การขึ้นอยู่กับอุณหภูมิจุดเดือดจากปัจจัยภายนอก อะไรเป็นตัวกำหนดความเดือดของน้ำ? น้ำกลั่นเดือด

บ้าน เพื่อเตรียมความพร้อมต่างๆอาหารอร่อย มักจะต้องใช้น้ำ และหากได้รับความร้อน น้ำก็จะเดือดไม่ช้าก็เร็ว ทั้งหมดผู้มีการศึกษา ในเวลาเดียวกันเขารู้ว่าน้ำเริ่มเดือดที่อุณหภูมิเท่ากับหนึ่งร้อยองศาเซลเซียสและเมื่อให้ความร้อนมากขึ้นอุณหภูมิของมันก็ไม่เปลี่ยนแปลง เป็นคุณสมบัติของน้ำที่ใช้ในการปรุงอาหาร อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ทุกคนที่รู้ว่าไม่เป็นเช่นนั้นเสมอไป น้ำอาจเดือดได้ที่อุณหภูมิที่แตกต่างกัน

ขึ้นอยู่กับสภาพที่ตั้งอยู่ ลองหาดูว่าจุดเดือดของน้ำขึ้นอยู่กับอะไรและควรใช้อย่างไร

เมื่อถูกความร้อน อุณหภูมิของน้ำจะเข้าใกล้จุดเดือด และฟองอากาศจำนวนมากจะก่อตัวขึ้นทั่วทั้งปริมาตร โดยมีไอน้ำอยู่ภายใน ความหนาแน่นของไอน้ำน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำ ดังนั้นแรงของอาร์คิมิดีสที่กระทำต่อฟองจึงยกฟองขึ้นสู่พื้นผิว ในเวลาเดียวกันปริมาตรของฟองอากาศจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงดังนั้นน้ำเดือดจึงส่งเสียงที่มีลักษณะเฉพาะ เมื่อถึงพื้นผิว ฟองไอน้ำก็จะระเบิดออกมา ด้วยเหตุนี้ น้ำเดือดจึงไหลออกมาอย่างแรง และปล่อยไอน้ำออกมา จุดเดือดขึ้นอยู่กับแรงดันที่กระทำบนผิวน้ำอย่างชัดเจน ซึ่งอธิบายได้จากการขึ้นอยู่กับแรงดันไอน้ำอิ่มตัว

อยู่ในฟองอากาศตามอุณหภูมิ ในกรณีนี้ปริมาณไอน้ำภายในฟองและในขณะเดียวกันปริมาตรก็จะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งแรงดันของไอน้ำอิ่มตัวเกินแรงดันของน้ำ ความดันนี้คือผลรวมของความดันอุทกสถิตของน้ำที่เกิดจากแรงดึงดูดของโลกและความดันบรรยากาศภายนอก ดังนั้นจุดเดือดของน้ำจะเพิ่มขึ้นเมื่อความดันบรรยากาศเพิ่มขึ้นและลดลงเมื่อลดลง เฉพาะในกรณีความดันบรรยากาศปกติ 760 mmHg (1 atm.) น้ำเดือดที่ 100 0 C กราฟของการพึ่งพาจุดเดือดของน้ำต่อความดันบรรยากาศแสดงไว้ด้านล่าง: จากกราฟจะเห็นได้ว่าถ้าเราเพิ่มขึ้นสูงถึง 1.45 atm จากนั้นน้ำจะเดือดที่ 110 0 C ที่ความดันอากาศ 2.0 atm น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิ 120 0 C เป็นต้น การเพิ่มจุดเดือดของน้ำสามารถใช้เพื่อเร่งและปรับปรุงกระบวนการเตรียมอาหารจานร้อนได้ เพื่อจุดประสงค์นี้จึงได้คิดค้นหม้ออัดแรงดัน - หม้อที่มีฝาปิดปิดผนึกอย่างผนึกแน่นเป็นพิเศษพร้อมวาล์วพิเศษเพื่อควบคุมอุณหภูมิจุดเดือด เนื่องจากความรัดกุมความดันในตัวพวกเขาจึงเพิ่มขึ้นเป็น 2-3 atm ซึ่งทำให้จุดเดือดของน้ำอยู่ที่ 120-130 0 C อย่างไรก็ตามต้องจำไว้ว่าการใช้หม้ออัดความดันนั้นเต็มไปด้วยอันตราย: ไอน้ำที่ออกมา ในจำนวนนี้มีแรงดันสูงและ อุณหภูมิสูง- ดังนั้นคุณต้องระมัดระวังให้มากที่สุดเพื่อไม่ให้ถูกไฟไหม้

