Cine a descoperit că temperatura afectează lichidele. Fizica moleculară. Lichid care fierbe. Abur suprarăcit și lichid supraîncălzit
Acasă Toată lumea știe că punctul de fierbere al apei este normal presiunea atmosferică (aproximativ 760 mmHg) este 100 °C. Dar nu toată lumea știe că apa poate fierbe temperaturi diferite
. Punctul de fierbere depinde de o serie de factori. Dacă sunt îndeplinite anumite condiții, apa poate fierbe la +70 °C, și la +130 °C, și chiar la 300 °C! Să ne uităm la motive mai detaliat.
Ce determină punctul de fierbere al apei? Fierberea apei în recipient are loc când un anumit mecanism
. Pe măsură ce lichidul se încălzește, pe pereții recipientului în care este turnat apar bule de aer. Există abur în interiorul fiecărei bule. Temperatura aburului din bule este inițial mult mai mare decât a apei încălzite. Dar presiunea sa în această perioadă este mai mare decât în interiorul bulelor. Până se încălzește apa, aburul din bule este comprimat. Apoi, sub influența presiunii externe, bulele au izbucnit. Procesul continuă până când temperaturile lichidului și vaporilor din bule sunt egale. Acum bilele de abur pot ieși la suprafață. Apa începe să fiarbă. Apoi procesul de încălzire se oprește, deoarece căldura în exces este îndepărtată prin abur în atmosferă. Acesta este echilibrul termodinamic. Să ne amintim de fizică: presiunea apei constă din greutatea lichidului în sine și din presiunea aerului deasupra vasului cu apă. Astfel, prin modificarea unuia dintre cei doi parametri (presiunea lichidului în vas și presiunea atmosferică), puteți modifica punctul de fierbere.
Care este punctul de fierbere al apei la munte? La munte, punctul de fierbere al unui lichid scade treptat. Acest lucru se datorează faptului că presiunea atmosferică scade treptat la urcarea unui munte. Pentru ca apa să fiarbă, presiunea din bulele care apar în timpul procesului de încălzire trebuie să fie egală cu presiunea atmosferică. Prin urmare, la fiecare 300 m de creștere a altitudinii în munți, punctul de fierbere al apei scade cu aproximativ un grad. Acest tip de apă clocotită nu este la fel de fierbinte ca lichidul care fierbe pe teren plat. Pe mare altitudine
Este dificil, și uneori imposibil, să preparați ceaiul. Dependența apei clocotite de presiune arată astfel: | ||||||||
Altitudine |
Punct de fierbere
Care este punctul de fierbere al apei în vid? Un vid este un mediu rarefiat în care presiunea este semnificativ mai mică decât presiunea atmosferică. Punctul de fierbere al apei într-un mediu rarefiat depinde și de presiunea reziduală. La o presiune de vid de 0,001 atm. lichidul va fierbe la 6,7 °C. De obicei, presiunea reziduală este de aproximativ 0,004 atm, deci la această presiune apa fierbe la 30 °C. Odată cu creșterea presiunii într-un mediu rarefiat, punctul de fierbere al lichidului va crește.
De ce fierbe apa la o temperatură mai mare într-un recipient sigilat?
Într-un recipient închis ermetic, punctul de fierbere al lichidului este legat de presiunea din interiorul recipientului. În timpul procesului de încălzire, se eliberează abur, care se depune sub formă de condens pe capacul și pereții vasului. Astfel, presiunea din interiorul vasului crește. De exemplu, într-o oală sub presiune presiunea ajunge la 1,04 atm, deci lichidul fierbe în ea la 120 °C. De obicei, în astfel de recipiente, presiunea poate fi reglată folosind supape încorporate și, prin urmare, și temperatura.
Deoarece presiunea vaporilor de saturație este determinată în mod unic de temperatură, iar fierberea unui lichid are loc în momentul în care presiunea de vapori de saturație a acestui lichid este egală cu presiunea externă, punctul de fierbere trebuie să depindă de presiunea externă. Cu ajutorul experimentelor este ușor de arătat că atunci când presiunea externă scade, punctul de fierbere scade, iar când presiunea crește, acesta crește.
Fierberea unui lichid la presiune redusă poate fi demonstrată folosind următorul experiment. Apa de la robinet se toarnă într-un pahar și se coboară un termometru în el. Un pahar cu apă este plasat sub capacul de sticlă al unității de vid și pompa este pornită. Când presiunea de sub capotă scade suficient, apa din pahar începe să fiarbă. Deoarece energia este cheltuită pentru formarea aburului, temperatura apei din pahar începe să scadă pe măsură ce fierbe, iar când pompa funcționează bine, apa îngheață în cele din urmă.
Încălzirea apei la temperaturi ridicate se realizează în cazane și autoclave. Structura autoclavei este prezentată în Fig. 8.6, unde K este o supapă de siguranță, este o pârghie care apasă pe supapă, M este un manometru. La presiuni mai mari de 100 atm, apa este încălzită la temperaturi de peste 300 °C.
Tabelul 8.2. Punctele de fierbere ale unor substanțe
Punctul de fierbere al unui lichid la presiunea atmosferică normală se numește punct de fierbere. De la masă 8.1 și 8.2 este clar că presiunea vaporilor de saturație pentru eter, apă și alcool la punctul de fierbere este 1,013 105 Pa (1 atm).
Din cele de mai sus rezultă că în minele de adâncime apa trebuie să fiarbă la o temperatură de peste 100 °C, iar în zonele muntoase - sub 100 °C. Deoarece punctul de fierbere al apei depinde de altitudinea deasupra nivelului mării, pe scara termometrului, în loc de temperatură, puteți indica înălțimea la care fierbe apa la această temperatură. Determinarea înălțimii folosind un astfel de termometru se numește hipsometrie.
Experiența arată că punctul de fierbere al unei soluții este întotdeauna mai mare decât punctul de fierbere al unui solvent pur și crește odată cu creșterea concentrației soluției. Cu toate acestea, temperatura vaporilor deasupra suprafeței soluției de fierbere este egală cu punctul de fierbere al solventului pur. Prin urmare, pentru a determina punctul de fierbere al unui lichid pur, este mai bine să plasați termometrul nu în lichid, ci în vapori deasupra suprafeței lichidului de fierbere.
Procesul de fierbere este strâns legat de prezența gazului dizolvat în lichid. Dacă gazul dizolvat în el este îndepărtat dintr-un lichid, de exemplu, prin fierbere prelungită, atunci acest lichid poate fi încălzit la o temperatură semnificativ mai mare decât punctul său de fierbere. Un astfel de lichid se numește supraîncălzit. În absența bulelor de gaz, formarea de bule de vapori minuscule, care ar putea deveni centre de vaporizare, este împiedicată de presiunea Laplace, care este mare la o rază mică a bulei. Aceasta explică supraîncălzirea lichidului. Când fierbe, fierberea are loc foarte violent.
Dependența temperaturii de fierbere de presiune
Punctul de fierbere al apei este de 100 °C; s-ar putea crede că aceasta este o proprietate inerentă a apei, că apa, indiferent unde și în ce condiții se află, va fierbe întotdeauna la 100 ° C.
Dar nu este așa, iar locuitorii satelor de munte înalt știu bine acest lucru.
În apropierea vârfului Elbrusului se află o casă pentru turiști și o stație științifică. Începătorii sunt uneori surprinși de „cât de greu este să fierbi un ou în apă clocotită” sau „de ce apa clocotită nu arde”. În aceste cazuri, li se spune că apa fierbe în vârful Elbrusului deja la 82 °C.
Ce s-a întâmplat? Ce factor fizic interferează cu fenomenul de fierbere? Care este semnificația altitudinii deasupra nivelului mării?
Acest factor fizic este presiunea care acționează pe suprafața lichidului. Nu trebuie să urcați în vârful unui munte pentru a verifica adevărul celor spuse.
Punând apă încălzită sub un clopot și pompând sau pompând aer de acolo, vă puteți asigura că punctul de fierbere crește pe măsură ce presiunea crește și scade pe măsură ce scade.
Apa fierbe la 100 °C doar la o anumită presiune - 760 mm Hg.
Curba punctului de fierbere față de presiune este prezentată în Fig. 98. În vârful Elbrusului presiunea este de 0,5 atm, iar această presiune corespunde unui punct de fierbere de 82 °C.
Dar cu apa care fierbe la 10–15 mm Hg, vă puteți împrospăta vreme caldă. La această presiune, punctul de fierbere va scădea la 10-15 °C.
