Εξάρτηση της θερμοκρασίας βρασμού από εξωτερικούς παράγοντες. Τι καθορίζει τον βρασμό του νερού; Αποσταγμένο νερό που βράζει

Σπίτι Για την προετοιμασία διαφόρωννόστιμα πιάτα , συχνά χρειάζεται νερό και αν ζεσταθεί αργά ή γρήγορα θα βράσει. Κάθεμορφωμένο άτομο Ταυτόχρονα, γνωρίζει ότι το νερό αρχίζει να βράζει σε θερμοκρασία ίση με εκατό βαθμούς Κελσίου και με περαιτέρω θέρμανση η θερμοκρασία του δεν αλλάζει. Είναι αυτή η ιδιότητα του νερού που χρησιμοποιείται στη μαγειρική. Ωστόσο, δεν γνωρίζουν όλοι ότι αυτό δεν συμβαίνει πάντα. Το νερό μπορεί να βράσει σεδιαφορετικές θερμοκρασίες

ανάλογα με τις συνθήκες στις οποίες βρίσκεται. Ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε από τι εξαρτάται το σημείο βρασμού του νερού και πώς πρέπει να χρησιμοποιείται.

Όταν θερμαίνεται, η θερμοκρασία του νερού πλησιάζει το σημείο βρασμού και σχηματίζονται πολυάριθμες φυσαλίδες σε όλο τον όγκο, που περιέχουν υδρατμούς μέσα. Η πυκνότητα του ατμού είναι μικρότερη από την πυκνότητα του νερού, έτσι η δύναμη του Αρχιμήδη που ενεργεί στις φυσαλίδες τις ανυψώνει στην επιφάνεια. Ταυτόχρονα, ο όγκος των φυσαλίδων είτε αυξάνεται είτε μειώνεται, οπότε το βραστό νερό κάνει χαρακτηριστικούς ήχους. Φτάνοντας στην επιφάνεια, οι φυσαλίδες με τους υδρατμούς σκάνε γι' αυτό, το νερό που βράζει γουργουρίζει έντονα, απελευθερώνοντας υδρατμούς. Το σημείο βρασμού εξαρτάται ρητά από την πίεση που ασκείται στην επιφάνεια του νερού, η οποία εξηγείται από την εξάρτηση από την πίεσηκορεσμένο ατμό

, βρίσκεται σε φυσαλίδες, στη θερμοκρασία. Σε αυτή την περίπτωση, η ποσότητα του ατμού μέσα στις φυσαλίδες, και ταυτόχρονα ο όγκος τους, αυξάνεται έως ότου η πίεση του κορεσμένου ατμού υπερβεί την πίεση του νερού. Αυτή η πίεση είναι το άθροισμα της υδροστατικής πίεσης του νερού, που προκαλείται από τη βαρυτική έλξη προς τη Γη, και την εξωτερική ατμοσφαιρική πίεση. Επομένως, το σημείο βρασμού του νερού αυξάνεται καθώς αυξάνεται η ατμοσφαιρική πίεση και μειώνεται καθώς μειώνεται. Μόνο σε περίπτωση κανονικής ατμοσφαιρικής πίεσης 760 mmHg. (1 atm.) το νερό βράζει στους 100 0 C. Η γραφική παράσταση της εξάρτησης του σημείου βρασμού του νερού από την ατμοσφαιρική πίεση παρουσιάζεται παρακάτω: Από το γράφημα φαίνεται ότι αν αυξήσουμεμέχρι 1,45 atm, τότε το νερό θα βράσει ήδη στους 110 0 C. Σε πίεση αέρα 2,0 atm. το νερό θα βράσει στους 120 0 C κ.ο.κ. Η αύξηση του σημείου βρασμού του νερού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να επιταχύνει και να βελτιώσει τη διαδικασία προετοιμασίας ζεστών πιάτων. Για το σκοπό αυτό εφευρέθηκαν χύτρες ταχύτητας - κατσαρόλες με ειδικό ερμητικά κλειστό καπάκι, εξοπλισμένες με ειδικές βαλβίδες για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας βρασμού. Λόγω της στεγανότητας, η πίεση σε αυτά αυξάνεται σε 2-3 atm, γεγονός που εξασφαλίζει το σημείο βρασμού του νερού 120-130 0 C. Ωστόσο, πρέπει να θυμόμαστε ότι η χρήση χύτρες ταχύτητας είναι γεμάτη κινδύνου: ο ατμός που βγαίνει από αυτά έχει υψηλή πίεση και υψηλή θερμοκρασία. Επομένως, πρέπει να είστε όσο το δυνατόν πιο προσεκτικοί για να μην καείτε.

