Efectul presiunii negative asupra punctului de fierbere. La ce temperatura fierbe apa? Dependența temperaturii de fierbere de presiune. Ce determină punctul de fierbere al apei?

Acasă Fierbere

- aceasta este o tranziție intensivă a lichidului în vapori, care are loc odată cu formarea de bule de vapori pe întregul volum al lichidului la o anumită temperatură.

În timpul fierberii, temperatura lichidului și a vaporilor de deasupra acestuia nu se modifică. Rămâne neschimbat până când tot lichidul a fiert. Acest lucru se întâmplă deoarece toată energia furnizată lichidului este folosită pentru a-l transforma în vapori. Se numește temperatura la care fierbe un lichid.

punct de fierbere

Punctul de fierbere depinde de presiunea exercitată pe suprafața liberă a lichidului. Acest lucru se explică prin dependența presiunii vaporilor saturați de temperatură. Bula de vapori crește până când presiunea vaporilor saturați din interiorul acesteia depășește ușor presiunea din lichid, care este suma presiunii externe și a presiunii hidrostatice a coloanei de lichid. Cu cât presiunea externă este mai mare, cu atât mai mult.

punct de fierbere

Toată lumea știe că apa fierbe la o temperatură de 100 ºC. Dar nu trebuie să uităm că acest lucru este valabil doar la presiunea atmosferică normală (aproximativ 101 kPa). Pe măsură ce presiunea crește, punctul de fierbere al apei crește. De exemplu, în oala sub presiune, alimentele sunt gătite la o presiune de aproximativ 200 kPa. Punctul de fierbere al apei atinge 120°C. În apă la această temperatură, procesul de gătire are loc mult mai rapid decât în ​​apa obișnuită clocotită. Așa se explică numele „oala sub presiune”.

Fiecare lichid are propriul punct de fierbere, care depinde de presiunea vaporilor saturați. Cu cât presiunea vaporilor saturați este mai mare, cu atât este mai scăzut punctul de fierbere al lichidului corespunzător, deoarece la temperaturi mai scăzute presiunea vaporilor saturați devine egală cu presiunea atmosferică. De exemplu, la un punct de fierbere de 100 °C, presiunea de vapori saturați a apei este de 101.325 Pa (760 mm Hg), iar presiunea de vapori este de numai 117 Pa (0,88 mm Hg). Mercurul fierbe la 357°C la presiune normală.

Căldura de vaporizare.

Căldura de vaporizare (căldura de evaporare)- cantitatea de căldură care trebuie transmisă unei substanțe (la presiune constantă și la temperatură constantă) pentru transformarea completă a unei substanțe lichide în vapori.

Cantitatea de căldură necesară pentru vaporizare (sau eliberată în timpul condensului). Pentru a calcula cantitatea de căldură Q necesară pentru a transforma lichidul din orice masă luată la punctul de fierbere în vapori, este necesară căldura specifică de vaporizare r minte-la-masă m:

Când aburul se condensează, se eliberează aceeași cantitate de căldură.

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. În interior se creează o presiune crescută, iar apa fierbe la temperaturi mai ridicate. Cu toate acestea, astfel de dispozitive sunt destul de periculoase și conduc adesea 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. Mulți oameni întreabă care este punctul de fierbere al apei la presiune normală. Răspunsul la această întrebare poate fi găsit cu ușurință în tabele. La presiunea atmosferică, fierberea stabilă este stabilită la 99,9839 °C.

Fierberea este procesul de modificare a stării de agregare a unei substanțe. Când vorbim despre apă, ne referim la schimbarea de la starea lichidă la starea de vapori. Este important de reținut că fierberea nu este evaporare, care poate apărea chiar și la temperatura camerei. De asemenea, nu trebuie confundat cu fierberea, care este procesul de încălzire a apei la o anumită temperatură. Acum că am înțeles conceptele, putem determina la ce temperatură fierbe apa.

Proces

Procesul de transformare a stării de agregare din lichid în gaz este complex. Și, deși oamenii nu îl văd, există 4 etape:

1. În prima etapă, se formează bule mici în partea de jos a recipientului încălzit. Ele pot fi văzute și pe laterale sau la suprafața apei. Ele se formează din cauza expansiunii bulelor de aer, care sunt întotdeauna prezente în crăpăturile recipientului în care apa este încălzită.
2. În a doua etapă, volumul bulelor crește. Toți încep să iasă la suprafață, deoarece în interiorul lor există abur saturat, care este mai ușor decât apa. Pe măsură ce temperatura de încălzire crește, presiunea bulelor crește, iar acestea sunt împinse la suprafață datorită putere cunoscută Arhimede. În acest caz, puteți auzi sunetul caracteristic al fierberii, care se formează din cauza expansiunii și reducerii constante a dimensiunii bulelor.
3. La a treia etapă puteți vedea la suprafață număr mare bule. Acest lucru creează inițial tulburări în apă. Acest proces este denumit popular „fierbere albă” și durează o perioadă scurtă de timp.
4. La a patra etapă, apa fierbe intens, la suprafață apar bule mari care se sparg și pot apărea stropi. Cel mai adesea, stropirea înseamnă că lichidul s-a încălzit până la temperatura maxima. Aburii vor începe să emane din apă.

