- Кипение
-
Кипе́ние — процесс парообразования в жидкости (переход вещества из жидкого в газообразное состояние), с возникновением границ разделения фаз. Температура кипения при атмосферном давлении приводится обычно как одна из основных физико-химических характеристик химически чистого вещества.
Кипение отличается от испарения, тем, что может происходить при определённой температуре и давлении.
Кипение является фазовым переходом первого рода. Кипение происходит гораздо более интенсивно, чем испарение с поверхности, из-за образования очагов парообразования, обусловленных как достигнутой температурой кипения, так и наличием примесей[1].
На процесс образования пузырьков можно влиять с помощью давления, звуковых волн, ионизации. В частности, именно на принципе вскипания микрообъёмов жидкости от ионизации при прохождении заряженных частиц работает пузырьковая камера.
Кипячение — нагревание жидкости (обычно воды) до температуры кипения. Физический способ дезинфекции.
Содержание
Термодинамические особенности
По мере нагрева жидкости на греющей поверхности образуются пузырьки пара, внутрь которых испаряется жидкость. При определенной температуре давление насыщенного пара внутри пузырька становится равным наружному давлению. В этот момент пузырек отрывается от стенки, и жидкость начинает кипеть. Таким образом, если испарение происходит при любой температуре, то кипение — при одной, определенной для текущего давления. Когда процесс кипения начался, то несмотря на продолжающийся подвод тепла температура жидкости изменяется незначительно, пока вся жидкость не превратится в пар. Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, называется температурой кипения или температурой насыщения . Изменение температуры жидкости в процессе кипения называется температурным глайдом. Для химически чистых жидкостей или азеотропных смесей температурный глайд является нулевым. С увеличением давления, согласно уравнению Клапейрона — Клаузиуса, температура насыщения возрастает:
- .
- где - удельная теплота парообразования; - изменение удельного объёма тела при фазовом переходе.
Линия насыщения
На фазовой диаграмме воды кривая, характеризующая фазовой переход из жидкого состояния в газообразное, называется «линией насыщения». Она ограничена двумя предельными точками: тройной точкой, в которой сходятся линии плавления, кипения и сублимации, и критической точкой, в которой исчезает граница раздела между жидкой и газообразной фазами.
Особености кипения
В кипящей жидкости устанавливается определённое распределение температуры: у поверхностей нагрева (стенок сосуда, труб и т. п.) жидкость заметно перегрета . Величина перегрева зависит от ряда физико-химических свойств как самой жидкости, так и граничных твёрдых поверхностей. Тщательно очищенные жидкости, лишённые растворённых газов (воздуха), можно при соблюдении особых мер предосторожности перегреть на десятки градусов без закипания. Когда такая перегретая жидкость в конце концов вскипает, то процесс кипения протекает весьма бурно, напоминая взрыв. Вскипание сопровождается расплёскиванием жидкости, гидравлическими ударами, иногда даже разрушением сосудов. Теплота перегрева расходуется на парообразование, поэтому жидкость быстро охлаждается до температуры насыщенного пара, с которым она находится в равновесии. Возможность значительного перегрева чистой жидкости без кипения объясняется затрудненностью возникновения начальных маленьких пузырьков (зародышей), их образованию мешает значительное взаимное притяжение молекул жидкости. Иначе обстоит дело, когда жидкость содержит растворенные газы и различные мельчайшие взвешенные частицы. В этом случае уже незначительный перегрев (на десятые доли градуса) вызывает устойчивое и спокойное кипение, так как начальными зародышами паровой фазы служат газовые пузырьки и твердые частицы. Основные центры парообразования находятся в точках нагреваемой поверхности, где имеются мельчайшие поры с адсорбированным газом, а также различные неоднородности, включения и налеты, снижающие молекулярное сцепление жидкости с поверхностью.
Образовавшийся пузырёк растет только в том случае, если давление пара в нём несколько превышает сумму внешнего давления, давления вышележащего слоя жидкости и капиллярного давления, обусловленного кривизной поверхности пузырька. Для создания в пузырьке необходимого давления пар и окружающая его жидкость, находящаяся с паром в тепловом равновесии, должны иметь температуру, превышающую температуру насыщения .
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). Этим объясняется, в частности, явление кавитации — образование паровых полостей в местах пониженного давления жидкости (например, в вихревой зоне за гребным винтом теплохода).
