ТЕПЛООБМІН ПРИ КИПЕННІ І КОНДЕНСАЦІЇ

Теплообмін при кипінні

Кипіннямназивається процес інтенсивного пароутворення, що відбувається у всьому обсязі рідини, що знаходиться при температурі насичення або дещо перегрітої щодо температури насичення, з утворенням парових бульбашок. У процесі фазового перетворення поглинається теплота пароутворення. Процес кипіння зазвичай пов'язаний із підведенням теплоти до киплячої рідини.

Режими кипіння рідини.

Розрізняють кипіння рідин на твердій поверхні теплообміну, до якої ззовні підводиться теплота, і кипіння обсягом рідини.

При кипінні на твердій поверхні утворення парової фази спостерігається в окремих місцях цієї поверхні. При об'ємному кипінні парова фаза виникає спонтанно безпосередньо в обсязі рідини у вигляді окремих бульбашок пари. Об'ємне кипіння може відбуватися лише при значному перегріві рідкої фази щодо температури насичення при даному тиску, ніж кипіння на твердій поверхні. Значний перегрів може бути отриманий, наприклад, при швидкому скиданні тиску в системі. Об'ємне кипіння може мати місце за наявності в рідині внутрішніх джерел тепла.

У сучасній енергетиці та техніці зазвичай зустрічаються процеси кипіння на твердих поверхнях нагріву (поверхні труб, стінки каналів тощо). Цей вид кипіння переважно і розглядається далі.

Механізм теплообміну при бульбашковому кипінні відрізняється від механізму тепловіддачі при конвекції однофазної рідини наявністю додаткового перенесення маси речовини та теплоти паровими бульбашками з прикордонного шару обсяг киплячої рідини. Це призводить до високої інтенсивності тепловіддачі під час кипіння порівняно з конвекцією однофазної рідини.

Для виникнення процесу кипіння необхідно виконання двох умов: наявність перегріву рідини щодо температури насичення та наявність центрів пароутворення.

Перегрів рідини має максимальну величину безпосередньо у поверхні теплообміну, що обігрівається. На ній же знаходяться центри пароутворення у вигляді нерівностей стінки, бульбашок повітря, порошинок та ін. Тому утворення бульбашок пари відбувається безпосередньо на поверхні теплообміну.

Малюнок 3.1 – режими кипіння рідини в необмеженому обсязі: а) -бульбашковий; б) – перехідний; в) - плівковий

На рис. 3.1. схематично показані режими кипіння рідини у необмеженому обсязі. При бульбашковому режимікипіння (рис. 3.1,а) у міру збільшення температури поверхні нагріву t cі відповідно температурного напору число діючих центрів пароутворення зростає, процес кипіння стає все більш інтенсивним. Парові бульбашки періодично відриваються від поверхні і, спливаючи до вільної поверхні, продовжують рости обсягом.

При підвищенні температурного тиску Δ tзначно зростає потік теплоти, що відводиться від поверхні нагрівання до киплячої рідини. Вся ця теплота зрештою витрачається на утворення пари. Тому рівняння теплового балансу при кипінні має вигляд:

де Q- тепловий потік, Вт; r- теплота фазового переходу рідини, Дж/кг; G п- кількість пари, що утворюється в одиницю часу в результаті кипіння рідини та відведеної від її вільної поверхні, кг/с.

Тепловий потік Qзі збільшенням температурного напору Δ tзростає не безмежно. За деякого значення Δ tвін досягає максимального значення (Рис. 3.2), а при подальшому підвищенні tпочинає зменшуватись.

Рисунок 3.2 – Залежність щільності теплового потоку q

від температурного напору Δ tпри кипінні води у великому обсязі при атмосферному тиску: 1 підігрів до температури насичення; 2 – бульбашковий режим; 3 – перехідний режим; 4 – плівковий режим.

Дати ділянки 1 2 3 та 4

Пухирцевий режим кипіння має місце на ділянці 2 (Рис. 3.2) до досягнення максимального тепловідведення в точці qкр1 першою критичною щільністю теплового потоку. Для води при атмосферному тиску перша критична щільність теплового потоку становить Вт/м 2 ; відповідне критичне значення температурного тиску Вт/м 2 . (Ці значення відносяться до умов кипіння води при вільному русі у великому обсязі. Для інших умов та інших рідин значення будуть іншими).

При більших Δ tнастає перехідний режимкипіння (рис. 3.1, б). Він характеризується тим, що як на поверхні нагріву, так і поблизу неї бульбашки безперервно зливаються між собою, утворюються великі парові порожнини. Через це доступ рідини до самої поверхні поступово дедалі більше утрудняється. В окремих місцях поверхні з'являються «сухі» плями; їх число та розміри безперервно зростають у міру збільшення температури поверхні. Такі ділянки вимикаються з теплообміну, оскільки відведення теплоти безпосередньо до пари відбувається значно менш інтенсивно. Це визначає різке зниження теплового потоку (ділянка 3 на Рис. 3.2) і коефіцієнта тепловіддачі в області перехідного режиму кипіння.

Зрештою, при деякому температурному натиску вся поверхня нагріву покривається суцільною плівкою пари, що відтісняє рідину від поверхні. З цього моменту має місце плівковий режимкипіння (рис. 3.1, в). При цьому перенесення теплоти від поверхні нагрівання до рідини здійснюється шляхом конвективного теплообміну та випромінювання через парову плівку. Інтенсивність теплообміну у режимі плівкового кипіння досить низька (ділянка 4 на рис. 3.2). Парова плівка зазнає пульсації; пара, що періодично накопичується в ній, відривається у вигляді великих бульбашок. У момент настання плівкового кипіння теплове навантаження, що відводиться від поверхні, і відповідно кількість пари, що утворюється, мають мінімальні значення. Це відповідає рис. 3.2 точці qкр2 другий критичною щільністю теплового потоку.При атмосферному тиску для води момент початку плівкового кипіння характеризується температурним напором ≈150 °С, тобто температура поверхні t cстановить приблизно 250°С. Принаймні збільшення температурного напору дедалі більша частина теплоти передається з допомогою теплообміну випромінюванням.

