Temperatura ključanja. Koja je tačka ključanja alkohola? Tačka ključanja u normalnim uslovima

Vrenje je proces promjene agregacijskog stanja tvari. Kada govorimo o vodi, mislimo na promjenu iz tečnog stanja u stanje pare. Važno je napomenuti da ključanje nije isparavanje, koje se može dogoditi čak i na sobnoj temperaturi. Također ga ne treba brkati s ključanjem, što je proces zagrijavanja vode do određene temperature. Sada kada smo razumjeli koncepte, možemo odrediti na kojoj temperaturi voda ključa.

Proces

Proces transformacije agregatnog stanja iz tečnog u gasovito je složen. I iako ljudi to ne vide, postoje 4 faze:

U prvoj fazi na dnu zagrijane posude formiraju se mali mjehurići. Mogu se vidjeti i sa strane ili na površini vode. Nastaju zbog širenja mjehurića zraka, koji su uvijek prisutni u pukotinama posude u kojoj se zagrijava voda.
U drugoj fazi povećava se volumen mjehurića. Svi počinju juriti na površinu, jer se unutar njih nalazi zasićena para, koja je lakša od vode. Kako temperatura zagrijavanja raste, pritisak mjehurića raste i oni se guraju na površinu zahvaljujući dobro poznatoj Arhimedovoj sili. U tom slučaju možete čuti karakterističan zvuk ključanja, koji nastaje zbog stalnog širenja i smanjenja veličine mjehurića.
U trećoj fazi na površini se može vidjeti veliki broj mjehurića. Ovo u početku stvara zamućenost u vodi. Ovaj proces se popularno naziva “bijelo vrenje” i traje kratko.
U četvrtoj fazi voda intenzivno ključa, na površini se pojavljuju veliki mjehurići koji pucaju, a mogu se pojaviti i prskanje. Najčešće, prskanje znači da je tečnost dostigla svoju maksimalnu temperaturu. Para će početi da izlazi iz vode.

Poznato je da voda ključa na temperaturi od 100 stepeni, što je moguće tek u četvrtoj fazi.

Temperatura pare

Para je jedno od stanja vode. Kada uđe u vazduh, on, kao i drugi gasovi, vrši određeni pritisak na njega. Tokom isparavanja, temperatura pare i vode ostaje konstantna sve dok cijela tekućina ne promijeni svoje agregacijsko stanje. Ovaj fenomen se može objasniti činjenicom da se tokom ključanja sva energija troši na pretvaranje vode u paru.

Na samom početku ključanja nastaje vlažna, zasićena para, koja postaje suha nakon što sva tečnost ispari. Ako njegova temperatura počne prelaziti temperaturu vode, tada se takva para pregrijava, a njene karakteristike će biti bliže plinu.

Kipuća slana voda

Zanimljivo je znati na kojoj temperaturi ključa voda sa visokim sadržajem soli. Poznato je da bi trebao biti veći zbog sadržaja Na+ i Cl- jona u sastavu, koji zauzimaju prostor između molekula vode. To čini hemijski sastav vode sa soli drugačijim od obične svježe tekućine.

Činjenica je da se u slanoj vodi odvija reakcija hidratacije - proces dodavanja molekula vode ionima soli. Veze između molekula slatke vode slabije su od onih koje nastaju tokom hidratacije, pa će tečnosti sa rastvorenom soli potrebno duže da proključa. Kako temperatura raste, molekuli u slanoj vodi se kreću brže, ali ih je manje, zbog čega se sudari među njima rjeđe događaju. Kao rezultat, proizvodi se manje pare, a njen pritisak je stoga niži od pritiska pare slatke vode. Posljedično, više energije (temperature) će biti potrebno za potpuno isparavanje. U prosjeku, da prokuha jedan litar vode koja sadrži 60 grama soli, potrebno je povećati stepen ključanja vode za 10% (odnosno za 10 C).

Zavisnost ključanja od pritiska

Poznato je da će u planinama, bez obzira na hemijski sastav vode, tačka ključanja biti niža. Ovo se dešava zato što je atmosferski pritisak niži na nadmorskoj visini. Normalnim pritiskom se smatra 101,325 kPa. Sa njim, tačka ključanja vode je 100 stepeni Celzijusa. Ali ako se popnete na planinu, gdje je pritisak u prosjeku 40 kPa, tada će voda tamo ključati na 75,88 C. Ali to ne znači da ćete morati provesti skoro upola manje vremena kuhajući u planinama. Toplinska obrada hrane zahtijeva određenu temperaturu.

