さまざまな温度での比蒸発熱。沸騰

12.10.2019

スープの沸騰温度って何度か知っていますか？ 100°С。それ以上でもそれ以下でもありません。同じ温度でやかんが沸騰し、パスタが調理されます。それはどういう意味ですか？

鍋ややかんが燃焼ガスで常に加熱されているのに、中の水の温度が 100 度を超えないのはなぜですか? 実際、水の温度が 100 度に達すると、入ってくる熱エネルギーはすべて、水が気体状態に変化する、つまり蒸発に費やされます。 100 度までは主に表面から蒸発が起こり、この温度に達すると水が沸騰します。沸騰も蒸発ですが、液体の体積全体が蒸発するだけです。熱い蒸気を伴う泡が水の中で形成され、水より軽いこの泡は表面に弾け、そこからの蒸気が空気中に蒸発します。

加熱すると水の温度は100度まで上がります。 100度を超えると、さらに加熱すると水蒸気の温度が上昇します。しかし、すべての水が100度で沸騰するまでは、どれだけエネルギーを加えても、その温度は上昇しません。私たちは、このエネルギーがどこへ行くのか、つまり水が気体状態に変化することをすでに理解しています。しかし、そのような現象が存在するということは、必ず存在するということです。 この現象を説明する物理量。そして、そのような価値観が存在します。それを蒸発比熱といいます。

水の蒸発比熱

気化比熱とは、重さ1kgの液体が沸点の水蒸気になるのに必要な熱量を示す物理量です。蒸発の比熱は文字 L で指定されます。測定単位はジュール/キログラム (1 J/kg) です。

蒸発比熱は次の式から求められます。

ここで Q は熱量、
mは体重です。

ちなみに、式は融解比熱の計算と同じで、呼び方が違うだけです。 λとL

さまざまな物質の蒸発比熱の値が実験的に求められ、各物質のデータを見つけることができる表が編集されました。 したがって、水の蒸発比熱は次のようになります。 2.3*106J/kg。これは、水 1 キログラムごとに、水を蒸気に変えるために 2.3 * 106 J に等しい量のエネルギーを費やす必要があることを意味します。しかし同時に、水はすでに沸点を持っている必要があります。水の温度が最初より低かった場合、水を 100 度まで加熱するのに必要な熱量を計算する必要があります。

実際の状況では、多くの場合、必要な熱量を決定する必要があります。 液体のある質量が蒸気に変化すること、したがって、多くの場合、Q = Lmの形式の式を扱う必要があり、特定の物質の蒸発比熱の値は既製の表から取得されます。

やかんの中の水は100℃で沸騰することは誰もが知っています。しかし、沸騰プロセス中に水の温度が変化しないことに気づいたでしょうか? 問題は、容器を常に火にかけ続けた場合、生成されたエネルギーはどこに行くのかということです。液体を蒸気に変換します。したがって、水が気体状態に変化するには、一定の熱の供給が必要です。 1kgの液体を同じ温度の蒸気に変えるのにどれくらい必要かは、水の蒸発比熱と呼ばれる物理量によって決まります。

量の物理的意味

沸騰させるにはエネルギーが必要です。その大部分は、原子と分子間の化学結合を破壊するために使用され、その結果、蒸気の泡が形成されます。また、より少ない部分は、蒸気を膨張させるために、つまり、結果として生じる泡が破裂して放出できるようにするために使用されます。液体は気体状態に移行するためにすべてのエネルギーを注ぐため、その「力」が枯渇します。エネルギーを常に更新して沸騰を延長するには、液体とともにより多くの熱を容器に供給する必要があります。ボイラー、ガスバーナー、その他の加熱装置から供給できます。沸騰中、液体の温度は上昇せず、同じ温度で蒸気が生成されます。

液体が異なると、蒸気に変化するために必要な熱量も異なります。どちらであるかは気化比熱によって示されます。

この値がどのように決定されるかを例から理解できます。 1リットルの水を入れて沸騰させます。次に、液体をすべて蒸発させるのに必要な熱量を測定し、水の蒸発比熱の値を求めます。他の化合物では、この数値は異なります。

