"Физика. Базовый и профильный уровни", Тихомирова С.А., Яворский Б.М.
Кипение — это парообразование не только с поверхности, но и во всём объёме жидкости: внутри неё появляются и растут пузырьки пара. Оно начинается, когда давление насыщенного пара в пузырьках может уравновесить давление вокруг них. При постоянном внешнем давлении температура кипящей жидкости не меняется, потому что энергия нагревателя расходуется на превращение жидкости в пар. Температура кипения зависит от внешнего давления: чем оно ниже, тем при более низкой температуре закипает жидкость.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кипение — парообразование, происходящее во всём объёме жидкости при образовании и росте пузырьков пара. В отличие от испарения, оно затрагивает не только поверхность. Это определение помогает распознать кипение по его главному признаку — пузырькам внутри жидкости.
Температура кипения — температура, при которой жидкость кипит при данном внешнем давлении. Она не является одной и той же для любых условий. Это понятие нужно, чтобы определить, при какой температуре начнётся кипение конкретной жидкости в конкретной обстановке.
Давление насыщенного пара — давление пара, находящегося в равновесии со своей жидкостью. При кипении оно равно внешнему давлению, действующему на жидкость. Это равенство объясняет, почему изменение внешнего давления меняет температуру кипения.
Парообразование — переход вещества из жидкого состояния в газообразное; кипение является одним из его видов. Другой распространённый вид парообразования — испарение с поверхности. Понятие нужно, чтобы увидеть общее между этими процессами и не путать их условия.
Пузырьки пара обычно зарождаются не в совершенно однородной жидкости, а в местах с микроскопическими полостями или примесями. В таких участках уже есть граница, на которой молекулы жидкости могут переходить в газ. Поэтому не нужно создавать пузырёк с нуля во всём объёме: достаточно, чтобы испарение внутри маленькой полости увеличило количество пара. Так формируются первые зародыши пузырьков.
Чтобы зародыш стал растущим пузырьком, давление пара внутри него должно быть достаточным для преодоления давления жидкости вокруг и внешнего давления, передаваемого жидкости. Если давления снаружи сильнее, пузырёк сжимается или исчезает. При нагревании давление насыщенного пара увеличивается, поэтому наступает момент, когда пузырёк может сохраняться и расширяться. Это условие и позволяет кипению идти внутри жидкости, а не только на поверхности.
Когда пузырёк поднимается, слой жидкости над ним становится тоньше, а давление окружающей жидкости уменьшается. Внутренний пар при меньшем внешнем давлении занимает больший объём, поэтому пузырёк расширяется. Достигнув поверхности, он разрывается и выпускает пар в воздух. Изменение размера пузырька при подъёме связано именно с разницей давлений, а не с тем, что к нему обязательно добавляется новая жидкость.
При постоянном внешнем давлении температура жидкости во время кипения остаётся постоянной. Нагреватель продолжает передавать энергию, но она расходуется на превращение жидкости в пар, а не на дальнейшее увеличение средней кинетической энергии частиц жидкости. Поэтому показание термометра не растёт, пока жидкость кипит и ещё остаётся в сосуде. После испарения всей жидкости дальнейший нагрев уже может повышать температуру пара.
Температура кипения зависит от внешнего давления, потому что кипение возможно при равенстве давления насыщенного пара и давления снаружи. Если внешнее давление уменьшается, это равенство достигается при меньшей температуре; при увеличении внешнего давления требуется более высокая температура. Поэтому вода в горах кипит при температуре ниже, чем в обычных условиях у поверхности моря. В герметичном приборе с повышенным давлением направление изменения будет обратным.
| Характеристика | Что происходит при кипении |
|---|---|
| Где происходит парообразование | Во всём объёме жидкости, в том числе внутри пузырьков. |
| Условие роста пузырьков | Давление пара внутри должно преодолеть давление окружающей жидкости и внешнее давление. |
| Температура при постоянном давлении | Остаётся постоянной, пока жидкость кипит. |
| Зависимость температуры кипения от внешнего давления | При уменьшении давления температура кипения понижается, при увеличении — повышается. |
| Переход энергии | Подводимая энергия расходуется на превращение жидкости в пар. |
Используйте таблицу, чтобы проверить, чем кипение отличается от испарения и какие условия нужны для роста пузырьков. В задачах сначала определите, меняется ли внешнее давление, а затем примените соответствующую строку о температуре. Последняя строка помогает объяснить, почему кипящая жидкость не нагревается дальше при постоянном давлении.
Условие. Вода нагревается в открытом сосуде. Опишите, что будет происходить с температурой воды после начала кипения. Нужно отличить нагревание до кипения от кипения при постоянном внешнем давлении. Сосуд открыт, поэтому давление над водой в ходе описанного процесса считаем постоянным.
До начала кипения энергия нагревателя повышает температуру воды. Когда достигнута температура кипения при данном давлении, в объёме жидкости начинают расти пузырьки пара. Это означает, что начинается переход к режиму кипения.