Vjeruje se da će na nadmorskoj visini od 500 metara voda ključati na 98,3 C, a na visini od 3000 metara tačka ključanja će biti 90 C.

Imajte na umu da se ovaj zakon primjenjuje iu suprotnom smjeru. Ako stavite tečnost u zatvorenu tikvicu kroz koju para ne može da prođe, onda kako temperatura raste i nastaje para, pritisak u ovoj boci će se povećati, a ključanje pri povećanom pritisku će se desiti na višoj temperaturi. Na primjer, pri pritisku od 490,3 kPa, tačka ključanja vode će biti 151 C.

Kipuća destilovana voda

Destilirana voda je pročišćena voda bez ikakvih nečistoća. Često se koristi u medicinske ili tehničke svrhe. S obzirom da u takvoj vodi nema nečistoća, ona se ne koristi za kuvanje. Zanimljivo je napomenuti da destilovana voda ključa brže od obične slatke vode, ali tačka ključanja ostaje ista - 100 stepeni. Međutim, razlika u vremenu ključanja bit će minimalna - samo djelić sekunde.

U čajniku

Ljudi se često pitaju na kojoj temperaturi ključa voda u kotliću, jer to su uređaji koje koriste za prokuvavanje tečnosti. Uzimajući u obzir činjenicu da je atmosferski pritisak u stanu jednak standardnom, a voda koja se koristi ne sadrži soli i druge nečistoće kojih ne bi trebalo biti, tada će i tačka ključanja biti standardna - 100 stepeni. Ali ako voda sadrži sol, tada će tačka ključanja, kao što već znamo, biti viša.

Zaključak

Sada znate na kojoj temperaturi voda ključa i kako atmosferski pritisak i sastav tečnosti utiču na ovaj proces. U tome nema ništa komplikovano, a takve informacije djeca dobijaju u školi. Glavna stvar je zapamtiti da kako se pritisak smanjuje, temperatura ključanja tekućine također se smanjuje, a kako se povećava, ona se također povećava.

Na internetu možete pronaći mnogo različitih tablica koje ukazuju na ovisnost točke ključanja tekućine od atmosferskog tlaka. Dostupni su svima i aktivno ih koriste školarci, studenti, pa čak i nastavnici na institutima.

PRENOS TOPLOTE PRILIKOM KVANJA I KONDENZACIJE

PRENOS TOPLOTE PRILIKOM KVANJA

Kipuće je proces intenzivnog isparavanja koji se odvija u cijelom volumenu tekućine koja je na temperaturi zasićenja ili je blago pregrijana u odnosu na temperaturu zasićenja, uz stvaranje mjehurića pare. Tokom procesa fazne transformacije, toplota isparavanja se apsorbuje. Proces ključanja obično uključuje dodavanje topline kipućoj tekućini.

Načini ključanja tekućine.

Pravi se razlika između ključanja tečnosti na čvrstoj površini za izmjenu topline, kojoj se toplina dovodi izvana, i ključanja u masi tekućine.

Prilikom ključanja na čvrstoj površini, na određenim mjestima na ovoj površini uočava se stvaranje parne faze. Sa zapreminskim ključanjem, parna faza nastaje spontano direktno u zapremini tečnosti u obliku pojedinačnih mehurića pare. Zapreminsko ključanje se može dogoditi samo kada se tečna faza pregrije značajnije u odnosu na temperaturu zasićenja pri datom tlaku nego ključanje na čvrstoj površini. Do značajnog pregrijavanja može doći, na primjer, kada se pritisak u sistemu brzo oslobodi. Zapreminsko ključanje može nastati kada postoje unutrašnji izvori toplote u tečnosti.

U savremenoj energetici i tehnologiji najčešće se susreću procesi ključanja na čvrstim grejnim površinama (površine cevi, zidovi kanala itd.). O ovoj vrsti ključanja se uglavnom govori u nastavku.

Mehanizam prenosa toplote tokom ključanja jezgra razlikuje se od mehanizma prenosa toplote tokom konvekcije jednofazne tečnosti po prisustvu dodatnog prenosa mase materije i toplote mehuricima pare iz graničnog sloja u zapreminu tečnosti koja ključa. Ovo dovodi do visokog intenziteta prenosa toplote tokom ključanja u poređenju sa konvekcijom jednofazne tečnosti.

Da bi došlo do procesa ključanja moraju biti ispunjena dva uslova: prisustvo pregrijavanja tečnosti u odnosu na temperaturu zasićenja i prisustvo centara isparavanja.

Pregrijavanje tekućine ima maksimalnu vrijednost direktno na zagrijanoj površini izmjenjivača topline. Na njemu se nalaze centri formiranja pare u vidu neravnina zidova, mjehurića zraka, čestica prašine itd. Stoga se stvaranje mjehurića pare događa direktno na površini izmjenjivača topline.

Slika 3.1 – režimi ključanja tečnosti u neograničenoj zapremini: a) mehurasti; b) – prelazni; c) - film

Na sl. 3.1. shematski prikazuje režime ključanja tekućine u neograničenoj zapremini. At bubble mod ključanja (slika 3.1,a) kako se temperatura grijaće površine povećava t c te se shodno tome povećava broj aktivnih centara isparavanja, a proces ključanja postaje sve intenzivniji. Mjehurići pare se povremeno odvajaju od površine i, plutajući na slobodnu površinu, nastavljaju rasti u volumenu.

Sa povećanjem temperature pritisak Δ t toplotni tok, koji se odvodi sa grijaće površine do kipuće tekućine, značajno se povećava. Sva ta toplota se na kraju koristi za stvaranje pare. Dakle, jednadžba toplotnog bilansa za ključanje ima oblik:

Gdje Q- protok toplote, W; r- toplota faznog prelaza tečnosti, J/kg; G str- količina pare koja nastaje u jedinici vremena kao rezultat ključanja tečnosti i uklonjena sa njene slobodne površine, kg/s.

Protok toplote Q sa povećanjem temperaturne razlike Δ t ne raste beskonačno. Na određenoj vrijednosti Δ t dostiže svoju maksimalnu vrijednost (slika 3.2), a sa daljim povećanjem Δ t počinje da se smanjuje.

Slika 3.2 – Zavisnost gustine toplotnog toka q

od temperaturne razlike Δ t pri ključanju vode u velikoj zapremini pri atmosferskom pritisku: 1- zagrijavanje do temperature zasićenja; 2 – bubble mod; 3 – prelazni režim; 4 – filmski režim.

Dajte područja 1 2 3 i 4

Režim ključanja s mjehurićima se odvija u dijelu 2 (slika 3.2) sve dok se ne postigne maksimalno odvođenje topline na tački q kr1, zv prva kritična gustina toplotnog toka. Za vodu pri atmosferskom pritisku, prva kritična gustina toplotnog toka je ≈ W/m2; odgovarajuću kritičnu vrijednost temperaturne razlike W/m 2. (Ove vrijednosti se odnose na uslove kipuće vode sa slobodnim kretanjem u velikoj zapremini. Za druge uslove i druge tečnosti, vrednosti će biti drugačije).

Pri većem Δ t dolazi prelazni režim ključanje (slika 3.1, b). Karakterizira ga činjenica da se i na samoj grijaćoj površini i u njenoj blizini mjehurići neprekidno spajaju jedni s drugima i stvaraju velike parne šupljine. Zbog toga pristup tečnosti samoj površini postepeno postaje sve teži. Na određenim mjestima na površini pojavljuju se „suhe“ mrlje; njihov broj i veličina se kontinuirano povećavaju kako se temperatura površine povećava. Takva područja su, takoreći, isključena iz razmjene topline, jer se odvođenje topline direktno na paru događa mnogo manje intenzivno. Ovo određuje nagli pad toplotnog toka (odeljak 3 na slici 3.2) i koeficijenta prenosa toplote u oblasti prelaznog režima ključanja.

Konačno, pri određenom padu temperature, cijela grijaća površina je prekrivena neprekidnim filmom pare, gurajući tekućinu od površine. Od sada se to održava filmski mod ključanje (slika 3.1, V). U ovom slučaju, prijenos topline s površine grijanja na tekućinu se vrši konvektivnom izmjenom topline i zračenjem kroz parni film. Intenzitet prenosa toplote u režimu filmskog ključanja je prilično nizak (odeljak 4 na slici 3.2). Parni film doživljava pulsacije; para koja se povremeno nakuplja u njemu odvaja se u obliku velikih mjehurića. U trenutku ključanja filma, toplinsko opterećenje koje se uklanja s površine i, shodno tome, količina stvorene pare su minimalni. Ovo odgovara sl. 3,2 bod q kr2, zv druga kritična gustina toplotnog toka. Pri atmosferskom pritisku za vodu, trenutak početka filmskog ključanja karakteriše temperaturna razlika od ≈150 °C, tj. temperatura površine t c je približno 250°C. Kako se temperaturna razlika povećava, sve više i više topline se prenosi zbog izmjene topline zračenjem.

