Кипение

Кипение или кипение — это быстрый фазовый переход из жидкости в газ или пар ; обратным процессу кипения является конденсация . Кипение происходит, когда жидкость нагревается до точки кипения , так что давление пара жидкости равно давлению, оказываемому на жидкость окружающей атмосферой. Кипение и испарение — две основные формы испарения жидкости .

Существует два основных типа кипения: пузырьковое кипение , при котором в отдельных точках образуются небольшие пузырьки пара, и кипение с критическим тепловым потоком , при котором поверхность кипения нагревается выше определенной критической температуры и на поверхности образуется пленка пара. Переходное кипение — промежуточная, неустойчивая форма кипения с элементами обоих типов. Температура кипения воды составляет 100 ° C или 212 ° F, но она ниже из-за пониженного атмосферного давления, наблюдаемого на больших высотах.

Кипячение воды используется как способ сделать ее питьевой, убивая микробы и вирусы, которые могут присутствовать. Чувствительность различных микроорганизмов к теплу различается, но если подержать воду при температуре 100 °C (212 °F) в течение одной минуты, большинство микроорганизмов и вирусов инактивируются. Десяти минут при температуре 70 °C (158 °F) также достаточно для инактивации большинства бактерий. ^[1]

Кипящая вода также используется в нескольких методах приготовления пищи , включая варку, приготовление на пару и варку .

Типы

Свободная конвекция

Наименьшего теплового потока, наблюдаемого при кипении, достаточно только для того, чтобы вызвать [естественную конвекцию], когда более теплая жидкость поднимается из-за ее немного меньшей плотности. Это состояние возникает только тогда, когда перегрев очень низкий, а это означает, что горячая поверхность вблизи жидкости имеет почти ту же температуру, что и точка кипения.

зародышевый

Видео, показывающее, как кипятится вода. По мере кипячения можно увидеть больше мест зародышеобразования (где образуются пузырьки).

Пузырьковое кипение характеризуется ростом пузырьков или хлопков на нагретой поверхности (гетерогенное зародышеобразование), которые поднимаются из дискретных точек на поверхности, температура которых лишь немного превышает температуру жидкости. Как правило, количество центров зародышеобразования увеличивается с увеличением температуры поверхности.

Неровная поверхность кипящего сосуда (т. е. повышенная шероховатость поверхности) или добавки к жидкости (т. е. поверхностно-активные вещества и/или наночастицы ) способствуют пузырьковому кипению в более широком диапазоне температур. ^[2]^[3]^[4] в то время как исключительно гладкая поверхность, например пластик, поддается перегреву . В этих условиях нагретая жидкость может проявлять задержку кипения , а температура может подняться несколько выше точки кипения без кипения.

Гомогенное зародышеобразование, при котором пузырьки образуются из окружающей жидкости, а не на поверхности, может произойти, если жидкость теплее в центре и холоднее на поверхностях контейнера. Это можно сделать, например, в микроволновой печи, которая нагревает воду, а не емкость.

Критический тепловой поток

Критический тепловой поток (CHF) описывает тепловой предел явления, при котором фазовый переход происходит во время нагрева (например, образование пузырьков на металлической поверхности, используемой для нагрева воды ), что внезапно снижает эффективность теплопередачи , вызывая тем самым локальный перегрев поверхность нагрева. Когда кипящая поверхность нагревается выше критической температуры, на поверхности образуется пленка пара. Поскольку эта паровая пленка гораздо менее способна отводить тепло от поверхности, температура очень быстро поднимается за пределы этой точки и переходит в переходный режим кипения . Точка, в которой это происходит, зависит от характеристик кипящей жидкости и рассматриваемой поверхности нагрева. ^[3]

Переход

Переходное кипение можно определить как нестабильное кипение, которое происходит при температурах поверхности между максимально достижимыми при пузырьковом кипении и минимально достижимыми при пленочном кипении.

Образование пузырьков в нагретой жидкости — это сложный физический процесс, который часто включает кавитацию и акустические эффекты, такие как шипение широкого спектра, которое можно услышать в чайнике, еще не нагретом до точки, когда пузырьки всплывают на поверхность.

