Уравнение температуры кипения от давления

Температура кипения воды в зависимости от давления: 4 фактора, таблица для расчёта

Многие люди думают, что температура кипения воды составляет 100°C. Однако этот показатель может меняться в зависимости от атмосферного давления.

Например, на горе Эверест на подъеме 8842 метра над уровнем моря вода закипит при +70°C. А в глубокой шахте при достижении температуры + 103°C

В данной статье мы выясним, как будет меняться температура кипения воды в зависимости от давления: в горах, шахте, вакууме. Рассмотрим особенности процесса кипячения с точки зрения физики и химии.

Как будет меняться температура кипения воды: 4 фактора

Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.

Стоит отметить, что она всегда остается неизменной. Поэтому, если увеличить огонь под кипящей кастрюлей с водой, выкипать будет быстрее, но температура при этом не увеличится, так как средняя кинетическая энергия молекул остаётся неизменной.

Рассмотрим 4 фактора, которые влияют на изменение t°:

1. Пониженное атмосферное давление (наблюдается в горной местности) – t° уменьшается.
2. Повышенное атмосферное давление (наблюдается в шахте) – t° наоборот увеличивается.
3. Применения герметической крышки, вакуума. За счёт герметической крышки или посуды пар не выходит градус кипения увеличивается. При использовании вакуума температура зависит от давления, которое создано внутри его.
4. Свойства воды. Соленая вода начинает кипеть при более высокой температуре, чем пресная.

Рассмотрим более подробно каждый из факторов.

Влияние атмосферного давления

Согласно исследованиям и уравнению Клапейрона — Клаузиуса, градус кипения напрямую зависит от атмосферного давления. С его ростом температура кипения увеличивается, а с уменьшением, наоборот, становится все ниже и ниже.

Атмосферное давление — это давление атмосферы, действующее на все находящиеся на ней предметы и земную поверхность. Оно может меняться в зависимости от места и времени и измеряется барометром.

При нормальном атмосферном давлении 760 мм ртутного столба вода кипит при + 100 °C

В горной местности давление уменьшается, а под землей (в шахте) увеличивается.

Для наглядности предоставлена таблица № 1 из большого химического справочника, источник: Волков А. И, Жарский И. В.

Таблица № 1. «Температура кипения воды от давления».

Единицы измерения давления в таблице: кПа.

1 кПа = 1000 Па = 0,00986923 атм = 7, 50062 мм. рт. ст

Нормальное атмосферное давление составляет 765 мм. РТ. Ст. = 101,325 Р, кПа

Температура кипения в горах

При подъеме над поверхностью Земли (в горах), температура кипения воды падает, так как снижается атмосферное давление (на каждые 10, 5 м на 1 мм РТ. С). Пузырькам легче всплывать – процесс происходит быстрее.

Поэтому высоко в горах альпинисты не могут приготовить нормальную пищу, а используют законсервированные продукты.

Для варки мяса, как и других продуктов, нужны привычные 100 градусов. В обратном случае все компоненты бульона просто останутся сырыми.

Таблица № 2. «Как будет меняться t° кипения с высотой».

Температура кипения воды в шахте

Если спуститься в шахту, то давление будет увеличиваться.

Температура кипения воды в шахте зависит от глубины (при спуске на 300 м вода закипит при t 101°C, при глубине 600 метров -102 °C

Применение герметической крышки

Герметичные крышки не позволяет образовавшемуся пару ускользнуть. В среднем температура закипания воды увеличивается от 5-20 градусов.

В хозяйстве для приготовления блюд часто используют кастрюли, сковородки с герметичной крышкой. Таким образом, уменьшается время приготовления пищи за счет высокой температуры, а блюда получаются более вкусными. В горных районах с низким давлением это необходимая вещь для приготовления пищи. Так же используют мультиварки и сотейники.

Кипячение воды в вакууме

Вакуум — это среда с газом, с пониженным давлением.

1. низкий;
2. средний;
3. высокий;
4. сверхвысокий;
5. экстремальный;
6. космическое пространство;
7. абсолютный.

Температура кипения воды в вакууме зависит от того, какое давление в нём.

Разные виды вакуумов поддерживают разное давление. Например, в низком вакууме давление составляет от 760 до 25 мм. РТ. Ст. В абсолютном вакууме давление полностью отсутствует. Для точного расчета нужно знать модель вакуума и давление, которое он поддерживает.

