Когда закипает вода при давлении

Какова температура кипения воды в вакууме и от чего она зависит?

Кипение – это переход жидкого вещества в газообразное состояние. Процесс сопровождается образованием пара и происходит, когда достигается определенная температура.

Испарение может происходить при любой степени нагрева, тогда как вода закипает только по достижении 100 °C при нормальном атмосферном давлении. Но в вакууме вода тоже кипит. Начинается это раньше, чем в обычных условиях.

О том, какова температура кипения воды в вакууме, читайте в статье.

Что считать вакуумом?

Слово «вакуум» означает абсолютную пустоту, или пространство, свободное от вещества. Когда нет вещества, нечему и кипеть.

В науке и технике под ним понимают пространство, где давление значительно ниже атмосферного.

Критерием глубины вакуума является степень разрежения. Она определяется отношением давления в объеме к величине атмосферного. Единица измерения, принятая международной системой мер – Паскаль, но применяются и другие.

Нормальное атмосферное давление, измеренное на уровне моря, принято равным 760 мм ртутного столба, или 101325 Па. Например, разрежение, при котором давление равно 100 Па, считается низким, 0,00001 Па – высоким.

Как кипит H2O в таких условиях?

В любом сосуде, заполненном водой, всегда присутствуют частички воздуха. Они остаются на микроскопических трещинах, имеющихся на стенках емкости. По мере нагрева пузырьки увеличиваются, и становятся видимыми невооруженным взглядом, особенно на стенках сосуда и его дне. По сути, это капли насыщенного пара, растворенные в воде.

Когда температура на дне сосуда уже достигла 100 °C, а на поверхности воды ещё нет, сила поверхностного натяжения и атмосферное давление препятствуют выходу частиц за пределы емкости. Они возвращаются назад, теряя температуру.

Когда степень нагрева поверхностного и придонного слоя выравнивается, вещество закипает. В вакууме частицам легче покинуть объем сосуда. Этому препятствует только поверхностное натяжение, поэтому кипение начинается при более низкой температуре.

Почему может кипеть при отрицательных температурных значениях?

Когда среда разрежена, вода закипает раньше. Кипение начнется, как только разрежение достигнет величины, при которой температура кипения становится меньше температуры окружающей среды.

Ниже в таблице приведены округленные данные зависимости температуры кипения от давления.

Давление, Pa	Температура кипения воды
°C	°F	°K
101 325	100	212	373
84 660	95	205	368
70 060	90	194	363
47 340	80	176	353
31 550	70	158	343
19 900	60	140	333
12 300	50	122	323
7 350	40	104	313
4 230	30	86	303
3 380	27	80	300
3 048	25	76	298
2 710	22	72	295
2 370	20	69	293
2 030	18	64	291
1 670	15	59	288
1 350	12	53	285
1 010	7	45	280
605	0	32	273
340	-6	21	267
170	-15	6	258
35	-31	-24	242
0,16	-47	-35	226
0,3	-51	-60	222
0,03	-56	-70	217

Вода, отдавая пар, остывает. Он конденсируется и возвращается обратно в жидкое состояние. При дальнейшей откачке воздуха разрежение становится таким, что H2O мгновенно вскипает.

Температура понижается до отрицательной, водяной пар кристаллизуется, образуя лед. Поскольку это сопровождается увеличением объема, образованию льда препятствует внешнее давление.

Как быстро закипает?

Все зависит от степени разрежения. При недостаточной откачке воздуха холодная вода кипеть не будет.

Как только его станет меньше, она начнет переходить в паровую фазу.

Происходить это будет длительное время из-за конденсации. Теоретически можно достичь динамического равновесия, когда скорость испарения и скорость конденсации водяного пара равны.

При высоком разрежении закипание наступит практически мгновенно. Затем пар кристаллизируется из-за понижения температуры до отрицательного значения. Этот процесс тоже не займет много времени. Теплопроводность пара значительно выше, чем у воды, остывает он быстрее.

Полезное видео

Наглядно кипение воды в вакууме представлено в видео:

Заключение

Исследования поведения воды в условиях разреженного воздуха очень важны. К примеру, в освоении космического пространства. Там процессы происходят в безвоздушной среде, атмосфера как таковая отсутствует. Есть и другие области деятельности человека, где без таких знаний не обойтись.