Всі три режими кипіння можна спостерігати у зворотному порядку, якщо, наприклад, розпечений масивний металевий виріб опустити у воду для загартування. Вода закипає, спочатку охолодження тіла йде відносно повільно (плівкове кипіння), потім швидкість охолодження швидко наростає (перехідний режим), вода починає періодично змочувати поверхню, і найбільша швидкість зниження температури поверхні досягається в кінцевій стадії охолодження (бульбашкове кипіння). У цьому прикладі кипіння протікає у нестаціонарних умовах у часі.

На рис. 3.3 показана візуалізація бульбашкового та плівкового режимів кипіння на дроті, що електрично обігрівається, що знаходиться у воді.

Мал. 3.3 візуалізація бульбашкового та плівкового режимів кипіння на дроті, що електрично обігрівається: а) - бульбашковий і б) - плівковий режим кипіння.

Насправді часто зустрічаються також умови, коли до поверхні підводиться фіксований тепловий потік, тобто. q= Const. Це характерно, наприклад, для електричних теплових нагрівачів, тепловиділяючих елементів ядерних реакторів і, приблизно, у разі променистого обігріву поверхні від джерел з дуже високою температурою. В умовах q= const температура поверхні t cі відповідно температурний напір Δ tзалежить від режиму кипіння рідини. Виявляється, що за таких умов підведення теплоти перехідний режим стаціонарно існувати не може. Внаслідок цього процес кипіння набуває ряду важливих особливостей. При поступовому підвищенні теплового навантаження qтемпературний напір Δ tзростає відповідно до лінії бульбашкового режиму кипіння на рис. 3.2 і процес розвивається так само, як це було описано вище. Нові умови виникають тоді, коли щільність теплового потоку, що підводиться, досягає значення, яке відповідає першій критичній щільності теплового потоку. qкр1. Тепер за будь-якого незначного (навіть випадкового) підвищення величини qвиникає надлишок між кількістю теплоти, що підводиться до поверхні, і тим максимальним тепловим навантаженням. qкр1 яка може бути відведена в киплячу рідину. Цей надлишок ( q-qкр1) викликає збільшення температури поверхні, тобто починається нестаціонарне розігрів матеріалу стінки. Розвиток процесу набуває кризового характеру. За частки секунди температура матеріалу поверхні нагріву зростає на сотні градусів, і лише за умови, що стінка досить тугоплавка, криза закінчується благополучно новим стаціонарним станом, що відповідає області плівкового кипіння за дуже високої температури поверхні. На рис. 3.2 цей кризовий перехід від бульбашкового режиму кипіння до плівкового умовно показаний стрілкою як «перескок» з кривою бульбашкового кипіння на лінію плівкового кипіння при тій же тепловій навантаженні qкр1. Однак зазвичай це супроводжується розплавленням та руйнуванням поверхні нагріву (її перепалом).

Друга особливість полягає в тому, що якщо відбулася криза та встановився плівковий режим кипіння (поверхня не зруйнувалася), то при зниженні теплового навантаження плівкове кипіння зберігатиметься, тобто зворотний процес тепер відбуватиметься по лінії плівкового кипіння (рис. 3.2). Лише при досягненні qкр2 рідина починає знову в окремих точках періодично досягати (змочувати) поверхню нагріву. Відведення теплоти зростає і перевищує підведення теплоти, внаслідок чого виникає швидке охолодження поверхні, яке також має кризовий характер. Відбувається швидка зміна режимів і встановлюється стаціонарне бульбашкове кипіння. Цей зворотний перехід (друга криза) на рис. 3.2 також умовно показаний стрілкою як «перескок» з кривою плівкового кипіння на лінію бульбашкового кипіння при q = qкр2.

Отже, в умовах фіксованого значення густини теплового потоку q, що підводиться до поверхні нагріву, обидва переходи від бульбашкового до плівкового і назад мають кризовий характер. Вони відбуваються при критичних густинах теплового потоку qкр1 та qкр2 відповідно. У умовах перехідний режим кипіння стаціонарно існувати неспроможна, він є нестійким.

На практиці широко застосовуються методи відведення теплоти при кипінні рідини, що рухається всередині труб або каналів різної форми. Так, процеси генерації пари здійснюються за рахунок кипіння води, що рухається всередині котельних труб. Теплота до поверхні труб підводиться від розпечених продуктів згоряння палива за рахунок випромінювання та конвективного теплообміну.

Для процесу кипіння рідини, що рухається всередині обмеженого об'єму труби (каналу), описані вище умови залишаються чинними, але разом з цим з'являється ряд нових особливостей.

Вертикальна труба. Труба або канал є обмеженою системою, в якій при русі киплячої рідини відбуваються безперервне збільшення парової і зменшення рідкої фаз. Відповідно до цього змінюється і гідродинамічна структура потоку, як за довжиною, так і поперечним перерізом труби. Відповідно, змінюється і тепловіддача.

Спостерігається три основні області з різною структурою потоку рідини по довжині вертикальної труби під час руху потоку знизу вгору (рис. 3.4): I– область підігріву (економайзерна ділянка, до перерізу труби, де Т с = Т н); II- область кипіння (випарна ділянка, від перерізу, де Т с = Т н, і ж<iн, до перерізу, де Т с = Т н, і див→iн); III– область підсихання вологої пари.

Випарна ділянка включає області з поверхневим кипінням насиченої рідини.