物理学では、蒸発比熱はラテン文字 L で表され、キログラムあたりのジュール (J/kg) で測定されます。これは、蒸発に費やされる熱を液体の質量で割ることによって求めることができます。

この値は、最新のテクノロジーに基づいた生産プロセスにとって非常に重要です。例えば、金属の生産においてもそれに重点を置いています。鉄を溶かしてから凝縮すると、さらに硬化するとより強力な結晶格子が形成されることが判明しました。

それは何と等しいですか

さまざまな物質の比熱値 (r) は、実験室での研究中に決定されました。通常の大気圧の水は 100 °C で沸騰し、水の蒸発熱は 2258.2 kJ/kg です。他のいくつかの物質のこの指標を表に示します。

物質	沸点、℃	r、kJ/kg
窒素	-196	198
ヘリウム	-268,94	20,6
水素	-253	454
酸素	-183	213
炭素	4350	50000
リン	280	400
メタン	-162	510
ペンタン	36	360
鉄	2735	6340
銅	2590	4790
錫	2430	2450
鉛	1750	8600
亜鉛	907	1755
水銀	357	285
金	2 700	1 650
エタノール	78	840
メチルアルコール	65	1100
クロロホルム	61	279

ただし、この指標は特定の要因の影響で変化する可能性があります。

温度。増加すると蒸発熱は減少し、ゼロになる場合があります。
t、℃ r、kJ/kg
2500
10 2477
20 2453
50 2380
80 2308
100 2258
200 1940
300 1405
374 115
374,15

t、℃	r、kJ/kg
	2500
10	2477
20	2453
50	2380
80	2308
100	2258
200	1940
300	1405
374	115
374,15

プレッシャー。圧力が低下すると気化熱が増加し、その逆も同様です。沸点は圧力に正比例し、臨界値 374 °C に達することがあります。

パ、パ	沸騰しない、℃	r、kJ/kg
0,0123	10	2477
0,1234	50	2380
1	100	2258
2	120	2202
5	152	2014
10	180	1889
20	112	1638
50	264	1638
100	311	1316
200	366	585
220	373,7	184,8
クリティカル 221.29	374,15	-

物質の質量。プロセスに関与する熱量は、生成される蒸気の質量に直接比例します。

蒸発と凝縮の関係

物理学者は、蒸発の逆のプロセスである凝縮では、蒸気の形成に使用されたのとまったく同じ量のエネルギーが費やされることを発見しました。この観察により、エネルギー保存則が確認されます。

そうでない場合は、液体が蒸発してから凝縮する装置を作成することが可能です。蒸発に必要な熱と凝縮に十分な熱との差により、他の目的に使用できるエネルギーが貯蔵されます。本質的には、永久機関が作成されることになります。しかし、これは物理法則に矛盾するため、不可能です。

どのように測定されますか?

水の蒸発比熱は、物理実験室で実験的に測定されます。この目的のために、熱量計が使用されます。手順は次のようになります。
一定量の液体が熱量計に注入されます。

比熱容量

比熱は、物質の温度を上げるのに必要な熱量 (ジュール (J) 単位) です。比熱容量は温度の関数です。気体の場合、一定圧力と一定体積における比熱容量を区別する必要があります。

融解比熱

固体の融解比熱は、1 kg の物質をその融点で固体から液体に変換するのに必要な熱量 (J) です。

気化潜熱

液体の蒸発潜熱は、1 kg の液体を沸点で蒸発させるのに必要な熱量 (J) です。蒸発潜熱は圧力に大きく依存します。例: 1 kg の水が入った容器に 100°C (海面) で熱を加えると、水は温度計の指示値に変化を与えることなく 1023 kJ の潜熱を吸収します。ただし、液体から気体へ凝集状態が変化します。水が吸収する熱を蒸発潜熱といいます。