Фильм

Если поверхность, нагревающая жидкость, значительно горячее самой жидкости, то произойдет пленочное кипение, при котором тонким слоем пара с низкой теплопроводностью поверхность изолируется . Такое состояние паровой пленки, изолирующей поверхность от жидкости, характеризует пленочное кипение .

Влияние геометрии

Кипение в бассейне

«Кипение в бассейне» относится к кипению, при котором нет принудительного конвективного потока. Вместо этого течение происходит за счет градиентов плотности. Он может испытывать любой из режимов, упомянутых выше.

Проточное кипение

«Проточное кипение» происходит, когда кипящая жидкость циркулирует, обычно по трубам. ^[5] Его движение может приводиться в движение насосами, например, на электростанциях, или градиентом плотности, например, в термосифоне или тепловой трубке. Потоки при кипении в потоке часто характеризуются параметром газосодержания, который указывает долю объема в системе, занимающую пар. Эту фракцию и плотности можно использовать для расчета качества пара , которое относится к массовой доле, находящейся в газовой фазе. Кипение в потоке может быть очень сложным, на него сильно влияют плотность, скорость потока и тепловой поток, а также поверхностное натяжение. В одной и той же системе могут быть области жидкости, газа и двухфазного потока. Такие двухфазные режимы могут привести к одним из лучших коэффициентов теплопередачи среди любой системы.

Ограниченное кипячение

Ограниченное кипение относится к кипению в ограниченной геометрии, которое обычно характеризуется числом Бонда , которое сравнивает расстояние между зазорами и длиной капилляра. Режимы ограниченного кипения начинают играть главную роль при Bo < 0,5. В этом режиме кипения преобладают «пузыри парового ствола», остающиеся после выхода пара. ^[6] Эти пузырьки действуют как семена для роста пара. Кипение в закрытых помещениях обычно имеет более высокий коэффициент теплопередачи, но более низкий CHF, чем кипячение в бассейне. CHF возникает, когда сила импульса пара на границе двух фаз уравновешивает совокупное поверхностное натяжение и гидростатические силы, что приводит к необратимому росту сухого пятна. ^[7] Ограниченное кипение особенно перспективно для охлаждения электроники.

Физика

Температура кипения элемента при данном давлении является характерным признаком элемента. Это также верно для многих простых соединений, включая воду и простые спирты . После начала кипения и при условии, что кипение остается стабильным и давление постоянное, температура кипящей жидкости остается постоянной. Этот атрибут привел к принятию точки кипения в качестве определения 100 ° C.

Дистилляция

Смеси летучих жидкостей имеют температуру кипения, специфичную для этой смеси, образуя пар с постоянным составом компонентов — постоянно кипящей смесью . Этот атрибут позволяет разделять или частично разделять смеси жидкостей путем кипячения и наиболее известен как средство отделения этанола от воды.

Использование

Охлаждение и кондиционирование воздуха

Большинство типов холодильного оборудования и некоторые системы кондиционирования воздуха работают путем сжатия газа до жидкого состояния, а затем закипания. Он поглощает тепло из окружающей среды, охлаждая холодильник или морозильную камеру или охлаждая воздух, поступающий в здание. Типичные жидкости включают пропан , аммиак , углекислый газ или азот .

Для придания питьевой воды

В качестве метода дезинфекции воды доведение ее до точки кипения при 100 °C (212 °F) является самым старым и наиболее эффективным способом, поскольку он не влияет на вкус, он эффективен, несмотря на наличие в ней загрязнений или частиц, и Это одноэтапный процесс, который уничтожает большинство микробов , вызывающих кишечника . заболевания ^[8] Температура кипения воды составляет 100 ° C (212 ° F) на уровне моря и при нормальном барометрическом давлении. ^[9] В местах, где имеется соответствующая система очистки воды , ее рекомендуется использовать только в качестве метода экстренной помощи или для получения питьевой воды в дикой местности или в сельской местности, поскольку она не может удалить химические токсины или примеси. ^[10]^[11]

