Kogning er en proces med intens fordampning , som forekommer i en væske både på dens frie overflade og inde i dens struktur. I dette tilfælde vises faseadskillelsesgrænser i væskens volumen , det vil sige bobler dannes på beholderens vægge, som indeholder luft og mættet damp . Kogning, ligesom fordampning , er en af metoderne til fordampning. I modsætning til fordampning kan kogning kun ske ved en bestemt temperatur og tryk . Den temperatur, hvorved en væske koger under konstant tryk, kaldes kogepunkt . Som regel er kogepunktet ved normalt atmosfærisk tryk angivet som en af hovedkarakteristikaene for kemisk rene stoffer . Kogeprocesser er meget udbredt inden for forskellige områder af menneskelig aktivitet. For eksempel er kogning en af de almindelige måder at fysisk desinficere drikkevand på. Kogende vand er processen med at opvarme det til kogepunktet for at opnå kogende vand . Kogeprocessen bruges også i næsten alle typer køleenheder , inklusive langt de fleste husholdningskøleskabe (både absorption og kompressor) og klimaanlæg . Afkølingen af luften i kølekammeret sker netop på grund af kogningen af kølemidlet, og i køleenhedens fordamper koger kølemidlet helt væk ved reduceret tryk.
Kogning er en første-ordens faseovergang . Kogning sker meget mere intensivt end fordampning fra overfladen, på grund af tilstedeværelsen af fordampningsfoci, både på grund af den højere temperatur, der opnås under kogningsprocessen, og tilstedeværelsen af urenheder [2] .
Dannelsen af bobler kan påvirkes af tryk, lydbølger, ionisering og andre faktorer i dannelsen af fordampningscentre. Især er det på princippet om at koge mikrovolumener væske op fra ionisering under passagen af ladede partikler, at boblekammeret fungerer .
Efterhånden som væsken varmes op, dannes der dampbobler på varmeoverfladen, hvori væsken fordamper. I en almindelig væske (ikke renset fra de mindste gasbobler) ved termodynamisk ligevægt er partialdamptrykket i boblen lig med det mættede damptryk ved denne temperatur. Da trykket inde i og uden for boblen er ens, er trykket inde i bolden lig med atmosfærisk tryk (hydrostatisk tryk negligeres).
P(atm)=P(gas)+P(mættet damp)
Ligheden mellem tyngdekraften og Archimedes kraft kan i dette tilfælde negligeres, da trykforskellen, der virker på boblen, er ubetydelig sammenlignet med det ydre tryk.
Når temperaturen stiger, stiger damptrykket. Af konstanten af det atmosfæriske tryk og "intraboble"-trykket følger det, at partialtrykket af tørre gasser i boblen skal falde, hvilket indikerer en stigning i boblens volumen. Når trykket af mættede dampe når atmosfærisk tryk, bør trykket af tørre gasser blive lig med nul. Det kan ses af Mendeleev-Clapeyron-ligningen, at for dette skal boblens volumen blive uendelig (boblen begynder at udvide sig kontinuerligt). Når kogepunktet er nået i væsker, på grund af den beskrevne proces, begynder en kontinuerlig gurglen, hvilket øger fordampningshastigheden mange gange (da arealet af væsken, hvormed fordampningen sker, øges meget). Således, hvis fordampning forekommer ved en hvilken som helst temperatur , sker der kogning ved en, bestemt for det aktuelle tryk. Når kogningsprocessen er begyndt, stiger væskens temperatur trods den fortsatte varmetilførsel en smule, indtil al væsken er blevet til damp. Den temperatur, ved hvilken en væske koger under konstant tryk, kaldes kogepunktet eller mætningspunktet . Ændringen i temperatur af en væske under kogningsprocessen kaldes en temperaturglidning . For kemisk rene væsker eller azeotrope blandinger er temperaturglidet nul. Med stigende tryk, ifølge Clausius-Clapeyron-ligningen , stiger mætningstemperaturen:
. hvor er den specifikke fordampningsvarme; — ændring i kroppens specifikke volumen under faseovergangen.På fasediagrammet for vand kaldes kurven, der karakteriserer faseovergangen fra flydende til gasformig tilstand, "mætningslinjen". Det er begrænset af to grænsepunkter: det tredobbelte punkt , hvor linjerne for smeltning , kogning og sublimering konvergerer , og det kritiske punkt , hvor grænsefladen mellem den flydende og gasformige fase forsvinder.
