какая жидкость называется перегретой
Какая жидкость называется перегретой
Шотландский физик Роберт Уотсон-Уотт однажды был остановлен полицейским за превышение скорости, после чего сказал: «Если бы я знал, что вы будете с ним делать, то никогда не изобрел бы радар!».
Наши спонсоры
Возможно ли нагреть воду до температуры больше 100 градусов без кипения при нормальном атмосферном давлении? Действительно ли чистая вода кипит при 100 градусов? Какая вода – сырая или кипяченая – закипает при одинаковых условиях раньше?
Описание:
Замечали ли Вы, что при кипячении, образование первых пузырьков начинается на шероховатостях сосуда, а также вокруг более или менее крупных частиц присутствующих в жидкости загрязнителей?! Поэтому если нагревать абсолютно чистую жидкость в идеально отполированном сосуде, то при нормальном атмосферном давлении можно заставить эту жидкость не вскипать при очень высоких температурах.
Образуется так называемая перегретая жидкость, отличающаяся крайней нестабильностью — достаточно минимального толчка или попадания пылинки, чтобы жидкость мгновенно вскипела (а на деле — буквально взорвалась) сразу во всем объеме.
Перегретая жидкость — жидкость, нагретая выше температуры кипения.
Для демонстрации эффекта перегретой жидкости мы взяли дистиллированную воду и нагревали ее в стеклянной колбе.
Так как стекло колбы гладкое (без шероховатостей) и внутри воды также не было примесей и посторонних веществ, то такая вода нагрелась выше чем 100 градусов и все еще не кипела.
При добавлении сахара в колбе возникли сразу много центров парообразования, и перегретая жидкость начинает почти мгновенно превращаться в пар вокруг этих центров, что приводит к значительным всплескам воды. Т.е. пузыри пара внутри растут так быстро, что просто подбрасывают часть воды вверх, и вода выплескивается из колбы.
Объяснение:
Почему кипяченая вода закипает дольше чем сырая и почему возможно перегреть воду выше температуры кипения?!
А все дело в мельчайших пузырьках воздуха, которые растворены в воде или забились в щелях и шероховатостях посуды. При нагревании воды они начинают проявляться. Именно эти мельчайшие пузырьки воздуха являются основой для образования первых пузырей пара кипящей воды. Их так и называют – центры парообразования.
Чтобы жидкость не кипела при 100 градусах, должны отсутствовать центры парообразования (небольшие пузырьки воздуха). Воду необходимо нагревать в сосуде, у которого будет наименьшая шероховатость стенок, т.е. не будет мест, где могут скопиться пузырьки воздуха. А также взять абсолютно чистую воду без примесей, так как мельчайшие посторонние частицы могут нести в себе центры парообразования.
Раньше закипит вода сырая, так как она содержит в себе растворенный воздух, а из кипяченой воды воздух уже вышел в процессе кипячения.
Читая далее вы знаете почему «никто еще не наблюдал кипения вполне чистой, не содержащей воздуха воды».
А теперь подробнее…
Чтобы разъяснить, почему присутствие растворенного воздуха ускоряет кипение, надо войти в некоторые подробности.
Кипение, в отличие от испарения, состоит в появлении пузырей пара внутри нагреваемой жидкости. Это становится возможным только тогда, когда давление пара достигает величины, не меньшей, нежели давление атмосферы на поверхность, передающееся по закону Паскаля внутрь. Известно, что при 100˚С давление насыщающего водяного пара равно атмосферному. Это относится, однако, только к тому случаю, когда пар насыщает пространство над плоской поверхностью воды. Давление насыщенного пара внутри пузырька, образовавшегося в воде, должно быть меньше атмосферного— меньше, чем близ плоской водяной поверхности при той же температуре. Причина та, что молекулы, покидающие вогнутую поверхность жидкости, легко захватываются ею вновь. Значит, уже при сравнительно небольшом числе освободившихся молекул внутри пузырька наступает такое состояние, когда число ежесекундно освобождающихся молекул равно числу захватываемых. Это и есть состояние насыщения, когда данное пространство заключает при данной температуре наибольшее количество пара,— состояние, при котором давление пара наибольшее. Ясно, что наибольшее давление внутри пузырька меньше, чем над плоской поверхностью воды, где оно равно атмосферному. Чем водная поверхность кривее, т. е. чем меньше радиус пузырька, тем ниже максимальное давление пара. Например, внутри пузырька радиусом 0,01 мкм давление насыщающего пара при 100˚С равно 750 мм рт. ст. вместо 760 мм рт. ст.
