Кипение жидкости в вакууме реферат
Обновлено: 16.05.2024
Вывод: температура и время кипения для всех жидкостей разное.
Глава 2.
2.1. Гейзер.
Гейзеры — это источники, в которых через определенные промежутки времени происходят извержения кипящей воды. Грохоча и взрываясь столб кипятка, окруженный густым паром, взлетает вверх большим фонтаном, иногда даже достигая 80 м. Фонтан бьет какое-то время, затем вода исчезает, пар рассеивается, и наступает состояние покоя.[1.]
Сразу же после извержения гейзера бассейн освобождается от воды, и на дне его можно увидеть заполненное водой жерло, уходящее глубоко под землю. Перед началом извержения вода поднимается, медленно заполняет бассейн, бурлит, выплескивается, затем со взрывом высоко взлетает фонтан кипятка.
Около некоторых из них почва теплая, а иногда даже горячая.
2.2. Процесс кипения на службе человека
Процессы кипения имеют большое практическое применение в теплоэнергетике, химической технологии, атомной энергетике и ряде других областей современной техники.
Процесс кипения жидкости при перепаде давления используется в компрессионных холодильных машинах, где кипит хладагент. В мировой ядерной энергетике весьма перспективным становится использование кипящих реакторов на АЭС. В России, на Белоярской АЭС имени И. В. Курчатова успешно эксплуатируются два кипящих реактора мощностью 100 и 200 МВт.
втоклав, например, в медицине, аппарат для стерилизации паром под давлением хирургического перевязочного материала, инструментов, большинства питательных сред для выращивания микроорганизмов, для обеззараживания инфицированного материала, операционных халатов и т. п. Изобретенный французским физиком Папином (1647 – 1714) котел с предохранительным клапаном, в котором пары достигали высокого давления, а вода такой температуры, что позволяла плавить трудноплавкие вещества сегодня используют как вулканизатор.
На сегодняшнем этапе развития науки важным является понимание процесса кипения магнитной жидкости в магнитном поле. Ученые считают, что в конечном итоге это даст возможность создать управляемые теплообменные аппараты с использованием магнитных жидкостей в качестве теплоносителя.
Заключение
Неоднократно наблюдая, за приготовлением пищи опытными поварами, мы отмечали для себя тот факт, что как только вода в кастрюле закипит, уменьшают огонь. Сегодня мы можем с физической точки зрения обосновать этот профессиональный шаг поваров. Зная, что во время кипения температура не меняется и продолжительность варки, начиная с момента закипания, не зависит от мощности нагревателя, это дает экономию топлива. На сегодняшний день мы можем объяснить причину длительного закипания соленой воды с повышением температуры кипения.
Но до детального изучения темы мы считали, что использование знаний о процессе кипения ограничиваются только этой областью. Однако, изучая литературу, в которой описывается востребованность знаний о процессе кипения жидкости, мы все больше удивлялись факту многообразия его применения от энергетики до атомной физики.
Выполняя опыты по измерению температуры кипящих жидкостей, их растворов, мы убедились, что многие, казалось очевидные факты, противоречат опытным данным, но легко объясняются при условии знаний о явлении кипения.
Из проведенных опытов можно сделать вывод, что температура кипения остается постоянной во время кипения и зависит от количества и вида примесей, атмосферного давления и других внешних условий. Мы считаем, что тема этой работа имеет перспективу на дальнейшее, более глубокое и детальное исследование.
2. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: Молекулярная физика. Термодинамика.10 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики. – 3-е изд. – М.: Дрофа, 1998.
5. Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3-х т. /Под ред. Г.С. Ландсберга. Т.I. Механика. Теплота. Молекулярная физика. – 10-е изд., перераб. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985
Кипение – процесс перехода вещества из жидкого в газообразное состояние (парообразование в жидкости). Кипение не является испарением: оно отличается тем, что может происходить только при определенном давлении и температуре.
Кипячение – нагревание воды до температуры кипения.
Как происходит процесс кипения воды?
Кипение воды является сложным процессом, который происходит в четыре стадии. Рассмотрим пример кипения воды в открытом стеклянном сосуде.
На первой стадии кипения воды на дне сосуда появляются небольшие пузырьки воздуха, которые также можно заметить и на поверхности воды по бокам.
Эти пузырьки образуются в результате расширения небольших пузырей воздуха, которые находятся в мелких трещинах сосуда.
На второй стадии наблюдается увеличение объема пузырьков: все больше пузырьков воздуха рвется на поверхность. Внутри пузырьков находится насыщенный пар.
Как только повышается температура, возрастает давление насыщенных пузырьков, в результате чего они увеличиваются в размере. Как следствие, повышается действующая на пузыри архимедова сила.
