чем больше давление тем меньше температура кипения
От чего зависит кипение воды
Чтобы приготовить различные вкусные блюда, часто необходима вода, и, если ее нагревать, то она рано или поздно закипит. Каждый образованный человек при этом знает, что вода начинает кипеть при температуре, равной ста градусам Цельсия, и при дальнейшем нагревании ее температура не меняется. Именно это свойство воды используется в кулинарии. Однако далеко не всем известно, что это бывает не всегда так. Вода может закипать при разной температуре в зависимости от условий, в которых она находится. Давайте попробуем разобраться, от чего зависит температура кипения воды, и как это нужно использовать.
При нагревании температура воды приближается к температуре кипения, и по всему объему образуются многочисленные пузырьки, внутри которых находится водяной пар. Плотность пара меньше, чем плотность воды, поэтому сила Архимеда, действующая на пузырьки, поднимает их на поверхность. При этом объем пузырьков то увеличивается, то уменьшается, поэтому закипающая вода издает характерные звуки. Достигая поверхности, пузырьки с водяным паром лопаются, по этой причине кипящая вода интенсивно булькает, выпуская водяной пар.
Температура кипения в явном виде зависит от давления, оказываемого на поверхность воды, что объясняется зависимостью давления насыщенного пара, находящегося в пузырьках, от температуры. При этом количество пара внутри пузырьков, а вместе с этим и их объем, увеличиваются до тех пор, пока давление насыщенного пара не будет превосходить давление воды. Это давление складывается из гидростатического давления воды, обусловленного гравитационным притяжением к Земле, и внешнего атмосферного давления. Поэтому температура кипения воды увеличивается при возрастании атмосферного давления и уменьшается при его уменьшении. Только в случае нормального атмосферного давления 760 мм.рт.ст. (1 атм.) вода кипит при 100 0 С. График зависимости температуры кипения воды от атмосферного давления представлен ниже:
Из графика видно, что если увеличить атмосферное давление до 1,45 атм, то вода будет кипеть уже при 110 0 С. При давлении воздуха 2,0 атм. вода закипит при 120 0 С и так далее. Увеличение температуры кипения воды может быть использовано для ускорения и улучшения процесса приготовления горячих блюд. Для этого изобрели скороварки – кастрюли с особой герметично закрывающейся крышкой, снабженные специальными клапанами для регулирования температуры кипения. Из-за герметичности давление в них повышается до 2-3 атм., что обеспечивает температуру кипения воды 120-130 0 С. Однако при этом нужно помнить, что использование скороварок сопряжено с опасностью: пар, выходящий из них, имеет большое давление и высокую температуру. Поэтому нужно быть максимально осторожными, чтобы не получить ожог.
Обратный эффект наблюдается, если атмосферное давление понижается. В этом случае температура кипения тоже уменьшается, что и происходит при увеличении высоты над уровнем моря:
Насыщенный и ненасыщенный пар
Фазовые переходы: изменение агрегатных состояний вещества
Прежде чем говорить о насыщенном паре, нужно освежить знания об агрегатных состояниях и фазовых переходах между ними. Если вы забыли, какие бывают агрегатные состояния, то можете сбегать в нашу статью про них.
При изменении внешних условий (например, если внутренняя энергия тела увеличивается или уменьшается в результате нагревания или охлаждения) могут происходить фазовые переходы — изменения агрегатных состояний вещества.
Вот какие бывают фазовые переходы:
Переход из твердого состояния в жидкое — плавление;
Переход из жидкого состояния в твердое — кристаллизация;
Переход из газообразного состояния в жидкое — конденсация;
Переход из жидкого состояния в газообразное — парообразование;
Переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое — сублимация;
Переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое — десублимация.
На схеме — названия всех фазовых переходов:
Фазовые переходы — важная штука. Все живое не Земле существует лишь благодаря тому, что вода умеет превращаться в лед или пар. С кристаллизацией, плавлением, парообразованием и конденсацией связаны многие процессы в металлургии и микроэлектронике.
Парообразование
Итак, парообразование — это переход из жидкого состояния в газообразное.
При парообразовании всегда происходит поглощение энергии: к веществу необходимо подводить теплоту, чтобы оно испарялось. Из-за этого внутренняя энергия вещества увеличивается.
У процесса парообразования есть две разновидности: испарение и кипение.
Испарение — это превращение или переход жидкости в газ (пар) со свободной поверхности жидкости. Если поверхность жидкости открыта и с нее начинается переход вещества из жидкого состояния в газообразное, это будет называться испарением.
Кипение — процесс интенсивного парообразования, который происходит в жидкости при определенной температуре.
Например, мы заварили себе горячий чай. Над чашкой мы увидим пар, так как вода только что поучаствовала в процессе кипения.
Подождите-ка, мы ведь только что сказали, что кипение и испарение — разные вещи. 🤔 Это действительно так, но при этом оба процесса могут происходить параллельно.
Испарение может происходить и без кипения, просто тогда оно не будет для нас заметно. Например, вода в озере испаряется, хотя мы этого и не замечаем. Кипение по сути своей — это интенсивное испарение, которое вызвали внешними условиями — доведя вещество до температуры кипения.
Физика объясняет испарение тем, что жидкость обычно несколько холоднее окружающего воздуха, и из-за разницы температур происходит испарение.
Если нет каких-то внешних воздействий, испарение жидкостей происходит крайне медленно. Молекулы покидают жидкость из-за явления диффузии.
Направление тепловых потоков при испарении может идти в разной последовательности и комбинациях:
из глубины жидкости к поверхности, а затем в воздух;
только из жидкости к поверхности;
к поверхности из воды и газовой среды одновременно;
к площади поверхности только от воздуха.
Подытожим, чтобы не запутаться, в чем главная разница между испарением и кипением:
при любой температуре
с поверхности жидкости
при определенной температуре
с поверхности жидкости
Температура кипения
При температуре кипения давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению на жидкость — чаще всего это атмосферное давление. Значит, чем больше внешнее давление, тем при более высокой температуре начнется кипение.
При нормальном атмосферном давлении, которое приблизительно равно 100 кПа, температура кипения воды равна 100°C. Поэтому можно сразу сказать, что давление насыщенного водяного пара при температуре 100 градусов по Цельсию равно 100 кПа. Это значение пригодится при решении задач.
Чем выше мы поднимаемся, тем меньше становится атмосферное давление, потому что масса атмосферы над нами уменьшается. Так, например, на вершине Эльбруса атмосферное давление составляет 5 × 104 Па — в два раза меньше, чем нормальное атмосферное давление. Поэтому и температура кипения на вершине Эльбруса будет ниже, чем на уровне моря. Вода там закипит при температуре 82°C.
Температура кипения при нормальном атмосферном давлении — это строго определенная величина для каждой жидкости.
Испарение и конденсация
Молекулы в жидкости непрерывно и хаотично движутся. Это значит, что направление движения отдельно взятых молекул — это случайные направления. При этом жидкость сохраняет свой объем. Также молекулы силами притяжения притягиваются друг к другу, из-за чего не могут покинуть Омск жидкость.
Значения скоростей молекул случайны. Из-за этого среди всех молекул обязательно есть те, что движутся очень быстро. Если такая молекула окажется вблизи поверхности раздела жидкости и окружающей среды, то ее кинетическая энергия может достигнуть большого значения, и молекула покинет жидкость.
Собственно, именно так происходит процесс испарения (мы говорили о нем выше, когда речь шла о фазовых переходах). Когда испарившихся молекул становится много, образуется пар.
Обратный процесс тоже возможен: вырвавшиеся за пределы жидкости молекулы вернутся в жидкость. Это конденсация, о ней мы тоже говорили.
Если открыть сосуд с жидкостью, то испарившиеся молекулы будут покидать пространство над жидкостью и не возвращаться обратно. Количество жидкости таким образом будет уменьшаться. То есть жидкость испаряется, а пар обратно не конденсируется (потому что молекулы этого пара удаляются от жидкости) — так происходит высыхание.
Испарение может происходить с разной скоростью. Чем больше силы притяжения молекул друг к другу, тем меньшее число молекул в единицу времени окажется в состоянии преодолеть эти силы притяжения и вылететь наружу, и тем меньше скорость испарения.
Быстро испаряются такие жидкости, как эфир, ацетон, спирт. Из-за этого свойства их иногда называют летучими жидкостями. Медленнее — вода. Намного медленнее воды испаряются масло и ртуть.
Определение насыщенного пара
Оставим стакан воды на столе и будем замерять уровень воды в нем каждый день. Если записать эти измерения и сравнить их, станет очевидно: уровень воды стал меньше, то есть вода испарилась.
Теперь давайте накроем стакан сверху. Молекулы пара уже не смогут покидать пространство над жидкостью, по мере испарения их количество начнет расти, а значит, будет расти и количество молекул, которые конденсируются в единицу времени.
Сначала количество конденсирующихся молекул за единицу времени будет меньше количества испаряющихся молекул. Но по мере роста концентрации пара (то есть увеличении количества молекул в единице объема пара) поток конденсирующихся молекул вырастет. Это приведет к состоянию, которое называется динамическим равновесием.
Пар, находящейся в динамическом равновесии, называют насыщенным.
Представьте себе огромный бизнес-центр с не менее огромными дверями. У сотрудников бизнес-центра разный график работы, поэтому люди одновременно заходят в здание и выходят из него в произвольном количестве. Допустим, в 6 часов вечера 100 человек заходят в здание, чтобы попасть на деловую встречу, а другие 100 человек уже закончили работать и идут домой. Количество заходящих в бизнес-центр и выходящих из него будет одинаковым — это и есть состояние насыщения.
Значение давления насыщенного пара и его плотности являются максимальными при заданном значении температуры. Если это не так, то пар ненасыщенный.
Свойства насыщенного пара
При постоянной температуре плотность насыщенного пара не зависит от его объема.
Представьте, что объем сосуда с насыщенным паром уменьшили, не изменив температуры.
Количество молекул, переходящих от пара к жидкости, превысит количество испаряющихся молекул, но при этом часть пара сконденсируется, а оставшийся пар снова придет в динамическое равновесие. В итоге плотность этого пара будет равна начальной плотности.
Давление насыщенного пара не зависит от его объема.
Это связано с тем, что давление и плотность связаны через уравнение Менделеева-Клапейрона, и следует из первого свойства насыщенного пара.
Кстати, уравнение Менделеева-Клапейрона справедливо для насыщенного пара. При этом нужно быть внимательным с частными случаями. Так, например, закон Бойля-Мариотта для насыщенного пара не выполняется.
pV = νRT
p — давление газа [Па]
V — объем [м3]
ν — количество вещества [моль]
T — температура [К]
R — универсальная газовая постоянная
При неизменном объеме плотность насыщенного пара растет с повышением температуры и уменьшается с понижением температуры.
В начальный момент испарения динамическое равновесие будет нарушено (некоторая часть жидкости испарится дополнительно). Плотность пара будет расти, пока динамическое равновесие не восстановится.
Давление и температура насыщенного пара растут быстрее, чем по линейному закону, который справедлив для идеального газа.
В случае идеального газа рост давления обусловлен только ростом температуры, а в случае с насыщенном паром имеют значение два фактора: температура и масса пара.
В случае нагревания насыщенного пара молекулы начинают ударяться чаще, так как их в целом стало больше, потому что пара стало больше.
Главное отличие насыщенного пара от идеального газа: пар сам по себе не является замкнутой системой, а находится в постоянном контакте с жидкостью.
Решение задач по теме «Насыщенный пар»
Применим свойства насыщенного пара при решении задач.
Задачка раз
В цилиндрическом сосуде под поршнем длительное время находятся вода и ее пар. Поршень начинают вдвигать в сосуд. При этом температура воды и пара остается неизменной. Как будет меняться при этом масса жидкости в сосуде? Ответ поясните.
Решение
Так как пар и вода находятся в контакте длительное время, пар является насыщенным. При уменьшении объема сосуда давление насыщенного пара не меняется. Из уравнения Менделеева-Клапейрона следует, что для того, чтобы давление пара не менялось, его количество вещества (а значит и масса) должно уменьшаться.
В этом процессе происходит конденсация, часть молекул пара переходят в жидкость, поэтому масса жидкости увеличивается.
Ответ
Масса жидкости увеличивается.
Задачка два
Какова плотность насыщенного пара при температуре 100°С?
Решение
При нормальном давлении (p = 105 Па) 100°С — это температура кипения воды. Значит, давление насыщенного пара при этой температуре равно атмосферному давлению.
Найдем связь между давлением и плотностью через уравнение Менделеева-Клапейрона.
Подставим значение давления в уравнение состояния идеального газа, предварительно переведя температуру в Кельвины: T = 100 + 273 = 373 K
Стоит ли снижать давление в системе жидкостного охлаждения двигателя?
Доброго времени суток всем читателям и случайно заглянувшим.
Сразу хочу предупредить, что я в этой области не специалист, хотя инженерное образование (электрическое) когда то получал) Мы изучали много чего, не связанного с электрикой, и преподаватели не заставляли нас зубрить, а учили находить, извлекать нужную информацию и делать правильные выводы. Вот и сейчас, спустя 25 лет, рискну сделать так, как учили. Еще хочу предупредить, что малым числом букаф мне обойтись вряд ли удастся, но я буду стараться излагать коротко и доступно.