Кипение солёной воды

Солёная вода закипает при более высокой температуре за счет своих свойств.

Соль увеличивает плотность воды, соответственно на процесс требуется больше времени.

t° повышается примерно на 1 градус при добавлении 40 грамм соли на литр воды.

Температура кипения воды в чайнике

Чистая пресная вода закипает в чайнике при t° 100 градусов °C при условиях нормального атм. давления 760 мм ртутного столба.

Удельная теплоемкость

Удельной теплоемкостью вещества называется количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг этого вещества, чтобы его температура изменилась на 1 градус Цельсия.

Это количество теплоты необходимое для нагревания массы вещества на один градус.

формула удельной теплоемкости

С — удельная теплоемкость;

Q — кол-во теплоты;

— масса нагреваемого охлаждающегося вещества;

— ΔT — разность конечной и начальной температур вещества.

Процесс кипячения воды: 3 основных стадии

Кипение – это интенсивное парообразование, которое происходит при нагревании жидкости по всему объёму при определённой температуре.

Весь процесс кипения воды сопровождается выделением пара. Это одно из состояний воды. При парообразовании температура пара и воды остаются постоянными до тех пор, пока жидкость не изменит свое агрегатное состояние. Это явление объясняется тем, что при кипении вся энергия расходуется в преобразование воды в пар.

В воде растворены молекулы воздуха (газов). При нагревании газ превращается в воздушные пузырьки. При достижении достаточной температуры они лопаются, создаётся характерный шум.

Процесс можно разделить на 3 стадии:

1. Появление небольших пузырьков вдоль стенок сосуда. Их количество стремительно увеличивается.
2. Массовый подъем пузырьков и увлечения их объема. Помутнение воды, затем «побеление».
3. Интенсивное бурление. Пузырьки увеличиваются в размере, поднимаются и лопаются, выпуская пар. Слышен характерный звук кипения.

Что такое кипячёная вода?

Это вода, ранее доведенная до температуры кипения. Сырая вода в своем составе может содержать различные бактерии, микроорганизмы. В водопроводе больших городов много хлора и различных других химических веществ. Процесс кипячения обезвреживает многие микробы. Однако не все бактерии и тяжёлые металлы убиваются в кипящей воде, поэтому питьевая вода происходит предварительную проверку пригодности.

Выводы и рекомендации

Кипячение необходимый процесс для человечества. С помощью него приготавливают пищу, стирают загрязненную одежду, проводят дезинфекцию.

Градус кипения напрямую зависит от давления, свойств воды и емкости.

Зависимость температуры кипения воды от давления:

Температура кипения — это температура, при которой происходит кипение жидкости, которая находится под постоянным давлением. Согласно уравнению Клапейрона — Клаузиуса с ростом давления температура кипения увеличивается, а с уменьшением давления температура кипения соответственно уменьшается.

Если жидкость получает теплоту, то она будет нагреваться и через некоторое время начнет кипеть. По наблюдениям этот про­цесс сопровождается образованием в объеме жидкости пузырьков насыщенного пара. С повышением температуры их количество на стенках сосуда возрастает, а размеры уве­личиваются. При определенной температуре давление пара в пузырьках становится рав­ным давлению в жидкости, и они под дей­ствием силы Архимеда начинают всплывать. Когда такой пузырек достигает поверхности жидкости, он лопается и выбрасывает пар наружу.

Кипение — это внут­реннее парообразование, которое происходит во всем объеме жидкости при температуре, когда давление насыщенного пара равно дав­лению в жидкости.

Установлено, что при кипении темпе­ратура жидкости остается постоянной— при достижении температуры кипения все пре­доставленное количество теплоты идет на парообразование. Если жидкость не получает теплоту, кипение прекратится, поскольку не будет поступать энергия для внутреннего парообразования.

Кипение осуществляется при температуре, когда давление насыщенного пара в пузырьках равно давлению в жидкости.

Каждое вещество имеет собственную тем­пературу кипения. Очевидно, что ее значение определяется давлением насыщенного пара при данной температуре, поскольку кипение наступает тогда, когда давление насыщенного пара уравнивается с давле­нием в жидкости. Поэтому температура кипения жидкостей зависит от внешнего давления — чем оно выше, тем выше долж­на быть температура кипения, и наоборот.

