Вопрос о том, что происходит с медом при нагревании, волнует многих. Эта тема сопровождается рядом мифов. Главным аргументом о вреде является образование ядовитого вещества оксиметилфурфурола. При этом упор делался на то, что ежедневное применение натурального нагретого продукта способно чуть ли не убить организм. Чтобы понять, что же действительно происходит с медовой массой, и можно ли нагревать мед, стоит более детально взглянуть на проблему.
Особенности структуры
Компоненты меда особо чувствительны не только к нагреванию, но и к условиям хранения. Продукт представляет собой частично переработанную пыльцу цветов, которая образуется в зобе медоносной пчелы. Все ферментативные процессы в нем длятся в течение двух лет, все это время масса обладает целебными свойствами. При этом целебные качества состава различаются в зависимости от количества ферментов и азотистых веществ.
Поэтому польза меда от разных пчел может отличаться. Более ценными сортами являются те, что были собраны пчелами из разных трав. Продукт используют в пищу для лечения заболеваний, в косметологии, для ухода за кожей и локонами. И вот тут-то и возникает спорный вопрос о нагревании, поскольку для многих рецептов мед нагревают, заявляя о пользе, в то время как та же наука доказывает, что нагревание делает полезный состав губительным для здоровья человека. На деле изменения есть, но не все так однозначно.
К примеру, для косметических масок мед приходится растапливать, поскольку не всегда есть возможность наносить свежий, пока еще не засахарившийся состав. Густая масса не сможет соединиться с другими компонентами рецептов, а крупные частицы могут поранить кожу. Растапливают продукт и в современной медицине, однако нужно знать предельный уровень температуры, чтобы не изменить структуру.
Иногда нельзя обойтись без нагревания (к примеру, нужно спасти мед, который начал бродить). Однако и метод нагревания может сказаться на целебных качествах состава. Поэтому в одних случаях при нагревании он остается полезным, а в других не только теряет целебные свойства, но и может стать токсичным.
Влияние температуры
Мало кто из покупателей задумывается о том, что перед фасовкой натуральный мед нагревают, применяя для розлива специальные машины. Не стоит рассматривать синтетический аналог, который не имеет вовсе никакой пользы. Что же касается натурального продукта, его обязательно фильтруют, что невозможно, когда он загустевший. Изменение температуры структуры приводит к запуску определенных процессов и скажется на консервирующем действии.
По этой причине нужно знать, что происходит при нагревании с разными показателями температуры. Считается, что питательные и целебные свойства с повышением температуры до +40 +45 градусов снижаются в незначительной мере и что чем меньше греть мед, тем выше будут его бактерицидные и иммуномодулирующие качества. Однако при нагревании ферментов и разрушении некоторых витаминов высвобождаются подвижные ионы металлов. А это активирует действие биологических катализаторов. При этом нормализуется деятельность клеток.
Поэтому нагрев до 40 градусов не столь страшен для медовой массы и ее пользы. «Живые» свойства сохраняются при температуре не более 15-25 градусов С (комнатной t). Однако это не означает, что нагретый состав нельзя употреблять в пищу или использовать в качестве масок для кожи и волос.
Сложно спорить и принимать одну из сторон, поскольку народная медицина доказывает эффективность горячего чая с медом, в то время как ученые считают, что горячий чай – не более чем согревающий напиток. Однако замечено, что употребление медового чая, действительно, способствует скорому выздоровлению. То же можно сказать и о теплых масках для кожи и волос: холодные составы не столь эффективны при регулярном применении.
Увеличение концентрации оксиметилфурфурола происходит в том случае, когда его нагревают до температуры +80 градусов. Это канцероген, который может накапливаться в организме и практически не выводится из него.
Но стоит заметить, что его количество даже при частом употреблении в разогретом виде в десятки раз меньше, чем при аналогичном употреблении газированных напитков, а также жареного кофе.
Мед не превращается в смертельный яд при нагреве, но с существенным повышением температуры он теряет энергетическую ценность. Поэтому более эффективным решением будет пить горячее молоко или чай отдельно, не смешивая с медом в 1 напиток. Отравиться им сразу невозможно, поскольку ни один человек не сможет съесть разогретый продукт в огромном количестве (порядка 6 кг в день). При температуре +50 градусов мед теряет свой аромат и полностью утрачивает бактерицидные свойства. И тут становится понятно, почему более эффективен и полезен товар, купленный у пчеловодов, нежели продукт, разлитый по магазинным упаковкам.
Как нужно греть?
Сегодня мед разогревают по-разному. Но не каждый способ позволяет сохранить полезные свойства в максимальной мере без вреда здоровью. Источником оксиметилфурфурола является фруктоза, находящаяся в составе. При неправильном нагревании образование токсина ускоряется.
Чтобы понять, что можно, а что нельзя, стоит узнать нюансы разных приемов придания меду пластичности. Водяная баня считается более щадящим и правильным методом растапливания густого продукта с сохранением его целебных качеств. Максимальный предел температуры составляет +35 +40 градусов. Берут широкую тару и наполняют ее чистой водой.
На дно опускают натуральную ткань либо полотенце, после чего опускают емкость с медом и ставят на плиту. Внимательно следят за тем, чтобы температура воды не превышала +40 градусов С, для чего пользуются кулинарным термометром. После плиту ставят на минимальную отметку и непрерывно помешивают массу, пока мед не растает. Это позволит растопить мед медленно и равномерно.