Sva tri načina ključanja mogu se promatrati obrnutim redoslijedom ako se, na primjer, usijani masivni metalni proizvod potopi u vodu radi gašenja. Voda ključa, u početku se hlađenje tijela odvija relativno sporo (filmsko ključanje), zatim se brzina hlađenja brzo povećava (prijelazni režim), voda počinje periodično kvasiti površinu, a najveća brzina pada površinske temperature postiže se u završna faza hlađenja (nukleatno ključanje). U ovom primjeru, ključanje se dešava u nestabilnim uslovima tokom vremena.

Na sl. Slika 3.3 prikazuje vizualizaciju režima ključanja mehurića i filma na električno zagrijanoj žici u vodi.

pirinač. 3.3 vizualizacija režima ključanja mehurića i filma na električno zagrijanoj žici: a) - mjehurić i b) režim ključanja filma.

U praksi se često susreću i uslovi kada se na površinu dovodi fiksni toplotni tok, tj. q= konst. To je tipično, na primjer, za termoelektrične grijače, gorive elemente nuklearnih reaktora i, otprilike, u slučaju radijacijskog zagrijavanja površine iz izvora s vrlo visokom temperaturom. U uslovima q= konstantna temperatura površine t c i, shodno tome, temperaturna razlika Δ t zavisi od načina ključanja tečnosti. Ispostavlja se da u takvim uslovima opskrbe toplotom prelazni režim ne može postojati stacionarno. Kao rezultat toga, proces ključanja poprima niz važnih karakteristika. Uz postupno povećanje toplinskog opterećenja q temperaturna razlika Δ t raste u skladu sa linijom režima ključanja nukleata na Sl. 3.2, a proces se razvija na isti način kao što je gore opisano. Novi uslovi nastaju kada isporučena gustina toplotnog toka dostigne vrednost koja odgovara prvoj kritičnoj gustini toplotnog fluksa q cr1. Sada, sa bilo kojim blagim (čak i slučajnim) povećanjem vrijednosti q postoji višak između količine topline dovedene na površinu i tog maksimalnog toplinskog opterećenja q kr1, koji se može povući u kipuću tečnost. Ovaj višak ( q-q cr1) uzrokuje porast temperature površine, odnosno počinje nestacionarno zagrijavanje materijala zida. Razvoj procesa poprima krizni karakter. U djeliću sekunde, temperatura materijala grijaće površine raste za stotine stupnjeva, i samo ako je zid dovoljno vatrostalan, kriza se sretno završava u novom stacionarnom stanju, koje odgovara području ključanja filma na vrlo visokoj površini. temperatura. Na sl. 3.2 ovaj krizni prijelaz iz režima ključanja nukleata u režim ključanja filma konvencionalno je prikazan strelicom kao "skok" sa krivulje ključanja jezgra na liniju ključanja filma pri istom termičkom opterećenju q cr1. Međutim, to je obično praćeno topljenjem i uništavanjem površine grijanja (sagorijevanjem).

Druga značajka je da ako dođe do krize i uspostavi režim ključanja filma (površina nije uništena), onda će se sa smanjenjem toplinskog opterećenja održati kipljenje filma, tj. sada će se dogoditi obrnuti proces duž filma. linija ključanja (slika 3.2). Tek po dolasku q kr2 tečnost počinje ponovo na pojedinačnim tačkama kako bi povremeno dostigla (navlažila) površinu za grejanje. Odvođenje topline se povećava i premašuje dovod topline, što rezultira brzim hlađenjem površine, što je također kriznog karaktera. Dolazi do brze promjene režima i uspostavlja se stacionarno nukleatno vrenje. Ova obrnuta tranzicija (druga kriza) na Sl. 3.2 je takođe konvencionalno prikazan strelicom kao "skok" sa krivulje ključanja filma na liniju ključanja jezgra na q = q cr2.

Dakle, pod uslovima fiksne vrednosti gustine toplotnog toka q, dovedene na grijaću površinu, oba prijelaza s mjehurića na film i obrnuto su krizne prirode. Javljaju se pri kritičnim gustinama toplotnog toka q kr1 i q kr2 respektivno. Pod ovim uslovima, prelazni režim ključanja ne može postojati postojano, on je nestabilan.

U praksi se široko koriste metode odvođenja topline tokom ključanja tekućine koja se kreće unutar cijevi ili kanala različitih oblika. Tako se procesi stvaranja pare odvijaju zbog ključanja vode koja se kreće unutar kotlovskih cijevi. Toplota se na površinu cijevi dovodi iz vrućih produkata sagorijevanja goriva uslijed zračenja i konvektivne izmjene topline.

Za proces ključanja tekućine koja se kreće unutar ograničenog volumena cijevi (kanala), gore opisani uvjeti ostaju na snazi, ali se istovremeno pojavljuju brojne nove karakteristike.