En vis temperaturfordeling etableres i en kogende væske: ved varmefladerne (beholdervægge, rør osv.) er væsken mærkbart overophedet . Størrelsen af overophedning afhænger af en række fysisk-kemiske egenskaber af både væsken selv og de faste grænseflader. Grundigt rensede væsker, fri for opløste gasser (luft), kan med særlige forholdsregler overophedes i ti grader uden at koge. Når sådan en overophedet væske til sidst koger, forløber kogningsprocessen meget voldsomt og ligner en eksplosion . Kogning er ledsaget af sprøjt af væske, hydrauliske stød , nogle gange endda ødelæggelse af fartøjer. Varmen fra overhedning bruges på fordampning, så væsken afkøles hurtigt til temperaturen af mættet damp, som den er i ligevægt med. Muligheden for en betydelig overophedning af en ren væske uden kogning forklares af vanskeligheden ved udseendet af indledende små bobler (kerner), deres dannelse hindres af den betydelige gensidige tiltrækning af flydende molekyler. Situationen er anderledes, når væsken indeholder opløste gasser og forskellige mindste suspenderede partikler. I dette tilfælde forårsager selv en let overophedning (med tiendedele af en grad) stabil og rolig kogning, da gasbobler og faste partikler tjener som de indledende kerner i dampfasen. De vigtigste fordampningscentre er placeret på punkterne af den opvarmede overflade, hvor der er små porer med adsorberet gas, såvel som forskellige inhomogeniteter, indeslutninger og aflejringer, der reducerer væskens molekylære adhæsion til overfladen.
Den resulterende boble vokser kun, hvis damptrykket i den lidt overstiger summen af det ydre tryk, trykket af det overliggende væskelag og kapillærtrykket på grund af krumningen af bobleoverfladen. For at skabe det nødvendige tryk i boblen skal dampen og væsken omkring den, som er i termisk ligevægt med dampen, have en temperatur, der overstiger mætningstemperaturen .
Kogning er ikke kun mulig, når en væske opvarmes under konstant tryk. Et fald i det ydre tryk ved en konstant temperatur kan også få væsken til at overophede og koge (på grund af et fald i mætningstemperaturen). Dette forklarer især fænomenet kavitation - dannelsen af damphulrum på steder med lavt væsketryk (for eksempel i hvirvelzonen bag propellen på et motorskib).
På PV-diagrammet for en valgt væsketemperatur (f.eks. T1) er kogepunktet karakteriseret ved et par termodynamiske variable, altså en bestemt termodynamisk tilstand. Under kogningen forbliver temperaturen og trykket konstant, mens efterhånden som dampindholdet stiger, falder mediets gennemsnitlige massefylde , og det specifikke volumen stiger. Efter at al væsken er fordampet, nås en ny termodynamisk tilstand . Hvis vi overvejer en højere temperaturværdi, vil begyndelsen af kogningen være karakteriseret ved en termodynamisk tilstand med et stort specifikt volumen, og tilstanden af fuldstændig omdannelse af væske til damp vil være karakteriseret ved et lavere specifikt volumen. Når temperaturen stiger, falder forskellen mellem værdierne af de specifikke volumener af væske og damp på mætningslinjen, og når temperaturen på det kritiske punkt er nået, forsvinder den. Ændringen i mediets termodynamiske tilstand under kogeprocessen er karakteriseret ved den specifikke fordampningsvarme , som er lig med mængden af varme, der kræves for fuldstændigt at fordampe en enhedsmasse væske (I mange kilder kaldes r fejlagtigt den latente fordampningsvarme, faktisk er den latente fordampningsvarme kun en del af den specifikke fordampningsvarme, som karakteriserer ændringen i væskens indre energi og har til formål at øge afstanden mellem væskens mikropartikler. samtidig stiger væskens temperatur, men der er ingen synlige ændringer. Den latente fordampningsvarme kan bestemmes ved at trække arealerne under kogningsprocessen fra i TS- og PV-diagrammerne)
eller ,
hvor - entalpi , - entropi , indeks - refererer til tilstanden for begyndelsen af kogningen, og - til tilstanden af mættet damp.