Именно благодаря этой силе пузырьки стремятся к поверхности воды. Если верхний слой воды не успел прогреться до 100 градусов С (а это и есть температура кипения чистой воды без примесей), то пузырьки опускаются вниз в более горячие слои, после чего они снова устремляются назад на поверхность.
[note]Ввиду того, что пузыри постоянно уменьшаются и увеличиваются в размере, внутри сосуда возникают звуковые волны, которые создают характерный для кипения шум.[/note]
Наконец, на четвертой стадии кипения вода начинает интенсивно бурлить, появляются большие лопающиеся пузыри и брызги (как правило, брызги означают, что вода сильно перекипела).
Из воды начинает образовываться водяной пар, при этом вода издает специфические звуки.
Температура пара при кипении воды
Пар – это газообразное состояние воды. Когда пар поступает в воздух, то он, как и другие газы, оказывает на него определенное давление.
В процессе парообразования величина температуры пара и воды будет оставаться постоянной до тех пор, пока не испарится вся вода. Такое явление объясняется тем, что вся энергия (температура) направлена на превращение воды в пар.
В данном случае образуется сухой насыщенный пар. Высокодисперсные частицы жидкой фазы в таком паре отсутствуют. Также пар может быть насыщенным влажным и перегретым.
Насыщенный пар с содержанием взвешенных высокодисперсных частиц жидкой фазы, которые равномерно распределены по всей массе пара, называется влажным насыщенным паром.
В начале закипания воды образуется именно такой пар, который затем переходит в сухой насыщенный. Пар, температура которого больше температуры кипящей воды, а точнее перегретый пар, можно получить только с использованием специального оборудования. При этом такой пар будет близок по своим характеристикам к газу.
Температура кипения соленой воды
Температура кипения соленой воды превышает температуру кипения пресной воды. Как следствие соленая вода закипает позднее пресной. В соленой воде присутствуют ионы Na+ и Cl-, которые занимают определенную область между молекулами воды.
На закипание воды с растворенной солью потребуется больше энергии, в качестве которой в данном случае выступает температура.
По мере увеличения температуры молекулы в соленой воде начинаются двигаться быстрее, но при этом их становится меньше, ввиду чего они сталкиваются реже. В результате образуется меньше пара, давление которого ниже, нежели у пара пресной воды.
Для того чтобы в соленой воде давление стало выше атмосферного и начался процесс кипения, необходима более высокая температура. При добавлении 60 граммов соли в воду объемом 1 литр температура кипения увеличится на 10 С.
Температура кипения воды в вакууме при различном давлении
Давление (P) — кПа
Температура (t) — °С
Температура кипения воды в вакууме
Известно, что при нормальном атмосферном давлении вода закивает при температуре 100 градусах C. Нормальное атмосферное давление составляет 101,325 кПа.
При снижении окружающего давления вода закипает и испаряется быстрее. Вакуум – свободное от вещества пространство. Технический вакуум – среда, содержащая газ под давлением, которое значительно ниже атмосферного.
В вакууме остаточное давление составляет примерно 4 кПа. При таком показателе давления точкой кипения воды будет 300 С. Чем выше давление в вакууме, тем больше величина температуры кипения воды.
Температура кипения воды в чайнике
Кипяток – вода, доведенная до температуры кипения. Как правило, для получения кипятка используются чайники. Остывшая вода, прежде доведенная до кипения, называется кипяченой.
В процессе кипения воды обильно выделяется пар. Процесс парообразования сопровождается выделением из состава жидкости свободных молекул кислорода. Чистая пресная вода закипает в чайнике при температуре 100 градусов С.
В кипятке погибает большинство болезнетворных бактерий за счет длительного воздействия высокой температуры на воду. При кипении из солей, содержащихся в жесткой воде, образуется осадок, который известен нам как накипь.
Обычно кипяченую воду применяют для заваривания кофе и чая, а также для дезинфекции овощей и фруктов и т.д.
Температура кипения воды в горах
Как уже упоминалось выше, величина температуры кипения воды напрямую зависит от внешнего давления. Чем ниже будет атмосферное давление, тем меньше станет показатель температуры кипения.
Известно, что атмосферное давление значительно падает над уровнем моря. Поэтому в горах давление будет намного ниже, чем на уровне моря.
[important]Чем выше горы, тем ниже атмосферное давление, и соответственно тем ниже температура кипения воды.[/important]
Любой альпинист знает, что в горах сложно заварить чай, поскольку вода недостаточно нагревается. Также в горах требуется больше времени, чтобы сварить пищу.
