Над всеми жидкостями в результате их испарения устанавливается равновесие между жидкостью и паром, а следовательно, и определенное давление пара. Величина этого давления зависит от природы жидкости и от температуры. С повышением температуры увеличивается кинетическая энергия молекул в жидкости, все большее их количество способно перейти в газовую фазу и следовательно, давление пара над жидкостью возрастает (рисунок 4).
Рисунок 4 – Кривая давления водяного пара
Температуру, при которой давление пара становится равным внешнему давлению, называют температурой кипения. Точка пересечения (рисунок 4) горизонтальной прямой, отвечающей давлению 760 мм рт. ст., и кривой давления пара соответствуеттемпературе кипения при нормальном давлении. Любая жидкость, не разлагающаяся при нагревании до температуры, при которой давление пара становится равным 760 мм рт. ст., имеет свою характерную температуру кипения при нормальном атмосферном давлении. На рисунке 4 видно также, что при давлении 200 мм рт. ст. вода кипела бы приблизительно при 66С. Эту зависимость температуры кипения от давления используют в лабораторной практике и промышленности для перегонки без разложения веществ, кипящих при высоких температурах (вакуумная перегонка). В ряде справочных и учебных пособий приведены номограммы, позволяющие связать между собой температуры кипения при атмосферном давлении и в вакууме, т. е. определить то максимальное остаточное давление, которое должно быть в перегонной установке, чтобы вещество перегонялось ниже температуры его разложения (см., например, /3, с. 32/).
Этой же цели (очистка высококипящих веществ) служат и другие модификации перегонки. Например, перегонка с водяным паром позволяет перегнать высококипящее вещество при атмосферном давлении, однако давление паров над поверхностью жидкости, равное атмосферному, складывается из суммы парциальных давлений самого вещества и паров воды. Водяной пар в этом способе продувают (барботируют) через толщу вещества в перегонном кубе.
В большинстве случаев определение температуры кипения производится при перегонке вещества в процессе его очистки. В случае необходимости определение температуры кипения малого количества жидкости можно пользоваться микрометодом Сиволобова (рисунок 6).
Для его проведения можно использовать стандартный прибор для определения температуры плавления, описанный выше (рисунок 5). В запаянную с одного конца тонкостенную стеклянную трубку (6) – диаметр ~ 3 мм – помещают каплю жидкости. В трубку опускают капилляр (4), запаянный с верхнего конца, прикрепляют трубку к термометру резинкой (5) и нагревают в приборе до тех пор, пока из капилляра не начнут выходить пузырьки непрерывной струей. Отмечают температуру, при которой началось непрерывное выделение пузырьков. Она соответствует температуре кипения жидкости. Обязательно записывают атмосферное давление по барометру. По значению температуры кипения можно вещество идентифицировать и определить его чистоту.
Задача состоит из двух этапов - установить зависимость атмосферного давления от высоты и зависимость температуры кипения от давления. Начнем с последнего, как с более интересного.
Кипение представляет собой фазовый переход первого рода (вода сменяет агрегатное состояние из жидкого на газообразное).
Фазовый переход первого рода описывается уравнением Клапейрона:
,
где
- удельная теплота фазового перехода, которая численно равна количеству теплоты сообщаемой единице массы вещества для осуществления фазового перехода,
- температура фазового перехода,
- изменение удельного объема при переходе
Клаузиус упростил уравнение Клапейрона для случаев испарения и возгонки, предположив, что
- Пар подчиняется закону идеального газа
- Удельный объем жидкости много меньше удельного объема пара
Из пункта один следует, что состояние пара можно описать уравнением Менделеева-Клапейрона
,
а из пункта два - что удельным объемом жидкости можно пренебречь.
Таким образом, уравнение Клапейрона принимает вид
,
где удельный объем можно выразить через
,
и окончательно
разделяя переменные, получим
Проинтегрировав левую часть от до , а правую от до , т.е. от одной точки до другой точки , лежащей на линии равновесия жидкость-пар, получим уравнение
называемое уравнением Клаузиуса-Клапейрона.
Собственно, это и есть искомая зависимость температуры кипения от давления.
