Fierbere

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Salt la: Navigare, căutare
Pentru alte sensuri, vedeți Fierbere (dezambiguizare).
Apă care fierbe.

Fierberea (denumită și ebuliție sau ebulițiune) este procesul de trecere a unui lichid în stare de vapori, prin formarea, sub acțiunea căldurii, în întreaga masă a lichidului, a unor bule de vapori care se ridică la suprafață.[1] Temperatura de fierbere este cea la care presiunea vaporilor săi este egală cu presiunea la care este supus lichidul.[2] Această temperatură, numită și punct de fierbere, crește odată cu creșterea presiunii.[2] Temperatura de fierbere la presiune normală se numește temperatură normală de fierbere. [2] În tabelele termodinamice, presiunea și temperatura corespunzătoare fierberii sunt denumite presiune de saturație, respectiv temperatură de saturație.[3]

Termodinamica fenomenului de fierbere[modificare | modificare sursă]

Descriere[modificare | modificare sursă]

Fierberea unui lichid cu ridicarea bulelor de vapori sub formă de spumă

La încălzirea unui lichid acesta își păstrează starea lichidă până la atingerea temperaturii de fierbere. Mărind în continuare temperatura, se formează prima bulă de vapori, iar apoi din ce în ce mai multe.[4] Deoarece densitatea vaporilor este mai mică decât a lichidului, într-un câmp de forțe, de exemplu câmpul gravitațional, sub acțiunea forțelor arhimedice bulele se ridică la suprafață, apărând o suprafață de separație între fazele de lichid și vapori. Această suprafață de separație a fazelor este definitorie pentru fenomenul de fierbere. Dacă în timpul procesului de fierbere presiunea la care este supus amestecul (separat sau nu) de lichid și vapori rămâne constantă, atunci și temperatura la care se produce fierberea rămâne constantă. Continuând creșterea temperaturii lichidului, la un moment dat toată cantitatea de lichid s-a transformat în vapori, care însă sunt încă la temperatura de saturație, vaporii fiind numiți vapori saturați uscați. Ca urmare, în timpul procesului de fierbere, se consideră că există un amestec de lichid la temperatura de saturație și vapori saturați uscați.

Moduri de vaporizare[modificare | modificare sursă]

În timpul fierberii vaporizarea se poate face în două moduri de bază, cu un regim de tranziție între ele:

  • Vaporizare cu bule, în care pe suprafața care cedează căldură lichidului apar mici bule care la un moment dat se desprind și cresc, ridicându-se la suprafață. Numărul de puncte în care apar bule (centre de nucleație) depinde de temperatura suprafeței și de rugozitatea ei — o suprafață rugoasă oferă mai multe centre decât una netedă. Pentru suprafețe extrem de netede lichidul poate fi adus la o temperatură ceva mai mare decât temperatura de saturație (lichid supraîncălzit), însă în momentul în care bulele încep să se formeze urmează o degajare de bule foarte violentă.
  • Vaporizare peliculară (în film), în care, când suprafața de încălzire atinge o anumită temperatură (relativ mare), formarea vaporilor este contină pe toată suprafața, între suprafață și lichid apârând un film de vapori continuu. Deoarece vaporii au o conductivitate termică mică, ei izolează lichidul și reduc fluxul termic. Pentru un flux termic dat, temperatura suprafeței de încălzire poate crește mult, putând apărea avarii dacă n-a fost concepută să lucreze în acest regim.
  • Vaporizarea de tranziție este un regim instabil între vaporizarea cu bule și vaporizarea peliculară.

Formarea bulelor de lichid este in fenomen complex, care adesea includ fenomene acustice și de cavitație.

Influența presiunii[modificare | modificare sursă]

Diagrama p-T a fazelor.
S = solid, L = lichid, G = gaz, verde = fierbere, albastru = liofilizare, roşu = vaporizare supracritică.
Cu albastru deschis - domeniul în care poate avea loc fierberea, într-o diagramă p-V.
Elemente caracteristice fierberii într-o diagramă p-V.

Transformarea de fază prin fierbere poate avea loc doar într-un anumit interval de presiuni. Presiunea minimă corespunde presiunii punctului triplu, în care fazele solidă, lichidă și gazoasă sunt în echilibru (în diagrama p-T alăturată în dreptul săgeții albastre), iar presiunea maximă corespunde punctului critic (în diagrama p-T alăturată în dreptul săgeții roșii). În această figură fierberea are loc în direcția săgeții verzi, la trecerea peste curba care unește cele două puncte. Ocolirea acestei curbe se poate face prin ambele capete, săgeata albastră indicând un proces de liofilizare, iar cea roșie unul de vaporizare supracritică.

