Зависимость температуры испарения воды от давления
Теплота парообразования воды и температура кипения воды в зависимости от давления
В таблице представлены удельная теплота парообразования воды r и температура кипения воды tкип 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.
Зависимость температуры кипения жидкости от давления
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 · 10 6 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.
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 · 10 4 Па (300 мм рт. ст.). Вода кипит там примерно при 70 °С. Сварить, например, мясо в этих условиях невозможно.
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.
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: 2,256·10 6 Дж/кг при температуре 100 °С. У других жидкостей (спирт, эфир, ртуть, керосин и др.) удельная теплота парообразования меньше в 3—10 раз.
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
Кипение и испарение воды. Зависимость температуры кипения от давления
Вода и водяной пар как рабочее тело и теплоноситель получил широкое использование в теплотехнике. Это объясняется тем, что вода является очень распространенным веществом в природе; и второе – вода и водяной пар имеют относительно хорошие термодинамические свойства и не влияют вредно на металл и живой организм. Пар образовывается из воды испарением и кипением.
Испарением называется парообразование, которое происходит только на поверхности жидкости. Этот процесс происходит при любой температуре. При испарении из жидкости вылетают молекулы, которые имеют относительно большие скорости, вследствие чего уменьшается средняя скорость движения молекул, которые остались, и уменьшается температура жидкости.
Кипением называется бурное парообразование по всей массе жидкости, происходящее при передаче жидкости через стенки сосуда определенного количества тепла.
Температура кипения зависит от давления, под которым находится вода: чем больше давление, тем выше температура, при которой начинается кипение воды.
Например, атмосферному давлению 760 мм.рт.ст. соответствует tк=100 о С, чем больше давление, тем выше температура кипения, чем меньше давление, тем меньше температура кипения воды.
Если кипение жидкости происходит в закрытом сосуде, то над жидкостью образовывается пар, который имеет капельки влаги. Такой пар называется влажным насыщенным. При этом температура влажного пара и кипящей воды одинаковая и равна температуре кипения.
Если постоянно беспрерывно подавать тепло, то вся вода, включая мельчайшие капли, превратится в пар. Такой пар называется сухим насыщенным.
Температура сухого насыщенного пара также равна температуре кипения, которая отвечает данному давлению.
Отделение частичек воды от пара называется сепарацией, а устройство, предназначенное для этого – сепаратором.
Переход воды из жидкого состояние в газообразное называется парообразованием, а с газообразного в жидкое – конденсацией.
Пар бывает насыщенный и перегретый. Величина, определяющая количество сухого насыщенного пара в 1кг влажного пара в процентах называется степенью сухости пара и обозначается буквой Х (икс). Для сухого насыщенного пара Х=1. Влажность насыщенного пара в паровых котлах должна быть в пределах 1-3%, то есть степень ее сухости Х=100-(1-3)=99-97%.
Пар, температура которого для определенного давления превышает температуру насыщенного пара, называется перегретым. Разность температур между перегретым и сухим насыщенным паром при этом же давлении называется перегревом пара.
6. Основные понятия о гигиене труда, об утомляемости.
Задачи производственной санитарии – это обеспечение наиболее благоприятными условиями труда работающих путем ограждения здоровья трудящихся от воздействия вредных производственных факторов.
К вредным производственным факторам относятся: шум, вибрация, запыленность помещений, загрязненность воздушной среды, наличие токсичных веществ, плохая освещенность рабочих мест, высокая температура в цехах и др.
Все эти перечисленные вредные факторы отрицательно сказываются на здоровье человека.
Личная гигиена на здоровье человека влияет положительно. Она укрепляет организм работающих и повышает их сопротивляемость воздействию нездоровых и вредных факторов. Для этого работающие должны выполнять санитарные нормы и правила. Правильно пользоваться спецодеждой, спецобувью, душем, индивидуальными защитными средствами. Содержать в чистоте и в порядке инструмент и рабочее место. Соблюдать рациональный режим труда, отдыха и режим питания. Регулярно заниматься физкультурой и разнообразными видами летнего и зимнего спорта, что делает организм здоровым и выносливым, так как закаленный спортом организм легко преодолевает болезни, неблагоприятное воздействие внешней среды, в том числе и производственных факторов.
93.79.221.197 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.
Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно
Зависимость температуры кипения от давления
Использование явления охлаждения жидкости при ее испарении; зависимости температуры кипения воды от давления.
При парообразовании вещество переходит из жидкого состояния в газообразное (пар). Существуют два вида парообразования: испарение и кипение.
Испарение — это парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости.
Как происходит испарение? Мы знаем, что молекулы любой жидкости находятся в непрерывном и беспорядочном движении, причем одни из них движутся быстрее, другие — медленнее. Вылететь наружу им мешают силы притяжения друг к другу. Если, однако, у поверхности жидкости окажется молекула с достаточно большой кинетической энергией, то она сможет преодолеть силы межмолекулярного притяжения и вылетит из жидкости. То же самое повторится с другой быстрой молекулой, со второй, третьей и т. д. Вылетая наружу, эти молекулы образуют над жидкостью пар. Образование этого пара и есть испарение.
