Кипение при пониженном давлении и повышенном
Внимание! Администрация сайта rosuchebnik.ru не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.
- Участник: Ярославцев Максим Александрович
- Руководитель: Трубенко Фаина Ивановна
Опыт 1. А.В. Перышкин. Физика 8, § 18.
Техника безопасности | Правила безопасности при работе со спиртовкой и стеклянной посудой. | ||
Цель эксперимента | Наблюдать процесс кипения воды и описать основные явления, которые сопровождают процесс кипения воды. | ||
Гипотеза: | Процесс кипения сопровождается рядом удивительных явлений | ||
Оборудование: | Фото | ||
| | ||
Описание опыта | Результаты опыта | Объяснение | |
В лапке штатива закрепляем колбу с водой, снизу поместим спиртовку. Зажигаем спиртовку и наблюдаем за процессами, происходящими в колбе. | 1. Идет обильное испарение с поверхности жидкости, над горлышком колбы образуется туман. | 1. Пар невидимый, но при попадании в холодную среду (наружный воздух) происходит конденсация пара и образуется туман. | |
2. На внутренней поверхности стенок образуются и начинают расти пузырьки. | 2. Пузырьки содержат воздух, растворенный в воде и водяной пар, который образуется за счет испарения воды внутрь пузырьков. | ||
3. Пузырьки увеличиваются в размерах, отрываются от стенок колбы, поднимаются вверх и исчезают. | 3.В холодных непрогретых слоях воды происходит конденсация пара. | ||
4. Возникает шум предшествующий закипанию воды. | 4. Шум вызван попеременным уменьшением и увеличением пузырьков в размерах, вода постепенно полностью прогревается. | ||
5. Пузырьки всплывают на поверхность, лопаются, слышно как булькает вода, кипит. | 5.Пузырьки всплывают на поверхность под действием архимедовой силы, насыщенный пар из пузырьков выбрасывается в атмосферу. | ||
Опыт 2. Кипение воды при пониженном давлении
Жидкость закипит, если давление насыщенного пара в пузырьках будет больше суммы гидростатического давления жидкости и атмосферного давлении:
рнас. п. > ρgh + ратм.
Из этого выражения вытекает, что изменив внешнее давление над водой можно изменить температуру кипения воды: при уменьшении внешнего давления температура кипения понижается, а при увеличении давления — повышается. Докажем этот вывод на опыте.
| Техника безопасности | Правила безопасности при работе со стеклянной посудой | ||
Цель эксперимента | Наблюдать процесс кипения воды в условиях пониженного давления | ||
Гипотеза: | При уменьшении внешнего давления температура кипения понижается | ||
Опыт 2 | |||
Оборудование: | Фото | ||
| | ||
Описание опыта | Результаты опыта | Объяснение | |
А) Измеряем начальную температуру в колбе. | Начальная температура воды 30 °С. | Когда из колбы выкачиваем воздух, то давление над жидкостью уменьшается, процесс роста пузырьков начинается при меньшем давлении, что сказывается на понижение температуры кипения. | |
б) В лапке штатива закрепляем колбу с водой, закрываем резиновой пробкой со стеклянной трубкой. Соединим с помощью резинового шланга колбу с насосом. Из колбы выкачиваем воздух. | В воде образуются пузырьки, они поднимаются на поверхность воды, лопаются, вода закипает | ||
в) Измеряем температуру воды после кипения. | Конечная температура воды 29 °С (понижение температуры вызвано теплоотдачей воды окружающей среде). | ||
Опыт 3. Задача № 862 (снег заменен холодной водой)
(А.Е. Марон, Е.А. Марон, С. В. Позойский. Сборник вопросов и задач Физика 7-9 к учебнику А.В. Перышкина)
Оборудование: | Фото | ||
| | ||
Описание опыта | Результаты опыта | Объяснение | |