Το αντίθετο αποτέλεσμα παρατηρείται εάν η ατμοσφαιρική πίεση μειωθεί. Σε αυτήν την περίπτωση, το σημείο βρασμού μειώνεται επίσης, κάτι που συμβαίνει με την αύξηση του υψομέτρου πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας:

Κατά μέσο όρο, με αύξηση 300 m, το σημείο βρασμού του νερού μειώνεται κατά 1 0 C και, αρκετά ψηλά στα βουνά, πέφτει στους 80 0 C, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε κάποιες δυσκολίες στο μαγείρεμα.

Εάν μειώσουμε περαιτέρω την πίεση, για παράδειγμα, αντλώντας αέρα από ένα δοχείο με νερό, τότε σε πίεση αέρα 0,03 atm. Το νερό θα βράσει ήδη σε θερμοκρασία δωματίου, και αυτό είναι αρκετά ασυνήθιστο, καθώς το συνηθισμένο σημείο βρασμού του νερού είναι 100 0 C.

Όταν βράζει, το υγρό αρχίζει να μετατρέπεται γρήγορα σε ατμό και σχηματίζονται φυσαλίδες ατμού σε αυτό και ανεβαίνουν στην επιφάνεια. Όταν θερμαίνεται, ο ατμός εμφανίζεται πρώτα μόνο στην επιφάνεια του υγρού και στη συνέχεια αυτή η διαδικασία ξεκινά σε ολόκληρο τον όγκο. Στον πάτο και στα τοιχώματα του τηγανιού εμφανίζονται μικρές φυσαλίδες. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η πίεση στο εσωτερικό των φυσαλίδων αυξάνεται, αυξάνονται σε μέγεθος και ανεβαίνουν προς τα πάνω.

Όταν η θερμοκρασία φτάσει στο λεγόμενο σημείο βρασμού, αρχίζει ο γρήγορος σχηματισμός φυσαλίδων, υπάρχουν πολλές από αυτές και το υγρό αρχίζει να βράζει. Σχηματίζεται ατμός, η θερμοκρασία του οποίου παραμένει σταθερή μέχρι να υπάρχει όλο το νερό. Εάν η εξάτμιση συμβεί υπό κανονικές συνθήκες, σε τυπική πίεση 100 mPa, η θερμοκρασία του είναι 100°C. Εάν αυξήσετε τεχνητά την πίεση, μπορείτε να πάρετε υπερθερμασμένος ατμός. Οι επιστήμονες κατάφεραν να θερμάνουν τους υδρατμούς σε θερμοκρασία 1227 ° C με περαιτέρω θέρμανση, η διάσπαση των ιόντων μετατρέπει τον ατμό σε πλάσμα.

Σε δεδομένη σύνθεση και σταθερή πίεση, το σημείο βρασμού οποιουδήποτε υγρού είναι σταθερό. Σε σχολικά βιβλία και εγχειρίδια μπορείτε να δείτε πίνακες που υποδεικνύουν το σημείο βρασμού διαφόρων υγρών, ακόμη και μετάλλων. Για παράδειγμα, το νερό βράζει σε θερμοκρασία 100°C, στους 78,3°C, ο αιθέρας στους 34,6°C, ο χρυσός στους 2600°C και το ασήμι στους 1950°C. Αυτά τα δεδομένα είναι για τυπική πίεση 100 mPa, υπολογίζονται στο επίπεδο της θάλασσας.

Πώς να αλλάξετε το σημείο βρασμού

Εάν η πίεση μειωθεί, το σημείο βρασμού μειώνεται, ακόμη και αν η σύνθεση παραμένει η ίδια. Αυτό σημαίνει ότι αν ανεβείτε σε ένα βουνό ύψους 4000 μέτρων με μια κατσαρόλα με νερό και το βάλετε σε φωτιά, το νερό θα βράσει στους 85°C και αυτό θα απαιτήσει πολύ λιγότερα καυσόξυλα από ό,τι κάτω.

Οι νοικοκυρές θα ενδιαφέρονται για μια σύγκριση με μια χύτρα ταχύτητας, στην οποία η πίεση αυξάνεται τεχνητά. Ταυτόχρονα, αυξάνεται και το σημείο βρασμού του νερού, λόγω του οποίου το φαγητό μαγειρεύεται πολύ πιο γρήγορα. Οι σύγχρονες χύτρες ταχύτητας σάς επιτρέπουν να αλλάζετε ομαλά τη θερμοκρασία βρασμού από 115 σε 130°C ή περισσότερο.

