Как нагреть воду во внутреннем сосуде

Занимательно о кипении

Кипение – это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре. Для дальнейшего развития технологий в современном мире важным является понимание процесса кипения.

Заглянув под крышку кастрюли, стоящей на плите, мы вряд ли подумаем о том, какое значение для человека имеет процесс, происходящий внутри кастрюли. Конечно, мы не задумаемся о перспективных кипящих реакторах на АЭС, о компрессионных холодильных машинах, о способах плавления тугоплавких материалов или о приборах для стерилизации медицинских инструментов. Между тем, что же объединяет все эти разные физические тела и явления? Конечно, процесс кипения.

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

Для дальнейшего развития технологий в современном мире важным является понимание процесса кипения. Меня заинтересовали некоторые любопытные факты о процессе кипения, которые я узнал при изучении физики в 8 классе. Эти факты послужили основой для проведения собственного физического эксперимента.

Опыт №1. «Бумажная кастрюля»

Описание опыта представлено в учебном пособии авторов Марон А.Е., Марон Е.А., Позойский С.В. Сборник вопросов и задач к учебнику А.В. Перышкина. 8 кл. – М. : Дрофа, 2016, страница 9, задача №51.

«В бумажной коробке вскипятите воду. Почему бумажная коробка с водой не горит?»

Цель опыта: выяснить, можно ли нагреть (вскипятить воду) в бумажном сосуде.

Гипотеза: в бумажном сосуде можно нагревать воду.

Оборудование: бумажный стакан, штатив с муфтой и лапкой, спиртовка, спички, вода, подкрашенная перманганатом калия.

Ход проведения опыта

Я закрепил бумажный стакан в лапке штатива, влил в него около 100 мл воды, подкрашенной перманганатом калия (марганцовкой). Снизу поместил спиртовку, зажег ее и начал нагревать.

Результаты опыта

Вода комнатной температуры прогрелась до 65 °С, а бумажный стакан не сгорел. Вскипятить воду не удалось вследствие того, что закончился спирт, находившийся в спиртовке. Значит, моя гипотеза о том, что в бумажном сосуде можно нагреть воду, подтвердилась. Как объяснить результаты опыта?

Как мы знаем из учебника Перышкина А.В., вода при нормальном атмосферном давлении кипит при температуре 100°С (страница 55, Физика. 8 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин.– М.: Дрофа, 2014.), бумага же воспламеняется при температуре около 230°С. Теплопроводность бумажного стакана низкая, а с внутренней стороны он контактирует с водой, которая охлаждает его.

Значит, вместо чайника можно в походе обойтись с помощью бумажных стаканов или пищевых бумажных упаковок. Туристу будет очень удобно.

Опыт №2 «Кипение воды при пониженном давлении»

Описание опыта представлено в учебном пособии автора Чеботаревой А.В. (Тесты по физике. 8 класс: к учебнику А.В. Перышкина «Физика 8 класс»/ А.В. Чеботарева. – М.: «Экзамен», 2014, страница 52).

«Под стеклянным колоколом насоса находятся колбы с водой, температура которой близка к 100 0С. Из-под одного колокола воздух начинают откачивать, другой соединен с атмосферой, а под третий его накачивают. Из-под какого колокола воздух откачивается? (приведен рисунок)»

Цель опыта: выяснить, может ли вода кипеть при температуре, ниже, чем 100 0С, и если может, то при каком условии.

Гипотеза: воду можно вскипятить при температуре, ниже чем 100°С.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, насос Комовского, стеклянная колба, пробка со стеклянной трубкой, подогретая в чайнике вода, прихватка.

Ход проведения опыта

Я закрепил колбу в лапке штатива. Подогрел в чайнике воду. Налил около 200 мл теплой воды в колбу, закрыл пробкой со стеклянной трубкой. Трубку присоединил к шлангу насоса. Начал откачивать воздух из колбы.

Результаты опыта

В результате вода закипела! Объяснение опыта находится на странице 55 нашего учебника по физике (Физика. 8 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин.– М.: Дрофа, 2014.). Температура кипения жидкости зависит от давления, которое оказывается на поверхность жидкости. При кипении давление насыщенного пара внутри пузырьков превосходит внешнее давление. Если внешнее давление увеличивается, увеличивается и температура кипения. При уменьшении давления уменьшается и температура кипения жидкости.

Значит, моя гипотеза подтвердилась. При уменьшении внешнего давления мне удалось вскипятить теплую воду, не подогревая ее до 100°С.

