Кипение представляет процесс, при котором наблюдается интенсивное парообразование, осуществляемое непосредственно в жидкости не только на ее свободной поверхности, но и внутри структуры. В объеме жидкости при этом возникают границы разделения фаз в виде появляющихся на стенках сосуда пузырьков, содержащих насыщенный пар и воздух.
Кипение, наряду с испарением, представляет один из способов парообразования, но, в отличие от него. Его возникновение становится возможным исключительно при наличии определенной температуры и давления.
Определение кипения и стадии кипения воды
Итак, кипение, представляя собой физический процесс, характеризуется наличием пузырьков из воздуха и пара. При этом важным показателем является температура кипения. Скорость формирования пара зависит от давления, которое должно быть постоянным.
Рисунок 1. Процесс кипения. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Таким образом, в качестве основной характеристики жидких химических веществ выступает не только температура кипения, но и нормальное атмосферное давление. В то же время, на процесс кипения также могут оказать непосредственное воздействие следующие факторы: интенсивность звуковых волн и ионизация воздуха.
Непосредственное образование пара происходит в момент процесса нагревания жидкости. Кипение предполагает наличие четырех стадий, которым подвергается жидкость:
- На дне сосуда (равно как и на его стенках) начинается образование небольших пузырьков. Это является следствием содержания в трещинах материала емкости воздуха, способного к расширению под влиянием высоких температур.
- Пузырьки начинают расти в объеме, следствием чего становится их прорыв на поверхность воды. В случае не достижения верхним слоем жидкости температуры кипения, полости опустятся на дно, а затем снова начинают устремляться вверх. Данный процесс провоцирует образование звуковых волн, которые шумят в момент кипения воды.
- На поверхность начинает выплывать максимальное количество пузырьков, из-за чего вода становится мутной. Далее она бледнее. Благодаря визуальному эффекту данная стадия получила название «белого ключа».
- интенсивное бурление, которое сопровождается образованием больших пузырей, которые быстро лопаются. Этот процесс сопровождается появлением брызг, а также интенсивным образованием пара.
Удельная теплота парообразования
Удельная теплота парообразования представляет физическую величину, задачей которой является определение количества теплоты. Она способствует обращению жидкого вещества в пар. С целью расчета данного параметра, требуется разделить показатель теплоты испарения на массу.
Рисунок 2. Удельная теплота парообразования. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Показатель удельной теплоты образования измеряется в лабораторных условиях путем проведения соответствующих экспериментов. Они включают в себя следующие действия:
- отмерить требуемое количество жидкости, которое далее следует перелить в калориметр;
- провести первоначальный замер температуры воды;
- горелку установить колбу с заранее помещенным в нее исследуемым веществом;
- выделяемый исследуемым веществом пар запустить в калориметр;
- произвести повторный замер температуры воды;
- калориметр подвергнуть взвешиванию для вычисления массы сконденсированного пара.
Режимы кипения жидкости
Различают следующие режимы, при которых происходит непосредственное кипение жидкости: кипение на твердой поверхности теплообмена (к ней извне подводится теплота), кипение в объеме жидкости.
При кипении на твердой поверхности формирование паровой фазы будет осуществляться в отдельных местах данной поверхности. В случае объемного кипения, возникновение паровой фазы будет происходить в самопроизвольном порядке (то есть, спонтанным образом) непосредственно в жидкости в форме отдельных паровых пузырьков.
Рисунок 3. Явление превращения жидкости в пар. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Объемное кипение становится возможным исключительно в случае более значительного перегрева жидкой фазы относительно температуры насыщения (при данном давлении), сравнительно с кипением на твердой поверхности. Значительный перегрев возможен, например, если давление будет быстро сброшено в системе. Объемное кипение становится возможным, в свою очередь, при условии присутствия в жидкости внутренних источников тепла.
В современной энергетике зачастую можно встретить процессы кипения на твердых поверхностях нагрева (например, стенки каналов, поверхности труб и пр.).
При пузырьковом кипении механизм теплового обмена будет отличным от механизма теплоотдачи в условиях конвекции однофазной жидкости. Отличие при этом будет заключаться в наличии дополнительного переноса теплоты и массы вещества посредством паровых пузырьков из пограничного слоя непосредственно в объем кипящей жидкости. Это провоцирует высокую интенсивность теплоотдачи в процессе кипения, сравнительно с конвекцией однофазной жидкости.
Рисунок 4. Коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Для того, чтобы возник процесс кипения, потребуется соблюдение двух условий: наличие факта перегрева жидкости в отношении температуры насыщения и присутствие центров парообразования.
Перегрев жидкости будет максимальным непосредственно у обогреваемой поверхности теплообмена, на которой также будут находиться центры парообразования (неровности стенки, пузырьки воздуха, пылинки и пр.) Образование пузырьков пара по этой причине осуществляется непосредственно на поверхности теплообмена.
В процессе пленочного кипения насыщенной жидкости происходит расход теплового потока не только на испарение, но также и на перегрев пара в пленке. В случае пленочного кипения недогретой жидкости, будет фиксироваться передача части теплоты в объем жидкости за счет конвекции.
Интенсивность теплоотдачи в процессе пленочного кипения оказывается существенно меньше, если сравнивать с пузырьковым. Пленочное кипение наблюдается:
- в момент закалки закалке металлов в жидкой среде;
- в перегонных аппаратах быстрого действия;
- в момент кипения криогенных жидкостей;
- в процессе охлаждения ракетных двигателей.
