βράζει -Αυτή είναι η εξάτμιση που συμβαίνει στον όγκο ολόκληρου του υγρού σε σταθερή θερμοκρασία.
Η διαδικασία εξάτμισης μπορεί να συμβεί όχι μόνο από την επιφάνεια του υγρού, αλλά και μέσα στο υγρό. Οι φυσαλίδες ατμού μέσα σε ένα υγρό διαστέλλονται και επιπλέουν στην επιφάνεια εάν η πίεση κορεσμένο ατμόισοδυναμεί εξωτερική πίεσηή να το υπερβείτε. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται βρασμός. Όσο ένα υγρό βράζει, η θερμοκρασία του παραμένει σταθερή.
Σε θερμοκρασία 100 0 C, η πίεση των κορεσμένων υδρατμών είναι ίση με την κανονική ατμοσφαιρική πίεση, επομένως, σε κανονική πίεσητο νερό βράζει στους 100°C. Σε θερμοκρασία 80 ° C, η πίεση κορεσμένων ατμών είναι περίπου δύο φορές μικρότερη από την κανονική ατμοσφαιρική πίεση. Επομένως, το νερό βράζει στους 80 °C εάν η πίεση πάνω από αυτό μειωθεί στο 0,5 της κανονικής ατμοσφαιρικής πίεσης (εικόνα).
Όταν η εξωτερική πίεση μειώνεται, το σημείο βρασμού ενός υγρού μειώνεται και όταν η πίεση αυξάνεται, το σημείο βρασμού αυξάνεται.
υγρό σημείο βρασμού- Αυτή είναι η θερμοκρασία στην οποία η πίεση κορεσμένων ατμών στις φυσαλίδες ενός υγρού είναι ίση με την εξωτερική πίεση στην επιφάνειά του.
κρίσιμη θερμοκρασία.
Το 1861 Ο D. I. Mendeleev διαπίστωσε ότι για κάθε υγρό πρέπει να υπάρχει μια τέτοια θερμοκρασία στην οποία η διαφορά μεταξύ του υγρού και των ατμών του εξαφανίζεται. Το ονόμασε ο Mendeleev απόλυτο σημείο βρασμού (κρίσιμη θερμοκρασία).Δεν υπάρχει θεμελιώδης διαφορά μεταξύ αερίου και ατμού. Συνήθως αέριοονομάζεται ουσία σε αέρια κατάσταση, όταν η θερμοκρασία της είναι πάνω από την κρίσιμη, και πορθμείο- όταν η θερμοκρασία είναι κάτω από την κρίσιμη.
Η κρίσιμη θερμοκρασία μιας ουσίας είναι η θερμοκρασία στην οποία η πυκνότητα του υγρού και η πυκνότητα των κορεσμένων ατμών του γίνονται ίδια.
Κάθε ουσία που βρίσκεται σε αέρια κατάσταση μπορεί να μετατραπεί σε υγρό. Ωστόσο, κάθε ουσία μπορεί να βιώσει έναν τέτοιο μετασχηματισμό μόνο σε θερμοκρασίες κάτω από μια συγκεκριμένη τιμή, ειδική για κάθε ουσία, που ονομάζεται κρίσιμη θερμοκρασία T k. Σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από την κρίσιμη, η ουσία δεν μετατρέπεται σε υγρό υπό καμία πίεση.
Το μοντέλο ιδανικού αερίου είναι εφαρμόσιμο για να περιγράψει τις ιδιότητες των αερίων που υπάρχουν στην πραγματικότητα στη φύση σε περιορισμένο εύρος θερμοκρασιών και πιέσεων. Όταν η θερμοκρασία πέσει κάτω από την κρίσιμη για ένα δεδομένο αέριο, η δράση των ελκτικών δυνάμεων μεταξύ των μορίων δεν μπορεί πλέον να παραμεληθεί, και σε επαρκή υψηλή πίεσητα μόρια μιας ουσίας συνδέονται μεταξύ τους.
Εάν μια ουσία βρίσκεται σε κρίσιμη θερμοκρασία και κρίσιμη πίεση, τότε η κατάστασή της ονομάζεται κρίσιμη κατάσταση.
(Όταν το νερό θερμαίνεται, ο αέρας που είναι διαλυμένος σε αυτό απελευθερώνεται στα τοιχώματα του δοχείου και ο αριθμός των φυσαλίδων αυξάνεται συνεχώς και ο όγκος τους αυξάνεται. Με έναν αρκετά μεγάλο όγκο της φυσαλίδας, η δύναμη του Αρχιμήδη που ενεργεί πάνω της την σκίζει από την κάτω επιφάνεια και το σηκώνει προς τα πάνω, και στη θέση της αποκολλημένης φυσαλίδας, το έμβρυο μιας νέας παραμένει φυσαλίδα. Δεδομένου ότι όταν ένα υγρό θερμαίνεται από κάτω, τα ανώτερα στρώματά του είναι πιο κρύα από τα κάτω, όταν η φυσαλίδα ανεβαίνει, οι υδρατμοί σε αυτό συμπυκνώνονται και ο αέρας διαλύεται ξανά στο νερό και ο όγκος της φυσαλίδας μειώνεται. Πολλές φυσαλίδες, πριν φτάσουν στην επιφάνεια του νερού, εξαφανίζονται και μερικές φτάνουν στην επιφάνεια. Υπάρχει πολύ λίγος αέρας και ατμός σε αυτές Αυτό συμβαίνει μέχρις ότου, λόγω μεταφοράς, η θερμοκρασία σε ολόκληρο το υγρό γίνει η ίδια.Όταν η θερμοκρασία στο υγρό εξισωθεί, ο όγκος των φυσαλίδων θα αυξηθεί κατά την ανάβαση . Αυτό εξηγείται ως εξής. Όταν η ίδια θερμοκρασία έχει σταθεροποιηθεί σε ολόκληρο το υγρό και η φυσαλίδα ανεβαίνει, η πίεση των κορεσμένων ατμών μέσα στη φυσαλίδα παραμένει σταθερή και υδροστατική πίεση(πίεση του ανώτερου στρώματος υγρού) μειώνεται, οπότε η φυσαλίδα μεγαλώνει. Ολόκληρος ο χώρος μέσα στη φυσαλίδα γεμίζει με κορεσμένους ατμούς κατά την ανάπτυξή της. Όταν μια τέτοια φυσαλίδα φτάσει στην επιφάνεια του υγρού, η πίεση του κορεσμένου ατμού σε αυτήν είναι ίση με την ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια του υγρού.)
