Как изменяется температура кипения. Почему температура кипения воды в различных условиях разная? Как вырастить кристалл

Кипение- это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

Испарение, в отличие от кипения, очень медленный процесс и происходит при любой температуре вне зависимости от давления.

При нагревании жидких тел их внутренняя энергия увеличивается, при этом возрастает скорость движения молекул, увеличивается их кинетическая энергия. Кинетическая энергия некоторых молекул увеличивается настолько, что ее становится достаточно для того, чтобы преодолеть взаимодействие между молекулами и вылететь из жидкости.

Мы пронаблюдали это явление на опыте. Для этого мы нагревали воду в открытой стеклянной колбе, измеряя ее температуру. Мы налили 100 мл воды в стеклянную колбу, которую затем закрепили на держатель и поставили на спиртовку. Начальная температура воды была равна 28 º С.

Время Температура Процесс в колбе

2 минуты 50° На стенках колбы появилось много мелких пузырьков

2мин. 45 сек 62° Пузырьки начали укрупняться. Появился шум

4минуты 84° Пузырьки становятся более крупными, поднимаются к поверхности.

6 мин 05 сек 100° Объем пузырьков резко увеличился, они активно лопаются на поверхности. Вода кипит.

Таблица № 1

По результатам проведенных наблюдений мы можем выделить этапы кипения.

Этапы кипения:

Испарение с поверхности жидкости усиливается по мере увеличения температуры. Иногда может наблюдаться туман (сам пар не виден).

На дне и стенках сосуда появляются пузырьки воздуха.

Сначала нагревается сосуд, а затем жидкость на дне и у стенок. Так как в воде всегда есть растворенный воздух, то при нагревании пузырьки воздуха расширяются и становятся видимыми.

Пузырьки воздуха начинают укрупняться, появляются по всему объему, причем в пузырьках будет не только воздух, но я водяной пар, так как вода начнет испаряться внутрь этих пузырьков воздуха. Появляется характерный шум.

При достаточно большом объеме пузырька он под действием Архимедовой силы начинает подниматься вверх. Так как жидкость прогревается способом конвекции, то температура нижних слоев больше температуры верхних слоев воды. Поэтому в поднимающемся пузырьке водяной пар будет конденсироваться, а объем пузырька уменьшаться. Соответственно давление внутри пузырька будет меньше, чем давление атмосферы и столба жидкости, оказываемое на пузырек. Пузырек будет захлопываться. Слышен шум.

При определенной температуре, то есть когда в результате конвекции прогреется вся жидкость, с приближением к поверхности объем пузырьков резко возрастает, так как давление внутри пузырька станет равным внешнему давлению (атмосферы и столба жидкости). На поверхности пузырьки лопаются, и над жидкостью образуется много пара. Вода кипит.

Признаки кипения

Много пузырьков лопается Много пара на поверхности.

Условие кипения:

Давление внутри пузырька равно давлению атмосферы плюс давление столба жидкости над пузырьком.

Чтобы довести воду до кипения, недостаточно только нагреть ее до 100º С, надо еще сообщить ей значительный запас тепла для того, чтобы перевести воду в другое агрегатное состояние, а именно в пар.

Вышеизложенное утверждение мы подтвердили опытом.

Мы взяли стеклянную колбу, закрепили на держатель и поместили в стоящую на огне кастрюлю с чистой водой так, чтобы склянка не касалась дна нашей кастрюли. Когда вода в кастрюле закипела, в колбе вода не кипела. Температура воды в колбе дошла,практически, до 100º С, однако не закипела. Этот результат можно было предвидеть.

Вывод: чтобы довести воду до кипения, недостаточно только нагреть ее до 100º С, надо сообщить ей значительный запас тепла.

Но чем же отличается вода в колбе от воды в кастрюле? Ведь в пузырьке та же вода, только отделенная от остальной массы стеклянной перегородкой, почему же не происходит с ней того же, что и с остальной водой?

Потому что перегородка мешает воде пузырька участвовать в тех течениях, которые перемешивают всю воду в кастрюле. Каждая частица воды в кастрюле может непосредственно коснуться накаленного дна, вода же колбы соприкасается только с кипятком.

