Как зависит температура кипения от давления. Кипение. Зависимость тем­пературы кипения от давления. Испарение твердых тел

Кипение - процесс изменения агрегатного состояния вещества. Когда мы говорим о воде, то имеем в виду изменение жидкого состояния в парообразное. Важно отметить, что кипение - это не испарение, которое может протекать даже при комнатной температуре. Также не стоит путать с кипячением, что является процессом нагревания воды до определенной температуры. Теперь, когда мы разобрались с понятиями, можно определить, при какой температуре кипит вода.

Процесс

Сам процесс преобразования агрегатного состояния из жидкого в газообразное является сложным. И хотя люди этого не видят, существует 4 стадии:

1. На первой стадии на дне нагреваемой емкости образуются небольшие пузырьки. Также их можно заметить по бокам или на поверхности воды. Они образуются из-за расширения воздушных пузырьков, которые всегда есть в трещинах емкости, где нагревается вода.
2. На второй стадии объем пузырьков увеличивается. Все они начинают рваться к поверхности, так как внутри них находится насыщенный пар, который легче воды. При повышении температуры нагрева давление пузырьков возрастает, и они выталкиваются на поверхность благодаря известной силе Архимеда. При этом можно слышать характерный звук кипения, который образуется из-за постоянного расширения и уменьшения в размере пузырьков.
3. На третьей стадии на поверхности можно видеть большое количество пузырьков. Это вначале создает помутнение воды. Данный процесс в народе называют "кипением белым ключом", и длится он короткий промежуток времени.
4. На четвертой стадии вода интенсивно бурлит, на поверхности возникают большие лопающиеся пузыри, возможно появление брызг. Чаще всего брызги означают, что жидкость нагрелась до максимальной температуры. Из воды начнет исходить пар.

Известно, что вода кипит при температуре 100 градусов, которая возможна лишь на четвертой стадии.

Температура пара

Пар представляет собой одно из состояний воды. Когда он поступает в воздух, то, как и другие газы, оказывает на него определенное давление. При парообразовании температура пара и воды остаются постоянными до тех пор, пока вся жидкость не изменит свое агрегатное состояние. Это явление можно объяснить тем, что при кипении вся энергия расходуется на преобразование воды в пар.

В самом начале закипания образуется влажный насыщенный пар, который после испарения всей жидкости становится сухим. Если его температура начинает превышать температуру воды, то такой пар является перегретым, и по своим характеристикам он будет ближе к газу.

Кипение соленой воды

Достаточно интересно знать, при какой температура кипит вода с повышенным содержанием соли. Известно, что она должна быть выше из-за содержания в составе ионов Na+ и Cl-, которые между молекулами воды занимают область. Этим химический состав воды с солью отличается от обычной пресной жидкости.

Дело в том, что в соленой воде имеет место реакция гидратации - процесс присоединения молекул воды к ионам соли. Связь между молекулами пресной воды слабее тех, которые образуются при гидратации, поэтому закипание жидкости с растворенной солью будет происходить дольше. По мере роста температуры молекулы в воде с содержанием соли двигаются быстрее, но их становится меньше, из-за чего столкновения между ними осуществляются реже. В результате пара образуется меньше, и его давление из-за этого ниже, чем напор пара пресной воды. Следовательно, для полноценного парообразования потребуется больше энергии (температуры). В среднем для закипания одного литра воды с содержанием 60 граммов соли необходимо поднять градус кипения воды на 10% (то есть на 10 С).

Зависимости кипения от давления

Известно, что в горах вне зависимости от химического состава воды температура кипения будет ниже. Это происходит из-за того, что атмосферное давление на высоте ниже. Нормальным принято считать давление со значением 101.325 кПа. При нем температура закипания воды составляет 100 градусов по Цельсию. Но если подняться на гору, где давление составляет в среднем 40 кПа, то там вода закипит при 75.88 С. Но это не значит, что для приготовления еды в горах придется потратить почти вдвое меньше времени. Для термической обработки продуктов нужна определенная температура.

Считается, что на высоте 500 метров над уровнем моря вода будет закипать при 98.3 С, а на высоте 3000 метров температура закипания составит 90 С.