Vertikalna cijev. Cijev ili kanal je ograničen sistem u kojem, kako se ključa tečnost kreće, dolazi do kontinuiranog povećanja parne faze i smanjenja tečne faze. Shodno tome, hidrodinamička struktura toka se mijenja, kako po dužini tako i po poprečnom presjeku cijevi. U skladu s tim se mijenja i prijenos topline.

Postoje tri glavna područja sa različitim strukturama protoka fluida duž dužine vertikalne cijevi kada se tok kreće odozdo prema gore (slika 3.4): I– prostor za grijanje (odjeljak ekonomajzera, do dijela cijevi, gdje T s = T n); II– područje ključanja (odsjek isparavanja, od dijela gdje T s = T n, i<i n, na dio gdje T s = T n, i cm→i n); III– područje gdje se vlažna para suši.

Odjeljak za isparavanje uključuje područja s površinskim ključanjem zasićene tekućine.

Na sl. 3.4 shematski prikazuje strukturu takvog toka. Odjeljak 1 odgovara zagrijavanju jednofazne tekućine do temperature zasićenja (odjeljak ekonomajzera). U sekciji 2 dolazi do površinskog nukleatnog ključanja, pri čemu se prenos toplote povećava u odnosu na sekciju 2. U sekciji 3 dolazi do emulzijskog režima u kome se dvofazno strujanje sastoji od tečnosti i relativno malih mehurića ravnomerno raspoređenih u njoj, koji naknadno spajaju se u velike mjehuriće - čepovi srazmjerni promjeru cijevi. U načinu rada utikača (odjeljak 4), para se kreće u obliku zasebnih velikih mjehurića čepa, odvojenih slojevima emulzije tečnosti za paru. Nadalje, u sekciji 5, mokra para se kreće kao neprekidna masa u jezgru protoka, a tanak prstenasti sloj tekućine kreće se na zidu cijevi. Debljina ovog sloja tečnosti postepeno se smanjuje. Ovaj dio odgovara prstenastom režimu ključanja, koji se završava kada tečnost nestane sa zida. U odeljku 6, para se suši (povećava stepen suvoće pare). Pošto je proces ključanja završen, prenos toplote se smanjuje. Nakon toga, zbog povećanja specifične zapremine pare, brzina pare se povećava, što dovodi do blagog povećanja prijenosa topline.

Slika 3.4 – Struktura protoka kada tečnost ključa unutar vertikalne cevi

Povećanje brzine cirkulacije u datoj q sa, dužina cijevi i ulazna temperatura dovodi do smanjenja područja s razvijenim ključanjem i povećanja dužine dijela ekonomajzera; sa povećanjem q sa pri datoj brzini, naprotiv, dužina sekcija sa razvijenim ključanjem se povećava, a dužina sekcije ekonomajzera smanjuje.

Horizontalne i nagnute cijevi. Kada se dvofazni tok kreće unutar cijevi smještenih vodoravno ili s blagim nagibom, pored promjena u strukturi toka po dužini, dolazi do značajne promjene strukture duž perimetra cijevi. Dakle, ako su brzina cirkulacije i sadržaj pare u toku niski, uočava se razdvajanje dvofaznog toka na tečnu fazu koja se kreće u donjem dijelu cijevi, a parnu fazu koja se kreće u gornjem dijelu cijevi (sl. 3.5, A). Daljnjim povećanjem sadržaja pare i brzine cirkulacije, granica između parne i tekuće faze poprima valni karakter, a tekućina periodično vlaži gornji dio cijevi s valovitim vrhovima. Sa daljim povećanjem sadržaja pare i brzine, talasno kretanje na granici se intenzivira, što dovodi do delimičnog izbacivanja tečnosti u područje pare. Kao rezultat toga, dvofazni tok poprima karakter protoka, prvo blizak čepnom toku, a zatim prstenastom.

Rice. 3.5 – Struktura protoka kada tečnost ključa unutar horizontalne cevi.

A– slojeviti režim ključanja; b– način rada štapa; 1 - para; 2 – tečnost.

U prstenastom načinu rada uspostavlja se kretanje tankog sloja tekućine duž cijelog perimetra cijevi, a smjesa para-tečnost se kreće u jezgru toka (slika 3.5, b). Međutim, u ovom slučaju se ne opaža potpuna aksijalna simetrija u strukturi protoka.

ako je intenzitet dovoda toplote na zidove cevi dovoljno visok, tada do procesa ključanja može doći i tokom strujanja u cevi koja nije zagrejana na temperaturu zasićenja tečnosti.Ovaj proces se dešava kada temperatura zida t c prelazi temperaturu zasićenja ts. pokriva granični sloj tečnosti direktno na zidu. Mjehurići pare koji ulaze u hladno jezgro toka brzo se kondenzuju. Ova vrsta ključanja se zove ključanje uz podgrijavanje.