Итак, мы пронаблюдали, что чистым кипятком вскипятить воду нельзя.

После окончания опыта 2 , мы всыпали в кипящую в кастрюле воду горсть соли. Вода на время перестала кипеть, а закипела вновь при температуре выше 100 ºС. Вскоре и в стеклянной колбе вода начала кипеть.

Вывод: Это произошло потому, что воде в колбе был сообщен достаточный запас тепла для кипения.

На основании вышеизложенного, мы можем четко определить, в чем отличие испарения и кипения:

Испарение – это спокойный, поверхностный процесс, происходящий при любой температуре.

Кипение же – бурный процесс, объемный, сопровождаемый раскрытием пузырьков.

3. Температура кипения

Температура, при которой жидкость кипит называется температурой кипения.

Чтобы испарение происходило во всем объеме жидкости, а не только с поверхности, то есть, чтобы жидкость кипела, необходимо, чтобы ее молекулы обладали соответствующей энергией, а для этого должны иметь соответствующую скорость, значит, жидкость должна быть нагрета до определенной температуры.

Следует помнить, что у различных веществ температура кипения различна. Температуры кипения веществ определены экспериментальным методом и занесены в таблицу.

Наименование вещества Температура кипения ° С

Водород -253

Кислород -183

Молоко 100

Свинец 1740

Железо 2750

Таблица № 2

Некоторые вещества, которые в обычных условиях являются газами, при достаточном охлаждении обращаются в жидкости, кипящие при очень низкой температуре. Жидкий кислород, например, при атмосферном давлении кипит при температуре -183 ºС. Вещества, которые в обычных условиях мы наблюдаем в твердом состоянии, обращаются при плавлении в жидкости, кипящие при очень высокой температуре.

В отличие от испарения, которое происходит при любой температуре, кипение происходит при определенной и постоянной для каждой жидкости температуре. Поэтому, например, при варке пищи нужно уменьшать огонь после того, как вода закипит, это даст экономию топлива, а температура воды все равно сохраняется постоянной во все время кипения.

Мы провели опыт, с целью проверить температуру кипения воды, молока и спирта.

В ходе проведения опыта мы поочередно нагревали до кипения в стеклянной колбе на спиртовке воду, молоко и спирт. При этом мы замеряли температуру жидкости при ее закипании.

Вывод: Вода и молоко кипят при температуре 100 ºС, а спирт – при 78º С.

100ºC время кипения график кипения воды и молока tºC

78ºC время кипения график кипения спирта

Кипение неразрывно связано с теплопроводностью, вследствие которой от поверхности нагрева к жидкости передается теплота. В кипящей жидкости устанавливается определенное распределение температуры. Теплопроводность воды очень мала, что мы подтвердили следующим опытом:

Мы взяли пробирку, наполнили водой, погрузили в нее кусочек льда, а чтобы он не всплыл вверх, придавили его металлической гайкой. При этом вода имела свободный доступ ко льду. Затем мы наклонили пробирку над пламенем спиртовки так, чтобы пламя касалось только верхней части пробирки. Через 2 минуты вода начала сверху кипеть, но на дна пробирки остался лед.

Загадка заключается в том, что на дне пробирки вода вовсе не кипит, а остается холодной, кипит она только вверху. Расширяясь от тепла, вода становится легче и не опускается на дно, а остается в верхней части пробирки. Течения теплой воды и перемешивание слоев будут происходить лишь в верхней части пробирки и не захватят нижних более плотных слоев. Нагревание может передаваться вниз лишь путем теплопроводности, но теплопроводность воды чрезвычайно мала.

На основании изложенного в предыдущих пунктах работы, мы выделяем особенности процесса кипения.

Особенности кипения

1) При кипении энергия затрачивается, а не выделяется.

2) Температура остается постоянной на протяжении всего процесса кипения.

3) У каждого вещества своя температура кипения.