В колбе доведем воду до кипения. Убираем спиртовку, закрываем колбу плотно резиновой пробкой. Переворачиваем колбу с водой, надежно ее закрепляем в лапке штатива. Сверху колбу обливаем холодной водой | В воде образуются пузырьки воздуха, вода закипает. | Холодная вода охлаждает горячий воздух над водой в колбе, его давление над жидкостью уменьшается. Вода кипит при температуре ниже 100°С. | |
Применение рассматриваемого явления на практике. |
|
Природные явления | Гейзеры – одно из самых удивительных явлений природы, это периодически фонтанирующие источники горячей воды с паром. |
Интересные факты в рассматриваемом явлении | Интересная задача из задачника 861(опыт со шприцем). Ее можно продемонстрировать на оборудовании L-микро. Наблюдение кипения спирта: пробирку со спиртом помещают в сосуд с кипящей водой, фиксируют температуру кипения воды, с помощью шприца повышают давление над спиртом, на графике при этом видно увеличение температуры кипения спирта (в углу графика t кип. при обычном и повышенном давлениях). |
Кипение дистиллированной воды. Дистиллированная вода – это очищенная вода H2O, в которой практически не содержится каких-либо примесей. В чистую колбу наливаем дистиллированную воду и начинаем нагревать на медленном огне. С помощью электронного термометра измеряем температуру пара над водой (рис.1). Видим, что при температуре 100 °С вода не кипит. Убираем спиртовку, и в перегретую воду бросим кусочки мела (рис.2), на ее поверхности сразу образуются пузырьки. Видим бурное закипание воды (рис.3). рис. 1 рис.2 рис.3 | |
|
Ссылка на видео https://cloud.mail.ru/public/4k82/e7MeqkpeB (Облако Mail.Ru)
Видео содержит все фрагменты:
- Кипение воды;
- Кипение при пониженном давлении (с помощью насоса и холодной воды);
- Кипение дистиллированной воды.
Тема: Тепловые явления
Источник
Òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ — ýòî òåìïåðàòóðà, ïðè êîòîðîé ïðîèñõîäèò êèïåíèå æèäêîñòè, êîòîðàÿ íàõîäèòñÿ ïîä ïîñòîÿííûì äàâëåíèåì. Ñîãëàñíî óðàâíåíèþ Êëàïåéðîíà — Êëàóçèóñà ñ ðîñòîì äàâëåíèÿ òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ óâåëè÷èâàåòñÿ, à ñ óìåíüøåíèåì äàâëåíèÿ òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ ñîîòâåòñòâåííî óìåíüøàåòñÿ. Óçíàòü êàê òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ âîäû áóäåò çàâèñåòü îò äàâëåíèÿ âû ñìîæåòå èç òàáëèöû.
Çíà÷åíèÿ:
- tk,°C — òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ âîäû (°C);
- P — îáùåå äàâëåíèå;
- êÏà — êèëîïàñêàëü;
- àòì. — àòìîñôåðà.
P | tk,°C | |
êÏà. | àòì. | |
0,981 | 0,01 | 6,698 |
1,961 | 0,02 | 17,20 |
3,923 | 0,05 | 28,64 |
9,807 | 0,1 | 45,45 |
19,61 | 0,2 | 59,67 |
29,42 | 0,3 | 68,68 |
39,23 | 0,4 | 75,42 |
49,03 | 0,5 | 80,86 |
58,84 | 0,6 | 85,45 |
68,65 | 0,7 | 89,45 |
78,45 | 0,8 | 92,99 |
88,26 | 0,9 | 96,18 |
98,07 | 1,0 | 99,09 |
101,3 | 1,033 | 100,00 |
147,1 | 1,5 | 110,79 |
196,1 | 2,0 | 119,62 |
245,2 | 2,5 | 126,79 |
294,2 | 3,0 | 132,88 |
392,3 | 4,0 | 142,92 |
490,3 | 5,0 | 151,11 |
588,4 | 6,0 | 158,08 |
686,5 | 7,0 | 164,17 |
784,5 | 8,0 | 169,61 |
882,6 | 9,0 | 174,53 |
980,7 | 10,0 | 179,04 |
1961 | 20,0 | 211,38 |
2452 | 25,0 | 222,90 |
4903 | 50,0 | 262,70 |
9807 | 100,0 | 309,53 |
Êàëüêóëÿòîðû ïî ôèçèêå | |
| Ðåøåíèå çàäà÷ ïî ôèçèêå, ïîäãîòîâêà ê ÝÃÅ è ÃÈÀ, ìåõàíèêà òåðìîäèíàìèêà è äð. | |
| Êàëüêóëÿòîðû ïî ôèçèêå | |
Ôèçèêà 7,8,9,10,11 êëàññ, ÅÃÝ, ÃÈÀ | |
| Îñíîâíàÿ èíôîðìàöèÿ ïî êóðñó ôèçèêè äëÿ îáó÷åíèÿ è ïîäãîòîâêè â ýêçàìåíàì, ÃÂÝ, ÅÃÝ, ÎÃÝ, ÃÈÀ | |
| Ôèçèêà 7,8,9,10,11 êëàññ, ÅÃÝ, ÃÈÀ | |
Источник
Из приведенных
рассуждений ясно, что температура
кипения жидкости должна зависеть от
внешнего давления. Наблюдения подтверждают
это.