Всем нам известно, что высоко в горах, где атмосферное давление понижено, вода кипит при температурах, меньших 100°С.

Опыт №3 «Некипящая вода?»

Описание опыта представлено в учебном пособии авторов Марон А.Е., Марон Е.А., Позойский С.В. Сборник вопросов и задач к учебнику А.В. Перышкина. 8 кл. – М. : Дрофа, 2016, страница 24, задача №199.

«В кипящую воду поместите небольшую кастрюлю, наполненную холодной водой. Почему вода в кастрюле не закипает?»

Цель опыта: выяснить,

Гипотеза: вода в небольшом сосуде, помещенная в кастрюлю с кипящей водой, тоже закипит.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, электрическая плитка, кастрюля емкостью 4 л с водой, стеклянная колба, вода, подкрашенная перманганатом калия, электронный термометр, прихватка.

Ход проведения опыта

Я вскипятил воду на электрической плитке. В стеклянную колбу налил около 150 мл подкрашенной воды и поместил ее в кипящую воду. Нагревал около 10 минут, вода в колбе не закипела даже при температуре внутри колбы около 100°С.

Результаты опыта

При кипени необходимо выполнить 2 условия: 1) нагреть жидкость до температуры кипения 2) обеспечить приток энергии. Как мы знаем из учебника п.1718, при кипении жидкости происходит поглощение энергии. В моем случае удалось нагреть воду в стеклянной колбе до температуры кипения, но поглощение энергии обеспечить не удалось, так как между водой в кастрюле и сосуде не происходил теплообмен: обе воды оказались нагреты до 100°С. Значит, моя гипотеза не подтвердилась.

Такой способ обработки продуктов, где одна кастрюля наполнена водой, а во второй поменьше находятся продукты, которые медленно готовятся благодаря кипящей воде, нам, конечно, знаком под названием «паровая баня».

Проведя опыты, я выяснил, что некоторые, казалось бы, невероятные факты легко объясняются при условии знаний особенностей процесса кипения. Процессы кипения имеют важное практическое значение в таких областях, как теплоэнергетика, атомная энергетика, медицина.

Источник

Как нагреть воду во внутреннем сосуде

Весьма интересная задача. Автору вопроса спасибо!

Начну, однако, с того, что рисунок содержит ошибку: согласно закону Архимеда, не может уровень воды в первом (плавающем) сосуде быть выше, чем во втором. Если плотность вещества, из которого сделан первый сосуд, больше плотности воды, он погрузится так, что уровень воды в нём будет ниже, чем той воды, в которой он плавает.

Ну а заставить закипеть воду в первом сосуде, не удаляя воды из второго, можно так. Сначала нагреть всю систему (оба сосуда с водой) до температуры более, чем +100 градусов Цельсия. Этого можно добиться либо осуществляя нагрев в барокамере при повышенном давлении, либо, герметично закрыв второй (больший) сосуд. (Как я уже говорил, первый сосуд будет плавать гораздо ниже и закрыванию второго сосуда мешать не будет. ) Далее, доведя воду во втором сосуде до кипения, вернуть систему к нормальному давлению 1 атмосфера – и вода станет интенсивно кипеть в ОБОИХ сосудах.

1.Опустить 2 кипятильник в другой сосуд.
2.Греть этим пока не закипят оба.
3.Вынуть сосуд из первого и нагревать его отдельно

на самом деле соленая вода имеет более низкую температуру кипения, значит и закипает быстрее; но ведь здесь эффект водяной бани, поэтому вода из 2 сосуда закипит все равно раньше и вода в нем выкипит скорее, чем закипит вода в первом

Только добавкой во 2-й сосуд вешеств, повышаюших температуру кипения (на счет соли я что-то сомневаюсь) . если жидкости в сосудах одинаковые – кипение не наступит, поскольку кипение очень энергоемкий процесс, а при равенстве температур переход тепла из сосуда 2 в сосуд один не произойдет.
Чуть не забыл – это все при условии, что давление в сосудах одинаковое!

Во-первых – почему само по себе не закипает.

Для того, чтобы вода кипела (при атмосферном давлении) – ей мало иметь температуру 100 градусов – надо ещё подводить тепло (точнее энергию) (к тому же больше, чем излучается вверх) .

А передача энергии может быть только при разности температур.