Într-o diagramă p-V[5] (vezi diagramele p-V alăturate) vaporizarea se petrece în zona colorată în albastru deschis. În partea din stânga (A) este zona lichidului, în dreapta (B) este zona vaporilor. Pentru o anumită izotermă, figurată cu albastru, procesul de vaporizare se produce de-a lungul liniei (d). Teoretic, acest proces ar trebui să se producă de-a lungul curbelor (f) și (g), însă aceste stări sunt instabile. Porțiunile orizontale pot apărea doar pe izotermele care se află sub izoterma critică, care trece prin punctul critic (K). Pentru presiuni deasupra punctului K, transformarea din lichid în vapori (creșterea de volum de la volumul lichidului la cel al vaporilor) se face printr-un proces continuu, fără să apară o suprafață de separație între lichid și vapori și fără apariția unor bule de vapori, ca urmare la presiuni supracritice noțiunea de fierbere își pierde sensul.

Golirea unui vas sub presiune.

Fierberea sub presiune este un fenomen periculos. Vasele sub presiune trebuie să fie rezistente, deoarece în caz că se sparg, fenomenul este foarte asemănător cu o explozie. Chiar dacă vasul rezistă și apare doar un orificiu, prin scăparea vaporilor presiunea scade, lichidul devine supraîncălzit prin scăderea temperaturii de saturație conform presiunii, se produce o degajare de bule violentă care umflă lichidul și-l aruncă afară prin orificiu. În afară de pierderea conținutului vasului, jetul de lichid supraîncălzit poate produce accidente. Instalațiile industriale care funcționează sub presiune sunt supuse inspecțiilor și aprobărilor din partea Inspecției de Stat pentru Controlul Cazanelor, Recipientelor sub Presiune și Instalațiilor de Ridicat (ISCIR).

Căldura primită[modificare | modificare sursă]

Căldura primită în timpul fierberii.

Căldura primită în timpul fierberii corespunde zonei gri din diagrama T-s alăturată și este egală cu[6]

Q_{12} = T_s (s_2 -s_1) \,

unde Ts este temperatura absolută de saturație, iar s1 și s2 sunt entropiile inițială, respectiv finală.

Calculul căldurii necesare vaporizării se poate face cunoscând căldura latentă de vaporizare CL (molară), sau cL (masică), cu care:

 Q_{12} = n\, C_L

unde n este numărul de moli de substanță, respectiv

 Q_{12} = m\, c_L

unde m este masa substanței.

Căldură latentă de vaporizare molară a elementelor chimice la presiune normală[7]

În fiecare celulă apar, de sus în jos:

  • numărul atomic al elementului;
  • simbolul chimic;
  • temperatura de saturație la presiune normală ( °C);
  • căldura latentă de vaporizare molară (kJ/mol);
  • masa molară.
Grupă → 1
I A
2
II A
3
III B
4
IV B
5
V B
6
VI B
7
VII B
8
VIII B
9
VIII B
10
VIII B
11
I B
12
II B
13
III A
14
IV A
15
V A
16
VI A
17
VII A
18
VIII A
Perioadă
1 1
H
-253
0,449
1,008

2
He
-268
0,0845
4,003
2 3
Li
181
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
7
N
-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
17
Cl
-34
10,2
35,45
18
Ar
-186
6,447
39,95
4 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
24
Cr
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
In
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
At
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
Uuq
n/a
n/a
n/a
115
Uup
n/a
n/a
n/a
116
Uuh
n/a
n/a
n/a
117
Uus
n/a
n/a
n/a
118
Uuo
n/a
n/a
n/a

* Lantanide 57
La
3457
414
138,9
58
Ce
3426
414
140,1
59
Pr
3520
297
140,9'
60
Nd
3100
273
144,2
61
Pm
~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
** Actinide 89
Ac
3200
293
227,0
90
Th
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
Cf
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
No
n/a
n/a
255
103
Lr
n/a
n/a
260
0–10 kJ/mol 10–100 kJ/mol 100–300 kJ/mol >300 kJ/mol
 
Temperatura de saturație și căldură latentă de vaporizare molară a unor substanțe la presiune normală:[8]
Substanța Temperatură CL
kJ/mol
ts
 °C
Ts
K
Apă 100 273,15 40,657
Metan -161,6 111,5 8,19
Propan -42,1 231,1 15,7
Butan -0,5 272,6 21,0
Benzen 80,1 353,3 30,9
Toluen 110,7 383,8 32,8
Metanol 64,7 337,8 37,4
Etanol 78,4 351,6 38,8
Freon 12 -29,8 343,3 20,2
Amoniac -33,4 239,8 23,4

Dacă se cunoaște căldura latentă de vaporizare CL la o anumită presiune p0 la care corespunde temperatura de saturație T0, atunci temperatura de saturație Ts la o presiune de saturație pseste dată de relația Clausius-Clapeyron, a cărei formă diferențială este:[8]

\frac {d \ln p}{dT} = \frac {C_L}{R\, T^2}

care poate fi ușor integrată, obținându-se forma:[9]

\frac {1}{T_s} - \frac {1}{T_0} = \frac {R}{C_L} \ln \frac {p_0}{p_s}

unde atât CL cât și constanta universală a gazelor, R trebuie exprimate în aceleași unități de măsură, de exemplu în kJ/mol, cu care R = 8,3145 J/mol = 8,3145×10-3 kJ/mol. [10]

Fierberea în condiții de microgravitație[modificare | modificare sursă]

Fierbere cu bule în microgravitaţie. Click pentru a vedea filmul (1,4 M)

NASA a făcut o serie de experiențe privind vaporizarea în condiții de microgravitație.