Проведем еще пару преобразований
,
здесь
- молярная масса воды, 18 г/моль
Универсальная газовая постоянная, 8.31 Дж/(моль × К)
Удельная теплота испарения воды 2.3 × 10 6 Дж/кг
Теперь осталось установить зависимость атмосферного давления от высоты. Здесь мы воспользуемся барометрической формулой (другой у нас все равно нет):
или
,
здесь
- молярная масса воздуха, 29 г/моль
- универсальная газовая постоянная, 8.31 Дж/(моль×К)
- ускорение силы тяжести, 9.81 м/(с×с)
- температура воздуха
Значения, относящиеся к воздуху, пометим индексом v, к воде - h
Приравняв и избавившись от экспоненты, получим
Ну и итоговая формула
На самом деле реальное давление воздуха не следует барометрической формуле, так как при больших перепадах высот температуру воздуха нельзя считать постоянной. Кроме того, ускорение свободного падения зависит от географической широты, а атмосферное давление - еще и от концентрации паров воды. То есть значение по этой формуле мы получим приближенное. Поэтому ниже я включил еще один калькулятор, который использует использует формулу для расчет температуры кипения в зависимости от давления воздуха в миллиметрах ртутного столба.
Калькулятор зависимости температуры кипения от высоты.
Все, что окружает нас в повседневной жизни, можно представить в виде физических и химических процессов. Мы постоянно производим массу манипуляций, которые выражаются формулами и уравнениями, даже не подозревая об этом. Одним из таких процессов является кипение. Это то явление, которое используют абсолютно все хозяйки во время приготовления пищи. Оно кажется нам абсолютно обыденным. Но давайте взглянем на процесс кипения с точки зрения науки.
Кипение - это что такое?
Еще со школьного курса физики известно, что вещество может быть в жидком и газообразном состоянии. Процесс трансформации жидкости в состояние пара - кипение. Это происходит только при достижении или превышении определенного температурного режима. Участвует в данном процессе и давление, его необходимо обязательно учитывать. У каждой жидкости существует собственная температура кипения, запускающая процесс образования пара.
В этом заключается существенная разница между кипением и испарением, происходящим при любом температурном режиме жидкости.
Как происходит кипение?
Если вы когда-нибудь кипятили воду в стеклянной посуде, то наблюдали за образованием пузырьков на стенках емкости в процессе нагревания жидкости. Они образовываются благодаря тому, что в микротрещинах посуды скапливается воздух, который при нагревании начинает расширяться. Пузырьки состоят из паров жидкости, находящихся под давлением. Эти пары называют насыщенными. По мере нагревания жидкости увеличивается давление в пузырьках воздуха и они увеличиваются в размерах. Естественно, что они начинают подниматься наверх.
Но, если жидкость еще не достигла температуры кипения, то в верхних слоях пузырьки охлаждаются, давление снижается и они оказываются на дне емкости, где снова нагреваются и поднимаются вверх. Этот процесс знаком каждой хозяйке, вода будто начинает шуметь. Как только температура жидкости в верхних и нижних слоях сравнивается, пузырьки начинаются подниматься на поверхность и лопаться - происходит кипение. Это возможно только тогда, когда давление внутри пузырьков становится одинаковым с давлением самой жидкости.
Как мы уже упоминали, каждая жидкость имеет свой температурный режим, при котором начинается процесс закипания. Причем в течение всего процесса температура вещества остается неизменной, вся выделенная энергия затрачивается на парообразование. Поэтому у нерадивых хозяек сгорают кастрюли - все их содержимое выкипает и начинает нагреваться сама емкость.
Температура кипения находится в прямо пропорциональной зависимости от давления, оказываемого на всю жидкость, точнее, на ее поверхность. В школьном курсе физике указано, что вода начинает кипеть при температуре в сто градусов по Цельсию. Но мало кто помнит, что данное утверждение верно только в условиях нормального давления. За норму принято считать величину в сто один килопаскаль. Если увеличить давление, то кипение жидкости будет происходить при другой температуре.
Это физическое свойство используют производители современных бытовых приборов. Примером может послужить скороварка. Всем хозяйками известно, что в подобных устройствах пища готовится гораздо быстрее, чем в обычных кастрюлях. С чем это связано? С давлением, которое образуется в скороварке. Оно в два раза превышает норму. Поэтому и кипение воды происходит приблизительно при ста двадцати градусов по Цельсию.
Если вы когда-либо были в горах, то наблюдали обратный процесс. На высоте вода начинает закипать при девяноста градусах, что существенно затрудняет процесс приготовления пищи. С этими трудностями хорошо знакомы местные жители и альпинисты, проводящие в горах все свободное время.
Еще немного о кипении
Многие слышали такое выражение, как "точка кипения" и, вероятно, удивились, что мы его не упомянули в статье. На самом деле мы уже его описали. Не спешите перечитывать текст. Дело в том, что в физике точка и температура процесса кипения считаются идентичными.
В научном мире разделение в данной терминологии производится только в случае смешения различных жидких веществ. В такой ситуации определяется именно точка кипения, причем наименьшая из всех возможных. Именно она и берется за норму для всех составных частей смеси.
