Введение (3)

Реферат

— 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 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.


1. 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 не изменяется, пока вся жидкость не превратится в пар. Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, называется температурой кипения или температурой насыщения  термодинамические особенности 1 . С увеличением давления, cогласно уравнению Клапейрона — Клаузиуса, температура насыщения возрастает:

 термодинамические особенности 2 .
где — удельная теплота парообразования;  термодинамические особенности 3 — изменение удельного объёма тела при фазовом переходе.


1.1. 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.

5 стр., 2057 слов

Кипение жидкостей, пересыщенный пар, перегретая жидкость

... скороварках пищу варят под давлением около 200 кПа. Температура кипения воды при этом достигает 120 °С. В воде такой температуры процесс «варения» происходит значительно быстрее, чем в обычном ... некотором объёме находятся пары какой-нибудь жидкости, например воды, то в обычных условиях понижение температуры приведёт к тому, что пары приблизятся к состоянию насыщения, а затем начнут конденсироваться, ...


1.2. Особености кипения

В кипящей жидкости устанавливается определённое распределение температуры: у поверхностей нагрева (стенок сосуда, труб и т. п.) жидкость заметно перегрета  термодинамические особенности 4 . 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 расплескиванием 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  термодинамические особенности 5 .

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).


1.3. 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)

4 стр., 1757 слов

Пластовая температура и давление

... 1. Измерение пластовых давлений манометром по стволу скважины дает возможность определить истинную плотность жидкости и газа при данных давлении и температуре с учетом ... затруднений, связанных с аномально высоким пластовым давлением, следует изучать причины, вызывающие повышенное давление. Понятие о пластовом давлении. Пластовое давление определяет состояние жидкости, а также тот запас естественной ...

 термодинамические особенности 6 или  термодинамические особенности 7,

где — энтальпия, — энтропия, индекс — относится к состоянию начала кипения, а — к состянию насыщенного пара.


2. Режимы кипения

Начало кипения жидкости связано с прогревом пристенных слоев жидкости до температуры, превышающей температуру насыщения на определенную величину dT . Величина перегрева dT 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 так же 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 так же по отношению средней температуры жидкости к температуре насыщения:

  • кипение жидкости, недогретой до температуры насыщения (поверхностное кипение);
  • кипение жидкости, догретой до температуры насыщения


2.1. 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).

11 стр., 5066 слов

Перемешивание жидкостей

... течению жидкости вдоль твердой стенки. При описании механизма перемешивания в двумерных потоках параболическими точками можно пренебречь.) Как можно было ожидать, перемешивание в стационарном двумерном потоке менее ... потоки. Снимки получены К. Ленгом и автором статьи в Массачусетсом университете в Амхерсте. Полость прямоугольной формы заполнена глицерином, непосредственно под поверхность ...

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.


2.2. 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.


2.3. Кипение в большом объеме

Тепловой поток, передаваемый от поверхности к кипящей воде можно однозначно связать с перепадом температур между стенкой и жидкостью:

 режимы кипения 1 , где — тепловой поток,  режимы кипения 2 — температура стенки,  режимы кипения 3 средняя температура жидкости.

Эта зависимость характеризует теплоотдачу от обогревающей поверхности к жидкости и называется кривой кипения.

Можно выделить пять характерных областей:

  1. До точки A . Область конвекции;
  2. Между точками A и B . Область неразвитого пузырькового кипения. Характеризуется повышением интенсивности теплообмена за счет переноса образующихся пузырьков в ядро потока;
  3. Между точками B и C . Область развитого пузырькового кипения. Характеризуется высокой интенсивностью теплообмена за счет переноса образующихся пузырьков в ядро потока. Интенсивность нарастает по мере увеличения плотности пузырьков;
  4. Между точками C и D . Область неустойчивого пленочного кипения. Характеризуется «сливанием» отдельных пузырьков в пристенной области. Из-за уменьшения центров парообразования, а так же нарастания паровой пленки у обогревающей поверхности, теплоотдача падает;
  5. От точки D . 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  режимы кипения 4 . В этом случае, по мере увеличения  режимы кипения 5 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. A ), поверхностного кипения (между точками A и B ) и развитого пузырькового кипения (между точками B и C ).

При дальнейшем увеличении теплового потока обогревающая поверхность быстро покрывается паровой пленкой (от точки C до точки E ), что сопровождается увеличением температур и через короткое время, после достижения стационарного состояния, кипение характеризуется высокой температурой стенки (от точки H ).

Данное явление называется кризисом теплоотдачи, а тепловой поток , при котором начинается резкий рост температур (C E ) — первым критическим тепловым потоком, или, чаще, просто — критическим тепловым потоком.

Если после достижения точки H тепловой поток начинает уменьшатся, то пленочный режим кипения сохраняется до достижения точки D . В случае дальнейшего уменьшения теплового потока пленочный режим кипения сменяется на пузырьковый (от точки D до точки F ), и температура греющей поверхности быстро снижается. Тепловой поток , при котором пленочный режим кипения сменяется на пузырьковый (D F ), 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 .


2.4. Кипение при вынужденой конвекции

При вынужденной конвекции кипение имеет ряд особенностей, наиболее существенные из них — влияние характеристик потока на зависимость  режимы кипения 6 . Наиболее сильное влияние оказывают такие характеристики, как массовая скорость потока жидкости  режимы кипения 7 и паросодержание . При установившемся кипении движущейся в трубе жидкости, параметры среды (в первую очередь — паросодержание) изменяются вдоль потока, а в месте 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  режимы кипения 8 и ):

  1. экономайзерный участок, в котором жидкость нагревается без кипения (AB )
  2. область кипения (испарительный участок), в которой происходит пузырьковое кипение (BCDE )
  3. область подсыхания влажного пара, в котором формируется дисперсионный режим течения и происходит осушение остающейся влаги в ядре потока (EFG )

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 A ).

В случае постоянной величины теплового потока от стенки , средняя температура жидкости  режимы кипения 9и температура стенки  режимы кипения 10, растут линейно. В момент, когда температура стенки начинает превышать температуру насыщения  режимы кипения 11, 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 (BC ).

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 (E ).

Часто кризис теплоотдачи при кипении представляет переход от дисперсно-кольцевого режима кипения (DE ) к дисперсному (EFG ).

Количество влаги в каплях с ростом паросодержания уменьшается, что приводит к возрастанию скорости и небольшому увеличению теплоотдачи (температура поверхности стенки при этом немного снижается, (FG )).

При иной массовой скорости жидкости  режимы кипения 12 или величине теплового потока , характер кипения в трубе может измениться. Так, в случае больших  режимы кипения 13 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.


3. Температуры кипения для простых элементов

В приведенной таблице элементов Д. И. Менделеева для каждого элемента указаны:

  • атомный номер элемента;
  • обозначение элемента;
  • температура насыщение при нормальных условиях O C ;
  • 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 A

Период
1 1

H

-253

0,449

1,008

2

He

-268

0,0845

4,003

2 3

Li

181

145,9

6,941

4

Be

2477

292,4

9,012

5

B

3927

489,7

10,81

6

C

~4850

355,8

12,01

7

N

-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

17

Cl

-34

10,2

35,45

18

Ar

-186

6,447

39,95

4 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

24

Cr

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

In

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

At

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

Uuq

n/a

n/a

n/a

115

Uup

n/a

n/a

n/a

116

Uuh

n/a

n/a

n/a

117

Uus

n/a

n/a

n/a

118

Uuo

n/a

n/a

n/a

* Лантаноиды 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

** Актиноиды 89

Ac

3200

293

227,0

90

Th

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

No

n/a

n/a

255

103

Lr

n/a

n/a

260

0—10 кДж/моль 10—100 кДж/моль 100—300 кДж/моль >300 кДж/моль


Примечания , Литература

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/kipenie-klass/

  • 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 — slovari.yandex.ru/кипение/БСЭ/Кипение/ . Большая советская энциклопедия . slovari.yandex.ru.

Данный реферат составлен на основе .