Fierberea este un proces de vaporizare intensă , care are loc într-un lichid atât pe suprafața liberă, cât și în interiorul structurii sale. În acest caz, limitele de separare a fazelor apar în volumul lichidului , adică se formează bule pe pereții vasului, care conțin aer și abur saturat . Fierberea, ca și evaporarea , este una dintre metodele de vaporizare. Spre deosebire de evaporare, fierberea poate avea loc numai la o anumită temperatură și presiune . Temperatura la care un lichid fierbe sub presiune constantă se numește punct de fierbere . De regulă, punctul de fierbere la presiunea atmosferică normală este dat ca una dintre principalele caracteristici ale substanțelor pure din punct de vedere chimic . Procesele de fierbere sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii ale activității umane. De exemplu, fierberea este una dintre modalitățile comune de dezinfectare fizică a apei de băut. Apa de fierbere este procesul de încălzire a acesteia până la punctul de fierbere pentru a obține apă clocotită . De asemenea, procesul de fierbere este utilizat în aproape toate tipurile de unități frigorifice , inclusiv în marea majoritate a frigiderelor de uz casnic (atât cu absorbție , cât și cu compresor) și a aparatelor de aer condiționat . Răcirea aerului din camera frigorifică are loc tocmai datorită fierberii agentului frigorific, iar în evaporatorul unității frigorifice, agentul frigorific fierbe complet la presiune redusă.
Fierberea este o tranziție de fază de ordinul întâi . Fierberea are loc mult mai intens decât evaporarea de la suprafață, datorită prezenței focarelor de vaporizare, datorită atât temperaturii mai mari atinse în timpul procesului de fierbere, cât și prezenței impurităților [2] .
Formarea bulelor poate fi influențată de presiune, unde sonore, ionizare și alți factori în formarea centrelor de vaporizare. În special, camera cu bule funcționează pe principiul fierberii microvolumelor de lichid din ionizare în timpul trecerii particulelor încărcate .
Pe măsură ce lichidul se încălzește, pe suprafața de încălzire se formează bule de abur, în interiorul cărora lichidul se evaporă. Într-un lichid obișnuit (nepurificat din cele mai mici bule de gaz) la echilibru termodinamic, presiunea parțială a vaporilor din bule este egală cu presiunea vaporilor saturați la această temperatură. Deoarece presiunile din interiorul și din exteriorul bulei sunt egale, presiunea din interiorul bilei este egală cu presiunea atmosferică (presiunea hidrostatică este neglijată).
P(atm)=P(gaz)+P(vapori saturați)
Egalitatea forței gravitaționale și a forței lui Arhimede în acest caz poate fi neglijată, deoarece diferența de presiune care acționează asupra bulei este neglijabilă în comparație cu presiunea externă.
Pe măsură ce temperatura crește, presiunea vaporilor crește. Din constanța presiunilor atmosferice și „intrabubble”, rezultă că presiunea parțială a gazelor uscate din bulă ar trebui să scadă, ceea ce indică o creștere a volumului bulei. Când presiunea vaporilor saturați atinge presiunea atmosferică, presiunea gazelor uscate ar trebui să devină egală cu zero. Din ecuația Mendeleev-Clapeyron se poate observa că pentru aceasta volumul bulei trebuie să devină infinit (bula începe să se extindă continuu). Când se atinge punctul de fierbere în lichide, datorită procesului descris, începe gâlgâitul continuu, care crește viteza de evaporare de multe ori (deoarece aria lichidului cu care are loc evaporarea crește foarte mult). Astfel, dacă evaporarea are loc la orice temperatură , atunci fierberea are loc la una, determinată pentru presiunea curentă. Când procesul de fierbere a început, în ciuda furnizării continue de căldură, temperatura lichidului crește ușor până când tot lichidul s-a transformat în vapori. Temperatura la care un lichid fierbe sub presiune constantă se numește punct de fierbere sau punct de saturație . Schimbarea temperaturii unui lichid în timpul procesului de fierbere se numește glisare de temperatură . Pentru lichide chimic pure sau amestecuri azeotrope , alunecarea temperaturii este zero. Odată cu creșterea presiunii, conform ecuației Clausius-Clapeyron , temperatura de saturație crește:
. unde este căldura specifică de vaporizare; — modificarea volumului specific al corpului în timpul tranziției de fază.Pe diagrama de fază a apei , curba care caracterizează tranziția de fază de la starea lichidă la starea gazoasă se numește „linia de saturație”. Este limitat de două puncte limită: punctul triplu , unde converg liniile de topire , fierbere și sublimare , și punctul critic , unde interfața dintre fazele lichidă și gazoasă dispare.
