Давление закипания воды

Зависимость температуры кипения воды от давления

“И умный человек должен иногда задумываться” Геннадий Малкин

В быту, на примере работы автоклава, можно проследить зависимость температуры кипения воды от давления. Допустим, для приготовления продукта и уничтожения всей опасной живности, включая споры ботулизма, нам необходима температура в 120 °С. В простой кастрюле такую температуру не получить, вода просто закипит при 100°С. Все верно, при атмосферном давлении 1 кгс/см² (760 мм.рт.ст.) вода будет кипеть при 100°С. Одним словом, нам надо из кастрюли сделать герметическую емкость, то есть автоклав. По таблице определяем давление, при котором вода закипит при 120 °С. Это давление равно 2 кгс/см². Но это абсолютное давление, а нам надо манометрическое, большинство манометров показывает избыточное давление. Поскольку абсолютное давление равно сумме избыточного (Р_изб.) и барометрического (Р_бар.) т.е. Р_абс. = Р_изб.+ Р_бар, то избыточное давление в автоклаве должно быть не меньше Р_изб = Р_абс. – Р_бар.= 2-1=1 кгс/см 2 . Что мы и наблюдаем на вышеприведенном рисунке. Принцип работы заключается в том, что из-за закачивания избыточного давления 0,1 МРа. при нагреве увеличивается температура стерилизации консервируемых продуктов до 110-120°С, причем вода внутри автоклава не закипает.

Зависимость температуры кипения от давления

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.

Зависимость температуры кипения воды от давления:

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

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

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

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

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

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

Температура кипения воды при этом давлении:
o C

Удельный объем насыщенного пара:
м 3 /кг

Удельная теплота парообразования:
кДж/кг

При какой температуре закипает вода в чайнике

Кипение воды – процесс интенсивного образования пара, происходящий как на свободной поверхности жидкости, так и внутри её структуры. От испарения его отличает подчиненность определённым параметрам – температуре и давлению. Скорость закипания зависит от степени взаимодействия на молекулярном уровне.

Многие считают, что вода начинает кипеть при 100°С. Но это верно лишь для обычных условий. В действительности, температурные показатели закипания – это диапазон величин, зависящий и от самой жидкости, и от давления (наружного и внутреннего). Парообразование может происходить и при 80°С, и при 130°С. При какой температуре закипает вода в чайнике? Попытаемся ответить на этот вопрос в данной статье.

Температура пара кипящей воды в чайнике

Паром называется газообразное состояние воды. Взаимодействуя с окружающим воздухом, он может оказывать на него давление. В процессе образования пара температура его и воды будет оставаться неизменной до тех пор, пока жидкость полностью не испариться. Это обусловлено тем, что вся мощь градусов идёт на парообразование. Подобное обстоятельство позволяет образовываться сухому насыщенному пару.

Внимание! Температура пара и кипящей жидкости всегда одинакова. Более горячий пар уместно получить, лишь применив специальные установки. Для закипания обыкновенной воды требуется нагреть её до 100°С.

При какой температуре закипает соленая вода

Солёная вода требует более высоких градусов для закипания, чем обычная жидкость. Это объясняется особенностью её состава. Всё пространство между водными молекулами занимают ионы, что приводит к гидратации. Напомним, данным термином называется присоединение молекул воды к ионам соли. Гидратация усиливает межмолекулярную связь, что отодвигает время закипания.

Нагреваясь, солёная вода непрерывно теряет молекулы. Соответственно, сталкиваться они будут значительно реже. Для инициации парообразования понадобится больший временной период, чем для рядовой жидкости. В общем и целом, можно уверенно утверждать, что солёная вода начинает кипеть при температуре приблизительно на 10°С выше, чем пресная.

Градус закипания дистиллированной воды

Дистиллированная вода – это вода, которую очистили от растворённых в ней минералов, органики и прочих примесей. Обычно её используют в химических лабораториях и в промышленности. Также она применяется в медицинских и исследовательских целях.

Важно! Дистиллированную воду запрещается пить или использовать для приготовления пищи.