Puteți obține chiar și „apă clocotită”, care are temperatura apei înghețate. Pentru a face acest lucru, va trebui să reduceți presiunea la 4,6 mm Hg.
O imagine interesantă poate fi observată dacă plasați un vas deschis cu apă sub clopot și pompați aerul. Pomparea va face ca apa să fiarbă, dar fierberea necesită căldură. Nu există de unde să o ia, iar apa va trebui să renunțe la energia ei. Temperatura apei clocotite va începe să scadă, dar pe măsură ce pomparea continuă, va scădea și presiunea. Prin urmare, fierberea nu se va opri, apa va continua să se răcească și în cele din urmă va îngheța.
O astfel de fierbere apa rece apare nu numai la pomparea aerului. De exemplu, atunci când elicea unei nave se rotește, presiunea dintr-un strat de apă care se mișcă rapid lângă o suprafață metalică scade foarte mult și apa din acest strat fierbe, de exemplu. În ea apar numeroase bule pline de abur. Acest fenomen se numește cavitație (din latinescul cavitas - cavitate).
Prin reducerea presiunii, coborâm punctul de fierbere. Și prin creșterea lui? Un grafic ca al nostru răspunde la această întrebare. O presiune de 15 atm poate întârzia fierberea apei, aceasta va începe doar la 200 °C, iar o presiune de 80 atm va face ca apa să fiarbă doar la 300 °C.
Deci, o anumită presiune externă corespunde unui anumit punct de fierbere. Dar această afirmație poate fi „întoarsă” spunând acest lucru: fiecare punct de fierbere al apei corespunde propriei presiuni specifice. Această presiune se numește presiunea vaporilor.
Curba care prezintă punctul de fierbere în funcție de presiune este, de asemenea, o curbă a presiunii vaporilor în funcție de temperatură.
Numerele reprezentate pe un grafic al punctului de fierbere (sau pe un grafic al presiunii vaporilor) arată că presiunea vaporilor se modifică foarte brusc odată cu temperatura. La 0 °C (adică 273 K) presiunea vaporilor este de 4,6 mm Hg, la 100 °C (373 K) este de 760 mm, adică crește de 165 de ori. Când temperatura se dublează (de la 0 °C, adică 273 K, la 273 °C, adică 546 K), presiunea vaporilor crește de la 4,6 mm Hg la aproape 60 atm, adică. de aproximativ 10.000 de ori.
Prin urmare, dimpotrivă, punctul de fierbere se modifică cu presiunea destul de lent. Când presiunea se schimbă la jumătate - de la 0,5 atm la 1 atm, punctul de fierbere crește de la 82 °C (adică 355 K) la 100 °C (adică 373 K) și când se dublează de la 1 atm la 2 atm - de la 100 °C (adică 373 K) până la 120 °C (adică 393 K).
Aceeași curbă pe care o luăm în considerare acum controlează și condensarea (condensarea) aburului în apă.
Aburul poate fi transformat în apă fie prin compresie, fie prin răcire.
Atât în timpul fierberii, cât și în timpul condensului, punctul nu se va deplasa din curbă până când conversia aburului în apă sau a apei în abur este completă. Aceasta poate fi formulată și astfel: în condițiile curbei noastre și numai în aceste condiții, este posibilă coexistența lichidului și a vaporilor. Dacă căldura nu este adăugată sau îndepărtată, atunci cantitățile de abur și lichid dintr-un vas închis vor rămâne neschimbate. Se spune că astfel de vapori și lichide sunt în echilibru, iar vaporii care sunt în echilibru cu lichidul său se numesc saturati.
Curba de fierbere și condensare, după cum vedem, are o altă semnificație - este curba de echilibru a lichidului și a vaporilor. Curba de echilibru împarte câmpul diagramei în două părți. Stânga și sus (până la temperaturi ridicateşi presiuni mai mici) există o regiune de stare stabilă a aburului. În dreapta și în jos este regiunea de stare stabilă a lichidului.
Curba de echilibru vapor-lichid, i.e. curba punctului de fierbere în funcție de presiune sau, ceea ce este același, presiunea vaporilor în funcție de temperatură, este aproximativ aceeași pentru toate lichidele. În unele cazuri, schimbarea poate fi oarecum mai bruscă, în altele oarecum mai lentă, dar presiunea vaporilor crește întotdeauna rapid odată cu creșterea temperaturii.
