Температура кипения жидкости ниже чем. Почему температура кипения воды в различных условиях разная? Как вырастить кристалл
Парообразование может происходить не только в результате испарения, но и при кипении. Рассмотрим кипение с энергетической точки зрения.
В жидкости всегда растворено некоторое количество воздуха. При нагревании жидкости количество растворенного в ней газа уменьшается, вследствие чего часть его выделяется в виде маленьких пузырьков на дне и стенках сосуда и на взвешенных в жидкости нерастворенных твердых частичках. Происходит испарение жидкости во внутрь этих воздушных пузырьков. Со временем пары в них становятся насыщенными. При дальнейшем нагревании увеличиваются давление насыщенного пара внутри пузырьков и их объем. Когда давление пара внутри пузырьков становится равным атмосферному, они под действием выталкивающей силы Архимеда поднимаются на поверхность жидкости, лопаются, и из них выходит пар. Парообразование, происходящее одновременно и с поверхности жидкости и внутри самой жидкости в воздушные пузырьки, называется кипением. Температура, при которой давление насыщенных паров в пузырьках становится равно внешнему давлению, называется температурой кипения .
Так как при одинаковых температурах давления насыщенных паров разнообразных жидкостей разные, то при различных температурах они становятся равными атмосферному давлению. Это приводит к тому, что разные жидкости кипят при различных температурах. Данное свойство жидкостей используется при возгонке нефтепродуктов. При нагревании нефти первыми испаряются наиболее ценные, летучие ее части (бензин), которые таким образом отделяются от "тяжелых" остатков (масел, мазута).
Из того, что кипение наступает, когда давление насыщенных паров равно внешнему давлению на жидкость, следует, что температура кипения жидкости зависит от внешнего давления. Если оно увеличено, то жидкость кипит при более высокой температуре, так как для достижения такого давления насыщенным парам необходима более высокая температура. Наоборот, при пониженном давлении жидкость кипит при более низкой температуре. В этом можно убедиться на опыте. Нагреем воду в колбе до кипения и уберем спиртовку (рис. 37, а). Кипение воды прекращается. Закрыв пробкой колбу, начнем насосом удалять из нее воздух и пары воды, уменьшая тем самым давление на воду, которая в"результате этого закипает. Заставив ее кипеть в открытой колбе, накачиванием воздуха в колбу увеличим давление на воду (рис. 37, б). Кипение ее прекращается. При давлении 1 атм вода кипит при 100° С, а при 10 атм - при 180° С. Эта зависимость используется, например в автоклавах, в медицине для стерилизации, в кулинарии для ускорения варки пищевых продуктов.
Чтобы жидкость начала кипеть, ее следует нагреть до температуры кипения. Для этого надо жидкости сообщить энергию, например количество теплоты Q = cm(t° к - t° 0) . При кипении температура жидкости остается постоянной. Так происходит потому, что сообщаемое при кипении количество теплоты затрачивается не на увеличение кинетической энергии молекул жидкости, а на работу разрыва молекулярных связей, т. е. на парообразование. При конденсации пар по закону сохранения энергии отдает в окружающую среду такое количество теплоты, которое было затрачено на парообразование. Конденсация происходит при температуре кипения, которая в процессе конденсации остается постоянной. (Объясните почему).
Составим уравнение теплового баланса при парообразовании и конденсации. Пар, взятый при температуре кипения жидкости, по трубке А. поступает в воду, находящуюся в калориметре (рис. 38, а), конденсируется в ней, отдавая ей затраченное на его получение количество теплоты. Вода и калориметр получают при этом количество теплоты не только от конденсации пара, но и от жидкости, которая при этом получается из него. Данные физических величин приведены в табл. 3.
Конденсирующийся пар отдал количество теплоты Q п = rm 3 (рис. 38, б). Жидкость, полученная из пара, охладившись от t° 3 до θ°, отдала количество теплоты Q 3 = c 2 m 3 (t 3 ° - θ°).
Калориметр и вода, нагреваясь от t° 2 до θ° (рис. 38, в), получили количество теплоты
Q 1 = c 1 m 1 (θ° - t° 2); Q 2 = c 2 m 2 (θ° - t° 2).
На основании закона сохранения и превращения энергии
Q п + Q 3 = Q 1 + Q 2 ,
Одним из основных законов является обнаруженная французским химиком Ф. М. Раулемв1887г. закономерность, определяющая некоторые зависящие отконцентрации, но не от природы растворённого вещества, свойстварастворов.
Франсуа Мари Рауль (1830 - 1901) - французский химик и физик, член-корреспондент Парижской АН (1890). С 1867 - в Гренобльском университете (профессор с 1870). Член-корреспондент Петербургской АН (1899).
Над любой жидкой фазой всегда существует определенное (в зависимости от внешних условий) количество газообразной состоящей из того же вещества. Так, над водой, находящейся в атмосфере, обязательно имеется водяной пар. Количество этой паровой фазы выражается парциальным давлением (концентрацией газа), равным общему, при условии, что данный газ занимает общий газовый объем.