Источник

Когда закипает вода при давлении

Непосредственные наблюдения за поведением жидкости свидетельствуют, что при некоторых температуре и давлении в жидкостях начинается процесс кипения. Разберемся в механизме этого явления.

Обычно в жидкости или на стенках сосуда, в котором она находится, присутствуют пузырьки растворенного в ней воздуха. При нагревании жидкости растворимость содержащихся в ней газов понижается. В результате число таких пузырьков значительно увеличивается. Газовые пузырьки в процессе закипания играют роль аналогичную той, которую играют ионы или пылинки при конденсации. В эти пузырьки происходит испарение окружающей их жидкости, вследствие чего пузырьки наполняются насыщенным паром, давление которого с повышением температуры увеличивается.

Пока температура жидкости такова, что давление насыщенного пара внутри пузырька меньше внешнего давления над жидкостью, пузырек не может расти. При некоторой температуре давление насыщенного пара внутри пузырька становится равным давлению, оказываемому на пузырек извне. Это давление равно сумме атмосферного давления, гидростатического давления, обусловленного столбом жидкости над пузырьком и дополнительного давления, связанного с кривизной поверхности пузырька (давление Лапласа). Расчеты показывают, что вклад гидростатического давления и давления Лапласа существенной роли в этом процессе не играют. Чаще всего мы имеем дело с процессом кипения при нормальном атмосферном давлении , а для того чтобы гидростатическое давление вносило вклад, сравнимый с давлением атмосферы, столб воды должен составлять хотя бы несколько метров, чего обычно в реальной ситуации не бывает. Давление Лапласа существенно тогда, когда радиус пузырьков порядка , что значительно меньше размеров пузырьков, образующихся в процессе кипения.

При некоторой температуре, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным внешнему давлению, точнее говоря, несколько больше, пузырьки, быстро увеличиваясь в размерах, устремляются вверх и прорываются наружу. С этого момента жидкость начинает кипеть.

Рассмотрев механизм закипания жидкости, подчеркнем, что кипение существенно отличается от испарения. Во-первых, испарение происходит при любой температуре, кипение же для каждой жидкости при определенном давлении имеет место при строго определенной температуре, называемой точкой кипения. Если процесс кипения начался, температура жидкости, несмотря на продолжающееся сообщение теплоты, не повышается. Она так и останавливается на точке кипения до тех пор, пока не выкипит вся жидкость. Во-вторых, в процессе кипения жидкость испаряется не только с поверхности, но и с поверхности пузырьков внутри жидкости.

Итак, для того, чтобы жидкость закипела, нужно довести ее температуру до такого значения, при котором давление насыщенного пара внутри содержащихся в жидкости пузырьков хотя бы чуточку превышало внешнее давление.

Из приведенных рассуждений видно, что с уменьшением внешнего давления должна понижаться и температура кипения жидкости.

Принято считать, что точке кипения воды при нормальном атмосферном давлении соответствует температура 100º С. Однако жителям высокогорных селений хорошо известен факт закипания воды при значительно более низкой температуре. Так на вершине Эльбруса вода закипает уже при 82º С. Физическим фактором, ответственным за изменение температуры кипения, является уменьшение внешнего давления в высокогорных районах. Вода кипит при 100º С только при давлении 760 мм Hg. При давлении 0,5 атм она закипает при 82º С, а при давлении 10-15 мм Hg вода закипает в интервале температур 10-15º С. Можно получить даже «кипяток», имеющий температуру замерзающей воды. Для этого придется понизить внешнее давление до 4,6 мм Hg.