Отметим, что данный закон действует и в обратном направлении. Если поместить жидкость в замкнутую колбу, через которую не может проходить пар, то с ростом температуры и образованием пара давление в этой колбе будет расти, и закипание при повышенном давлении произойдет при более высокой температуре. Например, при давлении 490.3 кПа температура кипения воды составит 151 С.

Кипение дистиллированной воды

Дистиллированной называется очищенная вода без содержания каких-либо примесей. Ее часто применяют в медицинских или технических целях. С учетом того, что в такой воде нет никаких примесей, ее не используют для приготовления пищи. Интересно заметить, что закипает дистиллированная вода быстрее обычной пресной, однако температура кипения остается такой же - 100 градусов. Впрочем, разница по времени закипания будет минимальной - всего доли секунды.

В чайнике

Часто люди интересуются, при какой температуре кипит вода в чайнике, так как именно этими приборами они пользуются для кипячения жидкости. С учетом того, что атмосферное давление в квартире равно стандартному, а используемая вода не содержит солей и других примесей, которых там не должно быть, то и температура закипания также будет стандартной - 100 градусов. Но если вода будет содержать соль, то температура закипания, как мы уже знаем, будет выше.

Заключение

Теперь вы знаете, при какой температуре кипит вода, и как атмосферное давление и состав жидкости влияют на данный процесс. В этом нет ничего сложного, и подобную информацию дети получают еще в школе. Главное - запомнить, что со снижением давления понижается и температура кипения жидкости, а с его ростом увеличивается и она.

В интернете можно найти множество разных таблиц, где указывается зависимость температуры кипения жидкости от атмосферного давления. Они доступны всем и активно используются школьниками, студентами и даже преподавателями в институтах.

“И умный человек должен иногда задумываться” Геннадий Малкин

В быту, на примере работы автоклава, можно проследить зависимость температуры кипения воды от давления. Допустим, для приготовления продукта и уничтожения всей опасной живности, включая споры ботулизма, нам необходима температура в 120 °С. В простой кастрюле такую температуру не получить, вода просто закипит при 100°С. Все верно, при атмосферном давлении 1 кгс/см² (760 мм.рт.ст.) вода будет кипеть при 100°С. Одним словом, нам надо из кастрюли сделать герметическую емкость, то есть автоклав. По таблице определяем давление, при котором вода закипит при 120 °С. Это давление равно 2 кгс/см². Но это абсолютное давление, а нам надо манометрическое, большинство манометров показывает избыточное давление. Поскольку абсолютное давление равно сумме избыточного (Р изб.) и барометрического (Р бар.) т.е. Р абс. = Р изб. + Р бар, то избыточное давление в автоклаве должно быть не меньше Р изб = Р абс. – Р бар. = 2-1=1 кгс/см 2 . Что мы и наблюдаем на вышеприведенном рисунке. Принцип работы заключается в том, что из-за закачивания избыточного давления 0,1 МРа. при нагреве увеличивается температура стерилизации консервируемых продуктов до 110-120°С, причем вода внутри автоклава не закипает.

Зависимость температуры кипения воды от давления представлена таблицей В.П.Вукаловича

Таблица В.П.Вукаловича

Р – абсолютное давление в ат, кгс/см 2 ; t – температура в о С; i / – энтальпия кипящей воды, ккал/кг; i // – энтальпия сухого насыщенного пара, ккал/кг; r – скрытая теплота парообразования, ккал/кг.

Зависимость температуры кипения воды от давления прямопропорциональная, то есть чем больше давление, тем больше и температура кипения. Для лучшего понимания данной зависимости, вам предлагается ответить на следующие вопросы:

1. Что такое перегретая вода? Какая максимальная температура воды возможна в вашей котельной?

2. Чем определяется давление, при котором работает ваш водогрейный котел?

3. Приведите примеры использования зависимости температуры кипения воды от давления в вашей котельной.

4. Причины гидравлических ударов в водяных тепловых сетях. Почему слышится потрескивание в местных системах отопления частного дома и как его избежать?

5. И наконец, что такое скрытая теплота парообразования? Почему мы испытываем, при определенных условиях, в Русской бане непереносимый жар и покидаем парную. Хотя температура в парной при этом не более 60 о С.