4. От чего зависит температура кипения

При нормальном атмосферном давлении температура кипения постоянна, но с изменением давления на жидкость она меняется. Температура кипения тем выше, чем больше давление, производимое на жидкость и наоборот.

Мы провели несколько опытов, чтобы проверить верность данного утверждения.

Мы взяли колбу с водой, поставили греться на спиртовку. Заранее приготовили пробку с вставленной в нее резиновой грушей. Когда вода в колбе закипела, мы закрыли колбу пробкой с грушей. Затем мы нажали на грушу, при этом кипение к колбе прекратилось. При нажатии на грушу мы увеличили давление к колбе, и условие кипения нарушилось.

Вывод: С увеличением давления температура кипения увеличивается.

Мы взяли колбу с выпуклым дном, наполнили водой и довели воду до кипения. Затем закрыли колбу плотной пробкой и перевернули ее, закрепив в держателе. Дождались пока вода в колбе перестала кипеть и облили колбу кипятком. Никаких изменений к колбе не произошло. Далее, мы положили на дно колбы снег, и вода в колбе сразу закипела.

Это произошло потому, что снег охладил стенки флакона, вследствие этого пар внутри сгустился в водяные капли. А так как воздух из стеклянного флакона был выгнан еще при кипячении, то теперь вода подвержена в нем гораздо меньшему давлению. Но известно, что при уменьшении давления на жидкость, она кипит при температуре более низкой. Следовательно, в нашей колбе хотя и кипяток, но кипяток негорячий.

Вывод: С уменьшением давления температура кипения уменьшается.

Как известно, давление воздуха уменьшается с увеличением высоты над уровнем моря. Следовательно, температура кипения жидкости с увеличением высоты также уменьшается, а, соответственно, с уменьшением – увеличивается.

Так, американские ученые обнаружили на дне Тихого океана, в 400 км к западу от залива Пьюужет- Саунд сверхгорячий источник с температурой воды 400º С. Благодаря большому давлению на воды источника, расположенного на большой глубине, вода в нем даже при такой температуре не кипит.

А в горных районах, на высоте 3000м, где давление атмосферы составляет 70 кПа, вода кипит при 90 º С. Поэтому жителям этих районов, использующим такой кипяток, требуется значительно больше времени для приготовления пищи, чем жителям равнин. А сварить в этом кипятке например, куриное яйцо вообще невозможно, так как белок при температуре ниже 100 ºС не сворачивается.

В романе Жюля Верна «Дети капитана Гранта» путешественники на перевале в Андах обнаружили, что термометр, опущенный в закипевшую воду, показал всего лишь 87º С.

Этот факт подтверждает, что с увеличением высоты над уровнем моря, уменьшается температура кипения, так как уменьшается атмосферное давление.

5. Значение кипения

Кипение имеет огромное практическое значение как в быту, так и в производственных процессах.

Всем известно, что без кипения мы не смогли бы приготовить большинство блюд из рациона нашего питания. Выше, в работе, мы рассмотрели зависимость температуры кипения от давления. Благодаря полученным в этой области знаниям, хозяйки могут сейчас пользоваться скороварками. В скороварке пищу варят под давлением около 200 кПа. Температура кипения воды при этом достигает 120 º С. В воде такой температуры процесс «варения» происходит значительно быстрее, чем в обычном кипятке. Этим и объясняется название «скороварка».

Уменьшение температуры кипения жидкости тоже может иметь полезное значение. Так, например, при нормальном атмосферном давлении жидкий фреон кипит при температуре около 30ºС. При уменьшении же давления, температуру кипения фреона можно сделать ниже 0ºС. Это используется в испарителе холодильника. Благодаря работе компрессора в нем создается пониженное давление, и фреон начинает превращаться в пар, отнимая теплоту от стенок камеры. Благодаря этому и происходит понижение температуры внутри холодильника.

На процессе кипения основана работа таких необходимых в медицине аппаратов, как автоклав (прибор для стерилизации инструментов), дистиллятор (прибор для изготовления дистиллированной воды).