Уничтожение микроорганизмов при кипячении следует кинетике первого порядка : при высоких температурах оно достигается за меньшее время, а при более низких температурах — за большее. Тепловая чувствительность микроорганизмов варьируется: при 70 °C (158 °F) для полной инактивации видов Giardia (вызывающих лямблиоз ) может потребоваться десять минут, для большинства микробов, поражающих кишечник, и кишечной палочки ( гастроэнтерит ) требуется менее минуты. ; Для кипения холерного вибриона ( холеры ) требуется десять секунд, а для вируса гепатита А (вызывает симптом желтухи ) — одну минуту. Кипячение не гарантирует уничтожение всех микроорганизмов; Бактериальные споры Clostridium могут выживать при температуре 100 ° C (212 ° F), но не передаются через воду и не поражают кишечник. Таким образом, для здоровья человека полная стерилизация воды не требуется. ^[8]

Традиционный совет кипятить воду в течение десяти минут в основном предназначен для дополнительной безопасности, поскольку микробы начинают уничтожаться при температуре выше 60 °C (140 °F), и доведение воды до точки кипения также является полезным признаком, который можно увидеть без помощью термометра , и к этому времени вода обеззараживается. Хотя температура кипения снижается с увеличением высоты, этого недостаточно, чтобы повлиять на процесс дезинфекции. ^[8]^[12]

В кулинарии

Кипячение — это метод приготовления пищи в кипящей воде или других жидкостях на водной основе, таких как бульон или молоко . ^[13] Варка на медленном огне представляет собой нежное кипение, а при варке жидкость движется, но почти не пузырится. ^[14]

Обычно считается, что температура кипения воды составляет 100 ° C (212 ° F; 373 К), особенно на уровне моря. Давление и изменение состава жидкости могут изменить температуру кипения жидкости. Приготовление пищи на большой высоте обычно занимает больше времени, поскольку температура кипения зависит от атмосферного давления . На высоте около одной мили (1600 м) вода кипит при температуре примерно 95 ° C (203 ° F; 368 К). ^[15] В зависимости от типа пищи и высоты над уровнем моря кипящая вода может быть недостаточно горячей для правильного приготовления пищи. ^[16] Точно так же увеличение давления, как в скороварке, повышает температуру содержимого выше точки кипения на открытом воздухе. ^{[ нужна ссылка ]}

Варить в пакете

Этот метод, также известный как «варка в пакете», предполагает разогрев или приготовление готовых продуктов, запечатанных в толстый пластиковый пакет. Пакет с продуктами, часто замороженными, погружают на определенное время в кипящую воду. ^[17] Полученные блюда можно готовить с большим удобством, поскольку при этом не пачкаются кастрюли и сковородки. Такие блюда доступны как для кемпинга, так и для домашнего обеда.

Контраст с испарением

При любой заданной температуре молекулы жидкости имеют разную кинетическую энергию. Некоторые частицы высокой энергии на поверхности жидкости могут иметь достаточно энергии, чтобы избежать межмолекулярных сил притяжения жидкости и превратиться в газ. Это называется испарением.

Испарение происходит только на поверхности, а кипение происходит по всей жидкости.Когда жидкость достигает точки кипения, в ней образуются пузырьки газа, которые поднимаются на поверхность и вырываются в воздух. Этот процесс называется кипячением. Если кипящую жидкость нагреть сильнее, температура не повысится, но жидкость закипит быстрее.

Это различие касается исключительно перехода из жидкости в газ; любой переход непосредственно из твердого состояния в газ всегда называется сублимацией, независимо от того, находится он в точке кипения или нет.

