Кипіння. теплове розширення. Лінійне розширення

 

 

 

ВСТУП

Я вирішила написати цей  реферат,адже дуже зацікавилася темою кипіння протягом уроків фізики. Мені неймовірно захотілося розширити знання дітей по цій темі. На мою думку,ця тема надзвичайно цікава ,адже так багато фізичних явищ зустрічаються у нашому житті і кипіння -не вийняток.

  Як на  мене, без фізики ми б не  могли поснити більшу половину  процесів,які відбуваються у навколишньому  середовищі,адже у світі все  взаємо пов*язане і ми маємо  намагатися дізнаватися всі більше  і більше про нашу планету  і науки загалом. Тому,я щиро вірю,що мій малесенький внесок для вас , пробудить у вашій свідомості цікавість до фізики.

 

 

 

 

 

Тема: Кипіння.

1. Другим видом пароутворення є кипіння. Кипінням називається процес пароутворення, який відбувається не тільки з вільної поверхні рідини, а і всередині рідини (є бульбашки розчиненого). В рідині є завжди розчинений газ, молекули якого прилипають до стінок посудини, утворюючи маленькі бульбашки газу. “Прилипання” молекул газу до молекул поверхневого шару твердого тіла називається адсорпією. В цих бульбашках знаходиться розчинений газ і насичена пара, які створюють внутрішній тиск, який залежить від температури.

1 етап – рідина повністю не  прогріта, верхні шари холодніші  від нижніх. На бульбашку діють  зовнішній тиск і внутрішній. Внутрішній тиск створюється насиченою парою (тиском газу нехтуємо), а зовнішній тиск складається з атмосферного, гідростатичного і Лапласівського (тиск створений викривленої поверхні рідини, він обернено-пропорційний радіусу кривизни поверхні).

Коли

На першому етапі під час  підігрівання рідини тиск насиченої  пари збільшується і бульбашка збільшується  в розмірах. Коли Архімедова сила, що діє на бульбашку, стає більшою від  молекулярних сил щеплення з твердою  поверхнею бульбашка відривається і піднімається в гору, попадаючи в холодні шари рідини. Насичена пара конденсується її тиск зменшується і бульбашка зменшується в розмірах захлопуючись і створюючи характерний шум, який виникає перед закипанням води. Кипіння, при якому пар утворюється у вигляді періодично зароджуються і зростаючих бульбашок, називається бульбашковим кипінням. При збільшенні теплового потоку до деякої критичної величини окремі бульбашки зливаються, утворюючи біля стінки судини суцільний парової шар, періодично проривається в об'єм рідини. Такий режим називається плівковим.

2 етап – рідина прогрілась.

В процесі підйому бульбашки  внутрішній тиск не міняється, а зовнішній  тиск зменшується, так як зменшується  гідростатичний і Лапласівський  і тому в момент кипіння рідини

 

В момент кипіння тиск нас. пари дорівнює атмосф. тиску, а тиск нас. пари залежить від температури. Таким чином  температура кипіння рідини прямопропорційна залежність рідини від атмосферного тиску, чим він більший, тим  більша температура при якій відбувається кипіння води. Температура при якій кипить рідина називається температура кипіння.

Температура кипіння рідини при  нормальному атмосферному тиску  називається точкою кипіння. Для  води вона становить 100⁰.

Але вода може кипіти і при 150⁰, і при 200⁰, і т. д., а може кипіти і при 50⁰, 10⁰ і навіть при 0⁰. Підвищений тиск і підвищена температура кипіння створюються в автоклавах.

Температура кипіння води найбільша  в шатах, а найменша в горах.

При кипінні, при пониженому тиску температура рідини знижується, так як вони кипить за рахунок власної внутрішньої енергії.

Особливості кипіння.

У киплячій рідини встановлюється певний розподіл температури: у поверхонь  нагріву (стінок посудини, труб і т. п.) рідина помітно перегріта  . Величина перегріву залежить від ряду фізико-хімічних властивостей як самої рідини, так і граничних твердих поверхонь. Ретельно очищені рідини, позбавлені розчинених газів (повітря), можна при дотриманні особливих заходів обережності перегріти на десятки градусів без закипання. Коли така перегріта рідина в кінці кінців скипає, то процес кипіння протікає досить бурхливо, нагадуючи вибух. Скипання супроводжується розпліскування рідини, гідравлічними ударами, іноді навіть руйнуванням судин. Теплота перегріву витрачається на пароутворення, тому рідина швидко охолоджується до температури насиченої пари, з яким вона перебуває в рівновазі. Можливість значного перегріву чистої рідини без кипіння пояснюється утрудненістю виникнення початкових маленьких бульбашок (зародків), їх утворення заважає значне взаємне притягання молекул рідини. Інакше йде справа, коли рідина містить розчинені гази і різні дрібні зважені частинки. В цьому випадку вже незначний перегрів (на десяті долі градуса) викликає стійке і спокійне кипіння, так як початковими зародками парової фази служать газові бульбашки і тверді частинки. Основні центри пароутворення знаходяться в точках нагрівається поверхні, де є дрібні пори з адсорбованим газом, а також різні неоднорідності, включення і нальоти, що знижують молекулярне зчеплення рідини з поверхнею.