Температура кипения воды при этом давлении:
o C

Удельный объем насыщенного пара:
м 3 /кг

Удельная теплота парообразования:
кДж/кг

Кипение, свойства паров, критическое состояние вещества

Содержание:

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

Свойства паров — это понятие «водяной пар» и оно характеризует свойство жидкости улетучиваться. Начало испарения — отрыв частичек воды от поверхности воды. Из жидкого агрегатного состояния молекулы переходят в газообразное.

Критическое состояние вещества — это состояние вещества, возникающее в критической точке и её окрестности, в котором сосуществующие в равновесии фазы по своим физичмческим свойствам становятся неотличимыми друг от друга.

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Кипение, свойства паров, критическое состояние вещества

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

Свойства паров — это давление насыщенного пара при растущей температуре, с ростом температуры возрастает плотность насыщенного пара, а согласно уравнению Менделеева – Клапейрона давление пропорционально произведению плотности на температуру.

Критическое состояние вещества — это точка на диаграмме состояния веществ, соответствующая критическому состоянию, то есть конечная точка кривой сосуществования фаз, в котором две (или более) фазы, находящиеся в термодинамическом равновесии, становятся тождественными по своим свойствам.

Пары, насыщающие и не насыщающие пространство

Когда свободная поверхность жидкости в сосуде граничит с открытой атмосферой, то испарение преобладает над конденсацией и уровень жидкости с течением времени понижается. Происходит это потому, что движущийся воздух уносит пар и уменьшает его плотность над поверхностью жидкости.

Опыт показывает, что уровень жидкости в герметически закрытом сосуде со временем не меняется. Это означает, что в таком сосуде процесс испарения жидкости полностью компенсируется конденсацией пара, т. е. сколько молекул вылетает из жидкости, столько же в нее и возвращается. Иначе говоря, в этом случае число молекул как в жидкости, так и в паре над ней остается неизменным, хотя между жидкостью и паром происходит непрерывный обмен молекулами. Такое равновесие между жидкостью и ее паром называют подвижным или динамическим.

Пар, который находится в состоянии подвижного равновесия со своей жидкостью, называется паром, насыщающим пространство, или насыщающим паром. Пар, который находится над поверхностью жидкости, когда испарение преобладает над конденсацией, и пар при отсутствии жидкости называется ненасыщающим паром.

Очевидно, что при определенной температуре пары какого-либо вещества имеют наибольшую возможную плотность и наибольшее возможное давление, когда они насыщают пространство.

Чтобы проверить, зависят ли плотность и давление насыщающего пара от рода вещества, сделаем такой опыт. Возьмем одинаковые закрытые колбы с водой, спиртом и эфиром, соединенные с манометрами (рис. 8.1).

Кроме воздуха, давление в колбах будут создавать и насыщающие пары налитых жидкостей. Оказывается, что наибольшее давление будет в колбе с эфиром, а наименьшее — в колбе с водой, т. е. большее давление создают насыщающие пары той жидкости, которая быстрее испаряется. Такого рода опыты показали следующее: чем меньше удельная теплота парообразования жидкости, тем быстрее она испаряется и тем больше давление и концентрация ее паров, насыщающих пространство (при одинаковой температуре различных жидкостей).

Свойства паров, насыщающих пространство

Выясним поведение насыщающего пара при изохорическом процессе. Для этого возьмем герметически закрытый сосуд с манометром. Заметим, что в сосуд перед закрыванием налита жидкость, а пространство над ней заполняется только парами этой жидкости. Поместив сосуд в водяную баню (рис. 8.2), будем нагревать его и записывать температуру и давление насыщающего пара в нем.

Закончив нагревание, начнем охлаждать сосуд и снова записывать температуру и давление пара в нем. Сравнив показания манометра при одинаковых температурах, мы увидим, что они одинаковы. Это доказывает, что давление и плотность насыщающего пара однозначно определяются его температурой. Результаты такого рода опытов приведены в табл. 8.1.