На рис. 3.4 схематично показано структуру такого потоку. Ділянка 1 відповідає підігріву однофазної рідини до температури насичення (економайзерна ділянка). На ділянці 2 відбувається поверхневе бульбашкове кипіння, при якому тепловіддача збільшується в порівнянні з ділянкою 2. На ділянці 3 має місце емульсійний режим, при якому двофазний потік складається з рідини і рівномірно розподілених у ній порівняно невеликих бульбашок, які надалі зливаються, утворюючи великі бульбашки -пробки, порівняні з діаметром труби. При пробковому режимі (ділянка 4) пар рухається у вигляді окремих великих бульбашок-пробок, розділених прошарками парорідкістної емульсії. Далі на ділянці 5 в ядрі потоку суцільною масою рухається волога пара, а біля стінки труби - тонкий кільцевий шар рідини. Товщина цього шару рідини поступово зменшується. Ця ділянка відповідає кільцевому режиму кипіння, який закінчується при зникненні рідини на стінці. На ділянці 6 відбувається підсушування пари (підвищення ступеня сухості пари). Оскільки процес кипіння завершено, то тепловіддача знижується. Надалі, внаслідок збільшення питомого обсягу пари, швидкість пари збільшується, що веде до деякого збільшення тепловіддачі.

Рис.3.4 – Структура потоку під час кипіння рідини всередині вертикальної труби

Збільшення швидкості циркуляції при заданих q з, Довжина труби і температури на вході призводить до зменшення ділянок з розвиненим кипінням і збільшення довжини економайзерної ділянки; зі збільшенням q зпри заданій швидкості, навпаки, довжина ділянок із розвиненим кипінням збільшується, а довжина економайзерної ділянки зменшується.

Горизонтальні та похилі труби.При русі двофазного потоку всередині труб, розташованих горизонтально або з невеликим нахилом, крім зміни структури потоку по довжині, має місце значна зміна структури по периметру труби. Так, якщо швидкість циркуляції та вмісту пари в потоці невеликі, спостерігається розшарування двофазного потоку на рідку фазу, що рухається в нижній частині труби, і парову, що рухається у верхній частині її (рис. 3.5, а). При подальшому збільшенні парозмісту та швидкості циркуляції поверхня розділу між парової та рідкої фазами набуває хвильового характеру, і рідина гребенями хвиль періодично змочує верхню частину труби. З подальшим збільшення вмісту пари та швидкості хвильовий рух на межі розділу фаз посилюється, що призводить до часткового викидання рідини у парову область. В результаті двофазний потік набуває характеру течії, спочатку близький до коркового, а потім - кільцевого.

Мал. 3.5 – Структура потоку під час кипіння рідини всередині горизонтальної труби.

а- Розшарований режим кипіння; б- стрижневий режим; 1 – пара; 2 - Рідина.

При кільцевому режимі по всьому периметру труби встановлюється рух тонкого шару рідини, в ядрі потоку переміщається парорідинна суміш (рис. 3.5, б). Проте й у разі повної осьової симетрії у структурі потоку немає.

якщо інтенсивність підведення теплоти до стінок труби досить висока, то процес кипіння може відбуватися також при перебігу в трубі, недогрітій до температури насичення рідини, Такий процес виникає, коли температура стінки t cперевищує температуру насичення t s.він охоплює прикордонний шар рідини у стінки. Парові бульбашки, які у холодне ядро ​​потоку, швидко конденсуються. Цей вид кипіння називають кипінням із недогрівом.

Відведення теплоти в режимі бульбашкового кипіння є одним із найбільш досконалих методів охолодження поверхні нагріву. Він знаходить широке застосування у технічних пристроях.

3.1.2. Теплообмін при бульбашковому кипінні.

Спостереження показують, що зі збільшенням температурного напору Δ t = t c-t s, а також тиску рна поверхні нагрівання збільшується кількість активних центрів пароутворення. У результаті дедалі більше бульбашок безперервно з'являється, росте і відривається від поверхні нагрівання. Внаслідок цього збільшуються турбулізація та перемішування пристінного прикордонного шару рідини. У процесі зростання на поверхні нагріву бульбашки також інтенсивно забирають теплоту з прикордонного шару. Все це сприяє покращенню тепловіддачі. У цілому нині процес бульбашкового кипіння носить досить хаотичний характер.

Дослідження показують, що на технічних поверхнях нагрівання кількість центрів пароутворення залежить від матеріалу, будови та мікрошорсткості поверхні, наявності неоднорідності складу поверхні та адсорбованого поверхнею газу (повітря). Помітний вплив мають різні нальоти, окисні плівки, а також будь-які інші включення.

Спостереження показують, що в реальних умовах центрами пароутворення зазвичай служать окремі елементи нерівності та мікрошорсткості поверхні (переважно різні поглиблення та западини).

Зазвичай на нових поверхнях число центрів пароутворення вище, ніж тих же поверхнях після тривалого кипіння. Здебільшого це пояснюється наявністю адсорбованого поверхнею газу. Згодом газ поступово видаляється, він змішується з парою, що знаходиться в бульбашках, що ростуть, і виноситься в паровий простір. Процес кипіння та тепловіддача стабілізуються в часі та за інтенсивністю.

На умови утворення парових бульбашок великий вплив має поверхневий натяг на межі розділу рідини та пари.

Внаслідок поверхневого натягу тиск пари всередині бульбашки рп вище тиску навколишньої рідини рж. Їхня різниця визначається рівнянням Лапласа

де σ-поверхневий натяг; R- Радіус бульбашки.

Рівняння Лапласа висловлює умову механічної рівноваги. Воно показує, що поверхневий натяг на зразок пружної оболонки «стискає» пар у бульбашці, причому тим сильніше, чим менше його радіус. R.

Залежність тиску пари в бульбашці від його розміру накладає особливості на умову теплової або термодинамічної рівноваги малих бульбашок. Пара в бульбашці і рідина на його поверхні знаходяться в рівновазі, якщо поверхня рідини має температуру, рівну температурі насичення при тиску пари в бульбашці, t s ( рд). Ця температура вища, ніж температура насичення при зовнішньому тиску рідини t s ( рж). Отже, для здійснення теплової рівноваги рідина навколо бульбашки має бути перегріта на величину t s ( рп)- t s ( рж).