Различие в температурах кипения разных веществ находит широкое применение в технике, например в процессе перегонки нефти. При нагревании нефти до 360ºС та ее часть(мазут), которая имеет большую температуру кипения, остается в ней, а те ее части, у которых температура кипения ниже 360ºС, испаряются. Из образовавшегося пара получают бензин и некоторые другие виды топлива.

Мы перечислили лишь несколько примеров пользы кипения, из которых уже можно сделать выводы о необходимости и значимости этого процесса в нашей жизни.

6. Заключение

В ходе изучения темы кипение в вышеизложенной работе, мы выполнили поставленные в начале работы цели: изучили вопросы о понятии кипения, выделили этапы кипения,с объяснением причин происходящих процессов, определили признаки, условия и особенности кипения.

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.

где L - удельная теплота парообразования при температуре кипения.

Температура кипения зависит также от наличия примесей, обычно увеличиваясь с ростом концентрации примесей.

Центры парообразования. Для процесса кипения необходимо, чтобы в жидкости существовали неоднородности - зародыши газообразной фазы, играющие роль центров парообразования. Обычно в жидкости присутствуют растворенные газы, которые выделяются пузырьками на дне и стенках сосуда и на взвешенных в жидкости пылинках. При нагревании эти пузырьки увеличиваются как за счет уменьшения растворимости газов с температурой, так и за счет испарения в них жидкости. Увеличившиеся в объеме пузырьки всплывают под действием архимедовой выталкивающей силы. Если верхние слои жидкости имеют более низкую температуру, то вследствие конденсации пара давление в них резко падает и пузырьки «захлопываются» с характерным шумом. По мере прогревания всей жидкости до температуры кипения пузырьки перестают захлопываться и всплывают на поверхность: вся жидкость закипает.

Билет №15

1. Распределение температуры по радиусу цилиндрического твэла.

Из приведенных рассуждений ясно, что температура кипения жидкости должна зависеть от внешнего давления. Наблюдения подтверждают это.

Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения. Так, в паровом котле при давлении, достигающем 1,6 · 10 6 Па, вода не кипит и при температуре 200 °С. В медицинских учреждениях кипение воды в герметически закрытых сосудах - автоклавах (рис. 6.11) также происходит при повышенном давлении. Поэтому температура кипения значительно выше 100 °С. Автоклавы применяют для стерилизации хирургических инструментов, перевязочного материала и т. д.

И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Под колоколом воздушного насоса можно заставить воду кипеть при комнатной температуре (рис. 6.12). При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, поэтому уменьшается температура кипения. На высоте 7134 м (пик Ленина на Памире) давление приближенно равно 4 · 10 4 Па (300 мм рт. ст.). Вода кипит там примерно при 70 °С. Сварить, например, мясо в этих условиях невозможно.

На рисунке 6.13 изображена кривая зависимости температуры кипения воды от внешнего давления. Легко сообразить, что эта кривая является одновременно и кривой, выражающей зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры.

Различие температур кипения жидкостей

У каждой жидкости своя температура кипения. Различие температур кипения жидкостей определяется различием в давлении их насыщенных паров при одной и той же температуре. Например, пары эфира уже при комнатной температуре имеют давление, большее половины атмосферного. Поэтому, чтобы давление паров эфира стало равным атмосферному, нужно небольшое повышение температуры (до 35 °С). У ртути же насыщенные пары имеют при комнатной температуре совсем ничтожное давление. Давление паров ртути делается равным атмосферному только при значительном повышении температуры (до 357 °С). Именно при этой температуре, если внешнее давление равно 105 Па, и кипит ртуть.

Различие температур кипения веществ находит большое применение в технике, например при разделении нефтепродуктов. При нагревании нефти раньше всего испаряются наиболее ценные, летучие ее части (бензин), которые можно таким образом отделить от «тяжелых» остатков (масел, мазута).

Жидкость закипает, когда давление ее насыщенного пара сравнивается с давлением внутри жидкости.

§ 6.6. Теплота парообразования

Требуется ли энергия для превращения жидкости в пар? Скорее всего да! Не так ли?