Из таблицы видно, что давление насыщающего пара зависит от его природы и быстро возрастает при повышении температуры. Если во время опыта наблюдать за уровнем жидкости в сосуде, то будет видно, что он при нагревании понижается, а при охлаждении повышается. Значит, масса и. плотность пара в сосуде при нагревании возрастают, а при охлаждении убывают. На основании изложенного заключаем, что давление насыщающего пара при нагревании увеличивается по двум причинам: во-первых, вследствие увеличения у молекул пара и, во-вторых, из-за увеличения числа молекул в единице объема пара, т. е. из-за увеличения его плотности.

Напомним, что при изохорическом нагревании идеального газа его давление увеличивается только по первой причине, поскольку масса и плотность газа остаются постоянными. На рис. 8.3 изображен типичный график зависимости давления насыщающего пара от температуры (кривая а), а ниже для сравнения показан график изохорического процесса для идеального газа, имеющего при 0°С такое же давление, как и пар (прямая б).

Из приведенных опытов следует, что закон Шарля неприменим к насыщающим парам. В основном это объясняется тем, что масса насыщающего пара при изохорическом процессе изменяется.

Рассмотрим теперь изотермический процесс. Для этого воспользуемся сосудом цилиндрической формы с небольшим количеством жидкости, устроенным так же, как в предыдущем опыте, но с подвижным поршнем (рис. 8.4, а). Если перемещать поршень вниз или вверх (рис. 8.4, б, в), то можно заметить, что, пока в сосуде остается жидкость, давление пара в сосуде остается постоянным.

Это означает, что при постоянной температуре давление насыщающего пара не зависит от объема. Следовательно, закону Бойля — Мариотта насыщающий пар не подчиняется.

Наблюдения за уровнем жидкости в сосуде показывают, что при изотермическом расширении масса насыщающего пара возрастает, а при сжатии — убывает. Учитывая, что давление пара при этом остается неизменным, можно сделать следующие выводы.

При изотермическом расширении испаряется ровно столько жидкости, сколько нужно для заполнения насыщающим паром прироста объема сосуда. При изотермическом сжатии конденсируется ровно столько насыщающего пара, сколько его было в отнятом у пара объеме. Таким образом, плотность насыщающего пара при изотермическом процессе не изменяется. Это подтверждает сказанное выше, что давление и плотность насыщающего пара зависят только от температуры и рода вещества.

Из всего изложенного следует, что законы для идеального газа к насыщающим парам неприменимы. Объясняется это в основном тем, что при любом процессе, происходящем с насыщающим паром, масса пара изменяется.

Свойства паров, не насыщающих пространство

Если нагревать сосуд с жидкостью, изображенный на рис. 8.2, до тех пор, пока жидкость в нем не исчезнет (рис. 8.2, в), то пар станет ненасыщающим. Его плотность при дальнейшем нагревании будет постоянной (объясните, почему) и давление будет уже не так быстро возрастать с увеличением температуры (рис. 8.3, верхняя часть кривой а). Однако, пока пар недалек от насыщения, влияние взаимодействия молекул все же заметно, и только при значительном нагревании ненасыщающий пар подчиняется закону Шарля.

При изотермическом расширении, описанном в предыдущем параграфе, мы заметим изменение давления пара, когда он станет ненасыщающим (рис. 8.4, г, д). Пока плотность ненасыщающего пара близка к плотности насыщающего пара, велико влияние взаимодействия молекул пара и их собственного объема и зависимость давления пара от объема отличается от закона Бойля — Мариотта. При малых плотностях ненасыщающий пар подчиняется закону Бойля — Мариотта. Следовательно, к ненасыщающему пару можно применить законы для идеального газа лишь в тех случаях, когда пар далек от насыщения.

Анализируя выводы, сделанные в двух последних параграфах, легко установить, что насыщающий пар можно превратить в ненасыщающий либо изохорическим нагреванием, либо изотермическим расширением, либо одновременно нагреванием и расширением. Наоборот, ненасыщающий пар всегда можно превратить в насыщающий либо изохорическим охлаждением, либо изотермическим сжатием, либо одновременно охлаждением и сжатием.

Опыт показывает, что, если пар не соприкасается с жидкостью, его можно охладить ниже температуры, при которой он становится насыщающим, а жидкость при этом еще не образуется. Такой пар называется пересыщенным. Объясняется это тем, что для превращения пара в жидкость нужны центры конденсации, которые могли бы стать зародышами капелек жидкости. Ими обычно служат пылинки. Центрами конденсации могут служить и ионы: они притягивают к себе молекулы пара, и образуются мельчайшие капельки, служащие центрами дальнейшей конденсации.