Поэтому была составлена специальная таблица, отражающая температуру закипания воды в зависимости от высоты.
Температуры кипения воды на разных высотах
Высота над уровнем моря (метры)
Температура закипания воды ( 0 С)
Данные показатели могут меняться, если в состав воды входят примеси. При наличии нелетучих примесей температура кипения воды будет увеличиваться.
Температура кипения дистиллированной воды
Дистиллированная вода – это очищенная вода H2O, в которой практически не содержится каких-либо примесей. Обычно ее используют в медицинских, технических или исследовательских целях.
Дистиллированная вода не предназначена для питья или приготовления пищи. Такую воду производят в специальном оборудовании – дистилляторах, где происходит выпаривание пресной воды и последующая конденсация пара.
Температура кипения дистиллированной воды будет такой же, как и у обычной водопроводной воды — 100 градусов Цельсия. Разница же заключается в том, что дистиллированная вода будет закипать быстрее по времени, нежели пресная.
Однако этот показатель практически не отличается от времени закипания обычной воды: разница состоит в считанных долях секунды.
Удельная теплота кипения воды
Удельная теплота кипения воды или парообразования – это физическая величина, отражающая количество теплоты, необходимое для превращения 1 л кипящей воды в пар.
Процесс кипения воды, как и любого другого вещества, происходит с поглощением теплоты. Значительная часть проводимой теплоты необходима для разрыва связей между молекулами воды.
Другая часть теплоты расходуется на процессы, происходящие при расширении пара. В результате поглощения теплоты увеличивается энергия взаимодействия между частицами пара.
Эта энергия становится больше энергии взаимодействия молекул воды. Таким образом, при одинаковой температуре внутренняя энергия пара становится выше внутренней энергии жидкости.
Единица удельной теплоты парообразования в системе СИ: [ L] = 1 Дж/кг.
Удельная теплота испарения воды равна 2260 кДж/кг.
Небольшое видео — измерение температуры кипения воды:
Еще интересные статьи:
19 комментариев
Михаил, спасибо за Ваше замечание. Какое там должно быть значение? 30 С?
при -79С возможно и сублимируется,(испаряется лёд не плавясь) при КТ, жидкая(вообще не может по определению сублимироваться, а только испаряться) вода в вакууме закипиет и заледеневает иногда даже
Олег, большое спасибо за Ваше замечание, исправим.
Чем объясняется высокая температура кипения воды?
Из-за чего вода кипит при высокой температуре?
Вода кипит при РАЗНЫХ температурах. Они не высокие и не низкие. Они просто — температуры кипения, молекулы жидкостей набирают достаточно энергии(скорости движения), чтобы покинуть свою среду и вторгнуться с целью оккупации и захвата — в другую среду, которая состоит из жидкостей — с более низкой температурой кипения(воздух к примеру — закипает при температуре -190 С). А железо к примеру кипит при +2800 С. Температуры не быают высокими или низкими, они везде разные. Если взять общий вес тел в солнечной системе, то средняя их температура будет наверное тысячи две градусов. Почему ? А потому что солнце в сотни раз больше суммарного веса всего остального. Поэтому термины типа: Добро/Зло, Хорошо/Плохо, Тепло/Холодно, Темно/Светло — лишь точка зрения конкретного ограниченного взгляда и относительна : — ))) Выгодно — значит хорошо, невыгодно — значит плохо : — )))
Всем известно, что вода закипает при температуре 100 градусов по Цельсию. Но мало кто задумывается, что такая температура кипения воды свойственна при нормальном атмосферном давлении, которое составляет 760 мм рт. ст. А ведь такой показатель, как точка кипения воды зависит от двух параметров – давления и температуры. При изменении одного фактора соответственно меняется второй.
Точка кипения воды в вакууме
Чтобы понять, какими особенностями отличается кипение воды в вакууме, для начала нужно разобраться, что это такое – процесс кипения жидкости как физическое явление. Интенсивное изменение агрегатного состояния жидкости с переходом её в пар, при определённой температуре и давлении, с формированием пузырьков по всему объёму жидкости, в молекулярной физике называют кипением.
Так как вакуум – это закрытое пространство, в котором находиться газ под давлением, значительно ниже атмосферного, температура кипения воды так же изменяется в меньшую сторону. Разреженная среда способствует понижению температуры кипения. Например, понижение давления до 529 мм рт. ст. позволит закипеть воде при температуре всего 90° С. А чтобы преобразование жидкости в пар началось при комнатной температуре, необходимо в закрытом резервуаре с водой создать разряжение, например с помощью вакуумного насоса, до 20 мм рт.ст.