Вода: интересные факты о физических процессах
В лабораторных опытах физики всегда берут жидкость без примесей и создают абсолютно идеальные внешние условия. Но в жизни все происходит немного иначе, ведь зачастую мы подсаливаем воду или добавляем в нее различные приправы. Какова будет температура кипения в этом случае?
Соленая вода требует более высокой температуры для закипания, чем пресная. Это связано с примесями натрия и хлора. Их молекулы сталкиваются между собой, и на их нагревание требуется значительно более высокая температура. Существует определенная формула, позволяющая вычислить температуру кипения соленой воды. Учтите, что шестьдесят граммов соли на один литр воды, увеличивают температуру кипения на десять градусов.
А может ли кипеть вода в вакууме? Ученые доказали, что может. Вот только температура кипения в этом случае должна достигать предела трехсот градусов по Цельсию. Ведь в вакууме давление составляет всего лишь четыре килопаскаля.
Все мы кипятим воду в чайнике, поэтому знакомы с таким неприятным явлением, как "накипь". Что это такое и почему она образуется? На самом деле все просто: пресная вода имеет разную степень жесткости. Она определяется количеством примесей в жидкости, чаще всего в ней содержатся различные соли. В процессе кипячения они трансформируются в осадок и в больших количествах превращаются в накипь.
Может ли кипеть спирт?
Кипение спирта используется в процессе самогоноварения и называется дистилляцией. Этот процесс напрямую зависит от количества воды в спиртовом растворе. Если взять за основу чистый этиловый спирт, то температура его кипения будет приближена к семидесяти восьми градусам по Цельсию.
Если вы добавляете в спирт воду, то температура кипения жидкости увеличивается. В зависимости от концентрации раствора он будет закипать в промежутке от семидесяти восьми градусов до ста градусов по Цельсию. Естественно, что в процессе кипения спирт превратится в пар за более короткий временной интервал, чем вода.
Кипение - это явление, которое характерно для любых жидкостей. Проявляется оно тем, что по всему раствору образуются пузырьки пара. Стоит отметить, что кипение наблюдается лишь при определенной температуре и зависит от вида вещества. Данный показатель является важной характеристикой. Он может применяться для разделения жидких соединений, а также для определения их чистоты.
Данный показатель в различных веществах отличается. Так, температура кипения моторного масла достигает 300-490°С, а для воды она составляет 100°С. Эта зависит от нескольких параметров, в том числе от условий закипания и состава вещества, которое нагревают.
Надо сказать, что температура кипения имеет определенные особенности. Так, на поверхности жидкости создается давление пара, которое образуется довольно медленно при наличии свободной поверхности. Если же речь идет о середине среды, то ее можно нагреть значительно больше, чем при кипении. Этим объясняется явление «перегрева», при котором жидкость не кипит, но характеризуется показателями.
Следует отметить, что температура кипения определяется с помощью специального термометра, который надо погружать в пары вещества, а не в жидкость. При этом ртутный столбик не всегда удается погрузить полностью, поэтому нужно учитывать поправку термометра. Для разных жидкостей эта величина разная. В среднем считают, что изменение атмосферного давления примерно на 26 мм приводит к тому, что температура кипения меняется на один градус.
Каким образом данный показатель помогает определять чистоту смесей и растворов? Однородная жидкость характеризуется постоянной температурой кипения. Ее изменение - верный признак наличия посторонних примесей, которые можно выделить в процессе перегонки, а также с помощью специальных приборов - дефлегматоров.
Стоит отметить, что в некоторых случаях специально используются сочетания различных веществ. Это придает жидкости специфические особенности. Так, например, чистый этиленгликоль закипает при 197°С, а температура кипения тосола несколько меньше - около 110°С.
Переход жидкости в пар происходит именно тогда, когда достигается соответствующая температура кипения. При этом над поверхностью жидкости имеет одинаковое числовое значение с внешним давлением, что и ведет к образованию по всему объему пузырьков.
Надо сказать, что кипение проходит при одинаковой температуре, но при уменьшении или увеличении внешнего давления можно наблюдать ее соответствующие изменения.
Этим можно объяснить явление, когда еда в горах готовится дольше, поскольку при давлении около 60кПа уже при 85°С. По этой же причине блюда в скороварке готовятся намного быстрее из-за того, что в ней давление повышается, а это ведет к сопутствующему увеличению температуры кипящей жидкости.
Следует отметить, что кипячение является наиболее распространенным способом физической дезинфекции. Без данного процесса невозможно приготовить любое блюдо. Он также оказывается важным для с целью получения более чистых исходных веществ.