Begyndelsen af væskekogning er forbundet med opvarmning af væskens væglag til en temperatur, der overstiger mætningstemperaturen med en vis værdi . Størrelsen af overophedning afhænger af mange faktorer (tryk, væskestrømningshastighed, kontaktvinkel, koncentration af stoffer opløst i væsken osv.) og er generelt ikke bestemt. Afhængig af tætheden af varmefluxen, såvel som andre faktorer, dannes der enten individuelle dampbobler eller en kontinuerlig dampfilm på varmefladen, og kogning kaldes enten boble- eller filmkogning. Derudover skelnes kogning efter type:
og også i forhold til væskens gennemsnitlige temperatur til mætningstemperaturen:
Kogning, hvor damp dannes i form af periodisk kernedannelse og voksende bobler, kaldes kernekogning. Med langsom nukleatkogning i en væske (mere præcist, som regel på væggene eller i bunden af beholderen), vises bobler fyldt med damp. På grund af den intense fordampning af væsken inde i boblerne vokser de, flyder, og dampen frigives til dampfasen over væsken. Samtidig er væsken i det nærliggende lag i en let overophedet tilstand, det vil sige, at dens temperatur overstiger det nominelle kogepunkt. Under normale forhold er denne forskel lille (i størrelsesordenen en grad).
Muligheden for væskeoverophedning forklares ved, at for at skabe en primær boble af en minimumsstørrelse, som kan vokse yderligere af sig selv, kræves der noget energi (bestemt af væskens overfladespænding ). Indtil dette er opnået, vil de mindste bobler opstå og kollapse igen under påvirkning af overfladespændingskræfter, og der vil ikke være nogen kogning.
Boblekogning kan udvikles (med et stort antal fordampningscentre) og uudviklet (med et lille antal fordampningscentre)
Ved nukleatkogning spilles en væsentlig rolle ved masseoverførsel af dampbobler fra det nærvæggede lag til strømmens kerne. På grund af dette øges effektiviteten af varmeoverførsel til den kogende væske - varmeoverførselskoefficienterne, der er karakteristiske for dette regime, er høje.
Når varmestrømmen stiger til en vis kritisk værdi, smelter de enkelte bobler sammen og danner et kontinuerligt damplag nær karvæggen, som periodisk bryder igennem i væskevolumenet. Denne tilstand kaldes filmtilstand.
I denne tilstand falder varmeoverførslen fra varmeoverfladen til væsken kraftigt (dampfilmen leder varme dårligere end konvektion i væsken), og som følge heraf kan temperaturen på varmeoverfladen stige betydeligt (C-E linje på kogningen) kurve). På samme tid, ved en konstant temperatur på varmefladen i filmkogningstilstanden, på grund af dårlig varmeoverførsel, er der en lav værdi af varmefluxen fra væggen til væsken. Filmkogningstilstanden kan observeres på eksemplet med en dråbe vand på et varmt komfur.
Under filmkogning er varmeoverførslen fra varmeoverfladen til det kogende vand på grund af den betydelige termiske modstand af dampfilmen lille og karakteriseret ved lave værdier af varmeoverførselskoefficienten.
Varmestrømmen, der overføres fra overfladen til det kogende vand, kan entydigt forbindes med temperaturforskellen mellem væggen og væsken:
, hvor er varmefluxen, er vægtemperaturen og er væskens gennemsnitlige temperatur.Denne afhængighed karakteriserer varmeoverførslen fra varmefladen til væsken og kaldes kogekurven.
