Kaip slėgis veikia arbatinuko virimo greitį
Įvadas
Vandens virimas yra kasdienis procesas, tačiau daugelis žmonių nesusimąsto apie tai, kas iš tikrųjų vyksta ir kokie veiksniai gali paveikti virimo greitį. Vienas iš svarbiausių veiksnių yra slėgis. Šiame straipsnyje išnagrinėsime, kaip slėgis veikia vandens virimo temperatūrą ir greitį, remiantis moksline informacija ir tyrimais.
Virimo temperatūros priklausomybė nuo slėgio
Visiems žinoma, kad ledas susidaro žemesnėje nei 0 laipsnių Celsijaus temperatūroje, o vandens virimo temperatūra yra 100 laipsnių Celsijaus. Tačiau vandens virimo temperatūra nėra pastovi ir priklauso nuo aplinkos sąlygų. Pasak Kolorado valstijos universiteto fizikos profesoriaus Jacobo Robertso, vandens virimo temperatūra šiek tiek priklauso nuo aplinkos drėgmės, tačiau labiausiai priklauso nuo slėgio.
Kai slėgis didėja, vandens virimo temperatūra taip pat didėja. Tai reiškia, kad aukštesniame slėgyje vanduo užvirs aukštesnėje temperatūroje nei įprastai 100 laipsnių Celsijaus. Atvirkščiai, kai slėgis mažėja, vandens virimo temperatūra taip pat mažėja.
Mėnulio ir Planetų instituto duomenys rodo, kad aukščiausias taškas Žemėje yra Everesto kalno viršūnėje, 8849 metrų aukštyje. Tai vieta planetoje, kur vanduo užverda žemiausioje - tik 68 laipsnių Celsijaus - temperatūroje. Tai rodo, kad slėgis turi didelį poveikį vandens virimo temperatūrai.
Slėgio poveikio paaiškinimas
Norint suprasti, kodėl slėgis veikia virimo temperatūrą, reikia suprasti, kas vyksta virimo metu. Virimas yra procesas, kai skystis virsta dujomis (garu). Tai įvyksta tada, kai skysčio molekulės įgyja pakankamai energijos, kad įveiktų tarpmolekulines jėgas ir ištrūktų į dujinę fazę.
Taip pat skaitykite: Kaip kepti blynus su bananais
Slėgis veikia šį procesą, nes jis daro įtaką tarpmolekulinėms jėgoms. Kuo didesnis slėgis, tuo stipresnės tarpmolekulinės jėgos, todėl molekulėms sunkiau ištrūkti į dujinę fazę. Dėl to reikia daugiau energijos (aukštesnės temperatūros), kad vanduo užvirtų.
Priemaišų įtaka
Tyrėjai pažymi, kad vandenyje esančios priemaišos turi įtakos vandens molekulių tarpusavio sąveikai, galiausiai pakeičia viso tirpalo virimo tašką. Tai reiškia, kad vanduo su dideliu kiekiu ištirpusių medžiagų gali virti šiek tiek kitaip nei grynas vanduo.
Slėgio poveikio praktinis pritaikymas
Slėgio poveikis vandens virimo temperatūrai turi praktinių pritaikymų įvairiose srityse. Pavyzdžiui, slėginiai puodai naudoja aukštesnį slėgį, kad pakeltų vandens virimo temperatūrą, todėl maistas gaminamas greičiau. Be to, pramonėje, kur reikia distiliuoti medžiagas, reguliuojant slėgį galima atskirti skirtingus komponentus, kurie verda skirtingose temperatūrose.
Slėgis Marianų įduboje
Londono universiteto koledžo duomenimis, net Marianų įduboje, kuri yra žemiau jūros lygio nei virš jo esanti Everesto viršūnė, slėgis yra 1000 kartų didesnis nei oro slėgis planetos paviršiuje. Tai reiškia, kad vandens virimo temperatūra Marianų įduboje būtų žymiai aukštesnė nei jūros lygyje.
