Kada se atmosferski pritisak poveća, tačka ključanja tečnosti. Od čega zavisi tačka ključanja? Pare gvožđa i čvrsti vazduh
za pripremu napitaka od začinskog bilja, bobičastog voća i korijena. Kuhanje je ovdje bilo potrebno uglavnom za ekstrakciju korisnih biljnih ekstrakata, a ne za dezinfekciju. Uostalom, tada se nije ni znalo za mikrokosmos u kojem žive ove bakterije i virusi. Međutim, zahvaljujući ključanju, naša zemlja je pošteđena globalnih pandemija strašnih bolesti poput kolere ili difterije.
, botaničar Carl Linnaeus i prijemnik Celzijusa Morten Stremer, obrnuli su ovu skalu radi lakšeg korištenja. Međutim, prema drugim izvorima, sam Celsius je to učinio neposredno prije svoje smrti. No, u svakom slučaju, stabilnost očitanja i razumljiva kalibracija utjecali su na široko širenje njegove upotrebe među najprestižnijim naučnim profesijama u to vrijeme - hemičarima. I, uprkos činjenici da je, obrnuta, oznaka skale od 100 stepeni uspostavila stabilnu tačku ključanja vode, a ne početak njenog smrzavanja, vaga je počela da nosi ime svog primarnog tvorca, Celzijusa.
Međutim, nije sve tako jednostavno kao što se čini na prvi pogled. Gledajući bilo koji fazni dijagram u P-T ili P-S koordinatama (entropija S je direktna funkcija temperature), vidimo koliko su temperatura i pritisak blisko povezani. Isto tako, voda mijenja svoje vrijednosti u zavisnosti od pritiska. I svaki penjač je dobro svjestan ovog svojstva. Svako ko je bar jednom u životu iskusio visine iznad 2000-3000 metara nadmorske visine zna koliko je teško disati na visini. To je zato što što se više dižemo, zrak postaje tanji. Atmosferski pritisak pada ispod jedne atmosfere (ispod nivoa mora, odnosno ispod „normalnih uslova“). Tačka ključanja vode takođe opada. U zavisnosti od pritiska na svakoj visini, može da ključa i na osamdeset i šezdeset
Ekspres štednjaci
Međutim, treba imati na umu da iako većina mikroba umire na temperaturama iznad šezdeset stepeni Celzijusa, mnogi mogu preživjeti na osamdeset stepeni ili više. Zato postižemo kipuću vodu, odnosno dovodimo njenu temperaturu do 100°C. Međutim, postoje zanimljivi kuhinjski aparati koji vam omogućavaju da skratite vrijeme i zagrijete tekućinu na visoke temperature, a da je ne prokuvate i ne gubite masu isparavanjem. Shvativši da se tačka ključanja vode može mijenjati u zavisnosti od pritiska, inženjeri iz SAD-a su, na osnovu francuskog prototipa, 1920-ih godina predstavili svijetu ekspres lonac. Princip njegovog rada zasniva se na činjenici da je poklopac čvrsto pritisnut uz zidove, bez mogućnosti izlaska pare. Unutra se stvara povećan pritisak, a voda ključa na višim temperaturama. Međutim, takvi uređaji su prilično opasni i često dovode do eksplozija i ozbiljnih opekotina kod korisnika.
Idealno
Pogledajmo kako sam proces počinje i kako prolazi. Zamislimo idealno glatku i beskonačno veliku površinu grijanja, gdje se distribucija topline odvija ravnomjerno (na svaki kvadratni milimetar površine isporučuje se ista količina toplotne energije), a koeficijent hrapavosti površine teži nuli. U ovom slučaju, na br. u. ključanje u laminarnom graničnom sloju počet će istovremeno na cijeloj površini i nastati trenutno, odmah isparavajući cjelokupnu jediničnu zapreminu tekućine koja se nalazi na njegovoj površini. Ovo idealnim uslovima, V pravi život Ovo se ne dešava.
U stvarnosti
Hajde da saznamo koja je početna tačka ključanja vode. U zavisnosti od pritiska, on takođe menja svoje vrednosti, ali glavna stvar je u tome. Čak i ako uzmemo najglatkiju posudu, po našem mišljenju, i stavimo je pod mikroskop, tada ćemo u njenom okularu vidjeti neravne ivice i oštre, česte vrhove koji strše iznad glavne površine. Pretpostavit ćemo da se toplina ravnomjerno dovodi na površinu posude, iako u stvarnosti to također nije potpuno istinita tvrdnja. Čak i kada je tiganj na najvećem plameniku, temperaturni gradijent na šporetu je neravnomerno raspoređen, a uvek postoje lokalne zone pregrijavanja odgovorne za rano ključanje vode. Koliko stepeni ima na vrhovima površine i u njenim dolinama? Vrhovi površine, uz neprekidnu opskrbu toplinom, zagrijavaju se brže od nizina i takozvanih depresija. Štaviše, okruženi sa svih strana vodom niske temperature, bolje prenose energiju molekulima vode. Koeficijent toplinske difuzivnosti vrhova je jedan i po do dva puta veći od koeficijenta u nizinama.