Теплота парообразования
На P-V диаграмме для выбранной температуры жидкости (например Т1) точка состояния начала кипения характеризуется парой термодинамических переменных, то есть определенным термодинамическим состоянием. При кипении температура и давление остаются постоянными, при этом по мере увеличения паросодержания средняя плотность среды падает, а удельный объём, соответственно, увеличивается. После испарения всей жидкости достигается новое термодинамическое состояние . Если рассмотреть более высокое значение температуры, то начало кипения будет характеризоваться термодинамическим состоянием с большим удельным объемом, а состояние полного превращения жидкости в пар — меньшим удельным объемом. По мере увеличения температуры разница между величинами удельных объемов жидкости и пара на линии насыщения уменьшается, а при достижении температуры критической точки — исчезает. Изменение термодинамического состояния среды в процессе кипения характеризуется удельной теплотой парообразования , которая равна количеству теплоты, необходимому для полного испарения единицы массы жидкости (Во многих источниках r ошибочно именуют скрытой теплотой парообразования, на самом же деле скрытая теплота парообразования представляет собой лишь часть удельной теплоты парообразования, которая характеризует изменение внутренней энергии жидкости и направлена на увеличение расстояния между микрочастицами жидкости. При этом температура жидкости растет, но видимых изменений не происходит. Определить скрытую теплоту парообразования можно путем вычитания площадей под процессом кипения в TS и PV диаграммах)
или ,
где — энтальпия, — энтропия, индекс — относится к состоянию начала кипения, а — к состянию насыщенного пара.
Режимы кипения
Начало кипения жидкости связано с прогревом пристенных слоев жидкости до температуры, превышающей температуру насыщения на определенную величину . Величина перегрева зависит от многих факторов (давления, скорости течения жидкости, краевого угла смачивания, концентрации растворенных в жидкости веществ и.т.д.) и в общем виде не определяется. В зависимости от плотности теплового потока, а также других факторов, на поверхности обогрева образуются или отдельные паровые пузыри, или сплошная пленка пара, и кипение называется либо пузырьковым либо пленочным. Кроме того, кипение различают по типу:
- кипение при свободной конвекции в большом объеме;
- кипение при вынужденной конвекции;
а также по отношению средней температуры жидкости к температуре насыщения:
- кипение жидкости, недогретой до температуры насыщения (поверхностное кипение);
- кипение жидкости, догретой до температуры насыщения
Пузырьковый
Кипение, при котором пар образуется в виде периодически зарождающихся и растущих пузырей, называется пузырьковым кипением. При медленном пузырьковом кипении в жидкости (а точнее, как правило на стенках или на дне сосуда) появляются пузырьки, наполненные паром. За счёт интенсивного испарения жидкости внутрь пузырьков, они растут, всплывают, и пар высвобождается в паровую фазу над жидкостью. При этом в пристеночном слое жидкость находится в слегка перегретом состоянии, т. е. её температура превышает номинальную температуру кипения. В обычных условиях эта разница невелика (порядка одного градуса).
Возможность перегрева жидкости объясняется тем, что для создания первичного пузырька минимального размера, который уже дальше может расти сам по себе, требуется затратить некоторую энергию (определяемую поверхностным натяжением жидкости). Пока это не достигнуто, мельчайшие пузырьки будут возникать и снова схлопываться под действием сил поверхностного натяжения, и кипения не будет.
Пузырьковое кипение может быть развитым (при большом количестве центров парообразования) и неразвитым (при малом количестве центров парообразования)
При пузырьковом кипении существенную роль играет массоперенос пузырьков пара из пристенного слоя в ядро потока. Благодаря этому возрастает эффективность теплоотдачи к кипящей жидкости — характерные для этого режима коэффициенты теплоотдачи высоки.
Плёночный
При увеличении теплового потока до некоторой критической величины отдельные пузырьки сливаются, образуя у стенки сосуда сплошной паровой слой, периодически прорывающийся в объём жидкости. Такой режим называется плёночным.
В этом режиме теплопередача от обогревающей поверхности к жидкости резко падает (паровая плёнка проводит тепло хуже, чем конвекция в жидкости), и в результате температура греющей поверхности может существенно возрасти (линия С-Е на кривой кипения). В то же время, при постоянной температуре обогревающей поверхности в режиме пленочного кипения, из-за ухудшенной теплопередачи имеет место низкое значение теплового потока от стенки к жидкости. Режим плёночного кипения можно наблюдать на примере капли воды на раскалённой плите.
