In deze les zullen we aandacht besteden aan dit type verdamping, zoals koken, de verschillen met het eerder besproken verdampingsproces bespreken, een waarde introduceren zoals de kooktemperatuur, en bespreken waar deze van afhangt. Aan het einde van de les introduceren we een zeer belangrijke grootheid die het verdampingsproces beschrijft: de soortelijke warmte van verdamping en condensatie.
Onderwerp: Geaggregeerde toestanden van materie
Les: koken. Specifieke hitte verdamping en condensatie
In de vorige les hebben we al gekeken naar een van de soorten dampvorming - verdamping - en de eigenschappen van dit proces benadrukt. Vandaag zullen we dit type verdamping, het kookproces, bespreken en een waarde introduceren die het verdampingsproces numeriek karakteriseert: de soortelijke warmte van verdamping en condensatie.
Definitie.Kokend(Fig. 1) is een proces van intense overgang van een vloeistof naar een gasvormige toestand, vergezeld van de vorming van dampbellen en dat plaatsvindt door het gehele volume van de vloeistof bij een bepaalde temperatuur, die het kookpunt wordt genoemd.
Laten we de twee soorten verdamping met elkaar vergelijken. Het kookproces is intenser dan het verdampingsproces. Bovendien vindt, zoals we ons herinneren, het verdampingsproces plaats bij elke temperatuur boven het smeltpunt, en het kookproces strikt bij een bepaalde temperatuur, die voor elke stof anders is en het kookpunt wordt genoemd. Er moet ook worden opgemerkt dat verdamping alleen plaatsvindt vanaf het vrije oppervlak van de vloeistof, dat wil zeggen vanaf het gebied dat de vloeistof scheidt van de omringende gassen, en dat koken in het gehele volume in één keer plaatsvindt.
Laten we het kookproces eens nader bekijken. Laten we ons een situatie voorstellen die velen van ons herhaaldelijk zijn tegengekomen: het verwarmen en koken van water in een bepaald vat, bijvoorbeeld een pan. Tijdens het verwarmen wordt een bepaalde hoeveelheid warmte aan het water overgedragen, wat zal leiden tot een toename van de interne energie en een toename van de activiteit van moleculaire beweging. Dit proces zal doorgaan tot een bepaald stadium, totdat de energie van de moleculaire beweging voldoende wordt om te beginnen koken.
Water bevat opgeloste gassen (of andere onzuiverheden) die in de structuur vrijkomen, wat leidt tot het zogenaamde optreden van verdampingscentra. Dat wil zeggen, het is in deze centra dat stoom begint vrij te komen en dat zich door het gehele watervolume belletjes vormen, die tijdens het koken worden waargenomen. Het is belangrijk om te begrijpen dat deze belletjes geen lucht bevatten, maar stoom die ontstaat tijdens het kookproces. Na de vorming van bellen neemt de hoeveelheid stoom daarin toe en beginnen ze in omvang toe te nemen. Vaak vormen zich aanvankelijk bellen nabij de wanden van het vat en stijgen ze niet onmiddellijk naar de oppervlakte; eerst worden ze groter, staan ze onder de invloed van de groeiende kracht van Archimedes, en dan breken ze los van de muur en stijgen naar de oppervlakte, waar ze barsten en een portie stoom vrijgeven.
Het is vermeldenswaard dat niet alle stoombellen onmiddellijk het vrije wateroppervlak bereiken. Aan het begin van het kookproces wordt het water nog niet gelijkmatig verwarmd en zijn de onderste lagen, waar het warmteoverdrachtsproces direct plaatsvindt, zelfs heter dan de bovenste, zelfs rekening houdend met het convectieproces. Dit leidt ertoe dat de stoombellen die van onderaf opstijgen, instorten als gevolg van het fenomeen oppervlaktespanning, voordat ze het vrije wateroppervlak bereiken. In dit geval komt de stoom die zich in de bellen bevond in het water terecht, waardoor het verder wordt verwarmd en het proces van uniforme verwarming van het water door het hele volume wordt versneld. Als gevolg hiervan, wanneer het water bijna gelijkmatig opwarmt, beginnen bijna alle stoombellen het wateroppervlak te bereiken en begint het proces van intense stoomvorming.