Интересный результат можно наблюдать, если в колбу поместить небольшое количество воды при комнатной температуре и начать откачивать из колбы воздух. Исход опыта зависит от скорости откачки. Если откачка производится достаточно медленно, то вода должна рано или поздно закипеть. Если же откачка производится достаточно быстро, то вода, напротив, замерзает. В результате откачки воздуха, а вместе с ним и паров воды, усиливается процесс испарения, в ходе которого вода остывает. При медленной откачке понижение температуры жидкости компенсируется за счет поступления теплоты извне, поэтому температура вода остается постоянной. Если же откачка производится быстро, то вода не успевает получить тепло от окружающей среды. Так как температура воды начинает понижаться, возможность ее закипания также уменьшается. Дальнейшее продолжение быстрой откачки воздуха из колбы со временем приведет к понижению температуры жидкости до точки замерзания.

Отмечая факт понижения температуры кипения с уменьшением давления, естественно ожидать, что с повышением давления температура кипения будет повышаться. Действительно, при давлении 15 атм кипение воды начинается при 200º С, а давление в 80 атм вызывает кипение воды даже при 300º С.

Рис. 6.6

Итак, определенному внешнему давлению соответствует своя температура кипения, или каждой температуре кипения соответствует вполне определенное давление. Напомним, что это давление называется упругостью пара (кипение начинается, когда упругость насыщенного пара внутри пузырьков жидкости равна внешнему давлению). Поэтому кривая, изображающая зависимость температуры кипения от давления, одновременно представляет собой кривую зависимости упругости пара от температуры. Вид этой кривой изображен на рис. 6.6. Из рис. 6.6 видно, что упругость пара с изменением температуры меняется очень быстро, а температура кипения с изменением давления — довольно медленно. Эта же кривая описывает и процесс конденсации. Превратить пар в воду можно либо сжатием, либо охлаждением. Только для точек, лежащих на приведенной кривой, возможно одновременное сосуществование жидкости и ее пара. Если исключить теплообмен такой двухфазной системы с окружающей средой, то количество жидкости и пара в закрытом сосуде будет оставаться неизменным. Таким образом, кривая кипения и конденсации — это кривая равновесия жидкости и пара. Она делит поле диаграммы на две части. Влево и вверх (область высоких температур и невысоких давлений) расположена область устойчивого состояния пара, вправо и вниз — область устойчивого состояния жидкости.

Отметим еще, что кривая равновесия жидкость-пар качественно имеет один и тот же вид для различных жидкостей. Во всех случаях упругость пара быстро растет с повышением температуры.

Источник

Молекулярная физика. Кипение жидкости.

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

В отличие от испарения, которое происходит при любой температуре жидкости, другой вид парообразования — кипение — возможен лишь при совершенно определенной (при данном давлении) температуре — температуре кипения.

При нагревании воды в открытом стеклянном сосуде можно увидеть, что по мере увеличения температуры стенки и дно сосуда покрываются мелкими пузырьками. Они образуются в результате расширения мельчайших пузырьков воздуха, которые существуют в углублениях и микротре­щинах не полностью смачиваемых стенок сосуда.

Пары жидкости, которые находятся внутри пузырьков, являются насыщенными. С ростом температуры давление насыщенных паров возрастает, и пузырьки увеличиваются в размерах. С уве­личением объема пузырьков растет и действующая на них выталкивающая (архимедова) сила. Под действием этой силы наиболее крупные пузырьки отрываются от стенок сосуда и поднимаются вверх. Если верхние слои воды еще не успели нагреться до 100 °С, то в такой (более холодной) воде часть водяного пара внутри пузырьков конденсируется и уходит в воду; пузырьки при этом сокращаются в размерах, и сила тяжести заставляет их снова опускаться вниз. Здесь они опять увеличиваются и вновь начинают всплывать вверх. Попеременное увеличение и уменьшение пузырьков внутри во­ды сопровождается возникновением в ней характерных звуковых волн: закипающая вода шумит.

Когда вся вода прогреется до 100 °С, поднявшиеся вверх пузырьки уже не сокращаются в размерах, а лопаются на поверхности воды, выбрасывая пар наружу. Возникает характерное бульканье — вода кипит.

Кипение начинается после того, как давление насыщенного пара внутри пузырьков сравнивается с давлением в окружающей жидкости.

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 жидкос­ти. 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 дав­ления 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. Напри­мер, 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, кури­ное 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 ртути — 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.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обра­тить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.

Удельную теплоту парообразования обозначают буквой r и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

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

При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты:

Источник