このエネルギーは凝集状態を変化させるのに必要だったので、蒸気は 1023 kJ を保持します。

凝縮潜熱

逆のプロセスでは、100°C (海抜ゼロメートル) で 1 kg の水蒸気から熱が除去されると、蒸気は温度計の測定値を変えることなく 1023 kJ の熱を放出します。ただし、凝集状態は気体から液体に変化します。水が吸収する熱を凝縮潜熱といいます。

温度と圧力

温度、または熱の強さは温度計で測定されます。このマニュアルのほとんどの温度は摂氏 (°C) で表されますが、華氏 (°F) が使用される場合もあります。

温度値は熱の強さまたは感受性熱を示すだけであり、実際の熱量ではありません。人が快適に感じる温度は21～27℃です。この温度範囲では、人は最も快適に感じます。温度がこの範囲を上回るか下回ると、人はそれを暖かいか寒いと認識します。科学には、「絶対零度」、つまり体からすべての熱が除去される温度という概念があります。絶対零度の温度は –273°C と定義されています。絶対零度以上の温度にある物質は、ある程度の熱を含みます。空調の基本を理解するには、圧力、温度、物質の状態の関係を理解することも必要です。私たちの地球は空気、つまりガスに囲まれています。ガス内の圧力は全方向に均等に伝わります。私たちの周囲のガスは、酸素 21% と窒素 78% で構成されています。

残りの 1% は他の希ガスで占められます。このガスの組み合わせを大気と呼びます。それは地表から数百キロメートル上に広がり、重力によって保持されています。海面では、大気圧は 1.0 バール、水の沸点は 100°C です。

海面より上のどの地点でも、大気圧は低くなり、水の沸点も低くなります。圧力が 0.38 bar に低下すると、水の沸点は 75°C になり、圧力が 0.12 bar になると 50°C になります。
水の沸点が圧力の低下によって影響を受ける場合、圧力の増加も影響すると仮定するのは論理的です。一例は蒸気ボイラーです。
その結果、蒸気粒子間の相互作用エネルギーは液体粒子間の相互作用よりも大きくなり、同じ温度では蒸気の内部エネルギーが液体の内部エネルギーよりも大きくなります。
沸騰プロセス中に液体を蒸気に変換するために必要な熱量は、次の式を使用して計算できます。

ここで、m は液体の質量 (kg)、
L は蒸発の比熱です。

気化比熱は、1 kg の特定の物質を沸点で蒸気に変換するのに必要な熱量を示します。 SI 系における蒸発比熱の単位:
[L] = 1J/kg
圧力が上昇すると、液体の沸点が上昇し、蒸発比熱が低下します。逆も同様です。

沸騰中、液体の温度は変化しません。
沸点は液体にかかる圧力によって決まります。
同じ圧力にある各物質には独自の沸点があります。
大気圧が上昇すると沸騰はより高い温度で始まり、圧力が低下するとその逆になります。
たとえば、水は通常の大気圧でのみ 100 °C で沸騰します。

沸騰すると液体の中で何が起こるのでしょうか?

沸騰とは、液体中の蒸気泡の連続的な形成と成長を伴う液体の蒸気への変化であり、その中で液体が蒸発します。加熱の開始時には、水は空気で飽和されており、室温になっています。水が加熱されると、その中に溶けているガスが容器の底や壁から放出され、気泡が形成されます。それらは沸騰するずっと前に現れ始めます。水は蒸発してこの泡になります。蒸気で満たされた泡は、十分に高い温度で膨張し始めます。

ある程度の大きさに達すると、底から剥がれて水面に上がり、破裂します。この場合、蒸気は液体から出ます。水が十分に温められていない場合、冷たい層に上昇する蒸気の泡が崩壊します。結果として生じる水の振動により、水全体に膨大な数の小さな気泡、いわゆる「白鍵」が現れます。