Het is belangrijk om te benadrukken dat de temperatuur waarbij het kookproces plaatsvindt onveranderd blijft, zelfs als de intensiteit van de warmtetoevoer naar de vloeistof toeneemt. In eenvoudige woorden Als je tijdens het kookproces gas toevoegt aan een brander die een pan water verwarmt, zal dit alleen leiden tot een toename van de kookintensiteit, en niet tot een toename van de temperatuur van de vloeistof. Als we ons serieuzer verdiepen in het kookproces, is het de moeite waard om op te merken dat er gebieden in het water verschijnen waarin het boven het kookpunt oververhit kan raken, maar de hoeveelheid van een dergelijke oververhitting bedraagt in de regel niet meer dan één of een paar graden. en is onbelangrijk in het totale vloeistofvolume. Kookpunt van water op normale druk bedraagt 100°C.
Tijdens het koken van water kun je merken dat het gepaard gaat met karakteristieke geluiden van het zogenaamde zieden. Deze geluiden ontstaan juist door het beschreven proces van het instorten van stoombellen.
Het kookproces van andere vloeistoffen verloopt op dezelfde manier als het koken van water. Het belangrijkste verschil in deze processen zijn de verschillende kooktemperaturen van stoffen, die bij normale atmosferische druk al gemeten tabelwaarden zijn. De belangrijkste waarden van deze temperaturen geven we in de tabel aan.
Een interessant feit is dat het kookpunt van vloeistoffen afhangt van de waarde van de atmosferische druk. Daarom hebben we aangegeven dat alle waarden in de tabel worden gegeven bij normale atmosferische druk. Wanneer de luchtdruk toeneemt, neemt het kookpunt van de vloeistof ook toe als deze afneemt, integendeel: deze neemt af.
Het werkingsprincipe van zo'n bekend keukenapparaat als een snelkookpan is gebaseerd op deze afhankelijkheid van het kookpunt van de omgevingsdruk (fig. 2). Het is een pan met een goed sluitend deksel, waaronder tijdens het stomen van water de luchtdruk met stoom maximaal 2 atmosferische druk bereikt, wat leidt tot een verhoging van het kookpunt van het water erin tot . Hierdoor krijgen het water en het voedsel dat erin zit de kans om op te warmen tot een hogere temperatuur dan normaal () en wordt het kookproces versneld. Vanwege dit effect kreeg het apparaat zijn naam.
Rijst. 2. Snelkookpan ()
De situatie met een verlaging van het kookpunt van een vloeistof met een verlaging van de atmosferische druk heeft ook een voorbeeld uit het leven, maar voor veel mensen niet meer alledaags. Dit voorbeeld is van toepassing op het reizen van klimmers in hooggebergtegebieden. Het blijkt dat in gebieden op een hoogte van 3000-5000 m het kookpunt van water als gevolg van een afname van de atmosferische druk wordt verlaagd tot lagere waarden, wat leidt tot problemen bij het bereiden van voedsel tijdens wandelingen, omdat voor effectief hittebehandeling producten vereisen in dit geval aanzienlijk meer tijd dan wanneer normale omstandigheden. Op een hoogte van ongeveer 7000 m bereikt het kookpunt van water , waardoor het onmogelijk is om veel producten onder dergelijke omstandigheden te koken.
Sommige technologieën voor het scheiden van stoffen zijn gebaseerd op het feit dat de kookpunten van verschillende stoffen verschillend zijn. Als we bijvoorbeeld stookolie beschouwen, een complexe vloeistof die uit veel componenten bestaat, dan kan deze tijdens het kookproces in verschillende stoffen worden verdeeld. In dit geval kunnen ze, vanwege het feit dat de kookpunten van kerosine, benzine, nafta en stookolie verschillend zijn, van elkaar worden gescheiden door verdamping en condensatie bij verschillende temperaturen. Dit proces wordt gewoonlijk fractionering genoemd (Fig. 3).
Rijst. 3 Scheiding van olie in fracties ()
Zoals elk fysisch proces moet koken worden gekarakteriseerd met behulp van een numerieke waarde; deze waarde wordt de soortelijke verdampingswarmte genoemd.
Om het te kunnnen begrijpen fysieke betekenis deze waarde, overweeg volgende voorbeeld: laten we 1 kg water nemen en tot het kookpunt brengen, en dan meten hoeveel warmte er nodig is om dit water volledig te verdampen (zonder rekening te houden met warmteverliezen) - deze waarde is gelijk aan de soortelijke verdampingswarmte van water. Voor een andere stof zal deze warmtewaarde anders zijn en de soortelijke verdampingswarmte van deze stof zijn.
De soortelijke verdampingswarmte blijkt erg te zijn belangrijk kenmerk V moderne technologieën metaal productie. Het blijkt bijvoorbeeld dat wanneer ijzer smelt en verdampt met de daaropvolgende condensatie en stolling, kristallen cel met een structuur die een hogere sterkte biedt dan het originele monster.
Aanduiding: soortelijke verdampings- en condensatiewarmte (soms aangeduid met ).
Eenheid: .
De soortelijke verdampingswarmte van stoffen wordt bepaald met behulp van laboratoriumexperimenten en de waarden voor basisstoffen staan in de betreffende tabel.
|
Substantie |
Specifieke warmte capaciteit
Soortelijke warmte is de hoeveelheid warmte in Joules (J) die nodig is om de temperatuur van een stof te verhogen. De specifieke warmtecapaciteit is een functie van de temperatuur. Voor gassen is het noodzakelijk onderscheid te maken tussen soortelijke warmtecapaciteit bij constante druk en bij constant volume.
Specifieke smeltwarmte
Specifieke smeltwarmte stevig is de hoeveelheid warmte in J die nodig is om 1 kg van een stof bij het smeltpunt van vast naar vloeibaar om te zetten.
Latente warmte van verdamping
De latente verdampingswarmte van een vloeistof is de hoeveelheid warmte in J die nodig is om 1 kg vloeistof bij het kookpunt te verdampen. De latente verdampingswarmte is sterk afhankelijk van de druk. Voorbeeld: Als er warmte wordt toegepast op een container met 1 kg water van 100°C (op zeeniveau), zal het water 1023 kJ latente warmte absorberen zonder enige verandering in de thermometerwaarde. Er zal echter een verandering optreden in de aggregatietoestand van vloeistof naar damp. De door water geabsorbeerde warmte wordt de latente verdampingswarmte genoemd. De stoom zal 1023 kJ vasthouden, omdat deze energie nodig was om de aggregatietoestand te veranderen.
Latente condensatiewarmte
In het omgekeerde proces, wanneer warmte wordt verwijderd uit 1 kg waterdamp van 100°C (op zeeniveau), zal de stoom 1023 kJ warmte vrijgeven zonder de thermometerwaarde te veranderen. Er zal echter een verandering optreden in de aggregatietoestand van damp naar vloeistof. De warmte die door water wordt geabsorbeerd, wordt de latente condensatiewarmte genoemd.
