Kokning är en process av intensiv förångning , som sker i en vätska både på dess fria yta och inuti dess struktur. I det här fallet uppträder fasseparationsgränser i vätskans volym , det vill säga bubblor bildas på kärlets väggar, som innehåller luft och mättad ånga . Kokning, som förångning , är en av metoderna för förångning. Till skillnad från förångning kan kokning endast ske vid en viss temperatur och ett visst tryck . Den temperatur vid vilken en vätska kokar under konstant tryck kallas kokpunkten.. Som regel anges kokpunkten vid normalt atmosfärstryck som en av de viktigaste egenskaperna hos kemiskt rena ämnen . Kokningsprocesser används i stor utsträckning inom olika områden av mänsklig aktivitet. Till exempel är kokning ett av de vanligaste sätten att fysiskt desinficera dricksvatten. Kokande vatten är processen att värma det till kokpunkten för att få kokande vatten . Dessutom används kokningsprocessen i nästan alla typer av kylenheter , inklusive de allra flesta hushållskylskåp (både absorption och kompressor) och luftkonditioneringsapparater . Kylningen av luften i kylkammaren sker just på grund av att köldmediet kokar, och i kylaggregatets förångare kokar köldmediet bort helt vid reducerat tryck.
Kokning är en första ordningens fasövergång . Kokning sker mycket mer intensivt än avdunstning från ytan, på grund av närvaron av förångningshärdar, på grund av både den högre temperaturen som uppnås under kokningsprocessen och närvaron av föroreningar [2] .
Bildandet av bubblor kan påverkas av tryck, ljudvågor, jonisering och andra faktorer vid bildandet av förångningscentra. I synnerhet är det enligt principen att koka upp mikrovolymer vätska från jonisering under passagen av laddade partiklar som bubbelkammaren fungerar .
När vätskan värms upp bildas ångbubblor på värmeytan, inuti vilken vätskan avdunstar. I en vanlig vätska (ej renad från de minsta gasbubblorna) vid termodynamisk jämvikt är det partiella ångtrycket i bubblan lika med det mättade ångtrycket vid denna temperatur. Eftersom trycken inuti och utanför bubblan är lika, är trycket inuti kulan lika med atmosfärstrycket (hydrostatiskt tryck försummas).
P(atm)=P(gas)+P(mättad ånga)
Likheten mellan tyngdkraften och Archimedes kraft kan i detta fall försummas, eftersom tryckskillnaden som verkar på bubblan är försumbar jämfört med det yttre trycket.
När temperaturen ökar ökar ångtrycket. Av konstantheten hos atmosfärstrycket och "intrabubblan" följer att partialtrycket för torra gaser i bubblan bör minska, vilket indikerar en ökning av bubblans volym. När trycket av mättade ångor når atmosfärstryck, bör trycket av torra gaser bli lika med noll. Det kan ses från Mendeleev-Clapeyron-ekvationen att för detta måste bubblans volym bli oändlig (bubblan börjar expandera kontinuerligt). När kokpunkten uppnås i vätskor, på grund av den beskrivna processen, börjar ett kontinuerligt gurglande, vilket ökar avdunstningshastigheten många gånger (eftersom ytan av vätskan med vilken avdunstning sker kraftigt ökar). Således, om avdunstning sker vid någon temperatur , så sker kokning vid en, bestämd för det aktuella trycket. När kokningsprocessen har börjat, trots fortsatt tillförsel av värme, ökar temperaturen på vätskan något tills all vätska har förvandlats till ånga. Den temperatur vid vilken en vätska kokar under konstant tryck kallas kokpunkten eller mättnadspunkten . Förändringen i temperatur hos en vätska under kokningsprocessen kallas temperaturglidning . För kemiskt rena vätskor eller azeotropa blandningar är temperaturglidningen noll. Med ökande tryck, enligt Clausius-Clapeyrons ekvation , ökar mättnadstemperaturen:
. var är det specifika förångningsvärmet; — förändring av kroppens specifika volym under fasövergången.På fasdiagrammet för vatten kallas kurvan som kännetecknar fasövergången från flytande till gasform "mättnadslinjen". Den begränsas av två gränspunkter: trippelpunkten , där linjerna för smältning , kokning och sublimering konvergerar , och den kritiska punkten , där gränsytan mellan vätske- och gasfasen försvinner.
