Зависимость тем­пературы кипения от давления. Кипение. Зависимость тем­пературы кипения от давления Кипение зависимость температуры кипения от внешнего давления

Кипение – это парообразование, которое происходит в объеме всей жидкости при постоянной температуре.

Процесс испарения может про­исходить не только с поверх­ности жидкости, но и внутри жидкости. Пузырьки пара внутри жидкости расширяются и всплы­вают на поверхность, если дав­ление насыщенного пара равно внешнему давлению или пре­вышает его. Этот процесс на­зывается кипением. Пока жидкость кипит, ее температура остается постоянной.

При температуре 100 0 С дав­ление насыщенного водяного па­ра равно нормальному атмо­сферному давлению, поэтому при нормальном давлении кипение воды происходит при 100 °С. При температуре 80 °С давление насыщенного пара примерно в два раза меньше нормального атмосферного давления. Поэто­му вода кипит при 80 °С, если давление над ней уменьшить до 0,5 нормального атмосферного давления (рисунок).

При понижении внешнего давления температура кипения жидкости понижается, при по­вышении давления температура кипения повышается.

Температура кипения жидкости - этотемпература, при которой давление насыщенных паров в пузырьках жидкости равно внешнему давлению на ее поверхности.

Критическая температура.

В1861г. Д. И. Менделеев установил, что для каждой жидкости должна существовать такая температура, при которой исчезает различие между жидкостью и ее паром. Менделеев назвал ее температурой абсолютного кипения (критической температурой). Принципиальной разницы междугазом и паром нет. Обычно газом называют вещество в газообразном состоянии, когда его температура выше критической, а паром - когда температура ниже критической.

Критической температуройвещества называется такая температура, при которой плотность жидкости и плотность ее насыщенного пара становятся одинаковыми.

Любое вещество, находящееся в газообразном состоянии, может превратиться в жидкость. Однако каждое вещество может испы­тать такое превращение лишь при температурах, меньших не­которого, особого для каждого вещества значения, называемого критической температурой Т к. При температурах, больших кри­тической, вещество не превра­щается в жидкость ни при каких давлениях.

Модель идеального газа при­менима для описания свойств реально существующих в приро­де газов в ограниченном диа­пазоне температур и давлений. При понижении температуры ниже критической для данного газа действием сил притяжения между молекулами уже нельзя пренебрегать, и при достаточно высоком давлении молекулы ве­щества соединяются между со­бой.

Если вещество находится при критической температуре и критическом давлении, то его состояние называют критическим состоянием.

(При нагревании воды растворенный в ней воздух выделяется у стенок сосуда и количество пузырьков непрерывно увеличивается, а их объем возрастает. При достаточно большом объеме пузырька действующая на него сила Архимеда отрывает его от поверхности дна и поднимает вверх, а на месте оторвавшегося пузырька остается зародыш нового пузырька. Так как при нагревании жидкости снизу ее верхние слои холоднее нижних, то при подъеме пузырька водяной пар в нем конденсируется, а воздух снова растворяется в воде и объем пузырька уменьшается. Многие пузырьки, не достигнув поверхности воды, исчезают, а некоторые доходят до поверхности. Воздуха и пара в них к этому моменту остается очень мало. Это происходит до тех пор, пока вследствие конвекции температура во всей жидкости не станет одинаковой. Когда температура в жидкости выровняется, объем пузырьков при подъеме будет уже возрастать. Объясняется это следующим образом. Когда во всей жидкости установилась одинаковая темпе­ратура и пузырек поднимается вверх, то давление насыщенного пара внутри пузырька остается постоянным, а гидростатическое давление (давление верхнего слоя жидкости) уменьшается, поэтому пузырек растет. Все пространство внутри пузырька при его росте заполняется насыщенным паром. Когда такой пузырек достигает поверхности жидкости, то давление насыщенного пара в нем равно атмосферному давлению на поверхности жидкости.)