Temperatuur en druk
Thermische metingen
Temperatuur, of INTENSITEIT van warmte, wordt gemeten met een thermometer. De meeste temperaturen in deze handleiding worden uitgedrukt in graden Celsius (C), maar soms wordt ook graden Fahrenheit (F) gebruikt. De temperatuurwaarde vertelt ons alleen de intensiteit van de hitte of de GEVOELIGE WARMTE, niet de werkelijke hoeveelheid hitte. De comfortabele temperatuur voor een persoon varieert van 21 tot 27°C. In dit temperatuurbereik voelt een persoon zich het meest comfortabel. Wanneer een temperatuur boven of onder dit bereik ligt, ervaart een persoon deze als warm of koud. In de wetenschap bestaat het concept van het ‘absolute nulpunt’: de temperatuur waarbij alle warmte uit het lichaam wordt verwijderd. De temperatuur van het absolute nulpunt wordt gedefinieerd als –273°C. Elke stof met een temperatuur boven het absolute nulpunt bevat een bepaalde hoeveelheid warmte. Om de basisprincipes van airconditioning te begrijpen, is het ook noodzakelijk om de relatie tussen druk, temperatuur en toestand van de materie te begrijpen. Onze planeet is omgeven door lucht, oftewel gas. De druk in het gas wordt in alle richtingen gelijkmatig overgedragen. Het gas om ons heen bestaat voor 21% uit zuurstof en voor 78% uit stikstof. De resterende 1% wordt ingenomen door andere zeldzame gassen. Deze combinatie van gassen wordt de atmosfeer genoemd. Het strekt zich enkele honderden kilometers hoger uit aardoppervlak en wordt vastgehouden door de zwaartekracht. Op zeeniveau is de atmosferische druk 1,0 bar en het kookpunt van water 100°C. Op elk punt boven zeeniveau is de atmosferische druk lager, evenals het kookpunt van water. Wanneer de druk daalt tot 0,38 bar, is het kookpunt van water 75°C en bij een druk van 0,12 bar is dit 50°C. Als het kookpunt van water wordt beïnvloed door een drukverlaging, is het logisch om aan te nemen dat een drukverhoging dit ook zal beïnvloeden. Een voorbeeld is een stoomketel!
Aanvullende informatie: Fahrenheit omrekenen naar Celsius en omgekeerd: C = 5/9 × (F – 32). F = (9/5×C)+32. Kelvin = C + 273. Rankine = F + 460.
Apparaten en accessoires die bij het werk worden gebruikt:
2. Stoomleiding (rubberen buis).
3. Calorimeter.
4. Elektrisch fornuis.
5. Thermometer.
6. Technische weegschalen met gewicht.
7. Beker.
Doel van het werk:
Leer experimenteel de soortelijke verdampingswarmte van water bepalen.
I. THEORETISCHE INLEIDING.
In het proces van energie-uitwisseling tussen materie en de omgeving is een overgang van materie van de ene aggregatietoestand naar de andere (van de ene fasetoestand naar de andere) mogelijk.
De overgang van een stof van een vloeibare naar een gasvormige toestand wordt genoemd verdamping.
Verdamping vindt plaats in de vorm van verdamping en koken.
Verdamping die alleen plaatsvindt vanaf het vrije oppervlak van een vloeistof wordt genoemd verdamping .
Verdamping vindt plaats bij elke temperatuur van de vloeistof, maar bij toenemende temperatuur neemt de verdampingssnelheid van de vloeistof toe.
De verdampende vloeistof kan afkoelen als er niet intensief warmte van buitenaf wordt toegevoerd, of opwarmen als er intensief warmte van buitenaf wordt toegevoerd.
Verdamping, die plaatsvindt over het gehele vloeistofvolume en wanneer constante temperatuur, genaamd kokend.
Het kookpunt hangt af van de externe druk op het oppervlak van de vloeistof.
Het kookpunt van een vloeistof bij normale atmosferische druk wordt genoemd kookpunt van deze vloeistof.
Tijdens verdamping interne energie De substantie neemt toe, dus om een vloeistof in damp om te zetten, moet er warmte aan worden toegevoerd via het proces van warmte-uitwisseling.
De hoeveelheid warmte die nodig is om een vloeistof bij een constante temperatuur in damp om te zetten, wordt genoemd warmte van verdamping.