En viss temperaturfördelning etableras i en kokande vätska: vid värmeytorna (kärlväggar, rör etc.) är vätskan märkbart överhettad . Storleken på överhettning beror på ett antal fysikalisk-kemiska egenskaper hos både själva vätskan och de fasta gränsytorna. Noggrant renade vätskor, utan lösta gaser (luft), kan, med särskilda försiktighetsåtgärder, överhettas med tiotals grader utan att koka. När en sådan överhettad vätska slutligen kokar, fortskrider kokningsprocessen mycket våldsamt, som liknar en explosion . Kokning åtföljs av stänk av vätska, hydrauliska stötar , ibland till och med förstörelse av kärl. Värmen från överhettningen förbrukas på förångning, så vätskan kyls snabbt till temperaturen för mättad ånga, med vilken den är i jämvikt. Möjligheten för en betydande överhettning av en ren vätska utan att koka förklaras av svårigheten med uppkomsten av initiala små bubblor (kärnor), deras bildning hindras av den betydande ömsesidiga attraktionen av vätskemolekyler. Situationen är annorlunda när vätskan innehåller lösta gaser och olika minsta suspenderade partiklar. I det här fallet orsakar även en lätt överhettning (med tiondels grad) en stabil och lugn kokning, eftersom gasbubblor och fasta partiklar fungerar som ångfasens initiala kärnor. De huvudsakliga förångningscentrumen är belägna vid punkterna på den uppvärmda ytan, där det finns små porer med adsorberad gas, såväl som olika inhomogeniteter, inneslutningar och avsättningar som minskar vätskans molekylära vidhäftning till ytan.
Den resulterande bubblan växer endast om ångtrycket i den något överstiger summan av det yttre trycket, trycket på det överliggande vätskeskiktet och kapillärtrycket på grund av bubbelytans krökning. För att skapa det nödvändiga trycket i bubblan måste ångan och vätskan som omger den, som är i termisk jämvikt med ångan, ha en temperatur som överstiger mättnadstemperaturen .
Kokning är möjlig inte bara när en vätska värms under konstant tryck. En minskning av det yttre trycket vid en konstant temperatur kan också få vätskan att överhettas och koka (på grund av en minskning av mättnadstemperaturen). Detta förklarar i synnerhet fenomenet kavitation - bildandet av ånghåligheter på platser med lågt vätsketryck (till exempel i virvelzonen bakom propellern på ett motorfartyg).
På PV-diagrammet för en vald vätsketemperatur (t.ex. T1) kännetecknas kokpunkten av ett par termodynamiska variabler, det vill säga ett visst termodynamiskt tillstånd. Under kokning förblir temperaturen och trycket konstanta, medan när ånghalten ökar , minskar mediets medeldensitet och den specifika volymen ökar. Efter att all vätska har avdunstat nås ett nytt termodynamiskt tillstånd . Om vi överväger ett högre temperaturvärde, kommer kokningen att kännetecknas av ett termodynamiskt tillstånd med en stor specifik volym, och tillståndet för fullständig omvandling av vätska till ånga kommer att kännetecknas av en lägre specifik volym. När temperaturen ökar minskar skillnaden mellan värdena för de specifika volymerna av vätska och ånga på mättnadslinjen, och när temperaturen på den kritiska punkten uppnås försvinner den. Förändringen i mediets termodynamiska tillstånd under kokningsprocessen kännetecknas av det specifika förångningsvärmet , vilket är lika med mängden värme som krävs för att fullständigt förånga en enhetsmassa vätska (I många källor kallas r felaktigt för latent förångningsvärme, i själva verket är det latenta förångningsvärmet bara en del av det specifika förångningsvärmet, vilket kännetecknar förändringen i vätskans inre energi och syftar till att öka avståndet mellan vätskans mikropartiklar. samtidigt stiger temperaturen på vätskan, men det finns inga synliga förändringar. Den latenta förångningsvärmen kan bestämmas genom att subtrahera ytorna under kokningsprocessen i TS- och PV-diagrammen)
eller ,
där - entalpi , - entropi , index - hänvisar till tillståndet för början av kokningen, och - till tillståndet för mättad ånga.
Början av vätskekokning är förknippad med uppvärmning av vätskans nära vägglagren till en temperatur som överstiger mättnadstemperaturen med ett visst värde . Storleken på överhettning beror på många faktorer (tryck, vätskeflödeshastighet, kontaktvinkel, koncentration av ämnen lösta i vätskan, etc.) och är inte allmänt bestämd. Beroende på värmeflödets densitet, såväl som andra faktorer, bildas antingen individuella ångbubblor eller en kontinuerlig film av ånga på värmeytan, och kokning kallas antingen bubbel- eller filmkokning. Dessutom särskiljs kokning efter typ:
och även i förhållande till vätskans medeltemperatur till mättnadstemperaturen:
Kokning, där ånga bildas i form av periodiskt kärnbildande och växande bubblor, kallas kärnkokning. Med långsam kokning av kärnor i en vätska (mer exakt, som regel, på väggarna eller i botten av kärlet), uppstår bubblor fyllda med ånga. På grund av den intensiva avdunstning av vätskan inuti bubblorna växer de, flyter och ångan släpps ut i ångfasen ovanför vätskan. Samtidigt, i det nära vägglagret, är vätskan i ett något överhettat tillstånd, det vill säga dess temperatur överstiger den nominella kokpunkten. Under normala förhållanden är denna skillnad liten (i storleksordningen en grad).
