Skraplanie

Gdy od wody mającej temperaturę 0 stopni odbieramy ciepło, pociąga to za sobą krzepnięcie wody, a więc powrót do stanu stałego. Również łatwo przewidzieć, co się stanie, gdy odbierzemy ciepło od pary otrzymanej np. podczas wrzenia. Powróci ona także do pierwotnego stanu ciekłego – skropli się, zwracając w ten sposób to ciepło, które poprzednio zabierała wrząca ciecz dla osiągnięcia wprost przeciwnej zmiany stanu skupienia cząsteczek (zmiany cieczy na gaz).

Otóż para, przechodząca w stan ciekły i oddająca przy tym ciepło parowania posłuży nam do zorientowania się w jego wielkości.

Bierzemy kolbkę o pojemności 200-300 cm3 i wypełniwszy ją w połowie wodą zatykamy szczelnym korkiem, zaopatrzonym w dłuższą rurkę (owiniętą w watę, żeby nie tak łatwo stygła), dwa razy zgiętą i przeznaczoną do wyprowadzenia pary, powstającej w kolbie przy wrzeniu.

Poza tym przygotowujemy jeszcze zlewkę o pojemności około 250 cm3, odważamy w niej dokładnie pewną ilość wody (około 200 gr.), mierzymy jej temperaturę i gotujemy. Gdy woda zacznie już na dobre gotować się w kolbie, a para uchodzić z rurki, wstawiamy rurkę do zlewki z wodą, zanurzając koniec mniej więcej na głębokość 3 – 4 cm.

Parę przepuszczamy w ciągu np. 5 minut, mieszając wodę w zlewce przy pomocy termometru, potem rurkę wyjmujemy, gasząc jednocześnie palnik pod kolbą. Oznaczmy teraz temperaturę wody w zlewce.

Po zanotowaniu jej stawiamy zlewkę z wodą na czułą wagę i przez ważenie, znając dawny przed przepuszczaniem pary jej ciężar, dowiadujemy się, ile wody w zlewce przybyło z powodu skroplenia się wpuszczanej do niej pary.

Przyrost ciężaru wody okazał się nieznaczny, a jakżeż wiele ciepła przyniosła z sobą ta drobna ilość pary skroplonej, skoro tak widocznie podniosła się temperatura wody w zlewce!

Zróbmy nadto następujące porównanie. Z poprzedniego wiemy już, ile potrzeba było wpuścić pary, żeby wzięte na początku 200 gr. wody zostało ogrzane o zaobserwowaną przez nas ilość stopni. Weźmy jeszcze tę samą, 200 gr., co poprzednio, ilość wody w zlewce o temperaturze pokojowej (zmierz jej temperaturę!), a zrównoważywszy ją na wadze, dołóżmy na talerzyk z odważnikami tyle gramów, ile wynosiła ilość skroplonej pary w uprzednim doświadczeniu, a następnie dolejmy do zlewki (stojącej na drugim talerzyku wagi) tyle wody o temp. 100 stopni, żeby znowu osiągnąć stan równowagi.

W ten sposób dodaliśmy obecnie ilość wody wrzącej równą ilości poprzednio skroplonej pary.

Wymieszawszy dobrze wodę w zlewce, zapisujemy osiągniętą temperaturę, a odjąwszy od niej tę, jaka była przed dolaniem wrzątku, będziemy wiedzieli, jaki przyrost temperatury wywołało dodanie wrzątku.

Jakże odmienny wynik!

Zastanówmy się nad wynikami naszych dwóch ostatnich doświadczeń. A więc do tych samych ilości wody o tej samej temperaturze zostały dodane również w jednakowej ilości (gramów) w jednym wypadku para, w drugim woda, posiadające każda temperaturę 100 stopni. Czy temperatura wody w obydwu razach podniosła się o jednakową ilość stopni? Nie, w przypadku pary nierównie więcej. Jakiż stąd wniosek?

Para skraplając się, oddaje ogromne ilości ciepła, które poprzednio podczas wrzenia na jej wytworzenie zostało pobrane z płomienia palnika; stąd też pochodzi to znaczne ogrzewanie się ciał, które wywołały jej skroplenie (w danym przykładzie wody w zlewce), pomimo małej ilości pary skroplonej.

Dokładne badania ujawniły, że ciepło parowania wody wynosi aż 537 kalorii, tj. dla zamiany każdego grama wody, ogrzanego już do 100 stopni, na 1 gr. pary także 100 stopni (wszak w naszych poprzednich doświadczeniach termometr, znajdujący się w parze podczas wrzenia, wskazywał tę samą temperaturę, co i termometr zanurzony w wodzie) dostarczyć trzeba 537 kalorii ciepła (ilość olbrzymia!).

Odwrotnie, gdy 1 gr. pary o temperaturze 100 stopni zamienia się przez skroplenie na 1 gr. wody (również o 100 stopni.), to zwraca znowu owe 537 kalorii, zwane teraz ciepłem skroplenia, wywołując tym ogrzewanie otoczenia.