Наступна особливість полягає в тому, що ця рівновага виявляється нестійким. Якщо температура рідини трохи перевищить рівноважне значення, то станеться випаровування частини рідини всередину бульбашок і його радіус збільшиться. При цьому згідно з рівнянням Лапласа тиск пари в бульбашці знизиться. Це спричинить нове відхилення від рівноважного стану. Бульбашка почне необмежено рости. Також при незначному зниженні температури рідини частина пари сконденсується, розмір бульбашки зменшиться, тиск пари в ньому підвищиться. Це спричинить подальше відхилення від рівноважних умов, тепер уже в інший бік. У результаті бульбашка повністю сконденсується і зникне.

Отже, у перегрітій рідині не будь-які випадково виниклі маленькі бульбашки мають здатність до подальшого зростання, а тільки ті, радіус яких перевищує значення, що відповідає розглянутим вище умовам нестійкої механічної та теплової рівноваги. Це мінімальне значення

де похідна є фізичною характеристикою даної речовини, вона визначається рівнянням Клапейрона - Клаузиса

тобто виражається через інші фізичні постійні: теплоту фазового переходу r, щільність пари ρ пта рідини ρ жта абсолютну температуру насичення T s.

Рівняння (3-2) показує, що якщо в окремих точках поверхні нагріву з'являються парові зародки, то здатність до подальшого мимовільного зростання мають лише ті з них, радіус кривизни яких перевищує значення R min. Оскільки зі зростанням Δ tвеличина R minзнижується, рівняння (3-2) пояснює

експериментально спостерігається факт збільшення числа центрів пароутворення у разі підвищення температури поверхні.

Збільшення числа центрів пароутворення зі зростанням тиску також пов'язане із зменшенням R minбо при підвищенні тиску величина p′sзростає, а σ знижується. Розрахунки показують, що для води, що кипить при атмосферному тиску, при Δ t= 5 ° С R min= 6,7 мкм, а за Δ t= 25 ° С R min= 1,3 мкм.

Спостереження, проведені із застосуванням швидкісної кінозйомки, показують, що при фіксованому режимі кипіння частота утворення парових бульбашок виявляється неоднаковою як у різних точках поверхні, так і в часі. Це надає процесу кипіння складного статистичного характеру. Відповідно швидкості росту та відривні розміри різних бульбашок також характеризуються випадковими відхиленнями біля деяких середніх величин.

Після досягнення бульбашкою певного розміру він відривається від поверхні. Відривний розмірвизначається в основному взаємодією сил тяжіння, поверхневого натягу та інерції. Остання величина є динамічною реакцією, що виникає в рідині внаслідок швидкого зростання бульбашок у розмірах. Зазвичай ця сила перешкоджає відриву бульбашок. Крім того, характер розвитку та відриву бульбашок великою мірою залежить від того, змочує рідина поверхню або не змочує. Змочує здатність рідини характеризується крайовим кутом θ, який утворюється між стінкою та вільною поверхнею рідини. Чим більше θ, тим гірша здатність рідини, що змочує. Прийнято вважати, що за θ<90° (рис. 3.6, а), рідина змочує поверхню, а при θ >90° - не змочує. Значення крайового кута залежить від природи рідини, матеріалу, стану та чистоти поверхні. Якщо кипляча рідина змочує поверхню нагріву, то парові бульбашки мають тонку ніжку і від поверхні легко відриваються (рис. 3.7, а). Якщо ж рідина не змочує поверхню, то парові бульбашки мають широку ніжку (рис. 3.7, б) і відриваються по перешийку, або пароутворення відбувається по всій поверхні.

Все, що оточує нас у повсякденному житті, можна уявити у вигляді фізичних та хімічних процесів. Ми постійно виробляємо масу маніпуляцій, які виражаються формулами та рівняннями, навіть не підозрюючи про це. Одним із таких процесів є кипіння. Це явище, яке використовують абсолютно всі господині під час приготування їжі. Воно здається нам абсолютно звичайним. Але погляньмо на процес кипіння з погляду науки.

Кипіння – це що таке?

Ще зі шкільного курсу фізики відомо, що речовина може бути в рідкому та газоподібному стані. Процес трансформації рідини у стан пари - кипіння. Це відбувається лише при досягненні або перевищенні певного температурного режиму. Бере участь у цьому процесі та тиск, його необхідно обов'язково враховувати. Кожна рідина має власну температуру кипіння, яка запускає процес утворення пари.

У цьому полягає суттєва різниця між кипінням і випаром, що відбувається за будь-якого температурного режиму рідини.

Як відбувається кипіння?

Якщо ви колись кип'ятили воду в скляному посуді, то спостерігали за утворенням бульбашок на стінках ємності в процесі нагрівання рідини. Вони утворюються завдяки тому, що в мікротріщинах посуду накопичується повітря, яке при нагріванні починає розширюватися. Пухирці складаються з пар рідини, що знаходяться під тиском. Ці пари називають насиченими. У міру нагрівання рідини збільшується тиск у бульбашках повітря і вони збільшуються у розмірах. Звичайно, що вони починають підніматися нагору.

Але якщо рідина ще не досягла температури кипіння, то у верхніх шарах бульбашки охолоджуються, тиск знижується і вони виявляються на дні ємності, де знову нагріваються і піднімаються вгору. Цей процес знайомий кожній господині, вода ніби починає шуміти. Як тільки температура рідини у верхніх та нижніх шарах порівнюється, бульбашки починаються підніматися на поверхню та лопатися – відбувається кипіння. Це можливо тільки тоді, коли тиск усередині бульбашок стає однаковим із тиском самої рідини.

Як ми вже згадували, кожна рідина має свій температурний режим, коли починається процес закипання. Причому протягом усього процесу температура речовини залишається незмінною, вся виділена енергія витрачається на пароутворення. Тому у недбайливих господарок згоряють каструлі - весь їхній вміст википає і починає нагріватися сама ємність.