La vaporizarea cu bule, bulele nu se ridică. La încetarea fierberii, tensiunea superficială a lichidului duce la coalescența bulelor într-una mare, sferică, care rămâne în interiorul lichidului.[11] Această coalescență poate duce la blocarea sitemelor de răcire a vehiculelor spațiale.

Pentru vaporizarea în film, s-au făcut de către NASA experiențe într-un avion KC-135, la fierberea în jurul unui fir încălzit. Metoda permite obținerea unei microgravitații de 0,02 g (nu foarte mică), timp de cca. 25 s.[12]

Fierberea apei[modificare | modificare sursă]

Fierberea apei este cea mai comună formă de fierbere a unei substanțe; prin fierbere ea se transformă în abur.

Mărimi termodinamice[modificare | modificare sursă]

Parametrii punctelor limită ale curbei de saturație[13]
Punct Temperatură Presiune
Punct triplu 0,01 °C 0,006125 bar
Punct critic 373,946 °C 220,640 bar
Căldura latentă molară de vaporizare a apei la divese presiuni[13]
Presiune (bar) 0,05 0,2 1,0 2,0 5,0 10 20 50 100 200
Temperatură ( °C) 32,9 60,1 99,6 120,2 151,8 179,9 212,4 263,9 311,0 365,8
cL (kJ/kg) 2423 2358 2258 2202 2108 2014 1890 1640 1318 601

Fenomene secundare[modificare | modificare sursă]

Deoarece apa obișnuită de obicei nu este pură, ci conține săruri și gaze dizolvate, apar unele fenomene secundare.

  • Deoarece solubilitatea apei pentru gaze scade cu temperatura, la încălzire gazele dizolvate se separă tot sub formă de bule, care însă nu sunt de abur. Acest fenomen este utilizat în tehnică la degazarea termică a apei, proces necesar, de exemplu, la prepararea apei folosite în circuitul de abur al centralelor termice.[14]
  • Fenomenele de convecție duc la încălziri neuniforme în masa lichidului, apărând bule locale, care atunci când ajung în zone mai reci condensează; bulele, în consecință, nu mai ajung la suprafața lichidului.
  • Impuritățile din apă pot reduce tensiunea superficială, ceea ce poate duce la o spumare abundentă.[15]

Aplicații[modificare | modificare sursă]

Fierberea este folosită:

În industrie
În medicină
În alimentația publică
  • la prepararea termică a alimentelor.
În domeniul casnic

Note[modificare | modificare sursă]

  1. ^ Academia Română, Institutul de Lingvistică Iorgu Iordan Dicționarul explicativ al limbii române (DEX), Editura Univers Enciclopedic, 1998
  2. ^ a b c Răduleț, R. și colab. Lexiconul Tehnic Român, Editura Tehnică, București, 1957-1966.
  3. ^ Ražnjević, op. cit.
  4. ^ Theil, op. cit. pp. 154-162
  5. ^ Vlădea, op.cit. pp. 77-86
  6. ^ Vlădea, op.cit. p. 84
  7. ^ en Sears, Zemansky et al. University Physics, Addison-Wessley Publishing Company, Sixth ed., 1982, ISBN 0-201-07199-1
  8. ^ a b Popa, op. cit. p. 199
  9. ^ en Kenneth Wark Thermodynamics (1966), Ed. 5 republicată, McGraw-Hill, Inc., New York, 1988, ISBN 0-07-068286-0, p. 509
  10. ^ en Valoarea constantei universale a gazelor, CODATA, NIST
  11. ^ en Experiență NASA
  12. ^ en Cuta, Judith M.; Krotiuk, William J. Low-gravity flow boiling, Thermal-hydraulics for space power, propulsion, and thermal management system design (A91-12827 02-27). Washington, DC, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1990, p. 249-274.
  13. ^ a b en Tabele cu proprietățile termodinamice ale apei și aburului, NIST
  14. ^ Ungureanu, op. cit. p. 542
  15. ^ Ungureanu, op. cit. p. 545
  16. ^ Ungureanu, op. cit. pp. 273-280

Bibliografie[modificare | modificare sursă]

  • Bazil Popa ș.a. Manualul inginerului termotehnician, vol I, Editura Tehnică, București, 1984
  • Kuzman Ražnjević Tabele și diagrame termodinamice, Editura Tehnică, București, 1978
  • Helmut Theil Termotehnică și mașini termice, Litografia Universității „Politehnica” din Timișoara, 1972
  • Ioan Vlădea Tratat de termodinamică tehnică și transmiterea căldurii, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1974
  • Cornel Ungureanu Generatoare de abur pentru instalații energtice, clasice și nucleare, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1978

Vezi și[modificare | modificare sursă]

Legături externe[modificare | modificare sursă]