Получается такая вода путём дистилляции. Обычную воду помещают в специальный агрегат-дистиллятор. Он выпаривает её и конденсирует пар. В конце у вас будет отдельно дистиллят, и отдельно примеси.

Температура, при которой из дистиллированной воды делается кипяток, равна показателю кипения водопроводной, т.е. всё тем же 100°С. Разница заключается в том, что закипать очищенная от солей жидкость начинает чуть быстрее.

Как влияет давление на процесс закипания воды

Давление (и атмосферное, и внутри жидкости) может существенно повлиять на процесс парообразования. Так, температурой кипения воды на высокой горе является 70°С, что значительно осложняет готовку. Чтобы приготовить пищу на высоте, требуется намного больше времени, поскольку, как это не парадоксально, закипевшая жидкость не будет достаточно горячей. Сварить куриное яйцо не получится совсем. Невозможно и приготовление мясных блюд.

Внимание! Употреблять еду на природе можно только, если она термически обработана и качественно проварена. Отправляясь в горный поход, следует заранее предвидеть такой нюанс и принять все необходимые меры по страховке себя от потенциальных неожиданных ситуаций.

Точка кипения воды на морском побережье — 100°С. При подъёме в гору, через каждые пройденные три сотни метров температура кипения будет уменьшаться на 1°С. Вследствие этого, жителям горных районов рекомендуется использовать автоклавы, чтобы жидкость получалась достаточно горячей. Это стоит помнить не только домохозяйкам, но и служащим лабораторий. Ведь все знают, что для стерилизации продуктов и инструментов необходимы более 100°С. Иначе оборудование не будет стерильным, ведь некоторые микробы являются термостойкими, и может принести в дальнейшем множество осложнений.

Уже доказано, что повышение температуры кипения может существенно сократить время, требующееся для приготовления еды, что очень важно в наш прогрессивный век.

Чтобы повысить данный показатель, надо применять герметично закрывающуюся ёмкость. Оптимальным выбором будут скороварки, в которых крышка не пропускает пар, увеличивая внутреннее давление. В процессе нагрева образуется пар, но, поскольку он не может попасть наружу, он конденсируется на внутренней стороне крышки. Это приводит к заметному повышению давления внутри сосуда. В автоклавах давление равняется 1-2 атмосферы, из-за этого жидкость в них начинает кипеть при 120-130°C.

Наибольшая возможная температура кипения воды пока учёными не обнаружена. Это обусловлено её способностью расти до поры, пока атмосферное давление не достигнет своего предела. Паровые турбинные установки подогревают воду до 400°С, но при этом она не кипит, а давление сохраняется в пределах нескольких десятков атмосфер. Аналогичные данные были получены при проведении исследований на больших океанических глубинах.

Теплота парообразования воды и температура кипения воды в зависимости от давления

В таблице представлены удельная теплота парообразования воды r и температура кипения воды t_кип в зависимости от давления.

Значения удельной теплоты парообразования воды (теплоты испарения воды) и зависимость температуры кипения воды от давления приведены в таблице для диапазона давления от 0,0121 до 218,4 атм. (0,0123·10 5 …221,29·10 5 Па).

По данным таблицы видно, что имеет место обратная зависимость удельной теплоты парообразования воды в зависимости от давления: при увеличении давления значение удельной теплоты парообразования воды снижается.

Температура кипения воды в зависимости от давления изменяется следующим образом: при росте давления температура кипения воды увеличивается и достигает в критическом состоянии максимального значения 374,15°С при давлении 218,4 атмосфер.

При нормальном атмосферном давлении удельная теплота парообразования воды равна 2258 кДж/кг, а температура кипения воды составляет 100°С. При увеличении давления, например до 100 атм., величина теплоты парообразования воды снижается до 1315 кДж/кг.

По данным таблицы, с учетом зависимости температуры кипения воды от давления, для осуществления кипения при 100 атм. необходимо нагреть воду до температуры 311°С.

Источник:
Ривкин С.Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Энергия, 1980. – 424 с.