Tällä oppitunnilla kiinnitämme huomiota sellaiseen höyrystymiseen kuin kiehumiseen, keskustelemme sen eroista aiemmin tarkasteltuun haihdutusprosessiin, esittelemme sellaisen arvon kiehumispisteenä ja keskustelemme siitä, mistä se riippuu. Oppitunnin lopussa esittelemme erittäin tärkeän suuren, joka kuvaa höyrystymisprosessia - höyrystymisen ja kondensaation ominaislämmön.

Aihe: Aineen aggregoidut tilat

Oppitunti: Keitä. Höyrystyksen ja kondensaation ominaislämpö

Viimeisellä oppitunnilla olemme jo tarkastelleet yhtä höyrystymistapaa - haihdutusta - ja korostaneet tämän prosessin ominaisuuksia. Tänään keskustelemme sellaisen höyrystymisen tyypistä kuin kiehumisprosessista ja esittelemme arvon, joka kuvaa numeerisesti höyrystymisprosessia - ominaislämpö höyrystyminen ja kondensaatio.

Määritelmä.Kiehuva(Kuva 1) on prosessi, jossa neste siirtyy intensiivisesti kaasumaiseen tilaan, johon liittyy höyrykuplien muodostuminen ja joka tapahtuu koko nesteen tilavuudessa tietyssä lämpötilassa, jota kutsutaan kiehumispisteeksi.

Verrataan kahta höyrystystyyppiä keskenään. Kiehumisprosessi on voimakkaampi kuin haihdutusprosessi. Lisäksi, kuten muistamme, haihtumisprosessi tapahtuu missä tahansa sulamispisteen yläpuolella olevassa lämpötilassa, ja kiehumisprosessi - tiukasti tietyssä lämpötilassa, joka on erilainen kullekin aineelle ja jota kutsutaan kiehumispisteeksi. On myös huomattava, että haihtumista tapahtuu vain nesteen vapaalta pinnalta, eli alueelta, joka rajoittaa sen ympäröivistä kaasuista, ja kiehuminen tapahtuu välittömästi koko tilavuudesta.

Tarkastellaanpa kiehumisprosessin kulkua yksityiskohtaisemmin. Kuvittelemme tilannetta, jonka monet meistä ovat toistuvasti kohdanneet - tämä on veden lämmitys ja keittäminen tietyssä astiassa, esimerkiksi kattilassa. Lämmityksen aikana veteen siirtyy tietty määrä lämpöä, mikä johtaa sen lisääntymiseen sisäinen energia ja molekyylien liikkeen aktiivisuuden lisääntyminen. Tämä prosessi jatkuu tiettyyn vaiheeseen asti, kunnes molekyylin liikkeen energia riittää kiehumaan.

Vedessä on liuenneita kaasuja (tai muita epäpuhtauksia), jotka vapautuvat sen rakenteessa, mikä johtaa niin sanottujen höyrystymiskeskusten syntymiseen. Eli näissä keskuksissa höyryä vapautuu ja kuplia muodostuu koko vesimäärään, joita havaitaan kiehumisen aikana. On tärkeää ymmärtää, että nämä kuplat eivät ole ilmaa, vaan höyryä, joka muodostuu kiehumisprosessin aikana. Kuplien muodostumisen jälkeen niissä olevan höyryn määrä kasvaa ja niiden koko alkaa kasvaa. Usein kuplia muodostuu aluksi lähelle astian seiniä eivätkä heti nouse pintaan; Ensin ne kasvavat kooltaan, ja ne ovat Arkhimedesen kasvavan voiman vaikutuksen alaisia, ja sitten irtautuvat seinästä ja nousevat pintaan, missä ne räjähtävät ja vapauttavat osan höyryä.

On huomioitava, etteivät kaikki höyrykuplat pääse veden vapaalle pinnalle kerralla. Kiehumisprosessin alussa vesi on vielä kaukana tasaisesti lämmitetty, ja alemmat kerrokset, joiden lähellä lämmönsiirtoprosessi tapahtuu, ovat jopa kuumempia kuin ylemmät, jopa konvektioprosessi huomioon ottaen. Tämä johtaa siihen, että alhaalta nousevat höyrykuplat romahtavat pintajännitysilmiön vuoksi, eivätkä vielä saavuta veden vapaata pintaa. Samanaikaisesti kuplien sisällä ollut höyry siirtyy veteen, mikä lämmittää sitä lisäksi ja nopeuttaa veden tasaista kuumenemista koko tilavuuden ajan. Tämän seurauksena, kun vesi lämmitetään lähes tasaisesti, lähes kaikki höyrykuplat alkavat päästä veden pintaan ja alkaa voimakas höyrystymisprosessi.

On tärkeää korostaa sitä tosiasiaa, että lämpötila, jossa kiehumisprosessi tapahtuu, pysyy muuttumattomana, vaikka nesteen lämmönsyötön intensiteettiä lisätään. Yksinkertaisin sanoin Jos kiehumisprosessin aikana polttimeen lisätään kaasua, joka lämmittää vesikattilan, se vain lisää kiehumisen voimakkuutta, ei nosta nesteen lämpötilaa. Jos sukeltamme kiehumisprosessiin vakavammin, on syytä huomata, että vedessä on alueita, joissa se voi ylikuumentua kiehumispisteen yläpuolelle, mutta tällaisen ylikuumenemisen suuruus ei yleensä ylitä yhtä tai paria astetta ja se on merkityksetön nesteen kokonaistilavuudessa. Veden kiehumispiste normaalipaineessa on 100°C.