Der kan skelnes mellem fem karakteristiske områder:
Denne kurve kan opnås ved at øge og opretholde temperaturen på varmevæggen . I dette tilfælde, efterhånden som stigningen stiger , udskiftes fem kogende områder successivt.
I tilfælde af at øge og opretholde varmefluxen vil rækkefølgen af ændring af kogeregimerne være anderledes. For det første erstatter formerne for konvektion af en ikke-kogende væske (op til t. ), overfladekogning (mellem punkter og ) og udviklet nukleatkogning (mellem punkter og ) hinanden successivt . Med en yderligere stigning i varmefluxen dækkes varmeoverfladen hurtigt med en dampfilm (fra punkt til punkt ), som er ledsaget af en temperaturstigning og efter kort tid, efter at have nået en stabil tilstand, er kogningen karakteriseret ved en høj vægtemperatur (fra punkt ). Dette fænomen kaldes en varmeoverførselskrise, og den varmestrøm, hvorved en kraftig temperaturstigning begynder ( - ), er den første kritiske varmestrøm, eller oftere blot den kritiske varmestrøm.
Hvis varmefluxen efter at have nået punktet begynder at falde, opretholdes filmens kogeregime, indtil punktet er nået . I tilfælde af et yderligere fald i varmefluxen skifter filmkogningstilstanden til bobletilstand (fra punkt til punkt ), og temperaturen på varmeoverfladen falder hurtigt. Den varmeflux , ved hvilken filmkogningstilstanden skifter til boble ( - ) kaldes den anden kritiske varmeflux.
I mange varmevekslingsenheder af moderne kraftteknik og raketteknologi er varmefluxen, der skal fjernes fra varmeoverfladen, fast og ofte praktisk talt ikke afhængig af temperaturregimet for den varmeafgivende overflade. Så varmeforsyningen til den ydre overflade af skærmrørene placeret i kedelenhedens ovn bestemmes hovedsagelig på grund af stråling fra ovnrummet. Den indfaldende strålingsflux er praktisk talt uafhængig af rørenes overfladetemperatur, så længe den er væsentligt lavere end temperaturen på de varme forbrændingsprodukter i ovnen . En lignende situation finder sted i raketmotorernes kanaler , inde i brændstofelementerne (brændstofstænger) i den aktive zone af en atomreaktor , hvor der er en kontinuerlig frigivelse af varme på grund af en kernereaktion . Kogning er en intens overgang af en væske til damp, som opstår med dannelsen af dampbobler gennem hele væskens volumen ved en bestemt temperatur.
Hvis varmefluxen af en eller anden grund overstiger den kritiske værdi , skifter bobletilstanden til kogning hurtigt til filmtilstand, og temperaturen på varmefladen stiger til betydeligt høje værdier, hvilket kan føre til udbrænding af varmeoverfladen. Samtidig er det nødvendigt at reducere varmestrømmen til værdien for at genoprette bobletilstanden for kogning og de indledende temperaturværdier .
Ved tvungen konvektion har kogning en række funktioner, hvoraf den vigtigste er effekten af strømningsegenskaber på afhængigheden . Karakteristika som væskemassestrømningshastighed og dampindhold har den stærkeste indflydelse . Med konstant kogning af en væske, der bevæger sig i et rør, ændres mediets parametre (først og fremmest dampindholdet) langs strømmen, og med det ændres strømningsregimerne og varmeoverførslen.