Am folosit deja cuvintele „gaz” și „abur” de multe ori. Aceste două cuvinte sunt destul de egale. Putem spune: gazul de apă este vapori de apă, gazul de oxigen este vapori de oxigen lichid. Cu toate acestea, s-a dezvoltat un anumit obicei atunci când se folosesc aceste două cuvinte. Deoarece suntem obișnuiți cu un anumit interval de temperatură relativ mic, de obicei aplicăm cuvântul „gaz” acelor substanțe a căror presiune de vapori este temperaturi normale peste presiunea atmosferică. Dimpotrivă, vorbim de abur atunci când, la temperatura camerei și presiunea atmosferică, substanța este mai stabilă sub formă de lichid.
Din carte Fizicienii continuă să glumească autorul Konobeev YuriLA teoria cuantică temperatura zero absolut D. Buck, G. Bethe, W. Riezler (Cambridge) „Către teoria cuantică a temperaturii zero absolut” și note, traducerile cărora sunt plasate mai jos: La teoria cuantică a temperaturii zero absolut Mișcarea maxilarului inferior într-un mare
Din cartea Fizicienii glumesc autorul Konobeev YuriDespre teoria cuantică a temperaturii zero absolut Mai jos este o traducere a unei note scrise de fizicieni celebri și publicată în Natur-wissenschaften. Redactorii revistei „au luat momeala numelor mari” și, fără a intra în substanța celor scrise, au trimis materialul rezultat către
Din cartea Fizica medicală autor Podkolzina Vera Alexandrovna6. Statistica matematică și dependența de corelație Statistica matematică este știința metode matematice sistematizarea și utilizarea datelor statistice pentru rezolvarea problemelor științifice și practice. Statistica matematică este strâns legată de teoria autorului
Din cartea autoruluiSchimbarea presiunii cu altitudinea Pe măsură ce altitudinea se schimbă, presiunea scade. Acesta a fost descoperit pentru prima dată de francezul Perrier în numele lui Pascal în 1648. Muntele Puy de Dome, lângă care locuia Perrier, avea o înălțime de 975 m. Măsurătorile au arătat că mercurul dintr-un tub Torricelli cade atunci când se ridică
Din cartea autoruluiEfectul presiunii asupra punctului de topire Dacă modificați presiunea, se va modifica și temperatura de topire. Am întâlnit același tipar când am vorbit despre fierbere. Cu cât presiunea este mai mare, cu atât este mai mare punctul de fierbere. Acest lucru este valabil în general și pentru topire. Cu toate acestea
Pentru a pregăti diverse mâncăruri delicioase, apa este adesea nevoie, iar daca este incalzita, mai devreme sau mai tarziu va fierbe. Fiecare persoană educatăîn același timp, el știe că apa începe să fiarbă la o temperatură egală cu o sută de grade Celsius, iar odată cu încălzirea ulterioară temperatura ei nu se schimbă. Această proprietate a apei este folosită la gătit. Cu toate acestea, nu toată lumea știe că acest lucru nu este întotdeauna cazul. Apa poate fierbe la temperaturi diferite in functie de conditiile in care se afla. Să încercăm să ne dăm seama de ce depinde punctul de fierbere al apei și cum ar trebui să fie folosită.
Când este încălzită, temperatura apei se apropie de punctul de fierbere și se formează numeroase bule în volum, care conțin vapori de apă în interior. Densitatea aburului este mai mică decât densitatea apei, astfel încât forța lui Arhimede care acționează asupra bulelor le ridică la suprafață. În același timp, volumul bulelor fie crește, fie scade, astfel încât apa clocotită scoate sunete caracteristice. Ajungând la suprafață, bulele cu vapori de apă izbucnesc din acest motiv, apa clocotită gâlgâie intens, eliberând vapori de apă.
