Кипение

Кипение жидкости

Кипение

Определение 1

Кипение представляет процесс, при котором наблюдается интенсивное парообразование, осуществляемое непосредственно в жидкости не только на ее свободной поверхности, но и внутри структуры. В объеме жидкости при этом возникают границы разделения фаз в виде появляющихся на стенках сосуда пузырьков, содержащих насыщенный пар и воздух.

Кипение, наряду с испарением, представляет один из способов парообразования, но, в отличие от него. Его возникновение становится возможным исключительно при наличии определенной температуры и давления.

Определение кипения и стадии кипения воды

Итак, кипение, представляя собой физический процесс, характеризуется наличием пузырьков из воздуха и пара. При этом важным показателем является температура кипения. Скорость формирования пара зависит от давления, которое должно быть постоянным.

Рисунок 1. Процесс кипения. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Таким образом, в качестве основной характеристики жидких химических веществ выступает не только температура кипения, но и нормальное атмосферное давление. В то же время, на процесс кипения также могут оказать непосредственное воздействие следующие факторы: интенсивность звуковых волн и ионизация воздуха.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Непосредственное образование пара происходит в момент процесса нагревания жидкости. Кипение предполагает наличие четырех стадий, которым подвергается жидкость:

  1. На дне сосуда (равно как и на его стенках) начинается образование небольших пузырьков. Это является следствием содержания в трещинах материала емкости воздуха, способного к расширению под влиянием высоких температур.
  2. Пузырьки начинают расти в объеме, следствием чего становится их прорыв на поверхность воды. В случае не достижения верхним слоем жидкости температуры кипения, полости опустятся на дно, а затем снова начинают устремляться вверх. Данный процесс провоцирует образование звуковых волн, которые шумят в момент кипения воды.
  3. На поверхность начинает выплывать максимальное количество пузырьков, из-за чего вода становится мутной. Далее она бледнее. Благодаря визуальному эффекту данная стадия получила название «белого ключа».
  4. интенсивное бурление, которое сопровождается образованием больших пузырей, которые быстро лопаются. Этот процесс сопровождается появлением брызг, а также интенсивным образованием пара.

Удельная теплота парообразования

Определение 2

Удельная теплота парообразования представляет физическую величину, задачей которой является определение количества теплоты. Она способствует обращению жидкого вещества в пар. С целью расчета данного параметра, требуется разделить показатель теплоты испарения на массу.

Рисунок 2. Удельная теплота парообразования. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Показатель удельной теплоты образования измеряется в лабораторных условиях путем проведения соответствующих экспериментов. Они включают в себя следующие действия:

  • отмерить требуемое количество жидкости, которое далее следует перелить в калориметр;
  • провести первоначальный замер температуры воды;
  • горелку установить колбу с заранее помещенным в нее исследуемым веществом;
  • выделяемый исследуемым веществом пар запустить в калориметр;
  • произвести повторный замер температуры воды;
  • калориметр подвергнуть взвешиванию для вычисления массы сконденсированного пара.

Режимы кипения жидкости

Различают следующие режимы, при которых происходит непосредственное кипение жидкости: кипение на твердой поверхности теплообмена (к ней извне подводится теплота), кипение в объеме жидкости.

При кипении на твердой поверхности формирование паровой фазы будет осуществляться в отдельных местах данной поверхности. В случае объемного кипения, возникновение паровой фазы будет происходить в самопроизвольном порядке (то есть, спонтанным образом) непосредственно в жидкости в форме отдельных паровых пузырьков.

Рисунок 3. Явление превращения жидкости в пар. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Объемное кипение становится возможным исключительно в случае более значительного перегрева жидкой фазы относительно температуры насыщения (при данном давлении), сравнительно с кипением на твердой поверхности.

Значительный перегрев возможен, например, если давление будет быстро сброшено в системе. Объемное кипение становится возможным, в свою очередь, при условии присутствия в жидкости внутренних источников тепла.