Практическое применение
На практике, такая особенность вакуума, а точнее его пониженного давления очень хорошо проверяется при подъёме в горы. На высоте 4 км над уровнем моря, атмосферное давление настолько ниже нормы, что температура кипения воды составляет всего 87° по Цельсию.
В разных отраслях промышленности, в лабораторных комплексах, в медицине и многих видах производства очень широко распространена технология вакуумной сушки. Из-за низкой точки кипения, и как результата – испарения воды, в специальных сушильных шкафах, после закладки материала, создаётся вакуум и повышается температура. Этот метод сублимированной сушки, основанный на особенностях кипения воды в вакууме, используют при пробоподготовке, проведении анализов, вулканизации, лёгком обжиге и многих других процессах, связанных с дегидратацией.
Интересные факты о воде
Многие люди думают, что температура кипения воды составляет 100°C. Однако этот показатель может меняться в зависимости от атмосферного давления.
В данной статье мы выясним, как будет меняться температура кипения воды в зависимости от давления: в горах, шахте, вакууме. Рассмотрим особенности процесса кипячения с точки зрения физики и химии.
Как будет меняться температура кипения воды: 4 фактора
Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.
Стоит отметить, что она всегда остается неизменной. Поэтому, если увеличить огонь под кипящей кастрюлей с водой, выкипать будет быстрее, но температура при этом не увеличится, так как средняя кинетическая энергия молекул остаётся неизменной.
Рассмотрим 4 фактора, которые влияют на изменение t°:
- Пониженное атмосферное давление (наблюдается в горной местности) – t° уменьшается.
- Повышенное атмосферное давление (наблюдается в шахте) – t° наоборот увеличивается.
- Применения герметической крышки, вакуума. За счёт герметической крышки или посуды пар не выходит градус кипения увеличивается. При использовании вакуума температура зависит от давления, которое создано внутри его.
- Свойства воды. Соленая вода начинает кипеть при более высокой температуре, чем пресная.
Рассмотрим более подробно каждый из факторов.
Влияние атмосферного давления
Согласно исследованиям и уравнению Клапейрона — Клаузиуса, градус кипения напрямую зависит от атмосферного давления. С его ростом температура кипения увеличивается, а с уменьшением, наоборот, становится все ниже и ниже.
Атмосферное давление — это давление атмосферы, действующее на все находящиеся на ней предметы и земную поверхность. Оно может меняться в зависимости от места и времени и измеряется барометром.
При нормальном атмосферном давлении 760 мм ртутного столба вода кипит при + 100 °C
В горной местности давление уменьшается, а под землей (в шахте) увеличивается.
Для наглядности предоставлена таблица № 1 из большого химического справочника, источник: Волков А. И, Жарский И. В.
| Р, кПа | t, °C | Р, кПа | t, °C | Р, кПа | t, °C |
| 5,0 | 32,88 | 91,5 | 97,17 | 101,325 | 100,00 |
| 10,0 | 45,82 | 92,0 | 97,32 | 101,5 | 100,05 |
| 15,0 | 53,98 | 92,5 | 97,47 | 102,0 | 100,19 |
| 20,0 | 60,07 | 93,0 | 97,62 | 102,5 | 100,32 |
| 25,0 | 64,98 | 93,5 | 97,76 | 103,0 | 100,46 |
| 30,0 | 69,11 | 94,0 | 97,91 | 103,5 | 100,60 |
| 35,0 | 72,70 | 94,5 | 98,06 | 104,0 | 100,73 |
| 40,0 | 75,88 | 95,0 | 98,21 | 104,5 | 100,87 |
| 45,0 | 78,74 | 95,5 | 98,35 | 105,0 | 101,00 |
| 50,0 | 81,34 | 96,0 | 98,50 | 105,5 | 101,14 |
| 55,0 | 83,73 | 96,5 | 98,64 | 106,0 | 101,27 |
| 60,0 | 85,95 | 97,0 | 98,78 | 106,5 | 101,40 |
| 65,0 | 88,02 | 97,5 | 98,93 | 107,0 | 101,54 |
| 70,0 | 89,96 | 98,0 | 99,07 | 107,5 | 101,67 |
| 75,0 | 91,78 | 98,5 | 99,21 | 108,0 | 101,80 |
| 80,0 | 93,51 | 99,0 | 99,35 | 108,5 | 101,93 |
| 85,0 | 95, 15 | 99,5 | 99,49 | 109,0 | 102,06 |
| 90,0 | 96,71 | 100,0 | 99,63 | 109,5 | 102,19 |
| 90,5 | 96,87 | 100,5 | 99,77 | 110,0 | 102,32 |
| 91,0 | 97, 02 | 101,0 | 99,91 | 115,0 | 103,59 |
Единицы измерения давления в таблице: кПа.
