การเดือดและการกลายเป็นไอ

น้ำระเหยอยู่แล้วก่อนให้ความร้อน เมื่อฟองไอเริ่มเติบโตในหม้อ มีกระบวนการใหม่อะไรเกิดขึ้น? เหตุใดบนภูเขาจึงเริ่มที่อุณหภูมิต่ำกว่า?

ในการระเหยทั่วไป โมเลกุลออกจากผิวด้านบนของน้ำ ขณะเดือด ไอยังเกิดภายในของเหลวเป็นฟองที่เติบโต แต่ละฟองมีขอบเขตระหว่างของเหลวกับไอของตนเอง การเดือดคือการกลายเป็นไอที่มีฟองไอเกิดขึ้นและเติบโตภายในเนื้อของเหลว ฟองเล็กของอากาศที่ละลายอยู่สามารถปรากฏก่อนเดือดได้ ดังนั้นการเห็นฟองเพียงอย่างเดียวจึงยังยืนยันไม่ได้ว่าเดือด

น้ำรอบข้างบีบอัดฟอง เพื่อให้ฟองเติบโตอย่างต่อเนื่อง ความดันภายในต้องต้านการบีบอัดนี้ได้ ความดันไออิ่มตัวเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ การให้ความร้อนจึงทำให้ฟองเติบโตได้ ในแบบจำลองอย่างง่ายของภาชนะตื้น การเดือดเริ่มเมื่อความดันไอเท่ากับความดันเหนือของเหลว ที่ระดับลึกลงไปยังมีความดันจากคอลัมน์น้ำเพิ่ม และสำหรับฟองเล็กมาก แรงตึงผิวมีความสำคัญ

ลองคาดการณ์: หากลดความดันเหนือน้ำ ต้องให้ความร้อนเท่าเดิมหรือไม่? ไม่ต้อง เพราะไอสามารถรักษาฟองไว้ได้ที่ความดันต่ำลง จึงใช้อุณหภูมิต่ำลงด้วย บนภูเขาน้ำจึงเดือดต่ำกว่า 100 °C ส่วนในหม้ออัดความดันที่มีความดันสูงขึ้น น้ำเดือดที่อุณหภูมิสูงกว่า การเดือดไม่ได้มีอุณหภูมิเดียวในทุกเงื่อนไข ค่าประมาณ 100 °C ใช้กับน้ำบริสุทธิ์ที่ความดันบรรยากาศทั่วไป

หลังเริ่มเดือด เครื่องให้ความร้อนยังส่งพลังงานต่อไป พลังงานนี้ใช้แยกอนุภาคของเหลวและเพิ่มปริมาตรของสารโดยดันสิ่งแวดล้อมออก ความร้อนแฝงจำเพาะของการกลายเป็นไอ L คือพลังงานที่ใช้เปลี่ยนของเหลว 1 kg เป็นไอที่อุณหภูมิเปลี่ยนสถานะที่กำหนด มีหน่วย J/kg ค่า L มากหมายถึงต้องใช้พลังงานมากขึ้นสำหรับมวลเท่ากัน เมื่อเงื่อนไขการเดือดเปลี่ยน ค่า L ก็อาจเปลี่ยนด้วย

สำหรับของเหลวที่อยู่ที่อุณหภูมิเดือดแล้ว ทุกกิโลกรัมที่กลายเป็นไอต้องใช้พลังงาน L จูล: Q = Lm เมื่อมวลไอเป็นสองเท่า Q ก็เป็นสองเท่า ส่วนมวลครึ่งหนึ่งใช้พลังงานครึ่งหนึ่ง หากขั้นตอนนั้นไม่มีไอเกิดขึ้น ส่วนพลังงาน Lm จะเป็นศูนย์ ที่ความดันคงตัว ของเหลวบริสุทธิ์ที่กำลังเดือดมีอุณหภูมิเกือบคงเดิม การเพิ่มอัตราจ่ายพลังงานจึงเร่งการเกิดไอเป็นหลัก จนของเหลวเดือดหมด

การเปลี่ยนกลับเกิดอะไรขึ้น? เมื่อไอควบแน่นเป็นของเหลวภายใต้เงื่อนไขเดิม จะให้พลังงานออกมาขนาด Lm ซึ่งเป็นพลังงานเปลี่ยนสถานะที่ก่อนหน้านี้ต้องจ่ายเข้า หากของเหลวที่ได้เย็นลงต่อ จะให้พลังงานเพิ่มตาม cmΔT โดยมีเครื่องหมายลบสำหรับของเหลว อย่ารวมสองขั้นตอนนี้ไว้ในสูตรเดียว การควบแน่นเปลี่ยนสถานะ ส่วนการเย็นลงภายหลังเปลี่ยนอุณหภูมิ

เริ่มจากน้ำเย็นและต้องการให้น้ำเพียงบางส่วนกลายเป็นไอ ก่อนอื่นน้ำทั้งหมดที่ถูกทำให้ร้อนรับพลังงาน cmΔT จากนั้นใช้พลังงาน Lm กับมวลที่กลายเป็นไอจริง นำพลังงานสองส่วนมาบวกกัน หากน้ำทั้งหมดกลายเป็นไอ มวลในทั้งสองขั้นตอนจะเท่ากัน หากพลังงานบางส่วนไปสู่ภาชนะและอากาศ แหล่งพลังงานต้องจ่ายมากขึ้น จะละเลยการสูญเสียนี้ได้เฉพาะในแบบจำลองที่โจทย์ยอมรับเท่านั้น

ต้องการเปลี่ยนน้ำ 0.2 kg ที่อุณหภูมิเดือดเป็นไอ โดย L = 2,3 МДж/кг จงหาความร้อนที่ต้องใช้

น้ำอยู่ที่อุณหภูมิเดือดแล้ว จึงต้องใช้พลังงานเฉพาะเพื่อเปลี่ยนของเหลว 0.2 kg เป็นไอ โดยไม่ต้องเพิ่มอุณหภูมิก่อน

Q = Lm = 2,3·0,2 = 0,46 МДж = 460 кДж ตรวจสอบหน่วย: МДж/кг · кг = МДж

มวลเป็นหนึ่งในห้าของกิโลกรัม พลังงานจึงเป็นหนึ่งในห้าของ 2.3 MJ อุณหภูมิคงตัวไม่ได้ขัดกับการรับพลังงานนี้ เพราะสถานะและปริมาตรของน้ำเปลี่ยนไป

460 kJ พลังงานนี้เปลี่ยนน้ำที่กำลังเดือดปริมาณที่กำหนดให้เป็นไอภายใต้เงื่อนไขที่ระบุ

ฟองไอเติบโตเมื่อความดันภายในต้านความดันรอบข้างได้

อุณหภูมิเดือดขึ้นอยู่กับความดัน ดังนั้นค่า 100 °C จึงใช้กับเงื่อนไขเฉพาะ

Q = Lm ให้พลังงานที่ใช้เปลี่ยนมวลที่ต้องการเป็นไอ ต้องคิดการเพิ่มอุณหภูมิก่อนหน้าและการสูญเสียแยกต่างหาก

ไอที่ขยายตัวสามารถดันลูกสูบหรือใบพัดได้ บทเรียนถัดไปจะเชื่อมกระบวนการทางความร้อนกับงานเชิงกล