Se știe că apa fierbe la o temperatură de 100 de grade, ceea ce este posibil doar în a patra etapă.

Temperatura aburului

Aburul este una dintre stările apei. Când intră în aer, el, ca și alte gaze, exercită asupra lui o anumită presiune. În timpul vaporizării, temperatura aburului și a apei rămâne constantă până când întregul lichid își schimbă starea de agregare. Acest fenomen poate fi explicat prin faptul că, în timpul fierberii, toată energia este cheltuită pentru transformarea apei în abur.

La începutul fierberii, se formează abur umed, saturat, care devine uscat după ce tot lichidul s-a evaporat. Dacă temperatura sa începe să depășească temperatura apei, atunci un astfel de abur este supraîncălzit, iar caracteristicile sale vor fi mai apropiate de gaz.

Apa sarata la fiert

Este destul de interesant de știut la ce temperatură fierbe apa cu un conținut ridicat de sare. Se știe că ar trebui să fie mai mare datorită conținutului de ioni Na+ și Cl- din compoziție, care ocupă zona dintre moleculele de apă. Acest lucru face ca compoziția chimică a apei cu sare să fie diferită de lichidul proaspăt obișnuit.

Faptul este că în apa sărată are loc o reacție de hidratare - procesul de adăugare a moleculelor de apă la ionii de sare. Comunicarea între molecule apă dulce mai slabe decât cele formate în timpul hidratării, deci fierberea lichidului cu sare dizolvată va dura mai mult. Pe măsură ce temperatura crește, moleculele din apa sărată se mișcă mai repede, dar sunt mai puține dintre ele, ceea ce face ca ciocnirile între ele să apară mai rar. Ca urmare, se produce mai puțin abur și, prin urmare, presiunea acestuia este mai mică decât presiunea aburului apei proaspete. În consecință, va fi necesară mai multă energie (temperatură) pentru vaporizarea completă. În medie, pentru a fierbe un litru de apă care conține 60 de grame de sare, este necesar să creșteți gradul de fierbere al apei cu 10% (adică cu 10 C).

Dependența fierberii de presiune

Se știe că la munte, indiferent de compozitia chimica apa va avea un punct de fierbere mai mic. Acest lucru se întâmplă deoarece presiunea atmosferică este mai mică la altitudine. Presiunea normală este considerată a fi 101,325 kPa. Cu el, punctul de fierbere al apei este de 100 de grade Celsius. Dar dacă urci pe un munte, unde presiunea este în medie de 40 kPa, atunci apa de acolo va fierbe la 75,88 C. Dar asta nu înseamnă că va trebui să petreci aproape jumătate din timp gătind la munte. Tratamentul termic al alimentelor necesită o anumită temperatură.

Se crede că la o altitudine de 500 de metri deasupra nivelului mării, apa va fierbe la 98,3 C, iar la o altitudine de 3000 de metri punctul de fierbere va fi de 90 C.

Rețineți că această lege se aplică și în sens invers. Dacă puneți un lichid într-un balon închis prin care aburul nu poate trece, atunci odată cu creșterea temperaturii și formarea aburului, presiunea în acest balon va crește și fierbe la hipertensiune arterială va avea loc la temperaturi mai ridicate. De exemplu, la o presiune de 490,3 kPa, punctul de fierbere al apei va fi de 151 C.

Fierbe apă distilată

Apa distilată este apă purificată fără impurități. Este adesea folosit în scopuri medicale sau tehnice. Având în vedere că în astfel de apă nu există impurități, nu este folosită pentru gătit. Este interesant de observat că apa distilată fierbe mai repede decât apa dulce obișnuită, dar punctul de fierbere rămâne același - 100 de grade. Cu toate acestea, diferența de timp de fierbere va fi minimă - doar o fracțiune de secundă.

Într-un ceainic

Oamenii se întreabă adesea la ce temperatură fierbe apa într-un ibric, deoarece acestea sunt dispozitivele pe care le folosesc pentru a fierbe lichidele. Ținând cont de faptul că presiunea atmosferică din apartament este egală cu standardul, iar apa folosită nu conține săruri și alte impurități care nu ar trebui să fie acolo, atunci și punctul de fierbere va fi standard - 100 de grade. Dar dacă apa conține sare, atunci punctul de fierbere, după cum știm deja, va fi mai mare.