Оказывается, что собственный объем молекул пара практически всегда ничтожно мал по сравнению с объемом, занятым паром. Поэтому, если в пространстве находится пар какой-либо жидкости (даже и насыщающий), то это не мешает испаряться в нем другой жидкости. Общее давление паров в этом случае равно сумме давлений паров обеих жидкостей. Это свойство паров выражается законом, открытым английским ученым А. Дальтоном: давление смеси паров и газов равно сумме давлений, создаваемых каждым из них в отдельности, если между ними нет химического взаимодействия.

Процесс кипения жидкости

Вторым распространенным видом парообразования является кипение жидкостей. С помощью опытов было установлено, что, пока жидкость кипит, ее температура остается постоянной. Парообразование, которое происходит в объеме всей жидкости и при постоянной температуре, называется кипением.

Выясним особенности процесса кипения жидкости. Нальем в стеклянную колбу воду и проследим за ее нагреванием. При нагревании воды на дне и стенках колбы появляются пузырьки газа. Рассмотрим, как они возникают.

Поверхность твердого тела обладает способностью удерживать молекулы газа, которые как бы прилипают к ней. Такое «прилипание» молекул газа к молекулам поверхностного слоя твердого тела называют адсорбцией, а газ, связанный с поверхностью твердого тела, называют адсорбированным.

Далее, опыт показывает, что газы растворяются в жидкостях, причем растворимость газа уменьшается при повышении температуры жидкости. Поэтому при нагревании воды растворенный в ней воздух выделяется у стенок сосуда, присоединяясь к адсорбированному на них воздуху.

При нагревании воды количество пузырьков непрерывно увеличивается и их объем возрастает. Поскольку пузырьки находятся в воде, внутри них, кроме воздуха, имеется насыщающий водяной пар. Рост пузырьков при нагревании объясняется увеличением количества воздуха в них и возрастанием давления насыщающего пара воды. Противодействуют расширению пузырьков: внешнее давление атмосферы на поверхность жидкости, гидростатическое давление столба воды высотой от ее поверхности до места; где находится пузырек, лапласовское давление, обусловленное кривизной поверхности пузырька (§ 10.6), обратно пропорциональное радиусу пузырька. При очень малых радиусах пузырька лапласовское давление может быть больше атмосферного, а при больших радиусах им можно пренебречь. При росте пузырька лапласовское давление уменьшается, что способствует еще большему увеличению размеров пузырька.

При достаточно большом объеме пузырька действующая на него сила Архимеда отрывает его от поверхности дна и поднимает вверх, а на месте оторвавшегося пузырька остается зародыш нового пузырька (рис. 8.5, а). Так как при нагревании жидкости снизу ее верхние слои холоднее нижних, то при подъеме пузырька водяной пар в нем конденсируется, а воздух снова растворяется в воде и объем пузырька уменьшается (рис. 8.5, б).

Многие пузырьки, не достигнув поверхности воды, исчезают, а некоторые доходят до поверхности, но воздуха и пара в них к этому моменту остается очень мало. Это происходит до тех пор, пока вследствие конвекции температура во всей жид-кости не станет одинаковой.

Когда температура в жидкости выравняется, объем пузырьков при подъеме будет уже возрастать (рис. 8.5, в). Объясняется это следующим образом. Когда пузырек поднимается вверх при одинаковой температуре во всей жидкости, то давление насыщающего пара внутри пузырька остается постоянным, а гидростатическое давление уменьшается, поэтому пузырек растет. Все пространство внутри пузырька при его росте заполняется насыщающим паром.

Когда такой пузырек достигает поверхности жидкости, то давление насыщающего пара в нем практически равно атмосферному давлению на поверхности жидкости, поскольку в этот момент гидростатическое давление равно нулю, а давление воздуха в пузырьке и лапласовское давление малы и ими можно пренебречь. На поверхности жидкости пузырек лопается, а находящееся в нем значительное количество насыщающего пара выходит в окружающую среду. Описанный процесс роста пузырьков с насыщающим паром при одинаковой температуре жидкости и выделения этого пара в окружающую среду и есть кипение. Таким образом, кипение жидкости происходит при одинаковой температуре всей жидкости, когда давление насыщающего пара этой жидкости равно внешнему давлению. Температура, при которой давление насыщающих паров жидкости равно внешнему давлению на’ее поверхность, называется температурой кипения этой жидкости.