После начала кипения температура воды остаётся постоянной, пока в сосуде есть жидкость и внешнее давление не меняется. Нагревание продолжается, но энергия уходит на парообразование. Поэтому неверно ожидать, что температура воды будет всё время увеличиваться.
Ответ. После начала кипения температура воды в открытом сосуде остаётся постоянной, пока вода превращается в пар. Подводимая энергия расходуется на парообразование.
Условие. В герметичном приборе внешнее давление над водой увеличили. Как изменится температура, при которой вода закипит? Важно сравнить не просто нагревание воды, а условия, необходимые для кипения. Состояние кипения наступает, когда давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению.
При увеличении внешнего давления пузырьку труднее расширяться: давление окружающей среды сильнее сжимает его. Чтобы давление насыщенного пара внутри пузырька сравнялось с новым, более высоким внешним давлением, воду нужно нагреть сильнее. Значит, равенство давлений наступит при более высокой температуре.
Проверим вывод по зависимости температуры кипения от давления. При уменьшении давления кипение начинается при более низкой температуре, поэтому увеличение давления должно дать противоположный результат. Условия задачи именно такие: давление повысили, следовательно, температура кипения тоже повысится.
Ответ. Вода закипит при более высокой температуре. Для этого давление её насыщенного пара должно сравняться с увеличенным внешним давлением.
Условие. На некоторой глубине давление жидкости больше, чем у её поверхности. Объясните, почему пузырёк пара может уменьшаться при подъёме к поверхности или при погружении. Нужно учитывать давление вокруг пузырька и сравнивать его с давлением пара внутри. Само изменение глубины меняет внешнее для пузырька давление.
При погружении на большую глубину давление окружающей жидкости возрастает. Если давление пара внутри пузырька не увеличивается вслед за ним, внешнее давление становится сильнее и сжимает пузырёк. Поэтому его объём уменьшается.
При подъёме давление жидкости вокруг пузырька обычно снижается. Тогда пузырёк расширяется, если давление пара внутри может этому соответствовать. Однако при охлаждении или конденсации пара его внутреннее давление может уменьшиться настолько, что пузырёк тоже станет меньше; одного факта подъёма недостаточно, чтобы забыть о состоянии пара.
Ответ. Пузырёк уменьшается, когда давление окружающей жидкости становится больше давления пара внутри него. При погружении это происходит из-за роста давления с глубиной; при подъёме размер может уменьшиться, если ослабевает давление пара внутри пузырька.
Считать, что кипение идёт только у поверхности. Так думают, потому что пар в итоге выходит наружу. Но при кипении пузырьки образуются и растут внутри жидкости. Проверьте себя: если в объёме возникают пузырьки пара, парообразование происходит не только на поверхности.
Путать кипение с испарением. Оба процесса превращают жидкость в газ, поэтому их легко смешать. Испарение идёт с поверхности при разных температурах, а кипение — во всём объёме при температуре, соответствующей внешнему давлению. Спросите себя, где именно образуется пар.
Полагать, что температура кипения всегда одинакова. Часто запоминают одно значение для воды и забывают об условиях измерения. Температура кипения меняется вместе с внешним давлением. Проверьте, не изменилось ли давление в задаче.
Считать, что при кипении температура продолжает расти. Нагреватель действительно продолжает передавать энергию, но это не означает обязательного повышения температуры. При постоянном давлении энергия расходуется на парообразование. Сверьте вывод с тем, какая часть вещества меняет агрегатное состояние.
Для понимания кипения полезно знать испарение и конденсацию, а также связь температуры со средней кинетической энергией частиц. Давление насыщенного пара соединяет процессы парообразования и конденсации: оно характеризует пар в равновесии с жидкостью. Зависимость температуры кипения от внешнего давления применяется при объяснении работы скороварки и тепловых машин. Эти связи помогают переносить знания о кипении на реальные устройства и природные условия.
Почему при кипении пузырьки появляются не только у поверхности?
Пузырьки возникают внутри жидкости в микроскопических полостях и на примесях. В этих местах жидкость испаряется, и внутри полости накапливается пар. Когда его давление становится достаточным, пузырёк может расти.
Почему пузырьки пара увеличиваются по мере подъёма?
Чем ближе пузырёк к поверхности, тем меньше давление окружающей жидкости. Пар внутри пузырька расширяется, поэтому пузырёк становится больше. У поверхности он лопается и выпускает пар.
Почему температура кипящей воды не растёт, хотя её продолжают нагревать?
При постоянном внешнем давлении температура воды во время кипения остаётся постоянной. Поступающая энергия расходуется на переход воды в пар, а не на повышение температуры жидкости.
Почему в горах вода закипает при более низкой температуре?
На высоте атмосферное давление меньше, чем у поверхности моря. Поэтому давление насыщенного пара может сравняться с внешним давлением при более низкой температуре, и вода закипает раньше.
Можно ли заставить воду кипеть при комнатной температуре?
Да, если достаточно сильно уменьшить внешнее давление над водой. Тогда давление насыщенного пара сравняется с ним уже при комнатной температуре, и вода начнёт кипеть.
§ 56. Кипение жидкости