Veden kiehumisen aikana voit huomata, että siihen liittyy tyypillisiä niin sanotun kiehumisen ääniä. Nämä äänet syntyvät vain kuvatun höyrykuplien romahtamisprosessin vuoksi.

Muiden nesteiden kiehumisprosessit etenevät samalla tavalla kuin veden keittäminen. Suurin ero näissä prosesseissa on aineiden erilaiset kiehumispisteet, jotka normaalissa ilmanpaineessa ovat jo mitattuja taulukkoarvoja. Merkitään näiden lämpötilojen pääarvot taulukkoon.

Mielenkiintoinen tosiasia on, että nesteiden kiehumispiste riippuu ilmanpaineen arvosta, minkä vuoksi ilmoitimme, että kaikki taulukon arvot on annettu normaalissa ilmanpaineessa. Ilmanpaineen noustessa myös nesteen kiehumispiste nousee, ja kun se laskee, se päinvastoin laskee.

Tästä kiehumispisteen riippuvuudesta paineesta ympäristöön perustuu niin tunnetun keittiökoneen, kuten painekattilan, toimintaperiaatteeseen (kuva 2). Se on pannu, jossa on tiivis kansi, jonka alla veden höyrystymisprosessissa ilmanpaine höyryn kanssa saavuttaa arvot jopa 2 ilmakehän paineeseen, mikä johtaa veden kiehumispisteen nousuun siinä. . Tämän vuoksi vedellä, jossa on ruokaa, on mahdollisuus lämmetä tavallista korkeammalle lämpötilalle (), ja kypsennysprosessi nopeutuu. Tämän vaikutuksen ansiosta laite sai nimensä.

Riisi. 2. Painekattila ()

Tilanne, jossa nesteen kiehumispiste laskee ilmakehän paineen laskulla, on esimerkki elämästä, mutta ei enää monille jokapäiväistä. Tämä esimerkki koskee kiipeilijöiden matkoja ylängöillä. Osoittautuu, että alueella, joka sijaitsee 3000-5000 m korkeudessa, veden kiehumispiste laskee ilmakehän paineen laskun vuoksi vieläkin alhaisempiin arvoihin, mikä johtaa vaikeuksiin ruoanlaitossa vaelluksilla, koska tehokkaan lämmön saavuttamiseksi tuotteiden käsittely Tässä tapauksessa tarvitaan paljon pidempään kuin normaaleissa olosuhteissa. Noin 7000 metrin korkeudessa veden kiehumispiste saavuttaa , mikä tekee mahdottomaksi kypsentää monia tuotteita tällaisissa olosuhteissa.

Siinä kiehumispisteessä erilaisia ​​aineita eroavat toisistaan, jotkin aineiden erottamistekniikat perustuvat. Esimerkiksi, jos tarkastellaan öljyn lämmitystä, joka on monimutkainen neste, joka koostuu monista komponenteista, niin kiehumisprosessissa se voidaan jakaa useisiin eri aineisiin. Tässä tapauksessa, koska kerosiinin, bensiinin, teollisuusbensiinin ja polttoöljyn kiehumispisteet ovat erilaiset, ne voidaan erottaa toisistaan ​​höyrystymällä ja kondensoimalla eri lämpötiloissa. Tätä prosessia kutsutaan yleensä fraktioinniksi (kuva 3).

Riisi. 3 Öljyn erottaminen fraktioiksi ()

Kuten mikä tahansa fyysinen prosessi, kiehuminen on luonnehdittava jollakin tavalla numeerinen arvo, tällaista arvoa kutsutaan höyrystymislämpötilaksi.

Ymmärtääkseen fyysinen merkitys tästä arvosta, harkitse seuraavaa esimerkkiä: ota 1 kg vettä ja kuumenna se kiehumispisteeseen ja mittaa sitten kuinka paljon lämpöä tarvitaan tämän veden haihduttamiseksi kokonaan (ilman lämpöhäviöitä) - tämä arvo on yhtä suuri kuin veden ominaislämpö. veden höyrystyminen. Toiselle aineelle tämä lämmön arvo on erilainen ja se on tämän aineen ominaishöyrystyslämpö.

Höyrystymislämpötila on erittäin suuri tärkeä ominaisuus nykyaikaisissa metallinvalmistustekniikoissa. Osoittautuu, että esimerkiksi raudan sulamisen ja haihtumisen aikana, jota seuraa sen kondensoituminen ja jähmettyminen, kristallikenno rakenne, joka tarjoaa suuremman lujuuden kuin alkuperäinen näyte.

Nimitys: höyrystymis- ja kondensaatiolämpö (joskus merkitty ).

Yksikkö: .

Aineiden ominaishöyrystyslämpö määritetään kokeilla laboratorio-olosuhteissa, ja sen arvot pääaineille on lueteltu asianmukaisessa taulukossa.