При пленочном кипении, из-за существенного термического сопротивления паровой пленки, теплоотдача от греющей поверхности к кипящей воде мала, и характеризуется малыми значениями коэффициента теплоотдачи.
Кипение в большом объеме
Тепловой поток, передаваемый от поверхности к кипящей воде можно однозначно связать с перепадом температур между стенкой и жидкостью:
- , где — тепловой поток, — температура стенки, средняя температура жидкости.
Эта зависимость характеризует теплоотдачу от обогревающей поверхности к жидкости и называется кривой кипения.
Можно выделить пять характерных областей:
- До точки . Область конвекции;
- Между точками и . Область неразвитого пузырькового кипения. Характеризуется повышением интенсивности теплообмена за счет переноса образующихся пузырьков в ядро потока;
- Между точками и . Область развитого пузырькового кипения. Характеризуется высокой интенсивностью теплообмена за счет переноса образующихся пузырьков в ядро потока. Интенсивность нарастает по мере увеличения плотности пузырьков;
- Между точками и . Область неустойчивого пленочного кипения. Характеризуется «сливанием» отдельных пузырьков в пристенной области. Из-за уменьшения центров парообразования, а также нарастания паровой пленки у обогревающей поверхности, теплоотдача падает;
- От точки . Область устойчивого пленочного кипения. Характеризуется покрытием обогревающей поверхности сплошной пленкой пара и, как следствие, низкой теплоотдачей.
Данную кривую можно получить, увеличивая и поддерживая температуру греющей стенки . В этом случае, по мере увеличения последовательно сменяются пять областей кипения.
В случае увеличения и поддержания теплового потока, порядок смены режимов кипения будет иным. Сначала последовательно сменят друг друга режимы конвекции не кипящей жидкости (до т. ), поверхностного кипения (между точками и ) и развитого пузырькового кипения (между точками и ). При дальнейшем увеличении теплового потока обогревающая поверхность быстро покрывается паровой пленкой (от точки до точки ), что сопровождается увеличением температур и через короткое время, после достижения стационарного состояния, кипение характеризуется высокой температурой стенки (от точки ). Данное явление называется кризисом теплоотдачи, а тепловой поток , при котором начинается резкий рост температур (-) — первым критическим тепловым потоком, или, чаще, просто — критическим тепловым потоком.
Если после достижения точки тепловой поток начинает уменьшатся, то пленочный режим кипения сохраняется до достижения точки . В случае дальнейшего уменьшения теплового потока пленочный режим кипения сменяется на пузырьковый (от точки до точки ), и температура греющей поверхности быстро снижается. Тепловой поток , при котором пленочный режим кипения сменяется на пузырьковый (-), называется вторым критическим тепловым потоком.
Во многих теплообмеиных устройствах современной энергетики и ракетной техники тепловой поток, который должен отводиться от поверхности нагрева, является фиксированным и часто практически не зависит от температурного режима теплоотдающей поверхности. Так, теплоподвод к внешней поверхности экранных труб, расположенных в топке котельного агрегата, определяется в основном за счет излучения из топочного пространства. Падающий лучистый поток практически не зависит от температуры поверхности труб, пока она существенно ниже температуры раскаленных продуктов сгорания в топке. Аналогичное положение имеет место в каналах ракетных двигателей, внутри тепловыделяющих элементов (твэлов) активной зоны атомного реактора, где происходит непрерывное выделение тепла вследствие ядерной реакции. Поэтому тепловой поток на поверхности твэлов также является заданным. Он является заданным и в случае выделения теплоты при протекании через тело электрического тока.
Если по каким-либо причинам тепловой поток превысили критическое значение , пузырьковый режим кипения быстро сменяется на пленочный, а температура обогревающей поверхности возрастает до существенно высоких значений, что может привести к пережогу обогревающей поверхности. При этом, для восстановления пузырькового режима кипения и исходных значений температур, необходимо снижение теплого потока до значения .
Кипение при вынужденой конвекции
При вынужденной конвекции кипение имеет ряд особенностей, наиболее существенные из них — влияние характеристик потока на зависимость . Наиболее сильное влияние оказывают такие характеристики, как массовая скорость потока жидкости и паросодержание . При установившемся кипении движущейся в трубе жидкости, параметры среды (в первую очередь — паросодержание) изменяются вдоль потока, а вместе с ним сменяются режимы течения и теплоотдача.