Мы отмечали (см. § 6.1), что испарение жидкости сопровождается ее охлаждением. Для поддержания температуры испаряющейся жидкости неизменной к ней необходимо подводить извне теплоту. Конечно, теплота и сама может передаваться жидкости от окружающих тел. Так, вода в стакане испаряется, но температура воды, несколько более низкая, чем температура окружающего воздуха, остается неизменной. Теплота передается от воздуха к воде до тех пор, пока вся вода не испарится.

Чтобы поддерживать кипение воды (или иной жидкости), к ней тоже нужно непрерывно подводить теплоту, например подогревать ее горелкой. При этом температура воды и сосуда не повышается, но каждую секунду образуется определенное количество пара.

Таким образом, для превращения жидкости в пар путем испарения или путем кипения требуется приток теплоты. Количество теплоты, требующееся для превращения данной массы жидкости в пар той же температуры, называется теплотой парообразования этой жидкости.

На что расходуется подводимая к телу энергия? Прежде всего на увеличение его внутренней энергии при переходе из жидкого состояния в газообразное: ведь при этом увеличивается объем вещества от объема жидкости до объема насыщенного пара. Следовательно, увеличивается среднее расстояние между молекулами, а значит, и их потенциальная энергия.

Кроме того, при увеличении объема вещества совершается работа против сил внешнего давления. Эта часть теплоты парообразования при комнатной температуре составляет обычно несколько процентов всей теплоты парообразования.

Теплота парообразования зависит от рода жидкости, ее массы и температуры. Зависимость теплоты парообразования от рода жидкости характеризуется величиной, называемой удельной теплотой парообразования.

Удельной теплотой парообразования данной жидкости называется отношение теплоты парообразования жидкости к ее массе:

(6.6.1)

где r - удельная теплота парообразования жидкости; т - масса жидкости; Q n - ее теплота парообразования. Единицей удельной теплоты парообразования в СИ является джоуль на килограмм (Дж/кг).

Удельная теплота парообразования воды очень велика: 2,256·10 6 Дж/кг при температуре 100 °С. У других жидкостей (спирт, эфир, ртуть, керосин и др.) удельная теплота парообразования меньше в 3-10 раз.

Кипение — это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

Во время кипения температура жидкости и пара над ней не меняется. Она сохраняется неизменной до тех пор, пока вся жидкость не выкипит. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия уходит на превращение ее в пар.

Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения .

Температура кипения зависит от давления, оказываемого на свободную поверхность жидкос-ти. Это объясняется зависимостью давления насыщенного пара от температуры. Пузырек пара растет, пока давление насыщенного пара внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из внешнего давления и гидростатического давления столба жидкости.

Чем больше внешнее давление, тем больше температура кипения .

Всем известно, что вода кипит при температуре 100 ºC. Но не следует забывать, что это справедливо лишь при нормальном атмосферном давлении (примерно 101 кПа). При увеличении дав-ления температура кипения воды возрастает. Так, например, в кастрюлях-скороварках пищу варят под давлением около 200 кПа . Температура кипения воды при этом достигает 120°С. В воде такой температуры процесс варки происходит значительно быстрее, чем в обычном кипятке. Этим и объясняется название «скороварка».

И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Напри-мер, в горных районах (на высоте 3 км , где давление составляет 70 кПа) вода кипит при температуре 90 °С. Поэтому жителям этих районов, использующим такой кипяток, требуется значительно больше времени для приготовления пищи, чем жителям равнин. А сварить в этом кипятке, например, кури-ное яйцо вообще невозможно, так как при температуре ниже 100 °С белок не сворачивается.

У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, т. к. при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному. Например, при температуре кипения 100 °С давление насыщенных паров воды равно 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а паров — всего лишь 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипит ртуть при 357°С при нормальном давлении.

Теплота парообразования.

Теплота парообразования (теплота испарения) — количество теплоты , которое необходимо сообщить веществу (при постоянном давлении и постоянной температуре) для полного превращения жидкого вещества в пар.

Количество теплоты, необходимое для парообразования (или выделяющееся при конденса-ции). Чтобы вычислить количество теплоты Q , необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования r ум-ножить на массу m :

При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты.