Что такое перегретая вода
Что такое перегретая вода
Знаете ли вы, что температура самой настоящей лавы вулкана в полтора-два раза меньше, чем температура… обыкновенного домашнего примуса. Для заметки, температура в его пламени поднимается до двух тысяч градусов.
Наши спонсоры
Возможно ли нагреть воду до температуры больше 100 градусов без кипения при нормальном атмосферном давлении? Действительно ли чистая вода кипит при 100 градусов? Какая вода – сырая или кипяченая – закипает при одинаковых условиях раньше?
Описание:
Замечали ли Вы, что при кипячении, образование первых пузырьков начинается на шероховатостях сосуда, а также вокруг более или менее крупных частиц присутствующих в жидкости загрязнителей?! Поэтому если нагревать абсолютно чистую жидкость в идеально отполированном сосуде, то при нормальном атмосферном давлении можно заставить эту жидкость не вскипать при очень высоких температурах.
Образуется так называемая перегретая жидкость, отличающаяся крайней нестабильностью — достаточно минимального толчка или попадания пылинки, чтобы жидкость мгновенно вскипела (а на деле — буквально взорвалась) сразу во всем объеме.
Перегретая жидкость — жидкость, нагретая выше температуры кипения.
Для демонстрации эффекта перегретой жидкости мы взяли дистиллированную воду и нагревали ее в стеклянной колбе.
Так как стекло колбы гладкое (без шероховатостей) и внутри воды также не было примесей и посторонних веществ, то такая вода нагрелась выше чем 100 градусов и все еще не кипела.
При добавлении сахара в колбе возникли сразу много центров парообразования, и перегретая жидкость начинает почти мгновенно превращаться в пар вокруг этих центров, что приводит к значительным всплескам воды. Т.е. пузыри пара внутри растут так быстро, что просто подбрасывают часть воды вверх, и вода выплескивается из колбы.
Объяснение:
Почему кипяченая вода закипает дольше чем сырая и почему возможно перегреть воду выше температуры кипения?!
А все дело в мельчайших пузырьках воздуха, которые растворены в воде или забились в щелях и шероховатостях посуды. При нагревании воды они начинают проявляться. Именно эти мельчайшие пузырьки воздуха являются основой для образования первых пузырей пара кипящей воды. Их так и называют – центры парообразования.
Чтобы жидкость не кипела при 100 градусах, должны отсутствовать центры парообразования (небольшие пузырьки воздуха). Воду необходимо нагревать в сосуде, у которого будет наименьшая шероховатость стенок, т.е. не будет мест, где могут скопиться пузырьки воздуха. А также взять абсолютно чистую воду без примесей, так как мельчайшие посторонние частицы могут нести в себе центры парообразования.
Раньше закипит вода сырая, так как она содержит в себе растворенный воздух, а из кипяченой воды воздух уже вышел в процессе кипячения.
Читая далее вы знаете почему «никто еще не наблюдал кипения вполне чистой, не содержащей воздуха воды».
А теперь подробнее…
Чтобы разъяснить, почему присутствие растворенного воздуха ускоряет кипение, надо войти в некоторые подробности.
Кипение, в отличие от испарения, состоит в появлении пузырей пара внутри нагреваемой жидкости. Это становится возможным только тогда, когда давление пара достигает величины, не меньшей, нежели давление атмосферы на поверхность, передающееся по закону Паскаля внутрь. Известно, что при 100˚С давление насыщающего водяного пара равно атмосферному. Это относится, однако, только к тому случаю, когда пар насыщает пространство над плоской поверхностью воды. Давление насыщенного пара внутри пузырька, образовавшегося в воде, должно быть меньше атмосферного— меньше, чем близ плоской водяной поверхности при той же температуре. Причина та, что молекулы, покидающие вогнутую поверхность жидкости, легко захватываются ею вновь. Значит, уже при сравнительно небольшом числе освободившихся молекул внутри пузырька наступает такое состояние, когда число ежесекундно освобождающихся молекул равно числу захватываемых. Это и есть состояние насыщения, когда данное пространство заключает при данной температуре наибольшее количество пара,— состояние, при котором давление пара наибольшее. Ясно, что наибольшее давление внутри пузырька меньше, чем над плоской поверхностью воды, где оно равно атмосферному. Чем водная поверхность кривее, т. е. чем меньше радиус пузырька, тем ниже максимальное давление пара. Например, внутри пузырька радиусом 0,01 мкм давление насыщающего пара при 100˚С равно 750 мм рт. ст. вместо 760 мм рт. ст.
Отсюда следует, что кипение воды, вообще говоря, должно наступать не при теоретических 100˚С, а при более высокой температуре, т. е. когда пар в воде создаст более высокое давление, равное атмосферному.
Вода, из которой предварительным кипячением выгнан весь растворенный в ней воздух, запаздывает поэтому с кипением: кипение начинается позднее; зато, начавшись, оно протекает очень быстро, с большим выделением пара и быстро доводит воду до нормальной температуры кипения (100 ˚С) вследствие усиленного расхода теплоты на парообразование.
Иначе протекает кипение в воде сырой, содержащей в растворе воздух. Так как растворимость газов с повышением температуры уменьшается, то избыток воздуха должен из нагреваемой воды выделиться. Он и выделяется в виде пузырьков. Первые пузырьки, появляющиеся в нагреваемой сырой воде, заключают не водяной пар, а воздух. С внутренней их поверхности начинают затем освобождаться и молекулы водяного пара. Надо помнить, что всего более затруднено появление в воде первых, самых мелких пузырьков пара, так как давление насыщенного пара в мельчайших пузырьках особенно понижено. Когда трудности рождения миновали, т. е. когда пузырьки так или иначе уже появились, дальнейший процесс образования в них пара значительно облегчается, и пузырьки быстро разрастаются. Этим и объясняется то, что сырая вода, содержащая в растворе воздух, не запаздывает с кипением, как вода кипяченая.
Воду, из которой по возможности удален растворенный в ней воздух, удалось (Максвеллу) при известных условиях перегревать под нормальным давлением до 180˚С. При еще более тщательном удалении воздуха можно было бы, вероятно, нагреть воду еще сильнее, оставляя ее жидкой. Это дало повод одному физику (Грове) утверждать, что «никто еще не наблюдал кипения вполне чистой, не содержащей воздуха воды».
Перегретая вода
Визуально этот опасный фокус весьма эффектен! В стоящий на столе сосуд с горячей водой попадает какой-либо предмет, крошка хлеба, шарик, щепотка соли, и вода бурно вскипает, переливаясь через край сосуда. Так себя проявляет эффект перегретой воды. С ним хорошо знакомы специалисты, изучающие геотермальные воды. Вода на большой глубине нагревается свыше 100 С. Когда осуществляется бурение скважины, подъем к поверхности перегретых вод сопровождается интенсивным парообразованием, представляющим собой взрывной процесс кипения.
Но повышение температуры кипения термальных вод объясняется давлением, под которым вода находится в недрах земли. А в сосуде при нормальном атмосферном давлении почему вода, достигнув 100 С, не закипает?
Опыты по нагреванию воды свыше 100 С
Ученые объясняют феномен перегретой воды следующим образом:
В процессе исследований было подмечено, что интенсивное образование пузырьков пара при нагревании воды начинается на шероховатостях стенок и дна сосуда или вокруг механических примесей. Если идеально очищенную воду поместить в сосуд с отполированными стенками, можно нагреть её до температуры свыше 100 С, и она не закипит. Таким образом, при нормальном атмосферном давлении можно получить воду температурой, к примеру, 130 С. Эта перегретая субстанция отличается нестабильностью: чтобы жидкость закипела, достаточно просто встряхнуть сосуд или бросить в воду микроскопический объект, например, песчинку.
В лабораторных условиях при использовании специальных приспособлений ученые нагревали воду до 300 С. Но эта температура считается пределом: мгновенно при достижении 300 С происходило закипание воды по всему объему.