Другим вариантом нагрева является подогрев застывшей массы возле батареи. Правда, такой метод самый медленный по сравнению с другими, но он эффективен, не вреден и позволяет сохранить всю пользу меда. Поэтому при постепенном растапливании он не выделяет вредных веществ. Банку с засахарившимся продуктом ставят возле радиатора на расстоянии от 10 до 40 см.
Кроме двух перечисленных методов, для нагрева используют электрический духовой шкаф с регулятором температуры. В летнее время года можно ставить банку с медом на балкон, залитый солнцем. Однако нельзя допускать прямого попадания солнечных лучей.
Как хранить?
Важно учесть, что и хранение меда должно быть правильным. В противном случае он не только засахарится и загустеет, но может и забродить. Если хранить его правильно, он не утратит целебных качеств. Тара не должна быть стеклянной, поскольку при загустении мед будет сложно достать из банки, не разбив ее.
Для хранения подойдет эмалированная, керамическая либо деревянная емкость. Нужна крышка, чтобы не пропускать воздух и влагу. Чтобы мед не впитал посторонние запахи, банки нужно помыть с применением соды. Нежелательно постоянно и долго хранить мед в холоде при низкой температуре, поскольку она тоже влияет на консистенцию и полезные качества состава.
Фасовка в домашних условиях позволит сберечь полезные компоненты. Натуральный мед можно разлить по емкостям сразу после покупки, пока он свежий и жидкий.
Однако кислотность меда конкретного вида различна, поэтому биохимические процессы под действием имеющихся в составе ферментов будут происходить постоянно. При нагревании до +50 градусов в течение нескольких часов наряду с уменьшением числа ферментов увеличится количество 5-гидроксиметилфурфурола.
Как отличить?
При высокой температуре нагревания мед потемнеет. Перегретым считается продукт, прошедший термическую обработку при температуре более +60 градусов С. Нередко для продажи недобросовестный продавец может растопить мед, чтобы покупатель видел жидкую консистенцию и считал продукт свежевыкачанным. Определить свежесть можно внешне: независимо от разновидности, свежий продукт не имеет водянистой структуры. Он тягучий, имеет ярко выраженный цветочный запах и вкус.
Если при покупке продукт не имеет запаха и подозрительно темный на вид, – это разогретый мед. Кроме того, у старого меда карамельный привкус.
Сегодня каждый продукт подвергается тщательной проверке на вред или пользу для организма. Не исключением является и мед. Однако согласно исследованиям, нет научно доказанных данных, что нагрев провоцирует отравление организма. Существует немало рецептов народной медицины, где требуется именно нагретый мед.
При этом согласно многочисленным отзывам, оставленным на просторах Всемирной паутины, именно добавление меда в горячие напитки увеличивает лечебные свойства и способствует скорейшему выздоровлению. Отмечается, что чем он свежее, тем эффективнее. Применение в косметологии также указывает на необходимость нагревания меда не столько для растапливания и соединения с другими компонентами масок, сколько для лечебного эффекта. Везде отмечается, что медовые маски должны быть теплыми, иначе их эффективность будет снижена. При этом указывается, что регулярное нанесение теплых медовых составов на пряди и корни позволяет добиться роскошных волос, вернуть им природную красоту и жизненный блеск.
О том, опасен ли разогретый мед, смотрите в следующем видео.
Многие металлы и сплавы, нагретые до высокой температуры, становятся пластичными. Железо, сталь, медь, алюминий, магний, латунь, алюминиево-железистая бронза, дюралюмин и некоторые другие металлы и сплавы при нагревании приобретают способность коваться и изменять свою форму без разрушения. Другие металлы и сплавы, например, серый чугун, оловянистая бронза, цинковые сплавы в нагретом состоянии не приобретают способности деформироваться, при ударах и сдавливании становятся хрупкими и разрушаются. Для железа и стали обычно чем выше температура нагрева, тем выше пластичность. Так, например, для стали, нагретой до. 950°, усилие при ковке потребуется в 2,2 раза больше, чем для стали, нагретой до 1200°, а для стали, нагретой до 700°, усилие потребуется в 4,5 раза больше.
Между прочим, улучшение пластичности относится к температурам нагрева выше 600°, т. е. когда в стали начнут происходить внутренние превращения, о чем подробно будет сказано позднее. При нагреве же от комнатной температуры, т. е. от 15° до 600° прочность стали изменяется не одинаково, а именно: до температуры 300° предел прочности углеродистой стали на растяжение увеличивается и только при нагреве выше 300° он начинает уменьшаться. Ho, получая при температуре около 300° повышенный предел прочности, сталь при этих температурах становится хрупкой и приобретает, как говорят, синеломкость.
При температуре, близкой к 600°, предел прочности стали уменьшается очень резко. Так, если взять обычную углеродистую сталь марки 45, то предел ее прочности падает с 60 кг/мм2 при 15° до 25 кг/мм2 при 600°, т. е. больше чем в два раза. При температурах выше 600° уменьшение предела прочности идет медленнее, но все же очень значительно. Так, при температуре 700° сталь марки 45 имеет предел прочности 15 кг/мм2; при 1000°-5,5 кг/мм2; при 1200° - 2,5 кг/мм2; при 1300° - 2,0 кг/мм2. Таким образом, прочность стали, нагретой до температуры 1200-1300°, по сравнению с холодной сталью уменьшается примерно в 25-30 раз.
При нагреве цветных металлов и сплавов наблюдается сходная картина. Разница лишь только в том, что поскольку они имеют температуру плавления более низкую, чем сталь, то все критические температуры их смещаются вниз. Например, при нагреве до 800° прочность меди уменьшается в 6-7 раз, прочность алюминия при нагреве до 600° уменьшается в 30-35 раз.
Таким образом, нагретые металлы становятся в 25-35 раз менее прочными. Следовательно, в нагретом состоянии они требуют примерно во столько же раз меньше усилий и расхода энергии для их деформации.
Если сталь нагревать еще дальше, т. е. до еще более высокой температуры - выше 1300°, то зерна становятся очень крупными и может начаться их быстрое оплавление. Этому часто препятствует сама печь, которая не может дать температуры, необходимой для расплавления стали - более 1400° Когда зерна или кристаллы начинают оплавляться, то в межкристаллическое пространство будет проникать кислород воздуха, образуя там на гранях зерен хрупкую пленку окислов железа. Металл начинает разрушаться вначале на поверхности, а затем разрушения проникают в глубину заготовки. Это и есть пережог стали. Чтобы не допустить пережога, который является неисправимым браком, нужно знать точно, какую наивысшую температуру может дать печь, и следить за тем, чтобы при этой температуре заготовки нагревались в течение только положенного короткого времени.
С изменением структуры изменяются и механические свойства металла. Чем крупнее зерна, тем сталь имеет меньшую прочность и не только за счет собственного металла, а также и за счет меж-кристаллического пространства, в котором расположены различные, менее прочные неметаллические материалы, например, сера и фосфор, которые плавятся при низких температурах. Нагретый металл, с увеличенными кристаллами, легче растянуть, а следовательно, потребуется меньшее усилие и для сжатия.
Темы кодификатора ЕГЭ : изменение агрегатных состояний вещества, плавление и кристаллизация, испарение и конденсация, кипение жидкости, изменение энергии в фазовых переходах.
Лёд, вода и водяной пар - примеры трёх агрегатных состояний вещества: твёрдого, жидкого и газообразного. В каком именно агрегатном состоянии находится данное вещество - зависит от его температуры и других внешних условий, в которых оно находится.
При изменении внешних условий (например, если внутренняя энергия тела увеличивается или уменьшается в результате нагревания или охлаждения) могут происходить фазовые переходы - изменения агрегатных состояний вещества тела. Нас будут интересовать следующие фазовые переходы .
Плавление
(твёрдое тело жидкость) и кристаллизация
(жидкость твёрдое тело).
Парообразование
(жидкость пар) и конденсация
(пар жидкость).
Плавление и кристаллизация
Большинство твёрдых тел являются кристаллическими , т.е. имеют кристаллическую решётку - строго определённое, периодически повторяющееся в пространстве расположение своих частиц.
Частицы (атомы или молекулы) кристаллического твёрдого тела совершают тепловые колебания вблизи фиксированных положений равновесия - узлов кристаллической решётки.
Например, узлы кристаллической решётки поваренной соли - это вершины кубических клеток «трёхмерной клетчатой бумаги» (см. рис. 1 , на котором шарики большего размера обозначают атомы хлора (изображение с сайта en.wikipedia.org.)); если дать испариться воде из раствора соли, то оставшаяся соль будет нагромождением маленьких кубиков.
Рис. 1. Кристаллическая решётка
Плавлением называется превращение кристаллического твёрдого тела в жидкость. Расплавить можно любое тело - для этого нужно нагреть его до температуры плавления , которая зависит лишь от вещества тела, но не от его формы или размеров. Температуру плавления данного вещества можно определить из таблиц.
Наоборот, если охлаждать жидкость, то рано или поздно она перейдёт в твёрдое состояние. Превращение жидкости в кристаллическое твёрдое тело называется кристаллизацией или отвердеванием . Таким образом, плавление и кристаллизация являются взаимно обратными процессами.
Температура, при которой жикость кристаллизуется, называется температурой кристаллизации . Оказывается, что температура кристаллизации равна температуре плавления: при данной температуре могут протекать оба процесса. Так, при лёд плавится, а вода кристаллизуется; что именно происходит в каждом конкретном случае - зависит от внешних условий (например, подводится ли тепло к веществу или отводится от него).
Как происходят плавление и кристаллизация? Каков их механизм? Для уяснения сути этих процессов рассмотрим графики зависимости температуры тела от времени при его нагревании и охлаждении - так называемые графики плавления и кристаллизации.
График плавления
Начнём с графика плавления (рис. 2 ). Пусть в начальный момент времени (точка на графике) тело является кристаллическим и имеет некоторую температуру .
Рис. 2. График плавления
Затем к телу начинает подводиться тепло (скажем, тело поместили в плавильную печь), и температура тела повышается до величины - температуры плавления данного вещества. Это участок графика.
На участке тело получает количество теплоты
где - удельная теплоёмкость вещества твёрдого тела, - масса тела.
При достижении температуры плавления (в точке ) ситуация качественно меняется. Несмотря на то, что тепло продолжает подводиться, температура тела остаётся неизменной. На участке происходит плавление тела - его постепенный переход из твёрдого состояния в жидкое. Внутри участка мы имеем смесь твёрдого вещества и жидкости, и чем ближе к точке , тем меньше остаётся твёрдого вещества и тем больше появляется жидкости. Наконец, в точке от исходного твёрдого тела не осталось ничего: оно полностью превратилось в жидкость.
Участок соответствует дальнейшему нагреванию жидкости (или, как говорят, расплава ). На этом участке жидкость поглощает количество теплоты
где - удельная теплоёмкость жидкости.
Но нас сейчас больше всего интересует - участок фазового перехода. Почему не меняется температура смеси на этом участке? Тепло-то подводится!
