§ 54. Кипение жидкости

Определения и обозначения

Кипение — парообразование, происходящее по всему объёму жидкости с образованием и ростом пузырьков пара. В отличие от испарения, которое идёт только с поверхности, кипение охватывает жидкость целиком. Это определение помогает распознать явление по пузырькам внутри жидкости.

Температура кипения — температура, при которой давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению. Её обозначают обычно буквой tкип или Tкип. Знание этого условия позволяет объяснить, почему одна и та же жидкость кипит при разных температурах.

Давление насыщенного пара — давление пара, находящегося в динамическом равновесии с жидкостью при данной температуре. Динамическое равновесие означает, что испарение и конденсация идут одновременно с одинаковыми скоростями. Это давление показывает, насколько пар способен противостоять внешнему давлению.

Удельная теплота парообразования — количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар при температуре кипения. Её обозначают λ, а измеряют в джоулях на килограмм: Дж/кг. Для массы m теплота парообразования рассчитывается по формуле Q = λm.

Как это устроено

При нагревании молекулы жидкости получают больше энергии и движутся быстрее. Поэтому возрастает число молекул, покидающих поверхность, а давление насыщенного пара увеличивается. Пока это давление мало по сравнению с внешним, устойчивые паровые пузырьки внутри жидкости образоваться не могут.

Пузырьки появляются в местах, где могут выделяться растворённый газ или пары жидкости. Если давление пара внутри такого пузырька меньше давления окружающей жидкости и атмосферы, внешние силы сжимают его. Пузырёк уменьшается и исчезает, а его пар снова конденсируется.

Кипение начинается тогда, когда давление пара внутри пузырьков становится равным внешнему давлению. В этом случае окружающая жидкость уже не может сжать пузырёк, поэтому он растёт за счёт испарения жидкости с его стенок. Затем пузырьки всплывают, достигают поверхности и выпускают пар.

Во время кипения температура жидкости при постоянном внешнем давлении не повышается. Подводимая энергия нужна не для увеличения средней скорости движения молекул, а для ослабления взаимодействия между ними и перехода в газообразное состояние. Поэтому нагреватель продолжает передавать энергию, но температура остаётся на уровне температуры кипения.

Температура кипения определяется не только свойствами жидкости, но и внешним давлением. При подъёме в горы давление атмосферы уменьшается, и равенство давлений достигается раньше, при меньшей температуре. В закрытом сосуде или скороварке давление повышается, поэтому жидкость кипит при более высокой температуре.

Сравнение кипения и испарения

Сначала определите, где происходит переход жидкости в пар: по всей массе или только на поверхности. Затем обратите внимание на пузырьки и температурный режим. Если парообразование идёт внутри жидкости и температура достигла определённого значения, речь идёт о кипении.

Таблица также помогает не путать влияние давления на два явления. Для кипения давление задаёт саму температуру начала процесса, а для испарения главным образом меняется скорость ухода молекул с поверхности.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Вода нагревается в открытом сосуде. При появлении пузырьков во всём объёме нужно определить явление и выяснить, как изменится температура воды после его начала.

1. Пузырьки пара внутри всей жидкости показывают, что парообразование происходит не только с поверхности.
2. Такое парообразование называется кипением.
3. Открытый сосуд имеет практически постоянное атмосферное давление, поэтому после достижения температуры кипения дальнейший подвод теплоты не повышает температуру воды.

Ответ. Происходит кипение. После его начала температура воды при постоянном атмосферном давлении остаётся примерно постоянной, а теплота расходуется на образование пара.

Задача 2

Условие. Вода в горах закипает при 90 °C, а в герметичной скороварке — при температуре выше 100 °C. Объясним различие температур.

1. Начало кипения определяется равенством давления насыщенного пара и внешнего давления.
2. В горах атмосферное давление меньше, поэтому это равенство достигается при 90 °C.
3. В скороварке пар повышает внешнее давление, поэтому воде нужно нагреться сильнее, чтобы давление её насыщенного пара стало достаточно большим.

Ответ. В горах температура кипения ниже из-за пониженного давления, а в скороварке выше 100 °C из-за повышенного давления.

Задача 3

Условие. Для превращения в пар 0,5 кг жидкости при температуре кипения требуется 1,15 МДж теплоты. Найдём удельную теплоту парообразования.

1. Запишем связь количества теплоты с массой: Q = λm.
2. Выразим искомую величину: λ = Q/m.
3. Переведём энергию в джоули: 1,15 МДж = 1 150 000 Дж.
4. Подставим данные: λ = 1 150 000 Дж / 0,5 кг = 2 300 000 Дж/кг = 2,3 МДж/кг.

Ответ. Удельная теплота парообразования жидкости равна 2,3 МДж/кг. При решении важно использовать массу именно той жидкости, которая превращается в пар.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что кипение возможно только при 100 °C. Так думают, потому что это знакомая температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Проверьте себя: температура кипения меняется вместе с внешним давлением и зависит от вещества.

Ошибка: утверждать, что при кипении температура продолжает расти. Причина — смешение кипения с обычным нагреванием до него. Проверьте график или условие задачи: при постоянном давлении после начала кипения температура постоянна.

Ошибка: путать кипение с испарением. Их объединяет переход жидкости в пар, но испарение идёт только с поверхности, а кипение — по всему объёму. Проверьте, есть ли внутри жидкости растущие пузырьки.

Ошибка: считать пузырьки воздухом. Воздух действительно может выделяться из нагретой воды в самом начале, но пузырьки при кипении в основном заполнены паром самой жидкости. Проверка проста: устойчивые пузырьки появляются при достижении температуры кипения и выходят на поверхность.

Связь с другими темами

Для понимания кипения нужны знания об испарении, конденсации, насыщенном паре и давлении. Эти понятия объясняют, почему пузырьки растут или исчезают.

Тема связана с внутренней энергией, количеством теплоты и удельной теплотой парообразования. Формула Q = λm позволяет находить энергию, необходимую для превращения жидкости в пар.

Знания о кипении применяются в скороварках, перегонке жидкостей, охлаждении и приготовлении пищи. Изменяя давление, можно управлять температурой процесса.

Что запомнить

• Кипение происходит по всему объёму жидкости.
• Кипение начинается, когда давление насыщенного пара равно внешнему давлению.
• Температура кипения зависит от внешнего давления.
• При понижении давления температура кипения уменьшается.
• При постоянном давлении во время кипения температура жидкости не изменяется.
• Подводимая при кипении теплота расходуется на превращение жидкости в пар.