ЗАДАЧИ

1.Относительная влажность воздуха при 20° С равна 58%. При какой максимальной температуре выпадет роса?

2.Сколько надо испарить воды в 1000 мл воздуха, относительная влажность которого 40% при 283 К, чтобы увлажнить его до 40% при 290 К?

3.Воздух при температуре 303 К имеет точку росы при 286 К. Определить абсолютную и относительную влажность воздуха.

4.При 28° С относительная влажность воздуха 50%. Определить массу выпавшей росы из 1 км3 воздуха при понижении температуры до 12° С.

5.В комнате объемом 200 м3 относительная влажность воздуха при 20° С равна 70%. Определить массу водяных паров в воздухе комнаты.

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 ,

“И умный человек должен иногда задумываться” Геннадий Малкин

В быту, на примере работы автоклава, можно проследить зависимость температуры кипения воды от давления. Допустим, для приготовления продукта и уничтожения всей опасной живности, включая споры ботулизма, нам необходима температура в 120 °С. В простой кастрюле такую температуру не получить, вода просто закипит при 100°С. Все верно, при атмосферном давлении 1 кгс/см² (760 мм.рт.ст.) вода будет кипеть при 100°С. Одним словом, нам надо из кастрюли сделать герметическую емкость, то есть автоклав. По таблице определяем давление, при котором вода закипит при 120 °С. Это давление равно 2 кгс/см². Но это абсолютное давление, а нам надо манометрическое, большинство манометров показывает избыточное давление. Поскольку абсолютное давление равно сумме избыточного (Р изб.) и барометрического (Р бар.) т.е. Р абс. = Р изб. + Р бар, то избыточное давление в автоклаве должно быть не меньше Р изб = Р абс. – Р бар. = 2-1=1 кгс/см 2 . Что мы и наблюдаем на вышеприведенном рисунке. Принцип работы заключается в том, что из-за закачивания избыточного давления 0,1 МРа. при нагреве увеличивается температура стерилизации консервируемых продуктов до 110-120°С, причем вода внутри автоклава не закипает.

Зависимость температуры кипения воды от давления представлена таблицей В.П.Вукаловича

Таблица В.П.Вукаловича

Р t i / i // r
0,010 6,7 6,7 600,2 593,5
0,050 32,6 32,6 611,5 578,9
0,10 45,5 45,5 617,0 571,6
0,20 59,7 59,7 623,1 563,4
0,30 68,7 68,7 626,8 558,1
0,40 75,4 75,4 629,5 554,1
0,50 80,9 80,9 631,6 550,7
0,60 85,5 85,5 633,5 548,0
0,70 89,5 89,5 635,1 545,6
0,80 93,0 93.1 636,4 543,3
0,90 96,2 96,3 637,6 541,3
1,0 99,1 99,2 638,8 539,6
1,5 110,8 111,0 643,1 532,1
2,0 119,6 120,0 646,3 526,4
2,5 126,8 127,2 648,7 521,5
3,0 132,9 133,4 650,7 517,3
3,5 138,2 138,9 652,4 513,5
4,0 142,9 143,7 653,9 510,2
4,5 147,2 148,1 655,2 507,1
5,0 151,1 152,1 656,3 504,2
6,0 158,1 159,3 658,3 498,9
7,0 164,2 165,7 659,9 494,2
8,0 169,6 171,4 661,2 489,8

Р – абсолютное давление в ат, кгс/см 2 ; t – температура в о С; i / – энтальпия кипящей воды, ккал/кг; i // – энтальпия сухого насыщенного пара, ккал/кг; r – скрытая теплота парообразования, ккал/кг.

Зависимость температуры кипения воды от давления прямопропорциональная, то есть чем больше давление, тем больше и температура кипения. Для лучшего понимания данной зависимости, вам предлагается ответить на следующие вопросы:

1. Что такое перегретая вода? Какая максимальная температура воды возможна в вашей котельной?

