"Физика", Б.А.Кронгарт, Ш.Б. Насохова
Кипение — это парообразование не только с поверхности, но и внутри жидкости: в ней появляются пузырьки пара, которые растут и поднимаются. Пока жидкость кипит при постоянном давлении, её температура не меняется, потому что энергия идёт на превращение жидкости в пар. Количество необходимой теплоты находят по формуле Q = Lm. Температура кипения зависит от внешнего давления: чем оно выше, тем выше температура кипения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кипение — интенсивное парообразование, происходящее по всему объёму жидкости с образованием и ростом пузырьков пара. В отличие от испарения, которое идёт с поверхности, кипение охватывает жидкость внутри и у поверхности. Это понятие помогает распознать особый способ перехода жидкости в газ и объяснить, почему в кипящей воде видны пузырьки.
Температура кипения — температура, при которой жидкость кипит при данном внешнем давлении; при постоянном давлении она не меняется в ходе кипения. Для воды при обычном атмосферном давлении она примерно равна 100 °C, но при другом давлении значение будет иным. Это определение нужно, чтобы понимать, при каких условиях начинается кипение и почему нельзя считать температуру кипения неизменной для всех ситуаций.
Удельная теплота парообразования — количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости в пар при температуре кипения; обозначается L и измеряется в Дж/кг. Чем больше L, тем больше энергии требуется для испарения одинаковой массы вещества. С помощью этой величины рассчитывают теплоту, необходимую для парообразования, не включая нагрев жидкости до температуры кипения.
При нагревании часть жидкости переходит в пар, и в толще жидкости появляются маленькие пузырьки. Внутри пузырька находится пар, который оказывает давление на его стенки. Если этого давления недостаточно, чтобы уравновесить давление окружающей жидкости и внешнее давление, пузырёк сжимается и исчезает. Когда равновесие становится возможным, пузырёк растёт, а кипение становится заметным.
При испарении молекулы покидают жидкость только с её открытой поверхности, поэтому пузырьки внутри не обязательны. Во время кипения пар образуется во всём объёме: пузырьки возникают и растут в разных местах жидкости. Они поднимаются наверх, потому что обычно менее плотны, чем жидкость, а у поверхности лопаются и выпускают пар. Так различие между испарением и кипением связано с тем, где образуется пар и как ведёт себя жидкость.
Когда жидкость уже кипит при постоянном давлении, подводимая энергия не повышает её температуру. Она расходуется на преодоление притяжения между частицами, чтобы частицы могли покинуть жидкость и перейти в пар. Поэтому температура остаётся равной температуре кипения, пока жидкость не испарится полностью. Если нагревать пустой сосуд дальше, это уже не будет нагреванием кипящей жидкости.
Для превращения жидкости в пар при температуре кипения количество теплоты находят по формуле Q = Lm. Здесь Q — теплота в джоулях, L — удельная теплота парообразования в джоулях на килограмм, m — масса в килограммах. При обратном процессе, конденсации, пар превращается в жидкость и выделяет такое же количество теплоты, какое потребовалось для парообразования той же массы. Это объясняет, почему пар при соприкосновении с более холодной поверхностью может передавать ей значительную энергию.
Температура кипения меняется вместе с внешним давлением, потому что давление влияет на возможность пузырьков расти. При повышении внешнего давления пузырькам труднее расширяться, поэтому для кипения нужна более высокая температура. При понижении давления пузырьки могут расти при меньшем нагревании, и температура кипения снижается. На графике видно, что для воды при давлении около 101 кПа температура кипения близка к 100 °C, а при давлении около 47 кПа — примерно 80 °C.
| Характеристика | Испарение | Кипение |
|---|---|---|
| Где происходит парообразование | Только на поверхности жидкости | По всему объёму жидкости |
| При какой температуре происходит | При разных температурах | При температуре кипения для данного давления |
| Образование пузырьков пара | Пузырьки в объёме не образуются | Пузырьки образуются, растут и поднимаются |
| Как меняется температура жидкости при постоянном давлении | Может изменяться, если жидкость получает или отдаёт теплоту | Не меняется, пока продолжается кипение |
| Влияние внешнего давления на температуру | Для определения температуры кипения не применяется | При повышении давления температура кипения повышается |
Используйте таблицу, чтобы сравнить, где образуется пар и при каких условиях идёт каждый процесс. Особенно полезны первые три строки: по ним можно определить, наблюдается испарение или кипение. Последние строки помогают не забывать о температуре жидкости и влиянии давления.