В современной энергетике зачастую можно встретить процессы кипения на твердых поверхностях нагрева (например, стенки каналов, поверхности труб и пр.).

Замечание 1

При пузырьковом кипении механизм теплового обмена будет отличным от механизма теплоотдачи в условиях конвекции однофазной жидкости.

Отличие при этом будет заключаться в наличии дополнительного переноса теплоты и массы вещества посредством паровых пузырьков из пограничного слоя непосредственно в объем кипящей жидкости.

Это провоцирует высокую интенсивность теплоотдачи в процессе кипения, сравнительно с конвекцией однофазной жидкости.

Рисунок 4. Коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Для того, чтобы возник процесс кипения, потребуется соблюдение двух условий: наличие факта перегрева жидкости в отношении температуры насыщения и присутствие центров парообразования.

Перегрев жидкости будет максимальным непосредственно у обогреваемой поверхности теплообмена, на которой также будут находиться центры парообразования (неровности стенки, пузырьки воздуха, пылинки и пр.) Образование пузырьков пара по этой причине осуществляется непосредственно на поверхности теплообмена.

В процессе пленочного кипения насыщенной жидкости происходит расход теплового потока не только на испарение, но также и на перегрев пара в пленке. В случае пленочного кипения недогретой жидкости, будет фиксироваться передача части теплоты в объем жидкости за счет конвекции.

Интенсивность теплоотдачи в процессе пленочного кипения оказывается существенно меньше, если сравнивать с пузырьковым. Пленочное кипение наблюдается:

  • в момент закалки закалке металлов в жидкой среде;
  • в перегонных аппаратах быстрого действия;
  • в момент кипения криогенных жидкостей;
  • в процессе охлаждения ракетных двигателей.

Все самое интересное о температуре закипания воды

Кипение

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.

Ввиду того, что пузыри постоянно уменьшаются и увеличиваются в размере, внутри сосуда возникают звуковые волны, которые создают характерный для кипения шум.

На третьей стадии на поверхность воды поднимается огромное количество пузырьков, что вначале вызывает небольшое помутнение воды, которая затем «бледнеет». Данный процесс продолжается недолго и имеет название «кипение белым ключом».

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.

Почему «цветут» стены и «плачут» окна? Очень часто в этом виноваты строители, неправильно рассчитавшие точку росы. Читайте статью Точка росы: определение чтобы узнать, насколько это важное физическое явление, и как все-таки избавиться от излишней сырости в доме?

Какую пользу может принести талая вода для желающего похудеть? Об этом вы узнаете прямо тут, оказывается, худеть можно без особых усилий!

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.

В соленой воде молекулы воды присоединяются к ионам соли – данные процесс имеет название «гидратация». Связь между молекулами воды значительно слабее связи, образовавшейся в процессе гидратации.

Поэтому при кипении из молекул пресной воды парообразование происходит быстрее.

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
10 45.82
20 60.07
30 69.11
40 75.88
50 81.34
60 85.95
70 89.96
80 93.51

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.

Хороший способ поправить свое здоровье — это пить минеральную воду. Узнайте больше про щелочные минеральные воды Украины названия которых наиболее известны, насколько они полезны, сколько стоят? !

Какие сейчас цены на насосы для повышения давления воды, и как определить, стоит ли он своих денег? Об этом можно прочитать здесь, сделайте правильный выбор!

Кстати, а вы знаете, какой состав у морской воды? Об этом можно прочитать в статье:
http://pro8odu.ru/vidy-vody/seawater/pochemu-nelzya-pit-morskuyu-vodu.html, это очень интересно!

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.

Чем выше горы, тем ниже атмосферное давление, и соответственно тем ниже температура кипения воды.

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 (0С)
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 83.8
6000 80

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.

Данный процесс называется «дистилляция». После дистилляции все присутствовавшие в воде примеси остаются в выпаренном остатке.