Когда вода закипает при температуре ниже 100 С
Как уже говорилось, температура кипения воды зависит от давления: чем выше давление, тем выше точка кипения. Ученые провели еще один интересный опыт: нагрели воду чуть ниже 100 ;С, а затем резко понизили давление воздуха в сосуде с водой – вода мгновенно вскипела! Высоко в горах, где атмосфера сильно разряжена, вода закипает при температуре 70-90 С.
Что такое кипение?
При нагревании сосуда с жидкостью начинается образование пузырьков пара. Пока температура жидкости незначительна, происходит обратная конденсации пара, и пузырьки лопаются. Как только жидкость прогревается до точки кипения по всему объему, пузырьки становятся больше, давление пара в них растет, они поднимаются к поверхности жидкости. В этот момент температура перестает расти, так как нагрев компенсируется отводом тепла при помощи пузырьков пара.
Итак, пузырьки пара начинают подниматься на поверхность, когда давление в них сравнивается с давлением жидкости. Если повысить давление жидкости, парообразование начнется позднее – температура кипения вырастет. И наоборот при понижении давления пузырьки начнут раньше подниматься на поверхность – жидкость закипит при меньшей температуре.
Перегретая жидкость
Общие сведения
Перегретая жидкость (метастабильное состояние) – это такая жидкость, температура которой превышает температуру кипения. Причиной существования перегретых жидкостей при атмосферном давлении является неспособность вещества перейти в газообразное состояние одновременно во всей массе вещества.
Так, например, вода при перегреве может достигать 200°C. При этом, чем меньше присутствует в веществе различных примесей, тем большей температуры оно может достичь, будучи в жидком состоянии. Объясняется это тем, что возникновение начальных маленьких пузырьков затрудняется значительным взаимным притягиванием молекул данного вещества. В случае же когда в веществе присутствуют разбавленные газы и мелкие твердые частички – кипение происходит при более низких температурах. Происходит это по той причине, что вблизи пузырьков и частиц обильно происходит парообразование, в силу менее слабых связей основного вещества.
В результате такое состояние придает веществу некоторые специфические свойства, вроде взрывоподобное закипание за счет накопленного тепла, неустойчивость поверхности разделения жидкость-газ и др.
Материалы по теме
Квантовая жидкость и сверхтекучесть
Взрывоподобное закипание
Наиболее известным примером перегрева жидкости является нагревание воды в микроволновке. Стоит отметить, что при нагреве воды в емкости на огне, нагревание происходит неравномерно и температура воды около дна растет быстрее, в результате чего эта часть воды закипает.
В случае же с микроволновой печью – вода в чашке нагревается равномерно и поэтому способна превысить температуру кипения, сохраняя жидкое состояние. Таким образом, жидкость в чашке принимает метастабильное состояние и способна к взрывоподобному закипанию. Например, при малейшей вибрации или попадании в чашку мельчайшей частицы – слегка нарушаются связи между молекулами. Однако, жидкость настолько накопила энергию, что такого, казалось бы, незначительного влияния достаточно, чтобы вода внезапно вскипела и испарилась.
Не рекомендуется проводить подобный опыт в домашних условиях, так как это может привести к ожогам.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
ru.knowledgr.com
Кулинары под давлением производят перегретую воду, которая варит пищу быстрее, чем кипящую воду.
Многие аномальные свойства воды обусловлены очень сильным водородным склеиванием. В перегретом температурном диапазоне водородные связки разрушаются, изменяя свойства больше, чем обычно ожидалось, только увеличивая температуру. Вода становится менее полярной и больше напоминает органический растворитель, такой как метанол или этанол. Растворимость органических материалов и газов увеличивается на несколько порядков магнитуд, и сама вода может выступать в качестве растворителя, реагента и катализатора в промышленных и аналитических применениях, включая экстра-, химические реакции и очистку.
Изменение свойств с температурой
Объяснение аномального поведения
Солубильность
Органические соединения
Таким образом, перегретая вода может быть использована для переработки многих органических соединений со значительными экологическими преимуществами по сравнению с использованием обычных органических растворителей.
Солёные
Несмотря на снижение относительной диэлектрической проницаемости, многие соли остаются растворимыми в перегретой воде до достижения критической точки. Солорид натрия, например, растворяется при 37 мас.% при 300 ° С. По мере приближения критической точки растворимость заметно падает до нескольких частей на миллион, а солёные вещества прочно растворяются в сверхкритической воде. В некоторых солях наблюдается снижение растворимости при температуре, но такое поведение встречается реже.
Коррозия
Перегретая вода может быть более коррозионной, чем вода при обычных температурах, и при температурах выше 300 ° C может потребоваться специальная коррозия аллоисах, в зависимости от других растворенных компонентов. Сообщалось о непрерывном использовании труб из углеродистой стали в течение 20 лет при температуре 282 ° C без значительной коррозии, и бесстойные стальные ячейки показали только деформацию после 40-50 применений при температуре до 350 ° C. Степень коррозии, которую можно переносить, зависит от использования, и даже коррозия аллоисах может в конечном итоге упасть. Коррозия U-образной трубки Inconel в теплообменнике была обвинена в аварии на атомной станции. Поэтому для случайного или эмпирического использования, обычные сорта стали без стойкости, вероятно, достаточны для непрерывного мониторинга, но для критически важных применений и сложных в обслуживании деталей, необходимо проявлять дополнительную осторожность при выборе материалов.
Влияние давления
Требования к энергии
Энергия, необходимая для нагрева воды, значительно ниже, чем энергия, необходимая для ее испарения, например, для дистилирования пара, и энергию легче рециркулировать с помощью теплообменников. Потребность в энергии может быть рассчитана по таблицам пара. Например, для нагрева воды от 25 ° С до пара при 250 ° С при 1 атм требуется 2869 кДж/кг. Для нагрева воды при 25 ° C до жидкой воды при 250 ° C при 5 МПа требуется только 976 кДж/кг. Также можно извлечь большую часть тепла (например, 75%) из перегретой воды, и, следовательно, потребление энергии для экстракта перегретой воды составляет менее одной шестой, необходимой для дистилирования пара. Это также означает, что энергия, содержащаяся в перегретой воде, недостаточна для испарения воды при декомпрессии. В приведенном выше примере только 30% воды преобразуется в вапур при декомпрессии от 5 МПа до атмосферного давления.
Extra
Использование перегретой воды имеет тенденцию быть быстрым, потому что скорости диффузии увеличиваются с температурой. Органические материалы имеют тенденцию к повышению растворимости с температурой, но не все с одинаковой скоростью. Например, в экстрасервисных эфирных маслах из розмарина и кориандра, более способные оксигенированные терпы были экстраполированы намного быстрее, чем гидрокарбонаты. Таким образом, экстрагенная вода с перегретой водой может быть как селективной, так и быстрой, и была использована для фракционирования дизельного топлива и частиц дыма древесины. Перегретая вода используется для извлечения крахмального материала из болотного корня корня для применения на коже и для удаления низких уровней металлов из высокотемпературного полимера.
Для аналитических целей перегретая вода может заменять органические растворители во многих применениях, например, экстракритические ПАУ из почв, а также может быть использована в больших масштабах для восстановления загрязненных почв либо экстракритическим, либо экстракритическим окислением.
Реакции
Перегретая вода, наряду со сверхкритической водой, использовалась для окисления опасного материала в процессе окисления смачиванием. Органические соединения быстро окисляются без получения токсичных материалов, иногда получаемых путем сжигания. Однако, когда содержание кислорода ниже, органические соединения могут быть достаточно стабильными в перегретой воде. Поскольку концентрация гидрония и гидроксида ионов в 100 раз больше, чем в воде при 25 ° С, перегретая вода может действовать как нитевидная кислота и нитевидное основание, и может быть проведено много различных типов реакции. Примером селективной реакции является окисление этилбензола до ацетофенона без признаков образования фенилэтановой кислоты или продуктов пиролиза. Несколько различных типов реакций, в которых вода вела себя как реагент, катализатор и растворитель, были описаны Katritzky et al. Триглицериды могут быть гидролизованы для освобождения жирной кислоты и глицерина перегретой водой при 275 ° C, которая может быть первой в двухстадийном процессе для получения биодиезеля. Это известно под несколькими терминами, включая прямое гидротермическое сжижение и гидроусный пиролиз. Существует несколько коммерческих приложений. Термическая деполимеризация или термическая конверсия (TCC) использует перегретую воду при температуре около 250 ° C для превращения отходов индейки в легкое жидкое топливо и, как говорят, перерабатывает 200 тонн низкосортных отходов в жидкое топливо. Исходный продукт реакции гидролиза обводнен и далее перерабатывается сухим кроем при температуре 500 ° C. Процесс «SlurRyCarb» эксплуатируется по технологии Enarberteed топлива, который Beywoety fue fuit, fue solid, может использовать и твердые виды. Завод в Риальто, как говорят, способен перерабатывать 683 тонны отходов на день. Процесс HTU или Hydro Thermal Ding выглядит аналогично первому этапу процесса TCC. В Нидерландах должен быть запущен завод по переработке, способный перерабатывать 64 тонны биомассы (сухой основе) в день в нефть.
Хроматография
Фазированная ВЭЖХ часто использует смеси метанол-вода в качестве подвижной фазы. Поскольку поляризация воды охватывает один и тот же диапазон от 25 до 205 ° C, можно использовать температурный градиент для осуществления аналогичных разделений, например, фенолов. C18 bonded фазы, которые являются общими в ВЭЖХ, по-видимому, стабильны при температурах до 200 ° C, намного выше, чем у чистой silica, и полимерные стирол-дивинилбензольные фазы предлагают аналогичную стабильность температуры. Вода также совместима с использованием ultraviolet детектора до длины волны 190 нм.
Что такое перегретая вода
К.т.н. доцент Кабанов О.В., магистр Рамазанова Э.М.
Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова, Россия
Основы процесса получения перегретой воды для тушения пожаров.
В настоящее время 95% пожаров тушатся водой и постоянно расширяется применение распыленных струй, что способствует повышению эффективности при тушении пожаров, т.к. она используется в виде тонкораспыленной струи, и образуется при адиабатном вскипании самоиспаряющейся (перегретой) воды.
Многочисленные исследования показали, что имеются значительные резервы, связанные с применением тонкораспыленного распыла аэрозольного типа с использованием перегретой воды, где при практическом применении отмечается ее высокая тушащая способность, носящая комплексный характер.
Распыливание жидкости – это процесс диспергирования жидкости в газовую (воздушную) среду. Гидравлическое распыливание осуществляется за счет свободного распада струи, вытекающей с большой скоростью из соплового отверстия распылителя. Сущность способа заключается в том, что пресная вода вследствие ее нагревания до высоких температур под большим давлением изменяет свои свойства. После возвращения к обычным условиям такая вода находится некоторое время в особом, так называемом, метастабильном состоянии, которые возникают при затрудненности перехода из одного устойчивого равновесного состояния в другое, сопровождаются (скачкообразностью изменения теплофизических функций), не являются равновесными, не зависит от времени и остаются постоянными до тех пор, пока в системе случайным образом не возникает зародыш новой фазы определенных размеров, при которых начинается рост новой фазы.
Жидкость имеет следующие метастабильные состояния: переохлажденная жидкость; перегретая жидкость; растянутая жидкость.