O anumită distribuție a temperaturii se stabilește într-un lichid care fierbe: la suprafețele de încălzire (pereții vasului, țevi etc.), lichidul este vizibil supraîncălzit . Mărimea supraîncălzirii depinde de o serie de proprietăți fizico-chimice atât ale lichidului în sine, cât și ale suprafețelor solide de limită. Lichidele bine purificate, lipsite de gaze dizolvate (aer), pot fi supraîncălzite, cu precauții speciale, cu zeci de grade fără a fierbe. Când un astfel de lichid supraîncălzit fierbe în cele din urmă, procesul de fierbere decurge foarte violent, asemănător cu o explozie . Fierberea este însoțită de stropire de lichid, șocuri hidraulice , uneori chiar distrugerea vaselor. Căldura de supraîncălzire este cheltuită pentru vaporizare, astfel încât lichidul este răcit rapid la temperatura vaporilor saturați, cu care se află în echilibru. Posibilitatea unei supraîncălziri semnificative a unui lichid pur fără fierbere se explică prin dificultatea apariției bulelor inițiale mici (nuclee), formarea lor este împiedicată de atracția reciprocă semnificativă a moleculelor lichide. Situația este diferită atunci când lichidul conține gaze dizolvate și diverse cele mai mici particule în suspensie. În acest caz, chiar și o ușoară supraîncălzire (cu zecimi de grad) determină o fierbere stabilă și calmă, deoarece bulele de gaz și particulele solide servesc ca nuclee inițiale ale fazei de vapori. Principalele centre de vaporizare sunt situate în punctele suprafeței încălzite, unde există pori minusculi cu gaz adsorbit, precum și diverse neomogenități, incluziuni și depuneri care reduc aderența moleculară a lichidului la suprafață.
Bula rezultată crește numai dacă presiunea vaporilor din ea depășește puțin suma presiunii externe, presiunea stratului lichid de deasupra și presiunea capilară datorită curburii suprafeței bulei. Pentru a crea presiunea necesară în bule, vaporii și lichidul din jurul acestuia, care se află în echilibru termic cu vaporii, trebuie să aibă o temperatură care să depășească temperatura de saturație .
Fierberea este posibilă nu numai atunci când un lichid este încălzit în condiții de presiune constantă. O scădere a presiunii externe la o temperatură constantă poate provoca, de asemenea, supraîncălzirea și fierberea lichidului (din cauza scăderii temperaturii de saturație). Acest lucru explică, în special, fenomenul de cavitație - formarea de cavități de vapori în locuri cu presiune scăzută a lichidului (de exemplu, în zona de vortex din spatele elicei unei nave cu motor).
Pe diagrama PV pentru o temperatură lichidă selectată (de exemplu T1), punctul de fierbere este caracterizat de o pereche de variabile termodinamice, adică o anumită stare termodinamică . În timpul fierberii, temperatura și presiunea rămân constante, în timp ce, pe măsură ce conținutul de vapori crește, densitatea medie a mediului scade și , respectiv, volumul specific crește. După ce tot lichidul s-a evaporat, se ajunge la o nouă stare termodinamică . Dacă luăm în considerare o valoare mai mare a temperaturii, atunci debutul fierberii va fi caracterizat printr-o stare termodinamică cu un volum specific mare, iar starea de conversie completă a lichidului în vapori va fi caracterizată printr-un volum specific mai mic. Pe măsură ce temperatura crește, diferența dintre valorile volumelor specifice de lichid și vapori de pe linia de saturație scade, iar când temperatura punctului critic este atinsă, aceasta dispare. Schimbarea stării termodinamice a mediului în timpul procesului de fierbere este caracterizată de căldura specifică de vaporizare , care este egală cu cantitatea de căldură necesară pentru a evapora complet o unitate de masă de lichid (în multe surse, r este numit în mod eronat latent). căldura de vaporizare, de fapt, căldura latentă de vaporizare este doar o parte a căldurii specifice de vaporizare, care caracterizează modificarea energiei interne a lichidului și are ca scop creșterea distanței dintre microparticulele lichidului. în același timp, temperatura lichidului crește, dar nu există modificări vizibile. Căldura latentă de vaporizare poate fi determinată prin scăderea zonelor aflate sub procesul de fierbere din diagramele TS și PV)
sau ,
unde - entalpie , - entropie , indice - se referă la starea de început de fierbere și - la starea de abur saturat.