См. также

Ссылки

^ Кипячение воды – Технический обзор WHO/FWC/WSH/15.02 (Отчет). Всемирная организация здравоохранения . Проверено 16 мая 2023 г.
^ Доретти, Л.; Лонго, Джорджия; Мансин, С.; Ригетти, Дж.; Вейбель, Дж. А. (2017). «Отложение наночастиц при кипячении в ванне наножидкости медь-вода» . Физический журнал: серия конференций . 923 (1): 012004. Бибкод : 2017JPhCS.923a2004D . дои : 10.1088/1742-6596/923/1/012004 . ISSN 1742-6596 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Тейлор, Роберт А.; Фелан, Патрик Э. (2009). «Кипение наножидкостей в бассейне: комплексный обзор существующих данных и ограниченное количество новых данных». Международный журнал тепломассообмена . 52 (23–24): 5339–5347. Бибкод : 2009IJHMT..52.5339T . doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.06.040 .
^ Роберт А. Тейлор, Патрик Э. Фелан, Тодд Отаникар, Рональд Дж. Адриан, Рави С. Прашер, Генерация пара в жидкой суспензии наночастиц с использованием сфокусированного непрерывного лазера , Applied Physics Letters, Том 95, Выпуск 16, 2009 г.
^ Холден, Джеймс Б.; Роузи, Э. Ральф (1931). «Адиабатическое течение кипящей воды через горизонтальную трубу». Массачусетский технологический институт . Кафедра химической инженерии.
^ Алсаати, А.А.; Варсингер, DM; Вейбель, Дж. А.; Марконне, AM (2021). «Пузырьки парового ствола доминируют в улучшении теплопередачи при кипении в крайне ограниченных условиях» . Международный журнал тепломассообмена . 177 . Elsevier BV: 121520. Бибкод : 2021IJHMT.17721520A . doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121520 . ISSN 0017-9310 .
^ Алсаати, Альбраа А.; Варсингер, Дэвид М.; Вейбель, Джастин А.; Марконне, Эми М. (2023). «Механистическая модель для прогнозирования критического теплового потока (CHF) кипения в насыщенном бассейне в ограниченном зазоре». Международный журнал многофазного потока . 167 . Elsevier BV: 104542. Бибкод : 2023IJMF..16704542A . doi : 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2023.104542 . ISSN 0301-9322 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Говард Бэкер (2002). «Дезинфекция воды для иностранных путешественников и туристов, путешествующих по дикой природе» . Клинические инфекционные болезни . 34 (3). Оксфордские журналы: 355–364. дои : 10.1086/324747 . ПМИД 11774083 .
^ «Точка плавления, точка замерзания, точка кипения» . chemed.chem.purdue.edu . Проверено 11 января 2019 г.
^ Агентство по охране окружающей среды США, штат Огайо (18 ноября 2015 г.). «Аварийное обеззараживание питьевой воды» . Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 11 января 2019 г.
^ Кертис, Рик (март 1998 г.). «Руководство OA по очистке воды, Полевое руководство для туриста» .
^ CDC (6 сентября 2019 г.). «Как сделать воду безопасной в чрезвычайной ситуации» . Центры по контролю и профилактике заболеваний . Проверено 7 января 2020 г.
^ Рикус, Алексис; Сондер, Бев; Макки, Ивонн (22 августа 2016 г.). AQA GCSE Приготовление пищи и питание . Ходдерское образование. ISBN 9781471863653 .
^ Издательство, ДК (29 августа 2005 г.). Книга повара: методы и советы от шеф-поваров мира . Пингвин. ISBN 9780756665609 .
^ ИАПВС . «Как влияет давление на кипение воды? Почему на больших высотах вода кипит при более низкой температуре?» . Часто задаваемые вопросы о воде и паре . Архивировано из оригинала 6 августа 2009 года . Проверено 5 декабря 2009 г.
^ «Высотная кулинария и безопасность пищевых продуктов» . Министерство сельского хозяйства США . 15 июня 2013 года . Проверено 10 февраля 2020 г.
^ «Мешок для варки — определение понятия «мешок для варки» на Dictionary.com» . Словарь.com .

[1] Кипячение воды – Технический обзор WHO/FWC/WSH/15.02 (Отчет). Всемирная организация здравоохранения . Проверено 16 мая 2023 г.

[2] Доретти, Л.; Лонго, Джорджия; Мансин, С.; Ригетти, Дж.; Вейбель, Дж. А. (2017). «Отложение наночастиц при кипячении в ванне наножидкости медь-вода» . Физический журнал: серия конференций . 923 (1): 012004. Бибкод : 2017JPhCS.923a2004D . дои : 10.1088/1742-6596/923/1/012004 . ISSN 1742-6596 .

