Dependența temperaturii de fierbere de factori externi. Ce determină fierberea apei? Fierbe apă distilată

Acasă Pentru a pregăti diverse mâncăruri delicioase , apa este adesea nevoie, iar daca este incalzita, mai devreme sau mai tarziu va fierbe. Fiecare persoană educată în același timp, știe că apa începe să fiarbă la o temperatură egală cu o sută de grade Celsius, iar odată cu încălzirea în continuare, 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 o combinație între presiunea hidrostatică a apei, cauzată de atracția gravitațională către Pământ, și presiunea atmosferică externă. 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: Din grafic se vede că dacă creștem până la 1,45 atm, apoi apa va fierbe deja 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:

În medie, cu o creștere de 300 m, punctul de fierbere al apei scade cu 1 0 C și suficient de sus la munte scade la 80 0 C, ceea ce poate duce la unele dificultăți la gătit.

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.

Când fierbe, lichidul începe să se transforme rapid în abur, iar în el se formează bule de abur și se ridică la suprafață. Când este încălzit, aburul apare mai întâi numai pe suprafața lichidului, apoi acest proces începe pe întregul volum. Pe fundul și pereții tigaii apar bule mici. Pe măsură ce temperatura crește, presiunea din interiorul bulelor crește, acestea cresc în dimensiune și cresc în sus.

Când temperatura atinge așa-numitul punct de fierbere, începe formarea rapidă de bule, sunt multe, iar lichidul începe să fiarbă. Se formează abur, a cărui temperatură rămâne constantă până când toată apa este prezentă. Dacă vaporizarea are loc în condiții normale, la o presiune standard de 100 mPa, temperatura acesteia este de 100°C. Dacă creșteți artificial presiunea, puteți obține abur supraîncălzit. Oamenii de știință au reușit să încălziți vaporii de apă la o temperatură de 1227 ° C cu o încălzire suplimentară, disocierea ionilor transformă aburul în plasmă.

La o compoziție dată și o presiune constantă, punctul de fierbere al oricărui lichid este constant. În manuale și manuale puteți vedea tabele care indică punctul de fierbere al diferitelor lichide și chiar al metalelor. De exemplu, apa fierbe la o temperatură de 100°C, la 78,3°C, eterul la 34,6°C, aurul la 2600°C și argintul la 1950°C. Aceste date sunt pentru o presiune standard de 100 mPa, sunt calculate la nivelul mării.

Cum se schimbă punctul de fierbere

Dacă presiunea scade, punctul de fierbere scade, chiar dacă compoziția rămâne aceeași. Asta înseamnă că dacă urci un munte de 4000 de metri înălțime cu o oală cu apă și îl pui pe foc, apa va fierbe la 85°C, iar asta va necesita mult mai puțin lemn de foc decât dedesubt.

Gospodinele vor fi interesate de o comparație cu o oală sub presiune, în care presiunea este crescută artificial. În același timp, crește și punctul de fierbere al apei, datorită căruia alimentele se gătesc mult mai repede. Oalele sub presiune moderne vă permit să schimbați fără probleme temperatura de fierbere de la 115 la 130°C sau mai mult.

Un alt secret al punctului de fierbere al apei constă în compoziția acesteia. Apa tare, care conține diverse săruri, durează mai mult până fierbe și necesită mai multă energie pentru a se încălzi. Dacă adăugați două linguri de sare la un litru de apă, punctul de fierbere al acestuia va crește cu 10°C. Același lucru se poate spune despre zahăr, 10% sirop de zahar fierbe la o temperatură de 100,1°C.

Din considerentele de mai sus este clar că punctul de fierbere al unui lichid trebuie să depindă de presiunea exterioară. Observațiile confirmă acest lucru.

Cu cât presiunea exterioară este mai mare, cu atât este mai mare punctul de fierbere. Astfel, într-un cazan cu abur la o presiune care atinge 1,6 × 10 6 Pa, apa nu fierbe nici măcar la o temperatură de 200 °C. În instituțiile medicale, fierberea apei în vase închise ermetic - autoclave (Fig. 6.11) are loc și atunci când hipertensiune arterială. Prin urmare, punctul de fierbere este semnificativ mai mare de 100 °C. Autoclavele sunt folosite pentru sterilizarea instrumentelor chirurgicale, pansamentelor etc.

În schimb, prin reducerea presiunii externe, scădem astfel punctul de fierbere. Sub clopotul unei pompe de aer, puteți face apa să fiarbă la temperatura camerei (Fig. 6.12). Pe măsură ce urci munți, presiunea atmosferică scade, deci punctul de fierbere scade. La o altitudine de 7134 m (Vârful Lenin în Pamir) presiunea este de aproximativ 4 · 10 4 Pa ​​​​(300 mm Hg). Apa fierbe acolo la aproximativ 70 °C. Este imposibil să gătești carne, de exemplu, în aceste condiții.

Figura 6.13 prezintă o curbă a punctului de fierbere al apei în funcție de presiunea externă. Este ușor de înțeles că această curbă este și o curbă care exprimă dependența presiunii vaporilor de apă saturați de temperatură.

Diferențele de puncte de fierbere ale lichidelor

Fiecare lichid are propriul punct de fierbere. Diferența de puncte de fierbere a lichidelor este determinată de diferența de presiune a vaporilor lor saturați la aceeași temperatură. De exemplu, vaporii de eter deja la temperatura camerei au o presiune mai mare de jumătate din atmosferă. Prin urmare, pentru ca presiunea vaporilor de eter să devină egală cu presiunea atmosferică, este necesară o ușoară creștere a temperaturii (până la 35 ° C). În mercur, vaporii saturați au o presiune foarte neglijabilă la temperatura camerei. Presiunea vaporilor de mercur devine egală cu presiunea atmosferică numai cu o creștere semnificativă a temperaturii (până la 357 ° C). La această temperatură, dacă presiunea externă este de 105 Pa, mercurul fierbe.

Diferența de puncte de fierbere a substanțelor este utilizată pe scară largă în tehnologie, de exemplu, în separarea produselor petroliere. Când uleiul este încălzit, părțile sale cele mai valoroase, volatile (benzina) se evaporă mai întâi, care pot fi astfel separate de reziduurile „grele” (uleiuri, păcură).

Un lichid fierbe atunci când presiunea sa de vapori saturați este egală cu presiunea din interiorul lichidului.

§ 6.6. Căldura de vaporizare

Este nevoie de energie pentru a transforma lichidul în vapori? Cel mai probabil da! Nu-i aşa?

Am observat (vezi § 6.1) că evaporarea unui lichid este însoțită de răcirea acestuia. Pentru a menține neschimbată temperatura lichidului care se evaporă, căldura trebuie furnizată din exterior. Desigur, căldura în sine poate fi transferată lichidului din corpurile înconjurătoare. Deci, apa din pahar se evaporă, dar temperatura apei, puțin mai mică decât temperatura ambiantă, rămâne neschimbată. Căldura este transferată din aer în apă până când toată apa se evaporă.

Pentru a menține fierberea apei (sau a altui lichid), trebuie să i se furnizeze în mod continuu căldură, de exemplu, prin încălzirea acesteia cu un arzător. În acest caz, temperatura apei și a vasului nu crește, dar se produce o anumită cantitate de abur în fiecare secundă.

Astfel, pentru a transforma un lichid în vapori prin evaporare sau prin fierbere, este nevoie de un aport de căldură. Cantitatea de căldură necesară pentru a transforma o anumită masă de lichid în vapori la aceeași temperatură se numește căldură de vaporizare a acestui lichid.

Pe ce se consumă energia furnizată organismului? În primul rând, să-și crească energia internă în timpul tranziției de la o stare lichidă la o stare gazoasă: la urma urmei, aceasta crește volumul substanței de la volumul de lichid la volumul de vapori saturati. În consecință, distanța medie dintre molecule crește și, prin urmare, energia potențială a acestora.

În plus, pe măsură ce volumul unei substanțe crește, se lucrează împotriva forțelor externe de presiune. Această parte a căldurii de vaporizare la temperatura camerei reprezintă de obicei câteva procente din căldura totală de vaporizare.

Căldura de vaporizare depinde de tipul de lichid, masa și temperatura acestuia. Dependența căldurii de vaporizare de tipul de lichid este caracterizată de o valoare numită căldură specifică de vaporizare.

Căldura specifică de vaporizare a unui lichid dat este raportul dintre căldura de vaporizare a unui lichid și masa acestuia:

(6.6.1)

Unde r- caldura specifica de vaporizare a lichidului; T- masa lichidului; Q n- căldura sa de vaporizare. Unitatea SI a căldurii specifice de vaporizare este joule pe kilogram (J/kg).

Căldura specifică de vaporizare a apei este foarte mare: 2.256·10 6 J/kg la o temperatură de 100 °C. Pentru alte lichide (alcool, eter, mercur, kerosen etc.) căldura specifică de vaporizare este de 3-10 ori mai mică.

Fierbere- 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 punct de fierbere 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.