De waarde is recht evenredig met de massa van de vloeistof die in damp wordt omgezet:
De waarde g karakteriseert de afhankelijkheid van de verdampingswarmte van het type stof en van externe omstandigheden, genaamd soortelijke verdampingswarmte . De soortelijke verdampingswarmte wordt gemeten door de hoeveelheid warmte die nodig is om een eenheidsmassa vloeistof in damp om te zetten bij een constante temperatuur:
In SI wordt de soortelijke verdampingswarmte gemeten in .
De waarde is afhankelijk van de temperatuur waarbij verdamping optreedt. De ervaring leert dat naarmate de temperatuur stijgt, de soortelijke verdampingswarmte afneemt. De weergegeven grafiek (Fig. 1) toont de afhankelijkheid van water.
In dit werk wordt de soortelijke verdampingswarmte van water door het kookproces bepaald met behulp van de warmtebalansvergelijking voor de condensatie van waterdamp. Neem hiervoor een calorimeter (K) (zie figuur 2), waarin water op een temperatuur zit, waterdamp met een kookpunt wordt vanuit de kolf via een stoomleiding P in het koude water van de calorimeter gebracht, waar het condenseert.
Na enige tijd wordt de stoomleiding verwijderd en wordt de in de calorimeter vastgestelde temperatuur gemeten en wordt de massa van de stoom die in de calorimeter wordt geïntroduceerd bepaald.
Vervolgens wordt de warmtebalansvergelijking samengesteld.
Wanneer een stoommassa condenseert, komt er warmte vrij.
waar is de soortelijke condensatiewarmte (ook de soortelijke verdampingswarmte). De gecondenseerde stoom verandert in water met een temperatuur die vervolgens, wanneer afgekoeld tot een bepaalde temperatuur, warmte vrijgeeft.
(4)
Komt vrij bij stoomcondensatie en afkoeling heet water warmte wordt ontvangen door de calorimeter en het water daarin. Hierdoor warmen ze op van temperatuur tot temperatuur . De warmte ontvangen door de calorimeter en koud water, wordt het berekend met de formule:
De warmtebalansvergelijking wordt opgesteld in overeenstemming met de wet van behoud van energie tijdens warmteoverdracht.
Tijdens warmte-uitwisseling is de som van de hoeveelheden warmte die worden afgegeven door alle lichamen waarvan de interne energie afneemt, gelijk aan de som van de hoeveelheden warmte die worden ontvangen door alle lichamen waarvan de interne energie toeneemt:
(6)
In ons geval nemen we voor de warmte-uitwisseling die plaatsvond in de calorimeter aan dat het warmteverlies in omgeving Nee. Daarom schrijven we vergelijking (6) in de vorm: of
Uit deze vergelijking krijgen we werkende formule om de waarde te berekenen op basis van de experimentele resultaten:
2. VOORTGANG VAN DE WERKZAAMHEDEN.
1. Maak een tabel waarin de resultaten van metingen en berekeningen worden ingevoerd in de vorm die aan het einde van de beschrijving wordt gegeven.
2. Weeg het interne vat van de calorimeter en voer de resulterende waarde in de tabel in.
3. Meet met een bekerglas 150-200 ml af koud water giet het in de calorimeter en meet de massa van het interne vat van de calorimeter met water (m 2). Vind de massa van water:
m in = m 2 – m tot
Noteer de massa koud water in de tabel.
4. Meet de begintemperatuur van de calorimeter en de waterwaarde erin, noteer deze in de tabel.
5. Laat het uiteinde van de stoomleiding in het water van de calorimeter zakken en laat stoom binnen totdat de watertemperatuur met 30°K - 35°K stijgt (q-temperatuur na warmtewisseling).
6. Weeg het binnenglas van de calorimeter en bepaal de massa van de gecondenseerde damp. Schrijf het resultaat in de tabel. ()
7. De waarden van de soortelijke warmtecapaciteiten van water en de calorimeterstof (aluminium) en de tabelwaarde van de soortelijke verdampingswarmte van water worden gegeven in de tabel met meet- en berekeningsresultaten.