Отсюда следует, что кипение воды, вообще говоря, должно наступать не при теоретических 100˚С, а при более высокой температуре, т. е. когда пар в воде создаст более высокое давление, равное атмосферному.
Вода, из которой предварительным кипячением выгнан весь растворенный в ней воздух, запаздывает поэтому с кипением: кипение начинается позднее; зато, начавшись, оно протекает очень быстро, с большим выделением пара и быстро доводит воду до нормальной температуры кипения (100 ˚С) вследствие усиленного расхода теплоты на парообразование.
Иначе протекает кипение в воде сырой, содержащей в растворе воздух. Так как растворимость газов с повышением температуры уменьшается, то избыток воздуха должен из нагреваемой воды выделиться. Он и выделяется в виде пузырьков. Первые пузырьки, появляющиеся в нагреваемой сырой воде, заключают не водяной пар, а воздух. С внутренней их поверхности начинают затем освобождаться и молекулы водяного пара. Надо помнить, что всего более затруднено появление в воде первых, самых мелких пузырьков пара, так как давление насыщенного пара в мельчайших пузырьках особенно понижено. Когда трудности рождения миновали, т. е. когда пузырьки так или иначе уже появились, дальнейший процесс образования в них пара значительно облегчается, и пузырьки быстро разрастаются. Этим и объясняется то, что сырая вода, содержащая в растворе воздух, не запаздывает с кипением, как вода кипяченая.
Воду, из которой по возможности удален растворенный в ней воздух, удалось (Максвеллу) при известных условиях перегревать под нормальным давлением до 180˚С. При еще более тщательном удалении воздуха можно было бы, вероятно, нагреть воду еще сильнее, оставляя ее жидкой. Это дало повод одному физику (Грове) утверждать, что «никто еще не наблюдал кипения вполне чистой, не содержащей воздуха воды».
Перегретая жидкость
Общие сведения
Перегретая жидкость (метастабильное состояние) – это такая жидкость, температура которой превышает температуру кипения. Причиной существования перегретых жидкостей при атмосферном давлении является неспособность вещества перейти в газообразное состояние одновременно во всей массе вещества.
Так, например, вода при перегреве может достигать 200°C. При этом, чем меньше присутствует в веществе различных примесей, тем большей температуры оно может достичь, будучи в жидком состоянии. Объясняется это тем, что возникновение начальных маленьких пузырьков затрудняется значительным взаимным притягиванием молекул данного вещества. В случае же когда в веществе присутствуют разбавленные газы и мелкие твердые частички – кипение происходит при более низких температурах. Происходит это по той причине, что вблизи пузырьков и частиц обильно происходит парообразование, в силу менее слабых связей основного вещества.
В результате такое состояние придает веществу некоторые специфические свойства, вроде взрывоподобное закипание за счет накопленного тепла, неустойчивость поверхности разделения жидкость-газ и др.
Материалы по теме
Квантовая жидкость и сверхтекучесть
Взрывоподобное закипание
Наиболее известным примером перегрева жидкости является нагревание воды в микроволновке. Стоит отметить, что при нагреве воды в емкости на огне, нагревание происходит неравномерно и температура воды около дна растет быстрее, в результате чего эта часть воды закипает.
В случае же с микроволновой печью – вода в чашке нагревается равномерно и поэтому способна превысить температуру кипения, сохраняя жидкое состояние. Таким образом, жидкость в чашке принимает метастабильное состояние и способна к взрывоподобному закипанию. Например, при малейшей вибрации или попадании в чашку мельчайшей частицы – слегка нарушаются связи между молекулами. Однако, жидкость настолько накопила энергию, что такого, казалось бы, незначительного влияния достаточно, чтобы вода внезапно вскипела и испарилась.
Не рекомендуется проводить подобный опыт в домашних условиях, так как это может привести к ожогам.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Мир науки
Рефераты и конспекты лекций по географии, физике, химии, истории, биологии. Универсальная подготовка к ЕГЭ, ГИА, ЗНО и ДПА!
Кипение жидкостей. Перегретая жидкость и перенасыщенный пар
Особым случаем испарения жидкости является кипение.
