"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Кипение — превращение жидкости в пар, которое происходит во всём её объёме, а не только на поверхности. Явление начинается, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным внешнему давлению. При постоянном давлении температура кипящей жидкости не меняется: энергия нагревателя расходуется на образование пара. Знание условий кипения помогает объяснить работу скороварки и особенности приготовления пищи в горах.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кипение — парообразование, происходящее не только с поверхности, но и во всём объёме жидкости. Внутри жидкости при этом образуются пузырьки пара, которые могут расти и подниматься вверх. Это определение помогает отличать кипение от обычного испарения.
Температура кипения — температура, при которой жидкость кипит при данном внешнем давлении. Например, вода при нормальном атмосферном давлении кипит примерно при 100 °C. Температура кипения нужна, чтобы понимать, когда в жидкости начнётся устойчивое образование пара.
Пузырёк пара — область внутри жидкости, заполненная образовавшимся паром. Его стенки испытывают давление пара изнутри и давление жидкости снаружи. По поведению пузырьков можно определить, достаточно ли нагрелась жидкость для кипения.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Это значит, что за одно и то же время примерно одинаковое число частиц покидает жидкость и возвращается в неё. Давление насыщенного пара определяет, сможет ли пузырёк увеличиваться при нагревании.
При нагревании частицы жидкости движутся быстрее. Растворённый в воде воздух выделяется, а возле нагретых участков начинает образовываться пар, поэтому внутри жидкости появляются маленькие пузырьки. Сначала они часто наполнены в основном воздухом и быстро исчезают.
Пузырёк может расти только тогда, когда давление пара внутри него достаточно велико, чтобы противостоять внешнему давлению. На него давят атмосфера и окружающая жидкость, причём давление жидкости увеличивается с глубиной. Если давление внутри меньше, пузырёк сжимается и исчезает, а если больше — продолжает увеличиваться.
Кипение начинается в тот момент, когда давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению. Тогда пузырьки уже не разрушаются, а растут и поднимаются к поверхности. Поэтому отдельные ранние пузырьки ещё не означают, что кипение установилось.
Во время кипения при постоянном давлении температура жидкости остаётся неизменной. Подводимая энергия нужна не для дальнейшего ускорения движения частиц, а для ослабления их притяжения и перехода из жидкости в пар. После выкипания жидкости нагрев оставшегося сосуда или пара может продолжиться.
Температура кипения меняется вместе с внешним давлением. При подъёме в горы атмосферное давление уменьшается, поэтому равенство давлений достигается при меньшей температуре. В закрытой скороварке давление повышается, и вода кипит при температуре выше 100 °C.
| Свойство | Испарение | Кипение |
|---|---|---|
| Где происходит парообразование | Только с поверхности жидкости | Во всём объёме жидкости |
| При какой температуре происходит | При любой температуре | При температуре кипения |
| Зависимость от внешнего давления | Скорость испарения зависит от давления | Температура кипения зависит от давления |
| Наличие пузырьков пара | Пузырьков внутри жидкости нет | В жидкости образуются пузырьки пара |
| Изменение температуры жидкости при подводе теплоты | Температура может повышаться | При постоянном давлении не изменяется |
Сначала определите, где происходит парообразование: только на поверхности или во всём объёме. Затем сравните условия температуры и наличие пузырьков. Последняя строка помогает понять, на что расходуется теплота при нагревании кипящей жидкости.
Условие. Объясните, почему вода в открытой кастрюле при нормальном атмосферном давлении кипит примерно при 100 °C, а в горах — при более низкой температуре. Численные вычисления здесь не нужны: следует связать явление с давлением.
Ответ: в горах вода кипит при температуре ниже 100 °C, потому что внешнее давление там меньше.
Условие. Определите энергию, необходимую для превращения массы воды m, уже нагретой до температуры кипения, в пар. Удельная теплота парообразования воды равна L. Потерями теплоты пренебрегите.
Ответ: необходимая энергия равна Q = Lm; для указанного примера — 4,6·10⁶ Дж.
Условие. Две одинаковые массы воды находятся при температуре кипения и нагреваются разными нагревателями мощностью P₁ и P₂. Сравните время полного выкипания, если P₂ = 2P₁, а потери теплоты одинаковы или отсутствуют.
Ответ: более мощный нагреватель испарит воду в два раза быстрее, если условия и потери теплоты одинаковы.
Ошибка 1. Считать, что кипение происходит только на поверхности. Так путают кипение с испарением, потому что пар легче всего заметить над поверхностью. Проверьте себя: при кипении должны образовываться пузырьки внутри всей жидкости.
Ошибка 2. Полагать, что при кипении температура продолжает расти. Это происходит из-за привычного представления, что нагреватель всегда повышает температуру. Проверьте условие: при постоянном давлении теплота во время кипения расходуется на превращение жидкости в пар.
Ошибка 3. Утверждать, что любая жидкость кипит строго при 100 °C. Значение 100 °C относится к воде при нормальном атмосферном давлении, а другие жидкости имеют свои температуры кипения. Проверьте, указаны ли в задаче вещество и внешнее давление.
Ошибка 4. Считать появление первых пузырьков началом устойчивого кипения. Ранние пузырьки могут содержать воздух или пар с недостаточным давлением и поэтому исчезают. Признак кипения — постоянное образование и подъём пузырьков по всему объёму.
Для понимания кипения нужны знания о строении вещества, тепловом движении и испарении. Давление пара объясняет, почему пузырьки растут или исчезают, а изменение давления влияет на температуру кипения.
Тема подготавливает к изучению количества теплоты при парообразовании. Позже эти знания понадобятся при рассмотрении тепловых машин и объяснении действия скороварки.
Зависимость температуры кипения от давления используют в быту и технике. Она важна также в метеорологии: давление воздуха меняется с высотой и погодными условиями.
Почему при кипении температура воды не повышается?
После начала кипения подводимая энергия расходуется главным образом на отрыв частиц жидкости и превращение их в пар. Поэтому при постоянном внешнем давлении температура воды остаётся равной температуре кипения, пока жидкость не выкипит.
Почему вода в горах закипает быстрее, но пища готовится дольше?
На высоте атмосферное давление ниже, поэтому вода начинает кипеть при более низкой температуре. До этой температуры она действительно нагревается быстрее, но сама кипящая вода холоднее, и пища получает меньше теплоты за то же время.
Чем кипение отличается от испарения?
Испарение происходит только с поверхности жидкости и может идти при любой температуре. Кипение происходит во всём объёме, сопровождается образованием пузырьков пара и начинается при определённой температуре, зависящей от давления.
Почему пузырьки в начале нагревания воды исчезают?
Первые пузырьки часто содержат растворённый воздух и немного пара. Давление внутри них ещё недостаточно для противодействия давлению воды и атмосферы, поэтому пузырьки сжимаются и исчезают.
Можно ли заставить воду кипеть при комнатной температуре?
Да, если достаточно сильно уменьшить внешнее давление, например с помощью вакуумной установки. Тогда давление насыщенного пара воды сравняется с внешним уже при комнатной температуре.
13. Кипение