Вернёмся назад, к началу процесса нагревания. Повышение температуры твёрдого тела на участке есть результат возрастания интенсивности колебаний его частиц в узлах кристаллической решётки: подводимое тепло идёт на увеличение кинетической энергии частиц тела (на самом деле некоторая часть подводимого тепла расходуется на совершение работы по увеличению средних расстояний между частицами - как мы знаем, тела при нагревании расширяются. Однако эта часть столь мала, что её можно не принимать во внимание.).
Кристаллическая решётка расшатывается всё сильнее и сильнее, и при температуре плавления размах колебаний достигает той предельной величины, при которой силы притяжения между частицами ещё способны обеспечивать их упорядоченное расположение друг относительно друга. Твёрдое тело начинает «трещать по швам», и дальнейшее нагревание разрушает кристаллическую решётку - так начинается плавление на участке .
С этого момента всё подводимое тепло идёт на совершение работы по разрыву связей, удерживающих частицы в узлах кристаллической решётки, т.е. на увеличение потенциальной энергии частиц. Кинетическая энергия частиц при этом остаётся прежней, так что температура тела не меняется. В точке кристаллическая структура исчезает полностью, разрушать больше нечего, и подводимое тепло снова идёт на увеличение кинетической энергии частиц - на нагревание расплава.
Удельная теплота плавления
Итак, для превращения твёрдого тела в жидкость мало довести его до температуры плавления. Необходимо дополнительно (уже при температуре плавления) сообщить телу некоторое количество теплоты для полного разрушения кристаллической решётки (т.е. для прохождения участка ).
Это количество теплоты идёт на увеличение потенциальной энергии взаимодействия частиц. Следовательно, внутренняя энергия расплава в точке больше внутренней энергии твёрдого тела в точке на величину .
Опыт показывает, что величина прямо пропорциональна массе тела:
Коэффициент пропорциональности не зависит от формы и размеров тела и является характеристикой вещества. Он называется удельной теплотой плавления вещества . Удельную теплоту плавления данного вещества можно найти в таблицах.
Удельная теплота плавления численно равна количеству теплоты, необходимому для превращения в жидкость одного килограмма данного кристаллического вещества, доведённого до температуры плавления.
Так, удельная теплота плавления льда равна кДж/кг, свинца - кДж/кг. Мы видим, что для разрушения кристаллической решётки льда требуется почти в раз больше энергии! Лёд относится к веществам с большой удельной теплотой плавления и поэтому весной тает не сразу (природа приняла свои меры: обладай лёд такой же удельной теплотой плавления, как и свинец, вся масса льда и снега таяла бы с первыми оттепелями, затопляя всё вокруг).
График кристаллизации
Теперь перейдём к рассмотрению кристаллизации - процесса, обратного плавлению. Начинаем с точки предыдущего рисунка. Предположим, что в точке нагревание расплава прекратилось (печку выключили и расплав выставили на воздух). Дальнейшее изменение температуры расплава представлено на рис. (3) .
Рис. 3. График кристаллизации
Жидкость остывает (участок ), пока её температура не достигнет температуры кристаллизации, которая совпадает с температурой плавления .
С этого момента температура расплава меняться перестаёт, хотя тепло по-прежнему уходит от него в окружающую среду. На участке происходит кристаллизация расплава - его постепенный переход в твёрдое состояние. Внутри участка мы снова имеем смесь твёрдой и жидкой фаз, и чем ближе к точке , тем больше становится твёрдого вещества и тем меньше - жидкости.Наконец,вточке жидкостинеостаётсявовсе-онаполностьюкристаллизовалась.
Следующий участок соответствует дальнейшему остыванию твёрдого тела, возникшего в результате кристаллизации.
Нас опять-таки интересует участок фазового перехода : почему температура остаётся неизменной, несмотря на уход тепла?
Снова вернёмся в точку . После прекращения подачи тепла температура расплава понижается, так как его частицы постепенно теряют кинетическую энергию в результате соударений с молекулами окружающей среды и излучения электромагнитных волн.
Когда температура расплава понизится до температуры кристаллизации (точка ), его частицы замедлятся настолько, что силы притяжения окажутся в состоянии «развернуть» их должным образом и придать им строго определённую взаимную ориентацию в пространстве. Так возникнут условия для зарождения кристаллической решётки, и она действительно начнёт формироваться благодаря дальнейшему уходу энергии из расплава в окружающее пространство.
Одновременно начнётся встречный процесс выделения энергии: когда частицы занимают свои места в узлах кристаллической решётки, их потенциальная энергия резко уменьшается, за счёт чего увеличивается их кинетическая энергия - кристаллизующаяся жидкость является источником тепла (часто у проруби можно увидеть сидящих птиц. Они там греются!). Выделяющееся в ходе кристаллизации тепло в точности компенсирует потерю тепла в окружающую среду, и потому температура на участке не меняется.
В точке расплав исчезает, а вместе с завершением кристаллизации исчезает и этот внутренний «генератор» тепла. Вследствие продолжающегося рассеяния энергии во внешнюю среду понижение температуры возобновится, но только остывать уже будет образовавшееся твёрдое тело (участок ).
Как показывает опыт, при кристаллизации на участке выделяется ровно то же самое количество теплоты , которое было поглощено при плавлении на участке .
Парообразование и конденсация
Парообразование - это переход жидкости в газообразное состояние (в пар ). Существует два способа парообразования: испарение и кипение.