Физические свойства растворов (растворимость, температуры замерзания и кипения) в первую очередь обусловлены изменением давления насыщенного пара растворителя над раствором. Франсуа Рауль установил, что давление насыщенного пара растворителя над раствором всегда ниже, чем над чистым растворителем и вывел следующее соотношение:
р 0 – парциальное давление пара растворителя над чистым растворителем;
р i – парциальное давление пара растворителя над раствором;
n i – мольная доля растворенного вещества.
Таким образом, один из основных законов, определяющих физические свойства растворов можно сформулировать так:
относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно мольной доле раствренного вещества.
Это важнейший закон объяснил изменения температур фазовых переходов для растворов относительно чистого растворителя.
Изменение температур замерзания
Условием кристаллизации является равенство давления насыщенного пара растворителя над раствором давлению пара над твёрдым растворителем. Поскольку давление пара растворителя над раствором всегда ниже, чем над чистым растворителем, это равенство всегда будет достигаться при температуре более низкой, чем температура замерзания растворителя. Так, океанская вода начинает замерзать при температуре около -2° C.
Разность между температурой кристаллизации растворителя T 0 fr и температурой начала кристаллизации раствора T fr и есть понижение температуры кристаллизации. Тогда можем сформулировать следуещее следствие из закона Рауля:
понижение температуры кристаллизации разбавленных растворов не зависит от природы растворённого вещества и прямо пропорционально моляльной концентрациираствора:
Здесь: m – моляльность раствора; К – криоскопическая константа, постоянная для каждого растворителя. Для воды К = 1,86 0 , что означает – все одномоляльные водные растворы должны замерзать при темепературе - 1,86 0 С.
Поскольку по мере кристаллизации растворителя из раствора концентрация последнего возрастает, растворы не имеют определённой температуры замерзания и кристаллизуются в некотором интервале температур.
Изменение температур кипения
Жидкость кипитпри той температуре, при которой общее давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению. Если растворённое вещество нелетуче (то есть давлением его насыщенных паров над раствором можно пренебречь), то общее давление насыщенного пара над раствором равно парциальному давлению паров растворителя. В этом случае давление насыщенных паров над раствором при любой температуре будет меньше, чем над чистым растворителем, и равенство его внешнему давлению будет достигаться при более высокой температуре. Таким образом, температура кипения раствора нелетучего вещества T b всегда выше, чем температура кипения чистого растворителя при том же давлении T b . Отсюда второе следствие законо Рауля:
повышение температуры кипения разбавленных растворов нелетучих веществ не зависит от природы растворённого вещества и прямо пропорционально моляльной концентрации раствора:
Здесь: m – моляльность раствора; Е – эбулиоскопическая константа, постоянная для каждого растворителя. Для воды Е = 0,56 0 , что означает – все одномоляльные водные растворы должны начинать закипать при темепературе 100,56 0 С при стандартном давлении.
При кипении жидкость начинается интенсивно превращаться в пар, в ней образуются паровые пузырьки, поднимающиеся на поверхность. При нагревании сначала пар появляется только на поверхности жидкости, затем этот процесс начинается по всему объему. Появляются мелкие пузырьки на дне и стенках посуды. При повышении температуры давление внутри пузырей возрастает, они увеличиваются и поднимаются вверх.
Когда температура достигает так называемой точки кипения, начинается бурное образование пузырьков, их становится много, жидкость закипает. Образуется пар, температура которого остается постоянной, пока не вся вода. Если парообразование происходит в обычных условиях, при стандартом давлении 100 мПа, его температура равна 100оС. Если же искусственно увеличить давление, можно получить перегретый пар. Ученым удалось нагреть водяной пар до температуры 1227оС, при дальнейшем нагреве диссоциация ионов превращает пар в плазму.
При заданном составе и постоянном давлении температура кипения любой жидкости постоянна. В учебниках и пособиях по можно увидеть таблицы, указывающие температуру кипения различных жидкостей и даже металлов. Например, вода закипает при температуре 100оС, при 78,3оС, эфир при 34,6оС, золото при 2600оС, а серебро при 1950оС. Это данные для стандартного давления 100 мПа, оно рассчитывается на уровне моря.
Как изменить температуру кипения
Если давление снижается, температура кипения уменьшается, даже если состав остается прежним. Это значит, что если подняться с котелком воды на гору высотой 4000 метров и поставить ее на костер, вода закипит при 85оС, для этого понадобится гораздо меньше дров, чем внизу.
Хозяйкам будет интересно сравнение со скороваркой, в которой давление искусственно увеличивается. кипения воды при этом также увеличивается, за счет чего пища готовится гораздо быстрее. Современные скороварки позволяют плавно изменять температуру кипения от 115 до 130оС и более.
Еще один секрет температуры кипения воды заключается в ее составе. Жесткая вода, в состав которой входят различные соли, закипает дольше и требует для нагрева больше энергии. Если добавить в литр воды две столовые ложки соли, температура кипения ее увеличится на 10оС. То же самое можно сказать о сахаре, 10% сахарный сироп закипает при температуре 100,1оС.
Кипение - это парообразование, происходящее одновременно и с поверхности, и по всему объему жидкости. Оно состоит в том, что всплывают и лопаются многочисленные пузырьки, вызывая характерное бурление.