Temperature
Zato je početna tačka ključanja vode oko osamdeset stepeni Celzijusa. Pri ovoj vrijednosti površinski vrhovi opskrbljuju dovoljno onoga što je potrebno za trenutno ključanje tekućine i stvaranje prvih mjehurića, vidljivo oku, koji bojažljivo počnu izranjati na površinu. Kolika je tačka ključanja vode normalan pritisak- pitaju se mnogi. Odgovor na ovo pitanje možete lako pronaći u tabelama. Pri atmosferskom pritisku uspostavlja se stabilno ključanje na 99,9839 °C.
Pošto je pritisak pare zasićenja jedinstveno određen temperaturom, a ključanje tečnosti se dešava u trenutku kada je pritisak pare zasićenja te tečnosti jednak spoljašnjem pritisku, tačka ključanja mora zavisiti od spoljašnjeg pritiska. Uz pomoć eksperimenata lako je pokazati da kada se vanjski pritisak smanji, tačka ključanja se smanjuje, a kada se pritisak poveća, ona raste.
Vrenje tekućine pri sniženom tlaku može se demonstrirati korištenjem sljedećeg eksperimenta. Voda iz slavine se sipa u čašu i u nju se spušta termometar. Ispod staklenog poklopca vakuumske jedinice stavlja se čaša vode i pumpa se uključuje. Kada pritisak ispod haube dovoljno padne, voda u čaši počinje da ključa. Pošto se energija troši na stvaranje pare, temperatura vode u čaši počinje da opada kako ključa, a kada pumpa dobro radi, voda se konačno smrzava.
Zagrijavanje vode na visoke temperature vrši se u kotlovima i autoklavima. Struktura autoklava prikazana je na sl. 8.6, gde je K sigurnosni ventil, je poluga koja pritiska ventil, M je manometar. Pri pritiscima većim od 100 atm voda se zagrijava do temperature iznad 300 °C.
Tabela 8.2. Tačke ključanja nekih supstanci
Tačka ključanja tečnosti pri normalnom atmosferskom pritisku naziva se tačka ključanja. Sa stola 8.1 i 8.2 jasno je da je pritisak pare zasićenja za etar, vodu i alkohol na tački ključanja 1,013 105 Pa (1 atm).
Iz navedenog proizilazi da u dubokim rudnicima voda treba da ključa na temperaturi iznad 100 °C, au planinskim područjima - ispod 100 °C. Budući da tačka ključanja vode zavisi od nadmorske visine, na skali termometra, umjesto temperature, možete označiti visinu na kojoj voda ključa na ovoj temperaturi. Određivanje visine pomoću takvog termometra naziva se hipsometrija.
Iskustvo pokazuje da je tačka ključanja rastvora uvek viša od tačke ključanja čistog rastvarača i da raste sa povećanjem koncentracije rastvora. Međutim, temperatura pare iznad površine ključanja jednaka je tački ključanja čistog rastvarača. Stoga je za određivanje točke ključanja čiste tekućine bolje postaviti termometar ne u tekućinu, već u paru iznad površine kipuće tekućine.
Proces ključanja je usko povezan sa prisustvom rastvorenog gasa u tečnosti. Ako se plin otopljen u njoj ukloni iz tekućine, na primjer, produženim ključanjem, tada se ta tekućina može zagrijati na temperaturu znatno veću od njene točke ključanja. Takva tečnost se naziva pregrijana. U nedostatku mjehurića plina, stvaranje sićušnih mjehurića pare, koji bi mogli postati centri isparavanja, sprječava Laplaceov pritisak, koji je visok na malom polumjeru mjehurića. Ovo objašnjava pregrijavanje tečnosti. Kada proključa, ključanje se dešava veoma burno.
Vrenje je proces promjene agregacijskog stanja tvari. Kada govorimo o vodi, mislimo na promjenu iz tečnog stanja u stanje pare. Važno je napomenuti da ključanje nije isparavanje, koje se može dogoditi čak i na sobnoj temperaturi. Također ga ne treba brkati s ključanjem, što je proces zagrijavanja vode do određene temperature. Sada kada smo razumjeli koncepte, možemo odrediti na kojoj temperaturi voda ključa.
Proces
Proces transformacije agregatnog stanja iz tečnog u gasovito je složen. I iako ljudi to ne vide, postoje 4 faze:
- U prvoj fazi na dnu zagrijane posude formiraju se mali mjehurići. Mogu se vidjeti i sa strane ili na površini vode. Nastaju zbog širenja mjehurića zraka, koji su uvijek prisutni u pukotinama posude u kojoj se zagrijava voda.
- U drugoj fazi povećava se volumen mjehurića. Svi počinju juriti na površinu, jer se unutar njih nalazi zasićena para, koja je lakša od vode. Kako temperatura grijanja raste, pritisak mjehurića raste i oni se potiskuju na površinu zbog poznata moć Arhimed. U tom slučaju možete čuti karakterističan zvuk ključanja, koji nastaje zbog stalnog širenja i smanjenja veličine mjehurića.
- U trećoj fazi možete vidjeti na površini veliki broj mjehurići. Ovo u početku stvara zamućenost u vodi. Ovaj proces se popularno naziva “bijelo vrenje” i traje kratko.
- U četvrtoj fazi voda intenzivno ključa, na površini se pojavljuju veliki mjehurići koji pucaju, a mogu se pojaviti i prskanje. Najčešće, prskanje znači da se tečnost zagrijala do maksimalna temperatura. Para će početi da izlazi iz vode.
Poznato je da voda ključa na temperaturi od 100 stepeni, što je moguće tek u četvrtoj fazi.
Temperatura pare
Para je jedno od stanja vode. Kada uđe u vazduh, on, kao i drugi gasovi, vrši određeni pritisak na njega. Tokom isparavanja, temperatura pare i vode ostaje konstantna sve dok cijela tekućina ne promijeni svoje agregacijsko stanje. Ovaj fenomen se može objasniti činjenicom da se tokom ključanja sva energija troši na pretvaranje vode u paru.
Na samom početku ključanja stvara se vlažna, zasićena para, koja postaje suha nakon što sva tečnost ispari. Ako njegova temperatura počne prelaziti temperaturu vode, tada se takva para pregrijava, a njene karakteristike će biti bliže plinu.
Kipuća slana voda
Zanimljivo je znati na kojoj temperaturi ključa voda sa visokim sadržajem soli. Poznato je da bi trebao biti veći zbog sadržaja Na+ i Cl- jona u sastavu, koji zauzimaju prostor između molekula vode. To čini hemijski sastav vode sa soli drugačijim od obične svježe tekućine.
Činjenica je da se u slanoj vodi odvija reakcija hidratacije - proces dodavanja molekula vode ionima soli. Komunikacija između molekula svježa voda slabije od onih koje nastaju tokom hidratacije, pa će ključanje tečnosti sa otopljenom solju trajati duže. Kako temperatura raste, molekuli u slanoj vodi se kreću brže, ali ih je manje, zbog čega se sudari među njima rjeđe događaju. Kao rezultat, proizvodi se manje pare, a njen pritisak je stoga niži od pritiska pare slatke vode. Posljedično, više energije (temperature) će biti potrebno za potpuno isparavanje. U prosjeku, da prokuha jedan litar vode koja sadrži 60 grama soli, potrebno je povećati stepen ključanja vode za 10% (odnosno za 10 C).
Zavisnost ključanja od pritiska
Poznato je da u planinama, bez obzira na hemijski sastav voda će imati nižu tačku ključanja. Ovo se dešava zato što je atmosferski pritisak niži na nadmorskoj visini. Normalnim pritiskom se smatra 101,325 kPa. Sa njim, tačka ključanja vode je 100 stepeni Celzijusa. Ali ako se popnete na planinu, gdje je pritisak u prosjeku 40 kPa, tada će voda tamo ključati na 75,88 C. Ali to ne znači da ćete morati provesti skoro upola manje vremena kuhajući u planinama. Toplinska obrada hrane zahtijeva određenu temperaturu.
Vjeruje se da će na nadmorskoj visini od 500 metara voda ključati na 98,3 C, a na visini od 3000 metara tačka ključanja će biti 90 C.
Imajte na umu da se ovaj zakon primjenjuje iu suprotnom smjeru. Ako stavite tečnost u zatvorenu tikvicu kroz koju para ne može da prođe, onda će sa povećanjem temperature i stvaranjem pare, pritisak u ovoj tikvici porasti, a ključanje na visok krvni pritisak desiće se na višim temperaturama. Na primjer, pri pritisku od 490,3 kPa, tačka ključanja vode će biti 151 C.