Aine

Veden (tai muun nesteen) kiehumisen ylläpitämiseksi on välttämätöntä syöttää siihen jatkuvasti lämpöä, esimerkiksi lämmittää sitä polttimella. Tällöin veden ja astian lämpötila ei nouse, vaan jokaista aikayksikköä kohti muodostuu tietty määrä höyryä. Tästä seuraa johtopäätös, että veden muuttuminen höyryksi vaatii lämmön sisäänvirtausta, aivan kuten se tapahtuu kiteen (jää) muuttuessa nesteeksi (§ 269). Lämpömäärää, joka tarvitaan nesteen yksikkömassan muuttamiseksi samanlämpöiseksi höyryksi, kutsutaan tietyn nesteen ominaishöyrystyslämmöksi. Se ilmaistaan ​​jouleina kilogrammaa kohti.

On helppo nähdä, että saman verran lämpöä on vapautuva, kun höyry tiivistyy nesteeksi. Lasketaanpa kattilaan liitetty putki vesilasiin (kuva 488). Jonkin ajan kuluttua lämmittämisen alkamisesta veteen upotetun putken päästä alkaa tulla ilmakuplia. Tämä ilma nostaa hieman veden lämpötilaa. Sitten kattilassa oleva vesi kiehuu, minkä jälkeen näemme, että putken päästä tulevat kuplat eivät enää nouse ylös, vaan vähenevät nopeasti ja katoavat terävällä äänellä. Nämä ovat veteen tiivistyviä höyrykuplia. Heti kun kattilasta tulee höyryä ilman sijasta, vesi alkaa lämmetä nopeasti. Koska höyryn ominaislämpökapasiteetti on suunnilleen sama kuin ilman, tästä havainnosta seuraa, että näin nopea veden kuumeneminen tapahtuu juuri höyryn tiivistymisen vuoksi.

Riisi. 488. Kun ilmaa tulee ulos kattilasta, lämpömittari näyttää lähes samaa lämpötilaa. Kun höyry tulee ulos ilman sijasta ja alkaa tiivistyä kupissa, lämpömittari nousee nopeasti, mikä osoittaa lämpötilan nousua.

Kun yksikkömassa höyryä tiivistyy samanlämpöiseksi nesteeksi, vapautuu lämpöä määrä, joka vastaa höyrystymislämpöä. Tämä voitaisiin ennakoida energian säilymisen lain perusteella. Itse asiassa, jos näin ei olisi, olisi mahdollista rakentaa kone, jossa neste ensin haihtuu ja sitten tiivistyy: höyrystymislämmön ja kondensaatiolämmön välinen ero edustaisi kaiken kokonaisenergian lisäystä. tarkasteltavana olevaan prosessiin osallistuvat tahot. Ja tämä on ristiriidassa energian säilymisen lain kanssa.

Höyrystymisominaislämpö voidaan määrittää kalorimetrillä, kuten se tehdään määritettäessä ominaissulamislämpöä (269 §). Kaada tietty määrä vettä kalorimetriin ja mittaa sen lämpötila. Sitten jonkin aikaa lisäämme testinesteen höyryä kattilasta veteen varmistaen, että vain höyry virtaa ilman nestepisaroita. Tätä varten höyry johdetaan höyrystimen läpi (kuva 489). Sen jälkeen mittaamme uudelleen veden lämpötilan kalorimetrissä. Kalorimetriä punnitsemalla voimme arvioida nesteeksi tiivistyneen höyryn määrän sen massan kasvusta.

Riisi. 489. Sukhoparnik - laite höyryn mukana liikkuvien vesipisaroiden pidättämiseen

Energian säilymisen lain avulla on mahdollista muodostaa tälle prosessille lämpötasapainoyhtälö, jonka avulla voidaan määrittää veden ominaishöyrystyslämpö. Olkoon veden massa kalorimetrissä (mukaan lukien kalorimetrin vesiekvivalentti) yhtä suuri kuin höyryn massa - , veden lämpökapasiteetti - , kalorimetrin veden alku- ja loppulämpötila - ja , kiehumispiste vesi - ja höyrystymislämpö - . Lämpötasapainon yhtälöllä on muoto

.

Tulokset joidenkin nesteiden ominaishöyrystyslämmön määrittämisestä normaalipaineessa on esitetty taulukossa. 20. Kuten näet, tämä lämpö on melko suuri. Veden korkea höyrystymislämpö pelaa yksinomaan tärkeä rooli luonnossa, koska höyrystymisprosessit tapahtuvat luonnossa suuressa mittakaavassa.

Taulukko 20. Joidenkin nesteiden ominaishöyrystyslämpö

Aine		Aine
etanoli)

Huomaa, että taulukossa olevat ominaishöyrystyslämmön arvot viittaavat kiehumispisteeseen normaalipaineessa. Jos neste kiehuu tai yksinkertaisesti haihtuu eri lämpötilassa, sen ominaishöyrystyslämpö on erilainen. Nesteen lämpötilan noustessa höyrystymislämpö aina laskee. Tarkastellaan myöhemmin selitystä tälle.