Debutul fierberii lichidului este asociat cu încălzirea straturilor din apropierea peretelui lichidului la o temperatură care depășește temperatura de saturație cu o anumită valoare . Mărimea supraîncălzirii depinde de mulți factori (presiunea, viteza curgerii lichidului, unghiul de contact, concentrația substanțelor dizolvate în lichid etc.) și nu este determinată în general. În funcție de densitatea fluxului de căldură, precum și de alți factori, pe suprafața de încălzire se formează fie bule de abur individuale, fie o peliculă continuă de abur, iar fierberea se numește fierbere cu bule sau peliculă. În plus, fierberea se distinge după tip:
și, de asemenea, în raport cu temperatura medie a lichidului și temperatura de saturație:
Fierberea, în care se formează aburul sub formă de bule care se nucleează și cresc periodic, se numește fierbere nucleată. Cu fierbere nucleată lentă într-un lichid (mai precis, de regulă, pe pereți sau pe fundul vasului), apar bule pline cu vapori. Datorită evaporării intense a lichidului din interiorul bulelor, acestea cresc, plutesc, iar vaporii sunt eliberați în faza de vapori deasupra lichidului. În același timp, în stratul din apropierea peretelui, lichidul se află într-o stare ușor supraîncălzită , adică temperatura sa depășește punctul de fierbere nominal. În condiții normale, această diferență este mică (de ordinul unui grad).
Posibilitatea supraîncălzirii lichidului se explică prin faptul că pentru a crea o bulă primară de dimensiune minimă, care poate crește mai departe singură, este necesară o anumită energie (determinată de tensiunea superficială a lichidului). Până la atingerea acestui lucru, cele mai mici bule vor apărea și se vor prăbuși din nou sub acțiunea forțelor de tensiune superficială și nu va fi fierbere.
Fierberea cu bule poate fi dezvoltată (cu un număr mare de centre de vaporizare) și nedezvoltată (cu un număr mic de centre de vaporizare)
În fierbere nucleată, un rol semnificativ îl joacă transferul de masă al bulelor de vapori din stratul din apropierea peretelui către miezul fluxului. Datorită acestui fapt, eficiența transferului de căldură către lichidul de fierbere crește - coeficienții de transfer de căldură caracteristici acestui regim sunt mari.
Când fluxul de căldură crește până la o anumită valoare critică, bulele individuale se îmbină, formând un strat continuu de vapori lângă peretele vasului, care se sparge periodic în volumul lichidului. Acest mod se numește modul film.
În acest mod, transferul de căldură de la suprafața de încălzire la lichid scade brusc (filmul de vapori conduce căldura mai rău decât convecția în lichid) și, ca urmare, temperatura suprafeței de încălzire poate crește semnificativ (linia C-E pe fierbere). curba). În același timp, la o temperatură constantă a suprafeței de încălzire în modul de fierbere a filmului, din cauza transferului slab de căldură, există o valoare scăzută a fluxului de căldură de la perete la lichid. Modul de fierbere a filmului poate fi observat pe exemplul unei picături de apă pe o sobă fierbinte.
În timpul fierberii filmului, datorită rezistenței termice semnificative a peliculei de vapori, transferul de căldură de la suprafața de încălzire la apa clocotită este mic și se caracterizează prin valori scăzute ale coeficientului de transfer de căldură.
