Температура кипения жидкости при повышении давления над жидкостью

§ 34. Кипение. Зависимость температуры кипения от давления

Парообразование может происходить не только в результате испарения, но и при кипении. Рассмотрим кипение с энергетической точки зрения.

В жидкости всегда растворено некоторое количество воздуха. При нагревании жидкости количество растворенного в ней газа уменьшается, вследствие чего часть его выделяется в виде маленьких пузырьков на дне и стенках сосуда и на взвешенных в жидкости нерастворенных твердых частичках. Происходит испарение жидкости во внутрь этих воздушных пузырьков. Со временем пары в них становятся насыщенными. При дальнейшем нагревании увеличиваются давление насыщенного пара внутри пузырьков и их объем. Когда давление пара внутри пузырьков становится равным атмосферному, они под действием выталкивающей силы Архимеда поднимаются на поверхность жидкости, лопаются, и из них выходит пар. Парообразование, происходящее одновременно и с поверхности жидкости и внутри самой жидкости в воздушные пузырьки, называется кипением. Температура, при которой давление насыщенных паров в пузырьках становится равно внешнему давлению, называется температурой кипения.

Так как при одинаковых температурах давления насыщенных паров разнообразных жидкостей разные, то при различных температурах они становятся равными атмосферному давлению. Это приводит к тому, что разные жидкости кипят при различных температурах. Данное свойство жидкостей используется при возгонке нефтепродуктов. При нагревании нефти первыми испаряются наиболее ценные, летучие ее части (бензин), которые таким образом отделяются от «тяжелых» остатков (масел, мазута).

Рис. 37. Зависимость температуры кипения жидкости от давления

Из того, что кипение наступает, когда давление насыщенных паров равно внешнему давлению на жидкость, следует, что температура кипения жидкости зависит от внешнего давления. Если оно увеличено, то жидкость кипит при более высокой температуре, так как для достижения такого давления насыщенным парам необходима более высокая температура. Наоборот, при пониженном давлении жидкость кипит при более низкой температуре. В этом можно убедиться на опыте. Нагреем воду в колбе до кипения и уберем спиртовку (рис. 37, а). Кипение воды прекращается. Закрыв пробкой колбу, начнем насосом удалять из нее воздух и пары воды, уменьшая тем самым давление на воду, которая в»результате этого закипает. Заставив ее кипеть в открытой колбе, накачиванием воздуха в колбу увеличим давление на воду (рис. 37, б). Кипение ее прекращается. При давлении 1 атм вода кипит при 100° С, а при 10 атм — при 180° С. Эта зависимость используется, например в автоклавах, в медицине для стерилизации, в кулинарии для ускорения варки пищевых продуктов.

Чтобы жидкость начала кипеть, ее следует нагреть до температуры кипения. Для этого надо жидкости сообщить энергию, например количество теплоты Q = cm(t°к — t°0). При кипении температура жидкости остается постоянной. Так происходит потому, что сообщаемое при кипении количество теплоты затрачивается не на увеличение кинетической энергии молекул жидкости, а на работу разрыва молекулярных связей, т. е. на парообразование. При конденсации пар по закону сохранения энергии отдает в окружающую среду такое количество теплоты, которое было затрачено на парообразование. Конденсация происходит при температуре кипения, которая в процессе конденсации остается постоянной. (Объясните почему).

Составим уравнение теплового баланса при парообразовании и конденсации. Пар, взятый при температуре кипения жидкости, по трубке А. поступает в воду, находящуюся в калориметре (рис. 38, а), конденсируется в ней, отдавая ей затраченное на его получение количество теплоты. Вода и калориметр получают при этом количество теплоты не только от конденсации пара, но и от жидкости, которая при этом получается из него. Данные физических величин приведены в табл. 3.

Конденсирующийся пар отдал количество теплоты Qп = rm3 (рис. 38, б). Жидкость, полученная из пара, охладившись от t°3 до θ°, отдала количество теплоты Q3 = c2m3 (t3° — θ°).

Рис. 38. К выводу уравнения теплового баланса при кипении и конденсации

Калориметр и вода, нагреваясь от t°2 до θ° (рис. 38, в), получили количество теплоты

На основании закона сохранения и превращения энергии

Это уравнение называется уравнением теплового баланса при парообразовании и конденсации.