Punctul de fierbere depinde în mod explicit de presiunea exercitată pe suprafața apei, care se explică prin dependența de presiune. abur saturat, situat în bule, la temperatură. În acest caz, cantitatea de abur din interiorul bulelor și, în același timp, volumul acestora, crește până când presiunea aburului saturat depășește presiunea apei. Această presiune este suma presiunii hidrostatice a apei, cauzată de atracția gravitațională asupra Pământului, și a presiunii atmosferice externe. Prin urmare, punctul de fierbere al apei crește pe măsură ce presiunea atmosferică crește și scade pe măsură ce aceasta scade. Doar în cazul presiunii atmosferice normale de 760 mmHg. (1 atm.) apa fierbe la 100 0 C. Graficul dependenței punctului de fierbere al apei de presiunea atmosferică este prezentat mai jos:
Graficul arată că dacă creșteți presiunea atmosferică la 1,45 atm, atunci apa va fierbe la 110 0 C. La o presiune a aerului de 2,0 atm. apa va fierbe la 120 0 C si tot asa. Creșterea punctului de fierbere al apei poate fi folosită pentru a accelera și îmbunătăți procesul de preparare a mâncărurilor calde. În acest scop au fost inventate oalele sub presiune - oale cu capac special închis ermetic, dotate cu supape speciale pentru reglarea temperaturii de fierbere. Datorită etanșeității, presiunea din ele crește la 2-3 atm, ceea ce asigură punctul de fierbere al apei 120-130 0 C. Cu toate acestea, trebuie reținut că utilizarea oala sub presiune este plină de pericol: ieșirea aburului. dintre ele are presiune mare și temperatură ridicată. Prin urmare, trebuie să fii cât mai atent posibil pentru a nu te arde.
Efectul opus se observă dacă presiunea atmosferică scade. În acest caz, punctul de fierbere scade și el, ceea ce se întâmplă cu creșterea altitudinii deasupra nivelului mării:
In medie, cu o crestere de 300 m, punctul de fierbere al apei scade cu 1 0 C si, destul de sus la munte, scade la 80 0 C, ceea ce poate duce la unele dificultati la gatit.
Dacă reducem și mai mult presiunea, de exemplu, prin pomparea aerului dintr-un vas cu apă, atunci la o presiune a aerului de 0,03 atm. apa va fierbe deja la temperatura camerei, iar acest lucru este destul de neobișnuit, deoarece punctul de fierbere obișnuit al apei este de 100 0 C.
De ce au început oamenii să fiarbă apă înainte de a o folosi direct? Așa e, pentru a te proteja de multe bacterii și viruși patogene. Această tradiție a ajuns pe teritoriul Rusiei medievale chiar înainte de Petru cel Mare, deși se crede că el a fost cel care a adus primul samovar în țară și a introdus ritualul băutării pe îndelete a ceaiului de seară. De fapt, oamenii noștri au folosit un fel de samovar înapoi Rusiei antice pentru prepararea băuturilor din ierburi, fructe de pădure și rădăcini. Fierberea a fost necesară aici în principal pentru a extrage extracte utile de plante, mai degrabă decât pentru dezinfecție. La urma urmei, la vremea aceea nici măcar nu se știa despre microcosmosul în care trăiau aceste bacterii și viruși. Cu toate acestea, datorită fierberii, țara noastră a fost ferită de pandemii globale de boli teribile precum holera sau difteria.
Celsius
Marele meteorolog, geolog și astronom din Suedia a folosit inițial valoarea de 100 de grade pentru a indica punctul de îngheț al apei în condiții normale, iar punctul de fierbere al apei a fost considerat a fi zero grade. Și după moartea sa în 1744, nu mai puțin persoană celebră, botanistul Carl Linnaeus și receptorul Celsius Morten Stremer, au inversat această scară pentru a o face mai ușor de utilizat. Cu toate acestea, potrivit altor surse, Celsius însuși a făcut acest lucru cu puțin timp înainte de moartea sa. Dar, în orice caz, stabilitatea citirilor și calibrarea ușor de înțeles au influențat răspândirea pe scară largă a utilizării sale printre cele mai prestigioase profesii științifice din acea vreme - chimiștii. Și, în ciuda faptului că, inversată, semnul scării de 100 de grade a stabilit punctul de fierbere stabil al apei și nu începutul înghețului acesteia, scara a început să poarte numele creatorului său principal, Celsius.