Поскольку давление насыщающего пара однозначно определяется температурой, а кипение жидкости наступает в тот момент, когда давление насыщающих паров этой жидкости равно внешнему давлению, температура кипения должна зависеть от внешнего давления. С помощью опытов легко показать, что при уменьшении внешнего давления температура кипения понижается, а при увеличении давления - повышается.

Кипение жидкости при пониженном давлении можно показать с помощью следующего опыта. В стакан наливают воду из водопровода и опускают в нее термометр. Стакан с водой помещают под стеклянный колпак вакуумной установки и включают насос. Когда давление под колпаком достаточно понизится, вода в стакане начинает кипеть. Так как на парообразование затрачивается энергия, то температура воды в стакане при кипении начинает понижаться, и при хорошей работе насоса вода наконец закерзает.

Нагревание воды до высоких температур осуществляют в котлах и автоклавах. Устройство автоклава показано на рис. 8.6, где К - предохранительный клапан, - рычаг, прижимающий клапан, М - манометр. При давлениях больше 100 атм воду нагревают до температуры выше 300 °С.

Таблица 8.2. Точки кипения некоторых веществ

Температура кипения жидкости при нормальном атмосферном давлении называется точкой кипения. Из табл. 8.1 и 8.2 вцдно, что давление насыщающих паров для эфира, воды и спирта в точке кипения равно 1,013 105 Па (1 атм).

Из изложенного выше следует, что в глубоких шахтах вода должна кипеть при температуре выше 100 °С, а в горных местностях - ниже 100 °С. Поскольку температура кипения воды зависит от высоты над уровнем моря, на шкале термометра вместо температуры можно указать ту высоту, на которой кипит вода при этой температуре. Определение высоты с помощью такого термометра называется гипсометрией.

Опыт показывает, что температура кипения раствора всегда выше, чем температура кипения чистого растворителя, и возрастает при увеличении концентрации раствора. Однако температура паров над поверхностью кипящего раствора равна температуре кипения чистого растворителя. Поэтому для определения температуры кипения чистой жидкости термометр лучше помещать не в жидкость, а в пары над поверхностью кипящей жидкости.

Процесс кипения тесно связан с наличием растворенного газа в жидкости. Если из жидкости удалить растворенный в ней газ, например, продолжительным кипячением, то можно нагревать эту жидкость до температуры, заметно превышающей температуру ее кипения. Такую жидкость называют перегретой. При отсутствии газовых пузырьков зарождению мельчайших пузырьков пара, которые могли бы стать центрами парообразования, препятствует лапласовское давление, которое при малом радиусе пузырька велико. Этим и объясняется перегрев жидкости. Когда она все же закипает, кипение происходит очень бурно.

Из приведенных рассуждений ясно, что температура кипения жидкости должна зависеть от внешнего давления. Наблюдения подтверждают это.

Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения. Так, в паровом котле при давлении, достигающем 1,6 · 10 6 Па, вода не кипит и при температуре 200 °С. В медицинских учреждениях кипение воды в герметически закрытых сосудах - автоклавах (рис. 6.11) также происходит при повышенном давлении. Поэтому температура кипения значительно выше 100 °С. Автоклавы применяют для стерилизации хирургических инструментов, перевязочного материала и т. д.

И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Под колоколом воздушного насоса можно заставить воду кипеть при комнатной температуре (рис. 6.12). При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, поэтому уменьшается температура кипения. На высоте 7134 м (пик Ленина на Памире) давление приближенно равно 4 · 10 4 Па (300 мм рт. ст.). Вода кипит там примерно при 70 °С. Сварить, например, мясо в этих условиях невозможно.

На рисунке 6.13 изображена кривая зависимости температуры кипения воды от внешнего давления. Легко сообразить, что эта кривая является одновременно и кривой, выражающей зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры.

Различие температур кипения жидкостей

У каждой жидкости своя температура кипения. Различие температур кипения жидкостей определяется различием в давлении их насыщенных паров при одной и той же температуре. Например, пары эфира уже при комнатной температуре имеют давление, большее половины атмосферного. Поэтому, чтобы давление паров эфира стало равным атмосферному, нужно небольшое повышение температуры (до 35 °С). У ртути же насыщенные пары имеют при комнатной температуре совсем ничтожное давление. Давление паров ртути делается равным атмосферному только при значительном повышении температуры (до 357 °С). Именно при этой температуре, если внешнее давление равно 105 Па, и кипит ртуть.

