кипение жидкости
творческая работа учащихся по физике на тему

Муниципальное общеобразовательное учреждение гимназия №17

г. Мытищи

УЧЕБНО -- ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

«Кипение жидкости»

                                                                            Автор: Бурмистров Михаил

Руководитель: Колесникова

Ольга Ивановна

2010 г.

КИПЕНИЕ ЖИДКОСТИ

ПЛАН

1.Введение…………………………………………………………………3

                а) кипение жидкости;

                б) измерение температуры кипения.

2.Эксперимент: кипение………………………………………………….4

                а) чистой воды;

                б) воды с нелетучими примесями;

                в) водного раствора спирта.

3.Результаты эксперимента………………………………………………6

4.Выводы………………………………………………………………….6

5.Заключение……………………………………………………………..6

6.Литература………………………………………………………………7

ВВЕДЕНИЕ 

Моя исследовательская работа называется «Кипение жидкостей»

Целью моей работы было исследовать столь распространенное в быту явление как кипение. Понять, от каких факторов  зависит температура кипения.   Кипение, как вы знаете - это процесс парообразования по всему объему жидкости. Если наблюдать за этим явлением на примере пресной воды, то мы видим, что в процессе кипения на стенках сосуда и на его дне образуются многочисленные пузырьки воздуха - центры парообразования. При нагревании происходит испарение воды в полость этих пузырьков. При определенном объеме сила Архимеда отрывает их от дна сосуда, но перед самим кипением отчетливо слышен шум. Дело в том, что жидкость прогрета неравномерно. Когда пузырьки с паром поднимаются в более холодные слои, пар в них конденсируется и пузырьки  «схлопываются». При этом выделяется энергия,  что способствует прогреванию остального объема воды. В прогретой жидкости пузырьки воздуха с паром поднимаются на поверхность и  лопаются: пар выходит в атмосферу.

Опыт с кипением чистой воды за время работы проводился дважды.  В первый раз вода закипела при 98⁰С,  а во второй  при  99⁰С. Это произошло из-за разного атмосферного давления:  чем оно ниже, тем ниже температура кипения. Основным условием кипения является равенство давления насыщенного пара в пузырьках и  атмосферного давления. На самом деле,  на пузырек с паром также действует гидростатическое давление столба жидкости, но в обычных условиях им можно пренебречь, так как оно мало по сравнению с атмосферным давлением.

Далее был поставлен вопрос: а какова температура кипения  водных растворов и  воды с примесями.

Первый опыт: кипение воды с добавлением соли. Оказалось, что соль повышает температуру кипения. На графике показана зависимость температуры кипения от количества примесей. Как видно, максимальная температура кипения, которую имела вода с примесями, составляет 110⁰С,  и зависит от концентрации. Повышение температуры кипения происходит потому, что в пузырьке  воздуха содержится не только водяной пар, но и пары поваренной соли. А значит, пар становится насыщенным при более высокой температуре.

Следующие опыты проводились на «водяной бане», т.е.  исследуемая жидкость прогревалась одновременно со всех сторон. Это повлияло на процесс: кипение началось ближе к поверхности жидкости у стенок сосуда, а не от дна. Дело в том, что чем ближе к поверхности, тем меньше давление столба воды, а это важно. Оказалось, что температура кипения водного раствора спирта составляет 82⁰С, хотя сам спирт кипит при 78⁰С. Такая температуры кипения объясняется тем, что давление в пузырьке воздуха равно сумме давлений компонентов  жидкости. Следовательно, температура кипения раствора ниже, чем у воды, но выше, чем у спирта. Причина в молекулярном строении и составе вещества: в спиртах образуются прочные химические связи между водородом одной молекулы и кислородом другой, а с водой эти связи становятся еще прочнее - молекулы воды примыкают к связям, образуя ассоциации, а для  их расщепления  требуется более высокая температура.