Задача 14. Перед тем как подать бревно в лесопильную раму, его в зимнее время освобождают от снега и льда, для чего оно некоторое время находится в бассейне, вода которого подогревается паром. Рассчитать, какое количество 100-градусного пара расходуется за смену для плавления 5 т снега и льда и нагревания воды, полученной из них. Температура воздуха -20° С; конечная температура воды в бассейне стала 30° С. Масса воды в бассейне 10 т, при работе бассейна ее температура повышается на 5° С.

Будь умным!

У нас ответы:) SamZan.ru

а Температура кипения жидкости такая температура при которой давление пара над жидкостью равно внешнем

«>Эбулиоскопия «> (от лат. ebulio — вскипаю) — метод исследования растворов, основанный на измерении повышения их температуры кипения по сравнению с чистым растворителем. Используется для определения молекулярной массы растворенного вещества, активности растворителя, степени диссоциации (или изотонического коэффициента).

«>Температура кипения жидкости — такая температура, при которой давление пара над жидкостью равно внешнему давлению. В то же время давление пара над раствором нелетучего вещества практически полностью определяется давлением пара растворителя и, в соответствии с законом Рауля, может быть выражено уравнением:

«>где «> — мольная доля растворителя.

«>Видно, что при повышении концентрации растворенного вещества давление пара над раствором будет снижаться, а следовательно, при неизменном внешнем давлении, будет расти температура кипения.

«>С учетом уравнения Клапейрона — Клаузиуса можно показать, что изменение температуры кипения раствора ( «>) может быть рассчитано по формуле:

«>где «> — энтальпия испарения;

«>— молярная масса растворителя; «>— моляльная концентрация растворенного вещества.

«>Дробь в квадратных скобках в этом выражении зависит только от свойств растворителя — это так называемая эбулиоскопическая константа растворителя «> . Она равна повышению температуры кипения одномоляльного раствора.

«>Если известны изменение температуры кипения и концентрация раствора, можно определить молярную массу растворенного вещества:

«>где a — число грамм растворенного вещества на 1000 г растворителя. Этот метод применим для разбавленных растворов нелетучих веществ и неэлектролитов.

«>Эбулиоскопический метод позволяет судить о состоянии вещества в растворах электролитов, так как для последних:

«>где i — изотонический коэффициент.

«>С помощью эбулиоскопии можно определить и активность растворителя, в соответствии с формулой:

«>Криоскопия «> (от греч. κρύο — холод и греч. σκοπέω смотрю) — метод исследования растворов, в основе которого лежит измерение понижения температуры замерзания раствора по сравнению с температурой замерзания чистого растворителя. Был предложен Ф. Раулем в 1882 году.

«>Давление пара над раствором нелетучего вещества практически полностью определяется давлением пара растворителя и может быть выражено уравнением (согласно закону Рауля):

«>где «>— мольная доля растворителя.

«>Видно, что оно ниже, чем давление пара над чистым растворителем, и снижается с ростом концентрации растворенного вещества.

«>В то же время при замерзании раствора давление пара над твердой фазой должно быть равно давлению пара над жидкостью. Если при замерзании раствора выделяется чистый растворитель, то давление пара над жидким раствором должно быть равно давлению пара над твердым чистым растворителем. Как было показано выше, давление пара над раствором ниже давления пара над чистым жидким растворителем, а следовательно, и соответствующее температуре замерзания равновесие для раствора будет устанавливаться при меньших температурах, чем для чистого растворителя. Это явление имеет важное значение в природе и технике.

«>Из приведенного выше выражения (закона Рауля), с учетом уравнения Клапейрона — Клаузиуса можно показать, что изменение температуры замерзания «> для разбавленных растворов может быть рассчитано по формуле:

«>где «>— энтальпия замерзания (кристаллизации);

«>— молярная масса растворителя; «>— моляльная концентрация растворенного вещества.

«>Здесь выражение в квадратных скобках зависит только от природы растворителя — это так называемая криоскопическая постоянная растворителя k:

«>Для воды k = 1,84 K, для железа 110 K.

«>Измеряя «>, можно определить молярную массу растворенного вещества, в соответствии с выражением:

«>где a — число граммов растворенного вещества, приходящееся на 1000 граммов растворителя.

«>Криоскопия может быть использована для определения активности растворителя, в соответствии с соотношением:

«>Кроме того, с помощью криоскопии можно определять степень диссоциации слабых электролитов, чистоту вещества, изучать комплексообразование в растворах и пр.

Источники:

http://physiclib.ru/books/item/f00/s00/z0000051/st035.shtml

http://samzan.ru/96351