Температура кипіння знаходиться в прямо пропорційній залежності від тиску, що надається на всю рідину, точніше на її поверхню. У шкільному курсі фізики зазначено, що вода починає кипіти при температурі сто градусів за Цельсієм. Але мало хто пам'ятає, що це твердження правильне лише в умовах нормального тиску. За норму прийнято вважати величину сто один кілопаскаль. Якщо збільшити тиск, то кипіння рідини відбуватиметься за іншої температури.

Цю фізичну властивість використовують виробники сучасних побутових приладів. Прикладом може бути скороварка. Всім господарями відомо, що в подібних пристроях їжа готується набагато швидше, ніж у звичайних каструлях. З чим це пов'язано? З тиском, що утворюється у скороварці. Воно вдвічі перевищує норму. Тому і кипіння води відбувається приблизно за сто двадцять градусів за Цельсієм.

Якщо ви будь-коли були в горах, то спостерігали зворотний процес. На висоті вода починає закипати при 90 градусах, що суттєво ускладнює процес приготування їжі. З цими труднощами добре знайомі місцеві жителі та альпіністи, які проводять у горах увесь вільний час.

Ще трохи про кипіння

Багато хто чув такий вираз, як "точка кипіння" і, мабуть, здивувалися, що ми його не згадали у статті. Насправді ми його вже описали. Не поспішайте перечитувати текст. Справа в тому, що у фізиці точка та температура процесу кипіння вважаються ідентичними.

У науковому світі поділ у даній термінології проводиться лише у разі змішування різних рідких речовин. У такій ситуації визначається саме точка кипіння, причому найменша з усіх можливих. Саме вона береться за норму для всіх складових частин суміші.

Вода: цікаві факти про фізичні процеси

У лабораторних дослідах фізики завжди беруть рідину без домішок та створюють абсолютно ідеальні зовнішні умови. Але в житті все відбувається трохи інакше, адже ми часто підсолюємо воду або додаємо в неї різні приправи. Якою буде температура кипіння в цьому випадку?

Солона вода вимагає вищої температури для закипання, ніж прісна. Це пов'язано з домішками натрію та хлору. Їхні молекули стикаються між собою, і на їх нагрівання потрібно значно вища температура. Існує певна формула, що дає змогу обчислити температуру кипіння солоної води. Врахуйте, що шістдесят грамів солі на один літр води збільшують температуру кипіння на десять градусів.

А чи може кипіти вода у вакуумі? Вчені довели, що може. Ось тільки температура кипіння в цьому випадку має досягати межі трьохсот градусів за Цельсієм. Адже у вакуумі тиск становить лише чотири кілопаскалі.

Всі ми кип'ятимо воду в чайнику, тому знайомі з таким неприємним явищем, як накип. Що це таке і чому вона утворюється? Насправді все просто: прісна вода має різний рівень жорсткості. Вона визначається кількістю домішок у рідині, найчастіше у ній містяться різні солі. У процесі кип'ятіння вони трансформуються в осад і у великих кількостях перетворюються на накип.

Чи може кипіти спирт?

Кипіння спирту використовується в процесі самогоноваріння і називається дистиляцією. Цей процес залежить від кількості води в спиртовому розчині. Якщо взяти за основу чистий етиловий спирт, то температура його кипіння буде наближена до 78 градусів за Цельсієм.

Якщо ви додаєте до спирту воду, то температура кипіння рідини збільшується. Залежно від концентрації розчину він закипатиме в проміжку від сімдесяти восьми до ста градусів за Цельсієм. Природно, що в процесі кипіння спирт перетвориться на пару за більш короткий часовий інтервал, ніж вода.