Последний опыт: наблюдение за кипением двух несмешивающихся жидкостей: воды и CCl4 (четыреххлористый углерод: осторожность при работе; только в вытяжном шкафу). Четыреххлористый углерод – это бесцветная жидкость, плотнее воды (1,63г/см3), легко испаряющаяся, температура кипения которой 78⁰С. В опыте раствор кипел при 68⁰С. Причем сам процесс происходил довольно необычно: кипение происходило не со дна, а  у стенок сосуда на границе между веществами. Там отчетливо наблюдалось образование и рост пузырьков, а затем пузырьки поднимались к поверхности и лопались. На границе раздела жидкостей оптимальные условия для кипения: давление насыщенных паров обеих жидкостей станет равным атмосферному давлению значительно раньше на границе раздела, чем в пузырьках, находящихся только в воде или ССl4. Значение измеренной температуры кипения мало отличается от теоретического значения, найденного графически.

Из проведенных опытов можно сделать вывод, что температура кипения остается постоянной во время кипения  и  зависит от количества и вида примесей, атмосферного давления и других внешних условий. Кипение жидкости используют для получения дистиллированной воды (выпаривание и конденсация), опреснение воды, крекинга нефти. Исследуя процесс кипения можно также получить сведения о количестве и виде примесей в воде (определить даже само вещество). Так же я понял, что на нашей планете огромное количество веществ и соединений, находящихся в жидком состоянии, но многие из них либо ядовиты, либо кипят при очень высокой температуре. И только вода со всеми своими свойствами является уникальной жидкостью!          В  данной работе изучаются процессы кипения в чистой жидкости, смесях и растворах. Результаты показали, что температура кипения различных жидкостей зависит от внешних факторов, концентрации растворов, количества примесей.

Для кипения жидкости необходимы несколько условий:  

1. наличие центров парообразования;
2. наличие постоянное подведение тепла;
3. определенное значение давления насыщенного пара.      

Рассмотрим этот процесс подробнее. Сосуд с жидкостью поставим на плитку и будем наблюдать за происходящим нагреванием. На стенках и дне сосуда образуются многочисленные мелкие пузырьки воздуха – это центры парообразования. При нагревании жидкости происходит ее испарение в полость пузырьков воздуха: давление увеличивается, объем растет. Архимедова сила при определенном объеме пузырька способна оторвать  от  дна, и он всплывает вверх. Если жидкость недостаточно прогрета по всему объему за счет конвективных потоков, то пузырек с паром попадает в менее нагретые слои и пар в нем конденсируется: пузырек захлопывается, при этом теплота, выделяющаяся при конденсации,  ускоряет прогревание жидкости по всему объему.  Слышен шум – предвестник кипения. Когда давление насыщенного пара станет равным атмосферному давлению, пузырек поднимается на  поверхность и лопается, выпуская пар – жидкость кипит. Признак кипения: интенсивное бурление жидкости, постоянство температуры. На практике всегда наблюдается колебания температуры внутри жидкости. Чем ровнее кипит жидкость, тем меньше эти колебания. Для измерения температуры кипения термометр помещают в пары кипящей жидкости, а не в саму жидкость. Процесс кипения идет с поглощением тепла, зависящим от вида жидкости и выпариваемой массы:             Q  = mL,    где

L – удельная теплота парообразования, Дж/кг,

m – масса вещества, кг

Давление внутри пузырька с паром складывается из давления насыщенных паров, гидростатического и давления искривленной поверхности. Если последними факторами можно пренебречь, то условием  для кипения будет равенство давления насыщенного пара и атмосферного давления. При повышении атмосферного давления температура кипения повышается в среднем на 1°С при изменении давления на 26 мм рт ст. Если жидкость неоднородная, то давление в пузырьках воздуха складывается из давлений насыщенного пара каждого компонента.

Р1  +  Р2 =  Ратм        

Доля каждого парциального давления зависит от температуры и количества вещества. Поэтому температура кипения неоднородной жидкости отличается от температуры кипения чистой  жидкости. Нелетучие примеси повышают температуру кипения.