Möjligheten för vätskeöverhettning förklaras av det faktum att för att skapa en primär bubbla av en minimistorlek, som kan växa ytterligare på egen hand, krävs viss energi (bestäms av vätskans ytspänning ). Tills detta uppnås kommer de minsta bubblorna att uppstå och kollapsa igen under inverkan av ytspänningskrafter, och det kommer ingen kokning.
Bubbelkokning kan utvecklas (med ett stort antal förångningscentra) och outvecklas (med ett litet antal förångningscentra)
Vid kokning av kärnor spelas en betydande roll av massöverföringen av ångbubblor från skiktet nära väggen till flödets kärna. På grund av detta ökar effektiviteten av värmeöverföringen till den kokande vätskan - värmeöverföringskoefficienterna som är karakteristiska för denna regim är höga.
När värmeflödet ökar till ett visst kritiskt värde smälter de enskilda bubblorna samman och bildar ett kontinuerligt ångskikt nära kärlväggen, som periodvis bryter igenom i vätskevolymen. Detta läge kallas filmläge.
I detta läge sjunker värmeöverföringen från värmeytan till vätskan kraftigt (ångfilmen leder värme sämre än konvektion i vätskan), och som ett resultat kan temperaturen på värmeytan öka avsevärt (C-E-linjen på kokningen) kurva). Samtidigt, vid en konstant temperatur på värmeytan i filmkokningsläget, på grund av dålig värmeöverföring, finns det ett lågt värde på värmeflödet från väggen till vätskan. Filmkokningsläget kan observeras på exemplet med en droppe vatten på en varm spis.
Under filmkokning, på grund av ångfilmens betydande termiska motstånd, är värmeöverföringen från värmeytan till det kokande vattnet liten och kännetecknas av låga värden på värmeöverföringskoefficienten.
Värmeflödet som överförs från ytan till det kokande vattnet kan otvetydigt associeras med temperaturskillnaden mellan väggen och vätskan:
, där är värmeflödet, är väggtemperaturen och är vätskans medeltemperatur.Detta beroende kännetecknar värmeöverföringen från värmeytan till vätskan och kallas kokkurvan.
Fem karakteristiska områden kan särskiljas:
Denna kurva kan erhållas genom att öka och bibehålla temperaturen på värmeväggen . I det här fallet, när ökningen ökar , ersätts fem kokande områden i tur och ordning.
I fallet med att öka och bibehålla värmeflödet kommer ordningen för att ändra kokningsregimerna att vara annorlunda. Först ersätter konvektionssätten för en icke-kokande vätska (upp till t. ), ytkokning (mellan punkter och ) och utvecklad kärnkokning (mellan punkter och ) varandra successivt . Med en ytterligare ökning av värmeflödet täcks värmeytan snabbt med en ångfilm (från punkt till punkt ), som åtföljs av en ökning av temperaturen och efter en kort tid, efter att ha uppnått ett stabilt tillstånd, kännetecknas kokningen av en hög väggtemperatur (från punkt ). Detta fenomen kallas en värmeöverföringskris, och värmeflödet vid vilket en kraftig temperaturökning börjar ( - ) är det första kritiska värmeflödet, eller, oftare, helt enkelt, det kritiska värmeflödet.
Om värmeflödet efter att ha nått punkten börjar minska, bibehålls filmens kokning tills punkten nås . I fallet med en ytterligare minskning av värmeflödet ändras filmkokningsläget till bubbelläge (från punkt till punkt ), och temperaturen på värmeytan minskar snabbt. Värmeflödet vid vilket filmkokningsläget ändras till bubbla ( - ) kallas det andra kritiska värmeflödet.