I de fleste tilfælde kan kogning i et rør forenkles i form af tre zoner (ved eksemplet med kogning i et langt rør for små og ):
I dette eksempel kan vi overveje mere detaljeret ændringen i kogningens karakter og temperaturerne på varmerørsvæggen og den gennemsnitlige temperatur af væsken, der er forbundet hermed. En væske, der er underafkølet til kogning, tilføres indgangen til det dampgenererende rør (punkt ). I tilfælde af en konstant værdi af varmefluxen fra væggen stiger den gennemsnitlige væsketemperatur og vægtemperaturen lineært. I det øjeblik, hvor vægtemperaturen begynder at overstige mætningstemperaturen , kan der begynde at danne bobler på varmefladen. Kogningen begynder således i nærvægsområdet på trods af, at væskens gennemsnitlige temperatur forbliver under mætningstemperaturen ( ). Dette fænomen kaldes underafkølet væskekogning . Værdien af entalpidampindholdet, hvorved kogningen af en underafkølet væske begynder, har en negativ værdi . Når væsken når mætningstemperaturen , begynder nukleatkogning i hele væskens volumen. Dette område er kendetegnet ved intens blanding af væsken og som følge heraf høje varmeoverførselskoefficienter og lave temperaturfald.
Når tofaseblandingen bevæger sig ind i området med højt dampindhold, ændres strømningsregimerne for tofasestrømmen, og ved et bestemt dampindhold opstår der en varmeoverførselskrise: væskens kontakt med overfladen stopper, og vægtemperaturen stiger ( ). Varmeoverførselskrisen under kogning repræsenterer ofte en overgang fra den dispergeret-ringformede kogetilstand ( ) til den dispergerede ( ). Mængden af fugt i dråber falder med stigende dampindhold, hvilket fører til en stigning i hastigheden og en lille stigning i varmeoverførslen (temperaturen på vægoverfladen falder lidt i dette tilfælde, ( )).
Med en anden massehastighed af væsken eller størrelsen af varmefluxen kan arten af kogningen i røret ændre sig. Så i tilfælde af store og , kan varmeoverførselskrisetilstanden dannes selv på tidspunktet for kogning af en underafkølet væske. I dette tilfælde dannes et filmkogningsregime, og flowkernen er en stang af en væske, der er underafkølet til mætningstemperaturen, adskilt fra rørvæggen af en dampfilm.
I tabellen over elementer af D. I. Mendeleev er for hvert element angivet:
Gruppe → | IA |
II A |
III B |
IV B |
VB |
VI B |
VII B |
VIII B |
VIII B |
VIII B |
IB |
II B |
III A |
IV A |
VA |
VI A |
VII A |
VIII A | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Periode | ||||||||||||||||||||
en | 1H -253 0,449 1,008 _ |
2 He -268 0,0845 4,003 | ||||||||||||||||||
2 | 3 Li 1340 145,9 6,941 |
4 Be 2477 292,4 9,012 |
5 B 3927 489,7 10,81 |
6 C ~4850 355,8 12,01 |
7N -196 2.793 14.01 _ |
8 O -183 3,410 16,00 |
9 F -188 3.270 19.00 |
10 Ne -246 1.733 20.18 | ||||||||||||
3 | 11 Na 883 96,96 22,99 |
12 Mg 1090 127,4 24,33 |
13 Al 2467 293,4 26,98 |
14 Si 2355 384,2 28,09 |
15 P 277 12,13 30,97 |