Поскольку при испарении из жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул становится все меньше и меньше. В результате этоготемпература испаряющейся жидкости понижается: жидкость охлаждается. Именно поэтому, в частности, человек в мокрой одежде чувствует себя холоднее, чем в сухой (особенно при ветре).
В то же время всем известно, что если налить воду в стакан и оставить на столе, то, несмотря на испарение, она не будет непрерывно охлаждаться, становясь все более и более холодной, пока не замерзнет. Что же этому мешает? Ответ очень простой: теплообмен воды с окружающим стакан теплым воздухом.
Охлаждение жидкости при испарении более заметно в том случае, когда испарение происходит достаточно быстро (так что жидкость не успевает восстановить свою температуру благодаря теплообмену с окружающей средой). Быстро испаряются летучие жидкости, у которых силы межмолекулярного притяжения малы, например эфир, спирт, бензин. Если капнуть такой жидкостью на руку, мы ощутим холод. Испаряясь с поверхности руки, такая жидкость будет охлаждаться и отбирать от нее некоторое количество теплоты.
Быстроиспаряющиеся вещества находят широкое применение в технике. Например, в космической технике такими веществами покрывают спускаемые аппараты. При прохождении через атмосферу планеты корпус-аппарата в результате трения нагревается, и покрывающее его вещество начинает испаряться. Испаряясь, оно охлаждает космический аппарат, спасая его тем самым от перегрева.
Охлаждение воды при ее испарении используется также в приборах, служащих для измерения влажности воздуха,— психрометрах (от греческого «психрос» — холодный). Психрометр состоит из двух термометров. Один из них (сухой) показывает температуру воздуха, а другой (резервуар которого обвязан батистом, опущенным в воду) — более низкую температуру, обусловленную интенсивностью испарения с влажного батиста. Чем суше воздух, влажность которого измеряется, тем сильнее испарение и потому тем ниже показания смоченного термометра. И наоборот, чем больше влажность воздуха, тем менее интенсивно идет испарение и потому тем более высокую температуру показывает этот термометр. На основе показаний сухого и увлажненного термометров с помощью специальной (психрометрической) таблицы определяют влажность воздуха, выраженную в процентах. Наибольшая влажность составляет 100% (при такой влажности воздуха на предметах появляется роса). Для человека наиболее благоприятной считается влажность в пределах от 40 до 60%.
С помощью простых опытов легко установить, что скорость испарения увеличивается с ростом температуры жидкости, а также при увеличении площади ее свободной поверхности и при наличии ветра.
Почему при наличии ветра жидкость испаряется быстрее? Дело в том, что одновременно с испарением на поверхности жидкости происходит и обратный процесс — конденсация. Конденсация происходит из-за того, что часть молекул пара, беспорядочно перемещаясь над жидкостью, снова возвращается в нее. Ветер же уносит вылетевшие из жидкости молекулы и не дает им возвращаться назад.
Конденсация может происходить и тогда, когда пар не соприкасается с жидкостью. Именно конденсацией, например, объясняется образование облаков: молекулы водяного пара, поднимающегося над землей, в более холодных слоях атмосферы группируются в мельчайшие капельки воды, скопления которых и представляют собой облака. Следствием конденсации водяного пара в атмосфере являются также дождь и роса.
Зависимость температуры кипения от давления
Температура кипения воды равна 100°С; можно подумать, что это неотъемлемое свойство воды, что вода,где бы и в каких условиях она ни находилась, всегда будет кипеть при 100°С.
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 условиях им указывают, что вода кипит на вершине Эльбруса уже при 82°С.
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°С только при определенном давлении — 760 мм рт. ст. (или 1 атм).
Кривая температуры кипения в зависимости от давления показана на рис. 4.2. На вершине Эльбруса давление равно 0,5 атм, этому давлению и соответствует температура кипения 82°С.
А вот водой, кипящей при 10-15 мм рт. ст., можно освежиться в жаркую погоду. При этом давлении температура кипения упадет до 10-15°С.
Можно получить даже «кипяток», имеющий температуру замерзающей воды. Для этого придется снизить давление до 4,6 мм рт. ст.
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°С, а давление в 80 атм заставит воду закипеть лишь при 300°С.
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°С (т. е. 273 К) упругость пара равна 4,6 мм рт. ст., при 100°С (373 К) она равна 760 мм рт. ст., т. е. возрастает в 165 раз. При повышении температуры вдвое (от 0°С, т. е. 273 К, до 273°С, т. е. 546 К) упругость пара возрастает с 4,6 мм рт. ст. почти до 60 атм, т. е. примерно в 10 000 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°С (355 К) до 100°С (373 К) и при изменении вдвое от 1 до 2 атм — от 100°С (373 К) до 120°С (393 К).
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, когда при комнатной температуре и давлении атмосферы вещество более устойчиво в виде жидкости.