В большинстве случае кипение в трубе можно упрощенно представить в виде трех зон (на примере кипения в длиной трубе при малых и ):
- экономайзерный участок, в котором жидкость нагревается без кипения ()
- область кипения (испарительный участок), в которой происходит пузырьковое кипение ()
- область подсыхания влажного пара, в котором формируется дисперсионный режим течения и происходит осушение остающейся влаги в ядре потока ()
На данном примере можно более подробно рассмотреть изменение характера кипения и связанные с этим температуры обогревающей стенки трубы и средней температуры жидкости. На вход в парогенерирующую трубу подается недогретая до кипения жидкость (точка ). В случае постоянной величины теплового потока от стенки , средняя температура жидкости и температура стенки , растут линейно. В момент, когда температура стенки начинает превышать температуру насыщения , на обогревающей поверхности может начаться формирование пузырьков. Таким образом, начинается кипение в пристеной области, несмотря на то, что средняя температура жидкости остается меньше температуры насыщения (). Это явление носит название кипения недогретой жидкости. Значение энтальпийного паросодержания, при котором начинается кипение недогретой жидкости имеет отрицательное значение . После достижения жидкостью температуры насыщения начинается пузырьковое кипение по всему объему жидкости. Эта область характеризуется интенсивным перемешиванием жидкости и, как следствие, высокими коэффициентами теплоотдачи и низкими перепадами температур.
По мере продвижения двухфазной смеси в область высоких паросодержаний сменяются режимы течения двухфазного потока, и при некотором паросодержании наступает кризис теплоотдачи: контакт жидкости с поверхностью прекращается и температура стенки возрастает (). Часто кризис теплоотдачи при кипении представляет переход от дисперсно-кольцевого режима кипения () к дисперсному (). Количество влаги в каплях с ростом паросодержания уменьшается, что приводит к возрастанию скорости и небольшому увеличению теплоотдачи (температура поверхности стенки при этом немного снижается, ()).
При иной массовой скорости жидкости или величине теплового потока , характер кипения в трубе может измениться. Так, в случае больших и , режим кризиса теплообмена может сформироваться еще на этапе кипения недогретой жидкости. В этом случае формируется пленочный режим кипения, а ядро потока представляет собой стержень недогретой до температуры насыщения жидкости, отделенной от стенки трубы пленкой пара.
Температуры кипения для простых элементов
В приведенной таблице элементов Д. И. Менделеева для каждого элемента указаны:
- атомный номер элемента;
- обозначение элемента;
- температура насыщения при нормальных условиях ;
- молярная скрытая теплота парообразования (кДж/моль);
- молярная масса.
Группа →
I A
II A
III B
IV B
V B
VI B
VII B
VIII B
VIII B
VIII B
I B
II B
III A
IV A
V A
VI A
VII A
VIII AПериод 1 1
H
-253
0,449
1,0082
He
-268
0,0845
4,0032 3
Li
181
145,9
6,9414
Be
2477
292,4
9,0125
B
3927
489,7
10,816
C
~4850
355,8
12,017
N
-196
2,793
14,018
O
-183
3,410
16,009
F
-188
3,270
19,0010
Ne
-246
1,733
20,183 11
Na
883
96,96
22,9912
Mg
1090
127,4
24,3313
Al
2467
293,4
26,9814
Si
2355
384,2
28,0915
P
277
12,13
30,9716
S
445
9,6
32,0717
Cl
-34
10,2
35,4518
Ar
-186
6,447
39,954 19
K
759
79,87
39,1020
Ca
1484
153,6
40,0821
Sc
2830
314,2
44,9622
Ti
