Wrzenie - Boiling

Wrzenia jest szybkie odparowanie z cieczy , która występuje wtedy, gdy płyn jest podgrzewany do swej temperatury wrzenia , w temperaturze , w której ciśnienie pary płynu jest równe ciśnieniu wywieranym na ciecz przez otaczającą atmosferę. Na poziomie morza temperatura wrzenia wody wynosi 100°C lub 212 °F, ale na większych wysokościach spada, odpowiadając spadającemu ciśnieniu atmosferycznemu.

Wrząca woda jest wykorzystywana jako metoda przygotowania jej do picia poprzez zabijanie drobnoustrojów i wirusów, które mogą być obecne. Wrażliwość różnych mikroorganizmów na ciepło jest różna. Ale jeśli woda jest utrzymywana w temperaturze 100 °C (212 °F) przez minutę, większość mikroorganizmów i wirusów jest inaktywowana. Dziesięć minut w temperaturze 70 °C (158°F) jest również wystarczające dla większości bakterii.

Wrzącej wody używa się również w kilku metodach gotowania , w tym w gotowaniu, gotowaniu na parze i gotowaniu.

Rodzaje

Nukleat

Wrząca woda nuklearna nad palnikiem kuchennym

Wrzenie jądrowe charakteryzuje się powstawaniem pęcherzyków lub trzasków na rozgrzanej powierzchni, która wznosi się z odrębnych punktów na powierzchni, której temperatura jest tylko nieznacznie wyższa od temperatury cieczy. Ogólnie liczbamiejsc zarodkowania zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury powierzchni.

Nieregularna powierzchnia naczynia do wrzenia (tj. zwiększona chropowatość powierzchni) lub dodatki do płynu (tj. surfaktanty i/lub nanocząstki) ułatwiają wrzenie pęcherzykowe w szerszym zakresie temperatur, podczas gdy wyjątkowo gładka powierzchnia, taka jak plastik, nadaje się do przegrzanie . W tych warunkach podgrzana ciecz może wykazywać opóźnienie wrzenia, a temperatura może nieznacznie przekroczyć temperaturę wrzenia bez wrzenia.

Krytyczny strumień ciepła

Krytyczny strumień ciepła (CHF) opisuje granicę cieplną zjawiska, w którym podczas nagrzewania zachodzi zmiana fazy (np. tworzenie się pęcherzyków na powierzchni metalu służącej do podgrzewania wody ), co nagle obniża sprawność wymiany ciepła , powodując w ten sposób miejscowe przegrzanie powierzchnia grzewcza. Gdy powierzchnia wrzenia jest podgrzewana powyżej temperatury krytycznej, na powierzchni tworzy się warstwa pary. Ponieważ ta warstewka pary jest znacznie mniej zdolna do odprowadzania ciepła z powierzchni, temperatura wzrasta bardzo szybko powyżej tego punktu, aż do przejścia w reżim wrzenia . Punkt, w którym to nastąpi, zależy od charakterystyki wrzącej cieczy i danej powierzchni grzewczej.

Przemiana

Wrzenie przejściowe można zdefiniować jako wrzenie niestabilne, które występuje w temperaturach powierzchni pomiędzy maksimum osiągalnym we wrzeniu pęcherzykowym a minimum osiągalnym we wrzeniu błonowym.

Tworzenie się bąbelków w podgrzanej cieczy jest złożonym procesem fizycznym, który często wiąże się z kawitacją i efektami akustycznymi, takimi jak syk o szerokim spektrum, który słychać w czajniku, który nie został jeszcze podgrzany do punktu, w którym bąbelki gotują się na powierzchnię.

Film

Jeżeli powierzchnia ogrzewająca ciecz jest znacznie gorętsza niż ciecz, to nastąpi wrzenie filmu, w którym cienka warstwa pary o niskiej przewodności cieplnej izoluje powierzchnię. Ten stan warstewki pary izolującej powierzchnię od cieczy charakteryzuje wrzenie warstewki .

Fizyka

Charakterystycznym atrybutem tego pierwiastka jest temperatura wrzenia pierwiastka przy danym ciśnieniu. Odnosi się to również do wielu prostych związków, w tym wody i prostych alkoholi . Po rozpoczęciu wrzenia i pod warunkiem, że wrzenie pozostaje stabilne, a ciśnienie jest stałe, temperatura wrzącej cieczy pozostaje stała. Ta cecha doprowadziła do przyjęcia temperatur wrzenia jako definicji 100°C.

Destylacja

Mieszaniny cieczy lotnych mają temperaturę wrzenia specyficzną dla tej mieszaniny, wytwarzając parę o stałej mieszance składników - mieszankę o stałej temperaturze wrzenia . Ta cecha umożliwia oddzielenie lub częściowe oddzielenie mieszanin cieczy przez gotowanie i jest najlepiej znana jako sposób oddzielania etanolu od wody.

Zastosowania

Chłodnictwo i klimatyzacja

Większość rodzajów chłodnictwa i niektóre rodzaje klimatyzacji działają poprzez sprężanie gazu, aby stał się płynny, a następnie pozwalając mu się zagotować. Adsorbuje ciepło z otoczenia, schładzając lodówkę lub zamrażarkę lub chłodząc powietrze wchodzące do budynku. Typowe ciecze to propan , amoniak , dwutlenek węgla lub azot .