Ένα άλλο μυστικό για το σημείο βρασμού του νερού βρίσκεται στη σύνθεσή του. Το σκληρό νερό, που περιέχει διάφορα άλατα, χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να βράσει και απαιτεί περισσότερη ενέργεια για να θερμανθεί. Εάν προσθέσετε δύο κουταλιές της σούπας αλάτι σε ένα λίτρο νερό, το σημείο βρασμού του θα αυξηθεί κατά 10°C. Το ίδιο μπορεί να ειπωθεί για τη ζάχαρη, 10% σιρόπι ζάχαρηςβράζει σε θερμοκρασία 100,1°C.

Από τις παραπάνω σκέψεις είναι σαφές ότι το σημείο βρασμού του 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 σε πίεση που φτάνει τα 1,6 × 10 6 Pa, το νερό δεν βράζει ακόμη και σε θερμοκρασία 200 °C. Σε ιατρικά ιδρύματα, ο βρασμός νερού σε ερμητικά κλειστά δοχεία - αυτόκλειστα (Εικ. 6.11) συμβαίνει επίσης όταν υψηλή αρτηριακή πίεση. Επομένως, το σημείο βρασμού είναι σημαντικά υψηλότερο από 100 °C. Τα αυτόκλειστα χρησιμοποιούνται για την αποστείρωση χειρουργικών εργαλείων, επιδέσμων κ.λπ.

Και αντίστροφα, μειώνοντας την εξωτερική πίεση, μειώνουμε έτσι το σημείο βρασμού. Κάτω από το κουδούνι μιας αντλίας αέρα, μπορείτε να κάνετε το νερό να βράσει σε θερμοκρασία δωματίου (Εικ. 6.12). Καθώς ανεβαίνετε βουνά, η ατμοσφαιρική πίεση μειώνεται, επομένως 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 κρέας, για παράδειγμα, υπό αυτές τις συνθήκες.

Το Σχήμα 6.13 δείχνει μια καμπύλη του σημείου βρασμού του νερού ως προς την εξωτερική πίεση. Είναι εύκολο να γίνει κατανοητό ότι αυτή η καμπύλη είναι επίσης μια καμπύλη που εκφράζει την εξάρτηση της πίεσης κορεσμένων υδρατμών από τη θερμοκρασία.

Διαφορές 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, οι ατμοί του αιθέρα που βρίσκονται ήδη σε θερμοκρασία δωματίου έχουν πίεση μεγαλύτερη από το μισό της ατμοσφαιρικής. Επομένως, για να γίνει η πίεση ατμών του αιθέρα ίση με την ατμοσφαιρική πίεση, είναι απαραίτητη μια ελαφρά αύξηση της θερμοκρασίας (έως 35 ° C). Στον υδράργυρο, οι κορεσμένοι ατμοί έχουν πολύ αμελητέα πίεση σε θερμοκρασία δωματίου. Η πίεση των ατμών υδραργύρου γίνεται ίση με την ατμοσφαιρική πίεση 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 χρησιμοποιείται ευρέως στην τεχνολογία, για παράδειγμα, στον διαχωρισμό των προϊόντων πετρελαίου. Όταν το λάδι θερμαίνεται, τα πιο πολύτιμα, πτητικά μέρη του (βενζίνη) εξατμίζονται πρώτα, 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 τη μετατροπή του υγρού σε ατμό; Το πιθανότερο είναι ναι! Δεν είναι;

Σημειώσαμε (βλ. § 6.1) ότι η εξάτμιση ενός υγρού συνοδεύεται από την ψύξη του. Για να διατηρηθεί η θερμοκρασία του εξατμιζόμενου υγρού αμετάβλητη, είναι απαραίτητο να παρέχεται θερμότητα από το εξωτερικό. Φυσικά, η ίδια η θερμότητα μπορεί να μεταφερθεί στο υγρό από τα γύρω σώματα. Έτσι, το νερό στο ποτήρι εξατμίζεται, αλλά η θερμοκρασία του νερού, ελαφρώς χαμηλότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, παραμένει αμετάβλητη. Η θερμότητα μεταφέρεται από τον αέρα στο νερό μέχρι να εξατμιστεί όλο το νερό.

Για να διατηρηθεί ο βρασμός του νερού (ή άλλου υγρού), πρέπει επίσης να παρέχεται συνεχώς θερμότητα σε αυτό, για παράδειγμα, να θερμαίνεται 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 εισαγωγή 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 ξοδεύεται 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, αυτό αυξάνει τον όγκο της ουσίας 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, καθώς αυξάνεται ο όγκος μιας ουσίας, γίνεται εργασία ενάντια στις εξωτερικές δυνάμεις πίεσης. Αυτό το μέρος της θερμότητας εξάτμισης σε θερμοκρασία δωματίου είναι συνήθως αρκετά τοις εκατό 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 υγρού. Τ- μάζα υγρού. Q n- η θερμότητα εξάτμισης του. Η μονάδα SI ειδικής θερμότητας εξάτμισης είναι joule ανά χιλιόγραμμο (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.

Βρασμός- αυτή είναι η εξάτμιση που συμβαίνει ταυτόχρονα τόσο από την επιφάνεια όσο και σε όλο τον όγκο του υγρού. Συνίσταται στο γεγονός ότι πολλές φυσαλίδες επιπλέουν και σκάνε, προκαλώντας ένα χαρακτηριστικό βρασμό.

Όπως δείχνει η εμπειρία, ο βρασμός ενός υγρού σε μια δεδομένη εξωτερική πίεση αρχίζει σε μια καλά καθορισμένη θερμοκρασία που δεν αλλάζει κατά τη διάρκεια της διαδικασίας βρασμού και μπορεί να συμβεί μόνο όταν παρέχεται ενέργεια από το εξωτερικό ως αποτέλεσμα ανταλλαγής θερμότητας (Εικ. 1 ):

όπου L είναι η ειδική θερμότητα της εξάτμισης στο σημείο βρασμού.

Μηχανισμός βρασμού: ένα υγρό περιέχει πάντα ένα διαλυμένο αέριο, ο βαθμός διάλυσης του οποίου μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Επιπλέον, υπάρχει προσροφημένο αέριο στα τοιχώματα του δοχείου. Όταν το υγρό θερμαίνεται από κάτω (Εικ. 2), αρχίζει να απελευθερώνεται αέριο με τη μορφή φυσαλίδων στα τοιχώματα του δοχείου. Το υγρό εξατμίζεται σε αυτές τις φυσαλίδες. Ως εκ τούτου, εκτός από τον αέρα, περιέχουν κορεσμένο ατμό, η πίεση του οποίου αυξάνεται γρήγορα με την αύξηση της θερμοκρασίας και οι φυσαλίδες αυξάνονται σε όγκο και κατά συνέπεια αυξάνονται οι δυνάμεις του Αρχιμήδη που δρουν σε αυτές. Όταν η άνωση γίνεται μεγαλύτερη από τη βαρύτητα της φυσαλίδας, αρχίζει να επιπλέει. Αλλά μέχρι να θερμανθεί ομοιόμορφα το υγρό, καθώς ανεβαίνει, ο όγκος της φυσαλίδας μειώνεται (η πίεση των κορεσμένων ατμών μειώνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας) και, πριν φτάσουν στην ελεύθερη επιφάνεια, οι φυσαλίδες εξαφανίζονται (καταρρέουν) (Εικ. 2, α), το οποίο γι' αυτό ακούμε έναν χαρακτηριστικό θόρυβο πριν βράσει. Όταν η θερμοκρασία του υγρού εξισωθεί, ο όγκος της φυσαλίδας θα αυξηθεί καθώς αυξάνεται, καθώς η πίεση των κορεσμένων ατμών δεν αλλάζει και η εξωτερική πίεση στη φυσαλίδα, που είναι το άθροισμα της υδροστατικής πίεσης του υγρού πάνω από τη φυσαλίδα και η ατμοσφαιρική πίεση, μειώνεται. Η φούσκα φτάνει στην ελεύθερη επιφάνεια του υγρού, σκάει και βγαίνει κορεσμένος ατμός (Εικ. 2, β) - το υγρό βράζει. Η πίεση των κορεσμένων ατμών στις φυσαλίδες είναι σχεδόν ίση με την εξωτερική πίεση.

Η θερμοκρασία στην οποία η πίεση κορεσμένων ατμών ενός υγρού είναι ίση με την εξωτερική πίεση στην ελεύθερη επιφάνειά του ονομάζεται σημείο βρασμούυγρά.

Δεδομένου ότι η πίεση των κορεσμένων ατμών αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και κατά τη διάρκεια του βρασμού πρέπει να είναι ίση με την εξωτερική πίεση, τότε με την αύξηση της εξωτερικής πίεσης το σημείο βρασμού αυξάνεται.

Το σημείο βρασμού εξαρτάται επίσης από την παρουσία ακαθαρσιών, που συνήθως αυξάνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης των ακαθαρσιών.

Εάν πρώτα απελευθερώσετε το υγρό από το αέριο που είναι διαλυμένο σε αυτό, τότε μπορεί να υπερθερμανθεί, δηλ. θερμότητα πάνω από το σημείο βρασμού. Αυτή είναι μια ασταθής κατάσταση υγρού. Αρκούν μικρά χτυπήματα και το υγρό βράζει, και η θερμοκρασία του πέφτει αμέσως στο σημείο βρασμού.