295.1. Laske lämpömäärä, joka tarvitaan lämmittämään 20 g vettä kiehumispisteeseen ja muuttamaan 20 g vettä höyryksi .

295.2. Mikä lämpötila saadaan, jos 200 g vettä sisältävään lasiin syötetään 3 g höyryä ? Älä huomioi lasin lämpökapasiteettia.

Tämä tieto katoaa nopeasti, ja vähitellen ihmiset lakkaavat kiinnittämään huomiota tuttujen ilmiöiden olemukseen. Joskus on hyödyllistä muistella teoreettista tietoa.

Määritelmä

Mikä on kiehua? Tämä on fysikaalinen prosessi, jonka aikana tapahtuu voimakasta höyrystymistä sekä nesteen vapaalla pinnalla että sen rakenteen sisällä. Yksi kiehumisen merkkejä on kuplien muodostuminen, jotka koostuvat kyllästetystä höyrystä ja ilmasta.

On syytä huomata sellaisen asian kuin kiehumispiste olemassaolo. Höyryn muodostumisnopeus riippuu myös paineesta. Sen on oltava pysyvä. Yleensä nesteen pääominaisuus kemialliset aineet on kiehumispiste normaalissa ilmanpaineessa. Tähän prosessiin voivat kuitenkin vaikuttaa myös sellaiset tekijät kuin ääniaaltojen voimakkuus, ilman ionisaatio.

Veden kiehumisvaiheet

Höyryä alkaa varmasti muodostua toimenpiteen, kuten lämmityksen, aikana. Kiehuminen sisältää nesteen kulkemisen 4 vaiheen läpi:

1. Astian pohjalle ja sen seinille alkaa muodostua pieniä kuplia. Tämä johtuu siitä, että säiliön valmistusmateriaalin halkeamissa on ilmaa, joka laajenee korkean lämpötilan vaikutuksesta.
2. Kuplien tilavuus alkaa kasvaa, minkä seurauksena ne puhkeavat veden pintaan. Jos ylempi kerros neste ei ole vielä saavuttanut kiehumispistettä, ontelot vajoavat pohjaan, minkä jälkeen ne alkavat nousta uudelleen. Tämä prosessi johtaa ääniaaltojen muodostumiseen. Tästä syystä voimme kuulla melua, kun vesi kiehuu.
3. Kelluu pintaan suurin määrä kuplia, mikä antaa vaikutelman Sen jälkeen neste muuttuu vaaleaksi. Visuaalisen tehosteen vuoksi tätä kiehumisvaihetta kutsutaan "valkoiseksi avaimeksi".
4. Siellä on voimakasta kuohuntaa, johon liittyy suurien kuplien muodostuminen, jotka puhkeavat nopeasti. Tähän prosessiin liittyy roiskeita sekä voimakasta höyryn muodostumista.

Höyrystyksen ominaislämpö

Melkein joka päivä kohtaamme sellaisen ilmiön kuin kiehumisen. Höyrystymisen ominaislämpö on fyysinen määrä, joka määrittää lämmön määrän. Sen avulla nestemäinen aine voidaan muuttaa höyryksi. Tämän parametrin laskemiseksi sinun on jaettava haihtumislämpö massalla.

Miten mittaus sujuu

Spesifinen indikaattori mitataan laboratoriossa asianmukaisilla kokeilla. Niihin kuuluvat seuraavat:

• mitattuna vaadittava määrä neste, joka kaadetaan sitten kalorimetriin;
• veden lämpötilan ensimmäinen mittaus suoritetaan;
• pullo, johon testiaine on asetettu etukäteen, asennetaan polttimeen;
• testiaineen vapauttama höyry lasketaan kalorimetriin;
• veden lämpötila mitataan uudelleen;
• kalorimetri punnitaan, mikä mahdollistaa kondensoituneen höyryn massan laskemisen.

kuplakeittotila

Käsiteltäessä kysymystä siitä, mitä kiehuminen on, on syytä huomata, että sillä on useita tiloja. Joten kuumennettaessa höyryä voi muodostua kuplien muodossa. Ne kasvavat ajoittain ja puhkeavat. Tätä keittotapaa kutsutaan kuplivaksi. Yleensä höyryllä täytetyt ontelot muodostuvat juuri astian seinämiin. Tämä johtuu siitä, että ne ovat yleensä ylikuumentuneet. Tämä välttämätön ehto keittämiseen, koska muuten kuplat romahtavat, eivätkä saavuta suuria kokoja.

Filmin keittotila

Mikä on kiehua? Helpoin tapa selittää tämä prosessi on höyrystyminen tietyssä lämpötilassa ja vakiopaineessa. Kuplatilan lisäksi erotetaan myös filmitila. Sen olemus on se, että kun lämpövirtaus kasvaa, yksittäiset kuplat yhdistyvät muodostaen höyrykerroksen astian seinille. Kun kriittinen indikaattori saavutetaan, ne murtautuvat veden pintaan. Tämä tila kiehuminen eroaa siinä, että lämmönsiirtoaste astian seinistä itse nesteeseen vähenee merkittävästi. Syynä tähän on sama höyrykalvo.