ΚΑΘΗΚΟΝΤΑ
1. Η σχετική υγρασία στους 20°C είναι 58%. Σε ποια μέγιστη θερμοκρασία θα πέσει η δροσιά;
2. Πόσο νερό πρέπει να εξατμιστεί σε 1000 ml αέρα, σχετική υγρασίαπου είναι 40% στους 283 Κ να το υγράνω στο 40% στους 290 Κ;
3. Ο αέρας σε θερμοκρασία 303 Κ έχει σημείο δρόσου στους 286 Κ. Προσδιορίστε την απόλυτη και σχετική υγρασία του αέρα.
4. Στους 28°C η σχετική υγρασία αέρα είναι 50%. Προσδιορίστε τη μάζα της δρόσου που έχει πέσει από 1 km3 αέρα όταν η θερμοκρασία πέσει στους 12 ° C.
5. Σε ένα δωμάτιο με όγκο 200 m3, η σχετική υγρασία στους 20 ° C είναι 70%. Προσδιορίστε τη μάζα των υδρατμών στον αέρα του δωματίου.
"ΚΑΙ έξυπνος άνθρωποςΠρέπει να σκέφτομαι μερικές φορές» Gennady Malkin
Στην καθημερινή ζωή, χρησιμοποιώντας το παράδειγμα της λειτουργίας ενός αυτόκλειστου, μπορεί κανείς να εντοπίσει την εξάρτηση του σημείου βρασμού του νερού από την πίεση. Ας υποθέσουμε ότι για την παρασκευή του προϊόντος και την καταστροφή όλων των επικίνδυνων ζωντανών πλασμάτων, συμπεριλαμβανομένων των σπορίων αλλαντίασης, χρειαζόμαστε θερμοκρασία 120 ° C. Σε μια απλή κατσαρόλα, αυτή η θερμοκρασία δεν μπορεί να επιτευχθεί, το νερό απλώς θα βράσει στους 100 ° C. Αυτό είναι σωστό, σε ατμοσφαιρική πίεση 1 kgf / cm² (760 mm Hg), το νερό θα βράσει στους 100 ° C. Με μια λέξη, πρέπει να φτιάξουμε ένα ερμητικό δοχείο από το τηγάνι, δηλαδή ένα αυτόκλειστο. Σύμφωνα με τον πίνακα, προσδιορίζουμε την πίεση στην οποία βράζει το νερό στους 120 ° C. Αυτή η πίεση είναι 2 kgf/cm². Αλλά αυτή είναι η απόλυτη πίεση, και χρειαζόμαστε μια πίεση μετρητή, οι περισσότεροι μετρητές δείχνουν υπερβολική πίεση. Εφόσον η απόλυτη πίεση είναι ίση με το άθροισμα της περίσσειας (P g) και της βαρομετρικής (P bar.), δηλ. R abs. = Π εξ. + P bar, τότε η υπερπίεση στο αυτόκλειστο πρέπει να είναι τουλάχιστον P g = P abs. - R bar. \u003d 2-1 \u003d 1 kgf / cm 2. Αυτό είναι αυτό που βλέπουμε στο παραπάνω σχήμα. Η αρχή λειτουργίας είναι ότι λόγω της έγχυσης υπερβολικής πίεσης 0,1 MPa. όταν θερμαίνεται, η θερμοκρασία αποστείρωσης των κονσερβοποιημένων προϊόντων αυξάνεται στους 110-120°C και το νερό μέσα στο αυτόκλειστο δεν βράζει.
Η εξάρτηση του σημείου βρασμού του νερού από την πίεση παρουσιάζεται στον πίνακα του V.P. Vukalovich
Πίνακας V.P. Vukalovich
| R | t | Εγώ / | Εγώ // | r |
| 0,010 | 6,7 | 6,7 | 600,2 | 593,5 |
| 0,050 | 32,6 | 32,6 | 611,5 | 578,9 |
| 0,10 | 45,5 | 45,5 | 617,0 | 571,6 |
| 0,20 | 59,7 | 59,7 | 623,1 | 563,4 |
| 0,30 | 68,7 | 68,7 | 626,8 | 558,1 |
| 0,40 | 75,4 | 75,4 | 629,5 | 554,1 |
| 0,50 | 80,9 | 80,9 | 631,6 | 550,7 |
| 0,60 | 85,5 | 85,5 | 633,5 | 548,0 |
| 0,70 | 89,5 | 89,5 | 635,1 | 545,6 |
| 0,80 | 93,0 | 93.1 | 636,4 | 543,3 |
| 0,90 | 96,2 | 96,3 | 637,6 | 541,3 |
| 1,0 | 99,1 | 99,2 | 638,8 | 539,6 |
| 1,5 | 110,8 | 111,0 | 643,1 | 532,1 |
| 2,0 | 119,6 | 120,0 | 646,3 | 526,4 |
| 2,5 | 126,8 | 127,2 | 648,7 | 521,5 |
| 3,0 | 132,9 | 133,4 | 650,7 | 517,3 |
| 3,5 | 138,2 | 138,9 | 652,4 | 513,5 |
| 4,0 | 142,9 | 143,7 | 653,9 | 510,2 |
| 4,5 | 147,2 | 148,1 | 655,2 | 507,1 |
| 5,0 | 151,1 | 152,1 | 656,3 | 504,2 |
| 6,0 | 158,1 | 159,3 | 658,3 | 498,9 |
| 7,0 | 164,2 | 165,7 | 659,9 | 494,2 |
| 8,0 | 169,6 | 171,4 | 661,2 | 489,8 |
P - απόλυτη πίεση σε atm, kgf / cm 2. t είναι η θερμοκρασία σε o C; i / – ενθαλπία βραστό νερό, kcal/kg. i // – ενθαλπία ξηρού κορεσμένου ατμού, kcal/kg. r είναι η λανθάνουσα θερμότητα της εξάτμισης, kcal/kg.
Η εξάρτηση του σημείου βρασμού του νερού από την πίεση είναι ευθέως ανάλογη, δηλαδή όσο μεγαλύτερη είναι η πίεση τόσο μεγαλύτερο είναι το σημείο βρασμού. Για καλύτερη κατανόησησε αυτήν την εξάρτηση, καλείστε να απαντήσετε στις ακόλουθες ερωτήσεις:
1. Τι είναι το υπερθερμασμένο νερό; Ποια είναι η μέγιστη δυνατή θερμοκρασία νερού στο λεβητοστάσιό σας;
2. Τι καθορίζει την πίεση στην οποία λειτουργεί ο λέβητας σας;
3. Δώστε παραδείγματα χρήσης της εξάρτησης του σημείου βρασμού του νερού από την πίεση στο λεβητοστάσιό σας.
4. Αιτίες υδραυλικά σοκσε δίκτυα θέρμανσης νερού. Γιατί ακούγεται κροτάλισμα στα τοπικά συστήματα θέρμανσης μιας ιδιωτικής κατοικίας και πώς να το αποφύγετε;
5. Και τέλος, ποια είναι η λανθάνουσα θερμότητα της εξάτμισης; Γιατί βιώνουμε, υπό προϋποθέσεις, αφόρητη ζέστη στο ρωσικό λουτρό και βγαίνουμε από το ατμόλουτρο. Αν και η θερμοκρασία στο ατμόλουτρο δεν είναι μεγαλύτερη από 60 ° C.
Γιατί ένα άτομο άρχισε να βράζει νερό πριν από την άμεση χρήση του; Σωστά, για να προστατευτείτε από πολλά παθογόνα βακτήρια και ιούς. Αυτή η παράδοση ήρθε στο έδαφος της μεσαιωνικής Ρωσίας ακόμη και πριν από τον Μέγα Πέτρο, αν και πιστεύεται ότι ήταν αυτός που έφερε το πρώτο σαμοβάρι στη χώρα και εισήγαγε την ιεροτελεστία της αβίαστης βραδινής κατανάλωσης τσαγιού. Στην πραγματικότητα, οι δικοί μας χρησιμοποιούσαν κάποιο είδος σαμοβάρι πίσω αρχαία Ρωσίαγια την παρασκευή ροφημάτων από βότανα, μούρα και ρίζες. Εδώ χρειαζόταν το βράσιμο κυρίως για την εξαγωγή χρήσιμων φυτικών εκχυλισμάτων, παρά για την απολύμανση. Πράγματι, εκείνη την εποχή δεν ήταν καν γνωστό για τον μικρόκοσμο όπου ζουν αυτά τα βακτήρια και οι ιοί. Ωστόσο, χάρη στο βράσιμο, η χώρα μας παρακάμπτεται από παγκόσμιες πανδημίες τρομερών ασθενειών όπως η χολέρα ή η διφθερίτιδα.
Κελσίου
Ο μεγάλος μετεωρολόγος, γεωλόγος και αστρονόμος από τη Σουηδία αρχικά χρησιμοποίησε 100 μοίρες για να υποδείξει το σημείο πήξης του νερού υπό κανονικές συνθήκες και το σημείο βρασμού του νερού λήφθηκε ως μηδέν βαθμοί. Και μετά το θάνατό του το 1744, όχι λιγότερο διάσημο πρόσωπο, ο βοτανολόγος Carl Linnaeus και ο δέκτης Κελσίου Morten Strömer, αντέστρεψαν αυτήν την κλίμακα για ευκολία στη χρήση. Ωστόσο, σύμφωνα με άλλες πηγές, ο ίδιος ο Κέλσιος το έκανε λίγο πριν τον θάνατό του. Αλλά σε κάθε περίπτωση, η σταθερότητα των αναγνώσεων και η κατανοητή αποφοίτηση επηρέασαν την ευρεία χρήση του μεταξύ των πιο διάσημων επιστημονικών επαγγελμάτων εκείνης της εποχής - των χημικών. Και, παρά το γεγονός ότι, σε ανεστραμμένη μορφή, το σημάδι της κλίμακας των 100 μοιρών έθεσε το σημείο σταθερού βρασμού του νερού και όχι την αρχή της κατάψυξης του, η ζυγαριά άρχισε να φέρει το όνομα του κύριου δημιουργού της, Κελσίου.
Κάτω από την ατμόσφαιρα
Ωστόσο, δεν είναι όλα τόσο απλά όσο φαίνονται με την πρώτη ματιά. Εξετάζοντας οποιοδήποτε διάγραμμα κατάστασης σε συντεταγμένες P-T ή P-S (η εντροπία S είναι άμεση συνάρτηση της θερμοκρασίας), βλέπουμε πόσο στενά σχετίζονται η θερμοκρασία και η πίεση. Ομοίως, το νερό, ανάλογα με την πίεση, αλλάζει τις τιμές του. Και κάθε ορειβάτης γνωρίζει καλά αυτή την ιδιότητα. Όλοι όσοι τουλάχιστον μία φορά στη ζωή του κατάλαβαν ύψη πάνω από 2000-3000 μέτρα πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας γνωρίζουν πόσο δύσκολο είναι να αναπνέεις σε υψόμετρο. Αυτό συμβαίνει γιατί όσο πιο ψηλά ανεβαίνουμε, τόσο πιο αραιός γίνεται ο αέρας. Η ατμοσφαιρική πίεση πέφτει κάτω από μια ατμόσφαιρα (κάτω από N.O., δηλαδή κάτω από τις «κανονικές συνθήκες»). Το σημείο βρασμού του νερού πέφτει επίσης. Ανάλογα με την πίεση σε κάθε ένα από τα ύψη, μπορεί να βράσει και στα ογδόντα και στα εξήντα
χύτρες ταχύτητας
Ωστόσο, πρέπει να θυμόμαστε ότι αν και τα κύρια μικρόβια πεθαίνουν σε θερμοκρασίες άνω των εξήντα βαθμών Κελσίου, πολλά μπορούν να επιβιώσουν σε ογδόντα βαθμούς ή περισσότερο. Γι' αυτό πετυχαίνουμε βραστό νερό, δηλαδή φέρνουμε τη θερμοκρασία του στους 100°C. Ωστόσο, υπάρχουν ενδιαφέρουσες συσκευές κουζίνας που σας επιτρέπουν να μειώσετε το χρόνο και να θερμάνετε το υγρό σε υψηλές θερμοκρασίες, χωρίς να το βράσετε και να χάσετε μάζα μέσω της εξάτμισης. Συνειδητοποιώντας ότι το σημείο βρασμού του νερού μπορεί να αλλάξει ανάλογα με την πίεση, μηχανικοί από τις Ηνωμένες Πολιτείες, βασισμένοι σε ένα γαλλικό πρωτότυπο, παρουσίασαν στον κόσμο μια χύτρα ταχύτητας τη δεκαετία του 1920. Η αρχή της λειτουργίας του βασίζεται στο γεγονός ότι το καπάκι πιέζεται σφιχτά στους τοίχους, χωρίς δυνατότητα αφαίρεσης ατμού. Στο εσωτερικό δημιουργείται αυξημένη πίεση και το νερό βράζει σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Ωστόσο, τέτοιες συσκευές είναι αρκετά επικίνδυνες και συχνά οδηγούν σε έκρηξη και σοβαρά εγκαύματα στους χρήστες.
