Wärmekapazität der Verdunstung von Wasser. Sieden. Spezifische Verdampfungs- und Kondensationswärme

In dieser Lektion werden wir uns mit dieser Art der Verdampfung befassen, beispielsweise dem Sieden, ihre Unterschiede zum zuvor besprochenen Verdampfungsprozess diskutieren, einen Wert wie die Siedetemperatur einführen und besprechen, wovon sie abhängt. Am Ende der Lektion stellen wir eine sehr wichtige Größe vor, die den Prozess der Verdampfung beschreibt – die spezifische Verdampfungs- und Kondensationswärme.

Thema: Aggregatzustände der Materie

Lektion: Kochen. Spezifische Wärme Verdampfung und Kondensation

In der letzten Lektion haben wir uns bereits mit einer der Arten der Dampfbildung – der Verdunstung – befasst und die Eigenschaften dieses Prozesses hervorgehoben. Heute werden wir diese Art der Verdampfung, den Siedeprozess, diskutieren und einen Wert einführen, der den Verdampfungsprozess numerisch charakterisiert – die spezifische Verdampfungs- und Kondensationswärme.

Definition.Sieden(Abb. 1) ist ein Prozess des intensiven Übergangs einer Flüssigkeit in einen gasförmigen Zustand, der mit der Bildung von Dampfblasen einhergeht und im gesamten Flüssigkeitsvolumen bei einer bestimmten Temperatur, dem sogenannten Siedepunkt, abläuft.

Vergleichen wir die beiden Arten der Verdampfung miteinander. Der Siedevorgang ist intensiver als der Verdampfungsprozess. Darüber hinaus findet der Verdampfungsprozess, wie wir uns erinnern, bei jeder Temperatur über dem Schmelzpunkt statt, der Siedeprozess jedoch ausschließlich bei einer bestimmten Temperatur, die für jeden Stoff unterschiedlich ist und als Siedepunkt bezeichnet wird. Es ist auch zu beachten, dass die Verdampfung nur an der freien Oberfläche der Flüssigkeit erfolgt, d. h. an dem Bereich, der sie von den umgebenden Gasen trennt, und dass das Sieden im gesamten Volumen auf einmal erfolgt.

Schauen wir uns den Kochvorgang genauer an. Stellen wir uns eine Situation vor, mit der viele von uns schon oft konfrontiert sind – das Erhitzen und Kochen von Wasser in einem bestimmten Gefäß, zum Beispiel einem Topf. Beim Erhitzen wird eine gewisse Wärmemenge auf das Wasser übertragen, was zu einer Erhöhung seiner inneren Energie und einer Erhöhung der Aktivität der molekularen Bewegung führt. Dieser Prozess wird bis zu einem bestimmten Zeitpunkt fortgesetzt, bis die Energie der molekularen Bewegung ausreicht, um mit dem Sieden zu beginnen.

Wasser enthält gelöste Gase (oder andere Verunreinigungen), die in seiner Struktur freigesetzt werden, was zur sogenannten Entstehung von Verdampfungszentren führt. Das heißt, in diesen Zentren beginnt Dampf freizusetzen und es bilden sich im gesamten Wasservolumen Blasen, die beim Kochen beobachtet werden. Es ist wichtig zu verstehen, dass diese Blasen keine Luft, sondern Dampf enthalten, der während des Siedevorgangs entsteht. Nach der Blasenbildung nimmt die Dampfmenge in ihnen zu und sie beginnen an Größe zuzunehmen. Häufig bilden sich Blasen zunächst in der Nähe der Gefäßwände und steigen nicht sofort an die Oberfläche; Zuerst werden sie größer und stehen unter dem Einfluss der wachsenden Kraft von Archimedes. Dann lösen sie sich von der Wand und steigen an die Oberfläche, wo sie platzen und eine Portion Dampf freisetzen.

Es ist zu beachten, dass nicht alle Dampfblasen sofort die freie Wasseroberfläche erreichen. Zu Beginn des Siedevorgangs erwärmt sich das Wasser nicht gleichmäßig und die unteren Schichten, in deren Nähe der Wärmeübertragungsprozess stattfindet, sind selbst unter Berücksichtigung des Konvektionsprozesses noch heißer als die oberen. Dies führt dazu, dass die von unten aufsteigenden Dampfblasen aufgrund des Phänomens der Oberflächenspannung kollabieren, bevor sie die freie Wasseroberfläche erreichen. In diesem Fall gelangt der Dampf, der sich in den Blasen befand, in das Wasser, wodurch es weiter erhitzt und der Prozess der gleichmäßigen Erwärmung des Wassers im gesamten Volumen beschleunigt wird. Dadurch beginnen bei nahezu gleichmäßiger Erwärmung des Wassers fast alle Dampfblasen an die Wasseroberfläche zu gelangen und der Prozess der intensiven Dampfbildung beginnt.