Опыт показывает, что температура кипящей жидкости и температура пара над ее поверхностью одинаковы. Это означает, что вся энергия, подводимая к жидкости в процессе ее кипения, идет только на увеличение потенциальной энергии молекул и на работу против внешних сил в процессе расширения вещества.

Зависимость температуры кипения жидкости от внешнего давления

Точка кипения. Поскольку давление насыщающего пара однозначно определяется температурой, а кипение жидкости наступает в тот момент, когда давление насыщающих паров этой жидкости равно внешнему давлению, температура кипения должна зависеть от внешнего давления. С помощью опытов легко показать, что при уменьшении внешнего давления температура кипения понижается, а при увеличении давления — повышается.

Кипение жидкости при пониженном давлении можно показать с помощью следующего опыта. В стакан наливают воду из водопровода и опускают в нее термометр. Стакан с водой помещают под стеклянный колпак вакуумной установки и включают насос. Когда давление под колпаком достаточно понизится, вода в стакане начинает кипеть. Так как на парообразование затрачивается энергия, то температура воды в стакане при кипении начинает понижаться, и при хорошей работе насоса вода наконец замерзает.

Нагревание воды до высоких температур осуществляют в котлах и автоклавах. Устройство автоклава показано на рис. 8.6, где К—предохранительный клапан, АВ — рычаг, прижимающий клапан, М — манометр.

При давлениях больше 100 атм воду нагревают до температуры выше 300°С.

Температура кипения жидкости при нормальном атмосферном давлении называется точкой кипения. Из табл. 8.1 и 8.2 видно, что давление насыщающих паров для эфира, воды и спирта в точке кипения равно 1,013 . 10 5 Па (1 атм).

Из изложенного выше следует, что в глубоких шахтах вода должна кипеть при температуре выше 100°С, а в горных местностях — ниже 100°С. Поскольку температура кипения воды зависит от высоты над уровнем моря, на шкале термометра вместо температуры можно указать ту высоту, на которой кипит вода при этой температуре. Определение высоты с помощью такого термометра называется гипсометрией.

Опыт показывает, что температура кипения раствора всегда выше, чем температура кипения чистого растворителя, и возрастает при увеличении концентрации раствора. Однако температура паров над поверхностью кипящего раствора равна температуре кипения чистого растворителя. Поэтому для определения температуры кипения чистой жидкости термометр лучше помещать не в жидкость, а в пары над поверхностью кипящей жидкости.

Процесс кипения тесно связан с наличием растворенного газа в жидкости. Если из жидкости удалить растворенный в ней газ, например, продолжительным кипячением, то можно нагревать эту жидкость до температуры, заметно превышающей температуру ее кипения. Такую жидкость называют перегретой. При отсутствии газовых пузырьков зарождению мельчайших пузырьков пара, которые могли бы стать центрами парообразования, препятствует лапласовское давление, которое при малом радиусе пузырька велико. Этим и объясняется перегрев жидкости. Когда она все же закипает, кипение происходит очень бурно.

Уравнение теплового баланса при парообразовании и конденсации

Выясним, как рассчитать количество теплоты, нужное для превращения в пар какой-либо жидкости с помощью процесса кипения. Так как жидкость кипит при точке кипения , то, если начальная температура жидкости , ее нужно сначала нагреть до , а затем выпарить. График зависимости Т от количества теплоты , подведенного к жидкости, показан на рис. 8.7.

Теплоту , нужную для нагревания жидкости до точки кипения, находят по формуле (6.2):

где т — масса жидкости, — ее удельная теплоемкость. Теплоту , необходимую для превращения жидкости в пар без изменения температуры, рассчитывают по формуле (7.1):

Следовательно, общее количество теплоты

Удельную теплоту парообразования г вещества находят из опытов с помощью уравнения теплового баланса. Покажем, как это делается, на примере определения r для воды. Для этого берут калориметр, в котором находится вода при температуре . Водяной пар, имеющий температуру =373 К, из кипятильника по трубке вводится в холодную воду калориметра, где он конденсируется. Через некоторое время трубку вынимают и измеряют конечную температуру , а затем с помощью взвешивания определяют массу введенного пара и составляют уравнение теплового баланса.