Вода в сосуде 2 кипит, потому что его дно нагрето больше чем на 100 градусов и оно передаёт тепло. Но температура кипящей воды 100 градусов и она не может передать тепло тому, чья температура 100 градусов или выше. Но это необходимо, чтобы вода в первом сосуде закипела.

Выход – надо либо как-то повысить температуру кипения воды во втором сосуде (добавкой, или избыточным давлением (не очень легко реализовать второе… ) ), либо надо понизить температуру кипения во втором сосуде (добавкой или понижением давления – это уже более реалистично) . Впрочем если можно понижать давление в первом сосуде, можно обойтись и вовсе без горелки – при достаточно низком давлении она и так будет кипеть.

Ещё один способ изложен в ответе Антона Грязнова, если я правильно его понял. Надо добиться соприкосновения донышек сосудов, чтобы дно первого сосуда могло нагреться выше ста. . и т. д.

Эх вы физики! Просто надо дождаться пока вода не выкипит во втором сосуде а потом закипит и первый.

Денис Горожанцев, а минус вопросу за что? Интересный же ведь.
А ответ Ваш не удовлетворяет. – Если вода во втором сосуде выкипит, изменится конфигурация системы и это уже будет другая задача. Я полагаю, решение надо искать, не устраняя воду из второго сосуда.

Добрый день наш уважаемый читатель. Получая часто вопросы от наших клиентов в 90% процентов из всех случаев, мы даем быстрые, четкие и грамотные ответы нашему собеседнику. Дело в том, что нашего богатого опыта работа отлично хватает чтобы закрыть потребности среднестатистического клиента или спикера.

Развернуто и не очень мы уже отвечали в нашем блоге людям на следующие вопросы:

Поставленная задача

Сейчас перед нами встала следующая задача вот такого содержания: есть сосуд с неизменяемым объемом жидкости внутри него. Предположим, что сосуд состоит из обыкновенного железа, например, возьмем простой накопительный бойлер (V = 50 литров). Начальное давление в системе 2 атмосферы, начальная температура воды Т1 = 17 градусов цельсия, конечная температура после нагрева Т2 = 57 градусов цельсия. Исходные параметры могут быть разные, но конечная задача, на которую нужно получить ответ будет следующая: какое давление будет в закрытом сосуде при нагреве воды до указанной температуры Т2, если учесть, что краны на сосуде (вход и выход) находятся в положении закрыто, и начальный объем не изменяется. Давление можно снимать (измерять) при помощи встроенного или выносного трубного манометра. Расширительного бака нет. Все для эксперимента.

Остаемся на связи в любой момент! Компания Монтажник работает для Вас!

Закон и формула Шарля

Начав решать эту задачу, каждый может прибегнуть к такому ответу: «да ладно, это же задачка за 7 класс, тут нужно применять формулу известного физика Шарля, Вы что учебник физики не читали?». Далее следует решение:

Формула: (273+t2)/(273+t1)=коэффициент увеличения давления от исходного.

1.13 умножаем на 2 получаем что давление будет равно 2.26 после нагрева жидкости с 17 до 57 на 40 единиц.

Ну дела, вот же решение, зачем страдать дальше? Но нет друзья, это решение конечно же хорошее – но применимо только для изохорных идеальных газов, но не в коем случае не для жидкости, представленной у нас на примере воды.

Едем дальше изучая попутно других известных святил физики, и воуля мы натыкаемся на еще одно решение.

Для расчетов берем исходные данные из чего изготовлен сосуд, у нас это железо. Коэффициент объёмного расширения железа стабильно одинаковый, берем за основу среднее значение 0,000036, а вот коэффициент объема воды изменяется в зависимости от ее нагрева. Примерно 0,00015 при 20 градусах цельсия и 0,00045 при 60 градусах цельсия. Среднее значение путем сложения из двух данных получаем 0,00030.

Чтобы посчитать объем во сколько увеличиться объем в сосуде воспользуемся формулой: 1 + коэффициент расширения железа * (t2-t1).

В цифрах будет выглядеть так: 1 + 0,000036 * (57 – 17) = 1.002;

В качестве информационной нагрузки узнаем еще на сколько бы увеличился V воды если бы она была вне сосуда: 1 + 0,0003 * (57 – 17) = 1,012. Далее все упирается на сколько же прочный Ваш сосуд и не раздует ли его при повышении давления.

Чтобы узнать процентное увеличение объема воды с воздействием на сосуд воспользуемся следующей формулой подставим все цифры: 1,012 / 1,002 * 100 – 100 = 1 %.