Kipuća destilovana voda
Destilirana voda je pročišćena voda bez ikakvih nečistoća. Često se koristi u medicinske ili tehničke svrhe. S obzirom da u takvoj vodi nema nečistoća, ona se ne koristi za kuvanje. Zanimljivo je napomenuti da destilovana voda ključa brže od obične slatke vode, ali tačka ključanja ostaje ista - 100 stepeni. Međutim, razlika u vremenu ključanja bit će minimalna - samo djelić sekunde.
U čajniku
Ljudi se često pitaju na kojoj temperaturi ključa voda u kotliću, jer to su uređaji koje koriste za prokuvavanje tečnosti. Uzimajući u obzir činjenicu da je atmosferski pritisak u stanu jednak standardnom, a voda koja se koristi ne sadrži soli i druge nečistoće kojih ne bi trebalo biti, tada će i tačka ključanja biti standardna - 100 stepeni. Ali ako voda sadrži sol, tada će tačka ključanja, kao što već znamo, biti viša.
Zaključak
Sada znate na kojoj temperaturi voda ključa i kako atmosferski pritisak i sastav tečnosti utiču na ovaj proces. U tome nema ništa komplikovano, a takve informacije djeca dobijaju u školi. Glavna stvar je zapamtiti da kako se pritisak smanjuje, temperatura ključanja tekućine također se smanjuje, a kako se povećava, ona se također povećava.
Na internetu možete pronaći mnogo različitih tabela koje ukazuju na ovisnost točke ključanja tekućine atmosferski pritisak. Dostupni su svima i aktivno ih koriste školarci, studenti, pa čak i nastavnici na institutima.
Do isparavanja može doći ne samo kao rezultat isparavanja, već i tokom ključanja. Razmotrimo ključanje sa energetske tačke gledišta.
U tečnosti uvek ima rastvorenog vazduha. Kada se tečnost zagrije, količina plina otopljenog u njoj se smanjuje, uslijed čega se dio oslobađa u obliku malih mjehurića na dnu i zidovima posude i na neotopljenim čvrstim česticama suspendiranim u tekućini. Tečnost isparava u ove vazdušne mehuriće. Vremenom, pare u njima postaju zasićene. Daljnjim zagrijavanjem povećava se tlak zasićene pare unutar mjehurića i njihov volumen. Kada pritisak pare unutar mjehurića postane jednak atmosferskom, oni se pod utjecajem Arhimedove sile uzgona izdižu na površinu tekućine, pucaju i iz njih izlazi para. Isparavanje koje se odvija istovremeno i sa površine tečnosti i unutar same tečnosti u mjehuriće zraka naziva se ključanje. Temperatura na kojoj je pritisak zasićene pare u mjehurićima postaje jednak vanjskom pritisku, tzv tačka ključanja.
Pošto su pri istim temperaturama pritisci zasićenih para različitih tečnosti različiti, onda pri različite temperature postaju jednaki atmosferskom pritisku. To uzrokuje da različite tekućine ključaju na različitim temperaturama. Ova nekretnina tečnosti se koriste u sublimaciji naftnih derivata. Kada se ulje zagrije, prvo ispare najvredniji, isparljivi dijelovi (benzin), koji se na taj način odvajaju od “teških” ostataka (ulja, lož ulja).
Iz činjenice da ključanje nastaje kada je pritisak zasićene pare jednak vanjskom pritisku na tečnost, proizilazi da tačka ključanja tečnosti zavisi od spoljašnjeg pritiska. Ako se poveća, tada tečnost ključa na višoj temperaturi, jer za postizanje takvog pritiska zasićenoj pari je potrebno više visoka temperatura. Naprotiv, pri smanjenom pritisku tečnost ključa na nižoj temperaturi. To se može potvrditi iskustvom. Zagrijte vodu u tikvici do ključanja i uklonite alkoholnu lampu (slika 37, a). Voda prestaje da ključa. Zatvarajući tikvicu čepom, počet ćemo pumpom uklanjati iz nje zrak i vodenu paru, čime ćemo pumpanjem zraka smanjiti pritisak na vodu, koja kao rezultat proključa u tikvicu ćemo povećati pritisak na vodu (slika 37, b) . 1 atm voda ključa na 100°C, a na 10 atm- na 180° C. Ova zavisnost se koristi, na primjer, u autoklavima, u medicini za sterilizaciju, u kuvanju za ubrzavanje kuvanja prehrambenih proizvoda.
