Проект «Что такое кипение?»

Проект « Что такое кипение?»

Введение

Кипение - одно из фундаментальных физических явлений, используемое во многих процессах химической и физической промышленности.Кипение является одним из наиболее эффективных способов охлаждения в атомных реакторах и при охлаждении реактивных двигателей. Широко применяются процессыкипения также в химической технологии для отделения примеси из раствора, пищевой промышленности, при производстве и разделении сжиженных газов, для охлаждения элементов электронной аппаратуры. Режим пузырчатого кипения воды используется в современных паровых котлах на тепловых электростанциях для получения пара с высокими значениями давления и температуры.

Цель данной работы: выяснить условия и механизм процесса кипения.

Для достижения этой цели поставлен ряд задач:

Изучить:

1. строение жидкости;

2. теоретические основы процесса кипения:

• классификация процессов кипения;

• особенности процесса кипения;

• стадии кипения;

1. интернет-источники об объяснении процесса кипения на основе молекулярно-кинетической теории;

2. области использования процесса кипения.

Выяснить:

1. зависимость температуры нагревания воды от высоты положения термометра в сосуде;

2. зависимость времени нагревания от состава воды (водопроводная вода, прокипевшая и фильтрованная вода);

3. зависимость температуры кипения от давления.

На основе полученных материалов сделать выводы.

Строение жидкости

Жидкость является агрегатным состоянием вещества. Молекулы жидкости расположены почти вплотную друг к другу. Молекулы жидкости колеблются около положения равновесия, сталкиваясь с соседними молекулами. Время от времени молекула жидкости вырывается из своего окружения и переходит в другое место, попадая в новое окружение, где опять в течение некоторого времени совершает движение, подобное колебанию.

Компактное расположение частиц в жидкостях вызывает малую их сжимаемость. Жидкости присущ определенный объем. Между молекулами сильны силы взаимодействия. Средняя энергия хаотического теплового движения молекул меньше средней потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия, и ее недостаточно для преодоления сил притяжения между молекулами, именно поэтому жидкости имеют определенный объем.

Жидкость стремиться принять такую форму, которая способствовала бы минимальной площади ее поверхности, так как для увеличения поверхности жидкости требуется дополнительная энергия, которая определяется поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение возникает из-за неуравновешенности межмолекулярных сил, действующих у поверхности жидкости. Оно минимально, когда жидкость принимает сферическую форму.

Стремление жидкости уменьшить свою свободную поверхность хорошо проявляется в различных явлениях и опытах: шарообразная форма, которую принимают маленькие капли жидкости: капельки ртути на горизонтальной стеклянной пластинке, капли воды, разбегающиеся по раскаленной плите, если на нее попадут брызги воды, капли воды на пыльной дороге и т. п. Во всех этих случаях взаимодействие с твердым телом, на котором оно находится, мало по сравнению с силами, действующими между частями жидкости, и стремление жидкости уменьшить свою поверхность четко проявляется: шарообразная форма капелек соответствует наименьшей их поверхности. При малых размерах капелек искажающее их форму влияние силы тяжести невелико.

В условиях невесомости жидкость принимает форму шара; такая шарообразная «капля» может иметь большие размеры по сравнению с обычными каплями жидкости, в которых увеличение размера приводит к искажению формы под действием силы тяжести.

Жидкости обладают текучестью и изотропностью, то есть одинаковостью физических свойств по различным направлениям. Между частицами жидкости существуют равномерно распределенные по объему и перемещающиеся пустоты с размерами, сопоставимыми с размерами частиц.

Различие между паром и жидкостью

Рассмотрим случай, когда в замкнутом сосуде имеется жидкость и ее пар, причем жидкость занимает только часть сосуда (нижнюю); остальное пространство заполнено паром, который, как и всякий газ, заполняет все свободное пространство. Молекулы и в паре и в жидкости находятся в непрерывном движении и могут вылетать из жидкости и переходить в пар и, обратно, из пара залетать в жидкость. Однако между паром и жидкостью сохраняется (при неизменной температуре) резкая граница, и обмен молекулами не нарушает равновесия между этими двумя состояниями; только это равновесие имеет подвижный (динамический) характер.
Резкая граница между паром и жидкостью разделяет две фазы вещества, из которых парообразная характеризуется гораздо меньшей (в тысячи раз) плотностью, чем жидкая. В жидкой фазе среднее расстояние между молекулами гораздо меньше (в десятки раз), чем в паре, и в соответствии с этим межмолекулярные силы сцепления в жидкости гораздо больше, чем в паре.

Особенности процесса кипения

Непосредственные наблюдения за поведением жидкости свидетельствуют, что при некоторых температуре и давлении в жидкостях начинается процесс кипения. Рассмотрим механизм этого явления.

Обычно в жидкости или на стенках сосуда, в котором она находится, присутствуют пузырьки растворенного в ней воздуха. При нагревании жидкости растворимость содержащихся в ней газов понижается. В результате число таких пузырьков значительно увеличивается. Газовые пузырьки в процессе закипания играют роль аналогичную той, которую играют ионы или пылинки при конденсации. В эти пузырьки происходит испарение окружающей их жидкости, вследствие чего пузырьки наполняются насыщенным паром, давление которого с повышением температуры увеличивается.

Пока температура жидкости такова, что давление насыщенного пара внутри пузырька меньше внешнего давления над жидкостью, пузырек не может расти. При некоторой температуре давление насыщенного пара внутри пузырька становится равным давлению, оказываемому на пузырек извне. Это давление равно сумме атмосферного давления, гидростатического давления, обусловленного столбом жидкости над пузырьком. Расчеты показывают, что вклад гидростатического давления существенной роли в этом процессе не играют. Чаще всего мы имеем дело с процессом кипения при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.), а для того чтобы гидростатическое давление вносило вклад, сравнимый с давлением атмосферы, столб воды должен составлять хотя бы несколько метров, чего обычно в реальной ситуации не бывает.

При некоторой температуре, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным внешнему давлению, пузырьки, быстро увеличиваясь в размерах, устремляются вверх и прорываются наружу. С этого момента жидкость начинает кипеть.

Кипение возможно не только при нагревании жидкости в условиях постоянного давления. Снижением внешнего давления при постоянной температуре можно также вызвать перегрев жидкости и её вскипание (за счёт уменьшения температуры насыщения).

Классификация процессов кипения

Кипение классифицируют по следующим признакам:

1. пузырьковое и пленочное.

Кипение, при котором пар образуется в виде периодически зарождающихся и растущих пузырей, называется пузырьковым кипением. При медленном пузырьковом кипении в жидкости (а точнее, на стенках или на дне сосуда) появляются пузырьки, наполненные паром.

При увеличении теплового потока до некоторой критической величины отдельные пузырьки сливаются, образуя у стенки сосуда сплошной паровой слой, периодически прорывающиеся в объём жидкости. Такой режим называется плёночным.

Если температура дна сосуда значительно превышает температуру кипения жидкости, то скорость образования пузырей на дне становится столь большой, что они объединяются вместе, образуя сплошную паровую прослойку между дном сосуда и непосредственно самой жидкостью. В этом режиме плёночного кипения тепловой поток от нагревателя к жидкости резко падает (паровая плёнка проводит тепло хуже, чем конвекция в жидкости), и в результате скорость выкипания уменьшается. Режим плёночного кипения можно наблюдать на примере капли воды на раскалённой плите.

1. по виду конвекции у поверхности теплообмена: при свободной и вынужденной конвекции;

При нагревании вода ведет себя неподвижно, и теплота от нижних слоев к верхним передается посредством теплопроводности. По мере нагревания, однако, характер теплопередачи меняется, поскольку запускается процесс, который принято называть конвекцией. Нагреваясь вблизи дна, вода расширяется. Соответственно, удельный вес придонной разогретой воды оказывается легче, чем вес равного объема воды в поверхностных слоях. Это приводит всю водную систему внутри сосуда в нестабильное состояние, которое компенсируется за счет того, что горячая вода начинает всплывать к поверхности, а на ее место опускается более прохладная вода. Это свободная конвекция. При вынужденной конвекции теплообмен создается с помощь перемешивания жидкости и движение в воде создается за искусственным теплоносителем-мешалкой, насосом, вентилятором и тому подобное.

3) по отношению к температуре насыщения: без недогрева и кипение с недогревом. При кипении с недогревом пузырьки воздуха растут у основания сосуда, отрываются и схлопываются. Если недогрева нет, то пузырьки отрываясь, растут и всплывают на поверхность жидкости.

4) по ориентации поверхности кипения в пространстве: на горизонтальных наклонных и вертикальных поверхностях;

Некоторые слои жидкости непосредственно прилегающие к более горячей теплообменной поверхности, нагреваются выше и поднимаются как более легкие пристенные вдоль вертикальной поверхности. Таким образом, вдоль горячей поверхности возникает непрерывное движение среды, скорость которой определяет интенсивность теплообмена поверхности с основной массой практически неподвижной среды

5) по характеру кипения: развитое и неразвитое, неустойчивое кипение;

С ростом плотности теплового потока растет коэффициент парообразования. Кипение переходит в развитое пузырьковое. Увеличение частоты отрыва приводит к тому, что пузыри догоняют друг друга и сливаются. С увеличением температуры поверхности нагрева число центров парообразования резко возрастает, все большее количество оторвавшихся пузырьков всплывает в жидкости, вызывая ее интенсивное перемешивание. Такое кипение носит развитый характер.

Стадии кипения воды

Кипение воды представляет собой сложный процесс, состоящий из четырех ясно отличимых одна от другой стадий. Пронаблюдаем эти стадии.

Первая стадия (приложение 1) начинается с проскакивания со дна сосуда маленьких пузырьков воздуха, а также появления групп пузырьков на поверхности воды у стенок сосуда. Пузырьки на дне сосуда появляются при температуре 55 градусов. Первая стадия кипения
называется - «рыбий глаз». На первой стадии кипения слышим тонкий, едва различимый сольный звук.

Вторая стадия (приложение 2) характеризуется увеличением объема пузырьков. Увеличение пузырьков в объеме происходит при температуре 77 градусов, напоминая глаза краба. Поэтому вторая стадия кипения
называется - «крабий глаз». Постепенно количество пузырьков, возникающих в воде и рвущихся на поверхность, всё более увеличивается.

Третья стадия (приложение 3) кипения характерна массовым стремительным подъёмом пузырьков, которые вызывают сначала легкое помутнение, а затем даже “побеление” воды, напоминая собой быстро бегущую воду родника. Это так называемое кипение “ белым ключом”. Оно - крайне непродолжительное. Множество мелких пузырьков образовывают «жемчужные нити», которые поднимаются к поверхности воды, не достигая её. Процесс начинается при температуре в 83 градуса. Третья стадия кипения - «жемчужные нити». Звук становится похожим на шум небольшого пчелиного роя.

Четвертая стадия «бурлящий источник» (приложение 4) - это интенсивное бурление воды, появление на поверхности больших лопающихся пузырей, а затем брызганьем. Брызги будут означать, что вода очень сильно перекипела. Процесс проходит при температуре 100 градусов. Звуки резко усиливаются, но их равномерность нарушается, они как бы стремятся опередить друг друга.

Зависимость температуры нагревания воды от высоты положения термометра в сосуде

Измерения провели с помощью лабораторного термометра.

В сосуд налили воду высотой 120 мм, измерения проводили на высоте 100 мм и у самого дна сосуда, через разные промежутки времени. Первоначальная температура воды для всех случаев 16^оС.

По полученным измерениям для верхнего и нижнего положения термометра построили температурные зависимости нагреваемой воды от глубины погружения термометра (приложение 5)

Из графиков видно: «фиолетовая» кривая линия почти совпадает с «зеленой», а «голубая» линия совпадает с «красной» линией. Спиртовые термометры обладают большой инертностью и не подходят для таких «быстрых» измерений. Из выполненных расчетов, мы пришли к выводу, что для наших измерений необходимы более точные измерительные приборы.

Зависимость времени нагревания от состава воды
(водопроводная вода и прокипевшая вода)

Также в этой работе мы пытались установить зависимость закипания водных растворов: водопроводной воды, прокипевшей один раз и прокипевшей два раза воды. Результаты измерений представлены в виде диаграмм.

Диаграмма времени закипания водных растворов

Из полученных диаграмм видно, что для водопроводной воды, которая имеет большее количество центров парообразования, требуется меньше времени для закипания.

Зависимость температуры кипения от давления

Данный опыт позволяет увидеть кипение воды при комнатной температуре.
Оборудование и материалы: прозрачный пластиковый шприц без иголки на 20 мл, вода и кусочек пластилина.

Выполнение опыта

Набираем воду в шприц, чтобы она заняла примерно половину его объема. Двигая поршень вверх, выдавливаем пузырек воздуха из шприца. Закрываем отверстие шариком из пластилина. Теперь потянем с силой поршень вниз. Вода в шприце закипит! (приложение 6)

Объяснение опыта

При нормальном атмосферном давлении (примерно 100 тысяч паскаль) вода закипает при 100 С. При снижении давления над поверхностью воды пузырьки могут образовываться и при меньших температурах. Если давление насыщенных паров внутри пузырька больше, чем снаружи, он растет и выталкивается вверх силой Архимеда. Давление снаружи пузырька складывается из: давления воздуха на поверхность воды, давления столба жидкости и давления пленки воды, образующей пузырек. В данном опыте мы уменьшили давление воздуха на поверхность, что привело к кипению.

Выводы и перспективы дальнейших исследований

В данной работы мы смогли изучить процесс кипения, получить фотографии процесса нагревания воды и кипения.

Выводы:

-изучили процесс кипения, получили фотографии процесса нагревания воды и кипения;

-установили, что для таких измерений нельзя пользоваться обычными лабораторными термометрами, а нужно использовать более чувствительные и точные измерительные приборы – термопары;

-изобразили на графике температурную зависимость воды от времени нагревания на разных высотах;

-установили, как изменяется время кипения от вида и качества воды.

Мы считаем, что тема этой работа имеет перспективу на дальнейшее, более глубокое и детальное исследование.

Используемые источники

http://ru.picscdn.com/image/82bc6e5a/

http://www.sxc.hu/photo/271436

http://classfizika.ru/8_15.htm

http://www.k-nlo.ru/news/health/1365-uchenye-voda-predotvrashhaet-pereedanie.html

http://samlib.ru/s/staroshuk_w_a/1exp.shtml

http://phys-exp.livejournal.com/

http://www.cawater-info.net/all_about_water/?p=1492

http://yawall.ru/Voda-oboi-dlya-rabochego-stola-foto-izobrajeniya/51094-vodyanie-puzirki.html

http://wap.infan.ru/dir/animations/Наука/Science_2.gif/

Приложения

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Графики зависимости температуры

от времени на поверхности и у дна сосуда

.

П риложение 6

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/513707-proekt-chto-takoe-kipenie