Kiehumislämpötila

On huomattava, että kiehumispiste riippuu paineesta, joka kohdistuu kuumennetun nesteen pintaan. Joten on yleisesti hyväksyttyä, että vesi kiehuu, kun se kuumennetaan 100 celsiusasteeseen. Tätä indikaattoria voidaan kuitenkin pitää oikeudenmukaisena vain, jos ilmanpainemittaria pidetään normaalina (101 kPa). Jos se nousee, myös kiehumispiste muuttuu ylöspäin. Joten esimerkiksi suosituissa painekattiloissa paine on noin 200 kPa. Siten kiehumispiste nousee 20 pistettä (jopa 20 astetta).

Vuoristoalueita voidaan pitää esimerkkinä alhaisesta ilmanpaineesta. Joten, koska se on melko pieni siellä, vesi alkaa kiehua noin 90 asteen lämpötilassa. Tällaisten alueiden asukkaiden on käytettävä paljon enemmän aikaa ruoan valmistukseen. Joten esimerkiksi munan keittämiseksi sinun on lämmitettävä vesi vähintään 100 astetta, muuten proteiini ei juokse.

Aineen kiehumispiste riippuu kyllästyshöyryn paineesta. Sen vaikutus lämpötilaan on kääntäen verrannollinen. Esimerkiksi elohopea kiehuu, kun se kuumennetaan 357 celsiusasteeseen. Tämä voidaan selittää sillä, että kylläisen höyryn paine on vain 114 Pa (vedelle tämä luku on 101 325 Pa).

Keittäminen eri olosuhteissa

Nesteen olosuhteista ja tilasta riippuen kiehumispiste voi vaihdella merkittävästi. Esimerkiksi nesteeseen kannattaa lisätä suolaa. Kloori- ja natriumionit sijaitsevat vesimolekyylien välissä. Siten kiehuminen vaatii suuruusluokkaa enemmän energiaa ja vastaavasti aikaa. Lisäksi tällainen vesi tuottaa paljon vähemmän höyryä.

Vedenkeitintä käytetään veden keittämiseen kotona. Jos käytetään puhdasta nestettä, tämän prosessin lämpötila on standardi 100 astetta. Samanlaisissa olosuhteissa tislattu vesi kiehuu. Se vie kuitenkin hieman vähemmän aikaa, jos otat huomioon vieraiden epäpuhtauksien puuttumisen.

Mitä eroa on kiehumisen ja haihduttamisen välillä

Aina kun vesi kiehuu, höyryä vapautuu ilmakehään. Mutta näitä kahta prosessia ei voida tunnistaa. Ne ovat vain höyrystymistapoja, joita tapahtuu tietyissä olosuhteissa. Joten keittäminen on ensimmäinen laji. Tämä prosessi on intensiivisempi kuin höyrytaskujen muodostumisen vuoksi. On myös syytä huomata, että haihtumisprosessi tapahtuu yksinomaan veden pinnalla. Kiehuminen koskee nesteen koko tilavuutta.

Mistä haihtuminen riippuu?

Haihdutus on prosessi, jossa neste tai kiinteä aine muunnetaan kaasumaiseksi. Tapahtuu atomien ja molekyylien "lento", jonka yhteys muiden hiukkasten kanssa heikkenee tiettyjen olosuhteiden vaikutuksesta. Haihtumisnopeus voi vaihdella seuraavien tekijöiden vaikutuksesta:

• nesteen pinta-ala;
• itse aineen lämpötila sekä ympäristö;
• molekyylien liikkumisnopeus;
• aineen tyyppi.

Ihminen käyttää kiehuvan veden energiaa laajasti jokapäiväisessä elämässä. Tästä prosessista on tullut niin yleinen ja tuttu, ettei kukaan ajattele sen luonnetta ja piirteitä. Kiehumiseen liittyy kuitenkin useita mielenkiintoisia faktoja:

• Todennäköisesti kaikki huomasivat, että teekannun kannessa on reikä, mutta harvat ajattelevat sen tarkoitusta. Se tehdään höyryn osittaiseksi vapauttamiseksi. Muuten vesi voi roiskua ulos nokan kautta.
• Perunoiden, kananmunien ja muiden elintarvikkeiden kypsennysaika ei riipu kiukaan tehosta. Ainoa asia, jolla on merkitystä, on kuinka kauan ne olivat kiehuvan veden vaikutuksen alaisena.
• Lämmityslaitteen teho ei vaikuta sellaiseen indikaattoriin kuin kiehumispiste. Se voi vaikuttaa vain nesteen haihtumisnopeuteen.
• Keittämisessä ei ole kyse vain veden lämmittämisestä. Tämä prosessi voi myös aiheuttaa nesteen jäätymisen. Joten kiehumisprosessissa on välttämätöntä pumpata ilmaa jatkuvasti ulos astiasta.
• Yksi kaikista todellisia ongelmia kotiäidille on, että maito voi "paeta". Näin ollen tämän ilmiön riski kasvaa merkittävästi sään huonontuessa, johon liittyy ilmanpaineen lasku.
• Kuumin kiehuva vesi saadaan syvällä maanalaisissa kaivoksissa.
• Kokeellisilla tutkimuksilla tutkijat pystyivät osoittamaan, että vesi Marsissa kiehuu 45 celsiusasteessa.

Voiko vesi kiehua huoneenlämmössä?