Спливають, і що міститься в них насич. пар переходить у парову фазу над рідиною. Кипіння – одне з фундам. фіз. явищ, що використовується у мн. процесах хім. технології. Особливість останніх полягає в широкому застосуванні розчинів і сумішей разл. в-в ролі робочих тел. Складна термогідродинаміка кипіння чистих рідин і розчинів надає істот. вплив на конструкції та габаритні розміри технол. апаратів. Робота, що витрачається на збільшення обсягу і поверхневої енергії сферич. міхура радіуса R визначається за ф-ле: L 0 =-(4/3) p R 3 D p+4 p Л 2 s де D p - різниця тисків у міхурі та навколишньої рідини, Па; а коеф. поверхневого натягу, Н/м. Мінім. радіус парового міхура (зародка) R хв =2Т кип s/, де r п - щільність пари, кг/м 3 ; r - теплота пароутворення, Дж/кг (Т ж і Т кіп пояснені нижче). Місцями, в яких брало виникають зародки парової фази, можуть служити газоподібні включення, тверді частинки, що знаходяться в рідині, мікровпадини на пов-тях нагрівання та ін. Робота, необхідна для утворення парової "плями" на стінці та межі розділу пар - рідина: L=L 0 (0,5+0,75cos Q-0,25cos 3 Q), де Q - Крайовий кут змочування. При Q =180° робота L=0, тобто. на абс. змочується пов-сті утворюється сферичний міхур, як і в обсязі рідини. Зі зниженням тиску зменшується щільність пари, збільшується мінім. радіус утворення зародків, пов-сть нагрівання збіднюється центрами генерації парових бульбашок. Це призводить до нестабільного кипіння, при якому відбувається конвективний рух перегрітої рідини, що змінюється бурхливим закипанням, ініційованим однією або дек. мікровпадинами відповідного радіусу. Зі зниженням т-ри при скипанні рідини ці мікровпадини "вимикаються", і знову повторюється цикл перегріву рідини, що рухається конвективно. Т-ра, при якій відбувається кипіння рідини , що знаходиться під постійним тиском (напр., атмосферним), зв. т-рой кипіння (Т кип). Як T кип приймають т-ру насич. пара (т-ру насичення) над плоскою пов-стю рідини, що кипить при даному тиску. Т-ра кипіння при атм. тиск наводиться зазвичай як одна з осн. фіз.-хім. показників хімічно чистого в-ва. Зі зростанням тиску Т кип збільшується (див. Клапейрона - Клаузіуса рівняння). Гранична Т кіп - критич. т-ра в-ва (див. Критичні явища). Зниження Т кип зі зменшенням зовніш. тиску є основою визначення барометрич. тиску. Розрізняють об'ємне та поверхневе кипіння. Об'ємне кипіння-утворення парових бульбашок усередині маси рідини, що знаходиться в перегрітому, або метастабільному, стані при Т ж > Т кип, де Т ж - т-ра перегрітої рідини. Таке кипіння реалізується у т. зв. апаратах об'ємного закипання, ефективних для знешкодження та утилізації агресивних рідин, зокрема дистилерних у содовому виробництві. Поверхневе кипіння-пароутворення на пов-сті нагрівання, що має т-ру Т н> Т кип. Таке кипіння можливе й у разі, коли т-ра осн. маси рідини Т ж<Т кип, но в окрестности пов-сти нагрева образовался пограничный слой, перегретый до т-ры, превышающей Т кип. Осн. виды поверхностного кипения - пузырьковое и пленочное. Пухирцеве кипіння виникає при помірних теплових потоках на мікровпадинах пов-сті, що змочується рідиною. Пара генерується на діючих центрах пароутворення у вигляді ланцюжків пухирів. Завдяки циркуляції рідини, що безпосередньо контактує з пов-стю нагріву, забезпечується висока інтенсивність тепловіддачі - в даному випадку коеф. тепловіддачі a [Вт/(м 2 ). К)] пропорційний щільності теплового потоку q(Вт/м 2) ступенем ~0,7. Плівкове кипіння виникає на незмочуваних пов-стях нагрівання (напр., кипіння в скляній трубці); на змочуваних пов-стях бульбашкове кипіння перетворюється на плівкове (перша криза кипіння) при досягненні першої критич. густини теплового потоку q кр,1 . Інтенсивність тепловіддачі при плівковому кипінні значно менша, ніж при бульбашковому, що обумовлено малими значеннями коеф. теплопровідності l [Вт/(м . К)] і густини пари в порівнянні з їх значеннями для рідини . При ламінарному русі пара в плівці a ~q -O,25 при турбулентному русі інтенсивність тепловіддачі мало залежить від щільності теплового потоку і розмірів нагрівача. Підвищення тиску призводить до зростання а обох випадках. Руйнування плівкового кипіння і відновлення бульбашкового (друга криза кипіння) на змочуваних пов-стях відбувається при другій критич. густини теплового потоку q кр,2[q кр.1 (рис. 1). Кризи кипіння визначаються переважно. гідродинаміч. механізмом втрати стійкості структури пристінного двофазного прикордонного шару Критерій гідродинамічний. стійкості кипіння має вигляд: , де Dr різниця щільностей рідини та пари. У першому наближенні при кипінні у великому обсязі насич. однорідної малов'язкої рідини k = const (для води, спирту і ряду ін середовищ k ~ 0,14-0,16). У рідині, осн. маса до-рой недогріта до т-ри кипіння на величину v = Т кип -Т ж, параметр q кp ~ q кр, 10 (l + 0,1 ar п -0,75 К -1),

Мал. 1. Залежність щільності теплового потоку від різниці температур

D Т=Т і -Т кип при кипінні у великому обсязі вільно конвектуючої рідини: 1 - бульбашковий режим; 2 - перехідний режим, що характеризується зміною бульбашкової структури на пов-сті нагрівання суцільним паровим шаром (плівкою), від якого відриваються великі парові бульбашки; 3 - плівковий режим, при якому відбувається також радіаційна тепловіддача від пов-сті нагрівання до рідини через паровий шар; Пряма лінія характеризує третю кризу кипіння. де q кр,10 - густина теплового потоку при v=0, r п - відношення щільностей пари і рідини, К = r / C p v - тепловий критерій фазового переходу, С р - масова теплоємність рідини, ДжДкг. До). При низьких тисках можлива третя криза кипіння у формі безпосереднього переходу від режиму конвективного руху рідини до розвиненого плівкового кипіння. Цей перехід має ланцюговий кавітаційний механізм і реалізується при різницях т-р на пов-сті нагрівання та кипіння, що задовольняють умові: де l ж і r ж - соотв. теплопровідність та щільність перегрітої рідини, g - прискорення вільн. падіння. Четверта криза кипіння пов'язана з виникненням термодинамічних. нестійкості рідкої фази при досягненні деяких критич. пов-сті нагрівання. Критич. щільності теплових потоків при кипінні в каналах істотно залежать від їх форм і розмірів, швидкості перебігу рідини та вмісту потоку. Універсальні закономірності тут поки що не встановлені. За вільн. розтіканні рідини по гарячій пов-сті виникає т. зв. сфероїдальний стан - рідина зависає над пов-стю нагріву під впливом динаміч. опору пари, що утворюється (рис. 2). Час повного випаровування даного початкового об'єму рідини визначається т-рою нагрівача.

Мал. 2. Форми випаровування рідини, вільно розтікається по гарячій пов-сті: а в краплі, що змочує не сильно нагріту пов-сть, відбувається бульбашкове кипіння; б т-ра стіни підвищилася, і крапля набуває сферичної форми; при збільшенні т-ри пов-сти нагрівання крапля зависає в паровому шарі; г - зі зростанням обсягу крапля набуває форми плоского сфероїда; д зважений у паровому шарі великий сфероїд, з-poro пар евакуюється через куполоподібні бульбашки.