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:

Режимы кипения жидкостей – пузырьковое и пленочное кипение

Кипение

Кипением называется процесс парообразования в толще жидкости. Кипение начинается тогда, когда температура внутри жидкости оказывается выше температуры насыщения (кипения) при данном давлении.

Если в жидкость погружена некоторая поверхность нагрева, температура которой выше температуры насыщения при данном давлении, то на ней возникает процесс парообразования.

Величина перегрева жидкости в момент вскипания по сравнению с температурой насыщения при данном давлении над плоскостью зависит от наличия тех или иных потенциальных центров парообразования (микровпадины, микропузырьки газа, искусственные неоднородности на поверхности нагрева и т.п.).

Эти эффекты имеют значение при малых плотностях теплового потока. Если вся жидкость значительно перегрета против температуры насыщения (например, в результате сброса давления), то паровые пузыри образуются по всей ее толще – жидкость вскипает во всем занимаемом ею объеме.

В зависимости от плотности теплового потока, подводимого к жидкости от поверхности нагрева, на последней возникают отдельные паровые пузыри (пузырьковое кипение) или образуется сплошной слой пара (пленочное кипение).

Пузырьковое кипение

При пузырьковом кипении жидкость непосредственно омывает поверхность нагрева, причем ее пограничный слой интенсивно разрушается (турбулизуется) возникающими паровыми пузырями.

Кроме того, всплывающие пузыри увлекают из пристенного слоя в ядро потока присоединенную массу перегретой жидкости, что создает интенсивный перенос теплоты от поверхности нагрева к общей массе кипящей жидкости.

Следствием этого является высокая интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении, возрастающая с увеличением числа действующих центров парообразования и количества образующегося пара.

Пленочное кипение

При пленочном кипении жидкость отделена от поверхности нагрева слоем пара, с внешней стороны которого время от времени отрываются и всплывают крупные пузыри. Вследствие относительно малой теплопроводности парового слоя интенсивность теплоотдачи при пленочном кипении существенно меньше, чем при пузырьковом.

Пленочное кипение жидкости

Условия возникновения и перехода от одного режима к другому

Возникновение того или иного вида кипения определяется плотностью теплового потока у поверхности нагрева, ее физическими свойствами (в частности смачиваемостью), физическими свойствами жидкости и гидродинамическим режимом потока в целом.

Таким образом приходится говорить о существовании двух критических плотностях теплового потока.

Первая критическая плотность теплового потока – при которой происходит переход от пузырькового кипения к пленочному, вторая – при которой происходит разрушение сплошного парового слоя и восстановление пузырькового режима кипения.

В области значений плотности теплового потока, лежащих между двумя этими критическими значениями возможно устойчивое существование обоих режимов кипения или даже их длительное совместное сосуществование на разных частях одной и той же поверхности нагрева.

Паровая пленка обычно возникает в отдельных местах поверхности нагрева при достижении значений теплового потока выше критического и далее с конечной скоростью распространяется по всей поверхности нагрева.

Аналогично при снижении теплового потока до значений меньше критического, происходят локальные разрушения пленки с последующим распространением пузырькового кипения на всю поверхность нагрева.

На поверхностях нагрева, обедненных центрами парообразования, процесс кипения имеет нестабильный характер, а интенсивность теплообмена колеблется между условиями конвекции однофазного потока и развитого пузырькового кипения. При этом возможен непосредственный переход от однофазной конвекции жидкости к режиму пленочного кипения.

Применение в теплообменной технике

Изучение условий, при которых возникают различные режимы кипения необходимо для расчета теплообменников, используемых в качестве испарителей.

При появлении пленочного режима кипения эффективность работы испарителя падает и температура охлаждаемой среды на выходе из теплообменника оказывается выше заданной.

Поэтому при расчете и подборе таких аппаратов очень важным является определение плотности тепловых потоков между двумя средами.

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

×
Рекомендуем посмотреть