Температура кипение воды при пониженном давлении

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
Штатив; Колба с водой; Спиртовка; Спички
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
Штатив; Колба с водой; Насос; Резиновый шланг
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
Штатив; Колба с водой; Спиртовка; Спички стакан с холодной водой
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.	Закипания перегретой жидкости используется в пузырьковой камере – современном приборе для регистрации частиц высокой энергии. Получение сахара из сахарного тростника или свеклы: воду из сиропа удаляют с помощью выпаривания при низком давлении. Зная температуру кипения воды можно по таблицам давления пара при разных температурах узнать атмосферное давление. Специально приспособленные для таких измерений термометры называют гипсотермометрами. Кипение при повышенном давлении широко используется на практике: в медицине для стерилизации инструментов, в пищевой промышленности для консервирования, в химической промышленности (производство гербицидов, органических полупродуктов и красителей, в процессах синтеза). Для этого используют автоклав. Ректификационное разделение нефти, жидких смесей, расплавов металлов на составные части.
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
	Рассказывают, что вождь одной из африканских деревень, чтобы определить, кто из двух подозреваемых говорит правду, приказал каждому лизнуть горячий нож. Удивительно, с помощью такого «Детектор лжи» всегда находили виновного, у лжеца пересыхало во рту, и он получал сильный ожог языка. Из истории каслинских литейщиков. (Здесь важна быстрота реакции человека). Сначала человек опускал руку в ведро с водой, а затем быстро погружал в кипящий металл и так же быстро вытаскивал руку. Рука оставалась целой. (Правда в примерах 3, 4 идет речь о пленочном кипении). Кипит ли вода внутри макарон при варке? Объясните, можно ли с помощью поршневого насоса поднять кипящую воду? Ответ обоснуйте. Сырая и кипяченая вода имеют одинаковую начальную температуру. Какая из них быстрее закипит при прочих равных условиях? Ответ обоснуйте. Почему использование скороварок особенно ценно в условиях горной местности? Интересны задачи №828, 830831, 832,833 из А.Е. Марон, Е.А. Марон, С. В. Позойский Сборник вопросов и задач Физика 7-9 к учебнику А.В. Перышкина.

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

Температуру кипения необходимо знать, потому что при ее достижении вода превращается в пар, то есть переходит из одного агрегатного состояния в другое.

Мы привыкли к тому, что в кипящей воде можно дезинфицировать посуду, варить продукты, но это не всегда так. В некоторых условиях температура жидкости будет слишком низкой для всего этого.

Суть процесса

Прежде всего надо определиться с понятием кипения. Что это такое? Это процесс, при котором вещество превращается в пар. Причем процесс этот происходит не только на поверхности, но и по всему объему вещества.

При кипении начинают образовываться пузырьки, внутри которых находится воздух и насыщенный пар. Шум закипающего чайника, кастрюли указывает на то, что пузырьки воздуха начали всплывать, затем опускаться и лопаться. Когда емкость хорошо прогреется со всех сторон, шум прекратится, значит, жидкость полностью закипела.

Процесс проходит при определенной температуре и давлении и является с точки зрения физики фазовым переходом первого рода.

Обратите внимание! Испарение может происходить при любой температуре, кипение же – при строго определенной.

В таблицах температура кипения воды или другой жидкости при нормальном атмосферном давлении приводится как одна из основных физических характеристик. Температура кипения (Тк) на самом деле равняется температуре пара, который находится в насыщенном состоянии прямо на границе между водой и воздухом. Сама вода, если быть точным, нагрета чуть-чуть больше.

На процесс кипения также ощутимо влияют:

наличие в воде примесей газа;
звуковые волны;
ионизация.

Есть и другие факторы, заставляющие образовываться пузырьки быстрее или медленнее. Следует также отметить, что у каждых веществ своя Тк. Бытует мнение, что если добавить в воду соль, то она закипит быстрее. Это действительно так, но время изменится совсем немного. Для ощутимых результатов придется добавить очень много соли, что полностью испортит блюдо.

Различные условия

При нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст., или 101 кПа, 1 атм.) вода начинает кипеть, нагревшись до 100 ℃. Это знают все.

Важно! Если внешнее давление увеличивать, то температура кипения тоже возрастет, а если уменьшать, то станет меньше.

Уравнение зависимости температуры кипения воды от давления довольно сложное. Зависимость эта не линейная. Иногда пользуются барометрической формулой для расчета, делая некоторые приближения, и уравнением Клапейрона-Клаузиуса.

Удобнее воспользоваться таблицами из справочников, в которых приведены данные, полученные экспериментальным путем. По ним можно построить график и, проведя экстраполяцию, вычислить требуемое значение.

В горах вода закипит, не успев нагреться до 100 ℃. На самой высокой вершине мира Джомолунгме (Эверест, высота над уровнем моря 8848 м) температура закипания воды равняется приблизительно 69 ℃. Но даже если опуститься немного ниже, то все равно вода будет кипеть не при ста градусах, пока мы не достигнем давления в 101 к Па. На Эльбрусе, который ниже Эвереста, чайник с водой закипит при 82 ℃ – там давление равно 0,5 атм.

Поэтому в горных условиях для приготовления пищи потребуется значительно больше времени, а некоторые продукты вообще не сварятся в воде, их придется готовить другим способом. Иногда неопытные туристы удивляются, почему яйца так долго варятся, а кипяток не обжигает. Все дело в том, что этот кипяток недостаточно нагрет.

В автоклавах и скороварках, наоборот, давление увеличивают. Это заставляет воду кипеть при более высокой температуре. Пища сильнее разогревается, и готовка происходит быстрее. Поэтому скороварки так и назвали. Нагрев до высокой температуры полезен еще и тем, что происходит дезинфекция жидкости, в ней погибают микробы.

Кипение при повышенном давлении

Повышение давления приведет к увеличению Тк воды. При 15 атмосферах кипение начнется только при 200 градусах, при 80 атм. – 300 градусов. В дальнейшем рост температуры будет очень медленным. Максимальное значение стремится к 374,15 ℃, что соответствует 218,4 атмосферам.

Кипение в вакууме

Что будет, если воздух начнет все более и более разряжаться, стремясь к вакууму? Понятно, что температура кипения тоже начнет уменьшаться. И когда же сможет закипеть вода?

Если понизить давление до 10–15 мм рт. ст. (в 50–70 раз), то температура кипения уменьшится до 10–15 ℃. Такой водой можно охладиться.

При дальнейшем снижении давления Тк будет уменьшаться и может достигнуть температуры замерзания. В этом случае в жидком состоянии вода просто не сможет существовать. Она будет переходить изо льда сразу в газ. Это случится примерно при 4,6 мм рт. ст.

Достичь абсолютного вакуума невозможно, но сильно разряженную атмосферу можно получить, если откачивать из сосуда с водой воздух. В результате такого эксперимента можно увидеть, когда именно закипает жидкость.

Давление понижается не только при откачке воздуха. Оно снижается возле быстро вращающегося винта, например, корабельного. В этом случае возле его поверхности тоже начинается кипение. Такой процесс назвали кавитацией. Во многих случаях такое явление нежелательно, но иногда оно приносит пользу. Так, кавитацию используют в биомедицине, промышленности и при очистке поверхностей ультразвуком.

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 >