Termodinaminiai aspektai
Termodinamikos pagrindai
Termodinamika - tai mokslas apie energiją, jos savybes ir transformacijas įvairiuose fizikiniuose ir cheminiuose procesuose, kuriems vykstant išsiskiria arba sunaudojama šiluma. Techninė termodinamika nagrinėja šilumos pavertimą darbu arba darbo pavertimą šiluma. Šiluminiame variklyje šiluma paverčiama darbu, tai vyksta plečiantis arba traukiantis darbo kūnui, t.y. išnaudojant kūnų plėtimąsi veikiant šilumai. Tinkamiausi darbo kūnai - dujos ir garai, nes juos galima greitai sušildyti ir atvėsinti, o jų šiluminio plėtimosi koeficientas yra žymiai didesnis negu skysčių ir kietų kūnų.
Taip pat skaitykite: Vištos kepimo patarimai Kamado Bono kepsninei
Termodinaminės sistemos
Kūnai, iš kurių darbo kūnai gauna šilumą, vadinami šildytuvais. Gavusios šilumos dujos plečiasi ir atlieka darbą, tačiau dalis šilumos nueina nuostoliams. Darbo kūnas, šilumos šaltiniai ir darbo objektas sudaro termodinaminę sistemą, o kūnai, neįeinantys į šią sistemą, vadinami aplinka. Riba tarp termodinaminės sistemos ir aplinkos vadinama kontroliniu paviršiumi (KP). Jei tarp sistemos ir aplinkos nėra masės mainų, sistema vadinama uždara. Sistema vadinama izoliuota, jei per KP nevyksta nei energijos, nei masės pernešimas.
Darbo kūnai ir jų parametrai
Dujų savybės apibūdinamos terminiais ir koloriniais parametrais. Terminiai parametrai: specifinis tūris (v), slėgis (p), absoliutinė temperatūra (T). Koloriniai: vidinė energija (u), entalpija (h), entropija (s). Temperatūra apibūdina kūno įšilimo laipsnį: T = 273 + t. Slėgis - tai jėga, veikianti į ploto vienetą, matuojama paskaliais arba [N/m2]. Specifinis tūris - tai 1 kg medžiagos užimamas tūris.
Termodinaminiai procesai
Procesai - tai bet koks dujų termodinaminių parametrų kitimas. Procesai būna grįžtamieji ir negrįžtamieji. Grįžtamasis procesas gali būti tik pusiausvyrasis, neturi būti trinties ir šilumos mainų. Termodinaminė būklė - tai dujų termodinaminių parametrų visuma. Jei visuose izoliuotos sistemos taškuose slėgis ir temperatūra nesikeičia ilgą laiką, tai tokia būklė yra termodinaminėje pusiausvyroje. Atviros sistemos būklė priklauso nuo aplinkos slėgio bei temperatūros.
Dujų būklės lygtys
Tarp darbo kūno parametrų egzistuoja funkcinis ryšys, aprašomas dujų būklės lygtimi. Mendelėjevo - Klapeirono lygtis: pv = RT. Realiosioms dujoms būklės lygtis yra gana sudėtinga. Dujų mišinių sudedamosios dalys vadinamos komponentais, tenkinančiais idealiųjų dujų dėsnius ir tarpusavyje nereaguojančius. Mišinio sudėtis apibūdinama masės, tūrio ir molio dalimis. Viso mišinio slėgis lygus atskirų komponentų dalinių slėgių sumai (Daltono dėsnis).
Šiluma ir darbas
Energijos tvermės dėsnis sako, kad baigtinės izoliuotos sistemos bendrasis energijos kiekis bet kuriuose sistemoje vykstančiuose procesuose išlieka pastovus. Energija nesukuriama ir neišnyksta. Pirmasis termodinamikos dėsnis (PTD) yra energijos tvermės dėsnio išraiška, taikoma termodinaminiams procesams. Vienas kūnas kitam energiją gali perduoti dviem skirtingais būdais: šilumos mainais ir darbo forma. Energijos perdavimas darbo forma visada susijęs su kūno ar jo dalelių judėjimu. Darbas, kurį kūnas atlieka plėsdamasis, laikomas teigiamu, o darbas, kurį kūnas atlieka pasipriešinimo arba suspaudimo darbą, pirmojo kūno atžvilgiu, laikomas neigiamu.
Taip pat skaitykite: Kaip kepti lašišą keptuvėje
Darbo skaičiavimas
Energijos kitimas, susijęs su kūno ar dalelės judėjimu, vadinamas darbu. Darbo procese visada dalyvauja du ar daugiau kūnų. Šildomų dujų ar garo tūris, esant tam tikromis sąlygomis, didės. Besiplėsdamos dujos ar garas atliks darbą. Įrenginiai, kuriuose šiam procesui sudarytos reikiamos sąlygos, vadinami šiluminiais varikliais. Plėtimosi darbas priklauso nuo proceso pradinės ir galinės būsenų, atlikimo būdo bei pobūdžio.
Specifinė šiluma
Šiluminiuose skaičiavimuose reikia nustatyti tam tikrame procese išsiskiriančios arba sunaudojamos šilumos kiekį. Be galo mažo šilumos kiekio santykis su temperatūros pokyčiu vadinamas specifine šiluma. Dujų specifinė šiluma priklauso nuo temperatūros (T) ir nuo slėgio (p). Izobarinė specifinė šiluma gaunama arba atiduodama esant pastoviam slėgiui, o izochorinė - esant pastoviam tūriui.
Vidinė energija
Kūno vidinę energiją sudaro vidinė kinetinė ir vidinė potencinė energijos. Idealiųjų dujų vidinė energija priklauso tik nuo temperatūros ir yra temperatūros funkcija. Realiųjų dujų molekulės veikia tarpmolekulinės jėgos, todėl jų vidinę energiją sudaro vidinė kinetinė ir vidinė potencinė energijos.
Entalpija
Specifinė entalpija žymima h ir matuojama J/kg. Entalpija yra kūno būsenos parametras.
Pirmasis termodinamikos dėsnis (PTD)
Laikykime, kad 1 kg masės darbo kūnas atlieka tam tikrą procesą. To proceso elementariojoje dalyje darbo kūnui suteikiama be galo mažai energijos, t.y. šilumos dq, todėl labai mažais dydžiais dT ir dV padidėja darbo kūno temperatūra ir tūris. Pagal energijos tvermės dėsnį: dq = dU + dl.
Entropija
Entropija yra vienareikšmė kūno būsenos funkcija, kiekvieną kūno būseną atitinka tam tikra apibrėžta jos reikšmė, ir yra dujų būsenos kalorinis parametras. Entropijos pokytis nepriklauso nuo to, kokiu būdu iš būsenos 1 pereinama į būseną 2, o priklauso tik nuo šių būsenų parametrų.
Idealiųjų dujų termodinaminiai procesai
Pagrindiniai termodinaminiai procesai yra izoterminis, izobarinis, izochorinis, adiabatinis ir politropinis. Politropinis procesas aprašomas lygtimi pvn = const., kur n - politropės laipsnių rodiklis.
Ciklo sąvoka
Uždaras procesas su stacionaria cirkuliacija vadinamas ciklu. Procesas, grąžinantis sistemą į pradinę padėtį, - uždaras procesas. Tiesioginis ciklas - tai ciklas, kurio metu šiluma paverčiama darbu. Atvirkštinio ciklo atveju šilumos kiekis, kurį kūnas gauna iš žemesnės temperatūros šaltinio, atiduodamas aukštesnės temperatūros šaltiniui.
Karno ciklas
Karno ciklo ekonomiškumas priklauso nuo šildytuvo ir aušintuvo absoliutinių temperatūrų. Karno ciklas duotame temperatūros intervale yra ekonomiškiausias.
Antrasis termodinamikos dėsnis (ATD)
Negrįžtamuose procesuose darbo kūno entropija visada didėja. Darbas gaunamas mažesnis nei grįžtamuose procesuose. Antrasis termodinamikos dėsnis nusako būtinas sąlygas, kurias reikia sudaryti, kad šiluma būtų paversta mechaniniu darbu.
tags: #kaip #slėgis #veikia #arbatinuko #virimo #greitį