Kokande

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 4 juli 2022; verifiering kräver 1 redigering .

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 .

Termodynamiska funktioner

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.

Mättnadslinje

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.

Funktioner av kokande

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).

Förångningsvärme

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.

Koklägen

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:

Bubbla

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.

Film

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.

Kokar i stor volym

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:

  1. Upp till punkten . Konvektionsområde;
  2. Mellan poäng och . Område med outvecklad kärnkokning. Det kännetecknas av en ökning av intensiteten av värmeöverföring på grund av överföringen av de resulterande bubblorna till kärnan av flödet;
  3. Mellan poäng och . Område för utvecklad kärnkokning. Det kännetecknas av en hög intensitet av värmeöverföring på grund av överföringen av de resulterande bubblorna till kärnan av flödet. Intensiteten ökar när bubbeldensiteten ökar;
  4. Mellan poäng och . Område med instabil filmkokning. Det kännetecknas av "sammanslagning" av enskilda bubblor i området nära väggen. På grund av minskningen av förångningscentra, såväl som tillväxten av ångfilmen nära värmeytan, minskar värmeöverföringen;
  5. Från punkt . Område med stabil filmkokning. Den kännetecknas av att den täcker värmeytan med en kontinuerlig film av ånga och som ett resultat låg värmeöverföring.

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 .

Kokar under forcerad konvektion

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 ):

  1. economizersektion, där vätskan värms upp utan att koka ( )
  2. kokande område (avdunstningssektion) där kokning av kärnor sker ( )
  3. våt ångtorkningsområde, där det dispersiva flödesregimen bildas och den återstående fukten i flödeskärnan torkas ( )

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.

Kokpunkter för enkla ämnen

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

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

Se även

Anteckningar

  1. Varför kokar vatten snabbare i bergen? Arkiverad 16 januari 2021 på Wayback Machine // IT News.
  2. Fysik. Ordboksuppslagsbok - E C Platunov, C Burava, V Flygplan - Google Books

Litteratur

Länkar