Yksinkertaisilla laskelmilla tutkijat pystyivät osoittamaan, että vesi voi kiehua stratosfäärin tasolla. Samanlaiset olosuhteet voidaan luoda uudelleen tyhjiöpumpulla. Siitä huolimatta samanlainen koe voidaan suorittaa yksinkertaisemmissa, arkipäiväisemmissä olosuhteissa.

Keitä 200 ml vettä litran pullossa ja kun astia on täynnä höyryä, sulje se tiiviisti ja poista lämmöltä. Kun olet asettanut sen kiteyttäjän päälle, sinun on odotettava kiehumisprosessin loppua. Seuraavaksi pullo kaadetaan kylmä vesi. Sen jälkeen intensiivinen kiehuminen alkaa uudelleen astiassa. Tämä johtuu siitä, että alhaisen lämpötilan vaikutuksesta pullon yläosassa oleva höyry laskeutuu.

Ominaislämpö

Ominaislämpökapasiteetti on lämpömäärä jouleina (J), joka tarvitaan aineen lämpötilan nostamiseen. Ominaislämpökapasiteetti on lämpötilan funktio. Kaasujen osalta on tehtävä ero vakiopaineen ja vakiotilavuuden ominaislämmön välillä.

Spesifinen sulamislämpö

Kiinteän aineen ominaissulamislämpö on lämpömäärä J:ssä, joka tarvitaan muuttamaan 1 kg ainetta kiinteästä olomuodosta nestemäiseen tilaan sulamispisteessä.

Piilevä höyrystymislämpö

Nesteen piilevä höyrystymislämpö on lämpömäärä J:ssä, joka tarvitaan 1 kg:n nesteen höyrystämiseen kiehumispisteessä. Piilevä höyrystymislämpö riippuu suuresti paineesta. Esimerkki: jos lämmitetään 1 kg vettä sisältävää astiaa 100°C:ssa (merenpinnan tasolla), vesi absorboi 1023 kJ piilevää lämpöä ilman, että lämpömittarin lukema muuttuu. Aggregaatiotilassa tapahtuu kuitenkin muutos nesteestä höyryksi. Veden absorboimaa lämpöä kutsutaan piileväksi höyrystymislämmöksi. Höyry säästää 1023 kJ, koska tämä energia tarvittiin aggregaatiotilan muuttamiseen.

Piilevä kondensaatiolämpö

Käänteisessä prosessissa, kun lämpöä poistetaan 1 kg:sta vesihöyryä 100°C:ssa (merenpinnan tasolla), höyry vapauttaa 1023 kJ lämpöä muuttamatta lämpömittarin lukemia. Aggregaatiotilassa tapahtuu kuitenkin muutos höyrystä nesteeksi. Veden absorboimaa lämpöä kutsutaan piileväksi kondensaatiolämmöksi.

1. Lämpötila ja paine

Lämpömittaukset

Lämpötilaa eli lämmön intensiteettiä mitataan lämpömittarilla. Suurin osa tämän oppaan lämpötiloista on annettu Celsius-asteina (C), mutta joskus käytetään myös Fahrenheit-asteita (F). Lämpötila-arvo kertoo vain lämmön voimakkuudesta tai järkevästä LÄMPÖstä, ei todellisesta lämmön määrästä. Miellyttävä lämpötila ihmiselle on 21-27°C. Tällä lämpötila-alueella ihminen tuntee olonsa mukavimmaksi. Kun jokin lämpötila on tämän alueen ylä- tai alapuolella, henkilö kokee sen lämpimäksi tai kylmäksi. Tieteessä on käsite "absoluuttinen nolla" - lämpötila, jossa kaikki lämpö poistetaan kehosta. Absoluuttinen nollalämpötila määritellään -273 °C:ksi. Mikä tahansa aine, jonka lämpötila on absoluuttisen nollan yläpuolella, sisältää jonkin verran lämpöä. Ilmastoinnin perusteiden ymmärtämiseksi on myös tarpeen ymmärtää paineen, lämpötilan ja aggregaatiotilan välinen suhde. Planeettamme ympäröi ilma, toisin sanoen kaasu. Kaasun paine välittyy tasaisesti kaikkiin suuntiin. Ympärillämme oleva kaasu on 21 % happea ja 78 % typpeä. Loput 1 % on muiden harvinaisten kaasujen varassa. Tätä kaasujen yhdistelmää kutsutaan ilmakehäksi. Se ulottuu useita satoja kilometrejä maanpinnan yläpuolelle ja painovoima pitää sitä yhdessä. Merenpinnan tasolla ilmanpaine on 1,0 bar ja veden kiehumispiste on 100°C. Missä tahansa kohdassa merenpinnan yläpuolella ilmanpaine on alhaisempi, ja myös veden kiehumispiste on alhaisempi. Kun paine lasketaan 0,38 baariin, veden kiehumispiste on 75 °C ja paineessa 0,12 bar - 50 °C. Jos paineen lasku vaikuttaa veden kiehumispisteeseen, on loogista olettaa, että myös paineen nousu vaikuttaa siihen. Esimerkki on höyrykattila!

Lisätietoja: kuinka muuntaa Fahrenheit-asteet Celsius-asteiksi ja päinvastoin: C = 5/9 × (F - 32). F = (9/5 × C)+32. Kelvin = C + 273. Rankine = F + 460.