Обратившись к учебнику физики, мы узнаем, что при давлении каждой атмосферы объем воды уменьшается на 0,000006. Например, 50 литров, при одной атмосфере сожмется на 0,001 и будет 49.999. Зато по сравнению с газами сжимаемость жидкостей действительно ничтожна: в десятки тысяч раз меньше.

Если объём воды при 2 атм = 50 литров, то при 500 атм объём станет примерно на 1 литр меньше. (разница в двух числах 2%).

1%/2% * 500 = 250 атмосфер, то значение при котором по идее должно разорвать Ваш бак и то давление которое будет у вас при нагреве. Честно, считаем это какой-то бред и не он никак не сочетается с реальными жизненными показателями, полученными в ходе эксперимента.

Изучав дальше интернет и опираясь на наши знания всех из коллег нашего отдела было перепробовано масса различных вариантов и изучено мнений других людей, которые потом можно было бы использоваться для выявления формулы по нашей задаче:

Вода при нагревании увеличивается в объеме до 4%, т.е. 50 наших литров должны превратиться в 52 литра за счет ее расширения, но применить данную теорию в нашем вопросе нам пока не удалось. Мы даже изучили соотношение плотности льда к плотности воды и поняли объем в этом случае увеличивается на 11 процентов.

Есть мнение (алгоритм) с нашей стороны что ни одну из формул применить тут нельзя, так как в баке или бойлере представленным нами невозможно заполнить его на все 100% жидкостью, какую часть в одной жидкости все равно будет составлять воздух, который в этом случае будет работать как расширительный бак и возможно поэтому те 800 атмосфер которые получаются у разных людей нормализуются тем количеством воздуха который содержаться в сосуде.

Если Вы физик или технически подкованный человек, разбираетесь в данном вопросе и готовы разрешить наш спор и получить ответ на поставленную задачу – ждем Ваших решений под этой записью в комментариях.

Со своей стороны хотим так же сказать, что при проведении реального эксперимента и нагрева воды в бойлере с 18-20 градусов до 50, давление поднялось по манометру с 1.5 очков (бар, атмосфер) примерно и до 5 бар.

Спасибо за проявленный труд, терпение и прочтение данной статьи. Надеемся что этот вопрос решится в ближайшее время и мы найдем грамотный ответ.

Всего Вам доброго и приятного дня.

Другие полезные записи в блоге – только для Вас!

• Котел КСУВ наружного размещения. Почему он является лучшим из всех? Технические особенности, выбор большинства организаций. Котельная больше не нужна. Устанавливай прямо со зданием.
• История на “миллион”, как мы помогли ДОЛ “Лесное озеро”. Крупный DIY проект России, сделай сам!
• Тепловой пункт: какой промышленный котел выбрать?
• Наглядный ремонт КЧМ руками наших специалистов.
• ОАО “Кировский завод” банкрот. Какая судьба ожидает котлы КЧМ-5, КЧМ-5К, КЧМ-7 Гном?
• Почему в котлах КЧМ-5К не используются колосники? Техническая информация и не только.
• Все основные запасные части к котлу КЧМ, артикулы, описание и много полезной информации.
• Лемакс – лучшее соотношение цена/качество в бытовых котлах.
• 1000 колосников на складе компании МОНТАЖНИК – новый завоз.
• Что такое колосник? Расскажем все очень подробно.
• Почему котлы ИШМА покупают 90 из 100 клиентов. Лучшее соотношение цены-качества.
• Лучший конкурент котла Buderus, Valliant, Protherm – это Кентатсу (Kentatsu) – или как мы его называем один в поле ВОИН! А так же там мы ответили на вопрос, что лучше русский КЧМ или Турецкояпонский гигант?
• Полная подробная инструкция по монтажу промышленных котлов
• Посмотреть все статьи и новости

Наши отправки (отгрузки), услуги и выполненные работы:

Статьи посвященные нашим отгрузкам не только поднимают наш авторитет как считаем мы, но они направлены на увеличение доверия со стороны потенциальных клиентов. Нам нечего скрывать – мы делимся с Вами своими продажами и успехами. У нас нет скрытых продаж и ухода от налогов. Мы стараемся делать наше с Вами сотрудничество и работу максимально прозрачными. Мы хотим чтобы Вы доверяли нашей команде!