ЭКСПЕРИМЕНТ

1.Соблюдение техники безопасности при выполнении опытов:                              а) при работе со стеклянной посудой, термометром;                                                б) при измерении температур;                                                                                     в) при работе с легкоиспаряющимися жидкостями (оборудование для процесса кипения, вытяжной шкаф, марлевая повязка);                                                             2. Оборудование: химическая посуда, нагреватель, термометр.                    Материалы: вода, поваренная соль, спирт.

Опыт №1. Наблюдение за нагреванием и  кипением чистой воды

Опыт №2. Наблюдение за нагреванием и кипением соленой воды(20%)

Опыт №3. Наблюдение за нагреванием и кипением водного раствора спирта на водяной бане.

РЕЗУЛЬТАТЫ

ТЕПЕРАТУРА   КИПЕНИЯ                                 t°С

Чистая вода (при  ратм= 733 мм рт ст)                                    98

Смесь воды с солью                                 104

Водный раствор спирта (при  ратм = 756 мм рт  ст)                  82

ВЫВОДЫ

Температура кипения зависит:

1. от внешнего давления;
2. наличия или отсутствия примесей;
3. нелетучие примеси повышают температуру кипения;
4. от количества примесей;
5. от температур кипения компонентов;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Объяснить изменения  температуры  кипения  можно только на основании химических связей: разрыв связи  воды   Н2О =  Н* + ОН*  и соединение   Н* с органическим веществом  понижает температуру кипения водных растворов.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.В.Перышкин  «Физика-8», М. Дрофа, 2006г.
2. А.А.Равдель, А.М.Пономарева Краткий справочник физико-химических величин. Ленинград, «Химия», 1983г.
3. Физический энциклопедический словарь. М. Советская энциклопедия,1968г.
4. А.С.Енохович Справочник по физике.М.Просвещение,1978г.
5. www.  wikiznanie  ru/ru  «Кипение»

Муниципальное общеобразовательное учреждение гимназия №17

г. Мытищи

УЧЕБНО -- ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

«Кипение жидкости»

                                                                            Автор: Бурмистров Михаил

Руководитель: Колесникова

Ольга Ивановна

2010 г.

КИПЕНИЕ ЖИДКОСТИ

ПЛАН

1.Введение…………………………………………………………………3

                а) кипение жидкости;

                б) измерение температуры кипения.

2.Эксперимент: кипение………………………………………………….4

                а) чистой воды;

                б) воды с нелетучими примесями;

                в) водного раствора спирта.

3.Результаты эксперимента………………………………………………6

4.Выводы………………………………………………………………….6

5.Заключение……………………………………………………………..6

6.Литература………………………………………………………………7

ВВЕДЕНИЕ 

Моя исследовательская работа называется «Кипение жидкостей»

Целью моей работы было исследовать столь распространенное в быту явление как кипение. Понять, от каких факторов  зависит температура кипения.   Кипение, как вы знаете - это процесс парообразования по всему объему жидкости. Если наблюдать за этим явлением на примере пресной воды, то мы видим, что в процессе кипения на стенках сосуда и на его дне образуются многочисленные пузырьки воздуха - центры парообразования. При нагревании происходит испарение воды в полость этих пузырьков. При определенном объеме сила Архимеда отрывает их от дна сосуда, но перед самим кипением отчетливо слышен шум. Дело в том, что жидкость прогрета неравномерно. Когда пузырьки с паром поднимаются в более холодные слои, пар в них конденсируется и пузырьки  «схлопываются». При этом выделяется энергия,  что способствует прогреванию остального объема воды. В прогретой жидкости пузырьки воздуха с паром поднимаются на поверхность и  лопаются: пар выходит в атмосферу.