Odvođenje toplote u režimu nukleatnog ključanja jedna je od najnaprednijih metoda za hlađenje grejne površine. Nalazi široku primjenu u tehničkim uređajima.

3.1.2. Prenos toplote tokom ključanja jezgra.

Zapažanja pokazuju da sa povećanjem temperature pritisak Δ t = t c-ts, kao i pritisak R povećava se broj aktivnih centara isparavanja na površini grijanja. Kao rezultat, sve veći broj mjehurića se kontinuirano pojavljuje, raste i odvaja od grijaće površine. Kao rezultat, povećava se turbulizacija i miješanje graničnog sloja tekućine u blizini zida. Prilikom rasta na površini grijanja, mjehurići također intenzivno apsorbiraju toplinu iz graničnog sloja. Sve to pomaže poboljšanju prijenosa topline. Općenito, proces ključanja nukleata je prilično haotičan.

Istraživanja pokazuju da na tehničkim grijaćim površinama broj centara isparavanja ovisi o materijalu, strukturi i mikrohrapavosti površine, prisutnosti heterogenosti u sastavu površine i plina (vazduha) adsorbiranog na površini. Različite naslage, oksidni filmovi, kao i bilo koje druge inkluzije imaju primjetan učinak.

Zapažanja pokazuju da su u realnim uslovima centri isparavanja obično pojedinačni elementi površinske hrapavosti i mikrohrapavosti (poželjno različite udubljenja i udubljenja).

Tipično, na novim površinama broj centara isparavanja je veći nego na istim površinama nakon dužeg ključanja. To je uglavnom zbog prisutnosti plina adsorbiranog na površini. S vremenom se plin postepeno uklanja, miješa se s parom u rastućim mjehurićima i prenosi u prostor pare. Proces ključanja i prenos toplote se stabilizuju u vremenu i intenzitetu.

Na uslove za stvaranje mehurića pare u velikoj meri utiče površinska napetost na granici između tečnosti i pare.

Zbog površinske napetosti, pritisak pare unutar mjehura R n veći od pritiska okolnog fluida R i. Njihova razlika je određena Laplaceovom jednačinom

gdje je σ površinski napon; R- radijus balona.

Laplaceova jednačina izražava uslov mehaničke ravnoteže. Pokazuje da površinski napon, poput elastične ljuske, "komprimira" paru u mjehuriću, a što je manji polumjer, to je jači. R.

Ovisnost tlaka pare u mjehuru od njegove veličine nameće posebne karakteristike uvjetu toplinske ili termodinamičke ravnoteže malih mjehurića. Para u mjehuru i tekućina na njegovoj površini su u ravnoteži ako površina tekućine ima temperaturu jednaku temperaturi zasićenja pri tlaku pare u mjehuru, t s ( R P). Ova temperatura je viša od temperature zasićenja pri vanjskom pritisku u tekućini t s ( R i). Stoga, da bi se postigla termička ravnoteža, tečnost oko mjehurića mora biti pregrijana za određenu količinu t s ( R P)- t s ( R i).

Sljedeća karakteristika je da se ispostavlja da je ova ravnoteža nestabilno. Ako temperatura tekućine malo prijeđe ravnotežnu vrijednost, tada će dio tekućine ispariti u mjehuriće i njen polumjer će se povećati. U ovom slučaju, prema Laplaceovoj jednačini, pritisak pare u mjehuru će se smanjiti. To će dovesti do novog odstupanja od ravnotežnog stanja. Balon će početi da raste bez ograničenja. Također, uz blagi pad temperature tekućine, dio pare će se kondenzirati, veličina mjehurića će se smanjiti, a tlak pare u njemu će se povećati. To će za sobom povući dalje odstupanje od ravnotežnih uslova, sada u drugom pravcu. Kao rezultat toga, mjehur će se potpuno kondenzirati i nestati.

Posljedično, u pregrijanoj tekućini ne mogu dalje rasti bilo koji slučajno formirani mali mjehurići, već samo oni čiji radijus prelazi vrijednost koja odgovara uvjetima nestabilne mehaničke i termičke ravnoteže o kojima smo gore raspravljali. Ovo minimalna vrijednost

gdje je derivacija fizička karakteristika date supstance, određena je Clapeyron-Clausis jednačinom

tj. izražava se kroz druge fizičke konstante: toplinu faznog prijelaza r, gustina pare ρ p i tečnosti ρ i apsolutnu temperaturu zasićenja T s.

