"Физика. Базовый и углубленный уровни (в 2 частях) ", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.
Кипение — превращение жидкости в пар, происходящее во всём её объёме благодаря образованию и росту пузырьков. Оно начинается, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков достигает внешнего давления. Температура кипения зависит от давления, поэтому вода кипит по-разному на равнине, в горах и в скороварке. Во время кипения температура жидкости постоянна, а подводимая теплота расходуется на парообразование.
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 с поверхности, кипение сопровождается движением пузырьков через жидкость. Это понятие нужно, чтобы описывать интенсивное превращение жидкости в пар.
Температура кипения — температура, при которой жидкость кипит при заданном внешнем давлении. Её обозначают обычно буквой T; для воды при нормальном атмосферном давлении она близка к 100 °C. Знание этой величины позволяет определить, когда начнётся кипение.
Удельная теплота парообразования — количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар при температуре кипения. Её обозначают L и измеряют в Дж/кг. Она показывает, сколько энергии требуется для превращения 1 кг вещества в пар.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью: за одинаковое время часть частиц испаряется и такое же число конденсируется. Давление насыщенного пара зависит от температуры и увеличивается при нагревании. Это давление определяет, сможет ли пузырёк пара существовать внутри жидкости.
При нагревании жидкость получает энергию, поэтому всё больше её частиц покидает поверхность и переходит в пар. В замкнутом пузырьке число частиц пара увеличивается, а вместе с ним растёт давление насыщенного пара. Если давление внутри пузырька мало, окружающая жидкость сжимает его и пузырёк исчезает.
Кипение начинается тогда, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным внешнему давлению. Внешнее давление складывается из давления воздуха и давления слоёв жидкости над пузырьком. После достижения равенства пузырёк уже не схлопывается: он может увеличиваться и подниматься, потому что более горячий пар расширяется, а давление жидкости с глубиной уменьшается.
Температура кипения связана с внешним давлением именно через это условие равенства давлений. При большем внешнем давлении пузырьку нужно создать большее давление, а значит, требуется сильнее нагреть жидкость. Поэтому в скороварке вода кипит при температуре выше 100 °C, а в горах, где давление воздуха меньше, — при температуре ниже 100 °C.
Во время кипения температура жидкости при постоянном давлении не повышается, хотя нагреватель продолжает передавать энергию. Эта энергия идёт на ослабление притяжения между частицами и их переход из жидкости в пар. Поэтому дальнейший нагрев увеличивает количество образовавшегося пара, а не температуру кипящей жидкости.
Для превращения массы m жидкости в пар требуется количество теплоты Q, пропорциональное этой массе и свойствам вещества. Формула имеет вид Q = Lm, где L — удельная теплота парообразования. Чем больше масса или величина L, тем больше энергии нужно передать; при обратном переходе пара в жидкость выделяется такое же количество теплоты.
| Признак | Испарение | Кипение |
|---|---|---|
| Где происходит парообразование | Только с поверхности жидкости | Во всём объёме жидкости |
| При какой температуре происходит | При любой температуре | При температуре кипения, зависящей от внешнего давления |
| Образование пузырьков пара | Пузырьки внутри жидкости не образуются | Пузырьки образуются, растут и поднимаются |
| Зависимость скорости от температуры и давления | Ускоряется при нагревании и уменьшении внешнего давления | Начинается при достижении равенства давлений; продолжается при подводе теплоты |
| Изменение температуры жидкости при подводе теплоты | Температура жидкости может повышаться | При постоянном давлении остаётся постоянной |
Сначала определите, где образуется пар, а затем проверьте наличие пузырьков и условие по температуре. Таблица помогает не путать поверхностное испарение с кипением во всём объёме. Для расчётов особенно важно учитывать внешнее давление.
Условие. Объяснить, почему вода в открытом сосуде закипает при температуре ниже, чем в скороварке. Нужно сравнить внешнее давление над жидкостью.
Ответ. Вода в скороварке кипит при более высокой температуре, а в открытом сосуде — при более низкой, потому что внешнее давление в скороварке больше.
Условие. Найти теплоту для превращения 2 кг воды при температуре кипения в пар, если L = 2,3 · 10⁶ Дж/кг. Вода уже кипит, поэтому теплота на предварительный нагрев не учитывается.
Ответ. Для превращения воды в пар потребуется 4,6 · 10⁶ Дж теплоты.
Условие. По графику нагревания жидкости определить теплоту, пошедшую на кипение, а затем найти L, если масса жидкости равна 0,5 кг. На участке кипения график имеет горизонтальный отрезок от Q₁ = 1,2 · 10⁵ Дж до Q₂ = 6,2 · 10⁵ Дж.
Ответ. На кипение пошло 5,0 · 10⁵ Дж, а удельная теплота парообразования жидкости равна 1,0 · 10⁶ Дж/кг.
Одна температура кипения при любом давлении. Так считают, потому что для воды часто запоминают только 100 °C. Проверьте, указано ли внешнее давление: при его увеличении температура кипения растёт, а при уменьшении снижается.
Кипение только на поверхности. Ошибка возникает из-за смешения кипения с испарением. Ищите пузырьки внутри жидкости: их рост и подъём показывают, что парообразование идёт во всём объёме.
Теплота при кипении повышает температуру. На самом деле при постоянном давлении она расходуется на переход частиц в пар. Проверьте график: на участке кипения температура изображается горизонтальной линией.
Масса в граммах в формуле Q = Lm. Такая подстановка неверна, если L выражена в Дж/кг, поскольку единицы не согласованы. Перед расчётом переведите массу в килограммы и оцените, разумен ли порядок полученного ответа.
Для понимания кипения нужны знания об испарении и конденсации, давлении и температуре, а также о связи внутренней энергии с теплопередачей. Эти представления объясняют, почему меняются давление пара и состояние вещества.
Тема связана с влажностью воздуха, работой тепловых машин и другими тепловыми процессами. Практическое применение видно в устройстве скороварки: повышение давления позволяет готовить пищу при более высокой температуре.
Почему при кипении появляются пузырьки во всём объёме жидкости?
При нагревании внутри жидкости возникают области, заполненные паром. Давление насыщенного пара в них растёт, и пузырьки увеличиваются, если оно достигает внешнего давления. Поэтому пар образуется не только на поверхности, но и внутри жидкости.
Почему вода в горах закипает при температуре ниже 100 °C?
С высотой атмосферное давление уменьшается. Для кипения давление насыщенного пара должно сравняться с внешним, поэтому в горах это происходит при более низкой температуре.
Почему температура кипящей воды не растёт, хотя нагрев продолжается?
После начала кипения подводимая теплота расходуется на разрыв связей между частицами жидкости и образование пара. Поэтому при постоянном давлении температура кипящей воды остаётся неизменной.
Чем кипение отличается от испарения?
Испарение происходит только с поверхности жидкости и при любой температуре. Кипение идёт во всём объёме, сопровождается пузырьками и начинается при определённой для данного давления температуре.
От чего зависит количество теплоты, нужное для превращения жидкости в пар?
Оно зависит от массы жидкости и удельной теплоты парообразования вещества. Связь выражается формулой Q = Lm, где L — удельная теплота парообразования, а m — масса жидкости.
4. Кипение