2. Чем определяется давление, при котором работает ваш водогрейный котел?

3. Приведите примеры использования зависимости температуры кипения воды от давления в вашей котельной.

4. Причины гидравлических ударов в водяных тепловых сетях. Почему слышится потрескивание в местных системах отопления частного дома и как его избежать?

5. И наконец, что такое скрытая теплота парообразования? Почему мы испытываем, при определенных условиях, в Русской бане непереносимый жар и покидаем парную. Хотя температура в парной при этом не более 60 о С.

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.


Зависимость температуры кипения от давления

Температура кипения воды равна 100 °C; можно подумать, что это неотъемлемое свойство воды, что вода, где бы и в каких условиях она ни находилась, всегда будет кипеть при 100 °C.

Но это не так, и об этом прекрасно осведомлены жители высокогорных селений.

Вблизи вершины Эльбруса имеется домик для туристов и научная станция. Новички иногда удивляются, «как трудно сварить яйцо в кипятке» или «почему кипяток не обжигает». В этих случаях им указывают, что вода кипит на вершине Эльбруса уже при 82 °C.

В чем же тут дело? Какой физический фактор вмешивается в явление кипения? Какое значение имеет высота над уровнем моря?

Этим физическим фактором является давление, действующее на поверхность жидкости. Не нужно забираться на вершину горы, чтобы проверить справедливость сказанного.

Помещая подогреваемую воду под колокол и накачивая или выкачивая оттуда воздух, можно убедиться, что температура кипения растет при возрастании давления и падает при его уменьшении.

Вода кипит при 100 °C только при определенном давлении – 760 мм Hg.

Кривая температуры кипения в зависимости от давления показана на рис. 98. На вершине Эльбруса давление равно 0,5 атм, этому давлению и соответствует температура кипения 82 °C.

А вот водой, кипящей при 10–15 мм Нg, можно освежиться в жаркую погоду. При этом давлении температура кипения упадет до 10–15 °C.

Можно получить даже «кипяток», имеющий температуру замерзающей воды. Для этого придется снизить давление до 4,6 мм Hg.

Интересную картину можно наблюдать, если поместить открытый сосуд с водой под колокол и откачивать воздух. Откачка заставит воду закипеть, но кипение требует тепла. Взять его неоткуда, и воде придется отдать свою энергию. Температура кипящей воды начнет падать, но так как откачка продолжается, то падает и давление. Поэтому кипение не прекратится, вода будет продолжать охлаждаться и в конце концов замерзнет.

Такое кипение холодной воды происходит не только при откачке воздуха. Например, при вращении гребного корабельного винта давление в быстро движущемся около металлической поверхности слое воды сильно падает и вода в этом слое закипает, т.е. в ней появляются многочисленные наполненные паром пузырьки. Это явление называется кавитацией (от латинского слова cavitas – полость).

Снижая давление, мы понижаем температуру кипения. А увеличивая его? График, подобный нашему, отвечает на этот вопрос. Давление в 15 атм может задержать кипение воды, оно начнется только при 200 °C, а давление в 80 атм заставит воду закипеть лишь при 300 °C.

Итак, определенному внешнему давлению соответствует определенная температура кипения. Но это утверждение можно и «перевернуть», сказав так: каждой температуре кипения воды соответствует свое определенное давление. Это давление называется упругостью пара.

Кривая, изображающая температуру кипения в зависимости от давления, является одновременно и кривой упругости пара в зависимости от температуры.

Цифры, нанесенные на график температуры кипения (или на график упругости пара), показывают, что упругость пара меняется очень резко с изменением температуры. При 0 °C (т.е. 273 K) упругость пара равна 4,6 мм Hg, при 100 °C (373 K) она равна 760 мм, т. е, возрастает в 165 раз. При повышении температуры вдвое (от 0 °C, т.е. 273 K, до 273 °C, т.е. 546 K) упругость пара возрастает с 4,6 мм Hg почти до 60 атм, т.е. примерно в 10000 раз.

Поэтому, напротив, температура кипения меняется с давлением довольно медленно. При изменении давления вдвое – от 0,5 атм до 1 атм, температура кипения возрастает от 82 °C (т.е. 355 K) до 100 °C (т.е. 373 K) и при изменении вдвое от 1 атм до 2 атм – от 100 °C (т.е. 373 K) до 120 °C (т.е. 393 K).

Та же кривая, которую мы сейчас рассматриваем, управляет и конденсацией (сгущением) пара в воду.

Превратить пар в воду можно либо сжатием, либо охлаждением.

Как во время кипения, так и в процессе конденсации точка не сдвинется с кривой, пока превращение пара в воду или воды в пар не закончится полностью. Это можно сформулировать еще и так: в условиях нашей кривой и только при этих условиях возможно сосуществование жидкости и пара. Если при этом не подводить и не отнимать тепла, то количества пара и жидкости в закрытом сосуде будут оставаться неизменными. Про такие пар и жидкость говорят, что они находятся в равновесии, и пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

Кривая кипения и конденсации имеет, как мы видим, еще один смысл – это кривая равновесия жидкости и пара. Кривая равновесия делит поле диаграммы на две части. Влево и вверх (к большим температурам и меньшим давлениям) расположена область устойчивого состояния пара. Вправо и вниз – область устойчивого состояния жидкости.

Кривая равновесия пар – жидкость, т.е. кривая зависимости температуры кипения от давления или, что то же самое, упругости пара от температуры, примерно одинакова для всех жидкостей. В одних случаях изменение может быть несколько более резким, в других – несколько более медленным, но всегда упругость пара быстро растет с увеличением температуры.

Уже много раз мы пользовались словами «газ» и «пар». Эти два слова довольно равноправны. Можно сказать: водяной газ есть пар воды, газ кислород есть пар кислородной жидкости. Все же при пользовании этими двумя словами сложилась некоторая привычка. Так как мы привыкли к определенному относительно небольшому интервалу температур, то слово «газ» мы применяем обычно к тем веществам, упругость пара которых при обычных температурах выше атмосферного давления. Напротив, о паре мы говорим тогда, когда при комнатной температуре и давлении атмосферы вещество более устойчиво в виде жидкости.

Из книги Физики продолжают шутить автора Конобеев Юрий

К квантовой теории абсолютного нуля температуры Д. Бак, Г. Бете, В. Рицлер (Кембридж) «К квантовой теории абсолютного нуля температуры» и заметки, переводы которых помещены ниже: К квантовой теории абсолютного нуля температуры Движение нижней челюсти у крупного

Из книги Физики шутят автора Конобеев Юрий

К квантовой теории абсолютного нуля температуры Ниже помещен перевод заметки» написанной известными физиками и опубликованной в «Natur-wissenschaften». Редакторы журнала «попались на удочку громких имен» и, не вдаваясь в существо написанного, направили полученный материал в

Из книги Медицинская физика автора Подколзина Вера Александровна

6. Математическая статистика и корреляционная зависимость Математическая статистика – наука о математических методах систематизации и использования статистических данных для решения научных и практических задач. Математическая статистика тесно примыкает к теории автора

Из книги автора

Изменение давления с высотой С изменением высоты давление падает. Впервые это было выяснено французом Перье по поручению Паскаля в 1648 г. Гора Пью де Дом, около которой жил Перье, была высотой 975 м. Измерения показали, что ртуть в торричеллиевой трубке падает при подъеме на

Из книги автора

Влияние давления на температуру плавления Если изменить давление, то изменится и температура плавления. С такой же закономерностью мы встречались, когда говорили о кипении. Чем больше давление, тем выше температура кипения. Как правило, это верно и для плавления. Однако

Рекомендуем почитать