Ιδανικά
Ας δούμε πώς έρχεται και φεύγει η διαδικασία. Φανταστείτε μια τέλεια ομαλή και άπειρη μεγάλη επιφάνειαθέρμανση, όπου η κατανομή της θερμότητας γίνεται ομοιόμορφα (η ίδια ποσότητα θερμικής ενέργειας παρέχεται σε κάθε τετραγωνικό χιλιοστό της επιφάνειας) και ο συντελεστής τραχύτητας της επιφάνειας τείνει στο μηδέν. Στην περίπτωση αυτή, στο ν. y. Ο βρασμός σε ένα στρωτό οριακό στρώμα θα αρχίσει ταυτόχρονα σε ολόκληρη την επιφάνεια και θα συμβεί αμέσως, εξατμίζοντας αμέσως ολόκληρο τον μοναδιαίο όγκο του υγρού που βρίσκεται στην επιφάνειά του. Αυτές είναι οι ιδανικές συνθήκες για πραγματική ζωήαυτό δεν συμβαίνει.
Σε πραγματικό
Ας μάθουμε ποιο είναι το αρχικό σημείο βρασμού του νερού. Ανάλογα με την πίεση, αλλάζει και τις τιμές του, αλλά το κύριο σημείο εδώ έγκειται σε αυτό. Ακόμα κι αν πάρουμε το πιο ομαλό, κατά τη γνώμη μας, τηγάνι και το φέρουμε στο μικροσκόπιο, τότε στον προσοφθάλμιό του θα δούμε ανομοιόμορφες άκρες και αιχμηρές, συχνές κορυφές να προεξέχουν πάνω από την κύρια επιφάνεια. Η θερμότητα στην επιφάνεια του τηγανιού, θα υποθέσουμε ότι παρέχεται ομοιόμορφα, αν και στην πραγματικότητα αυτό δεν είναι επίσης μια απολύτως αληθινή δήλωση. Ακόμη και όταν το τηγάνι βρίσκεται στον μεγαλύτερο καυστήρα, η διαβάθμιση θερμοκρασίας κατανέμεται άνισα στη σόμπα και υπάρχουν πάντα τοπικές ζώνες υπερθέρμανσης που ευθύνονται για τον πρώιμο βρασμό του νερού. Πόσες μοίρες βρίσκονται ταυτόχρονα στις κορυφές της επιφάνειας και στα πεδινά της; Οι κορυφές της επιφάνειας με αδιάλειπτη παροχή θερμότητας θερμαίνονται πιο γρήγορα από τα πεδινά και τα λεγόμενα βάθη. Επιπλέον, περιβάλλονται από όλες τις πλευρές από νερό με χαμηλή θερμοκρασία, δίνουν καλύτερα ενέργεια στα μόρια του νερού. Η θερμική διάχυση των κορυφών είναι μιάμιση έως δύο φορές μεγαλύτερη από αυτή των πεδινών.
Θερμοκρασίες
Γι' αυτό το αρχικό σημείο βρασμού του νερού είναι περίπου ογδόντα βαθμοί Κελσίου. Σε αυτή την τιμή, οι κορυφές της επιφάνειας αναδύονται αρκετά που είναι απαραίτητο για το στιγμιαίο βρασμό του υγρού και το σχηματισμό των πρώτων φυσαλίδων, ορατή στο μάτι, που δειλά δειλά αρχίζουν να βγαίνουν στην επιφάνεια. Και ποιο είναι το σημείο βρασμού του νερού σε κανονική πίεση - ρωτούν πολλοί. Η απάντηση σε αυτή την ερώτηση μπορεί να βρεθεί εύκολα στους πίνακες. Σε ατμοσφαιρική πίεση, ο σταθερός βρασμός επιτυγχάνεται στους 99,9839 °C.
Είναι σαφές από το παραπάνω σκεπτικό ότι το σημείο βρασμού ενός υγρού πρέπει να εξαρτάται από την εξωτερική πίεση. Οι παρατηρήσεις το επιβεβαιώνουν.
Όσο μεγαλύτερη είναι η εξωτερική πίεση, τόσο υψηλότερο είναι το σημείο βρασμού. Έτσι, σε ένα λέβητα ατμού με πίεση που φτάνει τα 1,6 10 6 Pa, το νερό δεν βράζει ακόμη και σε θερμοκρασία 200 °C. ΣΕ ιατρικά ιδρύματαβραστό νερό σε ερμητικά κλειστά δοχεία - αυτόκλειστα (Εικ. 6.11) εμφανίζεται επίσης όταν υψηλή πίεση του αίματος. Επομένως, το σημείο βρασμού είναι πολύ υψηλότερο από 100 °C. Τα αυτόκλειστα χρησιμοποιούνται για την αποστείρωση χειρουργικών εργαλείων, επιδέσμων κ.λπ.
Αντίθετα, μειώνοντας την εξωτερική πίεση, μειώνουμε έτσι το σημείο βρασμού. Κάτω από το κουδούνι της αντλίας αέρα, μπορείτε να κάνετε το νερό να βράσει σε θερμοκρασία δωματίου (Εικ. 6.12). Καθώς ανεβαίνετε στα βουνά, η ατμοσφαιρική πίεση μειώνεται, άρα μειώνεται το σημείο βρασμού. Σε υψόμετρο 7134 m (κορυφή Λένιν στο Παμίρ), η πίεση είναι περίπου 4 10 4 Pa (300 mm Hg). Το νερό βράζει εκεί στους 70°C περίπου. Είναι αδύνατο να μαγειρέψετε, για παράδειγμα, κρέας σε αυτές τις συνθήκες.
Το σχήμα 6.13 δείχνει την εξάρτηση του σημείου βρασμού του νερού από την εξωτερική πίεση. Είναι εύκολο να δούμε ότι αυτή η καμπύλη είναι επίσης μια καμπύλη που εκφράζει την εξάρτηση της πίεσης κορεσμένων υδρατμών από τη θερμοκρασία.
Η διαφορά στα σημεία βρασμού των υγρών
Κάθε υγρό έχει το δικό του σημείο βρασμού. Η διαφορά στα σημεία βρασμού των υγρών καθορίζεται από τη διαφορά της πίεσης των κορεσμένων ατμών τους στην ίδια θερμοκρασία. Για παράδειγμα, ο ατμός αιθέρα ήδη σε θερμοκρασία δωματίου έχει πίεση μεγαλύτερη από τη μισή ατμοσφαιρική πίεση. Επομένως, για να γίνει η πίεση ατμών του αιθέρα ίση με την ατμοσφαιρική, χρειάζεται μια ελαφρά αύξηση της θερμοκρασίας (έως 35 ° C). Στον υδράργυρο, οι κορεσμένοι ατμοί έχουν πολύ αμελητέα πίεση σε θερμοκρασία δωματίου. Η τάση ατμών του υδραργύρου γίνεται ίση με την ατμοσφαιρική μόνο με σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας (έως 357 ° C). Σε αυτή τη θερμοκρασία, εάν η εξωτερική πίεση είναι 105 Pa, ο υδράργυρος βράζει.
Η διαφορά στα σημεία βρασμού των ουσιών είναι πολύ χρήσιμη στην τεχνολογία, για παράδειγμα, στον διαχωρισμό των προϊόντων πετρελαίου. Όταν το λάδι θερμαίνεται, τα πιο πολύτιμα, πτητικά μέρη του (βενζίνη) εξατμίζονται πρώτα απ' όλα, τα οποία μπορούν έτσι να διαχωριστούν από τα «βαριά» υπολείμματα (έλαια, μαζούτ).
Ένα υγρό βράζει όταν η πίεση κορεσμένων ατμών του ισούται με την πίεση μέσα στο υγρό.
§ 6.6. Θερμότητα εξάτμισης
Απαιτείται ενέργεια για να μετατραπεί το υγρό σε ατμό; Μάλλον ναι! Δεν είναι?
Σημειώσαμε (βλ. § 6.1) ότι η εξάτμιση ενός υγρού συνοδεύεται από την ψύξη του. Για να διατηρείται η θερμοκρασία του εξατμιζόμενου υγρού αμετάβλητη, πρέπει να του παρέχεται θερμότητα από το εξωτερικό. Φυσικά, η ίδια η θερμότητα μπορεί να μεταφερθεί σε υγρό από τα γύρω σώματα. Έτσι, το νερό στο ποτήρι εξατμίζεται, αλλά η θερμοκρασία του νερού, η οποία είναι κάπως χαμηλότερη από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος αέρα, παραμένει αμετάβλητη. Η θερμότητα μεταφέρεται από τον αέρα στο νερό μέχρι να εξατμιστεί όλο το νερό.
Για να διατηρείται το νερό (ή οποιοδήποτε άλλο υγρό) βράσιμο, πρέπει επίσης να του παρέχεται συνεχώς θερμότητα, για παράδειγμα, θερμαίνοντάς το με καυστήρα. Σε αυτή την περίπτωση, η θερμοκρασία του νερού και του δοχείου δεν αυξάνεται, αλλά σχηματίζεται μια ορισμένη ποσότητα ατμού κάθε δευτερόλεπτο.
Έτσι, για να μετατραπεί ένα υγρό σε ατμό με εξάτμιση ή με βρασμό, απαιτείται εισροή θερμότητας. Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για τη μετατροπή μιας δεδομένης μάζας υγρού σε ατμό στην ίδια θερμοκρασία ονομάζεται θερμότητα εξάτμισης αυτού του υγρού.
Σε τι χρησιμεύει η ενέργεια που παρέχεται στο σώμα; Πρώτα απ 'όλα, να αυξήσει την εσωτερική της ενέργεια κατά τη μετάβαση από μια υγρή σε μια αέρια κατάσταση: τελικά, σε αυτήν την περίπτωση, ο όγκος μιας ουσίας αυξάνεται από τον όγκο του υγρού στον όγκο του κορεσμένου ατμού. Κατά συνέπεια, η μέση απόσταση μεταξύ των μορίων αυξάνεται και ως εκ τούτου η δυναμική τους ενέργεια.
Επιπλέον, όταν ο όγκος μιας ουσίας αυξάνεται, γίνεται εργασία ενάντια στις δυνάμεις της εξωτερικής πίεσης. Αυτό το μέρος της θερμότητας εξάτμισης σε θερμοκρασία δωματίου είναι συνήθως ένα μικρό ποσοστό της συνολικής θερμότητας εξάτμισης.
Η θερμότητα της εξάτμισης εξαρτάται από τον τύπο του υγρού, τη μάζα και τη θερμοκρασία του. Η εξάρτηση της θερμότητας της εξάτμισης από τον τύπο του υγρού χαρακτηρίζεται από μια τιμή που ονομάζεται ειδική θερμότητα εξάτμισης.