Если у Вас есть идеи о том, о том что Вы бы хотели увидеть на нашем канале. То присылайте их на нашу легкую почту: 426909@bk.ru. Если Вам понравилась статья оцените ее, поставьте палец вверх слева экрана (если Вы читаете ее с компьютера), а также подпишитесь на наш блог, Вас ждет много полезной и интересной информации.

С вами на связи была компания ООО “Монтажник” – официальный дистрибьютор нескольких заводов изготовителей по всей стране. По вопросам приобретения котлов, насосов и другого сопутствующего оборудования (запчасти, дымоходы, автоматика) можете обращаться по телефонам: 8(47354) 2-55-25; 2-69-09 или на электронную почту: 426909@bk.ru или montagnikvrn@yandex.ru.

Отзывы о нашей компании:

15 лет на рынке – ни одного плохого отзыва за все время работы.

Посмотреть все отзывы.

СПАСИБО ЧТО ОСТАЕТЕСЬ С НАМИ! Рассказывайте друзьям, делитесь материалом со своими знакомыми. Нам важен каждый.

Компания которая относится к своему клиенту с ДУШОЙ!

Заказ через наш интернет магазин

Сегодня довести воду до кипения не представляет каких-либо трудностей. Для этого нужно всего лишь включить на кухне плиту и поставьте на нее чайник. Обычно кипячение воды занимает всего несколько минут. Но вы наверняка замечали, что после кипения вода охлаждается до своей первоначальной температуры гораздо дольше. Чтобы остыть до двадцати градусов по Цельсию может потребоваться несколько часов (в зависимости от конструкции чайника). Почему вода нагревается быстро, а охлаждается так медленно?

Быстрый нагрев и медленное охлаждение

Давайте рассмотрим это явление на примере металлического чайника, наполненного водой. Вода, которую нужно нагреть от нормальной комнатной температуры (около 20 градусов по Цельсию) до температуры кипения, должна преодолеть разницу в 80 градусов. При этом она поглотит определенное количество энергии, которая преобразуется в кинетическую энергию молекул воды.

Источник изображения: mineral-medix.com

Количества тепла, необходимое для нагрева тела определенной температурой, можно рассчитать с использованием следующего соотношения:

Q = масса тела * удельная теплоемкость * разница температур

Из этой простой формулы есть несколько интересных следствий. Чем больше масса тела, тем больше тепла оно потребляет. Разные вещества потребляют разное количество энергии. Чем выше желаемая температура, тем больше энергии нам потребуется на нагрев.

Охлаждение работает точно так же, но с одним небольшим отличием – тепло в этом случае передается от горячей воды во внешнее пространство вокруг чайника.

Температура варочной панели обычно составляет несколько сотен градусов Цельсия. Поэтому она может передавать значительное количество энергии в воду и быстро нагревать ее до температуры, при которой она начинает испаряться (100 °С) Для такого же быстрого охлаждения нам понадобится такая же большая разница температур – температура внешней среды должна быть минус несколько сотен градусов Цельсия. Безусловно, ничего подобного в природе не встречается, поскольку минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной -273,15°С (абсолютный ноль температуры). А наш хладагент (воздух вокруг чайника) имеет температуру около + 20 °C. Таким образом, охлаждение происходит намного медленнее, чем нагрев воды.

Тепло – вид энергии

Большинство людей недооценивает количество энергии, которую потребляет вода для ее нагрева. Для нагрева 1 кг воды на 1 градус требуется 4187 Дж. На первый взгляд это не очень интересно.

Но представьте, что мы приложим то же количество энергии не для нагрева 1 кг воды, а для ее ускорения (кинетическая энергия).

Источник изображения: dw.com

Согласно формуле E = (m * v2) / 2, 1 кг воды при приложении 4187 Дж энергии достигнет скорости 329 км / ч. Это скорость, которую развивают некоторые скоростные поезда при оптимальных условиях.

Точно так же эта энергия может быть затрачена на преодоление гравитационного поля Земли. Тогда 1 кг воды будет находиться на высоте 426 метров (высота Эйфелевой башни 324 метра)

Эйфелева Башня. Источник изображения: REUTERS/Gonzalo Fuentes

До сих пор мы говорили о количестве энергии, необходимой для повышения температуры воды на один градус….А теперь представьте, какое количество энергии скрывается в 62 кг «живого веса» человека ( (среднее значение), если наши тела обычно на 20 градусов теплее окружающей среды.

Источник изображения: pixabay.com

Если вам понравилась статья, то поставьте лайк и подпишитесь на канал Научпоп. Наука для всех. Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!

Источник