Опыт с кипением чистой воды за время работы проводился дважды.  В первый раз вода закипела при 98⁰С,  а во второй  при  99⁰С. Это произошло из-за разного атмосферного давления:  чем оно ниже, тем ниже температура кипения. Основным условием кипения является равенство давления насыщенного пара в пузырьках и  атмосферного давления. На самом деле,  на пузырек с паром также действует гидростатическое давление столба жидкости, но в обычных условиях им можно пренебречь, так как оно мало по сравнению с атмосферным давлением.

Далее был поставлен вопрос: а какова температура кипения  водных растворов и  воды с примесями.

Первый опыт: кипение воды с добавлением соли. Оказалось, что соль повышает температуру кипения. На графике показана зависимость температуры кипения от количества примесей. Как видно, максимальная температура кипения, которую имела вода с примесями, составляет 110⁰С,  и зависит от концентрации. Повышение температуры кипения происходит потому, что в пузырьке  воздуха содержится не только водяной пар, но и пары поваренной соли. А значит, пар становится насыщенным при более высокой температуре.

Следующие опыты проводились на «водяной бане», т.е.  исследуемая жидкость прогревалась одновременно со всех сторон. Это повлияло на процесс: кипение началось ближе к поверхности жидкости у стенок сосуда, а не от дна. Дело в том, что чем ближе к поверхности, тем меньше давление столба воды, а это важно. Оказалось, что температура кипения водного раствора спирта составляет 82⁰С, хотя сам спирт кипит при 78⁰С. Такая температуры кипения объясняется тем, что давление в пузырьке воздуха равно сумме давлений компонентов  жидкости. Следовательно, температура кипения раствора ниже, чем у воды, но выше, чем у спирта. Причина в молекулярном строении и составе вещества: в спиртах образуются прочные химические связи между водородом одной молекулы и кислородом другой, а с водой эти связи становятся еще прочнее - молекулы воды примыкают к связям, образуя ассоциации, а для  их расщепления  требуется более высокая температура.

Последний опыт: наблюдение за кипением двух несмешивающихся жидкостей: воды и CCl4 (четыреххлористый углерод: осторожность при работе; только в вытяжном шкафу). Четыреххлористый углерод – это бесцветная жидкость, плотнее воды (1,63г/см3), легко испаряющаяся, температура кипения которой 78⁰С. В опыте раствор кипел при 68⁰С. Причем сам процесс происходил довольно необычно: кипение происходило не со дна, а  у стенок сосуда на границе между веществами. Там отчетливо наблюдалось образование и рост пузырьков, а затем пузырьки поднимались к поверхности и лопались. На границе раздела жидкостей оптимальные условия для кипения: давление насыщенных паров обеих жидкостей станет равным атмосферному давлению значительно раньше на границе раздела, чем в пузырьках, находящихся только в воде или ССl4. Значение измеренной температуры кипения мало отличается от теоретического значения, найденного графически.

Из проведенных опытов можно сделать вывод, что температура кипения остается постоянной во время кипения  и  зависит от количества и вида примесей, атмосферного давления и других внешних условий. Кипение жидкости используют для получения дистиллированной воды (выпаривание и конденсация), опреснение воды, крекинга нефти. Исследуя процесс кипения можно также получить сведения о количестве и виде примесей в воде (определить даже само вещество). Так же я понял, что на нашей планете огромное количество веществ и соединений, находящихся в жидком состоянии, но многие из них либо ядовиты, либо кипят при очень высокой температуре. И только вода со всеми своими свойствами является уникальной жидкостью!          В  данной работе изучаются процессы кипения в чистой жидкости, смесях и растворах. Результаты показали, что температура кипения различных жидкостей зависит от внешних факторов, концентрации растворов, количества примесей.

Для кипения жидкости необходимы несколько условий:  

1. наличие центров парообразования;
2. наличие постоянное подведение тепла;
3. определенное значение давления насыщенного пара.      

