Обсудим еще один вид парообразования – кипение, хорошо знакомое каждому.

Кипение оказывается возможным потому, что в жидкости всегда растворено какое-то количество воздуха, попавшего туда в результате диффузии. А при нагревании внутрь этих микропузырьков начинают проникать испаряющиеся молекулы жидкости. В итоге пузырьки постепенно увеличиваются в размерах и становятся видимы невооруженным газом. В кастрюле с водой они осаждаются на дне и стенках. В течение короткого времени пар внутри пузырьков становится насыщенным, давление которого, как вы помните, быстро растет с повышением температуры. Чем крупнее становятся пузырьки по мере роста температуры, тем больше действует на них архимедова сила, и с определенного времени начнется отрыв и всплытие пузырьков, так как архимедова сила станет больше, чем сила тяжести, действующая на пузырек. Поднимаясь вверх, пузырьки попадают в менее нагретые слои жидкости, пар в них конденсируется и пузырьки сжимаются. 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 бурлением. Мы говорим, что жидкость закипела.

В отличие от испарения, которое происходит при любой температуре, кипение, как мы знаем, происходит только при фиксированной температуре – той температуре, которой достаточно, чтобы пузырек смог вырасти, подняться на поверхность и лопнуть.

При температуре кипения давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению на жидкость, чаще всего это атмосферное давление.

Значит, чем больше внешнее давление, тем при более высокой температуре начнется кипение (рис. 7).

Рис. 7. График зависимости температуры кипенмя воды от давления среды

При нормальном атмосферном давлении, которое составляет приблизительно 100 000 Па, температура кипения воды, как мы знаем, равна . Поэтому можно сразу сказать, что давление насыщенного водяного пара при температуре равно 10⁵или 100 000 Па. Этот факт необходимо знать при решении задач. Очень часто он считается известным по умолчанию.

Естественно, чем выше мы поднимаемся в атмосфере, тем меньше становится это атмосферное давление. Так, например, на вершине самой высокой горы Кавказа – Эльбруса – атмосферное давление составляет , т. е. в 2 раза меньше, чем нормальное атмосферное давление (см. рис. 8).

Рис. 8. Наглядное представление зависимости температуры кипения воды от изменения давления с высотой

Естественно, что температура кипения там будет ниже, чем на уровне моря. Вода там закипит при температуре .

Температура кипения при нормальном атмосферном давлении является строго определенной для данной жидкости величиной (см. рис. 9).

Рис. 9. Температура кипения некоторых веществ (при нормальном атмсоферном давлении)

Так, спирт кипит при , эфир – при , ртуть – при . Обратите внимание, чем более летучей является жидкость, тем ниже ее температура кипения. Например, кислород кипит при , поэтому при обычных температурах кислород – это газ.

Естественно, если увеличивать давление над жидкостью, то и температура кипения будет расти, именно этот принцип положен в основу работы так называемых скороварок. Искусственным образом над жидкостью создается повышенное давление, и вода начинает кипеть при температурах значительно больше, чем . В этом случае продукты, которые мы хотим приготовить, например картофель, будут приготовлены значительно быстрее, чем в случае нормального атмосферного давления, отсюда и название скороварка.

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 перестает меняться, оставаясь равной .

Куда же при этом девается подводимое тепло, не противоречит ли это закону сохранения энергии? В 8 классе мы уже отвечали на этот вопрос – тепло идет на увеличение потенциальной энергии молекул, в данном случае на совершение работы по удалению молекул на такие расстояния, что силы притяжения окажутся неспособными удерживать молекулы неподалеку друг от друга, и жидкость будет переходить в газообразное состояние. Следует сделать одно важное замечание: кипение будет невозможным, если в ней отсутствует растворенные газовые пузырьки. Подробнее об этом мы поговорим во втором ответвлении.

Перегретая жидкость

Растворенные в жидкости пузырьки, а также любые другие микроскопические примеси играют роль так называемых центров испарения, и если каким-то образом добиться очистки жидкости, то ее можно нагреть до температур, значительно превышающих температуру кипения при данном внешнем давлении. Такие жидкости называются перегретыми.

Аналогичное утверждение относится и к конденсации: при отсутствии соответствующих центров, пар ненасыщенный можно охладить ниже температуры конденсации. Перегретая жидкость и переохлажденный пар являются примерами так называемых метастабильных состояний.

Внесение малейшей неоднородности в такие среды приводит к моментальному переходу в другое агрегатное состояние, например, если в сосуд с перегретой жидкостью кинуть щепотку соли, то жидкость моментально закипит, т. к. частицы соли станут центрами испарения.

А третье ответвление будет посвящено разбору одной типичной задачи по теме «Насыщенный пар, кипение жидкости».

Разбор задачи

Условие

Давление насыщенного пара эфира при равно 24,7 кПа, а при – 123 кПа. Сравнить значения плотности пара при этих температурах.

Решение

Воспользуемся уравнением Менделеева – Клапейрона в той форме, которую мы приводили на основном уроке:

Применим это уравнение к обоим состояниям насыщенного пара для и :

Теперь почленно разделим первое уравнение на второе и получим:

Нам необходимо найти отношение плотностей, выражаем его из предыдущего соотношения:

Рассчитаем:

Т. е. плотность насыщенного пара эфира при приблизительно в 5 раз меньше, чем его же плотность при .