ผลตรงกันข้ามจะเกิดขึ้นหากความดันบรรยากาศลดลง ในกรณีนี้ จุดเดือดก็ลดลงเช่นกัน ซึ่งเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อระดับความสูงเหนือระดับน้ำทะเลเพิ่มขึ้น:

โดยเฉลี่ยเมื่อเพิ่มขึ้น 300 ม. จุดเดือดของน้ำจะลดลง 1 0 C และค่อนข้างสูงบนภูเขาจะลดลงเหลือ 80 0 C ซึ่งอาจนำไปสู่ปัญหาในการปรุงอาหารได้

หากเราลดความดันลงอีก เช่น โดยการสูบอากาศออกจากถังด้วยน้ำ จากนั้นที่ความดันอากาศ 0.03 atm น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิห้องแล้วซึ่งค่อนข้างผิดปกติเนื่องจากจุดเดือดปกติของน้ำคือ 100 0 C

เมื่อเดือดของเหลวจะเริ่มเปลี่ยนเป็นไอน้ำอย่างเข้มข้นและฟองไอน้ำจะก่อตัวขึ้นและลอยขึ้นสู่พื้นผิว เมื่อถูกความร้อน ไอน้ำจะปรากฏขึ้นบนพื้นผิวของของเหลวก่อน จากนั้นกระบวนการนี้จะเริ่มทั่วทั้งปริมาตร ฟองอากาศเล็กๆ ปรากฏที่ด้านล่างและผนังของกระทะ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความดันภายในฟองอากาศจะเพิ่มขึ้น ฟองอากาศจะมีขนาดเพิ่มขึ้นและสูงขึ้น

เมื่ออุณหภูมิถึงจุดเดือดที่เรียกว่าฟองอากาศจะเริ่มก่อตัวอย่างรวดเร็วมีหลายฟองและของเหลวก็เริ่มเดือด ไอน้ำเกิดขึ้น อุณหภูมิคงที่จนกว่าน้ำจะหมด หากการกลายเป็นไอเกิดขึ้นภายใต้สภาวะปกติ ที่ความดันมาตรฐาน 100 mPa อุณหภูมิของมันจะอยู่ที่ 100°C หากคุณเพิ่มแรงกดดันคุณจะได้รับ ไอน้ำร้อนยวดยิ่ง- นักวิทยาศาสตร์สามารถทำให้ไอน้ำร้อนได้ถึงอุณหภูมิ 1227 ° C เมื่อให้ความร้อนเพิ่มเติม การแยกตัวของไอออนจะเปลี่ยนไอน้ำให้เป็นพลาสมา

ที่องค์ประกอบและความดันคงที่ที่กำหนด จุดเดือดของของเหลวใดๆ จะคงที่ ในหนังสือเรียนและคู่มือต่างๆ คุณสามารถดูตารางแสดงจุดเดือดของของเหลวต่างๆ และแม้แต่โลหะได้ ตัวอย่างเช่น น้ำเดือดที่อุณหภูมิ 100°C ที่ 78.3°C อีเธอร์ที่ 34.6°C ทองคำที่ 2,600°C และเงินที่ 1950°C ข้อมูลนี้เป็นข้อมูลสำหรับความดันมาตรฐาน 100 mPa โดยคำนวณที่ระดับน้ำทะเล

วิธีเปลี่ยนจุดเดือด

หากความดันลดลง จุดเดือดจะลดลง แม้ว่าองค์ประกอบจะยังคงเท่าเดิมก็ตาม ซึ่งหมายความว่าหากคุณปีนภูเขาสูง 4,000 เมตรโดยใช้หม้อน้ำหนึ่งใบแล้วตั้งไฟ น้ำจะเดือดที่ 85°C และต้องใช้ฟืนน้อยกว่าด้านล่างมาก