Испарением называется парообразование, которое происходит при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Как вы помните из листка «Насыщенный пар», причиной испарения является вылет из жидкости наиболее быстрых молекул, которые способны преодолеть силы межмолекулярного притяжения. Эти молекулы и образуют пар над поверхностью жидкости.
Разные жидкости испаряются с разными скоростями: чем больше силы притяжения молекул друг к другу - тем меньшее число молекул в единицу времени окажутся в состоянии их преодолеть и вылететь наружу, и тем меньше скорость испарения. Быстро испаряются эфир, ацетон, спирт (их иногда называют летучими жидкостями), медленнее - вода, намного медленнее воды испаряются масло и ртуть.
Скорость испарения растёт с повышением температуры (в жару бельё высохнет скорее), поскольку увеличивается средняя кинетическая энергия молекул жидкости, и тем самым возрастает число быстрых молекул, способных покинуть её пределы.
Скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости: чем больше площадь, тем большее число молекул получают доступ к поверхности, и испарение идёт быстрее (вот почему при развешивании белья его тщательно расправляют).
Одновременно с испарением наблюдается и обратный процесс: молекулы пара, совершая беспорядочное движение над поверхностью жидкости, частично возвращаются обратно в жидкость. Превращение пара в жидкость называется конденсацией .
Конденсация замедляет испарение жидкости. Так, в сухом воздухе бельё высохнет быстрее, чем во влажном. Быстрее оно высохнет и на ветру: пар сносится ветром, и испарение идёт более интенсивно
В некоторых ситуациях скорость конденсации может оказаться равной скорости испарения. Тогда оба процесса компенсируют друг друга и наступает динамическое равновесие: из плотно закупоренной бутылки жидкость не улетучивается годами, а над поверхностью жидкости в этом случае находится насыщенный пар .
Конденсацию водяного пара в атмосфере мы постоянно наблюдаем в виде облаков, дождей и выпадающей по утрам росы; именно испарение и конденсация обеспечивают круговорот воды в природе, поддерживая жизнь на Земле.
Поскольку испарение - это уход из жидкости самых быстрых молекул, в процессе испарения средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшается, т.е. жидкость остывает. Вам хорошо знакомо ощущение прохлады и порой даже зябкости (особенно при ветре), когда выходишь из воды: вода, испаряясь по всей поверхности тела, уносит тепло, ветер же ускоряет процесс испарения (nеперь понятно, зачем мы дуем на горячий чай. Кстати сказать, ещё лучше при этом втягивать воздух в себя, поскольку на поверхность чая тогда приходит сухой окружающий воздух, а не влажный воздух из наших лёгких;-)).
Ту же прохладу можно почувствовать, если провести по руке кусочком ваты, смоченным в летучем растворителе (скажем, в ацетоне или жидкости для снятия лака). В сорокаградусную жару благодаря усиленному испарению влаги через поры нашего тела мы сохраняем свою температуру на уровне нормальной; не будь этого терморегулирующего механизма, в такую жару мы бы попросту погибли.
Наоборот, в процессе конденсации жидкость нагревается: молекулы пара при возвращении в жидкость разгоняются силами притяжения со стороны находящихся поблизости молекул жидкости, в результате чего средняя кинетическая энергия молекул жидкости увеличивается (сравните это явление с выделением энергии при кристаллизации расплава!).
Кипение
Кипение - это парообразование, происходящее по всему объёму жидкости.
Кипение оказывается возможным потому, что в жидкости всегда растворено какое-то количество воздуха, попавшего туда в результате диффузии. При нагревании жидкости этот воздух расширяется, пузырьки воздуха постепенно увеличиваются в размерах и становятся видимы невооружённым глазом (в кастрюле с водой они осаждают дно и стенки). Внутри воздушных пузырьков находится насыщенный пар, давление которого, как вы помните, быстро растёт с повышением температуры.
Чем крупнее становятся пузырьки, тем большая действует на них архимедова сила, и определённого момента начинается отрыв и всплытие пузырьков. Поднимаясь вверх, пузырьки попадают в менее нагретые слои жидкости; пар в них конденсируется, и пузырьки сжимаются опять. Схлопывание пузырьков вызывает знакомый нам шум, предшествующий закипанию чайника. Наконец, с течением времени вся жидкость равномерно прогревается, пузырьки достигают поверхности и лопаются, выбрасывая наружу воздух и пар - шум сменяется бульканьем, жидкость кипит.
Пузырьки, таким образом, служат «проводниками» пара изнутри жидкости на её поверхность. При кипении наряду с обычным испарением идёт превращение жидкости в пар по всему объёму - испарение внутрь воздушных пузырьков с последующим выводом пара наружу. Вот почему кипящая жидкость улетучивается очень быстро: чайник, из которого вода испарялась бы много дней, выкипит за полчаса.
В отличие от испарения, происходящего при любой температуре, жидкость начинает кипеть только при достижении температуры кипения - именно той температуры, при которой пузырьки воздуха оказываются в состоянии всплыть и добраться до поверхности. При температуре кипения давление насыщенного пара становится равно внешнему давлению на жидкость (в частности, атмосферному давлению ). Соответственно, чем больше внешнее давление, тем при более высокой температуре начнётся кипение.
При нормальном атмосферном давлении ( атм или Па) температура кипения воды равна . Поэтому давление насыщенного водяного пара при температуре равно Па. Этот факт необходимо знать для решения задач - часто он считается известным по умолчанию.
На вершине Эльбруса атмосферное давление равно атм, и вода там закипит при температуре . А под давлением атм вода начнёт кипеть только при .