1 кПа = 1000 Па = 0,00986923 атм = 7, 50062 мм. рт. ст
Нормальное атмосферное давление составляет 765 мм. РТ. Ст. = 101,325 Р, кПа
Температура кипения в горах
При подъеме над поверхностью Земли (в горах), температура кипения воды падает, так как снижается атмосферное давление (на каждые 10, 5 м на 1 мм РТ. С). Пузырькам легче всплывать – процесс происходит быстрее.
Поэтому высоко в горах альпинисты не могут приготовить нормальную пищу, а используют законсервированные продукты.
Для варки мяса, как и других продуктов, нужны привычные 100 градусов. В обратном случае все компоненты бульона просто останутся сырыми.
| Высота над уровнем моря | t° кипения |
| 0 | 100,0 |
| 500 | 98,3 |
| 1000 | 96,7 |
| 1500 | 95,0 |
| 2000 | 93, 3 |
| 2500 | 91,7 |
| 3000 | 90,0 |
| 3500 | 88,3 |
| 4000 | 86,7 |
| 4500 | 85,0 |
| 5000 | 83,3 |
| 6000 | 80,0 |
Температура кипения воды в шахте
Если спуститься в шахту, то давление будет увеличиваться.
Температура кипения воды в шахте зависит от глубины (при спуске на 300 м вода закипит при t 101°C, при глубине 600 метров -102 °C
Применение герметической крышки
Герметичные крышки не позволяет образовавшемуся пару ускользнуть. В среднем температура закипания воды увеличивается от 5-20 градусов.
В хозяйстве для приготовления блюд часто используют кастрюли, сковородки с герметичной крышкой. Таким образом, уменьшается время приготовления пищи за счет высокой температуры, а блюда получаются более вкусными. В горных районах с низким давлением это необходимая вещь для приготовления пищи. Так же используют мультиварки и сотейники.
Кипячение воды в вакууме
Вакуум — это среда с газом, с пониженным давлением.
- низкий;
- средний;
- высокий;
- сверхвысокий;
- экстремальный;
- космическое пространство;
- абсолютный.
Температура кипения воды в вакууме зависит от того, какое давление в нём.
Разные виды вакуумов поддерживают разное давление. Например, в низком вакууме давление составляет от 760 до 25 мм. РТ. Ст. В абсолютном вакууме давление полностью отсутствует. Для точного расчета нужно знать модель вакуума и давление, которое он поддерживает.
Кипение солёной воды
Солёная вода закипает при более высокой температуре за счет своих свойств.
Соль увеличивает плотность воды, соответственно на процесс требуется больше времени.
t° повышается примерно на 1 градус при добавлении 40 грамм соли на литр воды.
Температура кипения воды в чайнике
Чистая пресная вода закипает в чайнике при t° 100 градусов °C при условиях нормального атм. давления 760 мм ртутного столба.
Удельная теплоемкость
Удельной теплоемкостью вещества называется количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг этого вещества, чтобы его температура изменилась на 1 градус Цельсия.
Это количество теплоты необходимое для нагревания массы вещества на один градус.
формула удельной теплоемкости
С — удельная теплоемкость;
Q — кол-во теплоты;
— масса нагреваемого охлаждающегося вещества;
— ΔT — разность конечной и начальной температур вещества.
Процесс кипячения воды: 3 основных стадии
Кипение – это интенсивное парообразование, которое происходит при нагревании жидкости по всему объёму при определённой температуре.
Весь процесс кипения воды сопровождается выделением пара. Это одно из состояний воды. При парообразовании температура пара и воды остаются постоянными до тех пор, пока жидкость не изменит свое агрегатное состояние. Это явление объясняется тем, что при кипении вся энергия расходуется в преобразование воды в пар.
В воде растворены молекулы воздуха (газов). При нагревании газ превращается в воздушные пузырьки. При достижении достаточной температуры они лопаются, создаётся характерный шум.
Процесс можно разделить на 3 стадии:
Что такое кипячёная вода?
Это вода, ранее доведенная до температуры кипения. Сырая вода в своем составе может содержать различные бактерии, микроорганизмы. В водопроводе больших городов много хлора и различных других химических веществ. Процесс кипячения обезвреживает многие микробы. Однако не все бактерии и тяжёлые металлы убиваются в кипящей воде, поэтому питьевая вода происходит предварительную проверку пригодности.
Выводы и рекомендации
Кипячение необходимый процесс для человечества. С помощью него приготавливают пищу, стирают загрязненную одежду, проводят дезинфекцию.
Читайте также: