Кипение. Удельная теплота парообразования и конденсации

1. Кипение, отличительные черты от процесса испарения

На про­шлом уроке мы уже рас­смот­ре­ли один из видов па­ро­об­ра­зо­ва­ния – ис­па­ре­ние – и вы­де­ли­ли свой­ства этого про­цес­са. Се­год­ня мы об­су­дим такой вид па­ро­об­ра­зо­ва­ния, как про­цесс ки­пе­ния, и вве­дем ве­ли­чи­ну, ко­то­рая чис­лен­но ха­рак­те­ри­зу­ет про­цесс па­ро­об­ра­зо­ва­ния – удель­ная теп­ло­та па­ро­об­ра­зо­ва­ния и кон­ден­са­ции.

Опре­де­ле­ние. Ки­пе­ние (рис. 1) – это про­цесс ин­тен­сив­но­го пе­ре­хо­да жид­ко­сти в га­зо­об­раз­ное со­сто­я­ние, со­про­вож­да­ю­щий­ся об­ра­зо­ва­ни­ем пу­зырь­ков пара и про­ис­хо­дя­щий по всему объ­е­му жид­ко­сти при опре­де­лен­ной тем­пе­ра­ту­ре, ко­то­рую на­зы­ва­ют тем­пе­ра­ту­рой ки­пе­ния.

Рис. 1. Ки­пе­ние

2. Описание протекания процесса кипения на примере кипения воды

Срав­ним два вида па­ро­об­ра­зо­ва­ния между собой. Про­цесс ки­пе­ния более ин­тен­си­вен, чем про­цесс ис­па­ре­ния. Кроме того, как мы пом­ним, про­цесс ис­па­ре­ния про­те­ка­ет при любой тем­пе­ра­ту­ре выше тем­пе­ра­ту­ры плав­ле­ния, а про­цесс ки­пе­ния – стро­го при опре­де­лен­ной тем­пе­ра­ту­ре, ко­то­рая яв­ля­ет­ся раз­лич­ной для каж­до­го из ве­ществ и на­зы­ва­ет­ся тем­пе­ра­ту­рой ки­пе­ния. Еще сле­ду­ет от­ме­тить, что ис­па­ре­ние про­ис­хо­дит толь­ко со сво­бод­ной по­верх­но­сти жид­ко­сти, т. е. с об­ла­сти, раз­гра­ни­чи­ва­ю­щей ее с окру­жа­ю­щи­ми га­за­ми, а ки­пе­ние – сразу со всего объ­е­ма.

Более по­дроб­но рас­смот­рим про­те­ка­ние про­цес­са ки­пе­ния. Пред­ста­вим си­ту­а­цию, с ко­то­рой мно­гие из нас неод­но­крат­но стал­ки­ва­лись, – это на­гре­ва­ние и ки­пя­че­ние воды в неко­то­ром со­су­де, на­при­мер, в ка­стрю­ле. В ходе на­гре­ва­ния воде будет пе­ре­да­вать­ся опре­де­лен­ное ко­ли­че­ство теп­ло­ты, что будет при­во­дить к уве­ли­че­нию ее внут­рен­ней энер­гии и уве­ли­че­нию ак­тив­но­сти дви­же­ния мо­ле­кул. Этот про­цесс будет про­те­кать до опре­де­лен­но­го этапа, пока энер­гия дви­же­ния мо­ле­кул не ста­нет до­ста­точ­ной для на­ча­ла ки­пе­ния.

В воде при­сут­ству­ют рас­тво­рен­ные газы (или дру­гие при­ме­си), ко­то­рые вы­де­ля­ют­ся в ее струк­ту­ре, что при­во­дит к так на­зы­ва­е­мо­му воз­ник­но­ве­нию цен­тров па­ро­об­ра­зо­ва­ния. Т. е. имен­но в этих цен­трах на­чи­на­ет про­ис­хо­дить вы­де­ле­ние пара, и по всему объ­е­му воды об­ра­зо­вы­ва­ют­ся пу­зырь­ки, ко­то­рые на­блю­да­ют­ся при ки­пе­нии. Важно по­ни­мать, что в этих пу­зырь­ках на­хо­дит­ся не воз­дух, а имен­но пар, ко­то­рый об­ра­зо­вы­ва­ет­ся в про­цес­се ки­пе­ния. После об­ра­зо­ва­ния пу­зырь­ков ко­ли­че­ство пара в них рас­тет, и они на­чи­на­ют уве­ли­чи­вать­ся в раз­ме­рах. За­ча­стую, из­на­чаль­но пу­зырь­ки об­ра­зу­ют­ся вб­ли­зи сте­нок со­су­да и не сразу под­ни­ма­ют­ся на по­верх­ность; сна­ча­ла они, уве­ли­чи­ва­ясь в раз­ме­рах, ока­зы­ва­ют­ся под воз­дей­стви­ем на­рас­та­ю­щей силы Ар­хи­ме­да, а затем от­ры­ва­ют­ся от стен­ки и под­ни­ма­ют­ся на по­верх­ность, где ло­па­ют­ся и вы­сво­бож­да­ют пор­цию пара.

Стоит от­ме­тить, что да­ле­ко не сразу все пу­зырь­ки пара до­сти­га­ют сво­бод­ной по­верх­но­сти воды. В на­ча­ле про­цес­са ки­пе­ния вода про­гре­та еще да­ле­ко не рав­но­мер­но и ниж­ние слои, вб­ли­зи ко­то­рых про­ис­хо­дит непо­сред­ствен­но про­цесс теп­ло­пе­ре­да­чи, еще го­ря­чее верх­них, даже с уче­том про­цес­са кон­век­ции. Это при­во­дит к тому, что под­ни­ма­ю­щи­е­ся снизу пу­зырь­ки пара схло­пы­ва­ют­ся из-за яв­ле­ния по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния, еще не до­хо­дя до сво­бод­ной по­верх­но­сти воды. При этом пар, ко­то­рый на­хо­дил­ся внут­ри пу­зырь­ков, пе­ре­хо­дит в воду, тем самым до­пол­ни­тель­но на­гре­вая ее и уско­ряя про­цесс рав­но­мер­но­го про­гре­ва воды по всему объ­е­му. В ре­зуль­та­те, когда вода про­гре­ва­ет­ся прак­ти­че­ски рав­но­мер­но, почти все пу­зырь­ки пара на­чи­на­ют до­сти­гать по­верх­но­сти воды и на­чи­на­ет­ся про­цесс ин­тен­сив­но­го па­ро­об­ра­зо­ва­ния.

Важно вы­де­лить тот факт, что тем­пе­ра­ту­ра, при ко­то­рой про­хо­дит про­цесс ки­пе­ния, оста­ет­ся неиз­мен­ной даже в том слу­чае, если уве­ли­чи­вать ин­тен­сив­ность под­во­да тепла к жид­ко­сти. Про­сты­ми сло­ва­ми, если в про­цес­се ки­пе­ния при­ба­вить газ на кон­фор­ке, ко­то­рая разо­гре­ва­ет ка­стрю­лю с водой, то это при­ве­дет толь­ко к уве­ли­че­нию ин­тен­сив­но­сти ки­пе­ния, а не к уве­ли­че­нию тем­пе­ра­ту­ры жид­ко­сти. Если углуб­лять­ся более се­рьез­но в про­цесс ки­пе­ния, то стоит от­ме­тить, что в воде воз­ни­ка­ют об­ла­сти, в ко­то­рых она может быть пе­ре­гре­та выше тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния, но ве­ли­чи­на та­ко­го пе­ре­гре­ва, как пра­ви­ло, не пре­вы­ша­ет од­но­го-па­ры гра­ду­сов и незна­чи­тель­на в общем объ­е­ме жид­ко­сти. Тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния воды при нор­маль­ном дав­ле­нии со­став­ля­ет 100°С.

В про­цес­се ки­пе­ния воды можно за­ме­тить, что он со­про­вож­да­ет­ся ха­рак­тер­ны­ми зву­ка­ми так на­зы­ва­е­мо­го бур­ле­ния. Эти звуки воз­ни­ка­ют как раз из-за опи­сан­но­го про­цес­са схло­пы­ва­ния пу­зырь­ков пара.

3. Таблица температур кипения веществ и ее зависимость от давления, технологии применения свойств кипения

Про­цес­сы ки­пе­ния дру­гих жид­ко­стей про­те­ка­ют ана­ло­гич­ным об­ра­зом, что и ки­пе­ние воды. Ос­нов­ное от­ли­чие в этих про­цес­сах со­став­ля­ют раз­лич­ные тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния ве­ществ, ко­то­рые при нор­маль­ном ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии яв­ля­ют­ся уже из­ме­рен­ны­ми таб­лич­ны­ми ве­ли­чи­на­ми. Ука­жем ос­нов­ные зна­че­ния этих тем­пе­ра­тур в таб­ли­це.

Ин­те­ре­сен тот факт, что тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния жид­ко­стей за­ви­сит от ве­ли­чи­ны ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния, по­это­му мы и ука­зы­ва­ли, что все зна­че­ния в таб­ли­це при­ве­де­ны при нор­маль­ном ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии. При воз­рас­та­нии дав­ле­ния воз­ду­ха воз­рас­та­ет и тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния жид­ко­сти, при умень­ше­нии, на­о­бо­рот, умень­ша­ет­ся.

На этой за­ви­си­мо­сти тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния от дав­ле­ния окру­жа­ю­щей среды ос­но­ван прин­цип ра­бо­ты та­ко­го из­вест­но­го ку­хон­но­го при­бо­ра, как ско­ро­вар­ка (рис. 2). Она пред­став­ля­ет собой ка­стрю­лю с плот­но за­кры­ва­ю­щей­ся крыш­кой, под ко­то­рой в про­цес­се па­ро­об­ра­зо­ва­ния воды дав­ле­ние воз­ду­ха с паром до­сти­га­ет зна­че­ния до 2 ат­мо­сфер­ных дав­ле­ний, что при­во­дит к уве­ли­че­нию тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния воды в ней до . Из-за этого вода с про­дук­та­ми в ней имеют воз­мож­ность на­греть­ся до тем­пе­ра­ту­ры выше, чем обыч­но (), и про­цесс при­го­тов­ле­ния уско­ря­ет­ся. Из-за та­ко­го эф­фек­та устрой­ство и по­лу­чи­ло свое на­зва­ние.

Рис. 2. Ско­ро­вар­ка

Си­ту­а­ция с умень­ше­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния жид­ко­сти с по­ни­же­ни­ем ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния также имеет при­мер из жизни, но уже не по­все­днев­ной для мно­гих людей. От­но­сит­ся такой при­мер к пу­те­ше­стви­ям аль­пи­ни­стов в вы­со­ко­гор­ных рай­о­нах. Ока­зы­ва­ет­ся, что в мест­но­сти, на­хо­дя­щей­ся на вы­со­те 3000–5000 м, тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния воды из-за умень­ше­ния ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния сни­жа­ет­ся до  и более низ­ких зна­че­ний, что при­во­дит к слож­но­стям при при­го­тов­ле­нии пищи в по­хо­дах, т. к. для эф­фек­тив­ной тер­ми­че­ской об­ра­бот­ки про­дук­тов в таком слу­чае тре­бу­ет­ся зна­чи­тель­но боль­шее время, чем при нор­маль­ных усло­ви­ях. На вы­со­тах около 7000 м тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния воды до­хо­дит до , что при­во­дит к невоз­мож­но­сти при­го­тов­ле­ния мно­гих про­дук­тов в таких усло­ви­ях.

На том, что тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния раз­лич­ных ве­ществ от­ли­ча­ют­ся, ос­но­ва­ны неко­то­рые тех­но­ло­гии раз­де­ле­ния ве­ществ. На­при­мер, если рас­смат­ри­вать на­гре­ва­ние нефти, ко­то­рая пред­став­ля­ет собой слож­ную жид­кость, со­сто­я­щую из мно­же­ства ком­по­нен­тов, то в про­цес­се ки­пе­ния ее можно будет раз­де­лить на несколь­ко раз­лич­ных ве­ществ. В дан­ном слу­чае, бла­го­да­ря тому, что тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния ке­ро­си­на, бен­зи­на, лиг­ро­и­на и ма­зу­та раз­лич­ны, их можно от­де­лить друг от друга путем па­ро­об­ра­зо­ва­ния и кон­ден­са­ции при раз­лич­ных тем­пе­ра­ту­рах. Такой про­цесс, как пра­ви­ло, на­зы­ва­ют раз­де­ле­ни­ем на фрак­ции (рис. 3).

Рис. 3 Раз­де­ле­ние нефти на фрак­ции

4. Удельная теплота парообразования и конденсации

Как и любой фи­зи­че­ский про­цесс, ки­пе­ние необ­хо­ди­мо ха­рак­те­ри­зо­вать с по­мо­щью ка­кой-то чис­лен­ной ве­ли­чи­ны, такую ве­ли­чи­ну на­зы­ва­ют удель­ной теп­ло­той па­ро­об­ра­зо­ва­ния.

