Творческое задание, страница 79 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Подготовьте сообщение на тему:

«Использование процесса кипения при низком и высоком давлении в промышленности».

Процесс кипения представляет собой фазовый переход вещества из жидкого состояния в газообразное, который происходит при определенной температуре, называемой температурой кипения. Ключевой особенностью этого процесса является то, что температура кипения напрямую зависит от внешнего давления, оказываемого на поверхность жидкости. Чем выше давление, тем выше температура кипения, и наоборот, при понижении давления жидкость закипает при более низкой температуре. Эта зависимость математически описывается уравнением Клапейрона-Клаузиуса: $ \frac{dP}{dT} = \frac{L}{T(V_{пар} - V_{жид})} $, где $P$ – давление, $T$ – абсолютная температура, $L$ – удельная теплота парообразования, а $V_{пар}$ и $V_{жид}$ – удельные объемы пара и жидкости. Умение управлять температурой кипения путем изменения давления нашло широчайшее применение в различных отраслях промышленности.

Использование процесса кипения при низком давлении

Создание разрежения (вакуума) над поверхностью жидкости приводит к значительному снижению ее температуры кипения. Этот принцип используется для обработки веществ, чувствительных к высоким температурам.

Пищевая промышленность: При производстве фруктовых соков, томатной пасты, сгущенного молока необходимо удалить избыток воды. Выпаривание при атмосферном давлении (при 100°C для воды) привело бы к разрушению витаминов, потере вкуса и аромата, а также к изменению цвета продукта. Использование вакуум-выпарных установок позволяет кипятить воду при температурах 40-60°C, сохраняя качество конечного продукта. Аналогично, при производстве сахара из свекловичного сока выпаривание воды под вакуумом предотвращает карамелизацию сахарозы.

Фармацевтическая промышленность: Многие лекарственные препараты, такие как антибиотики, вакцины и гормоны, являются термически нестабильными. Для получения сухого вещества из раствора используется вакуумная сушка, при которой растворитель (чаще всего вода) испаряется при низкой температуре, не повреждая активные компоненты препарата.

Химическая промышленность: Вакуумная дистилляция применяется для разделения смесей высококипящих органических веществ, которые разлагаются при попытке их перегонки при атмосферном давлении. Этот метод незаменим в нефтепереработке для разделения тяжелых фракций нефти (мазута) на масла и гудрон, а также в производстве пластификаторов и витаминов.

Ответ: Использование кипения при пониженном давлении позволяет проводить выпаривание и дистилляцию при низких температурах, что необходимо для сохранения свойств термочувствительных материалов в пищевой, фармацевтической и химической промышленности.

Использование процесса кипения при высоком давлении

Повышение давления над жидкостью приводит к увеличению ее температуры кипения. Это свойство используется для достижения высоких температур и повышения эффективности процессов.

Энергетика: На тепловых и атомных электростанциях вода в паровых котлах нагревается под огромным давлением (до сотен атмосфер). Это позволяет довести ее температуру кипения до 300-400°C и выше. Получаемый перегретый пар высокого давления обладает большой энергией и с высокой эффективностью вращает турбины, которые приводят в действие электрогенераторы. Чем выше температура и давление пара, тем выше КПД тепловой машины, что ведет к экономии топлива.

Медицина и стерилизация: Для надежной стерилизации медицинских инструментов, перевязочных материалов и питательных сред используются автоклавы. В них за счет повышения давления (обычно до 2 атмосфер) температура кипения воды поднимается до 121-134°C. При такой температуре в течение 15-20 минут погибают не только все микроорганизмы, но и их чрезвычайно устойчивые споры, чего невозможно достичь при обычном кипячении при 100°C.

Химическая промышленность: Многие химические реакции требуют высоких температур для увеличения скорости их протекания. Если реакция проводится в жидкой среде, то для достижения температур выше точки кипения реагентов или растворителя при атмосферном давлении процесс ведут в герметичных реакторах (автоклавах) под давлением. Это позволяет интенсифицировать синтез многих органических и неорганических веществ.

Пищевая промышленность: Промышленные автоклавы (и их бытовые аналоги – скороварки) используются для консервирования продуктов, особенно низкокислотных (мясо, рыба, овощи). Термическая обработка при температурах выше 100°C гарантирует уничтожение опасных бактерий, например, Clostridium botulinum, и значительно сокращает время приготовления.

Ответ: Использование кипения при повышенном давлении позволяет достигать сверхвысоких температур для эффективной генерации энергии, надежной стерилизации, ускорения химических реакций и быстрой термической обработки продуктов.