Concluzie

Acum știți la ce temperatură fierbe apa și modul în care presiunea atmosferică și compoziția lichidului afectează acest proces. Nu este nimic complicat în asta, iar copiii primesc astfel de informații la școală. Principalul lucru este să ne amintim că, pe măsură ce presiunea scade, scade și punctul de fierbere al lichidului și, pe măsură ce crește, crește și el.

Pe Internet puteți găsi multe tabele diferite care indică dependența punctului de fierbere al unui lichid de presiunea atmosferică. Sunt disponibile pentru toată lumea și sunt folosite activ de școlari, elevi și chiar profesori din institute.

Acasă- aceasta este vaporizarea care are loc simultan atât de la suprafață, cât și pe întregul volum al lichidului. Constă în faptul că numeroase bule plutesc în sus și izbucnesc, provocând un clocot caracteristic.

După cum arată experiența, fierberea unui lichid la o anumită presiune externă începe la o temperatură bine definită, care nu se modifică în timpul procesului de fierbere și poate avea loc numai atunci când energia este furnizată din exterior ca urmare a schimbului de căldură (Fig. 1) :

unde L este căldura specifică de vaporizare la punctul de fierbere.

Mecanism de fierbere: un lichid conține întotdeauna un gaz dizolvat, al cărui grad de dizolvare scade odată cu creșterea temperaturii. În plus, există gaz adsorbit pe pereții vasului. Când lichidul este încălzit de jos (Fig. 2), gazul începe să fie eliberat sub formă de bule la pereții vasului. Lichidul se evaporă în aceste bule. Prin urmare, pe lângă aer, ele conțin abur saturat, a cărui presiune crește rapid odată cu creșterea temperaturii, iar bulele cresc în volum și, în consecință, forțele lui Arhimede care acționează asupra lor cresc. Când forța de plutire devine mai mare decât gravitația bulei, aceasta începe să plutească. Dar până când lichidul este încălzit uniform, pe măsură ce urcă, volumul bulei scade (presiunea vaporilor saturați scade odată cu scăderea temperaturii) și, înainte de a ajunge la suprafața liberă, bulele dispar (se prăbușesc) (Fig. 2, a), ceea ce de aceea auzim un zgomot caracteristic înainte de fierbere. Când temperatura lichidului se egalizează, volumul bulei va crește pe măsură ce crește, deoarece presiunea vaporilor saturați nu se modifică, iar presiunea externă a bulei, care este suma presiunii hidrostatice a lichidului deasupra bulei. iar presiunea atmosferică scade. Bula ajunge la suprafața liberă a lichidului, izbucnește și iese abur saturat (Fig. 2, b) - lichidul fierbe. Presiunea vaporilor saturați din bule este aproape egală cu presiunea externă.

Se numește temperatura la care presiunea vaporilor saturați a unui lichid este egală cu presiunea exterioară de pe suprafața lui liberă Se numește temperatura la care fierbe un lichid lichide.

Deoarece presiunea vaporilor saturați crește odată cu creșterea temperaturii, iar în timpul fierberii trebuie să fie egală cu presiunea exterioară, atunci odată cu creșterea presiunii externe, punctul de fierbere crește.

Punctul de fierbere depinde și de prezența impurităților, de obicei crescând odată cu creșterea concentrației de impurități.

Dacă mai întâi eliberați lichidul din gazul dizolvat în el, atunci acesta poate fi supraîncălzit, adică. se încălzește peste punctul de fierbere. Aceasta este o stare instabilă a lichidului. Sunt suficiente șocuri mici și lichidul fierbe, iar temperatura acestuia scade imediat la punctul de fierbere.

Centre de vaporizare. Pentru procesul de fierbere este necesar ca în lichidul - nuclee ale fazei gazoase să existe neomogenități, care joacă rolul de centre de vaporizare. De obicei, un lichid conține gaze dizolvate, care sunt eliberate în bule de pe fundul și pereții recipientului și pe particulele de praf suspendate în lichid. La încălzire, aceste bule cresc atât datorită scăderii solubilității gazelor cu temperatura, cât și datorită evaporării lichidului din ele. Bulele care au crescut în volum plutesc în sus sub influența forței de flotabilitate arhimediană. Dacă straturile superioare de lichid au mai mult temperatură scăzută, apoi din cauza condensului de abur, presiunea din ele scade brusc și bulele „se prăbușesc” cu un zgomot caracteristic. Pe măsură ce întregul lichid se încălzește până la temperatura de fierbere, bulele încetează să se prăbușească și plutesc la suprafață: întregul lichid fierbe.

Biletul nr. 15

1. Distribuția temperaturii de-a lungul razei unei bare de combustibil cilindrice.

Vaporizarea poate apărea nu numai ca urmare a evaporării, ci și în timpul fierberii. Să luăm în considerare fierberea din punct de vedere energetic.

Există întotdeauna puțin aer dizolvat într-un lichid. Când un lichid este încălzit, cantitatea de gaz dizolvată în el scade, drept urmare o parte din acesta este eliberată sub formă de bule mici pe fundul și pereții vasului și pe particulele solide nedizolvate suspendate în lichid. Lichidul se evaporă în aceste bule de aer. În timp, vaporii din ele devin saturați. Odată cu încălzirea suplimentară, presiunea vaporilor saturați din interiorul bulelor și volumul acestora cresc. Când presiunea vaporilor din interiorul bulelor devine egală cu presiunea atmosferică, acestea se ridică la suprafața lichidului sub influența forței de plutire a lui Arhimede, izbucnesc și iese abur din ele. Vaporizarea care are loc simultan atât de la suprafața lichidului, cât și în interiorul lichidului însuși în bule de aer se numește fierbere. Se numește temperatura la care presiunea vaporilor saturați din bule devine egală cu presiunea exterioară Se numește temperatura la care fierbe un lichid.

Deoarece la aceleași temperaturi presiunile vaporilor saturați ai diferitelor lichide sunt diferite, atunci la temperaturi diferite devin egali presiunea atmosferică. Acest lucru face ca diferite lichide să fiarbă la temperaturi diferite. Această proprietate lichidele sunt folosite la sublimarea produselor petroliere. Când uleiul este încălzit, cele mai valoroase părți volatile (benzină) se evaporă mai întâi, care sunt astfel separate de reziduurile „grele” (uleiuri, păcură).

Din faptul că fierberea are loc atunci când presiunea vaporilor saturați este egală cu presiunea exterioară asupra lichidului, rezultă că punctul de fierbere al lichidului depinde de presiunea exterioară. Dacă crește, lichidul fierbe la o temperatură mai mare, deoarece pentru a obține o astfel de presiune abur saturat este nevoie de mai mult temperatură ridicată. Dimpotrivă, la presiune redusă lichidul fierbe la o temperatură mai scăzută. Acest lucru poate fi verificat prin experiență. Se încălzește apa din balon până la fierbere și se scoate lampa cu alcool (Fig. 37, a). Apa nu mai fierbe. După ce a închis balonul cu un dop, vom începe să scoatem aerul și vaporii de apă din acesta cu o pompă, reducând astfel presiunea asupra apei, care, ca urmare, a forțat să fiarbă în balonul deschis, prin pomparea aerului în balon vom crește presiunea asupra apei (Fig. 37, b) Se oprește fierberea. 1 atm apa fierbe la 100°C, iar la 10 atm- la 180° C. Această dependență este folosită, de exemplu, în autoclave, în medicina pentru sterilizare, în gătit pentru a grăbi gătirea produselor alimentare.

Pentru ca un lichid să înceapă să fiarbă, trebuie să fie încălzit la temperatura de fierbere. Pentru a face acest lucru, trebuie să distribuiți energie lichidului, de exemplu, cantitatea de căldură Q = cm(t° până la - t° 0). La fierbere, temperatura lichidului rămâne constantă. Acest lucru se întâmplă deoarece cantitatea de căldură raportată în timpul fierberii este cheltuită nu pentru creșterea energiei cinetice a moleculelor lichide, ci pentru munca de rupere a legăturilor moleculare, adică pentru vaporizare. La condensare, conform legii conservării energiei, se degajă abur mediu cantitatea de căldură care a fost consumată pentru vaporizare. Condensul are loc la punctul de fierbere, care rămâne constant în timpul procesului de condensare. (Explicați de ce).

Să creăm o ecuație de echilibru termic pentru vaporizare și condensare. Aburul, preluat la punctul de fierbere al lichidului, intră în apă în calorimetru prin tubul A (Fig. 38, a), se condensează în acesta, dându-i cantitatea de căldură cheltuită pentru producerea lui. Apa și calorimetrul primesc o cantitate de căldură nu numai din condensarea aburului, ci și din lichidul care se obține din acesta. Datele mărimilor fizice sunt date în tabel. 3.

Aburul de condensare degaja cantitatea de căldură Q p = rm 3(Fig. 38, b). Lichidul obținut din abur, răcit de la t° 3 la θ°, a cedat o cantitate de căldură Q 3 = c 2 m 3 (t 3° - θ°).

Calorimetrul și apa, încălzite de la t° 2 la θ° (Fig. 38, c), au primit cantitatea de căldură

Q1 = c1 m1 (θ° - t°2); Q2 = c2m2 (θ° - t°2).

Pe baza legii conservării și transformării energiei

Q p + Q 3 = Q 1 + Q 2,