100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Откуда в кипящей воде пузыри?

IT News

Вы здесь: Главная Познавательное Физика Почему в кипящей воде образуются пузыри пара?

Почему в кипящей воде образуются пузыри пара?

  • Печать
  • E-mail

Любая жидкость при нагревании со временем достигает температуры, при которой она начинает кипеть. Во время кипения пузыри пара образуются во всем объеме жидкости, поднимаются на ее поверхность и лопаются, высвобождая горячий пар в воздух. Вода кипит при температуре 100°С (212°F).

При температуре кипения каждая молекула имеет достаточно энергии для преодоления сил, удерживающих ее вместе с другими молекулами в виде жидкости. Например, сосуд с кипящей водой содержит воду в жидком состоянии, которая превращается в водяной пар. Поверхностный водяной пар сразу же покидает кипящую воду. Что касается парообразования в толще воды, то там водяной пар формирует пузыри, каждый из которых, поднимаясь вверх, несет в себе миллиарды молекул воды.

Кипящая вода совершает фазовый переход из жидкого состояния в газообразное в процессе, называющемся парообразованием. Жидкости превращаются в пар и при температурах, меньших температуры кипения, в процессе, называющемся испарением. В отличие от кипения испарение происходит только с поверхности в том случае, когда молекулы имеют достаточно энергии, чтобы покинуть жидкость. Хотя испарение с ростом температуры интенсифицируется, пузыри пара образуются только во время кипения.

Рождение и гибель пузырей

  1. Вода содержит в себе воздух, растворенный или прилипший к попавшим внутрь частицам пыли (рисунок слева). При увеличении температуры воды растворимость воздуха уменьшается, в результате происходит формирование небольших воздушных пузырьков, большинство из которых быстро поднимается вверх и покидает жидкость. Этот процесс не является кипением.
  2. Когда вода приближается к точке кипения, пузыри водяного пара формируются на пылевых частицах и других примесях (так называемых ядрах парообразования). В этих пузырях температура превышает температуру кипения.
  3. Все больше водяного пара проникает в первые пузыри. Но так как окружающая вода все еще слишком холодна, эти пузыри конденсируются во время своего подъема и не достигают поверхности.
  4. Пузыри пара формируются во всем объеме кипящей воды, увеличиваясь в размерах по мере подъема к поверхности. Достигнув поверхности, пузыри лопаются и водяной пар выходит в атмосферу.

Камень для предупреждения выплескивания

Используемые в лабораторной практике дистиллированная вода и другие чистые жидкости, будучи свободными от пыли, недодержат ядер парообразования. В таких жидкостях могут формироваться большие, похожие на пленку пузыри пара, приводящие к опасному выплескиванию кипящей жидкости из сосуда. Специальный пористый камень (снимок справа) предупреждает такое выплескивание, предоставляя свою поверхность для образования многочисленных, постепенно растущих пузырьков пара.

Вы здесь: Главная Познавательное Физика Почему в кипящей воде образуются пузыри пара?

Из чего образуются пузыри при закипании воды?

Если вы когда-нибудь кипятили воду, то наверняка заметили, что при нагревании воды образуются очень маленькие пузырьки, которые поднимаются снизу вверх. Сначала пузырьки немногочисленны, но по мере нагревания воды начинает образовываться все больше пузырьков больших размеров. Дальнейшее повышение температуры приводит к появлению еще более крупных пузырьков, которые образуются довольно часто и сразу же поднимаются вверх. Эта эскалация достигает пика, когда вода начинает кипеть.

Читайте так же:
Астрономам удалось воссоздать климат молодой Венеры

Но почему кипящая вода образует пузырьки?

Ответ на этот вопрос связан с химией самой воды. Точнее, это связано со всеми растворенными в воде веществами, а также с характером связи между молекулами воды.

Химические свойства молекул воды

Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O). Оба атома H ковалентно связаны с единственным атомом O. Каждый элемент в природе стремится достичь состояния с минимально возможной энергией. Это состояние достигается путем потери или приобретения электронов для достижения ближайшей конфигурации инертного газа.

Иллюстрация молекулы воды

Атом кислорода имеет шесть электронов в своей валентной (внешней) оболочке. Ближайший инертный газ, неон, имеет восемь электронов в своей валентной оболочке. Таким образом, O имеет сильную тенденцию получить два электрона и достичь стабильной электронной конфигурации (перейти в состояние с наименьшей энергией). Водород имеет один электрон в своей валентной оболочке, в то время как ближайший благородный газ, гелий, имеет два электрона на своей валентной оболочке. Таким образом, H стремится получить один электрон, чтобы достичь стабильной электронной конфигурации.

Оба атома H делят по одному электрону с O, а O делит два электрона, по одному на каждый H. Это ковалентная связь. Кислород имеет сильную тенденцию притягивать к себе общие электроны благодаря свойству, называемому электроотрицательностью. Таким образом, электроны проводят больше времени возле атома O, чем возле атома H, что приводит к частичному отрицательному заряду на O и частичному положительному заряду на H.