У технол. У процесах використовуються обидва види поверхневого кипіння. Напр., плівкове кипіння реалізується при рідинному загартуванні металлич. виробів. Проектування теплообмінних апаратів з примусом, завданням теплового потоку (з виділенням джоулевої теплоти, теплоти р-ції спонтанного розпаду ядерного палива, в парогенераторах і т.п.) проводиться в розрахунку на бульбашковий режим кипіння теплоносія. Виникнення плівкового кипіння, напр. при скиданні тиску може викликати аварійну ситуацію. Термогідродинаміка кипіння розчинів і чистих рідин істотно різна. Так, для деяких розчинів і емульсій критич. щільність теплового потоку залежить від

Кипіння – процес переходу речовини з рідкого до газоподібного стану (пароутворення в рідині). Кипіння не є випаровуванням: воно відрізняється тим, що може відбуватися тільки при певному тиску та температурі.

Кип'ятіння - нагрівання води до температури кипіння.

Кипіння води є складним процесом, який відбувається в чотири стадії. Розглянемо приклад кипіння води у відкритій скляній посудині.

На першій стадіїкипіння води на дні судини з'являються невеликі бульбашки повітря, які можна помітити і на поверхні води з боків.

Ці бульбашки утворюються внаслідок розширення невеликих бульбашок повітря, що у дрібних тріщинах судини.

На другій стадіїспостерігається збільшення обсягу бульбашок: дедалі більше бульбашок повітря рветься поверхню. Усередині бульбашок знаходиться насичена пара.

Як тільки підвищується температура, зростає тиск насичених бульбашок, внаслідок чого вони збільшуються у розмірі. Як наслідок, підвищується діюча бульбашки архімедова сила.

Саме завдяки цій силі бульбашки прагнуть поверхні води. Якщо верхній шар води не встиг прогрітися до 100 градусів С(а це і є температура кипіння чистої води без домішок), то бульбашки опускаються вниз більш гарячі шари, після чого вони знову спрямовуються назад на поверхню.

Зважаючи на те, що бульбашки постійно зменшуються і збільшуються в розмірі, всередині судини виникають звукові хвилі, які створюють характерний для кипіння шум.

На третій стадіїна поверхню води піднімається безліч бульбашок, що спочатку викликає невелике помутніння води, яка потім «блідне». Цей процес триває недовго і має назву "кипіння білим ключем".

Зрештою, на четвертій стадіїкипіння вода починає інтенсивно вирувати, з'являються великі бульбашки, що лопаються, і бризки (як правило, бризки означають, що вода сильно перекипіла).

З води починає утворюватися водяна пара, при цьому вода видає специфічні звуки.

Чому «цвітуть» стіни та «плачуть» вікна? Дуже часто в цьому винні будівельники, які неправильно розрахували точку роси. Читайте статтю щоб дізнатися, наскільки це важливе фізичне явище, і як позбавитися від зайвої вогкості в будинку?

Яку користь може принести тала вода для того, хто бажає схуднути? Про це ви дізнаєтеся, виявляється, худнути можна без особливих зусиль!

Температура пари під час кипіння води ^

Пара – це газоподібний стан води. Коли пара надходить у повітря, то вона, як і інші гази, чинить на неї певний тиск.

У процесі пароутворення величина температури пари та води залишатиметься постійною доти, доки не випарується вся вода. Таке явище пояснюється тим, що вся енергія (температура) спрямована на перетворення води на пару.

В даному випадку утворюється суха насичена пара. Високодисперсні частинки рідкої фази у такій парі відсутні. Також пара може бути насиченим вологим та перегрітим.

Насичена пара з вмістом зважених високодисперсних частинок рідкої фази, які рівномірно розподілені по всій масі пари, називається вологою насиченою парою.

На початку закипання води утворюється саме така пара, яка потім переходить у суху насичену. Пар, температура якого більша за температуру киплячої води, а точніше перегріту пару, можна отримати тільки з використанням спеціального обладнання. При цьому така пара буде близька за своїми характеристиками до газу..

Температура кипіння солоної води

Температура кипіння солоної води перевищує температуру кипіння прісної води. Як наслідок солона вода закипає пізніше прісною. У солоній воді є іони Na+ і Cl-, які займають певну область між молекулами води.

У солоній воді молекули води приєднуються до іонів солі – цей процес має назву «гідратація». Зв'язок між молекулами води значно слабший за зв'язок, що утворився в процесі гідратації.

Тому при кипінні з молекул прісної води пароутворення відбувається швидше.

На закипання води з розчиненою сіллю потрібно більше енергії, якою в цьому випадку виступає температура.

У міру збільшення температури молекули в солоній воді починаються рухатися швидше, але при цьому їх стає менше, тому вони стикаються рідше. В результаті утворюється менше пари, тиск якого нижче, ніж у пари прісної води.

Для того щоб у солоній воді тиск став вищим за атмосферний і почався процес кипіння, необхідна більш висока температура. При додаванні 60 г солі у воду об'ємом 1 літр температура кипіння збільшиться на 10 С.

Олег

А тут помилилися на 3 порядки «Питома теплота випаровування води дорівнює 2260 Дж/кг». Правильно кДж, тобто. у 1000 разів більше.

Настя

Чим пояснюється висока температура кипіння?
Через що вода кипить за високої температури?