Tällä oppitunnilla kiinnitämme huomiota sellaiseen höyrystymiseen kuin kiehumiseen, keskustelemme sen eroista aiemmin tarkasteltuun haihdutusprosessiin, esittelemme sellaisen arvon kiehumispisteenä ja keskustelemme siitä, mistä se riippuu. Oppitunnin lopussa esittelemme erittäin tärkeän suuren, joka kuvaa höyrystymisprosessia - höyrystymisen ja kondensaation ominaislämmön.

Aihe: Aineen aggregoidut tilat

Oppitunti: Keitä. Höyrystyksen ja kondensaation ominaislämpö

Viimeisellä oppitunnilla olemme jo tarkastelleet yhtä höyrystymistapaa - haihdutusta - ja korostaneet tämän prosessin ominaisuuksia. Tänään keskustelemme sellaisesta höyrystymistyypistä kuin kiehumisprosessi, ja esittelemme arvon, joka kuvaa numeerisesti höyrystymisprosessia - höyrystymisen ja kondensaation ominaislämpöä.

Määritelmä.Kiehuva(Kuva 1) on prosessi, jossa neste siirtyy intensiivisesti kaasumaiseen tilaan, johon liittyy höyrykuplien muodostuminen ja joka tapahtuu koko nesteen tilavuudessa tietyssä lämpötilassa, jota kutsutaan kiehumispisteeksi.

Verrataan kahta höyrystystyyppiä keskenään. Kiehumisprosessi on voimakkaampi kuin haihdutusprosessi. Lisäksi, kuten muistamme, haihtumisprosessi tapahtuu missä tahansa sulamispisteen yläpuolella olevassa lämpötilassa, ja kiehumisprosessi - tiukasti tietyssä lämpötilassa, joka on erilainen kullekin aineelle ja jota kutsutaan kiehumispisteeksi. On myös huomattava, että haihtumista tapahtuu vain nesteen vapaalta pinnalta, eli alueelta, joka rajoittaa sen ympäröivistä kaasuista, ja kiehuminen tapahtuu välittömästi koko tilavuudesta.

Tarkastellaanpa kiehumisprosessin kulkua yksityiskohtaisemmin. Kuvittelemme tilannetta, jonka monet meistä ovat toistuvasti kohdanneet - tämä on veden lämmitys ja keittäminen tietyssä astiassa, esimerkiksi kattilassa. Kuumennuksen aikana veteen siirtyy tietty määrä lämpöä, mikä johtaa sen sisäisen energian kasvuun ja molekyyliliikkeen aktiivisuuden lisääntymiseen. Tämä prosessi jatkuu tiettyyn vaiheeseen asti, kunnes molekyylin liikkeen energia riittää kiehumaan.

Vedessä on liuenneita kaasuja (tai muita epäpuhtauksia), jotka vapautuvat sen rakenteessa, mikä johtaa niin sanottujen höyrystymiskeskusten syntymiseen. Eli näissä keskuksissa höyryä vapautuu ja kuplia muodostuu koko vesimäärään, joita havaitaan kiehumisen aikana. On tärkeää ymmärtää, että nämä kuplat eivät ole ilmaa, vaan höyryä, joka muodostuu kiehumisprosessin aikana. Kuplien muodostumisen jälkeen niissä olevan höyryn määrä kasvaa ja niiden koko alkaa kasvaa. Usein kuplia muodostuu aluksi lähelle astian seiniä eivätkä heti nouse pintaan; Ensin ne kasvavat kooltaan, ja ne ovat Arkhimedesen kasvavan voiman vaikutuksen alaisia, ja sitten irtautuvat seinästä ja nousevat pintaan, missä ne räjähtävät ja vapauttavat osan höyryä.

On huomioitava, etteivät kaikki höyrykuplat pääse veden vapaalle pinnalle kerralla. Kiehumisprosessin alussa vesi on vielä kaukana tasaisesti lämmitetty, ja alemmat kerrokset, joiden lähellä lämmönsiirtoprosessi tapahtuu, ovat jopa kuumempia kuin ylemmät, jopa konvektioprosessi huomioon ottaen. Tämä johtaa siihen, että alhaalta nousevat höyrykuplat romahtavat pintajännitysilmiön vuoksi, eivätkä vielä saavuta veden vapaata pintaa. Samanaikaisesti kuplien sisällä ollut höyry siirtyy veteen, mikä lämmittää sitä lisäksi ja nopeuttaa veden tasaista kuumenemista koko tilavuuden ajan. Tämän seurauksena, kun vesi lämmitetään lähes tasaisesti, lähes kaikki höyrykuplat alkavat päästä veden pintaan ja alkaa voimakas höyrystymisprosessi.

On tärkeää korostaa sitä tosiasiaa, että lämpötila, jossa kiehumisprosessi tapahtuu, pysyy muuttumattomana, vaikka nesteen lämmönsyötön intensiteettiä lisätään. Yksinkertaisesti sanottuna, jos lisäät kaasua polttimeen kiehumisprosessin aikana, joka lämmittää vesikattilan, tämä vain lisää kiehumisen voimakkuutta, ei nosta nesteen lämpötilaa. Jos sukeltamme kiehumisprosessiin vakavammin, on syytä huomata, että vedessä on alueita, joissa se voi ylikuumentua kiehumispisteen yläpuolelle, mutta tällaisen ylikuumenemisen suuruus ei yleensä ylitä yhtä tai paria astetta ja se on merkityksetön nesteen kokonaistilavuudessa. Veden kiehumispiste normaalipaineessa on 100°C.