Довольно часто встречаю на страницах Drive2 записи о замене крышки расширительного бачка. Причем ставят на двигатели серии N от дизеля. Вместо 200 (2.0 Бар) ставят 140 (1.4 Бар). Есть разные версии по поводу того, зачем это делается. Основная — чтобы не срывало патрубки и не трескались расширительные бачки, не текли радиаторы. Но как-то читал и такую, в которой изначально инженеры BMW планировали установить крышку расширительного бачка с клапаном сброса на 1.2 Бар. Поняли, что этого не достаточно, и спешно заменили на крышку в 2.0 Бар. Вы это серьезно? Первые горячие двигатели у BMW стали появляться в 90ые годы. Вы правда думаете, что их считали на коленке, что не было испытаний и т.п?
Не буду сейчас прославлять немецких инженеров и охаивать дядю Ваню из гаражей. Русских Левшей никто не отменял и они всегда будут, но Вы уверены, что их много и попали Вы именно к нему? Недавно пытался убедить человека вернуть крышку на 2.0 Бар и в очередной раз встретился с непониманием. Цитата: «Не очень понимаю, как влияет пробка. Почему-то из каждого утюга вещают, что нужна 140ая, иначе бачки, а потом и пуканы бахают :)»
Ну я утюгам не очень то верю и имею другую точку зрения на сей счет. И не подумайте, что это рассуждения на основе короткой статейки в википедии. Есть и практический опыт. Даже если не считать горячим двигатель от переднеприводного семейства ВАЗ (хотя они реально горячее, чем были заднеприводные), то за последние 20 лет в семье побывало несколько BMW, и все с горячими двигателями. Один из них (740 Е38 М62) только в наших руках пробежал более 400000 км. Условия эксплуатации были разные. Были и дальние поездки, и толкание в пробках на жаре, все было. Было и срывание патрубков с радиатора, и обламывание этих же патрубков, но крышка оставалась штатной. Я считаю, что если в системе охлаждения все исправно, то крышка на 2.0 Бар никаких проблем не вызовет (конечно, если сама крышка исправна). А если есть проблемы с системой охлаждения, то крышка, рассчитанная на более низкое давление, может только скрыть проблему на некоторое время, и в конечном итоге привести к более сложному и дорогостоящему ремонту.
Итак, зачем и какое давление нужно поддерживать в системе охлаждения двигателя? Думаю, никто спорить не будет, что это зависит от множества факторов. От конструкции, особенностей и условий эксплуатации двигателя и до состава охлаждающей жидкости. Вот, что об этом пишут в учебниках:
Вода, обладающая значительной теплоёмкостью, равной 4,186 кДж/кг-К, является наиболее распространённой охлаждающей жидкостью. Температура кипения воды, при нормальных условиях равная 100°С, уменьшается с увеличением высоты над уровнем моря. Так, на высоте 2500 м над уровнем моря атмосферное давление составляет 74,7 кПа, а температура кипения воды 91°С. Следовательно для работы двигателя в высокогорных условиях допустимая температура воды в системе должна быть около 70°С. Для компенсации этого недостатка прибегают к герметизации системы жидкостного охлаждения и увеличению расчетного давления в ней. При повышении давления в системе жидкостного охлаждения до 200000 Па (1500 MMHg или 2 Бар) температура возрастает до 119°С. Применение герметизированной системы жидкостного охлаждения позволяет увеличить температурный перепад и повысить благодаря этому эффективность теплообменных процессов. Практически это ведет к снижению количества охлаждающей жидкости, уменьшению потребной поверхности радиатора и сокращению теплопотерь в системе охлаждения.
Давайте попробуем разобраться с этим на примере двигателя N62.
Начнем с того, что температура ОЖ в N62 может достигать 115°, и это еще не авария. Вы даже не узнаете, что температура повысилась. В лучшем случае заметите небольшое отклонение указателя температуры вправо (у кого этот указатель вообще есть). Сейчас кто-то начал мне возражать, мол, есть же холодный термостат и температура не должна достигать таких значений. Почти согласен. А что, если в системе охлаждения есть небольшая неисправность? Грязный радиатор, неработающий на полную мощность вентилятор охлаждения и т.п., а Вы стоите в пробке на жаре. Уверен, что с такой задачей не справится даже полностью открытый навсегда термостат. Холодный термостат поможет позже и реже достигать высоких температур, но сотворить чудо он не может.