Η ειδική θερμότητα εξάτμισης ενός δεδομένου υγρού είναι ο λόγος της θερμότητας της εξάτμισης ενός υγρού προς τη μάζα του:
(6.6.1)
Οπου r- ειδική θερμότητα εξάτμισης του υγρού. Τ- μάζα υγρού. Q nείναι η θερμότητα της εξάτμισης του. Η μονάδα SI για την ειδική θερμότητα εξάτμισης είναι το τζάουλ ανά κιλό (J/kg).
Η ειδική θερμότητα εξάτμισης του νερού είναι πολύ υψηλή: 2.256 10 6 J/kg σε θερμοκρασία 100 °C. Για άλλα υγρά (οινόπνευμα, αιθέρας, υδράργυρος, κηροζίνη κ.λπ.), η ειδική θερμότητα εξάτμισης είναι 3-10 φορές μικρότερη.
Χρήση του φαινομένου της υγρής ψύξης κατά την εξάτμισή του. εξάρτηση του σημείου βρασμού του νερού από την πίεση.
Κατά την εξάτμιση, μια ουσία περνά από υγρή σε αέρια κατάσταση (ατμός). Υπάρχουν δύο τύποι εξάτμισης: η εξάτμιση και ο βρασμός.
ΕξάτμισηΗ εξάτμιση συμβαίνει από την ελεύθερη επιφάνεια ενός υγρού.
Πώς γίνεται η εξάτμιση; Γνωρίζουμε ότι τα μόρια οποιουδήποτε υγρού βρίσκονται σε συνεχή και χαοτική κίνηση, με άλλα να κινούνται πιο γρήγορα και άλλα πιο αργά. Οι δυνάμεις έλξης μεταξύ τους εμποδίζουν να πετάξουν έξω. Εάν, ωστόσο, ένα μόριο με αρκετά μεγάλη κινητική ενέργεια εμφανιστεί κοντά στην επιφάνεια του υγρού, τότε μπορεί να υπερνικήσει τις δυνάμεις της διαμοριακής έλξης και να πετάξει έξω από το υγρό. Το ίδιο θα επαναληφθεί με ένα άλλο γρήγορο μόριο, με το δεύτερο, το τρίτο κ.λπ. Πετώντας έξω, αυτά τα μόρια σχηματίζουν ατμό πάνω από το υγρό. Ο σχηματισμός αυτού του ατμού είναι η εξάτμιση.
Δεδομένου ότι τα ταχύτερα μόρια διαφεύγουν από το υγρό κατά την εξάτμιση, η μέση κινητική ενέργεια των μορίων που παραμένουν στο υγρό γίνεται όλο και μικρότερη. Σαν άποτέλεσμα η θερμοκρασία του εξατμιζόμενου υγρού μειώνεται: το υγρό ψύχεται. Γι' αυτό, συγκεκριμένα, ένα άτομο με βρεγμένα ρούχα αισθάνεται πιο κρύο από ότι με στεγνά ρούχα (ειδικά όταν φυσάει).
Ταυτόχρονα, όλοι γνωρίζουν ότι εάν ρίξετε νερό σε ένα ποτήρι και το αφήσετε στο τραπέζι, τότε, παρά την εξάτμιση, δεν θα κρυώσει συνεχώς, καθιστώντας όλο και πιο κρύο μέχρι να παγώσει. Τι το εμποδίζει αυτό; Η απάντηση είναι πολύ απλή: η ανταλλαγή θερμότητας του νερού με τον ζεστό αέρα που περιβάλλει το ποτήρι.
Η ψύξη του υγρού κατά την εξάτμιση είναι πιο αισθητή όταν η εξάτμιση γίνεται αρκετά γρήγορα (έτσι ώστε το υγρό να μην έχει χρόνο να επαναφέρει τη θερμοκρασία του λόγω ανταλλαγής θερμότητας με περιβάλλον). Τα πτητικά υγρά εξατμίζονται γρήγορα, στα οποία οι δυνάμεις διαμοριακής έλξης είναι μικρές, για παράδειγμα, αιθέρας, αλκοόλη, βενζίνη. Αν ρίξετε ένα τέτοιο υγρό στο χέρι σας, θα κρυώσουμε. Εξατμίζοντας από την επιφάνεια του χεριού, ένα τέτοιο υγρό θα κρυώσει και θα αφαιρέσει λίγη θερμότητα από αυτό.
Οι εξατμιζόμενες ουσίες χρησιμοποιούνται ευρέως στη μηχανική. Για παράδειγμα, στη διαστημική τεχνολογία, τα οχήματα καθόδου είναι επικαλυμμένα με τέτοιες ουσίες. Όταν διέρχεται από την ατμόσφαιρα του πλανήτη, το σώμα-συσκευή θερμαίνεται ως αποτέλεσμα της τριβής και η ουσία που το καλύπτει αρχίζει να εξατμίζεται. Εξατμίζοντας, ψύχει το διαστημόπλοιο, σώζοντάς το έτσι από υπερθέρμανση.
Η ψύξη του νερού κατά την εξάτμισή του χρησιμοποιείται επίσης σε όργανα που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της υγρασίας του αέρα - ψυχόμετρα(από το ελληνικό "ψυχρός" - κρύο). Το ψυχόμετρο αποτελείται από δύο θερμόμετρα. Ένα από αυτά (στεγνό) δείχνει τη θερμοκρασία του αέρα και το άλλο (η δεξαμενή του οποίου είναι δεμένη με καμβέριο, χαμηλωμένο στο νερό) - περισσότερα χαμηλή θερμοκρασία, λόγω της έντασης της εξάτμισης από υγρό καμπρίκι. Όσο πιο ξηρός είναι ο αέρας του οποίου η υγρασία μετράται, τόσο ισχυρότερη είναι η εξάτμιση και επομένως τόσο χαμηλότερη είναι η ένδειξη υγρού λαμπτήρα. Αντίθετα, όσο μεγαλύτερη είναι η υγρασία του αέρα, τόσο λιγότερο έντονη είναι η εξάτμιση και επομένως τόσο περισσότερο υψηλή θερμοκρασίαδείχνει αυτό το θερμόμετρο. Με βάση τις ενδείξεις των ξηρών και βρεγμένων θερμομέτρων, με τη χρήση ειδικού (ψυχρομετρικού) πίνακα, προσδιορίζεται η υγρασία του αέρα, εκφρασμένη ως ποσοστό. Η υψηλότερη υγρασία είναι 100% (σε αυτήν την υγρασία, η δροσιά εμφανίζεται σε αντικείμενα). Για ένα άτομο, η πιο ευνοϊκή υγρασία θεωρείται ότι κυμαίνεται από 40 έως 60%.
Με τη χρήση απλά πειράματαείναι εύκολο να διαπιστωθεί ότι ο ρυθμός εξάτμισης αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας του υγρού, καθώς και με την αύξηση της περιοχής της ελεύθερης επιφάνειας του και παρουσία ανέμου.
Γιατί το υγρό εξατμίζεται πιο γρήγορα παρουσία ανέμου; Το γεγονός είναι ότι ταυτόχρονα με την εξάτμιση στην επιφάνεια του υγρού, συμβαίνει η αντίστροφη διαδικασία - συμπύκνωση. Η συμπύκνωση συμβαίνει λόγω του γεγονότος ότι μέρος των μορίων ατμού, που κινούνται τυχαία πάνω από το υγρό, επιστρέφει ξανά σε αυτό. Ο άνεμος παρασύρει τα μόρια που έχουν πετάξει έξω από το υγρό και δεν τους επιτρέπει να επιστρέψουν πίσω.
Συμπύκνωση μπορεί επίσης να συμβεί όταν ο ατμός δεν έρχεται σε επαφή με το υγρό. Είναι η συμπύκνωση, για παράδειγμα, που εξηγεί το σχηματισμό νεφών: τα μόρια των υδρατμών που ανεβαίνουν πάνω από τη γη στα ψυχρότερα στρώματα της ατμόσφαιρας ομαδοποιούνται σε μικροσκοπικές σταγόνες νερού, οι συσσωρεύσεις των οποίων είναι σύννεφα. Η συμπύκνωση υδρατμών στην ατμόσφαιρα προκαλεί επίσης βροχή και δροσιά.
Θερμοκρασία βρασμού έναντι πίεσης
Το σημείο βρασμού του νερού είναι 100°C. Θα μπορούσε κανείς να σκεφτεί ότι αυτή είναι μια εγγενής ιδιότητα του νερού, ότι το νερό, όπου και υπό ποιες συνθήκες βρίσκεται, θα βράζει πάντα στους 100 ° C.
Δεν είναι όμως έτσι και οι κάτοικοι των ψηλών χωριών το γνωρίζουν καλά.
Κοντά στην κορυφή του Elbrus υπάρχει ένα σπίτι για τους τουρίστες και ένας επιστημονικός σταθμός. Οι αρχάριοι αναρωτιούνται μερικές φορές «πόσο δύσκολο είναι να βράσεις ένα αυγό σε βραστό νερό» ή «γιατί το βραστό νερό δεν καίει». Κάτω από αυτές τις συνθήκες, τους λένε ότι το νερό βράζει στην κορυφή του Elbrus ήδη στους 82°C.
Τι συμβαίνει εδώ; Ποιος φυσικός παράγοντας παρεμβαίνει στο φαινόμενο του βρασμού; Ποια είναι η σημασία του υψομέτρου;
Αυτός ο φυσικός παράγοντας είναι η πίεση που δρα στην επιφάνεια του υγρού. Δεν χρειάζεται να ανεβείτε στην κορυφή του βουνού για να ελέγξετε την εγκυρότητα των όσων έχουν ειπωθεί.
Τοποθετώντας θερμαινόμενο νερό κάτω από το κουδούνι και αντλώντας αέρα μέσα ή έξω από αυτό, μπορεί κανείς να πειστεί ότι το σημείο βρασμού αυξάνεται με την αύξηση της πίεσης και πέφτει με τη μείωση της πίεσης.
Το νερό βράζει στους 100°C μόνο σε μια ορισμένη πίεση - 760 mm Hg. Τέχνη. (ή 1 atm).
Η καμπύλη σημείου βρασμού έναντι πίεσης φαίνεται στο σχ. 4.2. Στην κορυφή του Elbrus, η πίεση είναι 0,5 atm και αυτή η πίεση αντιστοιχεί σε σημείο βρασμού 82 ° C.
Ρύζι. 4.2
Αλλά το νερό που βράζει στα 10-15 mm Hg. Τέχνη, μπορείτε να ανανεωθείτε ζεστός καιρός. Σε αυτή την πίεση, το σημείο βρασμού θα πέσει στους 10-15°C.
Μπορείτε να πάρετε ακόμη και «βραστό νερό», που έχει τη θερμοκρασία του παγωμένου νερού. Για να γίνει αυτό, θα πρέπει να μειώσετε την πίεση στα 4,6 mm Hg. Τέχνη.
Μια ενδιαφέρουσα εικόνα μπορεί να παρατηρηθεί εάν τοποθετήσετε ένα ανοιχτό δοχείο με νερό κάτω από το κουδούνι και αντλήσετε τον αέρα. Η άντληση θα κάνει το νερό να βράσει, αλλά το βράσιμο απαιτεί θερμότητα. Δεν υπάρχει από πού να το πάρεις και το νερό θα πρέπει να εγκαταλείψει την ενέργειά του. Η θερμοκρασία του νερού που βράζει θα αρχίσει να πέφτει, αλλά όσο συνεχίζεται η άντληση τόσο θα πέφτει και η πίεση. Επομένως, ο βρασμός δεν θα σταματήσει, το νερό θα συνεχίσει να κρυώνει και τελικά να παγώσει.