Геометрия молекулы воды такова, что заряды не компенсируются, и есть разделение центров заряда (поляризация). Когда две молекулы воды с небольшой поляризацией приближаются друг к другу, частично отрицательный O одной молекулы притягивает частично положительный H другой молекулы, образуя слабую межмолекулярную связь. Это называется водородной связью, и это сила, отвечающая за удержание молекул воды вместе.

Визуализация водородной связи.

Поскольку водородная связь слабая, вода остается жидкой при комнатной температуре, а при повышении температуры молекулы получают больше энергии для преодоления межмолекулярной водородной связи. При 100 °C энергии достаточно для того, чтобы молекулы вырвались на свободу.

Растворенные вещества в воде

Растворение одного вещества в другом возможно только при наличии взаимодействия между молекулами двух веществ. Подобным образом, некоторые газы, например, O2, CO2, N2, NH3 и SO2, растворяются в воде, потому что между молекулами воды и молекулами газа существует притягательное взаимодействие.

Есть два способа растворения газов в воде: ван-дер-ваальсова связь и водородная связь.

Гетероядерные молекулы (т.е. имеющие атомы из разных элементов), такие, как NH3 или CO2, имеют разницу в электроотрицательности между атомами. N и O более электроотрицательны, чем H и C, соответственно. Таким образом, N и O остаются частично отрицательными, а H и C становятся частично положительными. Это приводит к частичной поляризации молекул NH3 и CO2.

Отрицательные концы (N и O) притягиваются к частично положительному H воды; в то же время положительные концы (H и C) притягиваются к частично отрицательному O воды. Это и есть водородная связь. Чем больше поляризация газообразной молекулы, тем лучше она растворяется в воде.

Читайте так же:
Как делают золотые цепочки (видео)

Гомоядерные молекулы (т.е. имеющие атомы одного и того же элемента), такие, как O2 и N2, неполярны и плохо растворимы (очень низкая растворимость) в воде. Слабые ван-дер-ваальсовы силы притяжения удерживают эти газы с молекулами воды. Они намного слабее, чем диполь-дипольные взаимодействия.

Слабые силы Ван-дер-Ваальса возникают из-за изменения распределения заряженных электронов вокруг атомов, что приводит к временной индуцированной поляризации.

Растворимость газов в воде уменьшается при повышении температуры.

Последовательность событий при кипении воды

Возьмем жидкую воду при комнатной температуре (25 °С). При этой температуре растворимость O2 составляет 8,27 мг/л, а CO2 — 1,5 г/л. При повышении температуры молекулы газа и воды приобретают больше кинетической энергии. Благодаря этой энергии всем молекулам легче преодолеть межмолекулярное притяжение. При температуре 50 °С растворимость O2 уменьшается до 2,75 мг/л, а растворимость CO2 — до 0,75 г/л. Это снижение растворимости означает, что газообразные молекулы могут преодолеть слабое межмолекулярное притяжение. Поскольку плотность молекул газа ниже плотности воды, они поднимаются наверх в виде пузырьков. Гомоядерные молекулы, такие как N2 и O2, всплывают при низких температурах из-за слабых ван-дер-ваальсовых сил. Дальнейшее повышение температуры приводит к выделению пузырьков полярных молекул, таких как CO2 и NH3, которые удерживаются диполь-дипольными взаимодействиями.

Молекулы газа, вырывающиеся из воды.

Это бульканье продолжается до тех пор, пока не будет достигнута точка кипения воды. Нагревание воды происходит не совсем равномерно, то есть существуют области более высоких и более низких температур. При температуре выше 90 °С некоторые молекулы воды вблизи дна получают достаточно энергии для перехода в парообразную фазу. Образуются области газообразной воды, о чем свидетельствуют огромные пузыри, поднимающиеся со дна. Кроме того, из-за энергичного движения молекул конвективный нагрев еще больше повышает температуру. При температуре 100 °С почти все молекулы воды обладают достаточной кинетической энергией для перехода в парообразное состояние, и пузырьки водяного пара начинают стремительно подниматься вверх!

Кипение воды

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

Опыт 1

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.

Читайте так же:
Интересные факты о лисах – описание, фото и видео

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:

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.

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

Опыт 2

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

Опыт 3

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.

  1. Закипания перегретой жидкости используется в пузырьковой камере – современном приборе для регистрации частиц высокой энергии.
  2. Получение сахара из сахарного тростника или свеклы: воду из сиропа удаляют с помощью выпаривания при низком давлении.
  3. Зная температуру кипения воды можно по таблицам давления пара при разных температурах узнать атмосферное давление. Специально приспособленные для таких измерений термометры называют гипсотермометрами.
  4. 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.
  5. Ректификационное разделение нефти, жидких смесей, расплавов металлов на составные части.

Гейзеры – одно из самых удивительных явлений природы, это периодически фонтанирующие источники горячей воды с паром.

Читайте так же:
Как устроено депо в метро

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).

Опыт со шприцем

опыт со шприцем

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).

Кипение

Для того, чтобы превратить жидкость в пар, существует два способа: испарение и кипение. В прошлых уроках мы подробно разобрали, как происходит процесс испарения. В его ходе образуется пар, который в зависимости от условий может быть насыщенным или ненасыщенным.