IamJiva

Перегріта пара, це пара з температурою вище 100С(ну якщо ви не в горах чи вакуумі, а за нормальних умов), її отримують пропускаючи пар через розпечені трубки, або простіше — від киплячого розчину солі або лугу(небезпечно — луг міцніший за Na2CO3(наприклад поташ — K2CO3 чому залишки NaOH за день-два стають не небезпечними для очей, на відміну від окарбонатівшихся на повітрі залишків KOH) омиляє очі, не забудьте надіти плавальні окуляри!), але розчини такі киплять поштовхами, потрібні кипилки і тонкий шар на дні, воду можна додавати при википанні, википає лише вона.
так із солоної води можна отримати при кипінні пар з температурою близько 110С, не гірше такого ж з гарячої 110С труби, пара ця містить лише воду і нагріта, яким способом вона не пам'ятає, але на 10С має «запас ходу» в порівнянні з парою із чайника прісної води.
Його можна називати сухим, т.к. зігрівання (контактуючи як у трубі, або навіть випромінюванням, властивим не тільки сонцю а й будь-якому тілу певною (температурно залежною) ступенем) якийсь предмет, пара може охолодившись до 100С все ще залишатися газом, і тільки подальше охолодження нижче 100С викличе його конденсацію в краплю води, і майже вакуум(тиск насиченої пари води близько 20мм рт ст з 760мм рт ст(1 атм), тобто в 38 разів нижче атмосферного тиску, це відбувається і з неперегрітою, насиченою парою з температурою 100С в сосуді, що прогрівся (чайник з носика якого валить пара), і не тільки з водою, а з будь-якою киплячою речовиною, наприклад медичний ефір кипить вже при температурі тіла, і може кипіти в колбі в долоні, з шийки якої «фонтануватимуть» її пари, що помітно заломлюють світло, якщо тепер другою долонею закрити колбу, і прибрати нагрівання нижньої долоні, замінивши її підставкою з температурою нижче 35С, ефір перестане кипіти, а його насичена пара, що виштовхнула при кипінні все повітря з колби, сконденсується в краплю ефіру, створивши вакуум не сильніше ніж той від якого ефір закипає, тобто приблизно рівний тиску насиченої пари ефіру при температурі найхолоднішої точки всередині колби, або приєднаної до неї без витоків другої судини або шланга з закритим далеким кінцем, так влаштований прилад Кріофор, що демонструє принцип холодної стінки, як солодка липучка захоплює всі молекули пари в системі. («вакуумний спирт» так женуть, без нагрівання)

Процес кипіння водискладається з трьох стадій:
- початок першої стадії - проскакування з дна чайника або будь-якої іншої судини, в якій вода доводиться до кипіння, крихітних бульбашок повітря та появи на поверхні води нових утворень бульбашок. Поступово кількість таких бульбашок збільшується.

- на другий стадії кипіння водивідбувається масовий стрімкий підйом бульбашок вгору, що викликає спочатку легке помутніння води, яке потім перетворюється на «побіління», у якому вода зовні нагадує струмінь джерела. Це явище називається кипінням білим ключемі вкрай недовго.

- третя стадія супроводжується інтенсивними процесами бурління води, появи на поверхні великих бульбашок, що лопаються, і бризок. Велика кількість бризок означає, що вода сильно перекипіла.

До речі, якщо Ви любите попити чайку, заварену на чистій природній воді, то для цього можна зробити замовлення, не виходячи з дому, на сайті, наприклад: http://www.aqualeader.ru/. Після чого компанія з доставки води привезе її додому.

Прості спостерігачі вже давно звернули увагу на те, що всі три стадії кипіння води супроводжуються різними звуками. Вода першої стадії видає ледь помітний тонкий звук. У другій стадії звук переходить у шум, що нагадує гул бджолиного рою. На третій стадії звуки окропу втрачають рівномірність і стають різкими і гучними, хаотично наростаючи.

Усе стадії кипіння водилегко перевіряються досвідом. Почавши нагрівати воду у відкритій скляній ємності та періодично заміряючи температуру, через короткий проміжок часу ми почнемо спостерігати бульбашки, що покривають дно та стінки ємності.

Давайте докладніше зупинимося на бульбашці, що виникає біля дна. Поступово нарощуючи обсяг, бульбашка збільшує і площу зіткнення з водою, що прогрівається, яка ще не досягла високої температури. В результаті цього пари і повітря, що знаходяться всередині бульбашки, охолоджуються, внаслідок чого тиск їх зменшується, і тяжкість води лопає бульбашка. Саме в цей момент вода видає характерний для закипання звук, що виникає через зіткнення води з дном ємності в тих місцях, де лопаються бульбашки.

У міру наближення температури в нижніх шарах води до 100 градусів Цельсія внутрішньоміхурцевого тиску зрівнюється з тиском води на них, внаслідок чого бульбашки поступово розширюються. Збільшення обсягу бульбашок призводи і до збільшення дії на них сили, що виштовхує, під дією якої найбільш об'ємні бульбашки відриваються від стінок ємності і стрімко піднімаються вгору. У тому випадку, якщо верхній шар води ще не досяг 100 градусів, то бульбашка, потрапляючи в холоднішу воду, втрачає частину водяної пари, що конденсуються і йдуть у воду. При цьому бульбашки знову зменшуються у розмірі та опускаються вниз під дією сили тяжіння. Біля дна вони знову набирають об'єм і піднімаються вгору, і саме ці зміни бульбашок у розмірах створюють характерний шум води, що закипає.

До моменту, коли весь об'єм води досягає 100 градусів, бульбашки, що піднімаються, вже не зменшуються в розмірі, а лопаються на самій поверхні води. При цьому відбувається викид пари назовні, що супроводжується характерним бульканням - це означає, що вода кипить. Температура, коли він рідина досягає кипіння, залежить від тиску, яке відчуває її вільна поверхню. Чим більший цей тиск – тим більша потрібна температура, і навпаки.

Те, що вода закипає при 100 градусів Цельсія– загальновідомий факт. Але варто врахувати, що така температура справедлива лише за умови нормального атмосферного тиску (близько 101 кілопаскалю). Зі збільшенням тиску температура, коли він рідина досягає кипіння, теж зростає. Наприклад, у каструлях-скороварках їжа вариться під тиском, що наближається до 200 кілопаскалів, при якому температура кипіння води становить 120 градусів. У воді з такою температурою варення протікає набагато швидше, ніж при звичайній температурі кипіння - звідси і така назва каструлі.

Відповідно, зниження тиску знижує і температуру кипіння води. Наприклад, жителі гірських районів, що мешкають на висоті 3 кілометрів, домагаються кипіння води швидше за мешканців рівнин - всі стадії кипіння води відбуваються швидше, оскільки для цього необхідно всього 90 градусів при тиску 70 кілопаскалей. Але зварити, наприклад, куряче яйце жителі гір не можуть, оскільки мінімальна температура, за якої білок згортається – якраз 100 градусів за Цельсієм.