Fluxul de căldură transferat de la suprafață în apa clocotită poate fi asociat fără ambiguitate cu diferența de temperatură dintre perete și lichid:
, unde este fluxul de căldură, este temperatura peretelui și este temperatura medie a lichidului.Această dependență caracterizează transferul de căldură de la suprafața de încălzire la lichid și se numește curbă de fierbere.
Se pot distinge cinci zone caracteristice:
Această curbă poate fi obținută prin creșterea și menținerea temperaturii peretelui de încălzire . În acest caz, pe măsură ce creșterea crește , cinci regiuni de fierbere sunt înlocuite succesiv.
În cazul creșterii și menținerii fluxului de căldură, ordinea modificării regimurilor de fierbere va fi diferită. În primul rând, modurile de convecție a unui lichid nefierbe (până la t. ), fierbere la suprafață (între puncte și ) și fierbere nucleată dezvoltată (între puncte și ) se înlocuiesc succesiv . Odată cu o creștere suplimentară a fluxului de căldură, suprafața de încălzire este rapid acoperită cu o peliculă de vapori (din punct în punct ), care este însoțită de o creștere a temperaturii și după scurt timp, după atingerea unei stări de echilibru, fierberea se caracterizează prin o temperatură ridicată a peretelui (din punctul ). Acest fenomen se numește criză de transfer de căldură, iar fluxul de căldură la care începe o creștere bruscă a temperaturii ( - ) este primul flux critic de căldură sau, mai des, pur și simplu, fluxul critic de căldură.
Dacă, după atingerea punctului , fluxul de căldură începe să scadă, atunci regimul de fierbere al filmului se menține până la atingerea punctului . În cazul unei scăderi suplimentare a fluxului de căldură, modul de fierbere al filmului se schimbă în modul cu bule (din punct în punct ), iar temperatura suprafeței de încălzire scade rapid. Fluxul de căldură la care modul de fierbere al filmului se schimbă în bule ( - ) se numește al doilea flux critic de căldură.
În multe dispozitive de schimb de căldură din inginerie energetică modernă și tehnologie rachetă, fluxul de căldură care trebuie îndepărtat de pe suprafața de încălzire este fix și adesea practic nu depinde de regimul de temperatură al suprafeței de eliberare a căldurii. Deci, alimentarea cu căldură către suprafața exterioară a conductelor de ecran situate în cuptorul unității cazanului este determinată în principal din cauza radiației din spațiul cuptorului. Fluxul radiant incident este practic independent de temperatura de suprafață a conductelor, atâta timp cât este semnificativ mai scăzută decât temperatura produselor fierbinți de ardere din cuptor . O situație similară are loc în canalele motoarelor rachete , în interiorul elementelor de combustibil (barele de combustibil) din zona activă a unui reactor nuclear , unde există o eliberare continuă de căldură datorită unei reacții nucleare . Fierberea este o tranziție intensă a unui lichid în vapori, care are loc odată cu formarea de bule de vapori pe întregul volum al lichidului la o anumită temperatură.
Dacă din anumite motive, fluxul de căldură depășește valoarea critică , modul de fierbere cu bule se schimbă rapid în modul film, iar temperatura suprafeței de încălzire crește la valori semnificativ ridicate, ceea ce poate duce la arderea suprafeței de încălzire. În același timp, pentru a restabili modul de fierbere cu bule și valorile inițiale ale temperaturilor, este necesar să se reducă fluxul de căldură la valoarea .
În convecția forțată, fierberea are o serie de caracteristici, dintre care cea mai semnificativă este efectul caracteristicilor de curgere asupra dependenței . Caracteristici precum debitul masic al lichidului și conținutul de vapori au cea mai puternică influență . Odată cu fierberea constantă a unui lichid care se mișcă într-o țeavă, parametrii mediului (în primul rând, conținutul de vapori) se modifică de-a lungul fluxului și, odată cu acesta, se schimbă regimurile de curgere și transferul de căldură.