ТЕМПЕРАТУРА КИПЕНИЯ
(точка кипения) - температура, при которой жидкость столь интенсивно превращается в пар (т.е. газ), что в ней образуются паровые пузырьки, которые поднимаются на поверхность и лопаются. Бурное образование пузырьков во всем объеме жидкости и называется кипением. В отличие от простого испарения при кипении жидкость переходит в пар не только со свободной поверхности, но и по всему объему - внутрь образующихся пузырьков. Температура кипения любой жидкости постоянна при заданном атмосферном или ином внешнем давлении, но повышается с повышением давления и понижается с его понижением. Например, при нормальном атмосферном давлении, равном 100 кПа (таково давление на уровне моря), температура кипения воды составляет 100° С. На высоте же 4000 м над уровнем моря, где давление падает до 60 кПа, вода кипит примерно при 85° С, и для того, чтобы сварить пищу в горах, требуется больше времени.
По той же причине пища готовится быстрей в кастрюле-"скороварке": давление в ней повышается, а вслед за этим повышается и температура кипящей воды.
ТЕМПЕРАТУРА КИПЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ВЕЩЕСТВ
(на уровне моря)
Вещество __ Температура, °С
Золото ___________2600
Серебро __________1950
Ртуть _____________356,9
Этиленгликоль _____197,2
Морская вода ______100,7
Вода ______________100,0
Изопропиловый спирт 82,3
Этиловый спирт _____78,3
Метиловый спирт ____64,7
Эфир _______________34,6
Температура кипения вещества зависит также от наличия примесей. Если в жидкости растворено летучее вещество, то температура кипения раствора понижается. И наоборот, если в растворе содержится вещество менее летучее, чем растворитель, то температура кипения раствора будет выше, чем у чистой жидкости.
См. также
ТЕМПЕРАТУРА ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ;
ТЕПЛОТА ;
ЖИДКОСТЕЙ ТЕОРИЯ .
ЛИТЕРАТУРА
Крокстон К. Физика жидкого состояния. М., 1978 Новиков И.И. Термодинамика. М., 1984
Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .
Смотреть что такое "ТЕМПЕРАТУРА КИПЕНИЯ" в других словарях:
Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением. Температура кипения при нормальном атмосферном давлении (1013,25 гПа, или 760 мм рт. ст.) называют нормальной температурой кипения или точкой кипения … Большой Энциклопедический словарь
ТЕМПЕРАТУРА КИПЕНИЯ, температура, при которой вещество переходит из одного состояния (фазы) в другое, т. е. из жидкости в пар или газ. Температура кипения возрастает при увеличении внешнего давления и понижается при его уменьшении. Обычно ее… … Научно-технический энциклопедический словарь
- (обозначается Ткип, Ts), температура равновесного перехода жидкости в пар при пост. внеш. давлении. При Т. к. давление насыщ. пара над плоской поверхностью жидкости становится равным внеш. давлению, вследствие чего по всему объёму жидкости… … Физическая энциклопедия
- – температура, при которой жидкость под воздействием нагревания переходит из жидкого состояния в газовое; эта температура кипения зависит от давления. EdwART. Словарь автомобильного жаргона, 2009 … Автомобильный словарь
Температура, достигаемая жидкостью при бурлении * * * (Источник: «Объединенный словарь кулинарных терминов») … Кулинарный словарь
температура кипения - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN boiling temperature … Справочник технического переводчика
Температура кипения, точка кипения температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением. Температура кипения соответствует температуре насыщенного пара над плоской поверхностью кипящей жидкости, так как … Википедия
температура кипения - (Tкип, tкип) температура равновесного перехода жидкости в пар при постоянном внешнем давлении. При температура кипения давление насыщенного пара над плоской поверхностью жидкости становится равным внешнему давлению,… … Энциклопедический словарь по металлургии
Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением. Температура кипения при нормальном атмосферном давлении (1013,25 гПа, или 760 мм рт. ст.) называют нормальной температурой кипения или точкой кипения. * * … Энциклопедический словарь
температура кипения - 2.17 температура кипения: Температура жидкости, кипящей при давлении окружающей атмосферы 101,3 кПа (760 мм рт. ст). Источник: ГОСТ Р 51330.9 99: Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 10. Классификация взрывоопасных зон … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Книги
- , Ю. А. Лебедев, А. Н. Кизин, Т. С. Папина, И. Ш. Сайфуллин, Ю. Е. Мошкин. В настоящей книге представлены важнейшие численные характеристики ряда углеводородов, среди которых рассматриваются следующие физико-химические константы: молекулярная масса, температура…
- Характеристики углеводородов. Анализ численных данных и их рекомендованные значения. Справочное издание , Лебедев Ю.А.. В настоящей книге представлены важнейшие численные характеристики ряда углеводородов, среди которых рассматриваются следующие физико-химические константы: молекулярная масса, температура…
Loading...