16 S 445 9,6 32,07 |
17Cl -34 10,2 35,45
_ |
18 Ar -186 6,447 39,95 | ||||||||||||
fire | 19 K 759 79,87 39,10 |
20 Ca 1484 153,6 40,08 |
21 Sc 2830 314,2 44,96 |
22 Ti 3287 421 47,87 |
23 V 3409 452 50,94 |
24Cr 2672 344,3 52,00
_ |
25 Mn 1962 226 54,94 |
26 Fe 2750 349,6 55,85 |
27 Co 2927 376,5 58,93 |
28 Ni 2913 370,4 58,69 |
29 Cu 2567 300,3 63,55 |
30 Zn 907 115,3 65,41 |
31 Ga 2204 258,7 69,71 |
32 Ge 2820 330,9 72,64 |
33 As 616 34,76 74,92 |
34 Se 221 26,3 78,96 |
35 Br 59 15,44 79,9 |
36 Kr -153 9.029 83,80 | ||
5 | 37 Rb 688 72,22 85,47 |
38 Sr 1382 144 87,62 |
39 Y 2226 363 88,91 |
40 Zr 4409 591,6 91,22 |
41 Nb 4744 696,6 92,91 |
42 Mo 4639 598 95,94 |
43 Tc 4877 660 98,91 |
44 Ru 4150 595 101,1 |
45 Rh 3695 493 102,9 |
46 Pd 2963 357 106,4 |
47 Ag 2162 250,6 107,9 |
48 CD 767 100 112,4 |
49 I 2072 231,5 114,8 |
50 Sn 2602 295,8 118,7 |
51 Sb 1587 77,14 121,8 |
52 Te 450 52,55 127,6 |
53 I 184 20,75 126,9 |
54 Xe -108 12,64 131,3 | ||
6 | 55 Cs 705 67,74 132,9 |
56 Ba 1640 142 137,3 |
* |
72 Hf 4603 575 178,5 |
73 Ta 5458 743 180,9 |
74 W 5555 824 183,8 |
75 Re 5596 715 186,2 |
76 Os 5012 627,6 190,2 |
77 Ir 4428 604 192,2 |
78 Pt 3827 510 195,1 |
79 Au 2856 334,4 197,0 |
80 Hg 357 59,23 200,6 |
81 Tl 1473 164,1 204,4 |
82 Pb 1749 177,7 207,2 |
83 Bi 1564 104,8 209,0 |
84 Po 962 120 209,0 |
85 Ved 337 30 210,0 |
86 Rn -62 16,4 222,0 | ||
7 | 87 Fr 667 64 223 |
88 Ra 1737 137 226,0 |
** |
104 Rf n/a n/a 261 |
105 Db n/a n/a 262 |
106 Sg n/a n/a 263 |
107 Bh n/a n/a 262 |
108 Hs n/a n/a 265 |
109 Mt n/a n/a 268 |
110 Ds n/a n/a 281 |
111 Rg n/a n/a 280 |
112 Cn n/a n/a n/a |
113 Uut n/a n/a n/a |
114 Fl n/a n/a n/a |
115 Op n/a n/a n/a |
116 Lv n/a n/a n/a |
117 Uus n/a n/a n/a |
118 Uuo n/a n/a n/a | ||
* Lanthanider | 57 La 3457 414 138,9 |
58 Ce 3426 414 140,1 |
59 Pr 3520 297 140,9' |
60 Nd 3100 273 144,2 |
18:00 ~3500 n/ a 146,9 |
62 Sm 1803 166 150,4 |
63 Eu 1527 144 152,0 |
64 Gd 3250 359 157,3 |
65 Tb 3230 331 158,9 |
66 Dy 2567 230 162,5 |
67 Ho 2695 241 164,9 |
68 Er 2510 193 167,3 |
69 Tm 1947 191 168,9 |
70 Yb 1194 127 173,0 |
71 Lu 3395 356 175,0 | |||||
** Aktinider | 89 Ac 3200 293 227,0 |
90th 4788 514,4 232,0
_ |
91 Pa 4027 470 231,0 |
92 U 4134 423 238,0 |
93 Np 3902 n/a 237,0 |
94 Pu 3327 325 244,1 |
95 Am 2607 239 243,1 |
96 cm
3110 n/a 247,1 |
97 Bk n/a n/a 247 |
98 Jf . n/a n/a 251 |
99 Es n/a n/a 253 |
100 fm n/a n/a 255 |
101 Md n/a n/a 256 |
102 Nej n/a n/a 255 |
103 Lr ikke tilgængelig ikke tilgængelig 260 |
0-10 kJ/mol | 10-100 kJ/mol | 100–300 kJ/mol | >300 kJ/mol |
Afsnit af statistisk fysik | |
---|---|
Fysik af kondenseret stof |
|
Termodynamik | |
---|---|
Afsnit af termodynamik | |
Termodynamikkens principper |
Materiens termodynamiske tilstande | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Fasetilstande |
| ||||||||||||||||
Faseovergange |
| ||||||||||||||||
Spred systemer | |||||||||||||||||
se også |