Чем
больше внешнее давление, тем выше
температура кипения. Так, в паровом
котле при давлении, достигающем 1,6 · 106
Па, вода не кипит и при температуре 200
°С. В медицинских учреждениях кипение
воды в герметически закрытых сосудах
— автоклавах (рис. 6.11) также происходит
при повышенном давлении. Поэтому
температура кипения значительно выше
100 °С. Автоклавы применяют для стерилизации
хирургических инструментов, перевязочного
материала и т. д.
Рис. 6.11
И
наоборот, уменьшая внешнее давление,
мы тем самым понижаем температуру
кипения. Под колоколом воздушного насоса
можно заставить воду кипеть при комнатной
температуре (рис. 6.12). При подъеме в горы
атмосферное давление уменьшается,
поэтому уменьшается температура кипения.
На высоте 7134 м (пик Ленина на Памире)
давление приближенно равно 4 · 104
Па (300 мм рт. ст.). Вода кипит там примерно
при 70 °С. Сварить, например, мясо в этих
условиях невозможно.
Рис. 6.12
На рисунке 6.13
изображена кривая зависимости температуры
кипения воды от внешнего давления. Легко
сообразить, что эта кривая является
одновременно и кривой, выражающей
зависимость давления насыщенного
водяного пара от температуры.
Рис. 6.13
Различие температур кипения жидкостей
У каждой жидкости
своя температура кипения. Различие
температур кипения жидкостей определяется
различием в давлении их насыщенных
паров при одной и той же температуре.
Например, пары эфира уже при комнатной
температуре имеют давление, большее
половины атмосферного. Поэтому, чтобы
давление паров эфира стало равным
атмосферному, нужно небольшое повышение
температуры (до 35 °С). У ртути же насыщенные
пары имеют при комнатной температуре
совсем ничтожное давление. Давление
паров ртути делается равным атмосферному
только при значительном повышении
температуры (до 357 °С). Именно при этой
температуре, если внешнее давление
равно 105 Па, и кипит ртуть.
Различие температур
кипения веществ находит большое
применение в технике, например при
разделении нефтепродуктов. При нагревании
нефти раньше всего испаряются наиболее
ценные, летучие ее части (бензин), которые
можно таким образом отделить от «тяжелых»
остатков (масел, мазута).
Жидкость закипает,
когда давление ее насыщенного пара
сравнивается с давлением внутри жидкости.
§ 6.6. Теплота парообразования
Требуется ли
энергия для превращения жидкости в пар?
Скорее всего да! Не так ли?
Мы отмечали (см. §
6.1), что испарение жидкости сопровождается
ее охлаждением. Для поддержания
температуры испаряющейся жидкости
неизменной к ней необходимо подводить
извне теплоту. Конечно, теплота и сама
может передаваться жидкости от окружающих
тел. Так, вода в стакане испаряется, но
температура воды, несколько более
низкая, чем температура окружающего
воздуха, остается неизменной. Теплота
передается от воздуха к воде до тех пор,
пока вся вода не испарится.
Чтобы поддерживать
кипение воды (или иной жидкости), к ней
тоже нужно непрерывно подводить теплоту,
например подогревать ее горелкой. При
этом температура воды и сосуда не
повышается, но каждую секунду образуется
определенное количество пара.
Таким
образом, для превращения жидкости в пар
путем испарения или путем кипения
требуется приток теплоты. Количество
теплоты, требующееся для превращения
данной массы жидкости в пар той же
температуры, называется теплотой
парообразования этой жидкости.