Жидкость в метастабильном состоянии называют еще и перегретой, т.к. ее температура при заданном внешнем давлении выше температуры кипения. Для возникновения кипения необходимо, чтобы в жидкости имелись центры парообразования, если их удалить, то кипение не возникает, даже при нагреве выше температуры кипения. Воду тщательно освобожденную от воздуха, при атмосферном давлении можно нагреть не вызывая кипения, почти до 200˚С. Жидкость в таком состоянии называется перегретой по отношению линии насыщения при атмосферном давлении и состояние не является устойчивым. Закипание перегретой жидкости может произойти как с внесением, так и без внесения примесей.
Сибирские ученые Ф.А. Летников и Т.В. Кащеева нагревали обессоленную воду до температуры 200, 300, 400, 500 ˚С при избыточных давлениях 0,1; 8,8; 39,0 и 80,0 МПа. После возвращения к обычным условиям такая вода находится некоторое время в особом, так называемом, метастабильном состоянии, проявляющемся в повышенной растворяющей способности карбонатов, сульфатов и других соединений, в способности длительно удерживать в своем составе аномальные количества растворенного вещества и значительно повышать кислотность. Такая вода названа активированной, а сам процесс – температурной активацией. [1]
Однокомпонентная молекулярная система может распадаться на две фазы – жидкость и пар. Если эти фазы имеют большие размеры, то поверхностной энергией можно пренебречь по сравнению с объемной энергией, а температура фазового равновесия (Т s ) является только функцией давления (Р)[3] или линия насыщения определяется равенством химических потенциалов фаз.[3]
где одним штрихом отмечены внешний относящиеся к жидкости, двумя штрихами- к пару. Для вещества находящегося в состоянии перегретая жидкость, можно рассматривать устойчивость состояния относительно таких изменений, которые приводят к образованию в системе большой массы со свойствами пара.
Каждая фаза, взятая в отдельности, при определенных условиях может существовать сколь угодно долго в метастабильном состоянии. Однако наличие тепловой флуктуации молекул приводит к случайному образованию достаточного объема конкурирующей фазы, чтобы метастабильное состояние «развалилось» и фаза полностью сменилась на конкурирующую.
Важным отличием метастабильных фазовых состояний от стабильных, является конечное время их существования (время жизни) и проведение исследований по определению какого-либо свойства перегретой жидкости ограничено «временем жизни» метастабильного состояния.
При этом увеличение перегрева метастабильной фазы для ее развала достаточно все более малых объемов конкурирующей фазы, что чрезвычайно затрудняет исследования динамики получения и диспергирования жидкости в перегретом состоянии.
Так, условия практической реализации метастабильных состояний определяется кинетикой появления и роста в системе центров новой фазы. Вскипание перегретой жидкости является термодинамически необратимым процессом, где на первой стадии возникают спонтанные зародыши пара с радиусом больше критического. При истечении перегретой жидкости из замкнутого объема в атмосферу сопровождается адиабатическим вскипанием, где внутренняя энергия воды расходуется на испарение части жидкости, преодоление сил поверхностного натяжения и работу сил расширения.
Струи перегретой воды эффективно осаждают дым и уменьшают взрывоопасные концентрации газов и могут быть использованы для тушения практически всех видов горючих веществ, которые не вступают в химическую реакцию с водой с выделением большого количества тепла или горючих газов, абсолютно безопасны для людей, способствуют быстрому уменьшению температуры очага пожара, также полезны и для окружающей среды, так как расход воды уменьшается в несколько раз, соответственно, и попадание продуктов горения в атмосферу уменьшается.
1. Летников Ф.А. Активированная вода [Текст]/ Ф.А. Летников, Т.В. Кащеева, А.Ш. Минуис.- Новосибирск: Наука, 1976
2. Скрипов В.Н. Теплофизические свойства жидкостей в метастабильном состоянии. Скрипов В.П. [Текст]: справочник/ В.П. Скрипов, Е.И. Синицын, П.А. Павлов [и др.] – М: Атомиздат, 1980-208с.
3. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость.- М: Наука, 1990-349с.
4. Тетерин И.М. Температурно-активированная вода – новая парадигма
развития техники пожаротушения// Средства спасения: журнал каталог. – 2005.-44.