În cele mai multe cazuri, fierberea într-un tub poate fi simplificată sub forma a trei zone (prin exemplul fierberii într-un tub lung pentru mici și ):
În acest exemplu, putem lua în considerare mai detaliat modificarea naturii fierberii și a temperaturilor peretelui conductei de încălzire și a temperaturii medii a lichidului asociată cu aceasta. Un lichid subrăcit până la fierbere este furnizat la intrarea în conducta de generare a aburului (punctul ). În cazul unei valori constante a fluxului de căldură din perete , temperatura medie a lichidului și temperatura peretelui cresc liniar. În momentul în care temperatura peretelui începe să depășească temperatura de saturație , se pot forma bule pe suprafața de încălzire. Astfel, fierberea începe în regiunea apropiată de perete, în ciuda faptului că temperatura medie a lichidului rămâne sub temperatura de saturație ( ). Acest fenomen se numește fierbere lichidă subrăcită . Valoarea conținutului de vapori de entalpie, la care începe fierberea unui lichid subrăcit, are o valoare negativă . După ce lichidul atinge temperatura de saturație , fierberea nucleată începe pe tot volumul lichidului. Această regiune se caracterizează prin amestecarea intensă a lichidului și, ca urmare, coeficienți mari de transfer de căldură și scăderi scăzute de temperatură.
Pe măsură ce amestecul bifazic se deplasează în regiunea cu conținut ridicat de vapori, regimurile de curgere ale fluxului bifazic se schimbă, iar la un anumit conținut de vapori , apare o criză de transfer de căldură: contactul lichidului cu suprafața se oprește și temperatura peretelui crește ( ). Adesea, criza de transfer de căldură în timpul fierberii reprezintă o trecere de la modul de fierbere dispersat-anular ( ) la cel dispersat ( ). Cantitatea de umiditate în picături scade odată cu creșterea conținutului de vapori, ceea ce duce la o creștere a vitezei și la o ușoară creștere a transferului de căldură (temperatura suprafeței peretelui scade ușor în acest caz, ( )).
Cu o viteză de masă diferită a lichidului sau cu mărimea fluxului de căldură , natura fierberii în conductă se poate modifica. Deci, în cazul mari și , modul de criză de transfer de căldură se poate forma chiar și în stadiul de fierbere a unui lichid subrăcit. În acest caz, se formează un regim de fierbere a filmului, iar miezul de curgere este o tijă de lichid subrăcit la temperatura de saturație, separată de peretele conductei printr-un film de vapori.
În tabelul elementelor lui D. I. Mendeleev , pentru fiecare element sunt indicate:
Grup → | in absenta |
II A |
III B |
IV B |
VB |
VI B |
VII B |
VIII B |
VIII B |
VIII B |
IB |
II B |
III A |
IV A |
VA |
PRIN INTERMEDIUL |
VII A |
VIII A | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Perioadă | ||||||||||||||||||||
unu | 1H -253 0,449 1,008 _ |
2 El -268 0,0845 4,003 | ||||||||||||||||||
2 | 3 Li 1340 145,9 6.941 |
4 Fii 2477 292,4 9.012 |
5 B 3927 489,7 10,81 |
6 C ~4850 355,8 12,01 |
7N -196 2.793 14.01 _ |
8 O -183 3.410 16.00 |
9 F -188 3.270 19.00 |
10 Ne -246 1.733 20.18 | ||||||||||||
3 | 11 Na 883 96,96 22,99 |
12 Mg 1090 127,4 24,33 |
13 Al 2467 293,4 26,98 |
14 Si 2355 384.2 28.09 |
15 P 277 12.13 30.97 |
16 S 445 9,6 32,07 |
17Cl -34 10,2 35,45
_ |
18 Ar -186 6.447 39.95 | ||||||||||||
patru | 19 K 759 79,87 39,10 |
20 Ca 1484 153,6 40,08 |
21 Sc 2830 314,2 44,96 |
22 Ti 3287 421 47,87 |
23 V 3409 452 50,94 |
24Cr 2672 344,3 52,00
_ |
25 Mn 1962 226 54,94 |
26 Fe 2750 349,6 55,85 |
27 Co 2927 376,5 58,93 |
28 Ni 2913 370,4 58,69 |
29 Cu 2567 300,3 63,55 |
30 Zn 907 115,3 65,41 |
31 Ga 2204 258,7 69,71 |
32 Ge 2820 330,9 72,64 |
33 As 616 34,76 74,92 |
34 Se 221 26,3 78,96 |
35 Br 59 15,44 79,9 |
36 Kr -153 9.029 83.80 | ||
5 | 37 Rb 688 72,22 85,47 |
38 Sr 1382 144 87,62 |
39 Y 2226 363 88,91 |
40 Zr 4409 591,6 91,22 |
41 Nb 4744 696,6 92,91 |
42 Mo 4639 598 95,94 |
43 Tc 4877 660 98,91 |
44 Ru 4150 595 101.1 |
45 Rh 3695 493 102,9 |
46 Pd 2963 357 106.4 |
47 Ag 2162 250,6 107,9 |
48 CD 767 100 112.4 |
49 În 2072 231,5 114,8 |
50 Sn 2602 295,8 118,7 |
51 Sb 1587 77,14 121,8 |
52 Te 450 52,55 127,6 |
53 I 184 20,75 126,9 |
54 Xe -108 12,64 131,3 | ||
6 | 55 Cs 705 67,74 132,9 |
56 Ba 1640 142 137.3 |
* |
72 Hf 4603 575 178,5 |
73 Ta 5458 743 180.9 |
74 W 5555 824 183,8 |
75 Re 5596 715 186.2 |
76 Os 5012 627,6 190,2 |
77 Ir 4428 604 192.2 |
78 Pt 3827 510 195.1 |
79 Au 2856 334,4 197,0 |
80 Hg 357 59,23 200,6 |
81 Tl 1473 164.1 204.4 |
82 Pb 1749 177,7 207,2 |
83 Bi 1564 104,8 209,0 |
84 Po 962 120 209,0 |
85 La 337 30 210,0 |
86 Rn -62 16,4 222,0 | ||
7 | 87 Fr 667 64 223 |
88 Ra 1737 137 226,0 |
** |
104 Rf n/a n/a 261 |
105 Db n/a n/a 262 |
106 Sg n/a n/a 263 |
107 Bh n/a n/a 262 |
108 Hs n/a n/a 265 |
109 Mt n/a n/a 268 |
110 Ds n/a n/a 281 |
111 Rg n/a n/a 280 |
112 Cn n/a n/a n/a |
113 Uut n/a n/a n/a |
114 Fl n/a n/a n/a |
115 Sus n/a n/a n/a |
116 Lv n/a n/a n/a |
117 Uus n/a n/a n/a |
118 Uuo n/a n/a n/a | ||
* Lantanide | 57 La 3457 414 138.9 |
58 Ce 3426 414 140.1 |
59 Pr 3520 297 140,9' |
60 Nd 3100 273 144.2 |
61 Pm ~3500 n/a 146,9 |
62 Sm 1803 166 150.4 |
63 Eu 1527 144 152,0 |
64 Gd 3250 359 157.3 |
65 Tb 3230 331 158,9 |
66 Dy 2567 230 162,5 |
67 Ho 2695 241 164.9 |
68 Er 2510 193 167.3 |
69 Tm 1947 191 168.9 |
70 Yb 1194 127 173,0 |
71 Lu 3395 356 175.0 | |||||
** Actinide | 89 Ac 3200 293 227,0 |
90th 4788 514,4 232,0
_ |
91 Pa 4027 470 231,0 |
92 U 4134 423 238,0 |
93 Np 3902 n/a 237,0 |
94 Pu 3327 325 244.1 |
95 Am 2607 239 243.1 |
96 cm
3110 n/a 247,1 |
97 Bk n/a n/a 247 |
98 Cf n/a n/a 251 |
99 Es n/a n/a 253 |
100 fm n/a n/a 255 |
101 Md n/a n/a 256 |
102 Nu n/a n/a 255 |
103 Lr n/a n/a 260 |
0-10 kJ/mol | 10–100 kJ/mol | 100–300 kJ/mol | >300 kJ/mol |
Secţiuni de fizică statistică | |
---|---|
Fizica materiei condensate |
|
Termodinamica | |
---|---|
Secțiuni de termodinamică | |
Principiile termodinamicii |
Starile termodinamice ale materiei | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Stări de fază |
| ||||||||||||||||
Tranziții de fază |
| ||||||||||||||||
Sisteme disperse | |||||||||||||||||
Vezi si |