"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 3 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч. 1); Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., под ред. Орлова В.А. (ч. 2); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 3)
Кипение — интенсивное парообразование во всём объёме жидкости: внутри неё возникают пузырьки пара, которые растут и выходят на поверхность. В отличие от испарения, кипение происходит при определённой температуре, зависящей от внешнего давления. Во время кипения чистой жидкости при постоянном давлении её температура не растёт: полученная теплота превращает жидкость в пар. Понимание этого процесса помогает объяснять работу скороварки и рассчитывать, сколько энергии нужно для парообразования.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кипение — интенсивное парообразование, происходящее во всём объёме жидкости с образованием и ростом пузырьков пара. В отличие от испарения, которое идёт с поверхности, кипение охватывает всю жидкость. Это определение помогает распознать, какой именно процесс происходит при нагревании.
Температура кипения — температура, при которой жидкость кипит при данном внешнем давлении. Она не является неизменной для вещества при любых условиях: значение зависит от давления вокруг жидкости. Поэтому температура кипения нужна, чтобы описывать состояние жидкости с учётом условий.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью: испарение и конденсация в среднем компенсируют друг друга. Это значит, что за одинаковое время из жидкости уходит примерно столько же частиц, сколько возвращается в неё. Понятие помогает объяснить давление пара внутри пузырьков.
Удельная теплота парообразования — количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар при температуре кипения. Её обозначают L и измеряют в джоулях на килограмм. С помощью этой величины рассчитывают энергию для парообразования, не смешивая её с энергией нагревания.
При нагревании в жидкости возникают небольшие полости, внутри которых есть пар и растворённые газы. На пузырёк снаружи давят атмосфера и окружающая жидкость; давление жидкости увеличивается с глубиной. Чтобы пузырёк не сжался, давление пара внутри должно стать не меньше внешнего давления. Поэтому устойчивый рост пузырьков начинается, когда жидкость достигает температуры кипения при данном давлении.
На пузырёк также действует выталкивающая сила: в жидкости он легче равного ему объёма воды, поэтому движется вверх. По мере подъёма давление вокруг пузырька становится меньше, и он расширяется. В верхних, более холодных слоях часть пара может конденсироваться, но при достаточно сильном нагревании пузырёк сохраняется и доходит до поверхности. Там он лопается, и пар выходит наружу; множество таких пузырьков означает, что парообразование идёт во всём объёме.
Во время кипения чистой жидкости при постоянном внешнем давлении температура остаётся постоянной. Если бы вся подводимая энергия повышала среднюю скорость движения частиц, температура росла бы, но при кипении энергия нужна, чтобы преодолеть притяжение между частицами и перевести их в газообразное состояние. Поэтому вода продолжает принимать теплоту, пока превращается в пар, не нагреваясь выше своей температуры кипения. После окончания кипения пар можно нагревать дальше.
Температура кипения связана с давлением: чем оно меньше, тем легче пузырьку пара расти, и тем более низкой температуры достаточно для кипения. При большем давлении пузырьку труднее расшириться, поэтому для кипения требуется более высокая температура. Именно поэтому вода в горах кипит при температуре ниже 100 °C, а в скороварке — выше. Значение 100 °C относится к воде при нормальном атмосферном давлении.
Для превращения жидкости при температуре кипения в пар количество теплоты рассчитывают по формуле Q = Lm. Здесь Q — теплота в джоулях, L — удельная теплота парообразования в Дж/кг, m — масса в килограммах. Чем больше масса жидкости или значение L, тем больше энергии нужно передать. Если жидкость сначала требуется нагреть до кипения, теплоту нагревания считают отдельно.
| Признак | Испарение | Кипение |
|---|---|---|
| Где происходит парообразование | На поверхности жидкости | Во всём объёме жидкости |
| При какой температуре возможно | При разных температурах | При температуре кипения для данного давления |
| Образование пузырьков пара | Пузырьки в объёме не образуются | В жидкости образуются пузырьки пара |
| Влияние внешнего давления | Меняет условия испарения и скорость процесса | Изменяет температуру кипения |
| Изменение температуры жидкости при постоянном подводе теплоты | Может изменяться; при испарении жидкость часто охлаждается | При постоянном давлении у чистой жидкости не меняется |
Сравнивайте процессы по месту образования пара и наличию пузырьков: эти признаки помогают не путать испарение с кипением. Чтобы определить, при какой температуре начнётся кипение, учитывайте внешнее давление. Последняя строка относится к чистой жидкости, которая кипит при постоянном давлении.
Условие. Вода нагрета до кипения, в ней растут пузырьки пара. Нужно объяснить их движение вверх и увеличение размера. Достаточно проследить, как меняются давление вокруг пузырька и условия в разных слоях воды.
Ответ. Пузырьки поднимаются из-за выталкивающей силы, а растут потому, что с высотой внешнее давление становится меньше. Достигнув поверхности, они выпускают пар наружу.
Условие. Нужно превратить в пар 0,20 кг воды, уже находящейся при температуре кипения. Для воды возьмём L = 2,3 · 10⁶ Дж/кг. Нагревать воду до кипения не требуется, поэтому рассчитываем только парообразование.
Ответ. Нужно 4,6 · 10⁵ Дж, или 460 кДж теплоты. В формулу подставлена масса в килограммах, а не в граммах.
Условие. В сосуде находится 0,50 кг воды при 20 °C; ей передали 300 кДж теплоты при нормальном атмосферном давлении. Найдём конечную температуру и выясним, успела ли вся вода испариться. Примем c = 4200 Дж/(кг·°C) и L = 2,3 · 10⁶ Дж/кг.
Ответ. Конечная температура воды — 100 °C; часть воды кипит, около 0,057 кг уже превратилось в пар, а жидкой воды осталось примерно 0,443 кг. При подсчёте теплоты процесс разделили на нагревание и парообразование.
Ошибка: считать, что вода кипит только при 100 °C. Так думают, потому что это привычное значение для обычных условий; однако оно верно при нормальном атмосферном давлении. Проверьте себя: если давление изменилось, температура кипения тоже меняется.
Ошибка: путать испарение и кипение. Их смешивают, потому что оба процесса превращают жидкость в пар; но испарение идёт с поверхности при разных температурах, а кипение — во всём объёме при температуре кипения. Проверьте, есть ли пузырьки пара внутри жидкости.
Ошибка: считать, что во время кипения теплота повышает температуру жидкости. Это неверно при постоянном давлении: энергия расходуется на превращение жидкости в пар. Проверьте рассуждение по графику нагревания или условию задачи: во время кипения температура чистой жидкости остаётся постоянной.
Ошибка: подставлять массу в граммах в формулу Q = Lm или использовать вместо L удельную теплоёмкость. Такое происходит, когда не различают нагревание и смену агрегатного состояния. Проверьте единицы: m должна быть в килограммах, L измеряется в Дж/кг, а теплоёмкость c — в Дж/(кг·°C).
Для объяснения кипения нужны знания о давлении, температуре, внутренней энергии и теплопередаче: они показывают, что происходит с пузырьками и куда уходит теплота. Кипение связано с испарением и конденсацией, а формула Q = Lm применяется при расчётах перехода между жидким и газообразным состояниями. Зависимость температуры кипения от давления объясняет работу скороварки и холодильных установок; она также помогает понимать процессы в атмосфере.
Почему вода в горах закипает при температуре ниже 100 °C?
На высоте атмосферное давление ниже, поэтому водяному пару внутри пузырьков нужно создать меньшее давление, чтобы пузырьки росли. Из-за этого вода закипает при температуре ниже 100 °C.
Почему температура жидкости не растёт, пока она кипит?
При постоянном давлении подводимая теплота расходуется на превращение жидкости в пар, а не на увеличение средней энергии движения её частиц. Поэтому температура чистой жидкости остаётся постоянной, пока кипение продолжается.
Чем кипение отличается от испарения?
Испарение происходит только с поверхности жидкости и возможно при разных температурах. При кипении пар образуется во всём объёме жидкости, в ней растут пузырьки, а сам процесс идёт при температуре кипения для данного давления.
Зачем в жидкости образуются пузырьки при кипении?
Пузырьки дают пару возможность образовываться не только на поверхности, но и внутри жидкости. Когда давление пара в пузырьке достаточно для его роста, он поднимается и переносит пар к поверхности.
Почему в скороварке пища готовится быстрее?
В закрытой скороварке давление выше атмосферного, поэтому вода кипит при температуре выше 100 °C. Пища готовится при более высокой температуре, и необходимые изменения в ней происходят быстрее.
4. Кипение
