośnie. Ale dopóki cała woda nie zagotuje się w temperaturze stu stopni, jej temperatura nie wzrośnie, bez względu na to, ile energii włożysz. Zorientowaliśmy się już, dokąd idzie ta energia - do przejścia wody w stan gazowy. Ale jeśli takie zjawisko istnieje, to musi być opisując to zjawisko. wielkość fizyczna. I taka wartość istnieje. Nazywa się to ciepłem właściwym waporyzacji.

Ciepło właściwe parowania wody

Ciepło właściwe parowania to wielkość fizyczna, która wskazuje ilość ciepła potrzebną do przekształcenia 1 kg cieczy w parę w temperaturze wrzenia. Ciepło właściwe parowania jest oznaczone literą L. A jednostką miary jest dżul na kilogram (1 J / kg).

Ciepło właściwe waporyzacji można obliczyć ze wzoru:

gdzie Q to ilość ciepła,
m - masa ciała.

Nawiasem mówiąc, wzór jest taki sam, jak przy obliczaniu ciepła właściwego topnienia, różnica dotyczy tylko oznaczenia. λ i L

Empirycznie znaleziono wartości ciepła właściwego parowania różnych substancji i sporządzono tabele, z których można znaleźć dane dla każdej substancji. Zatem ciepło właściwe parowania wody wynosi 2,3*106 J/kg. Oznacza to, że na każdy kilogram wody należy wydać ilość energii równą 2,3 * 106 J, aby zamienić ją w parę. Ale jednocześnie woda powinna już mieć temperaturę wrzenia. Jeśli woda miała początkowo niższą temperaturę, konieczne jest obliczenie ilości ciepła potrzebnego do podgrzania wody do stu stopni.

W rzeczywistych warunkach często konieczne jest określenie ilości ciepła potrzebnego do przekształcenie pewnej masy cieczy w parę, dlatego częściej mamy do czynienia ze wzorem o postaci: Q \u003d Lm, a wartości ciepła właściwego parowania dla danej substancji są pobierane z gotowych tabel.

Temat: Zagregowane stany materii

Lekcja: gotować. Ciepło właściwe parowania i kondensacji

Rozważmy bardziej szczegółowo przebieg procesu wrzenia. Wyobraźmy sobie sytuację, z którą wielu z nas wielokrotnie się spotykało - jest to podgrzewanie i gotowanie wody w pewnym naczyniu, na przykład w rondlu. Podczas ogrzewania do wody zostanie oddana pewna ilość ciepła, co doprowadzi do wzrostu jej energii wewnętrznej i zwiększenia aktywności ruchu molekularnego. Proces ten będzie przebiegał do pewnego etapu, aż energia ruchu molekularnego stanie się wystarczająca do rozpoczęcia wrzenia.

Należy podkreślić, że temperatura, w której zachodzi proces wrzenia, pozostaje niezmieniona nawet w przypadku zwiększenia intensywności dostarczania ciepła do cieczy. Mówiąc prościej, jeśli podczas procesu gotowania do palnika dodamy gaz, który podgrzewa garnek z wodą, to tylko zwiększy intensywność gotowania, a nie podwyższy temperaturę płynu. Jeśli poważniej zagłębimy się w proces wrzenia, warto zauważyć, że istnieją obszary w wodzie, w których można ją przegrzać powyżej temperatury wrzenia, ale wielkość takiego przegrzania z reguły nie przekracza jednej lub kilku stopni i jest nieistotny w całkowitej objętości cieczy. Temperatura wrzenia wody pod normalnym ciśnieniem wynosi 100°C.

W trakcie gotowania wody można zauważyć, że towarzyszą jej charakterystyczne odgłosy tzw. wrzenia. Dźwięki te powstają właśnie z powodu opisanego procesu zapadania się pęcherzyków pary.

Ta zależność temperatury wrzenia od ciśnienia otoczenia jest podstawą zasady działania tak znanego urządzenia kuchennego jak szybkowar (rys. 2). Jest to patelnia ze szczelnie dopasowaną pokrywką, pod którą w procesie odparowywania wody ciśnienie powietrza z parą dochodzi do 2 ciśnień atmosferycznych, co prowadzi do wzrostu temperatury wrzenia zawartej w nim wody do . Dzięki temu woda z zawartym w niej jedzeniem ma możliwość podgrzania się do temperatury wyższej niż zwykle (), a proces gotowania zostaje przyspieszony. Dzięki temu efektowi urządzenie otrzymało swoją nazwę.

Ryż. 2. Szybkowar ()

Sytuacja ze spadkiem temperatury wrzenia cieczy wraz ze spadkiem ciśnienia atmosferycznego również ma przykład z życia, ale dla wielu już nie codzienny. Ten przykład dotyczy podróży wspinaczy po wyżynach. Okazuje się, że na obszarze położonym na wysokości 3000-5000 m temperatura wrzenia wody, ze względu na spadek ciśnienia atmosferycznego, spada do jeszcze niższych wartości, co prowadzi do trudności w gotowaniu na wędrówkach, ponieważ dla efektywnego termicznego przetwarzanie żywności w W takim przypadku wymagany jest znacznie dłuższy czas niż w normalnych warunkach. Na wysokości około 7000 m temperatura wrzenia wody sięga , co uniemożliwia gotowanie wielu produktów w takich warunkach.

Niektóre technologie separacji substancji opierają się na tym, że temperatury wrzenia różnych substancji są różne. Na przykład, jeśli weźmiemy pod uwagę podgrzewanie oleju, który jest złożoną cieczą składającą się z wielu składników, to w procesie wrzenia można go podzielić na kilka różnych substancji. W tym przypadku, ze względu na to, że temperatury wrzenia nafty, benzyny, benzyny ciężkiej i oleju opałowego są różne, można je od siebie oddzielić przez odparowanie i kondensację w różnych temperaturach. Proces ten jest zwykle określany jako frakcjonowanie (ryc. 3).

Ryż. 3 Rozdzielanie oleju na frakcje ()

Jak każdy proces fizyczny, wrzenie należy scharakteryzować jakąś wartością liczbową, taką wartość nazywamy ciepłem właściwym parowania.

Aby zrozumieć fizyczne znaczenie tej ilości, rozważmy następujący przykład: weź 1 kg wody i doprowadź ją do temperatury wrzenia, a następnie zmierz, ile ciepła jest potrzebne do całkowitego odparowania tej wody (z wyłączeniem strat ciepła) - ta wartość będzie być równe ciepłu właściwemu parowania wody. Dla innej substancji ta wartość ciepła będzie inna i będzie ciepłem właściwym parowania tej substancji.

Ciepło właściwe parowania okazuje się bardzo ważną cechą nowoczesnych technologii produkcji metali. Okazuje się, że np. podczas topienia i odparowywania żelaza, a następnie jego kondensacji i krzepnięcia, powstaje sieć krystaliczna o strukturze zapewniającej wyższą wytrzymałość niż pierwotna próbka.

Przeznaczenie: ciepło właściwe parowania i kondensacji (czasami oznaczane jako ).

jednostka miary: .

Ciepło właściwe parowania substancji określa się eksperymentalnie w warunkach laboratoryjnych, a jego wartości dla głównych substancji podano w odpowiedniej tabeli.

Substancja