Как показывает опыт, кипение жидкости при заданном внешнем давлении начинается при вполне определенной и не изменяющейся в процессе кипения температуре и может происходить только при подводе энергии извне в результате теплообмена (рис. 1):
где L - удельная теплота парообразования при температуре кипения.
Механизм кипения: в жидкости всегда имеется растворенный газ, степень растворения которого понижается с ростом температуры. Кроме того, на стенках сосуда имеется адсорбированный газ. При нагревании жидкости снизу (рис. 2) газ начинает выделяться в виде пузырьков у стенок сосуда. В эти пузырьки происходит испарение жидкости. Поэтому в них, кроме воздуха, находится насыщенный пар, давление которого с ростом температуры быстро увеличивается, и пузырьки растут в объеме, а следовательно, увеличиваются действующие на них силы Архимеда. Когда выталкивающая сила станет больше силы тяжести пузырька, он начинает всплывать. Но пока жидкость не будет равномерно прогрета, по мере всплытия объем пузырька уменьшается (давление насыщенного пара уменьшается с понижением температуры) и, не достигнув свободной поверхности, пузырьки исчезают (захлопываются) (рис. 2, а), вот почему мы слышим характерный шум перед закипанием. Когда температура жидкости выравняется, объем пузырька при подъеме будет возрастать, так как давление насыщенного пара не изменяется, а внешнее давление на пузырек, представляющее собой сумму гидростатического давления жидкости, находящейся над пузырьком, и атмосферного, уменьшается. Пузырек достигает свободной поверхности жидкости, лопается, и насыщенный пар выходит наружу (рис. 2, б) - жидкость закипает. Давление насыщенного пара при этом в пузырьках практически равно внешнему давлению.
Температура, при которой давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению на ее свободную поверхность, называется температурой кипения жидкости.
Так как давление насыщенного пара увеличивается с ростом температуры, а при кипении оно должно быть равно внешнему, то при увеличении внешнего давления температура кипения увеличивается.
Температура кипения зависит также от наличия примесей, обычно увеличиваясь с ростом концентрации примесей.
Если предварительно освободить жидкость от растворенного в ней газа, то ее можно перегреть, т.е. нагреть выше температуры кипения. Это неустойчивое состояние жидкости. Достаточно небольших сотрясений и жидкость закипает, а ее температура сразу понижается до температуры кипения.
Поскольку давление насыщающего пара однозначно определяется температурой, а кипение жидкости наступает в тот момент, когда давление насыщающих паров этой жидкости равно внешнему давлению, температура кипения должна зависеть от внешнего давления. С помощью опытов легко показать, что при уменьшении внешнего давления температура кипения понижается, а при увеличении давления - повышается.
Кипение жидкости при пониженном давлении можно показать с помощью следующего опыта. В стакан наливают воду из водопровода и опускают в нее термометр. Стакан с водой помещают под стеклянный колпак вакуумной установки и включают насос. Когда давление под колпаком достаточно понизится, вода в стакане начинает кипеть. Так как на парообразование затрачивается энергия, то температура воды в стакане при кипении начинает понижаться, и при хорошей работе насоса вода наконец закерзает.
Нагревание воды до высоких температур осуществляют в котлах и автоклавах. Устройство автоклава показано на рис. 8.6, где К - предохранительный клапан, - рычаг, прижимающий клапан, М - манометр. При давлениях больше 100 атм воду нагревают до температуры выше 300 °С.
Таблица 8.2. Точки кипения некоторых веществ
Температура кипения жидкости при нормальном атмосферном давлении называется точкой кипения. Из табл. 8.1 и 8.2 вцдно, что давление насыщающих паров для эфира, воды и спирта в точке кипения равно 1,013 105 Па (1 атм).
Из изложенного выше следует, что в глубоких шахтах вода должна кипеть при температуре выше 100 °С, а в горных местностях - ниже 100 °С. Поскольку температура кипения воды зависит от высоты над уровнем моря, на шкале термометра вместо температуры можно указать ту высоту, на которой кипит вода при этой температуре. Определение высоты с помощью такого термометра называется гипсометрией.
Опыт показывает, что температура кипения раствора всегда выше, чем температура кипения чистого растворителя, и возрастает при увеличении концентрации раствора. Однако температура паров над поверхностью кипящего раствора равна температуре кипения чистого растворителя. Поэтому для определения температуры кипения чистой жидкости термометр лучше помещать не в жидкость, а в пары над поверхностью кипящей жидкости.
Процесс кипения тесно связан с наличием растворенного газа в жидкости. Если из жидкости удалить растворенный в ней газ, например, продолжительным кипячением, то можно нагревать эту жидкость до температуры, заметно превышающей температуру ее кипения. Такую жидкость называют перегретой. При отсутствии газовых пузырьков зарождению мельчайших пузырьков пара, которые могли бы стать центрами парообразования, препятствует лапласовское давление, которое при малом радиусе пузырька велико. Этим и объясняется перегрев жидкости. Когда она все же закипает, кипение происходит очень бурно.