Различие температур кипения веществ находит большое применение в технике, например при разделении нефтепродуктов. При нагревании нефти раньше всего испаряются наиболее ценные, летучие ее части (бензин), которые можно таким образом отделить от «тяжелых» остатков (масел, мазута).

Жидкость закипает, когда давление ее насыщенного пара сравнивается с давлением внутри жидкости.

§ 6.6. Теплота парообразования

Требуется ли энергия для превращения жидкости в пар? Скорее всего да! Не так ли?

Мы отмечали (см. § 6.1), что испарение жидкости сопровождается ее охлаждением. Для поддержания температуры испаряющейся жидкости неизменной к ней необходимо подводить извне теплоту. Конечно, теплота и сама может передаваться жидкости от окружающих тел. Так, вода в стакане испаряется, но температура воды, несколько более низкая, чем температура окружающего воздуха, остается неизменной. Теплота передается от воздуха к воде до тех пор, пока вся вода не испарится.

Чтобы поддерживать кипение воды (или иной жидкости), к ней тоже нужно непрерывно подводить теплоту, например подогревать ее горелкой. При этом температура воды и сосуда не повышается, но каждую секунду образуется определенное количество пара.

Таким образом, для превращения жидкости в пар путем испарения или путем кипения требуется приток теплоты. Количество теплоты, требующееся для превращения данной массы жидкости в пар той же температуры, называется теплотой парообразования этой жидкости.

На что расходуется подводимая к телу энергия? Прежде всего на увеличение его внутренней энергии при переходе из жидкого состояния в газообразное: ведь при этом увеличивается объем вещества от объема жидкости до объема насыщенного пара. Следовательно, увеличивается среднее расстояние между молекулами, а значит, и их потенциальная энергия.

Кроме того, при увеличении объема вещества совершается работа против сил внешнего давления. Эта часть теплоты парообразования при комнатной температуре составляет обычно несколько процентов всей теплоты парообразования.

Теплота парообразования зависит от рода жидкости, ее массы и температуры. Зависимость теплоты парообразования от рода жидкости характеризуется величиной, называемой удельной теплотой парообразования.

Удельной теплотой парообразования данной жидкости называется отношение теплоты парообразования жидкости к ее массе:

(6.6.1)

где r - удельная теплота парообразования жидкости; т - масса жидкости; Q n - ее теплота парообразования. Единицей удельной теплоты парообразования в СИ является джоуль на килограмм (Дж/кг).

Удельная теплота парообразования воды очень велика: 2,256·10 6 Дж/кг при температуре 100 °С. У других жидкостей (спирт, эфир, ртуть, керосин и др.) удельная теплота парообразования меньше в 3-10 раз.

Для чего человек начал кипятить воду перед её непосредственным употреблением? Правильно, чтобы обезопасить себя от многих болезнетворных бактерий и вирусов. Эта традиция пришла на территорию средневековой России ещё до Петра Первого, хотя считается, что именно он завёз первый самовар в страну и ввёл обряд неспешного вечернего чаепития. На самом деле некое подобие самоваров наш народ использовал ещё в древней Руси для приготовления напитков из трав, ягод и корений. Кипячение требовалось здесь в основном для извлечения полезных экстрактов растений, нежели для обеззараживания. Ведь в ту пору даже не было известно о микромире, где эти бактерии с вирусами обитают. Однако благодаря кипячению нашу страну обходили стороной мировые пандемии страшных заболеваний, таких как холера или дифтерия.

Шкала Цельсия

Великий метеоролог, геолог и астроном из Швеции изначально использовал значение в 100 градусов для обозначения точки замерзания воды при нормальных условиях, а температура кипения воды была принята за нуль градусов. И уже после его смерти в 1744 году не менее известная личность, ботаник Карл Линней и приемник Цельсия Мортен Штремер, перевернули эту шкалу для удобства её использования. Однако, по другим сведениям, это сделал сам Цельсий незадолго до своей кончины. Но в любом случае стабильность показаний и понятная градуировка повлияли на повсеместное распространение её использования среди самых престижных на то время научных профессий - химиков. И, несмотря на то что в перевернутом виде отметка шкалы в 100 градусов устанавливала точку стабильного кипения воды, а не начала её замерзания, шкала стала носить имя первостепенного её создателя, Цельсия.

