Fierbere

Temperatura de fierbere este cea la care presiunea vaporilor săi este egală cu presiunea la care este supus lichidul. Această temperatură, numită și punct de fierbere, crește odată cu creșterea presiunii. Temperatura de fierbere la presiune normală se numește temperatură normală de fierbere. În tabelele termodinamice, presiunea și temperatura corespunzătoare fierberii sunt denumite presiune de saturație, respectiv temperatură de saturație.

Descriere

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. 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

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 continuă 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

 

 

 

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 (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.

 

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

 

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

${\displaystyle Q_{12}=T_{s}(s_{2}-s_{1})\,}$ 

unde T_s 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 C_L (molară), sau c_L (masică), cu care:

${\displaystyle Q_{12}=n\,C_{L}}$ 

unde n este numărul de moli de substanță, respectiv

${\displaystyle Q_{12}=m\,c_{L}}$ 

unde m este masa substanței.

Căldură latentă de vaporizare molară a elementelor chimice la presiune normală

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.

Dacă se cunoaște căldura latentă de vaporizare C_L la o anumită presiune p₀ la care corespunde temperatura de saturație T₀, atunci temperatura de saturație T_s la o presiune de saturație p_seste dată de relația Clausius-Clapeyron, a cărei formă diferențială este:

${\displaystyle {\frac {d\ln p}{dT}}={\frac {C_{L}}{R\,T^{2}}}}$ 

care poate fi ușor integrată, obținându-se forma:

${\displaystyle {\frac {1}{T_{s}}}-{\frac {1}{T_{0}}}={\frac {R}{C_{L}}}\ln {\frac {p_{0}}{p_{s}}}}$ 

unde atât C_L 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.

 

NASA a făcut o serie de experimente 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. 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.

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

Mărimi termodinamice

Fenomene secundare

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.
• 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.

Aplicații

Fierberea este folosită:

În industrie

• în centrale termice la producerea aburului în scopuri tehnologice, de exemplu în industria ușoară la rafinarea zahărului și uleiului, în fabrici de conserve, la vopsirea țesăturilor, la rafinarea țițeiului în industria petrolieră etc;
• în centrale termice la producerea aburului în scopuri energetice (cazane de abur).

În medicină

• pentru sterilizări.

În alimentația publică

• la prepararea termică a alimentelor.

În domeniul casnic

• la prepararea termică a alimentelor în bucătărie;
• la spălarea hainelor.