"Физика. Молекулярная физика. Термодинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Кипение — парообразование во всём объёме жидкости, сопровождаемое образованием и ростом пузырьков пара. Оно начинается, когда давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению. Температура кипения зависит не только от вещества, но и от давления: при пониженном давлении она уменьшается, а при повышенном возрастает. Во время кипения теплота расходуется на превращение жидкости в пар, поэтому её температура при постоянном давлении не меняется.
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 с образованием и ростом пузырьков пара. В отличие от обычного испарения, процесс идёт не только на поверхности. Это определение помогает понять, почему кипящая вода активно перемешивается и выпускает пар.
Температура кипения — температура, при которой давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению. Её обозначают, например, tкип. Температура кипения нужна для описания условия начала устойчивого кипения и зависит от давления вокруг жидкости.
Давление насыщенного пара — давление пара, находящегося в динамическом равновесии со своей жидкостью при данной температуре. С повышением температуры оно увеличивается, потому что больше молекул покидает жидкость. Сравнение этого давления с внешним показывает, сможет ли пузырёк пара существовать и расти.
Удельная теплота парообразования — количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости в пар при температуре кипения. Её обозначают L, а для массы m теплота парообразования равна Q = Lm. Величина L используется в задачах, где жидкость нагревают до кипения или полностью испаряют.
Молекулы жидкости постоянно движутся с разными скоростями, поэтому самые быстрые из них могут покидать поверхность. При нагревании средняя энергия молекул возрастает, а внутри жидкости возникают области, где часть вещества переходит в пар. Такие области появляются около стенок, примесей и микроскопических неровностей, где легче образоваться зародышу пузырька.
Пузырьки могут возникать не только на поверхности, потому что пар образуется внутри самой жидкости. Однако для их существования давление пара внутри должно достаточно компенсировать давление воды и внешнего воздуха. Пока давление насыщенного пара меньше внешнего, жидкость сжимает пузырёк, и он исчезает.
Кипение начинается тогда, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным внешнему давлению. При дальнейшем нагревании давление пара уже способно поддерживать пузырьки и заставлять их увеличиваться. Поэтому условие кипения записывают так: pнас(Tкип) = pвнеш.
Растущий пузырёк поднимается вверх, потому что его средняя плотность намного меньше плотности жидкости. В верхних слоях давление воды меньше, поэтому пузырёк может расширяться ещё сильнее. Достигнув поверхности, он лопается, и пар смешивается с окружающим воздухом; часть пара при этом может конденсироваться.
При постоянном внешнем давлении температура кипящей жидкости не повышается, пока жидкость не испарится полностью. Подводимая энергия увеличивает внутреннюю энергию пара и расходуется на преодоление притяжения между молекулами, а не на повышение температуры жидкости. Если внешнее давление уменьшить, равенство давлений достигается при меньшей температуре; если увеличить — при большей.
| Свойство | Испарение | Кипение |
|---|---|---|
| Где происходит парообразование | Только на поверхности жидкости | Во всём объёме и на поверхности |
| При какой температуре происходит | При любой температуре | При определённой температуре, зависящей от давления |
| Какова роль пузырьков пара | Пузырьки внутри жидкости не образуются | Пузырьки образуются, растут и выходят на поверхность |
| Влияние внешнего давления | Влияет на скорость испарения | Определяет температуру кипения |
| Изменение температуры жидкости | Жидкость обычно охлаждается | При постоянном давлении температура постоянна |
| Поглощение теплоты | Теплота нужна для перехода молекул в пар | Теплота нужна для поддержания парообразования |
Сначала определите, где происходит переход жидкости в пар: только на поверхности или во всём объёме. Затем проверьте, есть ли пузырьки и как ведёт себя температура жидкости. Наконец, учитывайте давление: для кипения оно задаёт температуру, а для испарения главным образом влияет на скорость процесса.