Рассмотрим этот процесс подробнее. Сосуд с жидкостью поставим на плитку и будем наблюдать за происходящим нагреванием. На стенках и дне сосуда образуются многочисленные мелкие пузырьки воздуха – это центры парообразования. При нагревании жидкости происходит ее испарение в полость пузырьков воздуха: давление увеличивается, объем растет. Архимедова сила при определенном объеме пузырька способна оторвать  от  дна, и он всплывает вверх. Если жидкость недостаточно прогрета по всему объему за счет конвективных потоков, то пузырек с паром попадает в менее нагретые слои и пар в нем конденсируется: пузырек захлопывается, при этом теплота, выделяющаяся при конденсации,  ускоряет прогревание жидкости по всему объему.  Слышен шум – предвестник кипения. Когда давление насыщенного пара станет равным атмосферному давлению, пузырек поднимается на  поверхность и лопается, выпуская пар – жидкость кипит. Признак кипения: интенсивное бурление жидкости, постоянство температуры. На практике всегда наблюдается колебания температуры внутри жидкости. Чем ровнее кипит жидкость, тем меньше эти колебания. Для измерения температуры кипения термометр помещают в пары кипящей жидкости, а не в саму жидкость. Процесс кипения идет с поглощением тепла, зависящим от вида жидкости и выпариваемой массы:             Q  = mL,    где

L – удельная теплота парообразования, Дж/кг,

m – масса вещества, кг

Давление внутри пузырька с паром складывается из давления насыщенных паров, гидростатического и давления искривленной поверхности. Если последними факторами можно пренебречь, то условием  для кипения будет равенство давления насыщенного пара и атмосферного давления. При повышении атмосферного давления температура кипения повышается в среднем на 1°С при изменении давления на 26 мм рт ст. Если жидкость неоднородная, то давление в пузырьках воздуха складывается из давлений насыщенного пара каждого компонента.

Р1  +  Р2 =  Ратм        

Доля каждого парциального давления зависит от температуры и количества вещества. Поэтому температура кипения неоднородной жидкости отличается от температуры кипения чистой  жидкости. Нелетучие примеси повышают температуру кипения.

ЭКСПЕРИМЕНТ

1.Соблюдение техники безопасности при выполнении опытов:                              а) при работе со стеклянной посудой, термометром;                                                б) при измерении температур;                                                                                     в) при работе с легкоиспаряющимися жидкостями (оборудование для процесса кипения, вытяжной шкаф, марлевая повязка);                                                             2. Оборудование: химическая посуда, нагреватель, термометр.                    Материалы: вода, поваренная соль, спирт.

Опыт №1. Наблюдение за нагреванием и  кипением чистой воды

Опыт №2. Наблюдение за нагреванием и кипением соленой воды(20%)

Опыт №3. Наблюдение за нагреванием и кипением водного раствора спирта на водяной бане.

РЕЗУЛЬТАТЫ

ТЕПЕРАТУРА   КИПЕНИЯ                                 t°С

Чистая вода (при  ратм= 733 мм рт ст)                                    98

Смесь воды с солью                                 104

Водный раствор спирта (при  ратм = 756 мм рт  ст)                  82

ВЫВОДЫ

Температура кипения зависит:

1. от внешнего давления;
2. наличия или отсутствия примесей;
3. нелетучие примеси повышают температуру кипения;
4. от количества примесей;
5. от температур кипения компонентов;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Объяснить изменения  температуры  кипения  можно только на основании химических связей: разрыв связи  воды   Н2О =  Н* + ОН*  и соединение   Н* с органическим веществом  понижает температуру кипения водных растворов.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.В.Перышкин  «Физика-8», М. Дрофа, 2006г.
2. А.А.Равдель, А.М.Пономарева Краткий справочник физико-химических величин. Ленинград, «Химия», 1983г.
3. Физический энциклопедический словарь. М. Советская энциклопедия,1968г.
4. А.С.Енохович Справочник по физике.М.Просвещение,1978г.
5. www.  wikiznanie  ru/ru  «Кипение»