Fazne spremembe: vrenje in kondenzacija

Poizkus:
Lonec z 1 kg vode s T=10 °C grejemo, enakomerno mešamo in v enakomernih časovnih intervalih merimo temperaturo. Med dovajanjem toplote temperatura enakomerno narašča, pri 100 °C pa se ustavi (slika 7.16).

Opazimo pa, da voda začne vreti. Dokler imamo zmes vrele vode in pare, je temperatura stalna, saj se dovedena toplota porablja za izparevanje vode. Šele ko vsa voda izpari, temperatura spet narašča (nad 100 °C). Da izparimo 1 kg vode, potrebujemo 630 Wh toplote. Tej toploti pravimo specifična izparilna toplota qi.

Pri temperaturi 100 °C imamo le vodo, nad 100 °C pa le paro. Voda in para se lahko skupaj pojavita le pri 100 °C, to velja za običajen zračni tlak 1 bar. temperatura. pri kateri sta kapljevinsko in plinsko stanje v ravnovesju, da lahko obstajata drugo ob drugem. se imenuje vrelišče Tv. 
Kapljevina s temperaturo vrelišča se imenuje vrela kapljevina, pri vodi je to 100 °C. Če vreli vodi dovajamo toploto, ta izpareva in se spreminja v paro. Čim več toplote dovedemo, več vode izpari. Dokler je še kaj vode, se temperatura kljub dovajanju toplote ne dvigne nad 100 °C.

Para s kondenzacijo oddaja kondenzacijsko toploto. Ta je enako velika kot izparilna toplota. Kolikor toplote je potrebno, da kapljevina izpari, toliko se je sprosti pri obratni spremembi, ko se para pri enaki temperaturi kondenzira. Če želimo 1 kg  pare s temperaturo 100 °C (pri tlaku 1 bar) kondenzirati, ji moramo odvzeti qi = 630 Wh toplote. Kondenzacijska toplota je enaka izparilni. Para s temperaturo vrelišča se imenuje nasičena para. Pri tlaku 1 bar ima nasičena para temperaturo 100 °C. Nasičena para oddaja toploto s tem. da se kondenzira = spremeni v kapljevino.


Vrenje se razlikuje od hlapenja predvsem v tem, da je bolj burno, da poteka po vsej notranjosti kapljevine (hlapenje pa le s površja proste gladine), vendar je možno le pri temperaturi vrelišča (hlapenje pa pri vseh temperaturah).

Mehurčki pare nastanejo najprej na stenah in na dnu posode ter ob raznih tujih delcih (npr. prah) ki so v kapljevini. Para vstopa v mehurček podobno kot izhlapeva s površja gladine (slika 7.17). Tlak pare v mehurčku je približno enak nasičenemu parnemu tlaku pri temperaturi kapljevine. ker je prostornina pare veliko večja od prostornine kapljevine, ki se je spremenila v paro, parni mehurček ob nastanku razrine obdajajočo ga kapljevino. Temu nasprotuje zračni tlak, ki pritiska na gladino kapljevine. Mehurček zato nastane le, če je tlak pare v mehurčku pn večji od zunanjega zračnega tlaka p (slika 7.18). Vrenje se torej prične, ko je kapljevina dovolj segreta, da nasičeni parni tlak preseže zračni tlak, ki pritiska na kapljevino. Kot vrelišče je definirana temperatura, pri kateri je nasičeni parni tlak enak zunanjemu zračnemu tlaku. Če zunanji zračni tlak povečamo, se mora povečati tudi nasičeni parni tlak kapljevine, da bo kapljevina vrela, to je, vrelišče se mora povišati.

Krivuljo na sliki 7.19, ki prikazuje odvisnost nasičenega parnega tlaka kapljevine od temperature, lahko torej interpretiramo tudi kot krivuljo odvisnosti vrelišča Tv od zunanjega tlaka p, ki pritiska na gladino vode.

Vrelišče kapljevine narašča, če se zunanji zračni tlak povečuje, in se znižuje, če tlak pada. Da vrelišče kapljevine v večanjem tlaka nad kapljevino narašča je logično. Z vrenjem se namreč prostornina povečuje, to pa zunanji tlak ovira. Povečan tlak torej ovira prehajanje kapljevine v plinasto stanje, zato se mora ta bolj segreti, da je prehod kljub povečanju tlaka možen.

Ker se prostornina z vrenjem močno poveča (1 liter vode bi se pri stalnem tlaku 1 bar moral z vrenjem raztegniti kar 1600-krat), je tudi vrelišče močno odvisno od tlaka (če bi se prostornina snovi ob vrenju ne spremenila, vrelišče ne bi bilo odvisno od tlaka).

Kako se vrelišče vode spreminja s tlakom?

Vodo v odprtem loncu segrejemo do vrelišča 100 °C (pri zunanjem tlaku 1 bar), da začne vreti. Nastajajoča paro skoraj povsem izrine zrak iz posode (v takšnem ozračju torej človek nebi mogel dihati). Posodo nepropustno zapremo s pokrovom, ki ima varnostno zaklopko (ekonom lonec, slika 7.20). Utež na preški zaklopke premikamo in s tem spreminjamo tlak, pri katerem se zaklopka odpre. utež nor. nastavimo tako, da se zaklopka  odpre pri tlaku 2 bara.

Vodo še naprej segrevamo. Temperatura vode narašča nad 100 °C, čeprav vsa voda ni izparela. Izpari toliko vode, kolikor je potrebno, da se tlak pare izenači s nasičenim parnim tlakom pri povišani temperaturi. Opazimo, da se temperatura vode v loncu med segrevanjem povišuje do 120 °C, če je tlak nad gladino vode 2 bara. Podobno ugotovimo, da se vrelišče vode dvigne na 180 °C, če se tlak nad vodo poveča na 10 barov.

Prav tako lahko naredimo podoben poizkus v obratni smeri, če s črpalko črpamo zrak iz posode in s tem manjšamo tlak. Temperatura vrelišča pri tem pade pod 100 °C.