Es ist wichtig hervorzuheben, dass die Temperatur, bei der der Siedevorgang stattfindet, auch dann unverändert bleibt, wenn die Intensität der Wärmezufuhr zur Flüssigkeit erhöht wird. In einfachen Worten Wenn Sie während des Siedevorgangs Gas auf einen Brenner geben, der einen Topf mit Wasser erhitzt, führt dies nur zu einer Erhöhung der Siedeintensität und nicht zu einer Erhöhung der Temperatur der Flüssigkeit. Wenn wir uns eingehender mit dem Siedevorgang befassen, ist es erwähnenswert, dass es im Wasser Bereiche gibt, in denen es über den Siedepunkt hinaus überhitzt werden kann, das Ausmaß dieser Überhitzung jedoch in der Regel ein oder mehrere Grad nicht überschreitet und ist im Gesamtvolumen der Flüssigkeit unbedeutend. Siedepunkt von Wasser bei normaler Druck beträgt 100°C.

Beim Kochen von Wasser können Sie feststellen, dass es von charakteristischen Geräuschen des sogenannten Kochens begleitet wird. Diese Geräusche entstehen gerade durch den beschriebenen Prozess des Kollabierens von Dampfblasen.

Die Siedevorgänge anderer Flüssigkeiten verlaufen auf die gleiche Weise wie das Sieden von Wasser. Der Hauptunterschied bei diesen Verfahren besteht in den unterschiedlichen Siedetemperaturen der Stoffe, die bei normalem Atmosphärendruck bereits gemessene Tabellenwerte sind. Die Hauptwerte dieser Temperaturen geben wir in der Tabelle an.

Eine interessante Tatsache ist, dass der Siedepunkt von Flüssigkeiten vom Wert des Atmosphärendrucks abhängt, weshalb wir darauf hingewiesen haben, dass alle Werte in der Tabelle bei normalem Atmosphärendruck angegeben sind. Wenn der Luftdruck steigt, steigt auch der Siedepunkt der Flüssigkeit; wenn er sinkt, sinkt er im Gegenteil.

Über diese Abhängigkeit der Siedetemperatur vom Druck Umfeld basiert auf dem Funktionsprinzip eines so bekannten Küchengeräts wie eines Schnellkochtopfs (Abb. 2). Es handelt sich um einen Topf mit dicht schließendem Deckel, unter dem beim Dampfgaren von Wasser der Luftdruck mit Dampf bis zu 2 Atmosphärendruck erreicht, was zu einer Erhöhung des Siedepunkts des darin enthaltenen Wassers auf . führt. Dadurch haben das Wasser und die darin enthaltenen Lebensmittel die Möglichkeit, sich auf eine höhere Temperatur als üblich zu erhitzen () und der Garvorgang wird beschleunigt. Aufgrund dieses Effekts erhielt das Gerät seinen Namen.

Reis. 2. Schnellkochtopf ()

Die Situation mit einem Absinken des Siedepunkts einer Flüssigkeit bei Absinken des Atmosphärendrucks hat ebenfalls ein Beispiel aus dem Leben, ist aber für viele Menschen nicht mehr alltäglich. Dieses Beispiel gilt für das Reisen von Bergsteigern in Hochgebirgsregionen. Es stellt sich heraus, dass in Gebieten in einer Höhe von 3000 bis 5000 m der Siedepunkt von Wasser aufgrund einer Abnahme des Luftdrucks auf niedrigere Werte sinkt, was zu Schwierigkeiten bei der Zubereitung von Speisen auf Wanderungen führt, da eine effektive Wärmebehandlung erforderlich ist Produkte in diesem Fall von Bedeutung längere Zeit als mit normale Bedingungen. In Höhenlagen von etwa 7000 m erreicht Wasser den Siedepunkt, was das Garen vieler Produkte unter solchen Bedingungen unmöglich macht.

Auf der Tatsache, dass Siedetemperaturen verschiedene Stoffe unterscheiden sich, einige Technologien zur Stofftrennung basieren darauf. Betrachtet man beispielsweise Heizöl, eine komplexe Flüssigkeit, die aus vielen Komponenten besteht, kann es beim Siedevorgang in mehrere unterschiedliche Stoffe zerfallen. IN in diesem Fall Aufgrund der unterschiedlichen Siedepunkte von Kerosin, Benzin, Naphtha und Heizöl können sie durch Verdampfung und Kondensation voneinander getrennt werden unterschiedliche Temperaturen. Dieser Vorgang wird üblicherweise Fraktionierung genannt (Abb. 3).

Reis. 3 Trennung von Öl in Fraktionen ()

Wie jeder andere physikalischer Vorgang, muss das Sieden durch einen numerischen Wert charakterisiert werden; ein solcher Wert wird als spezifische Verdampfungswärme bezeichnet.

Um zu verstehen physikalische Bedeutung Betrachten Sie für diesen Wert das folgende Beispiel: Nehmen Sie 1 kg Wasser, bringen Sie es zum Sieden und messen Sie dann, wie viel Wärme erforderlich ist, um dieses Wasser vollständig zu verdampfen (ohne Berücksichtigung von Wärmeverlusten). Dieser Wert entspricht dem spezifischen Wert Verdampfungswärme von Wasser. Bei einem anderen Stoff ist dieser Wärmewert ein anderer und entspricht der spezifischen Verdampfungswärme dieses Stoffes.

Die spezifische Verdampfungswärme erweist sich als ein sehr wichtiges Merkmal moderne Technologien Metallproduktion. Es stellt sich heraus, dass beispielsweise beim Schmelzen und Verdampfen von Eisen mit anschließender Kondensation und Erstarrung Kristallzelle mit einer Struktur, die eine höhere Festigkeit als das Originalmuster bietet.

Bezeichnung: spezifische Verdampfungs- und Kondensationswärme (manchmal auch als bezeichnet).

Maßeinheit: .

Die spezifische Verdampfungswärme von Stoffen wird durch Laborversuche ermittelt und ihre Werte für Grundstoffe sind in der entsprechenden Tabelle aufgeführt.

Substanz

Um das Sieden von Wasser (oder einer anderen Flüssigkeit) aufrechtzuerhalten, muss ihm kontinuierlich Wärme zugeführt werden, beispielsweise durch Erhitzen mit einem Brenner. In diesem Fall steigt die Temperatur des Wassers und des Gefäßes nicht an, sondern es entsteht pro Zeiteinheit eine bestimmte Menge Dampf. Daraus folgt, dass die Umwandlung von Wasser in Dampf einen Wärmezufluss erfordert, so wie er bei der Umwandlung eines Kristalls (Eis) in eine Flüssigkeit auftritt (§ 269). Die Wärmemenge, die erforderlich ist, um eine Flüssigkeitseinheit in Dampf mit derselben Temperatur umzuwandeln, wird als spezifische Verdampfungswärme einer bestimmten Flüssigkeit bezeichnet. Sie wird in Joule pro Kilogramm ausgedrückt.

Es ist nicht schwer zu verstehen, dass beim Kondensieren von Dampf zu Flüssigkeit die gleiche Wärmemenge freigesetzt werden sollte. Lassen Sie uns tatsächlich ein mit einem Boiler verbundenes Rohr in ein Glas Wasser senken (Abb. 488). Einige Zeit nach Beginn des Erhitzens beginnen Luftblasen aus dem in Wasser getauchten Ende des Röhrchens auszutreten. Diese Luft erhöht die Wassertemperatur nicht wesentlich. Dann kocht das Wasser im Boiler, woraufhin wir sehen, dass die am Ende des Rohrs austretenden Blasen nicht mehr aufsteigen, sondern schnell kleiner werden und mit einem scharfen Geräusch verschwinden. Dabei handelt es sich um Dampfblasen, die zu Wasser kondensieren. Sobald Dampf anstelle von Luft aus dem Kessel austritt, beginnt sich das Wasser schnell zu erhitzen. Da die spezifische Wärmekapazität von Dampf in etwa der von Luft entspricht, folgt aus dieser Beobachtung, dass eine so schnelle Erwärmung von Wasser gerade durch die Dampfkondensation erfolgt.

Reis. 488. Während Luft aus dem Kessel austritt, zeigt das Thermometer fast die gleiche Temperatur an. Wenn statt Luft Dampf austritt und im Glas zu kondensieren beginnt, steigt das Thermometer schnell an und zeigt so einen Temperaturanstieg an

Wenn eine Einheitsmasse Dampf zu einer Flüssigkeit derselben Temperatur kondensiert, wird eine Wärmemenge freigesetzt, die der spezifischen Verdampfungswärme entspricht. Dies hätte auf der Grundlage des Energieerhaltungssatzes vorhergesagt werden können. Wäre dies nicht der Fall, wäre es tatsächlich möglich, eine Maschine zu bauen, in der die Flüssigkeit zunächst verdampft und dann kondensiert: Die Differenz zwischen der Verdampfungswärme und der Kondensationswärme würde eine Erhöhung der Gesamtenergie aller Körper bedeuten Teilnahme an dem betrachteten Prozess. Und das widerspricht dem Energieerhaltungssatz.

Die spezifische Verdampfungswärme kann mit einem Kalorimeter bestimmt werden, ähnlich wie bei der Bestimmung der spezifischen Schmelzwärme (§ 269). Lassen Sie uns eine bestimmte Menge Wasser in das Kalorimeter gießen und dessen Temperatur messen. Dann leiten wir für einige Zeit Dampf der Testflüssigkeit aus dem Kessel in das Wasser ein und treffen dabei Maßnahmen, um sicherzustellen, dass nur Dampf ohne Flüssigkeitströpfchen austritt. Dazu wird Dampf durch eine Dampfkammer geleitet (Abb. 489). Danach messen wir erneut die Temperatur des Wassers im Kalorimeter. Durch das Wiegen des Kalorimeters können wir anhand der Massenzunahme die Menge an Dampf beurteilen, die zu Flüssigkeit kondensiert ist.

Reis. 489. Dampfgarer – ein Gerät zum Zurückhalten von Wassertröpfchen, die sich zusammen mit Dampf bewegen

Mithilfe des Energieerhaltungssatzes können wir eine Gleichung für diesen Prozess aufstellen Wärmehaushalt, wodurch wir die spezifische Verdampfungswärme von Wasser bestimmen können. Die Wassermasse im Kalorimeter (einschließlich des Wasseräquivalents des Kalorimeters) sei gleich der Dampfmasse – , der Wärmekapazität von Wasser – , der Anfangs- und Endtemperatur des Wassers im Kalorimeter – und dem Siedepunkt von Wasser - und die spezifische Verdampfungswärme - . Die Wärmebilanzgleichung hat die Form

Die Ergebnisse der Bestimmung der spezifischen Verdampfungswärme einiger Flüssigkeiten bei Normaldruck sind in der Tabelle aufgeführt. 20. Wie Sie sehen können, ist diese Hitze ziemlich groß. Die hohe Verdampfungswärme von Wasser spielt in der Natur eine äußerst wichtige Rolle, da Verdampfungsprozesse in der Natur in großem Umfang ablaufen.

Tabelle 20. Spezifische Verdampfungswärme einiger Flüssigkeiten

Substanz		Substanz

Ethanol)

Beachten Sie, dass sich die in der Tabelle enthaltenen Werte der spezifischen Verdampfungswärme auf den Siedepunkt bei Normaldruck beziehen. Wenn eine Flüssigkeit bei einer anderen Temperatur kocht oder einfach verdampft, ist ihre spezifische Verdampfungswärme unterschiedlich. Mit zunehmender Temperatur einer Flüssigkeit nimmt die Verdampfungswärme immer ab. Wir werden uns die Erklärung dafür später ansehen.

295.1. Bestimmen Sie die Wärmemenge, die erforderlich ist, um 20 g Wasser bis zum Siedepunkt zu erhitzen und es bei zu verdampfen.

295.2. Welche Temperatur wird erreicht, wenn man in ein Glas mit 200 g Wasser 3 g Dampf einleitet? Vernachlässigen Sie die Wärmekapazität des Glases.

Dieses Wissen verschwindet schnell und nach und nach hören die Menschen auf, auf die Essenz bekannter Phänomene zu achten. Manchmal ist es sinnvoll, sich theoretisches Wissen ins Gedächtnis zu rufen.

Definition

Was kocht? Hierbei handelt es sich um einen physikalischen Vorgang, bei dem es sowohl an der freien Oberfläche der Flüssigkeit als auch im Inneren ihrer Struktur zu einer starken Verdampfung kommt. Eines der Anzeichen des Siedens ist die Bildung von Blasen, die aus bestehen gesättigter Dampf und Luft.

Es ist erwähnenswert, dass es ein Konzept wie den Siedepunkt gibt. Die Geschwindigkeit der Dampfbildung hängt auch vom Druck ab. Es muss dauerhaft sein. In der Regel das Hauptmerkmal von Flüssigkeiten Chemikalien ist der Siedepunkt bei normalem Atmosphärendruck. Dieser Prozess kann jedoch auch durch Faktoren wie die Intensität von Schallwellen und die Ionisierung der Luft beeinflusst werden.

Siedestufen von Wasser

Während eines Vorgangs wie dem Erhitzen beginnt sich sicherlich Dampf zu bilden. Beim Kochen durchläuft die Flüssigkeit vier Stufen:

Am Boden des Gefäßes sowie an dessen Wänden beginnen sich kleine Blasen zu bilden. Dies liegt daran, dass sich in den Rissen im Material des Behälters Luft befindet, die sich unter dem Einfluss hoher Temperaturen ausdehnt.
Das Volumen der Blasen nimmt zu, sodass sie an die Wasseroberfläche platzen. Wenn die oberste Flüssigkeitsschicht noch nicht den Siedepunkt erreicht hat, sinken die Hohlräume nach unten und beginnen dann wieder nach oben zu streben. Dieser Prozess führt zur Bildung von Schallwellen. Deshalb können wir Geräusche hören, wenn Wasser kocht.
Schwimmt an die Oberfläche größte Zahl Blasen, die den Eindruck erwecken, dass die Flüssigkeit danach blass wird. In Anbetracht des optischen Effekts wird diese Phase des Kochens als „weißer Schlüssel“ bezeichnet.
Es ist ein starkes Kochen zu beobachten, das mit der Bildung großer Blasen einhergeht, die schnell platzen. Dieser Vorgang geht mit dem Auftreten von Spritzern sowie einer starken Dampfbildung einher.

Spezifische Verdampfungswärme

Fast jeden Tag begegnen wir einem Phänomen wie dem Kochen. Die spezifische Verdampfungswärme beträgt physikalische Größe, die die Wärmemenge bestimmt. Mit seiner Hilfe kann ein flüssiger Stoff in Dampf umgewandelt werden. Um diesen Parameter zu berechnen, müssen Sie die Verdampfungswärme durch die Masse dividieren.

Wie erfolgt die Messung?

Der spezifische Indikator wird unter Laborbedingungen durch die Durchführung geeigneter Experimente gemessen. Dazu gehören Folgendes:

gemessen erforderliche Menge Flüssigkeit, die dann in das Kalorimeter gegossen wird;
eine erste Messung der Wassertemperatur wird durchgeführt;
Auf dem Brenner wird ein Kolben mit der zuvor eingefüllten Testsubstanz installiert.
der von der Prüfsubstanz freigesetzte Dampf wird in das Kalorimeter eingeleitet;
die Wassertemperatur wird erneut gemessen;
Das Kalorimeter wird gewogen, wodurch die Masse des kondensierten Dampfes berechnet werden kann.

Blasenkochmodus

Wenn man sich mit der Frage beschäftigt, was Kochen ist, ist es erwähnenswert, dass es mehrere Modi hat. Beim Erhitzen kann sich daher Dampf in Form von Blasen bilden. Sie wachsen und platzen regelmäßig. Dieses Siederegime wird als Blasensieden bezeichnet. Typischerweise bilden sich genau an den Gefäßwänden mit Dampf gefüllte Hohlräume. Dies liegt daran, dass sie meist überhitzt sind. Dies ist eine notwendige Voraussetzung für das Kochen, da die Blasen sonst zusammenfallen, ohne große Größen zu erreichen.

Filmkochmodus

Was kocht? Am einfachsten lässt sich dieser Vorgang als Verdampfung bei einer bestimmten Temperatur und konstantem Druck erklären. Neben dem Bubble-Modus gibt es auch einen Filmmodus. Sein Wesen liegt darin, dass sich bei zunehmendem Wärmefluss einzelne Blasen zu einer Dampfschicht an den Gefäßwänden verbinden. Bei Erreichen eines kritischen Indikators dringen sie an die Wasseroberfläche durch. Dieser Siedemodus unterscheidet sich dadurch, dass der Grad der Wärmeübertragung von den Gefäßwänden auf die Flüssigkeit selbst deutlich reduziert wird. Der Grund dafür ist der gleiche Dampffilm.

Siedetemperatur

Es ist zu beachten, dass der Siedepunkt vom Druck abhängt, der auf die Oberfläche der erhitzten Flüssigkeit ausgeübt wird. Daher ist es allgemein anerkannt, dass Wasser kocht, wenn es auf 100 Grad Celsius erhitzt wird. Dieser Indikator kann jedoch nur dann als angemessen angesehen werden, wenn der Luftdruck als normal gilt (101 kPa). Steigt er, ändert sich auch der Siedepunkt nach oben. In gängigen Schnellkochtöpfen beträgt der Druck beispielsweise etwa 200 kPa. Dadurch erhöht sich der Siedepunkt um 20 Punkte (bis zu 20 Grad).

Ein Beispiel für niedrigen Luftdruck sind Berggebiete. Da es dort also recht klein ist, beginnt das Wasser bei einer Temperatur von etwa 90 Grad zu kochen. Bewohner solcher Gebiete müssen viel mehr Zeit mit der Zubereitung von Speisen verbringen. Um beispielsweise ein Ei zu kochen, müssen Sie das Wasser auf mindestens 100 Grad erhitzen, sonst gerinnt das Eiweiß nicht.

Der Siedepunkt eines Stoffes hängt vom Sättigungsdampfdruck ab. Sein Einfluss auf die Temperatur ist umgekehrt proportional. Beispielsweise siedet Quecksilber, wenn es auf 357 Grad Celsius erhitzt wird. Dies kann dadurch erklärt werden, dass der Druck gesättigte Dämpfe beträgt nur 114 Pa (für Wasser sind es 101.325 Pa).

Kochen unter verschiedenen Bedingungen

Abhängig von den Bedingungen und dem Zustand der Flüssigkeit kann der Siedepunkt erheblich variieren. Es lohnt sich beispielsweise, der Flüssigkeit Salz hinzuzufügen. Chlor- und Natriumionen werden zwischen Wassermolekülen platziert. Das Kochen erfordert also eine Größenordnung mehr Energie und dementsprechend mehr Zeit. Darüber hinaus erzeugt solches Wasser viel weniger Dampf.

Der Wasserkocher wird zum Kochen von Wasser zu Hause verwendet. Wenn reine Flüssigkeit verwendet wird, beträgt die Temperatur dieses Prozesses standardmäßig 100 Grad. Unter ähnlichen Bedingungen kocht destilliertes Wasser. Da keine Fremdverunreinigungen vorhanden sind, dauert es jedoch etwas kürzer.

Was ist der Unterschied zwischen Sieden und Verdampfen?

Immer wenn Wasser kocht, wird Dampf in die Atmosphäre abgegeben. Diese beiden Prozesse können jedoch nicht identifiziert werden. Dabei handelt es sich lediglich um Verdampfungsmethoden, die unter bestimmten Bedingungen stattfinden. Kochen ist also von der ersten Art. Dieser Prozess ist intensiver als er durch die Bildung von Dampftaschen verursacht wird. Bemerkenswert ist auch, dass der Verdunstungsprozess ausschließlich an der Wasseroberfläche stattfindet. Das Sieden betrifft das gesamte Flüssigkeitsvolumen.

Wovon hängt die Verdunstung ab?

Verdunstung ist der Vorgang, bei dem eine Flüssigkeit oder ein Feststoff in einen gasförmigen Zustand überführt wird. Es kommt zu einer „Flucht“ von Atomen und Molekülen, deren Verbindung mit anderen Teilchen unter dem Einfluss bestimmter Bedingungen geschwächt wird. Die Verdunstungsrate kann aufgrund folgender Faktoren variieren:

Flüssigkeitsoberfläche;
Temperatur des Stoffes selbst sowie der Umgebung;
Bewegungsgeschwindigkeit von Molekülen;
Art der Substanz.

Die Energie des kochenden Wassers wird von Menschen im Alltag häufig genutzt. Dieser Vorgang ist so alltäglich und vertraut geworden, dass niemand mehr über seine Natur und Merkmale nachdenkt. Dennoch sind mit dem Kochen eine Reihe interessanter Fakten verbunden:

Wahrscheinlich hat jeder bemerkt, dass sich im Deckel des Wasserkochers ein Loch befindet, aber nur wenige denken über seinen Zweck nach. Dies geschieht zum Zweck der teilweisen Dampffreisetzung. Andernfalls kann Wasser durch den Auslauf spritzen.
Die Gardauer von Kartoffeln, Eiern und anderen Lebensmitteln hängt nicht von der Leistung des Heizgerätes ab. Entscheidend ist lediglich, wie lange sie kochendem Wasser ausgesetzt waren.
Ein Indikator wie der Siedepunkt wird durch die Leistung des Heizgeräts in keiner Weise beeinflusst. Es kann nur die Verdunstungsrate der Flüssigkeit beeinflussen.
Beim Kochen geht es nicht nur um das Erhitzen von Wasser. Dieser Vorgang kann auch dazu führen, dass Flüssigkeit gefriert. Während des Siedevorgangs ist es daher notwendig, kontinuierlich Luft aus dem Gefäß abzupumpen.
Einer der meisten Aktuelle Probleme Für Hausfrauen ist, dass Milch „weglaufen“ kann. Daher steigt das Risiko dieses Phänomens bei sich verschlechternder Witterung, die mit einem Abfall des Luftdrucks einhergeht, deutlich an.
Das heißeste kochende Wasser wird in tiefen Untertagebergwerken gewonnen.
Durch experimentelle Studien konnten Wissenschaftler feststellen, dass Wasser auf dem Mars bei einer Temperatur von 45 Grad Celsius kocht.

Kann Wasser bei Raumtemperatur kochen?

Durch einfache Berechnungen konnten Wissenschaftler feststellen, dass Wasser in der Stratosphäre kochen kann. Ähnliche Bedingungen können mit einer Vakuumpumpe wiederhergestellt werden. Dennoch kann ein ähnliches Experiment unter einfacheren, alltäglicheren Bedingungen durchgeführt werden.

In einem Literkolben müssen Sie 200 ml Wasser zum Kochen bringen. Wenn der Behälter mit Dampf gefüllt ist, muss er fest verschlossen und vom Herd genommen werden. Nachdem Sie es über den Kristallisator gelegt haben, müssen Sie warten, bis der Kochvorgang beendet ist. Als nächstes wird der Kolben gegossen kaltes Wasser. Danach beginnt erneut ein starkes Sieden im Behälter. Dies liegt daran, dass unter dem Einfluss niedriger Temperaturen der im oberen Teil des Kolbens befindliche Dampf absinkt.

Thema: Aggregatzustände der Materie

Lektion: Kochen. Spezifische Verdampfungs- und Kondensationswärme

Es ist wichtig hervorzuheben, dass die Temperatur, bei der der Siedevorgang stattfindet, auch dann unverändert bleibt, wenn die Intensität der Wärmezufuhr zur Flüssigkeit erhöht wird. Mit einfachen Worten: Wenn Sie während des Siedevorgangs Gas auf einen Brenner geben, der einen Topf mit Wasser erhitzt, führt dies nur zu einer Erhöhung der Siedeintensität und nicht zu einer Erhöhung der Temperatur der Flüssigkeit. Wenn wir uns eingehender mit dem Siedevorgang befassen, ist es erwähnenswert, dass es im Wasser Bereiche gibt, in denen es über den Siedepunkt hinaus überhitzt werden kann, das Ausmaß dieser Überhitzung jedoch in der Regel ein oder mehrere Grad nicht überschreitet und ist im Gesamtvolumen der Flüssigkeit unbedeutend. Der Siedepunkt von Wasser bei Normaldruck liegt bei 100°C.

Das Funktionsprinzip eines so bekannten Küchengeräts wie eines Schnellkochtopfs basiert auf dieser Abhängigkeit des Siedepunkts vom Umgebungsdruck (Abb. 2). Es handelt sich um einen Topf mit dicht schließendem Deckel, unter dem beim Dampfgaren von Wasser der Luftdruck mit Dampf bis zu 2 Atmosphärendruck erreicht, was zu einer Erhöhung des Siedepunkts des darin enthaltenen Wassers auf . führt. Dadurch haben das Wasser und die darin enthaltenen Lebensmittel die Möglichkeit, sich auf eine höhere Temperatur als üblich zu erhitzen () und der Garvorgang wird beschleunigt. Aufgrund dieses Effekts erhielt das Gerät seinen Namen.

Reis. 2. Schnellkochtopf ()

Die Situation mit einem Absinken des Siedepunkts einer Flüssigkeit bei Absinken des Atmosphärendrucks hat ebenfalls ein Beispiel aus dem Leben, ist aber für viele Menschen nicht mehr alltäglich. Dieses Beispiel gilt für das Reisen von Bergsteigern in Hochgebirgsregionen. Es stellt sich heraus, dass in Gebieten in einer Höhe von 3000 bis 5000 m der Siedepunkt von Wasser aufgrund einer Abnahme des Luftdrucks auf niedrigere Werte sinkt, was zu Schwierigkeiten bei der Zubereitung von Speisen auf Wanderungen führt, da eine effektive Wärmebehandlung erforderlich ist In diesem Fall dauert es deutlich länger als unter normalen Bedingungen. In Höhenlagen von etwa 7000 m erreicht Wasser den Siedepunkt, was das Garen vieler Produkte unter solchen Bedingungen unmöglich macht.

Einige Technologien zur Stofftrennung basieren auf der Tatsache, dass die Siedepunkte verschiedener Stoffe unterschiedlich sind. Betrachtet man beispielsweise Heizöl, eine komplexe Flüssigkeit, die aus vielen Komponenten besteht, kann es beim Siedevorgang in mehrere unterschiedliche Stoffe zerfallen. In diesem Fall können Kerosin, Benzin, Naphtha und Heizöl aufgrund der unterschiedlichen Siedepunkte durch Verdampfung und Kondensation bei unterschiedlichen Temperaturen voneinander getrennt werden. Dieser Vorgang wird üblicherweise Fraktionierung genannt (Abb. 3).

Reis. 3 Trennung von Öl in Fraktionen ()

Wie jeder physikalische Prozess muss das Sieden mithilfe eines numerischen Werts charakterisiert werden. Dieser Wert wird als spezifische Verdampfungswärme bezeichnet.

Um die physikalische Bedeutung dieses Wertes zu verstehen, betrachten Sie das folgende Beispiel: Nehmen Sie 1 kg Wasser, bringen Sie es zum Sieden und messen Sie dann, wie viel Wärme benötigt wird, um dieses Wasser vollständig zu verdampfen (ohne Berücksichtigung von Wärmeverlusten) - Dieser Wert entspricht der spezifischen Verdampfungswärme von Wasser. Bei einem anderen Stoff ist dieser Wärmewert ein anderer und entspricht der spezifischen Verdampfungswärme dieses Stoffes.

Die spezifische Verdampfungswärme erweist sich als sehr wichtiges Merkmal moderner Metallproduktionstechnologien. Es zeigt sich, dass beispielsweise beim Schmelzen und Verdampfen von Eisen mit anschließender Kondensation und Erstarrung ein Kristallgitter entsteht, dessen Struktur eine höhere Festigkeit aufweist als die ursprüngliche Probe.

Bezeichnung: spezifische Verdampfungs- und Kondensationswärme (manchmal auch als bezeichnet).

Maßeinheit: .

Die spezifische Verdampfungswärme von Stoffen wird durch Laborversuche ermittelt und ihre Werte für Grundstoffe sind in der entsprechenden Tabelle aufgeführt.

Substanz

Spezifische Wärmekapazität

Spezifische Wärme ist die Wärmemenge in Joule (J), die erforderlich ist, um die Temperatur eines Stoffes zu erhöhen. Die spezifische Wärmekapazität ist eine Funktion der Temperatur. Bei Gasen muss zwischen spezifischer Wärmekapazität bei konstantem Druck und bei konstantem Volumen unterschieden werden.

Spezifische Schmelzwärme

Die spezifische Schmelzwärme eines Feststoffs ist die Wärmemenge in J, die erforderlich ist, um 1 kg eines Stoffes an seinem Schmelzpunkt von einem Feststoff in eine Flüssigkeit umzuwandeln.

Latente Verdampfungswärme

Die latente Verdampfungswärme einer Flüssigkeit ist die Wärmemenge in J, die erforderlich ist, um 1 kg Flüssigkeit am Siedepunkt zu verdampfen. Latente Hitze Die Verdampfung ist stark vom Druck abhängig. Beispiel: Wenn einem Behälter mit 1 kg Wasser bei 100 °C (auf Meereshöhe) Wärme zugeführt wird, absorbiert das Wasser 1023 kJ latente Wärme, ohne dass sich der Thermometerwert ändert. Allerdings kommt es zu einer Änderung des Aggregatzustandes von flüssig zu dampfförmig. Die vom Wasser aufgenommene Wärme wird als latente Verdampfungswärme bezeichnet. Der Dampf behält 1023 kJ, da diese Energie zur Änderung des Aggregatzustandes benötigt wurde.

Latente Kondensationswärme

Im umgekehrten Prozess, wenn 1 kg Wasserdampf bei 100 °C (auf Meereshöhe) Wärme entzogen wird, gibt der Dampf 1023 kJ Wärme ab, ohne dass sich der Thermometerwert ändert. Allerdings kommt es zu einer Änderung des Aggregatzustandes von Dampf zu Flüssigkeit. Die vom Wasser aufgenommene Wärme wird latente Kondensationswärme genannt.

Temperatur und Druck

Thermische Messungen

Die Temperatur bzw. die Wärmeintensität wird mit einem Thermometer gemessen. Die meisten Temperaturen in diesem Handbuch werden in Grad Celsius (C) angegeben, manchmal werden jedoch auch Grad Fahrenheit (F) verwendet. Der Temperaturwert sagt uns nur die Intensität der Hitze bzw. der SENSITIVE HEAT, nicht die tatsächliche Wärmemenge. Die angenehme Temperatur für den Menschen liegt zwischen 21 und 27 °C. In diesem Temperaturbereich fühlt sich der Mensch am wohlsten. Wenn eine Temperatur über oder unter diesem Bereich liegt, empfindet der Mensch sie als warm oder kalt. In der Wissenschaft gibt es das Konzept des „absoluten Nullpunkts“ – der Temperatur, bei der dem Körper sämtliche Wärme entzogen wird. Die Temperatur des absoluten Nullpunkts wird mit –273°C definiert. Jeder Stoff mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt enthält eine gewisse Wärmemenge. Um die Grundlagen der Klimatisierung zu verstehen, ist es auch notwendig, den Zusammenhang zwischen Druck, Temperatur und Aggregatzustand zu verstehen. Unser Planet ist von Luft, also Gas, umgeben. Der Druck im Gas wird in alle Richtungen gleichmäßig übertragen. Das uns umgebende Gas besteht zu 21 % aus Sauerstoff und zu 78 % aus Stickstoff. Das restliche 1 % wird von anderen Edelgasen eingenommen. Diese Gaskombination wird Atmosphäre genannt. Es erstreckt sich über mehrere hundert Kilometer Erdoberfläche und wird durch die Schwerkraft gehalten. Auf Meereshöhe Atmosphärendruck beträgt 1,0 bar und der Siedepunkt von Wasser liegt bei 100°C. An jedem Punkt über dem Meeresspiegel ist der atmosphärische Druck niedriger, ebenso der Siedepunkt des Wassers. Bei einem Druckabfall auf 0,38 bar liegt der Siedepunkt von Wasser bei 75 °C, bei einem Druck von 0,12 bar bei 50 °C. Wenn der Siedepunkt von Wasser durch einen Druckabfall beeinflusst wird, ist es logisch anzunehmen, dass sich auch ein Druckanstieg darauf auswirkt. Ein Beispiel ist ein Dampfkessel!

Zusätzliche Informationen: So konvertieren Sie Fahrenheit in Celsius und umgekehrt: C = 5/9 × (F – 32). F = (9/5 × C)+32. Kelvin = C + 273. Rankine = F + 460.