В этом опыте получают теплоту калориметр и находящаяся в нем холодная вода:

Отдают теплоту пар при конденсации и полученная из него вода при остывании от до :

Так как (считаем, что потерь тепла нет), имеем

Из этого уравнения и находят числовое значение r.

Перегретый пар и его использование в технике

Поскольку на превращение воды в пар затрачивается много энергии, водяной пар при охлаждении и конденсации может -выполнять большую работу и выделять много тепла. Энергию водяного пара широко используют для работы паровых турбин, установленных на тепловых электростанциях, на больших кораблях и т. д. В СССР для электростанций строятся паровые турбины гигантской мощности — свыше 1 млн. кВт.

Полученный в котлах водяной пар нагревают до высоких температур, а затем уже направляют в паровые турбины. Такой пар называется сухим или перегретым. Так как одновременно с температурой увеличивается и давление пара, то сильно перегретый пар называют еще паром высокого давления. Температура такого пара настолько велика, что паропровод и лопатки колеса турбины нагреваются до красного свечения. Давление пара достигает 300 атм, при этом к. п. д, турбин составляет 40—45% (к. п. д. тем больше, чем выше температура пара).

После того, как пар совершит работу в турбине, он еще имеет высокую температуру и обладает большим запасом энергии. В теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) отработанный пар по специальным

трубопроводам подается на заводы и в жилые дома для отопления. Такая система позволяет более полно использовать энергию топлива, сжигаемого в топках ТЭЦ. По теплофикации СССР занимает первое место в мире, намного опережая другие страны.

Критическое состояние вещества

Выше было объяснено, что для превращения пара в жидкость нужно повышать давление и понижать температуру. Таким путем английскому ученому М. Фа-радею удалось перевести в жидкое состояние многие вещества, которые до этого были известны только в газообразном состоянии. Однако некоторые газы долго не удавалось перевести в жидкое состояние даже при весьма больших давлениях. Теоретическое объяснение этих неудач дал русский ученый Д. И. Менделеев.

Границей, отделяющей жидкость от окружающей среды, является свободная поверхность жидкости. Наличие этой поверхности дает нам возможность точно указать, где находится жидкая фаза вещества и где газообразная. Такое резкое различие между жидкостью и ее паром в основном объясняется тем, что, вообще говоря, плотность жидкости во много раз больше, чем у ее пара. Однако если нагревать жидкость в герметически закрытом сосуде, то вследствие расширения жидкости ее плотность будет уменьшаться, а плотность паров над ее поверхностью будет возрастать. Это означает, что различие между жидкостью и ее насыщающим паром в процессе такого нагревания сглаживается и при достаточно высокой температуре должно исчезнуть совсем.

В 1861 г. Менделеев установил, что для каждой жидкости должна существовать такая температура, при которой исчезает всякое различие между жидкостью и ее паром. Менделеев назвал ее «температурой абсолютного кипения». Экспериментально исследовал процесс превращения пара в жидкость и обратно при различных давлениях английский ученый Т. Эндрюс. Он показал, что такая температура для каждой жидкости- действительно существует, и ввел для нее новый термин: критическая температура, который и используется в настоящее время.

Критической температурой вещества называется такая температура, при которой плотность жидкости и плотность ее насыщающего пара становятся одинаковыми. График изменения плотности воды и ее насыщающего пара в зависимости от температуры показан на рис. 8.8; из рисунка видно, что для воды критическая температура соответствует 374°С. Поскольку не только плотность, но и давление насыщающего пара однозначно определяется его температурой, можно построить график зависимости давления р от температуры t для насыщающего пара (рис. 8.9).

Давление насыщающего пара какого-либо вещества при его критической температуре называется критическим давлением Оно является наибольшим возможным давлением насыщающих паров этого вещества. Для воды = 22,l . 10 6 Па. Из рис. 7.2 видно, что при критической температуре удельная теплота парообразования воды равна нулю.

Это относится и к другим жидкостям. Следовательно, при критической температуре теряется всякое различие между жидкостью и ее паром, а граница между ними исчезает. Это означает, что при температуре выше вещество может существовать только в одном состоянии, которое называют газообразным, и в этом случае никаким увеличением давления превратить его в жидкость нельзя.