На что расходуется
подводимая к телу энергия? Прежде всего
на увеличение его внутренней энергии
при переходе из жидкого состояния в
газообразное: ведь при этом увеличивается
объем вещества от объема жидкости до
объема насыщенного пара. Следовательно,
увеличивается среднее расстояние между
молекулами, а значит, и их потенциальная
энергия.
Кроме того, при
увеличении объема вещества совершается
работа против сил внешнего давления.
Эта часть теплоты парообразования при
комнатной температуре составляет обычно
несколько процентов всей теплоты
парообразования.
Теплота
парообразования зависит от рода жидкости,
ее массы и температуры. Зависимость
теплоты парообразования от рода жидкости
характеризуется величиной, называемой
удельной
теплотой парообразования.
Удельной теплотой
парообразования данной жидкости
называется отношение теплоты
парообразования жидкости к ее массе:
(6.6.1)
где
r
— удельная теплота парообразования
жидкости; т
—
масса жидкости; Qn
— ее теплота парообразования. Единицей
удельной теплоты парообразования в СИ
является джоуль
на килограмм (Дж/кг).
Удельная
теплота парообразования воды очень
велика: 2,256·106
Дж/кг при температуре 100 °С. У других
жидкостей (спирт, эфир, ртуть, керосин
и др.) удельная теплота парообразования
меньше в 3—10 раз.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Источник
Зависимость температуры кипения от давления
Температура кипения воды равна 100 °C; можно подумать, что это неотъемлемое свойство воды, что вода, где бы и в каких условиях она ни находилась, всегда будет кипеть при 100 °C.
Но это не так, и об этом прекрасно осведомлены жители высокогорных селений.
Вблизи вершины Эльбруса имеется домик для туристов и научная станция. Новички иногда удивляются, «как трудно сварить яйцо в кипятке» или «почему кипяток не обжигает». В этих случаях им указывают, что вода кипит на вершине Эльбруса уже при 82 °C.
В чем же тут дело? Какой физический фактор вмешивается в явление кипения? Какое значение имеет высота над уровнем моря?
Этим физическим фактором является давление, действующее на поверхность жидкости. Не нужно забираться на вершину горы, чтобы проверить справедливость сказанного.
Помещая подогреваемую воду под колокол и накачивая или выкачивая оттуда воздух, можно убедиться, что температура кипения растет при возрастании давления и падает при его уменьшении.
Вода кипит при 100 °C только при определенном давлении – 760 мм Hg.
Кривая температуры кипения в зависимости от давления показана на рис. 98. На вершине Эльбруса давление равно 0,5 атм, этому давлению и соответствует температура кипения 82 °C.
А вот водой, кипящей при 10–15 мм Нg, можно освежиться в жаркую погоду. При этом давлении температура кипения упадет до 10–15 °C.
Можно получить даже «кипяток», имеющий температуру замерзающей воды. Для этого придется снизить давление до 4,6 мм Hg.
Интересную картину можно наблюдать, если поместить открытый сосуд с водой под колокол и откачивать воздух. Откачка заставит воду закипеть, но кипение требует тепла. Взять его неоткуда, и воде придется отдать свою энергию. Температура кипящей воды начнет падать, но так как откачка продолжается, то падает и давление. Поэтому кипение не прекратится, вода будет продолжать охлаждаться и в конце концов замерзнет.
Такое кипение холодной воды происходит не только при откачке воздуха. Например, при вращении гребного корабельного винта давление в быстро движущемся около металлической поверхности слое воды сильно падает и вода в этом слое закипает, т.е. в ней появляются многочисленные наполненные паром пузырьки. Это явление называется кавитацией (от латинского слова cavitas – полость).
Снижая давление, мы понижаем температуру кипения. А увеличивая его? График, подобный нашему, отвечает на этот вопрос. Давление в 15 атм может задержать кипение воды, оно начнется только при 200 °C, а давление в 80 атм заставит воду закипеть лишь при 300 °C.
Итак, определенному внешнему давлению соответствует определенная температура кипения. Но это утверждение можно и «перевернуть», сказав так: каждой температуре кипения воды соответствует свое определенное давление. Это давление называется упругостью пара.