Da bi tečnost počela da ključa, mora se zagrijati do temperature ključanja. Da biste to učinili, tekućini morate prenijeti energiju, na primjer, količinu topline Q = cm(t° do - t° 0). Prilikom ključanja temperatura tečnosti ostaje konstantna. To se dešava zato što se količina toplote prijavljena tokom ključanja ne troši na povećanje kinetičke energije molekula tečnosti, već na rad razbijanja molekularnih veza, odnosno na isparavanje. Prilikom kondenzacije, prema zakonu održanja energije, para se oslobađa okruženje količina toplote koja je utrošena na isparavanje. Kondenzacija se javlja na tački ključanja, koja ostaje konstantna tokom procesa kondenzacije. (Objasni zašto).
Kreirajmo jednačinu toplotnog bilansa za isparavanje i kondenzaciju. Para, uzeta na tački ključanja tečnosti, ulazi u vodu u kalorimetar kroz cijev A (slika 38, a), kondenzuje se u njoj, dajući joj količinu toplote koja se troši na njenu proizvodnju. Voda i kalorimetar primaju određenu količinu toplote ne samo od kondenzacije pare, već i od tečnosti koja se dobija iz nje. Podaci o fizičkim veličinama dati su u tabeli. 3.
Kondenzirajuća para dala je količinu toplote Q p = rm 3(Sl. 38, b). Tečnost dobijena od pare, nakon hlađenja od t° 3 do θ°, dala je određenu količinu toplote Q 3 = c 2 m 3 (t 3 ° - θ °).
Kalorimetar i voda, zagrevajući se od t° 2 do θ° (slika 38, c), primili su količinu toplote
Q 1 = c 1 m 1 (θ° - t° 2); Q 2 = c 2 m 2 (θ° - t° 2).
Zasnovan na zakonu održanja i transformacije energije
Q p + Q 3 = Q 1 + Q 2,
Kipuće- ovo je isparavanje koje se dešava istovremeno i sa površine i kroz čitavu zapreminu tečnosti. Sastoji se od toga da brojni mjehurići isplivaju i pucaju, uzrokujući karakteristično kiptanje.
Kao što pokazuje iskustvo, ključanje tečnosti pri datom spoljašnjem pritisku počinje na dobro definisanoj temperaturi koja se ne menja tokom procesa ključanja i može se desiti samo kada se energija dovodi spolja kao rezultat razmene toplote (slika 1) :
gdje je L specifična toplina isparavanja na tački ključanja.
Mehanizam ključanja: tečnost uvijek sadrži otopljeni plin, čiji se stepen rastvaranja smanjuje s povećanjem temperature. Osim toga, na zidovima posude postoji adsorbirani plin. Kada se tečnost zagreje odozdo (slika 2), gas počinje da se oslobađa u obliku mehurića na zidovima posude. Tečnost isparava u ove mehuriće. Stoga, osim zraka, sadrže i zasićenu paru, čiji pritisak brzo raste s povećanjem temperature, a mjehurići rastu u volumenu, a posljedično se povećavaju i Arhimedove sile koje djeluju na njih. Kada sila uzgona postane veća od gravitacije mehurića, on počinje da pluta. Ali sve dok se tečnost ne zagreje ravnomerno, kako se uzdiže, zapremina mjehurića se smanjuje (pritisak zasićene pare opada sa smanjenjem temperature) i, prije nego što dosegnu slobodnu površinu, mjehurići nestaju (kolapse) (slika 2, a), što zato čujemo karakterističnu buku prije ključanja. Kada se temperatura tečnosti izjednači, zapremina mjehurića će se povećavati kako se diže, jer se pritisak zasićene pare ne mijenja, a vanjski pritisak na mjehur, koji je zbir hidrostatskog pritiska tečnosti iznad mjehurića a atmosferski pritisak se smanjuje. Mjehur dospijeva na slobodnu površinu tečnosti, puca i izlazi zasićena para (slika 2, b) - tečnost ključa. Pritisak zasićene pare u mjehurićima je skoro jednak vanjskom pritisku.
Temperatura pri kojoj je pritisak zasićene pare tečnosti jednak spoljašnjem pritisku na njenoj slobodnoj površini naziva se tačka ključanja tečnosti.
Pošto pritisak zasićene pare raste sa povećanjem temperature, a tokom ključanja mora biti jednak spoljašnjem pritisku, onda sa povećanjem spoljašnjeg pritiska tačka ključanja raste.
Tačka ključanja također ovisi o prisutnosti nečistoća, koja se obično povećava sa povećanjem koncentracije nečistoća.
Ako prvo oslobodite tekućinu od plina otopljenog u njoj, onda se može pregrijati, tj. toplote iznad tačke ključanja. Ovo je nestabilno stanje tečnosti. Dovoljni su mali udari i tečnost proključa, a njena temperatura odmah pada na tačku ključanja.