Ниже атмосферы

Однако не всё так просто, как кажется на первый взгляд. Взглянув на любую диаграмму состояния в P-T- или P-S-координатах (энтропия S функциональна от температуры в прямой зависимости), мы увидим, как тесно связаны между собой температура и давление. Так же и воды в зависимости от давления меняет свои значения. И любому альпинисту прекрасно знакомо это свойство. Каждый, кто хоть раз в жизни постигал высоты свыше 2000-3000 метров над уровнем моря, знает, насколько тяжело дышится на высоте. Это из-за того, что чем выше мы поднимаемся, тем разреженнее становится воздух. Атмосферное давление падает ниже одной атмосферы (ниже н. у., то есть ниже "нормальных условий"). Падает и температура кипения воды. В зависимости от давления на каждой из высот она может закипать как при восьмидесяти, так и при шестидесяти

Скороварки

Однако следует помнить, что хоть основные микробы и погибают при температурах выше шестидесяти градусов Цельсия, многие могут выжить при восьмидесяти и более градусах. Именно поэтому мы добиваемся кипячения воды, то есть доводим её температуру до 100 °С. Однако есть интересные кухонные приборы, позволяющие сократить время и нагреть жидкость до высоких температур, без её кипячения и потери массы посредством испарения. Понимая, что температура кипения воды в зависимости от давления может изменяться, инженеры из США на основе французского прототипа представили миру в 1920-х годах скороварку. Принцип её действия основан на том, что крышка плотно прижимается к стенкам, без возможности отвода пара. Внутри создаётся повышенное давление, и вода закипает при более высоких температурах. Однако такие девайсы довольно опасны и нередко приводили к взрыву и серьёзным ожогам пользователей.

В идеале

Давайте рассмотрим, как наступает и проходит сам процесс. Вообразим себе идеально гладкую и бесконечно большую поверхность нагрева, где распределение теплоты происходит равномерно (к каждому квадратному миллиметру поверхности подводится одинаковое количество тепловой энергии), а коэффициент шероховатости поверхности стремится к нулю. В этом случае при н. у. кипение в ламинарном погранслое будет начинаться одновременно по всей площади поверхности и происходить моментально, сразу испаряя весь единичный объём жидкости, находящейся на её поверхности. Это идеальные условия, в реальной жизни такого не бывает.

В реальности

Давайте выясним, какова начальная температура кипения воды. В зависимости от давления она тоже меняет свои значения, однако основной момент здесь кроется вот в чём. Если даже мы возьмём самую гладкую, на наш взгляд, кастрюлю и поднесём её под микроскоп, то в его окуляре мы увидим неравномерные края и острые частые пики, выступающие над основной поверхностью. Теплота к поверхности кастрюли, будем считать, подводится равномерно, хотя в реальности это тоже не совсем верное утверждение. Даже когда кастрюля стоит на самой крупной конфорке, на плите градиент температур распределяется неравномерно, и всегда существуют локальные зоны перегрева, отвечающие за раннее кипение воды. Сколько градусов при этом на пиках поверхности и в её низинах? Пики поверхности при бесперебойном подведении теплоты прогреваются быстрее низин и так называемых впадин. Более того, окруженные со всех сторон водой с низкой температурой, они лучше отдают энергию молекулам воды. Коэффициент температуропроводности пиков в полтора-два раза выше, чем у низин.

Температуры

Именно поэтому начальная температура кипения воды составляет порядка восьмидесяти градусов Цельсия. При этом значении пики поверхности подводят достаточное необходимого для мгновенного вскипания жидкости и образования первых пузырьков, видимых глазу, которые робко начинают подниматься к поверхности. А какова температура кипения воды при нормальном давлении - спрашивают многие. Ответ на этот вопрос можно без труда найти в таблицах. При атмосферном давлении стабильное кипение устанавливается при 99,9839 °С.