Для того чтобы по­нять фи­зи­че­ский смысл этой ве­ли­чи­ны, рас­смот­рим сле­ду­ю­щий при­мер: возь­мем 1 кг воды и до­ве­дем ее до тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния, затем за­ме­рим, какое ко­ли­че­ство теп­ло­ты необ­хо­ди­мо для того, чтобы пол­но­стью ис­па­рить эту воду (без учета теп­ло­вых по­терь) – эта ве­ли­чи­на и будет равна удель­ной теп­ло­те па­ро­об­ра­зо­ва­ния воды. Для дру­го­го ве­ще­ства это зна­че­ние теп­ло­ты будет дру­гим и будет яв­лять­ся удель­ной теп­ло­той па­ро­об­ра­зо­ва­ния этого ве­ще­ства.

Удель­ная теп­ло­та па­ро­об­ра­зо­ва­ния ока­зы­ва­ет­ся очень важ­ной ха­рак­те­ри­сти­кой в со­вре­мен­ных тех­но­ло­ги­ях про­из­вод­ства ме­тал­лов. Ока­зы­ва­ет­ся, что, на­при­мер, при плав­ле­нии и ис­па­ре­нии же­ле­за с его по­сле­ду­ю­щей кон­ден­са­ци­ей и за­твер­де­ва­ни­ем об­ра­зу­ет­ся кри­стал­ли­че­ская ре­шет­ка с такой струк­ту­рой, ко­то­рая обес­пе­чи­ва­ет более вы­со­кую проч­ность, чем ис­ход­ный об­ра­зец.

Обо­зна­че­ние:  удель­ная теп­ло­та па­ро­об­ра­зо­ва­ния и кон­ден­са­ции (ино­гда обо­зна­ча­ет­ся ).

Еди­ни­ца из­ме­ре­ния: .

Удель­ная теп­ло­та па­ро­об­ра­зо­ва­ния ве­ществ опре­де­ля­ет­ся с по­мо­щью экс­пе­ри­мен­тов в ла­бо­ра­тор­ных усло­ви­ях, и ее зна­че­ния для ос­нов­ных ве­ществ за­не­се­ны в со­от­вет­ству­ю­щую таб­ли­цу.

Если из­вест­но, что ве­ще­ство на­хо­дит­ся при тем­пе­ра­ту­ре ки­пе­ния, то для вы­чис­ле­ния ко­ли­че­ства теп­ло­ты, необ­хо­ди­мо­го для пре­вра­ще­ния его в га­зо­об­раз­ное со­сто­я­ние ис­поль­зу­ют сле­ду­ю­щую фор­му­лу:

Обо­зна­че­ния:

 ко­ли­че­ство теп­ло­ты па­ро­об­ра­зо­ва­ния, Дж;

 удель­ная теп­ло­та па­ро­об­ра­зо­ва­ния и кон­ден­са­ции, ;

 масса ве­ще­ства, кг.

В слу­чае рас­смот­ре­ния про­цес­са кон­ден­са­ции ве­ще­ства фор­му­ла, опи­сы­ва­ю­щая ко­ли­че­ство теп­ло­ты, оста­ет­ся такой же, но бе­рет­ся со зна­ком минус, что под­чер­ки­ва­ет вы­де­ле­ние тепла в про­цес­се кон­ден­са­ции, в от­ли­чие от вы­де­ле­ния тепла в про­цес­се ки­пе­ния, од­на­ко, за­ча­стую этот минус не учи­ты­ва­ет­ся, если на­хо­дит­ся мо­дуль ко­ли­че­ства теп­ло­ты.

На сле­ду­ю­щем уроке мы уде­лим вни­ма­ние ре­ше­нию задач.

Вопросы к конспектам

В ка­стрю­лю на­ли­то 2 л воды при тем­пе­ра­ту­ре . После за­ки­па­ния в ка­стрю­ле ока­за­лось на 200 г мень­ше воды, чем в на­ча­ле на­гре­ва­ния. Сколь­ко тепла по­лу­чи­ла вода в ка­стрю­ле?

В от­кры­той ка­стрю­ле с глад­ки­ми стен­ка­ми и дном можно, осто­рож­но на­гре­вая, до­ве­сти чи­стую воду (без кру­пи­нок и рас­тво­рен­но­го воз­ду­ха) до тем­пе­ра­ту­ры свыше . Но по­че­му вода не за­ки­па­ет?