Кривая, изображающая температуру кипения в зависимости от давления, является одновременно и кривой упругости пара в зависимости от температуры.
Цифры, нанесенные на график температуры кипения (или на график упругости пара), показывают, что упругость пара меняется очень резко с изменением температуры. При 0 °C (т.е. 273 K) упругость пара равна 4,6 мм Hg, при 100 °C (373 K) она равна 760 мм, т. е, возрастает в 165 раз. При повышении температуры вдвое (от 0 °C, т.е. 273 K, до 273 °C, т.е. 546 K) упругость пара возрастает с 4,6 мм Hg почти до 60 атм, т.е. примерно в 10000 раз.
Поэтому, напротив, температура кипения меняется с давлением довольно медленно. При изменении давления вдвое – от 0,5 атм до 1 атм, температура кипения возрастает от 82 °C (т.е. 355 K) до 100 °C (т.е. 373 K) и при изменении вдвое от 1 атм до 2 атм – от 100 °C (т.е. 373 K) до 120 °C (т.е. 393 K).
Та же кривая, которую мы сейчас рассматриваем, управляет и конденсацией (сгущением) пара в воду.
Превратить пар в воду можно либо сжатием, либо охлаждением.
Как во время кипения, так и в процессе конденсации точка не сдвинется с кривой, пока превращение пара в воду или воды в пар не закончится полностью. Это можно сформулировать еще и так: в условиях нашей кривой и только при этих условиях возможно сосуществование жидкости и пара. Если при этом не подводить и не отнимать тепла, то количества пара и жидкости в закрытом сосуде будут оставаться неизменными. Про такие пар и жидкость говорят, что они находятся в равновесии, и пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.
Кривая кипения и конденсации имеет, как мы видим, еще один смысл – это кривая равновесия жидкости и пара. Кривая равновесия делит поле диаграммы на две части. Влево и вверх (к большим температурам и меньшим давлениям) расположена область устойчивого состояния пара. Вправо и вниз – область устойчивого состояния жидкости.
Кривая равновесия пар – жидкость, т.е. кривая зависимости температуры кипения от давления или, что то же самое, упругости пара от температуры, примерно одинакова для всех жидкостей. В одних случаях изменение может быть несколько более резким, в других – несколько более медленным, но всегда упругость пара быстро растет с увеличением температуры.
Уже много раз мы пользовались словами «газ» и «пар». Эти два слова довольно равноправны. Можно сказать: водяной газ есть пар воды, газ кислород есть пар кислородной жидкости. Все же при пользовании этими двумя словами сложилась некоторая привычка. Так как мы привыкли к определенному относительно небольшому интервалу температур, то слово «газ» мы применяем обычно к тем веществам, упругость пара которых при обычных температурах выше атмосферного давления. Напротив, о паре мы говорим тогда, когда при комнатной температуре и давлении атмосферы вещество более устойчиво в виде жидкости.
Следующая глава >
Похожие главы из других книг
К квантовой теории абсолютного нуля температуры
Д. Бак, Г. Бете, В. Рицлер
(Кембридж)
«К квантовой теории абсолютного нуля температуры» и заметки, переводы которых помещены ниже:
К квантовой теории абсолютного нуля температуры
Движение нижней челюсти у крупного
К квантовой теории абсолютного нуля температуры
Ниже помещен перевод заметки» написанной известными физиками и опубликованной в «Natur-wissenschaften». Редакторы журнала «попались на удочку громких имен» и, не вдаваясь в существо написанного, направили полученный материал в
6. Математическая статистика и корреляционная зависимость
Математическая статистика – наука о математических методах систематизации и использования статистических данных для решения научных и практических задач. Математическая статистика тесно примыкает к теории
Изменение давления с высотой
С изменением высоты давление падает. Впервые это было выяснено французом Перье по поручению Паскаля в 1648 г. Гора Пью де Дом, около которой жил Перье, была высотой 975 м. Измерения показали, что ртуть в торричеллиевой трубке падает при подъеме на
Влияние давления на температуру плавления
Если изменить давление, то изменится и температура плавления. С такой же закономерностью мы встречались, когда говорили о кипении. Чем больше давление, тем выше температура кипения. Как правило, это верно и для плавления. Однако
Источник