Температура кипения (при нормальном атмосферном давлении) является строго определённой для данной жидкости величиной (температуры кипения, приводимые в таблицах учебников и справочников - это температуры кипения химически чистых жидкостей. Наличие в жидкости примесей может изменять температуру кипения. Скажем, водопроводная вода содержит растворённый хлор и некоторые соли, поэтому её температура кипения при нормальном атмосферном давлении может несколько отличаться от ). Так, спирт кипит при , эфир - при , ртуть - при . Обратите внимание: чем более летучей является жидкость, тем ниже её температура кипения. В таблице температур кипения мы видим также, что кислород кипит при . Значит, при обычных температурах кислород - это газ!
Мы знаем, что если чайник снять с огня, то кипение тут же прекратится - процесс кипения требует непрерывного подвода тепла. Вместе с тем, температура воды в чайнике после закипания перестаёт меняться, всё время оставаясь равной . Куда же при этом девается подводимое тепло?
Ситуация аналогична процессу плавления: тепло идёт на увеличение потенциальной энергии молекул. В данном случае - на совершение работы по удалению молекул на такие расстояния, что силы притяжения окажутся неспособными удерживать молекулы неподалёку друг от друга, и жидкость будет переходить в газообразное состояние.
График кипения
Рассмотрим графическое представление процесса нагревания жидкости - так называемый график кипения (рис. 4 ).
Рис. 4. График кипения
Участок предшествует началу кипения. На участке жидкость кипит, её масса уменьшается. В точке жидкость выкипает полностью.
Чтобы пройти участок , т.е. чтобы жидкость, доведённую до температуры кипения, полностью превратить в пар, к ней нужно подвести некоторое количество теплоты . Опыт показывает, что данное количество теплоты прямо пропорционально массе жидкости:
Коэффициент пропорциональности называется удельной теплотой парообразования жидкости (при температуре кипения). Удельная теплота парообразования численно равна количеству теплоты, которое нужно подвести к 1 кг жидкости, взятой при температуре кипения, чтобы полностью превратить её в пар.
Так, при удельная теплота парообразования воды равна кДж/кг. Интересно сравнить её с удельной теплотой плавления льда ( кДж/кг) - удельная теплота парообразования почти в семь раз больше! Это и не удивительно: ведь для плавления льда нужно лишь разрушить упорядоченное расположение молекул воды в узлах кристаллической решётки; при этом расстояния между молекулами остаются примерно теми же. А вот для превращения воды в пар нужно совершить куда большую работу по разрыву всех связей между молекулами и удалению молекул на значительные расстояния друг от друга.
График конденсации
Процесс конденсации пара и последующего остывания жидкости выглядит на графике симметрично процессу нагревания и кипения. Вот соответствующий график конденсации для случая стоградусного водяного пара, наиболее часто встречающегося в задачах (рис. 5 ).
Рис. 5. График конденсации
В точке имеем водяной пар при . На участке идёт конденсация; внутри этого участка - смесь пара и воды при . В точке пара больше нет, имеется лишь вода при . Участок - остывание этой воды.
Опыт показывает, что при конденсации пара массы (т. е. при прохождении участка ) выделяется ровно то же самое количество теплоты , которое было потрачено на превращение в пар жидкости массы при данной температуре.
Давайте ради интереса сравним следующие количества теплоты:
Которое выделяется при конденсации г водяного пара;
, которое выделяется при остывании получившейся стоградусной воды до температуры, скажем, .
Дж;
Дж.
Эти числа наглядно показывают, что ожог паром гораздо страшнее ожога кипятком. При попадании на кожу кипятка выделяется «всего лишь» (кипяток остывает). А вот при ожоге паром сначала выделится на порядок большее количество теплоты (пар конденсируется), образуется стоградусная вода, после чего добавится та же величина при остывании этой воды.
Раздел молекулярной физики, который изучает передачу энергии, закономерности превращения одних видов энергии в другие. В отличие от молекулярно-кинетической теории, в термодинамике не учитывается внутреннее строение веществ и микропараметры .
Термодинамическая система
Это совокупность тел, которые обмениваются энергией (в форме работы или теплоты) друг с другом или с окружающей средой. Например, вода в чайнике остывает, происходит обмен теплотой воды с чайником и чайника с окружающей средой. Цилиндр с газом под поршнем: поршень выполняет работу, в результате чего, газ получает энергию, и изменяются его макропараметры .
Количество теплоты
Это энергия , которую получает или отдает система в процессе теплообмена. Обозначается символом Q, измеряется, как любая энергия, в Джоулях.
В результате различных процессов теплообмена энергия, которая передается, определяется по-своему.
Нагревание и охлаждение
Этот процесс характеризуется изменением температуры системы. Количество теплоты определяется по формуле
Удельная теплоемкость вещества с измеряется количеством теплоты, которое необходимо для нагревания единицы массы данного вещества на 1К. Для нагревания 1кг стекла или 1кг воды требуется различное количество энергии. Удельная теплоемкость - известная, уже вычисленная для всех веществ величина, в физических таблицах.
Теплоемкость вещества С - это количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела без учета его массы на 1К.
Плавление и кристаллизация
Плавление - переход вещества из твердого состояния в жидкое. Обратный переход называется кристаллизацией.
Энергия, которая тратится на разрушение кристаллической решетки вещества, определяется по формуле
Удельная теплота плавления известная для каждого вещества величина, в физических таблицах.
Парообразование (испарение или кипение) и конденсация
Парообразование - это переход вещества из жидкого (твердого) состояния в газообразное. Обратный процесс называется конденсацией.