Jednadžba (3-2) pokazuje da ako se na pojedinim točkama grijaće površine pojavljuju jezgre pare, onda samo one čiji radijus zakrivljenosti prelazi vrijednost Rmin. Budući da sa povećanjem Δ t magnitude Rmin opada, objašnjava jednačina (3-2).

eksperimentalno uočena činjenica povećanja broja centara isparavanja sa povećanjem površinske temperature.

Povećanje broja centara isparavanja sa povećanjem pritiska je takođe povezano sa smanjenjem Rmin, jer sa povećanjem pritiska vrednost p′ s raste i σ smanjuje se. Proračuni pokazuju da za vodu koja ključa pri atmosferskom pritisku, na Δ t= 5°S Rmin= 6,7 µm, i na Δ t= 25°S Rmin= 1,3 µm.

Zapažanja napravljena korištenjem snimanja velikih brzina pokazuju da pri fiksnom režimu ključanja učestalost stvaranja mjehurića pare nije ista kako na različitim mjestima na površini tako i tokom vremena. To daje procesu ključanja složen statistički karakter. U skladu s tim, stope rasta i veličine odvajanja različitih mehurića također karakteriziraju nasumična odstupanja oko određenih prosječnih vrijednosti.

Nakon što mjehur dostigne određenu veličinu, odvaja se od površine. Veličina za otkidanje određen uglavnom interakcijom gravitacije, površinske napetosti i inercije. Posljednja vrijednost predstavlja dinamičku reakciju koja se javlja u tekućini zbog brzog rasta mjehurića u veličini. Ova sila obično sprečava da se mehurići odlome. Osim toga, priroda razvoja i odvajanja mjehurića uvelike ovisi o tome da li tekućina vlaži površinu ili je ne vlaži. Sposobnost vlaženja tečnosti karakteriše kontaktni ugao θ, koji se formira između zida i slobodne površine tečnosti. Što je veći θ, to je lošija sposobnost vlaženja tečnosti. Općenito je prihvaćeno da za θ<90° (рис. 3.6, A), tečnost vlaži površinu, ali pri θ >90° ne. Vrijednost kontaktnog ugla ovisi o prirodi tekućine, materijalu, stanju i čistoći površine. Ako kipuća tečnost navlaži površinu za grijanje, tada mjehurići pare imaju tanku stabljiku i lako se skidaju s površine (slika 3.7, A). Ako tečnost ne vlaži površinu, tada mjehurići pare imaju široku stabljiku (slika 3.7, b) i odlijeću duž prevlake, ili dolazi do isparavanja po cijeloj površini.

Nad svim tečnostima, kao rezultat njihovog isparavanja, uspostavlja se ravnoteža između tečnosti i pare, a samim tim i određeni pritisak pare. Veličina ovog pritiska zavisi od prirode tečnosti i temperature. Sa povećanjem temperature, kinetička energija molekula u tečnosti raste, sve više njih može da pređe u gasnu fazu i, posljedično, raste pritisak pare iznad tečnosti (slika 4).

Slika 4 – Kriva pritiska vodene pare

Temperatura pri kojoj tlak pare postaje jednak vanjskom tlaku naziva se tačka ključanja. Tačka preseka (slika 4) horizontalne prave linije koja odgovara pritisku od 760 mm Hg. čl., a kriva pritiska pare odgovara tački ključanja pri normalnom pritisku. Svaka tečnost koja se ne raspada kada se zagrije na temperaturu na kojoj tlak pare postaje jednak 760 mmHg. Art., ima svoju karakterističnu tačku ključanja pri normalnom atmosferskom pritisku. Slika 4 takođe pokazuje da pri pritisku od 200 mm Hg. Art. voda bi ključala na približno 66°C. Ova zavisnost tačke ključanja od pritiska koristi se u laboratorijskoj praksi i industriji za destilaciju bez raspadanja materija koje ključaju na visokim temperaturama (vakum destilacija). Brojni priručnici i udžbenici sadrže nomograme koji omogućavaju povezivanje tačaka ključanja pri atmosferskom pritisku i u vakuumu, tj. da se odredi maksimalni rezidualni pritisak koji bi trebao biti u jedinici za destilaciju da bi se supstanca destilirala ispod svoje temperature raspadanja. (vidi, na primjer, /3, str. 32/).

Druge modifikacije destilacije također služe istoj svrsi (prečišćavanje tvari visokog ključanja). Na primjer, parna destilacija vam omogućava destilaciju tvari visokog ključanja pri atmosferskom tlaku, ali tlak pare iznad površine tekućine, jednak atmosferskom tlaku, zbir je parcijalnih pritisaka same tvari i vodene pare. U ovoj metodi, vodena para se upuhuje (mjehurić) kroz debljinu tvari u destilacijskoj kocki.