3287
421
47,8723
V
3409
452
50,9424
Cr
2672
344,3
52,0025
Mn
1962
226
54,9426
Fe
2750
349,6
55,8527
Co
2927
376,5
58,9328
Ni
2913
370,4
58,6929
Cu
2567
300,3
63,5530
Zn
907
115,3
65,4131
Ga
2204
258,7
69,7132
Ge
2820
330,9
72,6433
As
616
34,76
74,9234
Se
221
26,3
78,9635
Br
59
15,44
79,936
Kr
-153
9,029
83,805 37
Rb
688
72,22
85,4738
Sr
1382
144
87,6239
Y
2226
363
88,9140
Zr
4409
591,6
91,2241
Nb
4744
696,6
92,9142
Mo
4639
598
95,9443
Tc
4877
660
98,9144
Ru
4150
595
101,145
Rh
3695
493
102,946
Pd
2963
357
106,447
Ag
2162
250,6
107,948
Cd
767
100
112,449
In
2072
231,5
114,850
Sn
2602
295,8
118,751
Sb
1587
77,14
121,852
Te
450
52,55
127,653
I
184
20,75
126,954
Xe
-108
12,64
131,36 55
Cs
705
67,74
132,956
Ba
1640
142
137,3* 72
Hf
4603
575
178,573
Ta
5458
743
180,974
W
5555
824
183,875
Re
5596
715
186,276
Os
5012
627,6
190,277
Ir
4428
604
192,278
Pt
3827
510
195,179
Au
2856
334,4
197,080
Hg
357
59,23
200,681
Tl
1473
164,1
204,482
Pb
1749
177,7
207,283
Bi
1564
104,8
209,084
Po
962
120
209,085
At
337
30
210,086
Rn
-62
16,4
222,07 87
Fr
667
64
22388
Ra
1737
137
226,0** 104
Rf
n/a
n/a
261105
Db
n/a
n/a
262106
Sg
n/a
n/a
263107
Bh
n/a
n/a
262108
Hs
n/a
n/a
265109
Mt
n/a
n/a
268110
Ds
n/a
n/a
281111
Rg
n/a
n/a
280112
Cn
n/a
n/a
n/a113
Uut
n/a
n/a
n/a114
Fl
n/a
n/a
n/a115
Uup
n/a
n/a
n/a116
Lv
n/a
n/a
n/a117
Uus
n/a
n/a
n/a118
Uuo
n/a
n/a
n/a* Лантаноиды 57
La
3457
414
138,958
Ce
3426
414
140,159
Pr
3520
297
140,9'60
Nd
3100
273
144,261
Pm
~3500
n/a
146,962
Sm
1803
166
150,463
Eu
1527
144
152,064
Gd
3250
359
157,365
Tb
3230
331
158,966
Dy
2567
230
162,567
Ho
2695
241
164,968
Er
2510
193
167,369
Tm
1947
191
168,970
Yb
1194
127
173,071
Lu
3395
356
175,0** Актиноиды 89
Ac
3200
293
227,090
Th
4788
514,4
232,091
Pa
4027
470
231,092
U
4134
423
238,093
Np
3902
n/a
237,094
Pu
3327
325
244,195
Am
2607
239
243,196
Cm
3110
n/a
247,197
Bk
n/a
n/a
24798
Cf
n/a
n/a
25199
Es
n/a
n/a
253100
Fm
n/a
n/a
255101
Md
n/a
n/a
256102
No
n/a
n/a
255103
Lr
n/a
n/a
2600—10 кДж/моль 10—100 кДж/моль 100—300 кДж/моль >300 кДж/моль См. также
Примечания
Литература
- Кипение // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
- Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. — М.: Энергия, 1969.
- Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. — М., 1963.
- Радченко И. В. Молекулярная физика. — М., 1965.
- Михеев М. А. Глава 5 // Основы теплопередачи. — 3-е изд. — М.—Л., 1956.
- Петухов Б. С., Генин Л. Г., Ковалев С. А. Теплообмен в ядерных энергетических реакторах. — М.: Энергоатомиздат, 1986.
- Кириллов П. Л., Юрьев Ю. С., Бобков В. П. Справочник по теплогидравлическим расчетам. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
- Кипение (рус.). Большая советская энциклопедия. slovari.yandex.ru. Архивировано из первоисточника 18 мая 2012. Проверено 10 февраля 2011.
Ссылки
- Как кипит вода?, Дж. Уокер — доступная интересная статья о кипении
- Кипение при пониженном давлении., Видео урок, в котором поставлен наглядный опыт: «Кипение воды при пониженном давлении».
Разделы термодинамики Начала термодинамики • Уравнение состояния • Термодинамические величины • Термодинамические потенциалы • Термодинамические циклы • Фазовые переходы Начала термодинамики Общее начало термодинамики • Первое начало термодинамики • Второе начало термодинамики • Третье начало термодинамики Категории:- Термодинамика
- Молекулярная физика
Wikimedia Foundation. 2010.