 

 Утворена бульбашка росте тільки в тому випадку, якщо тиск пара в ньому трохи перевищує суму зовнішнього тиску, тиску вищого шару рідини і капілярного тиску, обумовленого кривизною поверхні бульбашки. Для створення в бульбашці необхідного тиску пар і навколишнє його рідина, що знаходиться з парою в тепловій рівновазі, повинні мати температуру, що перевищує температуру насичення  .

 

 Кипіння можливе не тільки  при нагріванні рідини в умовах  постійного тиску. Зниженням зовнішнього  тиску при постійній температурі  можна також викликати перегрів  рідини і її скипання (за рахунок зменшення температури насичення). Цим пояснюється, зокрема, явище кавітації - утворення парових порожнин в місцях зниженого тиску рідини (наприклад, в вихровий зоні за гребним гвинтом теплохода).

 

1. В процесі нагрівання зростає швидкість руху молекул, збільшується відстань між молекулами і речовина розширяється.

Зміна розмірів і форми тіла в  процесі нагрівання називається тепловим розширенням.Ця властивість характерна для всіх речовин.Коли речовина нагрівається,її частинки починають інтенсивніше рухатися,що приводить до збільшення середніх відстаней між ними.

Більшість тіл збільшують свій об*єм в результаті зростання температури,однак  відомо декільки винятків. Найвідомішим прикладом відхиленнявід правила  є вода,яка в діапазоні від 0 ^{0  до} 4⁰ С   зменшує свій об*єм при зростанні температури або чистий кремній при температурах між -225⁰ С та -153 ⁰ С.

Розділ метрології ,що вивчає властивості та методи вимірювання теплового розширеня має назву дилатометрія,а пилад для визначення параметрів теплового розширення – дилатометр.

Ступінь розширення речовини віднесений до зміни температур називається  коефіцієнтом теплового розширення,що в цілому залежить від температури.

а) Лінійне розширення – це зміна одного певного розміру твердого тіла

 

 

2. Розширення тіл при нагріванні і стискання при охолодженні в природі відіграють величезну роль. Не рівномірне прогрівання повітря біля поверхні Землі створює конвекції потоки (вітер), які зумовлюють зміну погоди. Нерівномірне прогрівання води в морях і океанах створює течії, які впливають на клімат прибережних країн. Особливо в гірських місцевостях. Це призводить до розширення і стискання гірських порід. Оскільки такі зміни об’єму залежать від роду речовини, то в гірських породах, що мають складну будову, виникають тріщини, які поступово збільшуються, тобто ці породи руйнуються.

У побуті і техніці залежність густини  речовини, довжини і об’єму тіл  від температури також має  дуже велике значення. Залежність густини  повітря від температури використовується в квартирах для рівномірного розподілу тепла, яке виділяють печі і радіатори, у грубках – для створення тяги, у холодильниках – для рівномірного охолодження камери. Залежність густини повітря від температури доводиться враховувати при натягуванні проводів на лініях електропередачі, під час прокладання паропроводів і рейок, спорудження мостів, тощо.

Приклади застосування.

Теплове розширення (стиснення) матеріалів необхідно враховувати при проектуванні великогабаритних конструкцій(мостів,вишок, і тд) та в інших інженерних розробках,коли можливі суттєві зміни розмірів в залежності від температури,що можуть привести до втрати роботоздатності конструкції.

Теплове розширення також використовується в механічних складальних операція при утворенні посадок з натягом,коли втулка нагріваєтся до 150 ^{0 С і} 300⁰ С в індукційній печіабо вал охолоджується для полегшення їх суміщення чм видалення.

У техніці створенні спеціальні сплави з дуже малим коефіцієгтом лінійного розширення , що використовуються в конструкціях,де треба мінімізуватитемпературні деформації. Одним з них є Інвар,з а=0,6*10-6^{0 С} -1.Ці сплави використовуються у аерокосмічній промисловості,де елементи конструкцій зазанають коливань температури у широкому діапазоні.

 

Більшість термометрів побудована на основі використання змін об*єму рідини(ртуті або спирту ) із зміною температури , або використання матеріалів з різними коефіцієнтами теплового розширення (біметалеві пластини).

Теплове розширення слід враховувати  і при необхідності компенсувати у різних галузях техніки. Проявляється теплове розширення у:

  Порушенні герметичності рам  металопластикових вікон

   Зміні тиску повітря в  гумових шинах автомобілів

   Зміні довжини довгих  прямих ділянок труб системи  опалення

    Зміні довжини залізничних  колій і мостів

   Зниженні продуктивності і ККД холодного двигуна автомобіля через зростання зазорів між поршнем і циліндром

     Зміні натягу і  величини провисання провідників  у лініях електропередач та  ін.