Pojava prelaska tvari iz tekućeg u plinovito stanje naziva se isparavanje. Isparavanje se može izvesti u obliku dva procesa: i.

Ključanje

Drugi proces isparavanja je vrenje. Ovaj se proces može promatrati jednostavnim pokusom zagrijavanjem vode u staklenoj tikvici. Kada se voda zagrijava, nakon nekog vremena u njoj se pojavljuju mjehurići koji sadrže zrak i zasićenu vodenu paru koja nastaje isparavanjem vode unutar mjehurića. Kako temperatura raste, tlak unutar mjehurića raste, a pod djelovanjem sile uzgona oni se dižu prema gore. Međutim, budući da je temperatura gornjih slojeva vode niža od donjih, para u mjehurićima se počinje kondenzirati i oni se skupljaju. Kada se voda zagrije u cijelom volumenu, mjehurići s parom se dižu na površinu, pucaju i para izlazi. Voda vrije. To se događa pri temperaturi pri kojoj je tlak zasićene pare u mjehurićima jednak atmosferskom tlaku.

Proces isparavanja koji se događa u cijelom volumenu tekućine pri određenoj temperaturi naziva se. Temperatura na kojoj tekućina vrije naziva se vrelište.

Ova temperatura ovisi o atmosferskom tlaku. Kako se atmosferski tlak povećava, vrelište se povećava.

Iskustvo pokazuje da se tijekom procesa vrenja temperatura tekućine ne mijenja, unatoč činjenici da energija dolazi izvana. Prijelaz tekućine u plinovito stanje na vrelištu povezan je s povećanjem udaljenosti između molekula i, prema tome, s prevladavanjem privlačnosti između njih. Energija koja se dovodi u tekućinu troši se za obavljanje rada za prevladavanje sila privlačenja. To se događa dok se sva tekućina ne pretvori u paru. Budući da tekućina i para tijekom vrenja imaju istu temperaturu, prosječna kinetička energija molekula se ne mijenja, samo im se povećava potencijalna energija.

Na slici je prikazan graf ovisnosti temperature vode o vremenu tijekom zagrijavanja od sobne temperature do vrelišta (AB), vrelišta (BC), zagrijavanja parom (CD), hlađenja parom (DE), kondenzacije (EF) i naknadnog hlađenja (FG) .

Specifična toplina isparavanja

Za pretvorbu različitih tvari iz tekućeg u plinovito stanje potrebna je različita energija, a tu energiju karakterizira vrijednost koja se naziva specifična toplina isparavanja.

Specifična toplina isparavanje (L) je vrijednost jednaka omjeru količine topline koja se mora predati tvari mase 1 kg da bi se prevela iz tekućeg stanja u plinovito stanje na točki vrelišta.

Jedinica specifične topline isparavanja - [ L] = J/kg.

Za izračun količine topline Q koja se mora predati tvari mase mn za njenu transformaciju iz tekućeg u plinovito stanje, specifična toplina isparavanja ( L) pomnoženo s masom tvari: Q = Lm.

Pri kondenzaciji pare oslobađa se određena količina topline, a njezina je vrijednost jednaka količini topline koju je potrebno utrošiti da se tekućina pretvori u paru pri istoj temperaturi.

Vrenje je, kao što smo vidjeli, također isparavanje, samo što ga prati brzo stvaranje i rast mjehurića pare. Očito, tijekom vrenja potrebno je tekućini dovesti određenu količinu topline. Ova količina topline koristi se za stvaranje pare. Štoviše, različite tekućine iste mase zahtijevaju različite količine topline da se pretvore u paru na točki vrenja.

Pokusima je utvrđeno da je za isparavanje vode mase 1 kg pri temperaturi od 100 °C potrebno 2,3 10 6 J energije. Za isparavanje 1 kg etera uzetog na temperaturi od 35 °C potrebno je 0,4 10 6 J energije.

Dakle, da se temperatura tekućine koja isparava ne bi mijenjala, potrebno je tekućini dovesti određenu količinu topline.

Fizička veličina koja pokazuje koliko je topline potrebno da se tekućina mase 1 kg pretvori u paru bez promjene temperature naziva se specifična toplina isparavanja.

Specifična toplina isparavanja označava se slovom L. Jedinica joj je 1 J/kg.

Pokusima je utvrđeno da specifična toplina isparavanja vode pri 100 °C iznosi 2,3 10 6 J/kg. Drugim riječima, za pretvaranje 1 kg vode u paru na temperaturi od 100 °C potrebno je 2,3 10 6 J energije. Prema tome, na točki vrenja unutarnja energija tvar u parovitom stanju ima veću unutarnju energiju od iste mase tvari u tekućem stanju.

Tablica 6.
Specifična toplina isparavanja nekih tvari (na vrelištu i normalna atmosferski tlak)

U dodiru s hladnim predmetom dolazi do kondenzacije vodene pare (slika 25). Time se oslobađa energija apsorbirana tijekom stvaranja pare. Precizni pokusi pokazuju da para prilikom kondenzacije oslobađa onu količinu energije koja je utrošena na njeno stvaranje.

Riža. 25. Kondenzacija pare

Prema tome, kada se 1 kg vodene pare na temperaturi od 100 °C pretvori u vodu iste temperature, oslobađa se 2,3 10 6 J energije. Kao što se može vidjeti iz usporedbe s drugim tvarima (tablica 6), ta je energija prilično visoka.

Energija koja se oslobađa tijekom kondenzacije pare može se koristiti. U velikim termoelektranama para koja se ispušta iz turbina koristi se za zagrijavanje vode.

Ovako zagrijana voda koristi se za grijanje zgrada, u kupatilima, praonicama i za druge kućne potrebe.

Da bi se izračunala količina topline Q potrebna da se tekućina bilo koje mase uzeta na vrelištu pretvori u paru, specifična toplina isparavanja L mora se pomnožiti s masom m:

Iz ove formule može se utvrditi da

m = Q / L, L = Q / m

Količina topline koju oslobađa para mase m, koja se kondenzira na vrelištu, određena je istom formulom.

Primjer. Kolika je energija potrebna da se 2 kg vode temperature 20 °C pretvori u paru? Zapišimo uvjete zadatka i riješimo ga.

Pitanja

1. Na što se troši energija dovedena tekućini tijekom vrenja?
2. Što pokazuje specifična toplina isparavanja?
3. Kako možete eksperimentalno pokazati da se energija oslobađa kada se para kondenzira?
4. Kolika je energija koju pri kondenzaciji oslobodi 1 kg vodene pare?
5. Gdje se u tehnici koristi energija koja se oslobađa kondenzacijom vodene pare?

Vježba 16

1. Kako shvatiti da je specifična toplina isparavanja vode 2,3 10 6 J/kg?
2. Kako shvatiti da je specifična toplina kondenzacije amonijaka 1,4 10 6 J/kg?
3. Koja od 6 tvari navedenih u tablici, kada se pretvori iz tekućine u paru, ima najviše povećanu unutarnju energiju? Obrazložite svoj odgovor.
4. Kolika je energija potrebna da se 150 g vode pretvori u paru pri temperaturi od 100 °C?
5. Koliko energije treba utrošiti da se 5 kg vode temperature 0 °C prokuha i ispari?
6. Koju će količinu energije osloboditi voda mase 2 kg kada se ohladi sa 100 na 0 °C? Kolika će se količina energije osloboditi ako umjesto vode uzmemo istu količinu pare pri 100 °C?

Vježbajte

1. Koristeći tablicu 6. odredite koja od tvari ima veći porast unutarnje energije pri prelasku iz tekućine u paru. Obrazložite svoj odgovor.
2. Pripremite izvješće o jednoj od tema (po izboru).
3. Kako nastaju rosa, mraz, kiša i snijeg.
4. Kruženje vode u prirodi.
5. Lijevanje metala.

U ovoj lekciji obratit ćemo pozornost na ovu vrstu isparavanja, kao što je vrenje, razgovarati o njegovim razlikama u odnosu na prethodno razmatrani proces isparavanja, uvesti vrijednost kao što je temperatura vrenja i razgovarati o čemu ovisi. Na kraju lekcije uvest ćemo vrlo važnu veličinu koja opisuje proces isparavanja - specifičnu toplinu isparavanja i kondenzacije.

Tema: Agregatna stanja tvari

Lekcija: Vrenje. Specifična toplina isparavanja i kondenzacije

U prošloj lekciji već smo pogledali jednu od vrsta stvaranja pare - isparavanje - i istaknuli svojstva ovog procesa. Danas ćemo razgovarati o ovoj vrsti isparavanja, procesu vrenja, te uvesti vrijednost koja brojčano karakterizira proces isparavanja - specifičnu toplinu isparavanja i kondenzacije.

Definicija.Ključanje(Slika 1) je proces intenzivnog prijelaza tekućine u plinovito stanje, praćen stvaranjem mjehurića pare i odvija se u cijelom volumenu tekućine pri određenoj temperaturi, koja se naziva vrelište.

Usporedimo dvije vrste isparavanja jedna s drugom. Proces vrenja je intenzivniji od procesa isparavanja. Osim toga, kao što se sjećamo, proces isparavanja odvija se na bilo kojoj temperaturi iznad tališta, a proces vrenja strogo na određenoj temperaturi, koja je različita za svaku tvar i naziva se vrelište. Također treba napomenuti da se isparavanje događa samo sa slobodne površine tekućine, tj. iz područja koje je odvaja od okolnih plinova, a vrenje se događa iz cijelog volumena odjednom.

Pogledajmo pobliže proces vrenja. Zamislimo situaciju s kojom su se mnogi od nas više puta susreli - zagrijavanje i kipuća voda u određenoj posudi, na primjer, loncu. Zagrijavanjem će se određena količina topline prenijeti na vodu, što će dovesti do povećanja njezine unutarnje energije i povećanja aktivnosti molekularnog gibanja. Ovaj proces će se nastaviti do određene faze, dok energija molekularnog gibanja ne postane dovoljna da počne ključati.

Voda sadrži otopljene plinove (ili druge nečistoće) koji se oslobađaju u svojoj strukturi, što dovodi do tzv. pojave centara isparavanja. Odnosno, upravo u tim centrima počinje se oslobađati para i stvaraju se mjehurići u cijelom volumenu vode, koji se opažaju tijekom vrenja. Važno je razumjeti da ti mjehurići ne sadrže zrak, već paru koja nastaje tijekom procesa vrenja. Nakon stvaranja mjehurića, količina pare u njima se povećava i oni se počinju povećavati. Često se mjehurići u početku stvaraju u blizini zidova posude i ne dižu se odmah na površinu; prvo, povećavajući se u veličini, pod utjecajem su rastuće Arhimedove sile, a zatim se odvajaju od stijenke i dižu na površinu, gdje pucaju i ispuštaju dio pare.

Važno je napomenuti da svi mjehurići pare ne dopiru odmah do slobodne površine vode. Na početku procesa vrenja voda se ne zagrijava ravnomjerno i donji slojevi, u blizini kojih se odvija proces prijenosa topline, još su topliji od gornjih, čak i uzimajući u obzir proces konvekcije. To dovodi do činjenice da se mjehurići pare koji se dižu odozdo kolabiraju zbog fenomena površinske napetosti, prije nego što dođu do slobodne površine vode. U tom slučaju para koja je bila unutar mjehurića prelazi u vodu, čime se dodatno zagrijava i ubrzava proces ravnomjernog zagrijavanja vode u cijelom volumenu. Kao rezultat toga, kada se voda gotovo ravnomjerno zagrije, gotovo svi mjehurići pare počinju dolaziti do površine vode i počinje proces intenzivnog stvaranja pare.

Važno je istaknuti činjenicu da temperatura na kojoj se odvija proces vrenja ostaje nepromijenjena čak i ako se poveća intenzitet dovođenja topline u tekućinu. Jednostavnim riječima, ako tijekom procesa vrenja dodate plin na plameniku koji zagrijava posudu s vodom, to će dovesti samo do povećanja intenziteta vrenja, a ne do povećanja temperature tekućine. Ako se ozbiljnije upustimo u proces vrenja, vrijedi napomenuti da se u vodi pojavljuju područja u kojima se ona može pregrijati iznad točke vrelišta, ali količina tog pregrijavanja u pravilu ne prelazi jedan ili nekoliko stupnjeva. a neznatan je u ukupnom volumenu tekućine. Vrelište vode pri normalnom tlaku je 100°C.

Tijekom procesa ključanja vode možete primijetiti da ga prate karakteristični zvukovi tzv. ključanja. Ovi zvukovi nastaju upravo zbog opisanog procesa kolapsa mjehurića pare.

Procesi vrenja drugih tekućina odvijaju se na isti način kao i ključanje vode. Glavna razlika u tim procesima su različite temperature vrenja tvari, koje su pri normalnom atmosferskom tlaku već izmjerene tablične vrijednosti. U tablici navodimo glavne vrijednosti ovih temperatura.

Zanimljiva je činjenica da vrelište tekućina ovisi o vrijednosti atmosferskog tlaka, zbog čega smo naveli da su sve vrijednosti u tablici date pri normalnom atmosferskom tlaku. Kada se tlak zraka povećava, vrelište tekućine se također povećava; kada se smanjuje, naprotiv, smanjuje se.

Na ovu ovisnost temperature vrenja o tlaku okruženje na temelju principa rada tako dobro poznatog kuhinjskog aparata kao što je ekspres lonac (slika 2). To je posuda s poklopcem koji se čvrsto prianja, ispod koje tijekom procesa parenja vode tlak zraka s parom doseže do 2 atmosferskog tlaka, što dovodi do povećanja vrelišta vode u njoj na . Zbog toga se voda i hrana u njoj imaju priliku zagrijati na temperaturu višu od uobičajene (), a proces kuhanja se ubrzava. Zbog ovog efekta uređaj je dobio ime.

Riža. 2. Ekspres lonac ()

Situacija sa smanjenjem vrelišta tekućine s padom atmosferskog tlaka također ima primjer iz života, ali više nije svakodnevica za mnoge ljude. Ovaj se primjer odnosi na putovanja penjača u visokim planinskim predjelima. Ispostavilo se da je u područjima koja se nalaze na nadmorskoj visini od 3000-5000 m, vrelište vode zbog pada atmosferskog tlaka smanjeno na niže vrijednosti, što dovodi do poteškoća pri pripremi hrane na planinarenju, jer za učinkovitu toplinsku obradu proizvoda u U ovom slučaju, potrebno je znatno dulje nego u normalnim uvjetima. Na visinama od oko 7000 m vrelište vode doseže , što onemogućuje kuhanje mnogih proizvoda u takvim uvjetima.

Na činjenicu da temperature vrenja razne tvari razlikuju, temelje se neke tehnologije za odvajanje tvari. Na primjer, ako uzmemo u obzir lož ulje, koje je složena tekućina koja se sastoji od mnogo komponenti, tada se tijekom procesa vrenja može podijeliti na nekoliko različitih tvari. U ovom slučaju, zbog činjenice da su vrelišta kerozina, benzina, nafte i loživog ulja različita, oni se mogu međusobno odvojiti isparavanjem i kondenzacijom na različitim temperaturama. Taj se proces obično naziva frakcioniranje (slika 3).

Riža. 3 Razdvajanje ulja na frakcije ()

Kao bilo tko fizički proces, vrenje se mora karakterizirati pomoću neke numeričke vrijednosti, takva se vrijednost naziva specifična toplina isparavanja.

Da biste razumjeli fizičko značenje ove vrijednosti, razmotrite sljedeći primjer: uzmite 1 kg vode i dovedite je do točke vrenja, zatim izmjerite koliko je topline potrebno da ta voda potpuno ispari (bez uzimanja u obzir toplinskih gubitaka) - ta će vrijednost biti jednaka specifičnoj toplini isparavanja vode. Za drugu tvar, ova toplinska vrijednost bit će drugačija i bit će specifična toplina isparavanja te tvari.

Specifična toplina isparavanja ispada vrlo važna karakteristika V moderne tehnologije proizvodnja metala. Ispada da, na primjer, kada se željezo topi i isparava s njegovom naknadnom kondenzacijom i skrućivanjem, kristalna rešetka sa strukturom koja osigurava veću čvrstoću od izvornog uzorka.

Oznaka: specifična toplina isparavanja i kondenzacije (ponekad označena kao ).

Mjerna jedinica: .

Specifična toplina isparavanja tvari određena je laboratorijskim pokusima, a njezine vrijednosti za osnovne tvari navedene su u odgovarajućoj tablici.

Vrenje je intenzivno isparavanje koje se događa kada se tekućina zagrijava ne samo s površine, već i unutar nje.

Vrenje se događa uz apsorpciju topline.
Većina isporučene topline troši se na razbijanje veza između čestica tvari, ostatak - na rad tijekom širenja pare.
Kao rezultat toga, energija međudjelovanja između čestica pare postaje veća nego između čestica tekućine, pa je unutarnja energija pare veća od unutarnje energije tekućine pri istoj temperaturi.
Količina topline potrebna za pretvaranje tekućine u paru tijekom procesa vrenja može se izračunati pomoću formule:

gdje je m masa tekućine (kg),
L je specifična toplina isparavanja.

Specifična toplina isparavanja pokazuje koliko je topline potrebno da se 1 kg određene tvari pretvori u paru na vrelištu. Jedinica specifične topline isparavanja u SI sustavu:
[L] = 1 J/kg
S povećanjem tlaka raste vrelište tekućine, a smanjuje se specifična toplina isparavanja i obrnuto.

Tijekom vrenja temperatura tekućine se ne mijenja.
Vrelište ovisi o pritisku na tekućinu.
Svaka tvar pri istom tlaku ima svoje vrelište.
Kako se atmosferski tlak povećava, vrenje počinje na više visoka temperatura, kada se pritisak smanji, obrnuto je..
Na primjer, voda vrije na 100 °C samo pri normalnom atmosferskom tlaku.

ŠTO SE DOGAĐA U TEKUĆINI PRILIKOM KUHANJA?

Vrenje je prijelaz tekućine u paru uz neprekidno stvaranje i rast mjehurića pare u tekućini, u koje tekućina isparava. Na početku zagrijavanja voda je zasićena zrakom i ima sobnu temperaturu. Kada se voda zagrijava, plin otopljen u njoj oslobađa se na dnu i stijenkama posude, stvarajući mjehuriće zraka. Počinju se pojavljivati ​​mnogo prije vrenja. Voda isparava u te mjehuriće. Mjehurić ispunjen parom počinje bubriti na dovoljno visokoj temperaturi.

Dostigavši ​​određenu veličinu, odvaja se od dna, diže se na površinu vode i puca. U tom slučaju para napušta tekućinu. Ako voda nije dovoljno zagrijana, mjehurić pare, koji se diže u hladne slojeve, kolabira. Rezultirajuće fluktuacije u vodi dovode do pojave velikog broja malih mjehurića zraka u cijelom volumenu vode: takozvani "bijeli ključ".

Na mjehurić zraka s volumenom na dnu posude djeluje sila dizanja:
Funder = Farhimed - Fgravitacija
Mjehurić je pritisnut na dno jer na donju površinu ne djeluju sile pritiska. Prilikom zagrijavanja mjehurić se širi zbog ispuštanja plina u njega i odvaja se od dna kada je sila dizanja nešto veća od sile pritiska. Veličina mjehurića koji se može odvojiti od dna ovisi o njegovom obliku. Oblik mjehurića na dnu određen je vlažnošću dna posude.

Nehomogenost vlaženja i spajanja mjehurića na dnu dovela je do povećanja njihove veličine. S velikim veličinama mjehurića, kada se dižu iza njega, stvaraju se šupljine, lomovi i turbulencije.

Kada mjehurić pukne, sva tekućina koja ga okružuje juri unutra, stvarajući prstenasti val. Dok se zatvara, izbacuje stupac vode.

Kada se mjehurići pri pucanju kolabiraju, u tekućini se šire udarni valovi ultrazvučnih frekvencija, popraćeni zvučnim šumom. Za početne faze Vrenje karakteriziraju najglasniji i najviši zvukovi (u fazi "bijele tipke" kuhalo za vodu "pjeva").