Но вернемся к 115°. Представим, что крышка расширительного бачка установлена на 1.4 Бар и она честно поддерживает заданное давление. При давлении 1.4 Бар вода начинает кипеть на 110°. У нас не вода, а охлаждающая жидкость. И если она качественная и правильно разведена из концентрата, то это поднимет температуру кипения почти на 10°. Вам не кажется, что много если? А Вы знаете, что есть на рынке ОЖ с добавлением метанола и т.п., у которых температура закипания ниже, чем у воды? Даже если ОЖ правильная, на стенках цилиндра со стороны ОЖ уже образовываются пузырьки газа и начинается кавитация. Пузыри серьезно препятствуют удалению избыточного тепла и возникают зоны локального перегрева, а кавитация медленно, но верно, разрушает стенки цилиндра со стороны ОЖ.
Кто готов поручиться, что в конечном итоге это не приведет к задирам на стенках цилиндра раньше, чем с крышкой на 2.0 Бар? Но это еще не все. Кавитационные процессы начинают возникать и в насосе ОЖ.
И опять, лучше, чем написано в учебнике, мне мысль не выразить.
Одной из особенностей работы жидкостных насосов является образование паровоздушных пузырьков на линии всасывания насоса, когда статическое давление меньше давления парообразования. Образование паровоздушных пузырьков в лопаточном канале изменяет характер течения жидкости в нём и оказывает влияние на напорную характеристику насоса. Перемещение пузырьков в зону повышенного давления приводит к его «захлопыванию», сопровождающемуся шумом, и разрушению материала деталей насоса (явление кавитации). Давление, при котором возникает явление кавитации, определяется экспериментально и является одной из важных эксплуатационных характеристик насоса. При работе насоса в системе охлаждения необходимо обеспечить поддержание статического давления на входе в насос больше экспериментально определённого давления начала кавитации.
Следовательно, если принять 110° за температуру начала кипения при давлении в системе 1.4 Бар, то пузырьки на линии всасывания насоса ОЖ начнут образовываться еще раньше, так как статическое давление на линии всасывания насоса будет еще ниже. Это, в свою очередь, приведет к падению производительности насоса ОЖ, и как следствие, к еще большему перегреву.
Так что же хуже, треснувший расширительный бачок, сорванный патрубок, потекший радиатор или задранный цилиндр? Еще раз хочу отметить, что полностью исправный N62 (так же, как и М62) с штатной крышкой расширительного бачка на 2.0 Бар, при самом жестком издевательстве в жару (не на Бриллианте, есть другой автомобиль с этим двигателем) ни разу не подвел. Если случались поломки системы охлаждения, то они были следствием той или иной неисправности, или старости и износа элементов системы охлаждения. Тем же, кто категорически со мной не согласен, рекомендую перед тем, как кидать в меня какашками, хотя бы бегло просмотреть учебник, выдержки из которого я использовал в этой записи.
P.S. Прошло меньше суток с момента публикации записи, и я вынужден исправить неточность. Причем основной текст править не буду, чтобы было понятно, в чем неточность. Какое давление указано на крышке расширительного бачка, абсолютное или относительное? Честно признаюсь, что в момент написания думал абсолютное. Вернее, не задумывался над этим. Благодаря MrPerfekt и его комментариям, задумался. Получается, что совсем не логично указывать на крышке абсолютное давление. Но меняет ли это все кардинально? Думаю, нет. Если на крышке указано избыточное давление, то в системе с крышкой на 2.0 Бар будет поддерживаться давление 2.0 Бар плюс атмосферное. Значит, на уровне моря ОЖ в системе начнет закипать при температуре примерно 133°, а с крышкой 1.4 Бар при 126°. А что будет, если подняться на пару тысяч над уровнем моря? Опять же датчик читает температуру ОЖ в месте, где он установлен, а температура ОЖ непосредственно возле стенки цилиндра будет выше. Насос ОЖ так же не вращается с постоянной скоростью, а зависит от оборотов двигателя. С ростом оборотов насоса падает давление во всасывающем канале, а значит, возрастает вероятность кавитации. Если на крышке указано избыточное давление, это конечно немного отодвигает проблему, но не убирает ее полностью. В конечном итоге все сводится к доверию или недоверию проектировщикам. И если считать их некомпетентными, то зачем покупать их продукт? Готов признать, что случаются и ошибки, но они их исправляют, особенно критические. О чем свидетельствует периодическая замена деталей в каталогах. Мне кажется, если бы был просчет, то крышку расширительного бачка стали бы выпускать с другим давлением под тем же номером, как случилось, например, с термостатом. В любом случае, глубины моих знаний и понимания процессов не достаточно, чтобы делать вывод, поэтому я все же доверюсь инженерам BMW и оставлю крышку 2.0 Бар.
Всем здоровья, хорошего настроения и пусть двигатель вашего любимца обойдется без кавитации.