I många värmeväxlarenheter av modern kraftteknik och raketteknik är värmeflödet som måste avlägsnas från värmeytan fixerat och beror ofta praktiskt taget inte på temperaturregimen för den värmeavgivande ytan. Så värmetillförseln till den yttre ytan av skärmrören som finns i pannenhetens ugn bestäms huvudsakligen på grund av strålning från ugnsutrymmet. Det infallande strålningsflödet är praktiskt taget oberoende av rörens yttemperatur, så länge det är betydligt lägre än temperaturen på de heta förbränningsprodukterna i ugnen . En liknande situation äger rum i raketmotorernas kanaler , inuti bränsleelementen (bränslestavar) i den aktiva zonen i en kärnreaktor , där det sker en kontinuerlig frigöring av värme på grund av en kärnreaktion . Kokning är en intensiv övergång av en vätska till ånga, som sker med bildandet av ångbubblor genom hela vätskans volym vid en viss temperatur.
Om värmeflödet av någon anledning överstiger det kritiska värdet ändras bubbelläget för kokning snabbt till filmläge, och temperaturen på värmeytan stiger till avsevärt höga värden, vilket kan leda till utbränning av värmeytan. Samtidigt, för att återställa bubbelläget för kokning och de initiala temperaturvärdena, är det nödvändigt att minska värmeflödet till värdet .
Vid forcerad konvektion har kokning ett antal funktioner, varav den viktigaste är effekten av flödesegenskaper på beroendet . Egenskaper som vätskemassflöde och ånghalt har störst inverkan . Med stadig kokning av en vätska som rör sig i ett rör ändras mediets parametrar (först och främst ånginnehållet) längs flödet, och med det ändras flödesregimerna och värmeöverföringen.
I de flesta fall kan kokning i ett rör förenklas i form av tre zoner (genom exemplet att koka i ett långt rör för små och ):
I det här exemplet kan vi överväga mer i detalj förändringen i kokningens natur och temperaturerna på värmerörets vägg och medeltemperaturen för vätskan som är förknippad med detta. En vätska underkyld till kokning tillförs ingången till det ånggenererande röret (punkt ). Vid ett konstant värde på värmeflödet från väggen ökar den genomsnittliga vätsketemperaturen och väggtemperaturen linjärt. I det ögonblick då väggtemperaturen börjar överstiga mättnadstemperaturen kan bubblor börja bildas på värmeytan. Således börjar kokningen i området nära väggen, trots att vätskans medeltemperatur förblir under mättnadstemperaturen ( ). Detta fenomen kallas underkyld vätskekokning . Värdet på entalpiånginnehållet, vid vilket kokningen av en underkyld vätska börjar, har ett negativt värde . När vätskan når mättnadstemperaturen börjar kokning av kärnor i hela vätskans volym. Denna region kännetecknas av intensiv blandning av vätskan och, som ett resultat, höga värmeöverföringskoefficienter och låga temperaturfall.
När tvåfasblandningen rör sig in i området med hög ånghalt ändras flödesregimerna för tvåfasflödet, och vid ett visst ånginnehåll uppstår en värmeöverföringskris: vätskans kontakt med ytan upphör och väggtemperaturen ökar ( ). Ofta representerar värmeöverföringskrisen under kokning en övergång från det dispergerade-ringformade kokningsläget ( ) till det dispergerade ( ). Mängden fukt i droppar minskar med ökande ånghalt, vilket leder till en ökning av hastigheten och en liten ökning av värmeöverföringen (temperaturen på väggytan minskar något i detta fall, ( )).
Med en annan massahastighet för vätskan eller storleken på värmeflödet kan karaktären av kokningen i röret förändras. Så, i fallet med stora och , kan värmeöverföringskrisläget bildas även vid kokningsstadiet av en underkyld vätska. I det här fallet bildas en filmkokning, och flödeskärnan är en stav av en vätska underkyld till mättnadstemperaturen, separerad från rörväggen av en ångfilm.
I tabellen över element av D. I. Mendeleev anges för varje element:
Grupp → | IA |
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 |
VI A |
VII A |
VIII A | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Period | ||||||||||||||||||||
ett | 1H -253 0,449 1,008 _ |
2 He -268 0,0845 4,003 | ||||||||||||||||||
2 | 3 Li 1340 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 |
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 | ||||||||||||
fyra | 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 År 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 På 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 Upp 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 | ||
* Lantanider | 57 La 3457 414 138,9 |
58 Ce 3426 414 140,1 |
59 Pr 3520 297 140,9' |
60 Nd 3100 273 144,2 |
18:00 ~ 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 | |||||
** Aktinider | 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 Jfr 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 Nej 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 |
Avsnitt av statistisk fysik | |
---|---|
Fysik av kondenserad materia |
|
Termodynamik | |
---|---|
Delar av termodynamiken | |
Termodynamikens principer |
Materias termodynamiska tillstånd | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Fas tillstånd |
| ||||||||||||||||
Fasövergångar |
| ||||||||||||||||
Dispergera system | |||||||||||||||||
se även |