Удельная теплота парообразования известная для каждого вещества величина,
Нагрев металлов перед ковкой является важной и ответственной операцией, от которой во многом зависит не только качество будущих деталей, но также производительность труда, работа оборудования, стойкость инструмента и себестоимость продукции.
В процессе нагрева изменяется строение металла, его свойства, состояние поверхностных слоев и др. Каждый сплав имеет температурный интервал обработки давлением и определенный режим нагрева. Нарушение указанных параметров нагрева ведет к снижению качества деталей, а возможно и к разрушению металла. Поэтому для будущего специалиста необходимо изучение явлений, происходящих в металле при нагревании.
Изменение размеров заготовки . При нагревании металлы расширяются, при охлаждении сжимаются. Изменение размеров заготовки определяют по формуле ∆l = l₀β∆t, где ∆l - изменение размера заготовки длиной l₀ при изменении ее температуры на ∆t"С, β - коэффициент линейного расширения (для стали β = 0,0000122, для алюминия β = 0,000024).
При ковке стальных поковок, которые деформируют, как правило, при температуре 1100 - 1200"С, величину усадки определяют приближенно, считая, что усадка составляет 1,2% от размера заготовки в горячем состоянии. Например, поковка длиной 500 мм после охлаждения до цеховой температуры будет иметь длину 495 мм, Если усадку металла не учесть, то получится брак поковки по размерам.
Влияние усадки на форму и размеры поковки особенно сказывается при ковке заготовок деталей сложной формы с длинными отростками, так как усадка может привести к сильному короблению поковки. Очень важно учитывать усадку металла при изготовлении рабочих ручьев штампов для объемной штамповки, особенно при точной объемной штамповке дорогостоящих сплавов.
Явления, происходящие при нагреве в поверхностных слоях заготовок. С повышением температуры активность взаимодействия металлов с атмосферой печи увеличивается. При нагреве сталей на поверхности заготовки образуется слой окислов железа FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄, называемый также окалиной. Толщина слоя окалины зависит от температуры и времени нагрева, расположения заготовок в печи, состава печных газов и химического состава сплава. Наиболее интенсивно стали окисляются при температуре выше 900" С. Так, по сравнению со скоростью окисления при температуре 900" С при 1000" С скорость окисления увеличивается в два раза, при 1200"С - в пять раз.
Образование окалины ведет к потерям металла, увеличению припусков на механическую обработку, снижает производительность труда и, являясь твердым веществам, снижает стойкость инструмента при обработке давлением и обработке резанием.
Нагрев углеродистых сталей сопровождается образованием рыхлого слоя окалины, который легко удаляется, но не предохраняет металл от дальнейшего окисления. Окалина у сталей, легированных хромом, кремнием, вольфрамом, никелем, имеет малую толщину, плотное строение, не растрескивается и является защитой от дальнейшего окисления. Хромоникелевая сталь с 15 - 20% никеля. практически не окисляется и называется поэтому жароупорной.
Нагрев углеродистых сталей сопровождается выгоранием углерода с поверхностного слоя на глубину до 2 - 4 мм. Уменьшение содержания углерода, называемое обезуглероживанием, ведет к снижению прочности и твердости стали и ухудшению закаливаемости детали. Обезуглероживание особенно вредно для поковок небольших размеров, имеющих малые припуски на механическую обработку и подвергаемых последующей закалке. Для крупных поковок обезуглероживание не опасно, поскольку в процессе ковки и охлаждения углерод из внутренних слоев заготовки дифундирует в наружные и химический состав сплава выравнивается.
Неравномерность нагрева и выравнивание температуры по сечению заготовки. Прогрев заготовки по сечению осуществляется за счет теплопередачи от наружных слоев к внутренним. Чем меньше коэффициент теплопередачи металла, больше скорость нагрева* и площадь поперечного сечения заготовки, тем больше разность температур между наружными и внутренними слоями заготовки. Под действием высокой температуры наружные слои расширяются больше внутренних и между ними возникают большие напряжения, которые могут привести даже к разрушению. Большинство заготовок из углеродистых конструкционных сталей сечением до 100 мм «не боится» быстрого нагрева и поэтому их можно закладывать холодными в печь с температурой до 1300"С.
Высокоуглеродистые и высоколегированные стали и многие сложные сплавы имеют низкую теплопроводность и во избежание образования трещин требуют медленного нагрева. Такие стали и сплавы загружают сначала в печь, имеющую невысокую температуру, некоторое время выдерживают при этой температуре и только после прогрева всего сечения начинают дальнейший подъем температуры.
После того как наружные слои заготовки нагреются до ковочной температуры, заготовки оставляют еще некоторое время в печи для выравнивания температуры металла по всему сечению. Это время называется временем выдержки.
Ковать неравномерно нагретую заготовку опасно из-за неравномерной по его сечению деформации металла и возможного его разрушения. При объемной штамповке и ковке в подкладных штампах неравномерный нагрев приводит к незаполнению рабочего ручья штампа и к снижению стойкости инструмента.
Аналогично нагреву охлаждение поковок из легированных сталей также должно выполняться с небольшой скоростью. При быстром охлаждении возникают термические напряжения, из-за которых могут появиться трещины в поковках и привести к браку.
* Скорость нагрева представляет собой увеличение температуры заготовки в единицу времени (за одну минуту или за один час, "С/ч) .