Явление кипения мы часто наблюдаем в повседневной жизни. Для того, чтобы приготовить чай или кофе, сначала мы доводим воду до кипения. Чтобы сварить суп, мы ждем, когда закипит вода в кастрюле.

В данном уроке мы рассмотрим, как физика описывает этот процесс, изучим изменения, происходящие при кипении и установим зависимости от других величин.

Процесс кипения

Проведем опыт: будем нагревать воду в открытом стеклянном сосуде и измерять ее температуру.

Отметим, что до того, момента как мы начнем нагревать воду, с поверхности воды идет испарение. Пар при этом не виден глазу, но, тем не менее, существует.

Начнем нагревать воду. Мы заметим, что в воде начинают появляться пузырьки (рисунок 1, а). С повышением температуры они начинают увеличиваться в размерах.

В воде всегда растворено некоторое количество воздуха. При повышении температуры этот воздух выделяется из воды в виде пузырьков. Внутри них – воздух и водяной пар. Водяной пар там присутствует, потому что окружающая вода испаряется внутрь этих пузырьков воздуха.

Когда пузырьки поднимаются в верхние слои жидкости (более холодные), они уменьшаются в размерах. Происходит это из-за конденсации пара внутри пузырьков. Под действием силы тяжести они опускаются вниз в более горячую воду.

И снова начинают подниматься к поверхности. Происходит попеременное увеличение и уменьшение пузырьков, в ходе которых они двигаются в жидкости. При этом мы слышим шум. Он предшествует закипанию воды.

Вода постепенно прогревается по всему объему. Пузырьки перестают уменьшаться в размерах (рисунок 1, б). Под действием архимедовой силы, они всплывают на поверхность и лопаются. Насыщенный пар, содержащийся в них, смешивается с окружающим воздухом. Прекращается шум, остается только бульканье – вода закипела. Температура воды равна $100 degree C$.

Кипение – это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

Температура кипения

Если испарение происходит при любой температуре, то кипение происходит при некоторой определенной температуре. При этом:

  • разные жидкости закипают при разной температуре
  • кипение от начала до конца происходит при постоянной температуре

Температура кипения – это температура, при которой жидкость кипит.

Во время кипения температура жидкости не меняется.

Вспомните, при приготовлении того же супа после закипания воды огонь уменьшают. Теперь он просто поддерживает эту самую температуру кипения. Это дает экономию топлива.

Читайте так же:
Как устроена черная дыра?

Температура кипения зависит от давления на поверхность жидкости. Давление насыщенного пара в пузырьках при кипении всегда больше внешнего давления.

Соответственно, если мы увеличим внешнее давление, то температура кипения увеличивается. Если уменьшим – температура кипения тоже снизится.

Давление воздуха зависит от высоты. При ее увеличении над уровнем моря давление воздуха постепенно уменьшается. Значит, уменьшается и температура кипения жидкости. Если при нормальном атмосферном давлении вода закипает при $100 degree C$, то в горах она закипит при температуре $90 degree C$.

Получится ли сварить в таких условиях обычное куриное яйцо? Нет. Белок так и не сможет свернуться – это невозможно при температуре ниже $100 degree C$.

Температура кипения некоторых веществ

В таблице 1 представлены экспериментально полученные значения температуры кипения для различных веществ.

Вещество$t_<кип>, degree C$Вещество$t_<кип>, degree C$
Водород-253Вода100
Кислород-183Ртуть357
Эфир35Свинец1740
Спирт78Медь2567
Молоко100Железо2750

Талица 1. Температура кипения некоторых веществ (при нормальном атмосферном давлении)

В обычных условиях кислород является газом. Из таблицы мы видим, что его температура кипения равна $-183 degree C$. При температуре ниже этой кислород будет жидким.

С другой стороны, вещества, которые мы обычно наблюдаем в твердом состоянии, имеют очень высокую температуру кипения. Например железо плавится и превращается в жидкость при температуре $1539 degree C$. А чтобы заставить жидкое железо кипеть, необходимо довести его температуры в $2750 degree C$.

Графики кипения жидкостей

На рисунке 2 показаны графики зависимости температуры $T$ от времени $t$ трех разных жидкостей: воды, спирта и эфира. Масса жидкостей одинакова, мощности нагревателей идентичны.

На рисунке видно, что горизонтальные участки графиков соответствуют процессам кипения. Они параллельны оси времени, температура на них остается постоянной. Чтобы определить, какой график соответствует каждой жидкости, нам нужно обратиться к таблице 1.

Температура кипения первой жидкости равна $35 degree C$. Значит, график под номером 1 – это график нагревания и кипения эфира.

$70 degree C$ – температура кипения спирта. Значит, 2 – график нагревания и кипения спирта.

График 3 соответствует воде, ведь ее температура кипения равна $100 degree C$. Обратите внимание, что жидкости не нагреются выше своей температуры кипения. Например, при $100 degree C$ вода полностью перейдет в пар. Пар же может иметь более высокую температуру.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию