Tekanan penguapan. Mendidih

Mendidih adalah proses mengubah keadaan agregat suatu zat. Ketika kita berbicara tentang air, yang kita maksud adalah perubahan dari cair menjadi uap. Penting untuk dicatat bahwa mendidih bukanlah penguapan, yang dapat terjadi bahkan pada suhu kamar. Juga, jangan bingung dengan merebus, yang merupakan proses memanaskan air hingga suhu tertentu. Sekarang setelah kita memahami konsepnya, kita dapat menentukan pada suhu berapa air mendidih.

Proses

Proses transformasi keadaan agregasi dari cair menjadi gas sangat kompleks. Dan meskipun orang tidak melihatnya, ada 4 tahap:

1. Pada tahap pertama, gelembung kecil terbentuk di bagian bawah wadah yang dipanaskan. Mereka juga dapat dilihat di sisi atau di permukaan air. Mereka terbentuk karena ekspansi gelembung udara, yang selalu ada di celah-celah tangki, tempat air dipanaskan.
2. Pada tahap kedua, volume gelembung meningkat. Semuanya mulai bergegas ke permukaan, karena ada uap jenuh di dalamnya, yang lebih ringan dari air. Dengan peningkatan suhu pemanasan, tekanan gelembung meningkat, dan mereka didorong ke permukaan karena gaya Archimedes yang terkenal. Dalam hal ini, Anda dapat mendengar suara khas mendidih, yang terbentuk karena ekspansi konstan dan pengurangan ukuran gelembung.
3. Pada tahap ketiga, sejumlah besar gelembung dapat dilihat di permukaan. Ini awalnya menciptakan kekeruhan di dalam air. Proses ini populer disebut "mendidih dengan kunci putih", dan berlangsung dalam waktu singkat.
4. Pada tahap keempat, air mendidih secara intensif, gelembung-gelembung besar muncul di permukaan, dan percikan mungkin muncul. Paling sering, percikan berarti cairan telah mencapai suhu maksimumnya. Uap akan mulai keluar dari air.

Diketahui bahwa air mendidih pada suhu 100 derajat, yang hanya mungkin terjadi pada tahap keempat.

Suhu uap

Uap adalah salah satu keadaan air. Ketika memasuki udara, maka, seperti gas lainnya, ia memberikan tekanan tertentu padanya. Selama penguapan, suhu uap dan air tetap konstan sampai seluruh cairan mengubah keadaan agregasinya. Fenomena ini dapat dijelaskan dengan fakta bahwa selama perebusan semua energi dihabiskan untuk mengubah air menjadi uap.

Pada awal perebusan, uap jenuh lembab terbentuk, yang, setelah penguapan semua cairan, menjadi kering. Jika suhunya mulai melebihi suhu air, maka uap tersebut menjadi sangat panas, dan dalam hal karakteristiknya akan lebih dekat ke gas.

Air garam mendidih

Cukup menarik untuk mengetahui pada suhu berapa air dengan kandungan garam tinggi mendidih. Diketahui bahwa seharusnya lebih tinggi karena kandungan ion Na+ dan Cl- dalam komposisi, yang menempati area di antara molekul air. Komposisi kimia air dengan garam ini berbeda dari cairan segar biasa.

Faktanya adalah bahwa dalam air garam terjadi reaksi hidrasi - proses pengikatan molekul air ke ion garam. Ikatan antara molekul air tawar lebih lemah daripada yang terbentuk selama hidrasi, sehingga mendidihkan cairan dengan garam terlarut akan memakan waktu lebih lama. Saat suhu naik, molekul dalam air yang mengandung garam bergerak lebih cepat, tetapi jumlahnya lebih sedikit, itulah sebabnya tumbukan di antara mereka lebih jarang terjadi. Akibatnya, lebih sedikit uap yang dihasilkan dan karena itu tekanannya lebih rendah daripada kepala uap air tawar. Oleh karena itu, lebih banyak energi (suhu) diperlukan untuk penguapan penuh. Rata-rata, untuk merebus satu liter air yang mengandung 60 gram garam, perlu menaikkan titik didih air sebesar 10% (yaitu 10 C).

Ketergantungan tekanan didih

Diketahui bahwa di pegunungan, terlepas dari komposisi kimia air, titik didihnya akan lebih rendah. Ini karena tekanan atmosfer lebih rendah di ketinggian. Tekanan normal dianggap 101,325 kPa. Dengan itu, titik didih air adalah 100 derajat Celcius. Tetapi jika Anda mendaki gunung yang tekanannya rata-rata 40 kPa, maka air akan mendidih di sana pada suhu 75,88 C. Tetapi ini tidak berarti bahwa memasak di pegunungan akan memakan waktu hampir separuh waktu. Untuk perlakuan panas produk, diperlukan suhu tertentu.

Dipercaya bahwa pada ketinggian 500 meter di atas permukaan laut, air akan mendidih pada 98,3 C, dan pada ketinggian 3000 meter, titik didihnya adalah 90 C.

Perhatikan bahwa hukum ini juga bekerja dalam arah yang berlawanan. Jika cairan ditempatkan dalam labu tertutup yang tidak dapat dilalui uap, maka saat suhu naik dan uap terbentuk, tekanan dalam labu ini akan meningkat, dan pendidihan pada tekanan tinggi akan terjadi pada suhu yang lebih tinggi. Misalnya, pada tekanan 490,3 kPa, titik didih air adalah 151 C.

Air suling mendidih

Air suling adalah air murni tanpa kotoran. Ini sering digunakan untuk tujuan medis atau teknis. Mengingat bahwa tidak ada kotoran dalam air tersebut, air tersebut tidak digunakan untuk memasak. Sangat menarik untuk dicatat bahwa air suling mendidih lebih cepat daripada air tawar biasa, tetapi titik didihnya tetap sama - 100 derajat. Namun, perbedaan waktu perebusan akan minimal - hanya sepersekian detik.

dalam teko

Seringkali orang tertarik pada suhu berapa air mendidih dalam ketel, karena perangkat inilah yang mereka gunakan untuk merebus cairan. Mempertimbangkan fakta bahwa tekanan atmosfer di apartemen sama dengan standar, dan air yang digunakan tidak mengandung garam dan kotoran lain yang seharusnya tidak ada, maka titik didih juga akan menjadi standar - 100 derajat. Tapi jika airnya mengandung garam, maka titik didihnya, seperti yang sudah kita ketahui, akan lebih tinggi.

Kesimpulan

Sekarang Anda tahu pada suhu berapa air mendidih, dan bagaimana tekanan atmosfer dan komposisi cairan memengaruhi proses ini. Tidak ada yang rumit dalam hal ini, dan anak-anak menerima informasi seperti itu di sekolah. Hal utama yang harus diingat adalah bahwa dengan penurunan tekanan, titik didih cairan juga berkurang, dan dengan kenaikannya, itu juga meningkat.

Di Internet, Anda dapat menemukan banyak tabel berbeda yang menunjukkan ketergantungan titik didih cairan pada tekanan atmosfer. Mereka tersedia untuk semua orang dan secara aktif digunakan oleh anak sekolah, siswa dan bahkan guru di institut.

mendidih -Ini adalah penguapan yang terjadi dalam volume seluruh cairan pada suhu konstan.

Proses penguapan dapat terjadi tidak hanya dari permukaan cairan, tetapi juga di dalam cairan. Gelembung uap di dalam cairan mengembang dan mengapung ke permukaan jika tekanan uap jenuh sama atau lebih besar dari tekanan eksternal. Proses ini disebut mendidih. Selama cairan mendidih, suhunya tetap konstan.

Pada suhu 100 0 C, tekanan uap air jenuh sama dengan tekanan atmosfer normal, oleh karena itu, pada tekanan normal, air mendidih pada 100 ° C. Pada suhu 80 °C, tekanan uap jenuh adalah sekitar setengah dari tekanan atmosfer normal. Oleh karena itu, air mendidih pada 80 °C jika tekanan di atasnya dikurangi menjadi 0,5 tekanan atmosfer normal (gambar).

Ketika tekanan eksternal berkurang, titik didih cairan berkurang, dan ketika tekanan meningkat, titik didih naik.

titik didih cairan- Ini adalah suhu di mana tekanan uap jenuh dalam gelembung cairan sama dengan tekanan eksternal pada permukaannya.

temperatur kritis.

Pada tahun 1861 D. I. Mendeleev menetapkan bahwa untuk setiap cairan harus ada suhu di mana perbedaan antara cairan dan uapnya hilang. Mendeleev menamainya titik didih mutlak (suhu kritis). Tidak ada perbedaan mendasar antara gas dan uap. Biasanya gas disebut zat dalam keadaan gas, ketika suhunya di atas kritis, dan feri- ketika suhu di bawah kritis.

Suhu kritis suatu zat adalah suhu di mana massa jenis cairan dan massa jenis uap jenuhnya menjadi sama.

Setiap zat yang dalam keadaan gas dapat berubah menjadi cair. Namun, setiap zat dapat mengalami transformasi seperti itu hanya pada suhu di bawah nilai tertentu, spesifik untuk setiap zat, yang disebut suhu kritis T k. Pada suhu yang lebih besar dari suhu kritis, zat tidak berubah menjadi cairan di bawah tekanan apa pun.

Model gas ideal dapat diterapkan untuk menggambarkan sifat-sifat gas yang benar-benar ada di alam dalam kisaran suhu dan tekanan yang terbatas. Ketika suhu turun di bawah suhu kritis untuk gas tertentu, aksi gaya tarik menarik antar molekul tidak dapat lagi diabaikan, dan pada tekanan yang cukup tinggi, molekul-molekul suatu zat saling berhubungan.

Jika suatu zat berada pada suhu kritis dan tekanan kritis, maka keadaannya disebut keadaan kritis.

(Ketika air dipanaskan, udara yang terlarut di dalamnya dilepaskan ke dinding bejana dan jumlah gelembung terus meningkat, dan volumenya meningkat. Dengan volume gelembung yang cukup besar, gaya Archimedes yang bekerja padanya merobeknya. dari permukaan bawah dan mengangkatnya ke atas, dan sebagai pengganti gelembung yang terlepas, embrio yang baru tetap gelembung. Karena ketika cairan dipanaskan dari bawah, lapisan atasnya lebih dingin daripada yang lebih rendah, ketika gelembung naik, uap air di dalamnya mengembun, dan udara larut lagi di dalam air dan volume gelembung berkurang. Banyak gelembung, sebelum mencapai permukaan air, menghilang, dan beberapa mencapai permukaan. Ada sangat sedikit udara dan uap di dalamnya pada titik ini.Hal ini terjadi sampai, karena konveksi, suhu di seluruh cairan menjadi sama.Ketika suhu dalam cairan sama, volume gelembung akan meningkat selama pendakian . Hal ini dijelaskan sebagai berikut. Ketika suhu yang sama ditetapkan di seluruh cairan dan gelembung naik, tekanan uap jenuh di dalam gelembung tetap konstan, dan tekanan hidrostatik (tekanan lapisan atas cairan) berkurang, sehingga gelembung tumbuh. Seluruh ruang di dalam gelembung diisi dengan uap jenuh selama pertumbuhannya. Ketika gelembung tersebut mencapai permukaan cairan, tekanan uap jenuh di dalamnya sama dengan tekanan atmosfer di permukaan cairan.)

TUGAS

1. Kelembaban relatif pada 20°C adalah 58%. Pada suhu maksimum berapa embun akan turun?

2. Berapa banyak air yang harus diuapkan dalam 1000 ml udara, yang kelembaban relatifnya adalah 40% pada 283 K, untuk melembabkannya hingga 40% pada 290 K?

3. Udara pada suhu 303 K memiliki titik embun pada 286 K. Tentukan kelembaban absolut dan relatif udara.

4.Pada 28°C kelembaban udara relatif adalah 50%. Tentukan massa embun yang jatuh dari 1 km3 udara ketika suhu turun menjadi 12°C.

5. Dalam ruangan dengan volume 200 m3, kelembaban relatif pada 20 ° C adalah 70%. Tentukan massa uap air di udara dalam ruangan.

“Dan orang pintar terkadang harus berpikir” Gennady Malkin

Dalam kehidupan sehari-hari, dengan menggunakan contoh pengoperasian autoklaf, seseorang dapat melacak ketergantungan titik didih air pada tekanan. Misalkan, untuk persiapan produk dan penghancuran semua makhluk hidup berbahaya, termasuk spora botulisme, kita membutuhkan suhu 120 ° C. Dalam panci sederhana, suhu ini tidak dapat diperoleh; air hanya akan mendidih pada 100 ° C. Benar sekali, pada tekanan atmosfer 1 kgf/cm² (760 mm Hg), air akan mendidih pada 100 ° C. Singkatnya, kita perlu membuat wadah kedap udara dari wajan, yaitu autoklaf. Menurut tabel, kami menentukan tekanan di mana air mendidih pada 120 ° C. Tekanan ini adalah 2 kgf/cm². Tapi ini adalah tekanan mutlak, dan kita membutuhkan tekanan pengukur, sebagian besar pengukur menunjukkan tekanan berlebih. Karena tekanan absolut sama dengan jumlah kelebihan (P g) dan barometrik (P bar.), mis. perut = P eks. + P bar, maka overpressure dalam autoclave minimal harus P g = P abs. - Batang R. \u003d 2-1 \u003d 1 kgf / cm 2. Itulah yang kita lihat pada gambar di atas. Prinsip operasinya adalah karena injeksi tekanan berlebih 0,1 MPa. ketika dipanaskan, suhu sterilisasi produk kalengan meningkat menjadi 110-120 °C, dan air di dalam autoklaf tidak mendidih.

Ketergantungan titik didih air pada tekanan disajikan dalam tabel V.P. Vukalovich

Tabel V.P. Vukalovich

P - tekanan absolut dalam atm, kgf / cm 2; t adalah suhu dalam o C; i / – entalpi air mendidih, kkal/kg; i // – entalpi uap jenuh kering, kkal/kg; r adalah panas laten penguapan, kkal/kg.

Ketergantungan titik didih air pada tekanan berbanding lurus, yaitu semakin besar tekanan, semakin besar titik didih. Untuk lebih memahami ketergantungan ini, Anda diundang untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan berikut:

1. Apa itu air super panas? Berapa suhu air maksimum yang mungkin di ruang ketel Anda?

2. Apa yang menentukan tekanan di mana boiler Anda beroperasi?

3. Berikan contoh penggunaan ketergantungan titik didih air pada tekanan di ruang ketel Anda.

4. Penyebab guncangan hidrolik di jaringan pemanas air. Mengapa derak terdengar di sistem pemanas lokal rumah pribadi dan bagaimana cara menghindarinya?

5. Dan akhirnya, berapa panas laten penguapan? Mengapa kita mengalami, dalam kondisi tertentu, panas yang tak tertahankan di pemandian Rusia dan meninggalkan ruang uap. Meskipun suhu di ruang uap tidak lebih dari 60 ° C.

Mengapa seseorang mulai merebus air sebelum digunakan langsung? Benar, untuk melindungi diri dari banyak bakteri dan virus patogen. Tradisi ini datang ke wilayah Rusia abad pertengahan bahkan sebelum Peter the Great, meskipun diyakini bahwa dialah yang membawa samovar pertama ke negara itu dan memperkenalkan ritual minum teh malam yang tidak tergesa-gesa. Faktanya, orang-orang kami menggunakan sejenis samovar di Rusia kuno untuk membuat minuman dari tumbuh-tumbuhan, beri, dan akar. Perebusan diperlukan di sini terutama untuk ekstraksi ekstrak tumbuhan yang berguna, bukan untuk desinfeksi. Memang, pada saat itu bahkan tidak diketahui tentang mikrokosmos tempat bakteri dan virus ini hidup. Namun, berkat perebusan, negara kita dilewati oleh pandemi global penyakit mengerikan seperti kolera atau difteri.

Celsius

Ahli meteorologi, geologi, dan astronom besar dari Swedia awalnya menggunakan 100 derajat untuk menunjukkan titik beku air dalam kondisi normal, dan titik didih air diambil sebagai nol derajat. Dan sudah setelah kematiannya pada tahun 1744, orang yang tidak kalah terkenalnya, ahli botani Carl Linnaeus dan penerima Celsius Morten Strömer, membalik skala ini untuk kemudahan penggunaan. Namun, menurut sumber lain, Celsius sendiri melakukan ini sesaat sebelum kematiannya. Tetapi bagaimanapun juga, stabilitas pembacaan dan kelulusan yang dapat dimengerti memengaruhi penggunaan yang luas di antara profesi ilmiah paling bergengsi pada waktu itu - ahli kimia. Dan, terlepas dari kenyataan bahwa, dalam bentuk terbalik, tanda skala 100 derajat menentukan titik didih air yang stabil, dan bukan awal dari pembekuannya, skala mulai menyandang nama pencipta utamanya, Celsius.

Di bawah atmosfer

Namun, tidak semuanya sesederhana kelihatannya pada pandangan pertama. Melihat diagram keadaan apa pun dalam koordinat P-T atau P-S (entropi S adalah fungsi langsung dari suhu), kita melihat seberapa dekat hubungan suhu dan tekanan. Demikian pula, air, tergantung pada tekanan, mengubah nilainya. Dan setiap pendaki sangat menyadari properti ini. Setiap orang yang setidaknya sekali dalam hidupnya memahami ketinggian di atas 2000-3000 meter di atas permukaan laut tahu betapa sulitnya bernapas di ketinggian. Ini karena semakin tinggi kita pergi, semakin tipis udaranya. Tekanan atmosfer turun di bawah satu atmosfer (di bawah NO, yaitu di bawah "kondisi normal"). Titik didih air juga turun. Tergantung pada tekanan di masing-masing ketinggian, itu bisa mendidih pada suhu delapan puluh dan enam puluh

kompor tekanan

Namun, harus diingat bahwa meskipun mikroba utama mati pada suhu di atas enam puluh derajat Celcius, banyak yang dapat bertahan hidup pada suhu delapan puluh derajat atau lebih. Itulah sebabnya kami mencapai air mendidih, yaitu, kami membawa suhunya ke 100 ° C. Namun, ada peralatan dapur menarik yang memungkinkan Anda mengurangi waktu dan memanaskan cairan ke suhu tinggi, tanpa merebusnya dan kehilangan massa melalui penguapan. Menyadari bahwa titik didih air dapat berubah tergantung pada tekanan, para insinyur dari Amerika Serikat, berdasarkan prototipe Prancis, memperkenalkan penanak tekanan pada dunia pada 1920-an. Prinsip operasinya didasarkan pada fakta bahwa tutupnya ditekan dengan kuat ke dinding, tanpa kemungkinan mengeluarkan uap. Peningkatan tekanan dibuat di dalam, dan air mendidih pada suhu yang lebih tinggi. Namun, perangkat semacam itu cukup berbahaya dan sering menyebabkan ledakan dan luka bakar serius bagi pengguna.

Sempurna

Mari kita lihat bagaimana prosesnya datang dan pergi. Bayangkan permukaan pemanas idealnya halus dan besar tak terhingga, di mana distribusi panas seragam (jumlah energi panas yang sama disuplai ke setiap milimeter persegi permukaan), dan koefisien kekasaran permukaan cenderung nol. Dalam hal ini, di n. y. pendidihan dalam lapisan batas laminar akan dimulai secara serentak di seluruh luas permukaan dan terjadi seketika, segera menguapkan seluruh satuan volume cairan yang terletak di permukaannya. Ini adalah kondisi ideal, dalam kehidupan nyata ini tidak terjadi.

Pada kenyataannya

Mari kita cari tahu berapa titik didih awal air. Tergantung pada tekanan, itu juga mengubah nilainya, tetapi poin utama di sini terletak pada ini. Bahkan jika kita mengambil yang paling halus, menurut pendapat kita, menggeser dan membawanya di bawah mikroskop, maka pada lensa mata kita akan melihat tepi yang tidak rata dan puncak yang tajam dan sering menonjol di atas permukaan utama. Panas ke permukaan panci, akan kita asumsikan, disuplai secara merata, meskipun pada kenyataannya ini juga bukan pernyataan yang sepenuhnya benar. Bahkan ketika panci berada di kompor terbesar, gradien suhu tidak merata di atas kompor, dan selalu ada zona panas lokal yang bertanggung jawab atas perebusan awal air. Berapa derajat pada saat yang sama di puncak permukaan dan di dataran rendahnya? Puncak permukaan dengan pasokan panas yang tidak terputus memanas lebih cepat daripada dataran rendah dan yang disebut depresi. Selain itu, dikelilingi di semua sisi oleh air dengan suhu rendah, mereka lebih baik memberi energi pada molekul air. Difusivitas termal dari puncak adalah satu setengah sampai dua kali lebih tinggi dari dataran rendah.

suhu

Itulah sebabnya titik didih awal air adalah sekitar delapan puluh derajat Celcius. Pada nilai ini, puncak permukaan memasok cukup untuk menyebabkan cairan mendidih seketika dan membentuk gelembung pertama yang terlihat oleh mata, yang dengan takut-takut mulai naik ke permukaan. Dan berapa titik didih air pada tekanan normal - banyak orang bertanya. Jawaban atas pertanyaan ini dapat dengan mudah ditemukan di tabel. Pada tekanan atmosfer, titik didih stabil terjadi pada 99,9839 °C.

Mendidih- ini adalah penguapan yang terjadi secara bersamaan baik dari permukaan maupun di seluruh volume cairan. Ini terdiri dari fakta bahwa banyak gelembung muncul dan pecah, menyebabkan karakteristik mendidih.

Seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman, pendidihan cairan pada tekanan eksternal tertentu dimulai pada suhu tertentu yang tidak berubah selama proses pendidihan dan hanya dapat terjadi jika energi disuplai dari luar sebagai akibat perpindahan panas (Gbr. 1) :

di mana L adalah panas spesifik penguapan pada titik didih.

Mekanisme perebusan: selalu ada gas terlarut dalam cairan, yang derajat disolusinya menurun dengan meningkatnya suhu. Selain itu, ada gas yang teradsorpsi di dinding bejana. Ketika cairan dipanaskan dari bawah (Gbr. 2), gas mulai berkembang dalam bentuk gelembung di dekat dinding bejana. Cairan menguap ke dalam gelembung-gelembung ini. Oleh karena itu, selain udara, mereka mengandung uap jenuh, yang tekanannya meningkat pesat dengan meningkatnya suhu, dan gelembung-gelembung itu bertambah volumenya, dan, akibatnya, gaya Archimedes yang bekerja padanya meningkat. Ketika gaya apung menjadi lebih besar dari gravitasi gelembung, ia mulai mengapung. Tetapi sampai cairan dipanaskan secara merata, saat naik, volume gelembung berkurang (tekanan uap jenuh menurun dengan penurunan suhu) dan, sebelum mencapai permukaan bebas, gelembung menghilang (runtuh) (Gbr. 2, a), itulah sebabnya kami mendengar suara khas sebelum mendidih. Ketika suhu cairan menyamakan, volume gelembung akan meningkat saat naik, karena tekanan uap jenuh tidak berubah, dan tekanan eksternal pada gelembung, yang merupakan jumlah dari tekanan hidrostatik cairan di atas gelembung dan tekanan atmosfer menurun. Gelembung mencapai permukaan bebas cairan, pecah, dan uap jenuh keluar (Gbr. 2, b) - cairan mendidih. Tekanan uap jenuh dalam gelembung praktis sama dengan tekanan eksternal.

Suhu di mana tekanan uap jenuh cairan sama dengan tekanan eksternal pada permukaan bebasnya disebut titik didih cairan.

Karena tekanan uap jenuh meningkat dengan meningkatnya suhu, dan selama perebusan itu harus sama dengan tekanan eksternal, suhu didih meningkat dengan peningkatan tekanan eksternal.

Titik didih juga tergantung pada keberadaan pengotor, biasanya meningkat dengan meningkatnya konsentrasi pengotor.

Jika cairan pertama kali dibebaskan dari gas yang terlarut di dalamnya, maka itu bisa menjadi terlalu panas, mis. panas di atas titik didih. Ini adalah keadaan cairan yang tidak stabil. Goyangan kecil yang cukup dan cairan mendidih, dan suhunya segera turun ke titik didih.