U većini slučajeva, tačka ključanja se određuje tokom destilacije supstance tokom njenog procesa prečišćavanja. Ako je potrebno, može se koristiti određivanje tačke ključanja male količine tečnosti Sivolobovljeva mikrometoda(Slika 6).

Da biste to izvršili, možete koristiti standardni uređaj za određivanje tačke topljenja, opisan gore (slika 5). Kap tečnosti stavlja se u staklenu cev tankog zida (6) - prečnika ~ 3 mm - zatvorenu na jednom kraju. Kapilara (4), zatvorena na gornjem kraju, spušta se u cijev, cijev je pričvršćena za termometar elastičnom trakom (5) i zagrijava se u uređaju dok mjehurići ne počnu da izlaze iz kapilare u kontinuiranom mlazu. . Zabilježena je temperatura na kojoj je počela kontinuirana emisija mjehurića. Odgovara tački ključanja tečnosti. Obavezno snimite atmosferski pritisak pomoću barometra. Po vrijednosti tačke ključanja može se identificirati supstanca i odrediti njena čistoća.

Slika 4 – Kriva pritiska vodene pare

Kipuće- ovo je intenzivan prijelaz tekućine u paru, koji se javlja stvaranjem mjehurića pare kroz cijeli volumen tekućine na određenoj temperaturi.

Tokom ključanja temperatura tečnosti i para iznad nje se ne menja. Ostaje nepromijenjen dok sva tečnost ne proključa. To se događa zato što se sva energija dovedena u tekućinu koristi za pretvaranje u paru.

Temperatura na kojoj tečnost ključa se naziva tačka ključanja.

Tačka ključanja zavisi od pritiska koji se vrši na slobodnu površinu tečnosti. Ovo se objašnjava zavisnošću pritiska zasićene pare o temperaturi. Mjehur pare raste sve dok pritisak zasićene pare unutar njega malo ne premaši pritisak u tekućini, što je zbir vanjskog tlaka i hidrostatskog tlaka stupca tekućine.

Što je veći vanjski pritisak, to više temperatura ključanja.

Svi znaju da voda ključa na temperaturi od 100 ºC. Ali ne treba zaboraviti da je to tačno samo pri normalnom atmosferskom pritisku (otprilike 101 kPa). Kako pritisak raste, temperatura ključanja vode se povećava. Na primjer, u ekspres loncu hrana se kuha pod pritiskom od oko 200 kPa. Tačka ključanja vode dostiže 120°C. U vodi na ovoj temperaturi proces kuhanja odvija se mnogo brže nego u običnoj kipućoj vodi. Ovo objašnjava naziv “lonac pod pritiskom”.

I obrnuto, smanjenjem vanjskog pritiska, snižavamo na taj način tačku ključanja. Na primjer, u planinskim područjima (na nadmorskoj visini od 3 km, gdje je tlak 70 kPa), voda ključa na temperaturi od 90 ° C. Dakle, stanovnicima ovih krajeva koji koriste takvu ključanu vodu potrebno je mnogo više vremena za pripremu hrane nego stanovnici ravnice. Ali u ovoj kipućoj vodi općenito je nemoguće skuvati, na primjer, kokošje jaje, jer se bjelanjak ne koagulira na temperaturama ispod 100 °C.

Svaka tečnost ima svoju tačku ključanja, koja zavisi od pritiska zasićene pare. Što je veći pritisak zasićene pare, to je niža tačka ključanja odgovarajuće tečnosti, jer na nižim temperaturama pritisak zasićene pare postaje jednak atmosferskom pritisku. Na primjer, pri tački ključanja od 100 °C, pritisak zasićene pare vode je 101,325 Pa (760 mm Hg), a pritisak pare je samo 117 Pa (0,88 mm Hg). Živa ključa na 357°C pri normalnom pritisku.

Toplota isparavanja.

Toplota isparavanja (toplota isparavanja)- količina topline koja se mora predati tvari (pri konstantnom pritisku i konstantnoj temperaturi) za potpunu transformaciju tekuće tvari u paru.

Količina topline potrebna za isparavanje (ili oslobađanje tokom kondenzacije). Za izračunavanje količine toplote Q potrebna za pretvaranje bilo koje mase tečnosti uzete na tački ključanja u paru, potrebna je specifična toplota isparavanja r um-masi m:

Kada se para kondenzuje, oslobađa se ista količina toplote.