Особым потому, что испарение идет не только с поверхности жидкости, а процесс захватывает весь объем. Практически всегда в жидкости растворен воздух и входящие в его состав газы. При нагревании жидкости пузырьки образуются обычно на дне и стенках сосуда или на механических примесях, если они есть. Но граница жидкости и газового пузыря — это тоже поверхность жидкости, правда поверхность криволинейная. И там тоже идет процесс испарения. Идет до тех пор, пока пар в пузырьке не станет насыщенным. Но, заметим, давление в пузырьке не может быть ниже суммы атмосферного давления и давления столба жидкости над пузырьком. Этим вторым слагаемым чаще всего можно пренебречь ввиду его малости.
При невысоких температурах давление газа в пузырьке может быть больше давления насыщенного пара, но с ростом температуры давление насыщенного пара растет быстрее давления газа и при достаточно высоких температурах давление в пузырьке определяется давлением насыщенного пара. Вначале пузырек «прицеплен» к поверхности сосуда силой поверхностного натяжения, но с ростом его происходит отрыв. Сила поверхностного натяжения зависит от периметра замкнутой кривой, по которой пузырек соединяется с сосудом, т. е. пропорциональна радиусу пузырька, а архимедова сила пропорциональна объему, т. е. кубу радиуса. Если температура жидкости такова, что давление насыщенного пара невелико, пузырек останется маленьким и не сможет оторваться от поверхности сосуда. Оторвавшийся пузырек будет двигаться к свободной поверхности жидкости, но если жидкость не прогрелась полностью, то, попав в менее нагретую область, пузырек исчезнет. Исчезнет потому, что пар частично сконденсируется, давление внутри пузырька станет меньше внешнего. Это происходит тогда, когда «чайник шумит». Если же жидкость прогрета до температуры, при которой давление насыщенного пара равно внешнему давлению, пузырь доходит до поверхности и лопается, выбрасывается пар.
Жидкость кипит. Подчеркнем еще раз — жидкость кипит тогда, когда давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению. А поскольку давление насыщенного пара зависит от температуры, то температура кипения жидкости зависит от давления. И утверждения «вода кипит при 100% справедливо только для нормального атмосферного давления, т. е. 1,01 • 10J Па (760 мм рт. ст.). Например, при давлении 2 • 10° Па температура кипения 120°, при давлении 1 • 10G Па — 180 °С, при давлении 2,3 • 10 Па вода закипает уже при 20 °С. Кастрюля-скороварка потому и скороварка, что варит быстро, а быстро потому, что температура воды в ней существенно выше 100° за счет того, что в этой кастрюле создается самим паром повышенное давление, а, значит, растет и температура кипения. Зато, если вам вздумается забраться на Эльбрус, высота которого 5642 м, вам придется варить картошку очень долго, потому что при давлении 5 • 104 Па вода закипит при температуре чуть выше 80 °С.
Но возможны и такие случаи, когда вода, достигнув температуры кипения при данном давлении, все-таки не закипит. Во-первых, для кипения необходимо, чтобы в жидкости находился растворенный газ, если жидкость обезгажена, пузырьки не образуются. Это можно наблюдать на опыте. Будем долго кипятить воду в стеклянной колбе. Мы увидим, что со временем количество пузырьков будет заметно уменьшаться, а температура жидкости станет на 1-г2°С выше температуры кипения. Но и наличие растворенных в жидкости газов не гарантирует ее закипания при температуре кипения. Необходимы центры образования пузырьков. Как правило, это те участки стенок или дна сосуда, которые не смачиваются жидкостью. Это могут быть загрязненные участки или микронеровности поверхности.
Если мы поместим жидкость в тщательно отполированный и столь же тщательно обезжиренный сосуд, то пузырькам образоваться будет негде — вся поверхность смачивается — и жидкость можно нагреть до температуры на десятки, а иногда и на сотню градусов превышающей температуру кипения. Такая жидкость называется перегретой жидкостью. Но рано или поздно и перегретая жидкость вскипит, причем очень бурно, взрывообразно, с выбросом жидкости наружу и температура скачком упадет до температуры кипения. Закипание произойдет тогда, когда по какой-либо случайной причине (но эта случайность обязательно произойдет!) внутри жидкости образуется какая-нибудь неоднородность.
Савельев И.В. Курс общей физики, том I
Загрузить всю книгу 
Титульный лист
Главная редакция физико-математической литературы
Механика, колебания и волны,
КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ, ТОМ I
Главная цель книги — познакомить студентов прежде всего с основными идеями и методами физики. Особое внимание обращено на разъяснение смысли физических законов и на сознательное применение их. Несмотря на сравнительно небольшой объем, книга представляет собой серьезное руководство, обеспечивающее подготовку, достаточную для успешного усвоения в дальнейшем теоретической физики и других физических дисциплин.
Предисловие к четвертому изданию
При подготовке к настоящему изданию книга была значительно переработана. Написаны заново (полностью или частично) параграфы 7, 17, 18, 22, 27, 33, 36, 37, 40, 43, 68, 88. Существенные добавления или изменения сделаны в параграфах 2, 11, 81, 89, 104, 113.
Ранее, при подготовке ко второму и третьему изданиям были написаны заново параграфы 14, 73, 75. Существенные изменения или добавления были внесены в параграфы 109, 114, 133, 143.
Таким образом, по сравнению с первым изданием облик первого тома заметно изменился. Эти изменения отражают методический опыт, накопленный автором последние десять лет преподавания обшей физики в Московском инженерно-физическом институте.
Ноябрь 1969 г. И. Савельев
Из предисловия к четвертому изданию
Предлагаемая вниманию читателей книга представляет собой первый том учебного пособия по курсу общей физики для втузов. Автор в течение ряда лет преподавал общую физику в Московском инженерно-физическом институте. Естественно поэтому, что пособие он писал имея в виду прежде всего студентов инженерно-физических специальностей втузов.
При написании книги автор стремился познакомить учащихся с основными идеями и методами физической науки, научить их физически мыслить. Поэтому книга не является по своему характеру энциклопедичной, содержание в основном посвящено тому, чтобы разъяснить смысл физических законов и научить сознательно применять их. Не осведомленности читателя по максимально широкому кругу вопросов, а глубоких знаний фундаментальным основам физической пауки — вот что стремился добиться автор.
Перегретая вода
Визуально этот опасный фокус весьма эффектен! В стоящий на столе сосуд с горячей водой попадает какой-либо предмет, крошка хлеба, шарик, щепотка соли, и вода бурно вскипает, переливаясь через край сосуда. Так себя проявляет эффект перегретой воды. С ним хорошо знакомы специалисты, изучающие геотермальные воды. Вода на большой глубине нагревается свыше 100 С. Когда осуществляется бурение скважины, подъем к поверхности перегретых вод сопровождается интенсивным парообразованием, представляющим собой взрывной процесс кипения.
Но повышение температуры кипения термальных вод объясняется давлением, под которым вода находится в недрах земли. А в сосуде при нормальном атмосферном давлении почему вода, достигнув 100 С, не закипает?
Опыты по нагреванию воды свыше 100 С
Ученые объясняют феномен перегретой воды следующим образом:
В процессе исследований было подмечено, что интенсивное образование пузырьков пара при нагревании воды начинается на шероховатостях стенок и дна сосуда или вокруг механических примесей. Если идеально очищенную воду поместить в сосуд с отполированными стенками, можно нагреть её до температуры свыше 100 С, и она не закипит. Таким образом, при нормальном атмосферном давлении можно получить воду температурой, к примеру, 130 С. Эта перегретая субстанция отличается нестабильностью: чтобы жидкость закипела, достаточно просто встряхнуть сосуд или бросить в воду микроскопический объект, например, песчинку.
В лабораторных условиях при использовании специальных приспособлений ученые нагревали воду до 300 С. Но эта температура считается пределом: мгновенно при достижении 300 С происходило закипание воды по всему объему.
Когда вода закипает при температуре ниже 100 С
Как уже говорилось, температура кипения воды зависит от давления: чем выше давление, тем выше точка кипения. Ученые провели еще один интересный опыт: нагрели воду чуть ниже 100 ;С, а затем резко понизили давление воздуха в сосуде с водой – вода мгновенно вскипела! Высоко в горах, где атмосфера сильно разряжена, вода закипает при температуре 70-90 С.
Что такое кипение?
При нагревании сосуда с жидкостью начинается образование пузырьков пара. Пока температура жидкости незначительна, происходит обратная конденсации пара, и пузырьки лопаются. Как только жидкость прогревается до точки кипения по всему объему, пузырьки становятся больше, давление пара в них растет, они поднимаются к поверхности жидкости. В этот момент температура перестает расти, так как нагрев компенсируется отводом тепла при помощи пузырьков пара.
Итак, пузырьки пара начинают подниматься на поверхность, когда давление в них сравнивается с давлением жидкости. Если повысить давление жидкости, парообразование начнется позднее – температура кипения вырастет. И наоборот при понижении давления пузырьки начнут раньше подниматься на поверхность – жидкость закипит при меньшей температуре.