Mieszkania nasze często ogrzewamy przy pomocy tak zwanych kaloryferów, w których krąży para, wytwarzana w kotle; przy zetknięciu się z chłodniejszą ścianką kaloryfery para się skrapla i ogrzewa pomieszczenie.

Woda, chociaż niezbyt szybko paruje, (bo ma dosyć wysoki punkt wrzenia) jednak, parując np. z powierzchni naszego ciała, dość silnie chłodzi nas, ponieważ posiada w porównaniu z innymi cieczami, nawet prędzej parującymi, bardzo duże ciepło parowania. Na zamianę zatem każdej kropli na parę chłonie ona dużą ilość kalorii, np. ze zwilżonej ręki – stąd uczucie zimna. Alkohol, a szczególniej eter, w zwykłej temperaturze parują prędzej od wody, bo bliżej im w tej temperaturze do ich własnej temperatury wrzenia.

Wpływ ciśnienia na temperaturą wrzenia

Wrzenie, które wywoływaliśmy dotychczas, odbywało się na otwartym powietrzu pod ciśnieniem atmosferycznym, ponieważ naczynie, zawierające wrzącą ciecz, było przez cały czas otwarte. Gzy jednak temperatura wrzenia, dotąd stała, uległaby zmianie w razie zmiany ciśnienia tego gazu, który jest z wrzącą cieczą w bezpośrednim zetknięciu (np. powietrza?). Już dawno wielu podróżników, docierających do szczytów wysokich gór, jak Mont-Blanc. w Alpach, stwierdziło, że woda wrze w temperaturze znacznie niższej, niż 100 stopni (np. na górze Mont-Blanc w 85 stopni).

Na górach przecież ciśnie krótszy słup powietrza, niż w dolinach, a więc ciśnienie jego jest mniejsze; to właśnie wpływa na obniżenie temperatury wrzenia.

Zmniejszenie ciśnienia sprowadzić możemy też sztucznie, a wraz z tym okazać obniżenie temperatury wrzenia cieczy.

Wykonajmy w tym celu prosto i ciekawe doświadczenie! Weźmy kolbę (około litra), najlepiej o dnie okrągłym i wypełniwszy ją do połowy wodą, zagrzejmy do wrzenia. Wrzenie to należy podtrzymywać w ciągu mniej więcej pięciu minut, żeby wydobywająca się z kolby para stopniowo usunęła całe znajdujące się tam uprzednio powietrze, sama zastępując jego miejsce. Po upływie tego czasu odstawiamy na bok palnik i natychmiast zatykamy kolbę szczelnym korkiem gumowym. Wtedy odwracamy ją do góry dnem i zaczynamy polewać zimną wodą. Woda nagle wrzeć zaczyna, chociaż jej wcale nie ogrzewamy, przeciwnie, nawet chłodzimy. Jakże to sobie wytłumaczyć?

Bardzo prosto. Przy polewaniu chłodną wodą ścianki kolby stygną, wywołując tym samym skraplanie, a więc znikanie pary wewnątrz samej kolby. Skutek jest taki, jak gdyby para była usunięta, stąd zmniejszenie ciśnienia pary wewnątrz kolby i co za tym idzie, wrzenie wody w temperaturze niższej, niż na otwartym powietrzu. Zwiększenie ciśnienia gazu (np. powietrza lub pary), jak łatwo przewidzieć, sprawia skutek wprost odwrotny, mianowicie, podnosi temperaturę wrzenia cieczy.

Z wyższą temperaturą- wrzenia z powodu większego ciśnienia spotykamy się na przykład w kotłach parowych, dostarczających pary do maszyn parowych. W nich para w mniejszej ilości uchodzi z kotła, niż jej się w każdej chwili wytwarza z wody w kotle, stąd powstaje pewien nadmiar ciśnienia (ono to nieraz może rozerwać kocioł), który wywołuje podwyższenie temperatury wrzenia wody w kotle.

Obecnie, gdy już kończymy rozdział o wrzeniu i parowaniu, zastanówmy się jeszcze przez chwilę nad tym, czym się różni burzliwe wrzenie od spokojnego parowania.

Jedno i drugie prowadzi do zamiany cieczy na parę. Każde z nich zużywa ciepło parowania. Ale parowanie może się odbywać w każdej temperaturze, wrzenie zaś tylko w pewnej określonej (jeśli mówimy np. o wrzeniu na otwartym powietrzu).

Poza tym parowanie zachodzi jedynie u swobodnej powierzchni cieczy, natomiast podczas wrzenia zamiana cieczy na parę odbywa się nie tylko u tej powierzchni, lecz równie dobrze i wewnątrz samej cieczy (tworzenie się pęcherzyków pary w głębi cieczy wrzącej).