8. Bereken met behulp van formule (7) de soortelijke verdampingswarmte van water.
9. Bereken absolute en relatieve fout het verkregen resultaat ten opzichte van het tabelresultaat met behulp van de formules:
; 
10. Trek een conclusie over het verrichte werk en het resulterende resultaat van de soortelijke verdampingswarmte van water.
TABEL MET MEET- EN BEREKENINGSRESULTATEN
Het fenomeen waarbij een stof overgaat van een vloeibare naar een gasvormige toestand wordt genoemd verdamping. Verdamping kan worden uitgevoerd in de vorm van twee processen: i.
Kokend
Het tweede verdampingsproces is koken. U kunt dit proces observeren met behulp van eenvoudige ervaring door water in een glazen kolf te verwarmen. Wanneer water wordt verwarmd, verschijnen er na een tijdje belletjes in, die lucht en verzadigde waterdamp bevatten, die wordt gevormd wanneer het water in de belletjes verdampt. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de druk in de bellen toe, en onder invloed van de opwaartse kracht stijgen ze naar boven. Echter, sinds de temperatuur bovenste lagen Er is minder water dan de lagere, de damp in de bellen begint te condenseren en ze krimpen. Wanneer het water door het hele volume opwarmt, stijgen bellen met stoom naar de oppervlakte, barsten en komt de stoom naar buiten. Water kookt. Dit gebeurt bij een temperatuur waarbij de druk toeneemt Verzadigde stoom in bellen is gelijk aan de atmosferische druk.
Het verdampingsproces dat bij een bepaalde temperatuur in het gehele vloeistofvolume plaatsvindt, wordt genoemd. De temperatuur waarbij een vloeistof kookt heet kookpunt.
Deze temperatuur is afhankelijk van de atmosferische druk. Naarmate de atmosferische druk toeneemt, neemt het kookpunt toe.
De ervaring leert dat tijdens het kookproces de temperatuur van de vloeistof niet verandert, ondanks het feit dat de energie van buitenaf komt. De overgang van een vloeistof naar een gasvormige toestand bij het kookpunt gaat gepaard met een toename van de afstand tussen de moleculen en dienovereenkomstig met het overwinnen van de aantrekkingskracht tussen hen. De energie die aan de vloeistof wordt geleverd, wordt verbruikt om arbeid te verrichten om de aantrekkingskrachten te overwinnen. Dit gebeurt totdat alle vloeistof in stoom verandert. Omdat vloeistof en damp tijdens het koken dezelfde temperatuur hebben, verandert de gemiddelde kinetische energie van de moleculen niet, maar neemt alleen hun potentiële energie toe.
De figuur toont een grafiek van de afhankelijkheid van de watertemperatuur in de tijd tijdens het verwarmen ervan kamertemperatuur tot kookpunt (AB), kookpunt (BC), stoomverwarming (CD), stoomkoeling (DE), condensatie (EF) en daaropvolgende koeling (FG).
Specifieke verdampingswarmte
Transformeren verschillende stoffen Van een vloeibare toestand naar een gasvormige toestand is er verschillende energie nodig, deze energie wordt gekenmerkt door een waarde die de soortelijke verdampingswarmte wordt genoemd.
Specifieke verdampingswarmte (L) is de hoeveelheid gelijk aan de verhouding de hoeveelheid warmte die moet worden overgedragen aan een stof van 1 kg om deze bij het kookpunt van een vloeibare toestand naar een gasvormige toestand te transformeren.
Eenheid van soortelijke verdampingswarmte - [ L] = J/kg.
Om de hoeveelheid warmte Q te berekenen die moet worden overgedragen aan een stof met een massa mn voor de transformatie van een vloeibare naar een gasvormige toestand, wordt de soortelijke verdampingswarmte ( L) vermenigvuldigd met de massa van de stof: Q = Lm.
Wanneer stoom condenseert, komt er een bepaalde hoeveelheid warmte vrij, en de waarde ervan is gelijk aan de hoeveelheid warmte die moet worden verbruikt om de vloeistof bij dezelfde temperatuur in stoom om te zetten.