แม่บ้านจะสนใจที่จะเปรียบเทียบกับหม้ออัดแรงดันซึ่งแรงดันจะเพิ่มขึ้นอย่างเทียม ในเวลาเดียวกันจุดเดือดของน้ำก็เพิ่มขึ้นเช่นกันเนื่องจากอาหารปรุงเร็วขึ้นมาก หม้ออัดแรงดันสมัยใหม่ช่วยให้คุณเปลี่ยนอุณหภูมิการเดือดจาก 115 เป็น 130°C หรือมากกว่าได้อย่างราบรื่น

ความลับอีกประการหนึ่งของจุดเดือดของน้ำอยู่ที่องค์ประกอบของน้ำ น้ำกระด้างซึ่งมีเกลือหลายชนิด ใช้เวลาต้มนานกว่าและต้องใช้พลังงานในการให้ความร้อนมากขึ้น ถ้าคุณเติมเกลือ 2 ช้อนโต๊ะลงในน้ำ 1 ลิตร จุดเดือดจะเพิ่มขึ้น 10°C เช่นเดียวกันกับน้ำตาล 10% น้ำเชื่อมเดือดที่อุณหภูมิ 100.1°C

จากการพิจารณาข้างต้น เป็นที่ชัดเจนว่าจุดเดือดของของเหลวจะต้องขึ้นอยู่กับแรงดันภายนอก การสังเกตยืนยันสิ่งนี้

ยิ่งแรงดันภายนอกมาก จุดเดือดก็จะยิ่งสูงขึ้น ดังนั้นในหม้อต้มไอน้ำที่ความดันถึง 1.6 × 10 6 Pa น้ำจะไม่เดือดแม้ที่อุณหภูมิ 200 °C ในสถาบันทางการแพทย์ การต้มน้ำในภาชนะที่ปิดสนิท - เครื่องนึ่งฆ่าเชื้อ (รูปที่ 6.11) ก็เกิดขึ้นเมื่อ ความดันโลหิตสูง- ดังนั้นจุดเดือดจึงสูงกว่า 100 °C อย่างมีนัยสำคัญ Autoclaves ใช้เพื่อฆ่าเชื้อเครื่องมือผ่าตัด วัสดุปิดแผล ฯลฯ

และในทางกลับกัน โดยการลดความดันภายนอก เราก็จะลดจุดเดือดลงด้วย ใต้กระดิ่งของปั๊มลมคุณสามารถทำให้น้ำเดือดที่อุณหภูมิห้อง (รูปที่ 6.12) เมื่อคุณปีนภูเขา ความดันบรรยากาศจะลดลง ดังนั้นจุดเดือดจึงลดลง ที่ระดับความสูง 7134 ม. (ยอดเขาเลนินในปามีร์) ความดันจะอยู่ที่ประมาณ 4 · 10 4 Pa ​​​​(300 มม. ปรอท) น้ำเดือดที่นั่นประมาณ 70 °C ไม่สามารถปรุงเนื้อสัตว์ได้ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้

รูปที่ 6.13 แสดงเส้นโค้งของจุดเดือดของน้ำเทียบกับความดันภายนอก เข้าใจได้ง่ายว่าเส้นโค้งนี้เป็นเส้นโค้งที่แสดงการพึ่งพาแรงดันไอน้ำอิ่มตัวกับอุณหภูมิด้วย

ความแตกต่างของจุดเดือดของของเหลว

ของเหลวแต่ละชนิดมีจุดเดือดของตัวเอง ความแตกต่างของจุดเดือดของของเหลวนั้นพิจารณาจากความแตกต่างของความดันของไอระเหยอิ่มตัวที่อุณหภูมิเดียวกัน ตัวอย่างเช่น ไอระเหยของอีเทอร์ที่อุณหภูมิห้องจะมีความดันมากกว่าครึ่งหนึ่งของความดันบรรยากาศ ดังนั้นเพื่อให้ความดันไออีเทอร์เท่ากับความดันบรรยากาศจึงจำเป็นต้องมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเล็กน้อย (สูงถึง 35 ° C) ในปรอท ไอระเหยอิ่มตัวจะมีความดันเล็กน้อยที่อุณหภูมิห้อง ความดันของไอปรอทจะเท่ากับความดันบรรยากาศเฉพาะเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างมาก (สูงถึง 357 ° C) ที่อุณหภูมินี้ถ้าความดันภายนอกเท่ากับ 105 Pa ปรอทจะเดือด

ความแตกต่างของจุดเดือดของสารมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยี เช่น ในการแยกผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม เมื่อน้ำมันถูกให้ความร้อน ชิ้นส่วนที่ระเหยได้ที่มีค่าที่สุด (น้ำมันเบนซิน) จะระเหยไปก่อน ซึ่งสามารถแยกออกจากสารตกค้าง "หนัก" (น้ำมัน น้ำมันเชื้อเพลิง)

ของเหลวจะเดือดเมื่อความดันไออิ่มตัวเท่ากับความดันภายในของเหลว

§ 6.6 ความร้อนของการกลายเป็นไอ

จำเป็นต้องใช้พลังงานเพื่อเปลี่ยนของเหลวให้เป็นไอหรือไม่? เป็นไปได้มากว่าใช่! ไม่ใช่เหรอ?

เราสังเกต (ดูมาตรา 6.1) ว่าการระเหยของของเหลวมาพร้อมกับการระบายความร้อน เพื่อรักษาอุณหภูมิของของเหลวที่ระเหยไม่เปลี่ยนแปลงจำเป็นต้องจ่ายความร้อนจากภายนอก แน่นอนว่าความร้อนสามารถถ่ายเทจากวัตถุที่อยู่รอบๆ ไปยังของเหลวได้ ดังนั้นน้ำในแก้วจึงระเหยไป แต่อุณหภูมิของน้ำซึ่งต่ำกว่าอุณหภูมิโดยรอบเล็กน้อยยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ความร้อนจะถูกถ่ายเทจากอากาศสู่น้ำจนกระทั่งน้ำระเหยไปหมด

เพื่อรักษาระดับการเดือดของน้ำ (หรือของเหลวอื่น ๆ) จะต้องให้ความร้อนอย่างต่อเนื่องเช่นโดยการให้ความร้อนด้วยหัวเผา ในกรณีนี้ อุณหภูมิของน้ำและภาชนะจะไม่เพิ่มขึ้น แต่จะมีการผลิตไอน้ำจำนวนหนึ่งทุกๆ วินาที

ดังนั้น ในการเปลี่ยนของเหลวให้เป็นไอโดยการระเหยหรือการต้ม จำเป็นต้องใช้ความร้อนเข้าไป ปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการแปลงมวลของของเหลวที่กำหนดให้เป็นไอที่อุณหภูมิเดียวกันเรียกว่าความร้อนของการกลายเป็นไอของของเหลวนี้

พลังงานที่จ่ายให้กับร่างกายใช้ไปกับอะไร? ก่อนอื่นเพื่อเพิ่มพลังงานภายในระหว่างการเปลี่ยนจากของเหลวเป็นสถานะก๊าซ: หลังจากนั้นจะเป็นการเพิ่มปริมาตรของสารจากปริมาตรของของเหลวไปเป็นปริมาตรของไออิ่มตัว ส่งผลให้ระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโมเลกุลเพิ่มขึ้น และด้วยเหตุนี้พลังงานศักย์ของโมเลกุลจึงเพิ่มขึ้น

นอกจากนี้ เมื่อปริมาตรของสารเพิ่มขึ้น งานก็จะกระทำต่อแรงกดดันภายนอก ความร้อนของการกลายเป็นไอส่วนนี้ที่อุณหภูมิห้องมักจะเป็นหลายเปอร์เซ็นต์ของความร้อนของการกลายเป็นไอทั้งหมด

ความร้อนของการกลายเป็นไอขึ้นอยู่กับชนิดของของเหลว มวล และอุณหภูมิ การพึ่งพาความร้อนของการกลายเป็นไอกับประเภทของของเหลวนั้นมีลักษณะเป็นค่าที่เรียกว่าความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอ

ความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอของของเหลวที่กำหนดคืออัตราส่วนของความร้อนของการกลายเป็นไอของของเหลวต่อมวล:

(6.6.1)

ที่ไหน ร- ความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอของของเหลว ต- มวลของของเหลว ถาม n- ความร้อนของการกลายเป็นไอ หน่วย SI ของความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอคือ จูลต่อกิโลกรัม (J/kg)

ความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอของน้ำมีค่าสูงมาก: 2.256·10 6 J/kg ที่อุณหภูมิ 100 °C สำหรับของเหลวอื่นๆ (แอลกอฮอล์ อีเทอร์ ปรอท น้ำมันก๊าด ฯลฯ) ความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอจะน้อยกว่า 3-10 เท่า

