"Физика (базовый и углублённый уровни)", Грачёв А.В., Погожев В.А., Салецкий А.М., Боков П.Ю.
Кипение — превращение жидкости в пар, которое происходит не только с поверхности, но и во всём объёме с образованием пузырьков. Оно начинается при определённой температуре, зависящей от внешнего давления. Во время кипения подводимая теплота расходуется на превращение жидкости в пар, поэтому её температура при постоянном давлении не растёт. Понимание кипения помогает объяснить работу скороварки, особенности приготовления пищи в горах и многие фазовые переходы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кипение — парообразование, происходящее по всему объёму жидкости с образованием и ростом пузырьков пара. В отличие от испарения, процесс идёт не только на поверхности. Это определение помогает понять, почему при кипении жидкость активно перемешивается и выделяет пар.
Температура кипения — температура, при которой жидкость начинает кипеть при данном внешнем давлении. Её обозначают, например, tк. Значение температуры кипения зависит не только от вещества, но и от давления над жидкостью.
Пузырёк пара — область пара внутри жидкости, возникающая при кипении и способная увеличиваться при достаточном давлении пара. На него со всех сторон давит окружающая жидкость. Если внутреннее давление мало, пузырёк сжимается или исчезает.
Давление насыщенного пара — давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью при данной температуре. Его значение растёт при нагревании жидкости. Когда оно сравнивается с внешним давлением, становятся возможными устойчивый рост пузырьков и кипение.
При нагревании молекулы жидкости движутся быстрее, поэтому отдельные молекулы легче покидают жидкость. Внутри жидкости могут возникать маленькие области пара, а также выделяться пузырьки растворённого воздуха на неровностях стенок и дна. Пузырёк поднимается вверх, потому что средняя плотность жидкости с пузырьком меньше плотности окружающей жидкости, и на него действует выталкивающая сила.
На пузырёк изнутри действует давление его пара, а снаружи — давление жидкости и атмосферы. На большой глубине внешнее давление особенно велико, поэтому маленький пузырёк обычно сжимается. По мере подъёма давление снаружи уменьшается, и пузырёк может расширяться, если пар внутри него не конденсируется.
Устойчивый рост пузырька начинается тогда, когда давление пара внутри него становится не меньше внешнего давления. При меньшем давлении окружающая жидкость сжимает пузырёк, и его пар частично превращается в жидкость. Поэтому кипение начинается лишь при такой температуре, при которой давление насыщенного пара сравнивается с внешним.
При кипении пузырьки образуются в разных местах жидкости, поэтому парообразование идёт по всему объёму. Испарение происходит только на свободной поверхности: именно у поверхности отдельные молекулы могут покинуть жидкость. Испарение возможно при любой температуре, а для кипения нужно выполнить условие равенства давлений.
Во время кипения при постоянном давлении температура жидкости остаётся постоянной. Подводимая теплота увеличивает не скорость движения молекул, а расходуется на преодоление их взаимного притяжения и переход в пар. Если изменить внешнее давление, изменится и температура, при которой давление насыщенного пара станет достаточным для кипения.
При понижении давления равенство давлений достигается при меньшей температуре, поэтому жидкость кипит раньше. При повышении давления требуется сильнее нагреть жидкость, и температура кипения увеличивается. Именно поэтому вода в горах кипит ниже 100 °C, а в скороварке — выше 100 °C.
| Свойство | Кипение | Испарение |
|---|---|---|
| Где происходит парообразование | По всему объёму жидкости | Только с поверхности |
| При какой температуре происходит | При температуре кипения | При любой температуре |
| Образование пузырьков пара | Пузырьки образуются и растут | Пузырьков внутри жидкости нет |
| Влияние внешнего давления | Определяет температуру кипения | Влияет на скорость испарения |
| Изменение температуры жидкости | При постоянном давлении не меняется | Жидкость обычно охлаждается |
| Зависимость скорости процесса от условий | Определяется нагреванием и давлением | Растёт при нагревании, ветре и увеличении площади поверхности |
Таблицу удобно использовать, если нужно быстро определить вид парообразования по наблюдаемым признакам. Главные различия — место процесса и наличие пузырьков. Давление особенно важно для кипения, потому что оно задаёт температуру начала процесса.
Условие. Объяснить, почему вода в высокогорье закипает при температуре ниже 100 °C. Считать, что атмосферное давление с высотой уменьшается.
Ответ: в высокогорье вода кипит при температуре ниже 100 °C из-за пониженного атмосферного давления.
Условие. Найти количество теплоты, необходимое для нагревания воды массой m от температуры t₀ до температуры кипения tк и превращения массы mп в пар. Удельная теплоёмкость воды равна c, удельная теплота парообразования — L.
Ответ: Q = cm(tк − t₀) + Lmп. Если нагревается не вся жидкость или есть потери теплоты, это должно быть отдельно указано в условии.
Условие. Сравнить температуру кипения жидкости в открытом сосуде и в скороварке. Объяснить различие.
Ответ: в исправной скороварке температура кипения выше, чем в открытом сосуде. Благодаря этому пища готовится быстрее.
Ошибка 1. Считать, что кипение начинается сразу после нагревания жидкости. Нагревание сначала только повышает температуру, а кипение начинается при достижении температуры кипения; проверить себя можно по появлению устойчивых пузырьков во всём объёме.
Ошибка 2. Утверждать, что при кипении температура продолжает расти. При постоянном давлении теплота расходуется на парообразование, поэтому нужно различать нагревание до кипения и сам процесс кипения.
Ошибка 3. Путать кипение с испарением. Испарение идёт только с поверхности, а кипение — по всему объёму с пузырьками; проверяйте, где именно образуется пар.
Ошибка 4. Считать температуру кипения одинаковой в любых условиях. Она зависит от давления и свойств жидкости, поэтому при решении задачи сначала выясняйте, открытый ли сосуд и какое давление задано.
Для понимания кипения нужны знания о внутренней энергии, теплопередаче, испарении, конденсации и давлении газа. Особенно полезно помнить, что нагревание изменяет внутреннюю энергию вещества, а давление газа связано с движением его молекул.
Тема пригодится при изучении тепловых двигателей, холодильных установок, скороварок и других фазовых переходов. В этих устройствах используют поглощение и выделение теплоты при переходе вещества между жидким и газообразным состояниями.
Почему пузырьки при кипении сначала уменьшаются, а потом начинают расти?
Вначале пузырьки могут содержать воздух и пар, но в более холодной жидкости пар внутри них конденсируется. Поэтому пузырьки уменьшаются. Когда жидкость прогревается, давление насыщенного пара становится достаточным для их роста.
Почему вода в горах кипит при температуре ниже 100 °C?
С высотой атмосферное давление уменьшается. Поэтому для начала кипения воде достаточно меньшего давления пара, которое достигается при более низкой температуре.
Почему температура кипящей воды не повышается при дальнейшем нагревании?
При постоянном внешнем давлении температура кипящей воды остаётся равной температуре кипения. Дополнительная теплота расходуется на разрыв связей между молекулами и превращение воды в пар.
Чем кипение отличается от испарения?
Кипение происходит по всему объёму жидкости и сопровождается образованием пузырьков пара. Испарение идёт только с поверхности и возможно при любой температуре.
Можно ли кипятить жидкость при комнатной температуре?
Да, если достаточно понизить внешнее давление. Например, в вакууме давление насыщенного пара жидкости может сравняться с внешним уже при комнатной температуре.
§ 60. Кипение