容器の底にある体積のある気泡には揚力が作用します。
資金提供者 = ファルキメデス - Fgravity
下面には圧力が作用しないため、気泡は底部に押し付けられます。加熱すると、気泡内にガスが放出されて気泡が膨張し、持ち上げる力が押す力よりもわずかに大きくなると、気泡は底から剥がれます。底から割れることができる泡の大きさは、その形状によって異なります。底部の気泡の形状は容器底部の濡れ性によって決まります。

底部での気泡の湿潤と合体が不均一であるため、気泡のサイズが増大しました。気泡のサイズが大きい場合、その背後で上昇するときに、空隙、亀裂、乱流が形成されます。

バブルがはじけると、周囲の液体がすべて流れ込み、リングウェーブが発生します。閉じると水柱が上がります。

破裂した気泡が崩壊すると、可聴ノイズを伴い、超音波周波数の衝撃波が液体内を伝播します。沸騰の初期段階は、最も大きく最も高い音によって特徴付けられます（「白鍵」段階では、ケトルが「歌う」）。

(出典: virlib.eunnet.net)

温度水の状態の変化スケジュール

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沸騰させると水が凍ってしまう可能性があります。これを行うには、水が常に沸騰するように、水が入っている容器から空気と水蒸気をポンプで排出する必要があります。

「天気が悪いと、鍋の端からすぐに沸騰してしまいます。」
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地表よりも気圧がはるかに高い深い鉱山の底では、非常に熱い沸騰水が得られます。したがって、深さ 300 m では、水は 101 ℃で沸騰します。気圧 14 気圧では、水は 200 ℃で沸騰します。
エアポンプのベルの下で、20℃の「沸騰したお湯」を得ることができます。
火星では摂氏45度の「熱湯」を飲むことになる。
塩水は 100 °C 以上の温度で沸騰します。 ___

高度が高く気圧が低い山岳地帯では、水は摂氏 100 ℃ 未満の温度で沸騰します。

このような食事は調理されるまで待つ時間が長くなります。

冷水を注ぐと…沸騰します！

通常、水は摂氏100度で沸騰します。フラスコ内の水を沸騰するまでバーナーで加熱します。バーナーを消しましょう。水の沸騰が止まります。フラスコを栓で閉め、栓の上に冷水を注意深く注ぎ始めます。それはどんな感じですか？また水が沸騰してる！

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冷水の流れの下では、フラスコ内の水とそれに伴う水蒸気が冷却され始めます。
蒸気の体積が減り、水面上の圧力が変化します...
どの方向だと思いますか？
... 減圧下での水の沸点は100度未満で、フラスコの中の水は再び沸騰します！
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調理するとき、鍋「圧力鍋」内の圧力は約200 kPaで、そのような鍋内のスープははるかに速く調理されます。

注射器に水を約半分まで入れ、同じ栓で閉じてプランジャーを急激に引きます。水の中に泡の塊が現れ、水が沸騰するプロセスが始まったことを示します（これは室温です）。
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物質が気体状態になると、その密度は約 1000 分の 1 に減少します。
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最初の電気ケトルには底部にヒーターが付いていました。水がヒーターに接触せず、沸騰するまでに非常に時間がかかりました。 1923 年、アーサーラージは特別な銅管にヒーターを入れ、それをやかんの中に入れるという発見をしました。水はすぐに沸騰しました。

ソフトドリンク用の自動冷却缶は米国で開発されました。瓶には低沸点液体が入ったコンパートメントが組み込まれています。暑い日にカプセルを潰すと、液体が急速に沸騰し始め、瓶の中身から熱が奪われ、90秒以内に飲み物の温度が20〜25℃下がります。

では、なぜそうなるのでしょうか?

どう思いますか、摂氏100度より低い温度で水が沸騰した場合、ゆで卵は可能ですか?
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沸騰したお湯の入った別の鍋に浮かべた鍋で水は沸騰しますか?
なぜ？ ___

水を加熱せずに沸騰させることは可能ですか？

この知識はすぐに消え去り、人々は徐々に身近な現象の本質に注意を払わなくなります。理論的な知識を思い出すことが役立つ場合があります。

意味

沸騰とは何ですか？これは、液体の自由表面とその構造内部の両方で激しい蒸発が起こる物理的プロセスです。沸騰の兆候の 1 つは、飽和蒸気と空気からなる泡の形成です。

沸点などの存在は注目に値します。蒸気の生成速度は圧力にも依存します。それは永続的である必要があります。一般に、液体化学物質の主な特性は、通常の大気圧での沸点です。ただし、このプロセスは音波の強度や空気のイオン化などの要因にも影響される可能性があります。

水の沸騰段階

加熱などの処置中に必ず蒸気が発生し始めます。沸騰には、液体が 4 つの段階を通過することが含まれます。

小さな泡が容器の底と壁に形成され始めます。これは、容器の素材の亀裂に空気が含まれ、高温の影響で膨張することが原因です。
泡の体積が増加し始め、水面に破裂します。液体の上層がまだ沸点に達していない場合、空洞は底に沈み、その後再び上向きに上昇し始めます。このプロセスにより音波が形成されます。水が沸騰すると音が聞こえるのはこのためです。
最も多くの泡が表面に浮き上がり、液体が青白く変化するような印象を与えます。視覚効果を考慮して、この沸騰段階を「白鍵」と呼びます。
激しい沸騰が観察され、すぐに破裂する大きな泡の形成が伴います。このプロセスには、飛沫の出現と激しい蒸気の形成が伴います。

気化比熱

ほぼ毎日、私たちは沸騰などの現象に遭遇します。気化比熱は、熱量を決定する物理量です。その助けを借りて、液体物質を蒸気に変えることができます。このパラメーターを計算するには、蒸発熱を質量で割る必要があります。

測定はどのように行われますか?

特定の指標は、適切な実験を実施することにより、実験室条件で測定されます。それらには次のものが含まれます。

必要な量の液体を測定し、熱量計に注ぎます。
水温の初期測定が実行されます。
あらかじめ試験物質を入れたフラスコをバーナーに設置します。
試験物質から放出された蒸気が熱量計に送られます。
水温が再測定される。
熱量計の重量を測定することで、凝縮した蒸気の質量を計算できます。

泡沸騰モード

沸騰とは何かという問題を扱うとき、それにはいくつかのモードがあることに注意する価値があります。そのため、加熱すると蒸気が泡の形で発生することがあります。それらは定期的に成長し、破裂します。この沸騰状態は核沸騰と呼ばれます。通常、蒸気で満たされた空洞は容器の壁に正確に形成されます。これは、通常過熱しているためです。これは沸騰に必要な条件です。そうしないと、泡が大きなサイズに達せずに崩壊してしまうからです。

膜沸騰モード

沸騰とは何ですか？このプロセスを説明する最も簡単な方法は、特定の温度と一定の圧力での蒸発として説明します。バブルモードに加えてフィルムモードもあります。その本質は、熱流が増加すると、個々の泡が結合して容器の壁に蒸気層を形成するという事実にあります。重要な指標に達すると、それらは水面に突き抜けます。この沸騰モードは、容器の壁から液体自体への熱伝達の程度が大幅に減少するという点で異なります。その理由は同じ蒸気膜です。

沸点

沸点は加熱された液体の表面にかかる圧力に依存することに注意してください。したがって、水は摂氏100度に加熱されると沸騰することが一般的に受け入れられています。ただし、この指標は、大気圧が正常 (101 kPa) であるとみなされる場合にのみ公正であると見なされます。それが増加すると、沸点も上向きに変化します。たとえば、一般的な圧力鍋の圧力は約 200 kPa です。したがって、沸点は 20 ポイント上昇します (最大 20 度)。

低気圧の例としては、山岳地帯が挙げられます。したがって、そこが非常に小さいことを考えると、水は約90度の温度で沸騰し始めます。そのような地域の住民は、食事の準備にはるかに多くの時間を費やさなければなりません。したがって、たとえば卵をゆでるには、水を少なくとも100度に加熱する必要があります。そうしないと白身が凝固しません。

物質の沸点は飽和蒸気圧に依存します。温度に対する影響は反比例します。たとえば、水銀は摂氏 357 度に加熱されると沸騰します。これは、飽和蒸気圧がわずか 114 Pa であるという事実によって説明できます (水の場合、この値は 101,325 Pa)。

さまざまな条件で沸騰させる

液体の条件や状態によって沸点は大きく異なります。たとえば、液体に塩を加える価値があります。塩素イオンとナトリウムイオンは水分子の間に位置します。したがって、沸騰には桁違いに多くのエネルギーが必要となり、それに応じてより多くの時間が必要になります。さらに、そのような水は蒸気の生成がはるかに少ないです。

ケトルは家庭でお湯を沸かすために使用されます。純粋な液体を使用する場合、このプロセスの温度は標準 100 度です。同様の条件下では、蒸留水は沸騰します。ただし、異物が入っていないため、所要時間は少し短くなります。

沸騰と蒸発の違いは何ですか?

水が沸騰すると必ず蒸気が大気中に放出されます。しかし、これら 2 つのプロセスを識別することはできません。これらは、特定の条件下で発生する蒸発の単なる方法です。つまり、沸騰は第一の種類です。このプロセスは、スチームポケットの形成によって引き起こされるプロセスよりも強力です。蒸発プロセスは水の表面でのみ発生することも注目に値します。沸騰は液体全体に関係します。

蒸発は何に依存するのでしょうか?

蒸発は、液体または固体を気体状態に変換するプロセスです。原子や分子には「飛行」があり、特定の条件の影響下で他の粒子との結合が弱まります。蒸発速度は、次の要因によって変化する可能性があります。

液体の表面積。
物質自体の温度と環境。
分子の移動速度。
物質の種類。

沸騰したお湯のエネルギーは、人々の日常生活で広く利用されています。このプロセスはあまりにもありふれていて馴染み深いものになっているため、その性質や特徴について誰も考えていません。それにもかかわらず、多くの興味深い事実が沸騰に関連しています。

おそらく誰もがやかんの蓋に穴があることに気づいていますが、その目的について考えている人はほとんどいません。蒸気を部分的に放出する目的で行われます。注ぎ口から水が飛び散る恐れがあります。
ジャガイモ、卵、その他の食品の調理時間は、ヒーターの強さに依存しません。重要なのは、どれくらいの時間熱湯にさらされたかということだけです。
沸点などの指標は加熱装置の出力には一切影響されません。液体の蒸発速度にのみ影響します。
沸騰させるというのは単に水を加熱するだけではありません。このプロセスにより、液体が凍結する可能性もあります。したがって、沸騰プロセス中、容器から空気を継続的に排出する必要があります。
主婦にとって最も差し迫った問題の 1 つは、牛乳が「逃げる」可能性があることです。したがって、気圧の低下を伴う天候の悪化時には、この現象のリスクが大幅に増加します。
最も高温の沸騰した水は、地下深くの鉱山で得られます。
科学者たちは実験研究を通じて、火星では水が摂氏45度で沸騰することを証明することができた。

水は室温で沸騰できますか?

科学者たちは、単純な計算により、水が成層圏レベルで沸騰する可能性があることを証明することができました。真空ポンプを使用すると同様の状態を再現できます。それにもかかわらず、同様の実験は、より単純で日常的な条件でも実行できます。

1リットルのフラスコで200 mlの水を沸騰させる必要があり、容器が蒸気で満たされたら、しっかりと閉めて火から下ろします。晶析装置の上に置いたら、沸騰プロセスが終了するまで待つ必要があります。次に、フラスコに冷水を注ぎます。この後、容器内で再び激しい沸騰が始まります。これは、低温の影響でフラスコの上部にある蒸気が下降するためです。