Влияние нагрева на структуру металла . Структура металлов и сплавов и связанные с ней механические и технологические свойства зависят от химического состава сплавов; от температуры и режимов их обработки. Ниже рассмотрено влияние температуры на структуру и свойства углеродистых сталей - сплавов, чаще всего применяемых для изготовления поковок ручной ковкой.
Структура стали в зависимости от содержания углерода и температуры графически описывается диаграммой состояния железо - углерод (Fe - С) (рис. 18). При оси абсцисс откладывается процентное содержание углерода (С), по оси ординат - температура ("С).
При температуре выше линии АС все стали находятся в жидком состоянии (Ж), ниже этой линии из жидкого расплава выпадают твердые кристаллы аустенита (А). Ниже линии АЕ весь сплав имеет структуру аустенита. Аустенит - твердый раствор внедрения* углерода в у-железе (Fey), который имеет гранецентрированную кубическую решетку (см. ).
* Твердый раствор внедрения - это сплав, имеющий кристаллическую решетку основного металла, в которую внедрено несколько атомов другого компонента. В твердых растворах замещения несколько атомов основного металла замещены атомами другого компонента. При определенных соотношениях железо с углеродом образуют твердые растворы внедрения, железо с никелем - твердые растворы замещения .
С понижением температуры растворимость углерода в Fey уменьшается.
В заэвтектоидных сталях (С > 0,8%) избыток углерода, выделяясь из аустенита, образует химическое соединение Fe₃C - цементит*. Поэтому в области температур ниже линии SE и выше линии РК заэвтектоидные стали имеют структуру аустенит ± цементит. С понижением температуры количество цементита увеличивается, концентрация углерода в аустените уменьшается.
* В цементите углерода содержится 6,67% .
При 723С выпадает такое количество цементита, что концентрация углерода в аустените составит 0,8%. В доэвтектоидных сталях (С < 0,8%) при температуре ниже линии GS из аустенита выпадают зерна феррита*, в котором углерод практически отсутствует. С понижением температуры от линии GS (температура 723" С) количество феррита увеличивается, за счет чего концентрация углерода в аустенитных зернах увеличивается до 0,8%.
* Феррит - твердый раствор внедрения углерода в а-железе (Fea), имеющий объемно-центрированную кристаллическую решетку .
Таким образом, в области GSP доэвтектоидные стали имеют структуру феррит+аустенит. При температуре 723"С кристаллическая структура железа претерпевает аллотропическое превращение: из гранецентрированной она перестраивается в кубическую объемно-центрированную (Fey → Fea). В этом случае аустенит должен был бы превратиться в феррит, но в феррите углерод практически отсутствует, а в аустените при t = 723"С его содержится 0,8%. Поэтому при 723"С из аустенита выделяется феррит, а избыток углерода образует цементит. Феррит и цементит при концентрации углерода 0,8% образуют при температуре ниже 723"С механическую смесь - перлит.
Поскольку 
аустенит в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях при температуре 723"С также превращается в перлит, то при охлаждении до комнатной температуры доэвтектоидные стали будут иметь структуру перлит+феррит, а заэвтектоидные - перлит+цементит. На рис. 19, а - г представлены структуры сталей.
При нагревании сталей до 723" С в них не происходит аллотропических превращений и стали не меняют своей структуры. При повышении температуры выше 723"С Fey → Fey и перлит переходит в аустенит. При температуре выше линии GSE любая сталь имеет структуру аустенита.
Наибольшую пластичность имеют стали в состоянии аустенита. Объясняется это тем, что, во-первых, структура металла является однородной: все зерна имеют одинаковую структуру аустенита; во-вторых, кристаллическая структура аустенита имеет гранецентрированную кубическую решетку, а металлы, имеющие такой тип решетки, являются наиболее пластичными (свинец, медь, алюминий и др.).
Перлит имеет высокую механическую прочность и низкую пластичность. Следовательно, стали нужно обрабатывать давлением при температуре выше линии РК. На диаграмме штриховой линией Тк обозначена нижняя граница температурного интервала ковки. Деформировать стали ниже этой границы, т. е. при t < Тк, не следует, так как это может привести к разрушению металла.
Температура нагрева металла ограничена не только нижним температурным пределом Тк, но и верхним пределом, называемым температурой начала ковки Тн. На диаграмме состояния (см. рис. 18) верхняя граница допустимого нагрева обозначена штриховой линией Тн. При нагревании до более высоких температур в металле появляются два вида дефекта нагрева: перегрев и пережог.
При перегреве увеличиваются размеры зерен, металл приобретает крупнозернистую структуру, его пластичность начинает уменьшаться. Кроме того, поковки с крупнозернистой структурой имеют низкие механические свойства. Хотя перегрев и можно исправить дополнительной термической обработкой или ковкой, его исправление требует дополнительных расходов и времени.
Нагрев до температуры, близкой к линии АЕ, является недопустимым. Такой нагрев ведет к пережогу - окислению металла по границам зерен в результате ускоренной диффузии кислорода внутрь металла. Пережог - неисправимый брак. Из-за нарушения связей между зернами при ковке такой металл разрушается полностью. Таким образом, металлы обрабатывают давлением в определенных для каждого сплава интервале температур Т к < t нагр < Т н. На диаграмме состояния железо - углерод такой интервал определен для углеродистых сталей заштрихованной областью, расположенной между линиями Тк и Тн.
Чтобы поковки имели высокие механические свойства, стремятся к тому, чтобы ковку заканчивать при температуре, близкой к температуре Тк. В этом случае в металле успеет произойти рекристаллизация, а структура останется мелкозернистой.
