"Физика", Громов С.В., Родина Н.А., Белага В.В. и др./Под ред. Ю.А. Панебратцева
Кипение — интенсивное парообразование, при котором пар образуется не только на поверхности, но и во всём объёме жидкости. Оно начинается при определённой для данных условий температуре и сопровождается появлением пузырьков пара. Во время кипения при постоянном давлении температура жидкости не меняется: подводимая энергия тратится на превращение жидкости в пар. Температура кипения зависит от внешнего давления.
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 при определённой температуре. В отличие от обычного испарения, оно сопровождается образованием пузырьков пара внутри жидкости. Это определение помогает узнать кипение по двум признакам: постоянной температуре и пузырькам во всём объёме.
Температура кипения — температура, при которой жидкость кипит. При постоянном давлении она остаётся неизменной, пока жидкость превращается в пар. Это не одно и то же число для любых условий: температура кипения зависит от внешнего давления.
Насыщенный пар — пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью: при данной температуре испарение и конденсация взаимно компенсируются. Конденсация — это превращение пара обратно в жидкость. Понятие насыщенного пара нужно, чтобы объяснить, почему количество пара над жидкостью при неизменной температуре может оставаться постоянным.
При нагревании частицы жидкости движутся быстрее, поэтому большему числу частиц удаётся покинуть её поверхность. Испарение усиливается, и в пространстве над жидкостью накапливается больше пара. Давление этого пара растёт до тех пор, пока не создаются условия для кипения.
Пузырьки при кипении возникают внутри жидкости, потому что в нагретых участках образуется пар. Кроме пара, в них могут находиться воздух и растворённые газы, которые выделяются при нагревании. Сначала такие пузырьки часто быстро исчезают: окружающая более холодная жидкость конденсирует находящийся в них пар.
Пузырёк растёт и поднимается, когда давление пара внутри него становится достаточным для противодействия давлению окружающей жидкости. На пузырёк действуют также давление воздуха над жидкостью и сила тяжести столба жидкости. Если внутреннее давление меньше внешнего, пузырёк сжимается, а если достаточно велико — увеличивается и достигает поверхности.
Во время кипения температура жидкости при постоянном давлении не растёт, хотя нагреватель продолжает передавать энергию. Эта энергия нужна не для ускорения движения частиц, а для ослабления их взаимного притяжения и перехода из жидкого состояния в газообразное. Поэтому после окончания кипения оставшаяся жидкость имеет ту же температуру кипения.
Температура кипения определяется внешним давлением. При меньшем давлении пузырькам легче расширяться, поэтому необходимое равновесие достигается при более низкой температуре. Именно поэтому в горах вода закипает раньше по температуре, чем у поверхности моря.
| Свойство | Испарение | Кипение |
|---|---|---|
| Где происходит парообразование | Только на поверхности жидкости | Во всём объёме жидкости |
| При какой температуре происходит | При любой температуре | При температуре кипения |
| Как зависит от температуры | При повышении температуры ускоряется | Начинается при определённой температуре |
| Образование пузырьков | Пузырьки внутри жидкости не образуются | Образуются пузырьки пара |
| Изменение температуры жидкости при парообразовании | Жидкость обычно охлаждается | При постоянном давлении температура не меняется |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, где образуется пар: только на поверхности или внутри жидкости тоже. Затем проверьте, есть ли пузырьки и меняется ли температура. Если парообразование идёт во всём объёме при постоянной температуре, речь идёт о кипении.
Условие: вода нагревается в открытом сосуде. Объяснить, почему перед кипением температура воды растёт, а во время кипения остаётся постоянной.
Ответ: до кипения энергия нагревает воду, а во время кипения при постоянном давлении расходуется на парообразование, поэтому температура не меняется.
Условие: в горах атмосферное давление ниже, чем у моря. Определить, где вода закипит при более низкой температуре, и объяснить почему.
Ответ: в горах вода закипит при более низкой температуре.
Условие: на графике нагревания жидкости отмечены участок роста температуры и горизонтальный участок. Определить, какой участок соответствует кипению, и объяснить, куда расходуется энергия.
Ответ: кипению соответствует горизонтальный участок графика; энергия расходуется на парообразование.
Ошибка 1. Считать, что кипение происходит только у поверхности. Так думают, потому что именно поверхность видна и через неё пар выходит наружу. Проверка простая: при кипении нужно учитывать пузырьки внутри всего объёма жидкости.
Ошибка 2. Путать кипение с испарением. Испарение идёт с поверхности при разных температурах, а кипение — во всём объёме при температуре кипения. Проверьте, есть ли внутри жидкости пузырьки и достигается ли определённая температура.
Ошибка 3. Утверждать, что при кипении температура обязательно растёт. При постоянном давлении она остаётся неизменной, потому что энергия направляется на превращение жидкости в пар. На графике кипению соответствует горизонтальный участок.
Ошибка 4. Считать температуру кипения одинаковой при любых условиях. Она зависит от внешнего давления, поэтому в горах вода кипит при меньшей температуре. Для проверки сначала выясните, одинаково ли давление в сравниваемых местах.
Перед изучением кипения нужно знать, что такое температура, давление, теплота и парообразование. Эти понятия объясняют, почему пузырьки растут и куда уходит энергия нагревателя.
Тема связана с испарением и конденсацией, а также с тепловыми явлениями при изменении агрегатного состояния вещества. Кипение показывает, как жидкость переходит в газ и почему температура во время перехода может оставаться постоянной.
Знание кипения пригодится при изучении паровых установок и тепловых двигателей. В них превращение жидкости в пар используют для получения движения и совершения работы.
Почему пузырьки при кипении появляются не только на поверхности?
При нагревании внутри жидкости образуются области, заполненные паром. Поэтому при кипении парообразование идёт во всём объёме, а не только с поверхности.
Почему температура воды не растёт, пока она кипит?
После достижения температуры кипения подводимая теплота расходуется главным образом на превращение воды в пар. Поэтому при постоянном давлении температура кипящей воды остаётся неизменной, пока жидкость не выкипит.
Чем кипение отличается от испарения?
Испарение происходит только с поверхности жидкости и возможно при любой температуре. Кипение идёт во всём объёме жидкости при определённой температуре, сопровождаясь образованием пузырьков пара.
Почему в горах вода закипает при более низкой температуре?
С высотой атмосферное давление обычно уменьшается. Поэтому давление пара внутри пузырьков может уравняться с внешним давлением при меньшей температуре.
Куда расходуется теплота, которую подводят к кипящей жидкости?
Она расходуется на превращение жидкости в пар и преодоление взаимодействия между частицами жидкости. Поэтому температура кипящей жидкости при постоянном давлении не повышается.
§ 41. Кипение