Сколько теплоты нужно, чтобы превратить в пар 0,2 кг воды при температуре кипения? Удельная теплота парообразования воды равна 2,3·10⁶ Дж/кг. Поскольку вода уже достигла температуры кипения, отдельно рассчитывать её нагревание не нужно. Используем формулу для перехода жидкости в пар.
Ответ: нужно 4,6·10⁵ Дж теплоты.
Какую массу воды можно испарить при температуре кипения, если ей передали 6,9·10⁵ Дж теплоты? Используем L = 2,3·10⁶ Дж/кг. Здесь известны количество теплоты и удельная теплота парообразования, а найти нужно массу. Поэтому формулу Q = Lm сначала преобразуем, выразив m.
Ответ: можно испарить 0,3 кг воды.
В сосуде нагревают 0,5 кг воды от 20 °C до температуры кипения, а затем полностью превращают её в пар. Даны c = 4200 Дж/(кг·°C) и L = 2,3·10⁶ Дж/кг. Здесь происходят два последовательных процесса: сначала вода нагревается до 100 °C при обычном атмосферном давлении, затем кипит. Теплоту для каждого этапа нужно найти отдельно и сложить.
Ответ: требуется 1,318·10⁶ Дж теплоты.
Ошибка: считать, что кипение всегда начинается при одной и той же температуре. Так думают, запомнив для воды значение 100 °C и не учитывая, что оно относится к определённому давлению. Проверьте себя: при изменении внешнего давления температура кипения тоже меняется; например, в горах она ниже.
Ошибка: путать кипение с испарением. Оба процесса превращают жидкость в пар, поэтому их легко смешать, но испарение идёт только с поверхности, а кипение — по всему объёму. Чтобы проверить ответ, спросите себя, возникают ли пузырьки пара внутри жидкости и приурочен ли процесс к температуре кипения.
Ошибка: ожидать, что температура продолжит расти во время кипения при постоянном давлении. При нагревании жидкости температура действительно растёт, поэтому кажется, что так будет и дальше. Но во время кипения энергия идёт на парообразование; проверьте условие задачи и отделите нагревание до кипения от самого кипения.
Ошибка: подставлять в формулу Q = Lm массу в граммах или считать L удельной теплоёмкостью. Это происходит, когда путают обозначения и единицы величин. Перед вычислением переведите массу в килограммы и проверьте единицы: L измеряется в Дж/кг, а удельная теплоёмкость — в Дж/(кг·°C).
Для изучения кипения нужны понятия температуры, давления и количества теплоты, а также формула нагревания Q = cmΔt. Она помогает отдельно рассчитать энергию, которая требуется, чтобы довести жидкость до температуры кипения. Кипение связано с испарением и конденсацией: при превращении пара в жидкость выделяется теплота, равная теплоте парообразования той же массы вещества. Зависимость температуры кипения от давления пригодится при разборе работы скороварок и тепловых двигателей, а также процессов в атмосфере.
Почему кипение происходит не только на поверхности жидкости?
При нагревании в толще жидкости образуются пузырьки пара. Они растут, когда давление пара внутри них становится достаточным, чтобы уравновесить давление жидкости и внешнее давление.
Почему вода в горах закипает при температуре ниже 100 °C?
На высоте атмосферное давление ниже, чем у поверхности моря. При меньшем внешнем давлении пузырьки пара могут расти уже при более низкой температуре, поэтому вода закипает раньше.
Почему температура воды не растёт, пока она кипит?
При постоянном давлении поступающая теплота расходуется на превращение воды в пар. Поэтому температура кипящей жидкости остаётся постоянной, пока в ней ещё есть жидкость.
Как отличить кипение от испарения?
Испарение происходит только с поверхности и возможно при разных температурах. Кипение идёт по всему объёму жидкости при температуре кипения для данного давления; при этом образуются пузырьки пара.
Как рассчитать количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар?
Для превращения жидкости в пар при температуре кипения используют формулу Q = Lm. Здесь L — удельная теплота парообразования вещества, а m — масса жидкости в килограммах.
§ 13. Кипение, удельная теплота парообразования. Зависимость температуры кипения от внешнего давления