Do przygotowywania wody pitnej

Jako metoda dezynfekcji wody, doprowadzanie jej do temperatury wrzenia w temperaturze 100 °C (212 °F), jest najstarszą i najskuteczniejszą metodą, ponieważ nie wpływa na smak, jest skuteczna pomimo obecnych w niej zanieczyszczeń lub cząstek, oraz to jednoetapowy proces, który eliminuje większość drobnoustrojów odpowiedzialnych za wywoływanie chorób jelit . Temperatura wrzenia wody wynosi 100 ° C (212 ° F) na poziomie morza i przy normalnym ciśnieniu barometrycznym. W miejscach o odpowiedni do oczyszczania wody systemu, jest zalecane tylko jako sposób obróbki awaryjnego albo w celu uzyskania wody pitnej na pustyni lub na obszarach wiejskich, ponieważ nie można usunąć toksyny chemiczne lub zanieczyszczenia.

Eliminacja drobnoustrojów przez gotowanie przebiega zgodnie z kinetyką pierwszego rzędu — w wysokich temperaturach osiąga się to w krótszym czasie, a w niższych temperaturach w dłuższym czasie. Wrażliwość na ciepło mikroorganizmów jest różna, w 70 ° C (158° F), gatunki Giardia (powodują Giardiasis ) mogą trwać dziesięć minut do całkowitej inaktywacji, większość drobnoustrojów wpływających na jelita i E. coli ( zapalenie żołądka i jelit ) zajmuje mniej niż minutę; w temperaturze wrzenia Vibrio cholerae ( cholera ) trwa dziesięć sekund a wirus zapalenia wątroby typu A (powoduje objawy żółtaczki ) minutę. Gotowanie nie zapewnia eliminacji wszystkich mikroorganizmów; Przetrwalniki bakterii Clostridium mogą przetrwać w temperaturze 100 ° C (212 ° F), ale nie są przenoszone przez wodę ani nie wpływają na jelita. Tak więc dla zdrowia ludzkiego nie jest wymagana pełna sterylizacja wody.

Tradycyjna rada gotowania wody przez dziesięć minut ma głównie na celu dodatkowe bezpieczeństwo, ponieważ drobnoustroje zaczynają być eliminowane w temperaturach wyższych niż 60 ° C (140 ° F), a doprowadzenie jej do temperatury wrzenia jest również przydatną wskazówką, którą można zaobserwować bez pomocą termometru i do tego czasu woda jest dezynfekowana. Chociaż temperatura wrzenia spada wraz ze wzrostem wysokości, to nie wystarczy, aby wpłynąć na proces dezynfekcji.

W gotowaniu

Gotowany makaron

Gotowanie to metoda gotowania potraw we wrzącej wodzie lub innych płynach na bazie wody, takich jak wywar lub mleko . Simmering jest łagodny wrzenia, natomiast w kłusownictwo gotowania ruchy płynne, ale ledwie bąbelki.

Temperatura wrzenia wody jest zwykle uważana za 100°C lub 212 °F. Ciśnienie i zmiana składu cieczy mogą zmienić temperaturę wrzenia cieczy. Gotowanie na dużych wysokościach zazwyczaj trwa dłużej, ponieważ temperatura wrzenia jest funkcją ciśnienia atmosferycznego . Na wysokości około jednej mili (1600 m) woda wrze w temperaturze około 95 °C lub 203 °F. W zależności od rodzaju żywności i wysokości, wrząca woda może nie być wystarczająco gorąca, aby prawidłowo ugotować żywność. Podobnie, zwiększenie ciśnienia jak w szybkowarze podnosi temperaturę zawartości powyżej temperatury wrzenia na wolnym powietrzu.

Gotowanie w worku

Znany również jako „gotowanie w torebce”, obejmuje podgrzewanie lub gotowanie gotowych potraw zamkniętych w grubej plastikowej torbie. Torebkę z żywnością, często zamrożoną, zanurza się na określony czas we wrzącej wodzie. Otrzymane w ten sposób potrawy można przygotować z większą wygodą, ponieważ w procesie nie dochodzi do zabrudzenia garnków ani patelni. Takie posiłki są dostępne zarówno na kempingu, jak i w domu.

Kontrast z parowaniem

W dowolnej temperaturze cząsteczki cieczy mają różne energie kinetyczne. Niektóre cząstki o wysokiej energii na powierzchni cieczy mogą mieć wystarczającą energię, aby uciec od międzycząsteczkowych sił przyciągania cieczy i stać się gazem. Nazywa się to parowaniem.

Parowanie zachodzi tylko na powierzchni, podczas gdy gotowanie odbywa się w całej cieczy. Gdy ciecz osiąga temperaturę wrzenia, tworzą się w niej pęcherzyki gazu, które unoszą się na powierzchnię i wyrzucają w powietrze. Ten proces nazywa się gotowaniem. Jeżeli wrząca ciecz jest podgrzewana mocniej, temperatura nie wzrasta, ale ciecz wrze szybciej.

To rozróżnienie dotyczy wyłącznie przejścia z cieczy w gaz; każde przejście bezpośrednio od ciała stałego do gazu jest zawsze określane jako sublimacja, niezależnie od tego, czy jest w temperaturze wrzenia, czy nie.

Zobacz też

Bibliografia