Τέτοια βράση κρύο νερόσυμβαίνει όχι μόνο κατά την άντληση αέρα. Για παράδειγμα, όταν η προπέλα ενός πλοίου περιστρέφεται, η πίεση σε ένα στρώμα νερού που κινείται γρήγορα κοντά σε μια μεταλλική επιφάνεια πέφτει απότομα και το νερό σε αυτό το στρώμα βράζει, δηλαδή, εμφανίζονται πολλές φυσαλίδες γεμάτες με ατμό. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σπηλαίωση (από τη λατινική λέξη cavitas - κοιλότητα).
Χαμηλώνοντας την πίεση, χαμηλώνουμε το σημείο βρασμού. Τι γίνεται με την αύξηση του; Ένα γράφημα σαν το δικό μας απαντά σε αυτήν την ερώτηση. Μια πίεση 15 atm μπορεί να καθυστερήσει το βρασμό του νερού, θα ξεκινήσει μόνο στους 200°C και μια πίεση 80 atm θα κάνει το νερό να βράσει μόνο στους 300°C.
Άρα, μια ορισμένη εξωτερική πίεση αντιστοιχεί σε ένα ορισμένο σημείο βρασμού. Αλλά αυτή η δήλωση μπορεί επίσης να «αναποδογυριστεί», λέγοντας το εξής: κάθε σημείο βρασμού νερού αντιστοιχεί στη δική του συγκεκριμένη πίεση. Αυτή η πίεση ονομάζεται πίεση ατμών.
Η καμπύλη που απεικονίζει το σημείο βρασμού ως συνάρτηση της πίεσης είναι επίσης η καμπύλη της πίεσης ατμών ως συνάρτηση της θερμοκρασίας.
Τα σχήματα που απεικονίζονται σε ένα γράφημα σημείου βρασμού (ή γράφημα πίεσης ατμών) δείχνουν ότι η τάση ατμών αλλάζει πολύ γρήγορα με τη θερμοκρασία. Στους 0°C (δηλαδή, 273 Κ), η τάση ατμών είναι 4,6 mm Hg. Art., στους 100 ° C (373 K) είναι ίσο με 760 mm Hg. Άρθ., δηλαδή αυξάνεται κατά 165 φορές. Όταν η θερμοκρασία διπλασιαστεί (από 0 ° C, δηλαδή 273 K, σε 273 ° C, δηλ. 546 K), η τάση ατμών αυξάνεται από 4,6 mm Hg. Τέχνη. μέχρι σχεδόν 60 atm, δηλαδή περίπου 10.000 φορές.
Επομένως, αντίθετα, το σημείο βρασμού αλλάζει μάλλον αργά με την πίεση. Όταν η πίεση διπλασιαστεί από 0,5 atm σε 1 atm, το σημείο βρασμού αυξάνεται από 82°C (355 K) σε 100°C (373 K) και όταν η πίεση διπλασιαστεί από 1 σε 2 atm, από 100°C (373 Κ) έως 120°C (393 Κ).
Η ίδια καμπύλη που εξετάζουμε τώρα ελέγχει επίσης τη συμπύκνωση (πάχυνση) του ατμού σε νερό.
Ο ατμός μπορεί να μετατραπεί σε νερό είτε με συμπίεση είτε με ψύξη.
Τόσο κατά τη διάρκεια του βρασμού όσο και κατά τη διάρκεια της συμπύκνωσης, το σημείο δεν θα μετακινηθεί από την καμπύλη μέχρι να ολοκληρωθεί η μετατροπή του ατμού σε νερό ή νερού σε ατμό. Αυτό μπορεί επίσης να διατυπωθεί ως εξής: υπό τις συνθήκες της καμπύλης μας, και μόνο υπό αυτές τις συνθήκες, είναι δυνατή η συνύπαρξη υγρού και ατμού. Εάν ταυτόχρονα δεν προστεθεί ή αφαιρεθεί θερμότητα, τότε οι ποσότητες ατμού και υγρού σε ένα κλειστό δοχείο θα παραμείνουν αμετάβλητες. Ένας τέτοιος ατμός και το υγρό λέγεται ότι βρίσκονται σε ισορροπία και ένας ατμός σε ισορροπία με το υγρό του λέγεται ότι είναι κορεσμένος.
Η καμπύλη βρασμού και συμπύκνωσης, όπως βλέπουμε, έχει άλλη σημασία: είναι η καμπύλη ισορροπίας υγρού και ατμού. Η καμπύλη ισορροπίας χωρίζει το πεδίο του διαγράμματος σε δύο μέρη. Αριστερά και πάνω (προς υψηλότερες θερμοκρασίες και χαμηλότερες πιέσεις) είναι η περιοχή σταθερή κατάστασηζεύγος. Δεξιά και κάτω - η περιοχή της σταθερής κατάστασης του υγρού.
Η καμπύλη ισορροπίας ατμού-υγρού, δηλαδή η εξάρτηση του σημείου βρασμού από την πίεση ή, το ίδιο, η πίεση ατμών από τη θερμοκρασία, είναι περίπου η ίδια για όλα τα υγρά. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η αλλαγή μπορεί να είναι κάπως πιο απότομη, σε άλλες - κάπως πιο αργή, αλλά πάντα η τάση ατμών αυξάνεται γρήγορα με την αύξηση της θερμοκρασίας.
Έχουμε χρησιμοποιήσει πολλές φορές τις λέξεις «αέριο» και «ατμός». Αυτές οι δύο λέξεις είναι σχεδόν ίδιες. Μπορούμε να πούμε: το αέριο νερού είναι ο ατμός του νερού, το αέριο οξυγόνο είναι ο ατμός ενός υγρού οξυγόνου. Ωστόσο, έχει αναπτυχθεί κάποια συνήθεια στη χρήση αυτών των δύο λέξεων. Δεδομένου ότι είμαστε συνηθισμένοι σε ένα συγκεκριμένο σχετικά μικρό εύρος θερμοκρασιών, συνήθως χρησιμοποιούμε τη λέξη "αέριο" σε εκείνες τις ουσίες των οποίων η πίεση ατμών σε συνηθισμένες θερμοκρασίες είναι πάνω από την ατμοσφαιρική πίεση. Αντίθετα, μιλάμε για ατμό όταν, σε θερμοκρασία δωματίου και ατμοσφαιρική πίεση, η ουσία είναι πιο σταθερή με τη μορφή υγρού.