Sub atmosferă
Cu toate acestea, nu totul este atât de simplu pe cât pare la prima vedere. Privind orice diagramă de fază în coordonatele P-T sau P-S (entropia S este o funcție directă a temperaturii), vedem cât de strâns sunt legate temperatura și presiunea. La fel, apa își modifică valorile în funcție de presiune. Și orice alpinist este bine conștient de această proprietate. Oricine a experimentat cel puțin o dată în viață altitudini de peste 2000-3000 de metri deasupra nivelului mării, știe cât de greu este să respiri la altitudine. Acest lucru se datorează faptului că cu cât ne ridicăm mai sus, cu atât aerul devine mai subțire. Presiunea atmosferică scade sub o atmosferă (sub nivelul mării, adică sub „condițiile normale”). Punctul de fierbere al apei scade și el. În funcție de presiunea de la fiecare înălțime, poate fierbe atât la optzeci, cât și la șaizeci
Oala sub presiune
Cu toate acestea, trebuie amintit că, deși majoritatea microbilor mor la temperaturi de peste șaizeci de grade Celsius, mulți pot supraviețui la optzeci de grade sau mai mult. De aceea, obținem apă clocotită, adică aducem temperatura ei la 100 ° C. Cu toate acestea, există aparate de bucătărie interesante care vă permit să reduceți timpul și să încălziți lichidul la temperaturi ridicate, fără a-l fierbe sau a pierde din masă prin evaporare. Dându-și seama că punctul de fierbere al apei se poate schimba în funcție de presiune, inginerii din SUA, pe baza unui prototip francez, au introdus lumii în anii 1920 o oală sub presiune. Principiul funcționării sale se bazează pe faptul că capacul este apăsat strâns pe pereți, fără posibilitatea de a ieși din abur. Creat în interior hipertensiune arterială, iar apa fierbe la mai mult temperaturi ridicate. Cu toate acestea, astfel de dispozitive sunt destul de periculoase și adesea duc la explozii și arsuri grave pentru utilizatori.
Ideal
Să vedem cum începe și cum trece procesul în sine. Să ne imaginăm o suprafață de încălzire netedă și infinit de mare, unde distribuția căldurii are loc uniform (aceeași cantitate de energie termică este furnizată fiecărui milimetru pătrat al suprafeței), iar coeficientul de rugozitate a suprafeței tinde spre zero. În acest caz, la n. u. fierberea într-un strat limită laminar va începe simultan pe întreaga suprafață și va avea loc instantaneu, evaporând imediat întregul volum unitar de lichid aflat pe suprafața sa. Acest conditii ideale, V viata reala Acest lucru nu se întâmplă.
În realitate
Să aflăm care este punctul inițial de fierbere al apei. În funcție de presiune, își schimbă și valorile, dar punctul principal aici constă în asta. Chiar dacă luăm cea mai netedă tigaie, în opinia noastră, și o aducem la microscop, atunci în ocularul său vom vedea margini neuniforme și vârfuri ascuțite și frecvente care ies deasupra suprafeței principale. Vom presupune că căldura este furnizată uniform pe suprafața tigaii, deși, în realitate, aceasta nu este, de asemenea, o afirmație complet adevărată. Chiar și atunci când tigaia este pe cel mai mare arzător, gradientul de temperatură pe aragaz este distribuit inegal și există întotdeauna zone locale de supraîncălzire responsabile pentru fierberea timpurie a apei. Câte grade sunt la vârfurile suprafeței și la văile acesteia? Vârfurile suprafeței, cu furnizare neîntreruptă de căldură, se încălzesc mai repede decât zonele joase și așa-numitele depresiuni. În plus, înconjurate pe toate părțile de apă la temperatură scăzută, transferă mai bine energia moleculelor de apă. Coeficientul de difuzivitate termică al vârfurilor este de o jumătate și jumătate până la două ori mai mare decât cel al zonelor joase.
Temperaturile
De aceea, punctul inițial de fierbere al apei este de aproximativ optzeci de grade Celsius. La această valoare, vârfurile de suprafață furnizează suficient din ceea ce este necesar pentru fierberea instantanee a lichidului și formarea primelor bule, vizibil pentru ochi, care timid încep să se ridice la suprafață. Care este punctul de fierbere al apei presiune normală- întreabă mulți. Răspunsul la această întrebare poate fi găsit cu ușurință în tabele. La presiunea atmosferică, fierberea stabilă este stabilită la 99,9839 °C.