Если вещество находится при критической температуре и критическом давлении, то его состояние называют критическим состоянием. Объем, занимаемый веществом при критическом состоянии, называется критическим объемом . Он является наибольшим объемом, который может занимать имеющаяся масса вещества в жидком состоянии. В таблицах обычно даются значения критического объема для одного моля вещества. Значения , и (для одного моля) называются критическими параметрами вещества (табл. 8.3).

Наблюдать переход вещества через критическое состояние можно при нагревании эфира в ампуле (рис. 8.10, а — г). При изготовлении ампулы в нее вводится такая масса эфира, объем которой в критическом состоянии равен внутреннему объему ампулы. При охлаждении, когда температура становится ниже критической, эфир переходит в жидкое состояние (рис. 8.10, д, е).

Теперь видно, что принципиальной разницы между газом и паром нет. Обычно газом называют вещество в газообразном состоянии, когда его температура выше критической. Паром также называют вещество в газообразном состоянии, но когда его температура ниже критической. Следовательно, пар можно перевести в жидкость одним только увеличением давления, а газ — нельзя.

Сжижение газов и использование жидких газов в технике

Когда было установлено, что газ можно перевести в жидкое состояние, если его температура ниже критической, то, применяя все более низкие температуры, постепенно получили все газы в жидком состоянии. Последним в 1908 г. был получен жидкий гелий.

В машинах для сжижения газов используется охлаждение газа в процессе его адиабатического расширения (§6.12). Предварительно газ сильно сжимается компрессором. Выделяющееся при этом тепло отводится водяным охлаждением. Когда затем газ в процессе адиабатического расширения сам выполняет работу (за счет своей внутренней энергии), его температура сильно понижается. Та часть машины, в которой газ расширяется, выполняя внешнюю работу (например, перемещая поршень), называется детандером.

Большой вклад в разработку методов сжижения газов внес советский физик П. Л. Капица. В одной из его машин с турбо-детандером струя сжатого газа направляется на лопасти турбины; приводя- ее во вращение, газ совершает работу и охлаждается.

Заметим, что, в отличие от идеального газа, при расширении сильно сжатого реального газа его температура понижается, если даже он и не совершает внешней работы, а просто вытекает через узкое сопло. Объясняется это следующим. У сильно сжатого газа множество молекул находится в пределах сфер взаимодействия с другими молекулами. При расширении газа расстояния между молекулами увеличиваются, и при этом совершается «внутренняя» работа против сил взаимодействия между молекулами за счет их кинетической энергии.

В результате этого и падает температура. Этот метод охлаждения также используется при сжижении газов.

Когда температура газа падает ниже критической, он переходит в жидкое состояние. Сжиженный газ сливают и хранят в специальных сосудах Дьюара с двойными стенками, между которыми имеется высокий вакуум для уменьшения теплопроводности (рис. 8.11).

Чтобы уменьшить нагревание жидкости лучеиспусканием, стенки сосуда Дьюара покрывают ртутной амальгамой (как у зеркал). (Подумайте, почему сосуд о сжиженным газом нельзя плотно закрывать).

Сжижение воздуха широко используется для разделения составляющих его газов. При кипении жидкого воздуха в первую очередь из него улетучиваются газы с более низкой температурой кипения (табл. 8.4). Азот выкипает раньше кислорода, поэтому через некоторое время в сосуде Дьюара остается почти чистый жидкий кислород. Его используют в металлургии, для взрывных работ, для сжигания топлива в ракетах и т. д.

В воздухе имеется небольшое количество аргона, гелия и других инертных газов. Поскольку температуры их кипения различны, то с помощью специального аппарата — ректификационной колонки — их можно раздельно выделить из жидкого, воздуха.

Жидкие газы широко используются в промышленности и при научных исследованиях для глубокого охлаждения различных веществ. Многие свойства вещества при низких температурах сильно изменяются, например, свинец становится упругим, а резина — хрупкой. Для получения очень низких температур применяют жидкий водород или гелий, кипящий при пониженном давлении. В последнем случае можно поддерживать температуру около 1 К. Изучение свойств вещества при сверхнизких температурах привело к открытию сверхпроводимости.

Услуги по физике:

Лекции по физике:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.