[sciencedirect.com-3] Перейти обратно: ^а ^б Тейлор, Роберт А.; Фелан, Патрик Э. (2009). «Кипение наножидкостей в бассейне: комплексный обзор существующих данных и ограниченное количество новых данных». Международный журнал тепломассообмена . 52 (23–24): 5339–5347. Бибкод : 2009IJHMT..52.5339T . doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.06.040 .

[4] Роберт А. Тейлор, Патрик Э. Фелан, Тодд Отаникар, Рональд Дж. Адриан, Рави С. Прашер, Генерация пара в жидкой суспензии наночастиц с использованием сфокусированного непрерывного лазера , Applied Physics Letters, Том 95, Выпуск 16, 2009 г.

[JamesHoldenFlowBoiling-5] Холден, Джеймс Б.; Роузи, Э. Ральф (1931). «Адиабатическое течение кипящей воды через горизонтальную трубу». Массачусетский технологический институт . Кафедра химической инженерии.

[Alsaati_Warsinger_Weibel_Marconnet_2021_p=121520-6] Алсаати, А.А.; Варсингер, DM; Вейбель, Дж. А.; Марконне, AM (2021). «Пузырьки парового ствола доминируют в улучшении теплопередачи при кипении в крайне ограниченных условиях» . Международный журнал тепломассообмена . 177 . Elsevier BV: 121520. Бибкод : 2021IJHMT.17721520A . doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121520 . ISSN 0017-9310 .

[Alsaati_Warsinger_Weibel_Marconnet_2023_p._104542-7] Алсаати, Альбраа А.; Варсингер, Дэвид М.; Вейбель, Джастин А.; Марконне, Эми М. (2023). «Механистическая модель для прогнозирования критического теплового потока (CHF) кипения в насыщенном бассейне в ограниченном зазоре». Международный журнал многофазного потока . 167 . Elsevier BV: 104542. Бибкод : 2023IJMF..16704542A . doi : 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2023.104542 . ISSN 0301-9322 .

[Oxfordjournals-8] Перейти обратно: ^а ^б ^с Говард Бэкер (2002). «Дезинфекция воды для иностранных путешественников и туристов, путешествующих по дикой природе» . Клинические инфекционные болезни . 34 (3). Оксфордские журналы: 355–364. дои : 10.1086/324747 . ПМИД 11774083 .

[9] «Точка плавления, точка замерзания, точка кипения» . chemed.chem.purdue.edu . Проверено 11 января 2019 г.

[10] Агентство по охране окружающей среды США, штат Огайо (18 ноября 2015 г.). «Аварийное обеззараживание питьевой воды» . Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 11 января 2019 г.

[backpackers_field_manual-11] Кертис, Рик (март 1998 г.). «Руководство OA по очистке воды, Полевое руководство для туриста» .

[12] CDC (6 сентября 2019 г.). «Как сделать воду безопасной в чрезвычайной ситуации» . Центры по контролю и профилактике заболеваний . Проверено 7 января 2020 г.

[13] Рикус, Алексис; Сондер, Бев; Макки, Ивонн (22 августа 2016 г.). AQA GCSE Приготовление пищи и питание . Ходдерское образование. ISBN 9781471863653 .

[14] Издательство, ДК (29 августа 2005 г.). Книга повара: методы и советы от шеф-поваров мира . Пингвин. ISBN 9780756665609 .

[15] ИАПВС . «Как влияет давление на кипение воды? Почему на больших высотах вода кипит при более низкой температуре?» . Часто задаваемые вопросы о воде и паре . Архивировано из оригинала 6 августа 2009 года . Проверено 5 декабря 2009 г.

[16] «Высотная кулинария и безопасность пищевых продуктов» . Министерство сельского хозяйства США . 15 июня 2013 года . Проверено 10 февраля 2020 г.

[17] «Мешок для варки — определение понятия «мешок для варки» на Dictionary.com» . Словарь.com .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]