Veden kiehumisen aikana voit huomata, että siihen liittyy tyypillisiä niin sanotun kiehumisen ääniä. Nämä äänet syntyvät vain kuvatun höyrykuplien romahtamisprosessin vuoksi.

Muiden nesteiden kiehumisprosessit etenevät samalla tavalla kuin veden keittäminen. Suurin ero näissä prosesseissa on aineiden erilaiset kiehumispisteet, jotka normaalissa ilmanpaineessa ovat jo mitattuja taulukkoarvoja. Merkitään näiden lämpötilojen pääarvot taulukkoon.

Mielenkiintoinen tosiasia on, että nesteiden kiehumispiste riippuu ilmanpaineen arvosta, minkä vuoksi ilmoitimme, että kaikki taulukon arvot on annettu normaalissa ilmanpaineessa. Ilmanpaineen noustessa myös nesteen kiehumispiste nousee, ja kun se laskee, se päinvastoin laskee.

Tämä kiehumispisteen riippuvuus ympäristön paineesta on pohjana sellaisen tunnetun keittiökoneen, kuten painekattilan, toimintaperiaatteelle (kuva 2). Se on pannu, jossa on tiivis kansi, jonka alla veden höyrystymisprosessissa ilmanpaine höyryn kanssa saavuttaa arvot jopa 2 ilmakehän paineeseen, mikä johtaa veden kiehumispisteen nousuun siinä. . Tämän vuoksi vedellä, jossa on ruokaa, on mahdollisuus lämmetä tavallista korkeammalle lämpötilalle (), ja kypsennysprosessi nopeutuu. Tämän vaikutuksen ansiosta laite sai nimensä.

Riisi. 2. Painekattila ()

Tilanne, jossa nesteen kiehumispiste laskee ilmakehän paineen laskulla, on esimerkki elämästä, mutta ei enää monille jokapäiväistä. Tämä esimerkki koskee kiipeilijöiden matkoja ylängöillä. Osoittautuu, että alueella, joka sijaitsee 3000-5000 m korkeudessa, veden kiehumispiste laskee ilmakehän paineen laskun vuoksi vieläkin alhaisempiin arvoihin, mikä johtaa vaikeuksiin ruoanlaitossa vaelluksilla, koska tehokkaan lämmön saavuttamiseksi tuotteiden käsittely Tässä tapauksessa tarvitaan paljon pidempään kuin normaaleissa olosuhteissa. Noin 7000 metrin korkeudessa veden kiehumispiste saavuttaa , mikä tekee mahdottomaksi kypsentää monia tuotteita tällaisissa olosuhteissa.

Jotkut aineiden erottamistekniikat perustuvat siihen, että eri aineiden kiehumispisteet ovat erilaisia. Esimerkiksi, jos tarkastellaan öljyn lämmitystä, joka on monimutkainen neste, joka koostuu monista komponenteista, niin kiehumisprosessissa se voidaan jakaa useisiin eri aineisiin. Tässä tapauksessa, koska kerosiinin, bensiinin, teollisuusbensiinin ja polttoöljyn kiehumispisteet ovat erilaiset, ne voidaan erottaa toisistaan ​​höyrystymällä ja kondensoimalla eri lämpötiloissa. Tätä prosessia kutsutaan yleensä fraktioinniksi (kuva 3).

Riisi. 3 Öljyn erottaminen fraktioiksi ()

Kuten mikä tahansa fysikaalinen prosessi, kiehuminen on karakterisoitava jollakin numeerisella arvolla, jota kutsutaan ominaishöyrystyslämmöksi.

Ymmärtääksesi tämän määrän fysikaalisen merkityksen, harkitse seuraavaa esimerkkiä: ota 1 kg vettä ja kuumenna se kiehumispisteeseen ja mittaa sitten kuinka paljon lämpöä tarvitaan tämän veden haihduttamiseksi kokonaan (ilman lämpöhäviöitä) - tämä arvo on yhtä suuri kuin veden ominaishöyrystyslämpö. Toiselle aineelle tämä lämmön arvo on erilainen ja se on tämän aineen ominaishöyrystyslämpö.

Höyrystymisen ominaislämpö osoittautuu erittäin tärkeäksi ominaisuudeksi nykyaikaisissa metallien valmistustekniikoissa. Osoittautuu, että esimerkiksi raudan sulamisen ja haihtumisen sekä sen tiivistymisen ja jähmettymisen aikana muodostuu kidehila, jonka rakenne on suurempi kuin alkuperäinen näyte.

Nimitys: höyrystymis- ja kondensaatiolämpö (joskus merkitty ).

Yksikkö: .

Aineiden ominaishöyrystyslämpö määritetään kokeilla laboratorio-olosuhteissa, ja sen arvot pääaineille on lueteltu asianmukaisessa taulukossa.

Aine