В открытой кастрюле вода начинает устойчиво кипеть примерно при 100 °C. До этого в нагревающейся воде появляются пузырьки, но они поднимаются и исчезают. Нужно объяснить это с помощью сравнения давлений.
Ответ: устойчивое кипение начинается примерно при 100 °C, потому что давление насыщенного пара становится равным атмосферному; раньше пузырьки схлопываются или конденсируются.
Нужно нагреть 2 кг воды от 20 °C до 100 °C и полностью превратить её в пар. Используем c = 4200 Дж/(кг·°C) и L = 2,3·10⁶ Дж/кг. Общее количество теплоты складывается из теплоты нагревания и теплоты парообразования.
Ответ: для всего процесса требуется примерно 5,27 МДж теплоты. Большая часть энергии уходит не на нагревание, а на превращение воды в пар.
В скороварке вода кипит при 120 °C, а в обычных условиях — примерно при 100 °C. Требуется сравнить давление внутри скороварки с нормальным атмосферным и объяснить ускорение приготовления. Для воды при 120 °C давление насыщенного пара по графику составляет около 198,5 кПа.
Ответ: давление в скороварке примерно равно 198,5 кПа, то есть почти вдвое выше нормального атмосферного; повышенная температура кипения ускоряет приготовление пищи.
Ошибка 1. Считать кипение и испарение одним процессом. Так думают, потому что оба явления переводят жидкость в пар, но испарение идёт только с поверхности, а кипение — во всём объёме. Проверка: найдите в условии пузырьки пара и изменение температуры.
Ошибка 2. Утверждать, что жидкость кипит строго при 100 °C. Это значение относится к воде при нормальном атмосферном давлении, а температура зависит также от рода жидкости. Проверка: сначала выясните внешнее давление.
Ошибка 3. Считать все первые пузырьки воздухом. В нагревающейся воде действительно могут выделяться растворённые газы, но устойчивые пузырьки при кипении заполнены главным образом паром жидкости. Проверка: спросите, растёт ли пузырёк и доходит ли он до поверхности.
Ошибка 4. Продолжать повышать температуру кипящей жидкости при постоянном давлении. В этот момент теплота расходуется на парообразование, поэтому температура остаётся постоянной до испарения жидкости. Проверка: разделяйте этап нагревания до кипения и этап кипения.
Для понимания кипения нужны знания об испарении, конденсации, внутренней энергии и количестве теплоты. Также важно уметь связывать давление газа с его температурой и движением молекул.
Формула Q = cmΔT + Lm объединяет нагревание и парообразование. Она применяется в задачах, где вещество сначала доводят до температуры кипения, а затем испаряют.
Кипение связано с работой тепловых двигателей и холодильных установок, процессами в атмосфере и приготовлением пищи. Изменение давления позволяет управлять температурой фазового перехода.
Почему вода может кипеть при температуре ниже 100 °C?
Температура кипения определяется внешним давлением. На большой высоте атмосферное давление ниже, поэтому давление насыщенного пара достигает его уже при температуре ниже 100 °C.
Почему пузырьки в нагревающейся воде сначала поднимаются и исчезают?
Внутри пузырьков давление пара ещё меньше внешнего давления, поэтому вода сжимает их. Поднимаясь, пузырьки попадают в более холодные слои и конденсируются, то есть превращаются обратно в жидкость.
Почему при кипении температура воды не увеличивается?
При постоянном давлении подводимая теплота расходуется на разрыв связей между молекулами и переход воды в пар. Поэтому температура остаётся равной температуре кипения, пока в сосуде есть жидкость.
Что произойдёт с температурой кипения воды на вершине горы?
Атмосферное давление на вершине горы меньше, чем у подножия. Поэтому вода закипит при более низкой температуре.
Почему в скороварке пища готовится быстрее?
В скороварке давление выше атмосферного, поэтому вода кипит при температуре около 120 °C, а не при 100 °C. Пища нагревается сильнее, и химические процессы приготовления идут быстрее.
§ 6.5. Кипение