(izvor: virlib.eunnet.net)

TEMPERATURNI RASPORED PROMJENA STANJA VODE

POGLEDAJTE POLICU!

ZANIMLJIV

Zašto prave rupu u poklopcu čajnika?
Za ispuštanje pare. Bez rupe na poklopcu, para može prskati vodu iz grlića kuhala za vodu.
___

Trajanje kuhanja krumpira, počevši od trenutka vrenja, ne ovisi o snazi ​​grijača. Trajanje je određeno vremenom u kojem proizvod ostaje na točki vrenja.
Snaga grijača ne utječe na vrelište, već samo na brzinu isparavanja vode.

Kuhanje može uzrokovati smrzavanje vode. Za to je potrebno iz posude u kojoj se nalazi voda ispumpati zrak i vodenu paru, tako da voda cijelo vrijeme ključa.

“Lonci lako proključaju preko ruba - loše vrijeme!”
Pad atmosferskog tlaka koji prati pogoršanje vremena razlog je što mlijeko brže “bježi”.
___

Vrlo vruća kipuća voda može se dobiti na dnu dubokih rudnika, gdje je tlak zraka mnogo veći nego na površini Zemlje. Dakle, na dubini od 300 m voda će ključati na 101 ͦ C. Pri tlaku zraka od 14 atmosfera voda vrije na 200 ͦ C.
Ispod zvona zračne pumpe možete dobiti “kipuću vodu” na 20 ͦ C.
Na Marsu bismo pili “kipuću vodu” na 45 ͦ C.
Slana voda ključa na temperaturama iznad 100 ͦ C. ___

U planinskim predjelima na značajnim nadmorskim visinama i pri niskom atmosferskom tlaku voda ključa na temperaturama nižim od 100 ͦ Celzija.

Duže se čeka da se takvo jelo skuha.

Ulijte malo hladne vode... i prokuhat će!

Voda obično ključa na 100 stupnjeva Celzijusa. Zagrijte vodu u tikvici na plameniku dok ne zavrije. Ugasimo plamenik. Voda prestaje ključati. Zatvorite tikvicu čepom i počnite pažljivo u mlazu dolijevati hladnu vodu na čep. kakav je Voda ponovno ključa!

Ispod potoka hladna voda vode u tikvici, a s njom se vodena para počinje hladiti.
Volumen pare se smanjuje, a tlak iznad površine vode se mijenja...
U kojem smjeru mislite?
... Vrelište vode pri sniženom tlaku je manje od 100 stupnjeva, a voda u tikvici ponovno ključa!
____

Prilikom kuhanja tlak unutar posude - "prestis lonca" - je oko 200 kPa, a juha u takvoj posudi kuhat će se znatno brže.

Štrcaljku možete napuniti vodom do otprilike polovice, zatvoriti je istim čepom i oštro povući klip. U vodi će se pojaviti masa mjehurića, što znači da je počeo proces ključanja vode (i to na sobnoj temperaturi!).
___

Kad tvar prijeđe u plinovito stanje, gustoća joj se smanji oko 1000 puta.
___

Prvi električni kuhali za vodu imali su grijače ispod dna. Voda nije došla u dodir s grijačem i trebalo joj je jako dugo da proključa. Godine 1923. Arthur Large došao je do otkrića: postavio je grijač u posebnu bakrenu cijev i stavio je u kuhalo za vodu. Voda je brzo ključala.

U SAD-u su razvijene samorashladne limenke za bezalkoholna pića. Staklenka ima ugrađen odjeljak s tekućinom niske temperature ključanja. Ako zdrobite kapsulu na vrućem danu, tekućina će početi naglo kipjeti, oduzimajući toplinu sadržaju staklenke, a za 90 sekundi temperatura napitka padne za 20-25 stupnjeva Celzijusa.

PA, ZAŠTO TAKO?

Što mislite, je li moguće tvrdo skuhati jaje ako voda kuha na temperaturi nižoj od 100 stupnjeva Celzijusa?
____

Hoće li voda proključati u loncu koji pluta u drugom loncu s kipućom vodom?
Zašto? ___

Je li moguće natjerati vodu da proključa bez zagrijavanja?