เดือด- นี่คือการกลายเป็นไอที่เกิดขึ้นพร้อมกันทั้งจากพื้นผิวและตลอดปริมาตรของของเหลวทั้งหมด ประกอบด้วยฟองอากาศจำนวนมากลอยขึ้นและแตกทำให้เกิดฟองที่มีลักษณะเฉพาะ

ตามประสบการณ์แสดงให้เห็น การเดือดของของเหลวที่ความดันภายนอกที่กำหนดเริ่มต้นที่อุณหภูมิที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนซึ่งจะไม่เปลี่ยนแปลงในระหว่างกระบวนการเดือดและสามารถเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีการจ่ายพลังงานจากภายนอกอันเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนความร้อน (รูปที่ 1 ):

โดยที่ L คือความร้อนจำเพาะของการระเหยที่จุดเดือด

กลไกการเดือด: ของเหลวประกอบด้วยก๊าซที่ละลายอยู่เสมอ ระดับการละลายจะลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น นอกจากนี้ยังมีก๊าซดูดซับอยู่บนผนังของถัง เมื่อของเหลวถูกทำให้ร้อนจากด้านล่าง (รูปที่ 2) ก๊าซจะเริ่มถูกปล่อยออกมาในรูปของฟองที่ผนังของถัง ของเหลวจะระเหยกลายเป็นฟองเหล่านี้ ดังนั้นนอกเหนือจากอากาศแล้วพวกมันยังมีไอน้ำอิ่มตัวซึ่งความดันจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและฟองอากาศจะมีปริมาตรเพิ่มขึ้นและด้วยเหตุนี้แรงของอาร์คิมิดีสที่กระทำต่อพวกมันจึงเพิ่มขึ้น เมื่อแรงลอยตัวมีมากกว่าแรงโน้มถ่วงของฟอง ฟองจะเริ่มลอย แต่จนกว่าของเหลวจะได้รับความร้อนเท่ากันในขณะที่เพิ่มขึ้นปริมาตรของฟองจะลดลง (ความดันไออิ่มตัวลดลงตามอุณหภูมิที่ลดลง) และก่อนที่จะถึงพื้นผิวอิสระฟองจะหายไป (ยุบ) (รูปที่ 2, a) ซึ่ง คือสาเหตุที่เราได้ยินเสียงลักษณะเฉพาะก่อนต้ม เมื่ออุณหภูมิของของเหลวเท่ากัน ปริมาตรของฟองจะเพิ่มขึ้นเมื่อมันเพิ่มขึ้น เนื่องจากความดันไออิ่มตัวไม่เปลี่ยนแปลง และความดันภายนอกบนฟองซึ่งเป็นผลรวมของความดันอุทกสถิตของของเหลวเหนือฟอง และความกดอากาศลดลง ฟองถึงพื้นผิวอิสระของของเหลว ระเบิด และไอน้ำอิ่มตัวออกมา (รูปที่ 2, b) - ของเหลวเดือด ความดันไออิ่มตัวในฟองอากาศมีค่าเกือบเท่ากับความดันภายนอก

เรียกว่าอุณหภูมิที่ความดันไออิ่มตัวของของเหลวเท่ากับความดันภายนอกบนพื้นผิวที่ว่างของมัน จุดเดือดของเหลว

เนื่องจากความดันไออิ่มตัวจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและในระหว่างการต้มจะต้องเท่ากับความดันภายนอกจากนั้นเมื่อความดันภายนอกเพิ่มขึ้นจุดเดือดจะเพิ่มขึ้น

จุดเดือดยังขึ้นอยู่กับการมีอยู่ของสิ่งเจือปน โดยปกติจะเพิ่มขึ้นตามความเข้มข้นของสิ่งเจือปนที่เพิ่มขึ้น

หากคุณปล่อยของเหลวออกจากก๊าซที่ละลายในนั้นเป็นครั้งแรกก็อาจทำให้ร้อนเกินไปได้เช่น ความร้อนเหนือจุดเดือด นี่คือสถานะของของเหลวที่ไม่เสถียร แรงกระแทกเล็กน้อยก็เพียงพอแล้วของเหลวจะเดือดและอุณหภูมิจะลดลงถึงจุดเดือดทันที