"Физика (углублённый уровень)", Касьянов В.А.
Кипение — превращение жидкости в пар, которое происходит не только с поверхности, но и во всём её объёме. Оно начинается при определённой температуре: давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным внешнему давлению. Во время кипения при постоянном давлении температура жидкости не растёт, потому что теплота расходуется на переход вещества в пар. Эти закономерности объясняют работу скороварки, кипение воды в горах и расчёты количества теплоты.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кипение — парообразование, происходящее по всему объёму жидкости с образованием и ростом пузырьков пара. В отличие от испарения, этот процесс идёт внутри жидкости и на её поверхности одновременно. Понятие помогает определить, почему нагретая вода активно превращается в пар.
Температура кипения — температура, при которой давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению. Её обозначают, например, tкип и измеряют в градусах Цельсия или кельвинах. Знание этой температуры позволяет понять, когда начнётся кипение при данных условиях.
Давление насыщенного пара — давление пара, находящегося в состоянии динамического равновесия с жидкостью. Динамическое равновесие означает, что число молекул, покидающих жидкость, в среднем равно числу молекул, возвращающихся в неё. От этого давления зависит возможность роста пузырьков и начала кипения.
Удельная теплота парообразования — количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар при постоянной температуре. Обозначается L и измеряется в джоулях на килограмм. Для массы m теплота парообразования равна Q = Lm.
При испарении молекулы покидают только поверхность жидкости, потому что именно там они могут вылететь в окружающее пространство. Кипение отличается тем, что пар образуется и внутри жидкости. Для этого в жидкости должны существовать маленькие полости, заполненные паром, которые называют пузырьками.
Пузырьки сначала могут содержать растворённый воздух и водяной пар. Если давление снаружи больше давления внутри, пузырёк сжимается и схлопывается, поэтому при начальном нагревании он часто исчезает. Когда температура растёт, давление насыщенного пара внутри пузырька увеличивается, и пузырёк получает возможность расширяться.
Пузырёк растёт при подъёме, если давление пара внутри него достаточно велико по сравнению с давлением окружающей жидкости. В жидкости внешнее давление складывается из атмосферного давления и давления столба самой жидкости. Поэтому для устойчивого роста пузырьков давление пара должно сравняться с внешним давлением, а не просто стать заметным.
Именно поэтому кипение начинается при определённой температуре. При нагревании давление насыщенного пара быстро увеличивается, пока не достигает внешнего давления. После этого пузырьки не схлопываются, поднимаются вверх и выходят на поверхность, превращая кипение в заметный процесс.
Во время кипения при постоянном давлении температура жидкости остаётся неизменной. Подводимая теплота расходуется на ослабление межмолекулярного притяжения и переход молекул из жидкости в пар. Если увеличить внешнее давление, потребуется большее давление насыщенного пара, а значит, более высокая температура; на высоте давление меньше, поэтому температура кипения снижается.
| Признак | Испарение | Кипение |
|---|---|---|
| Где происходит парообразование | При любой температуре с поверхности жидкости | При определённой температуре по всему объёму |
| Образование пузырьков | Пузырьки внутри жидкости не образуются | Образуются пузырьки насыщенного пара |
| Температура процесса | Может изменяться | При постоянном давлении остаётся постоянной |
| Влияние внешнего давления | Слабо влияет на скорость процесса | Определяет температуру кипения |
| Расход теплоты | Скорость зависит от подвода теплоты и условий испарения | Теплота расходуется на парообразование при постоянной температуре |
Сначала найдите в таблице признак, по которому нужно сравнить процессы, а затем сопоставьте описание в двух столбцах. Главное различие связано с местом парообразования: испарение идёт с поверхности, а кипение — во всём объёме.
Задача 1. Объяснить, почему вода на вершине горы закипает при температуре ниже 100 °C, а в герметичной скороварке — выше 100 °C. Нужно связать температуру кипения с условием равенства давления насыщенного пара и внешнего давления.
Задача 2. Найти теплоту для нагревания 0,5 кг воды от 20 °C до 100 °C и полного превращения в пар при нормальном давлении. Пусть c = 4200 Дж/(кг·°C), L = 2,3·10⁶ Дж/кг.
Ответ: потребуется примерно 1,32 МДж теплоты. Основная часть энергии уходит не на нагревание, а на парообразование.
Задача 3. Нагреватель мощностью 2 кВт нагревает 1 кг воды от 20 °C до кипения, а затем испаряет её. КПД установки равен 80%; c = 4200 Дж/(кг·°C), L = 2,3·10⁶ Дж/кг.
Ответ: время процесса составляет примерно 1,65·10³ с, то есть 27,5 минуты.
Считать, что кипение возможно при любой температуре. Так путают кипение с испарением, которое действительно идёт при любой температуре. Проверьте себя: для кипения должно выполняться равенство давления насыщенного пара и внешнего давления.
Путать кипение с испарением. Ошибка возникает, если не учитывать место образования пара. Спросите себя, есть ли пузырьки во всём объёме: если нет, речь идёт об испарении с поверхности.
Утверждать, что температура кипящей жидкости повышается при нагревании. Обычно забывают, что энергия уже расходуется на переход жидкости в пар. При постоянном давлении температура должна оставаться постоянной до окончания кипения.
Игнорировать внешнее давление. Тогда невозможно объяснить различия между кипением у моря, в горах и в скороварке. Проверьте условие задачи: увеличение давления повышает температуру кипения, а уменьшение — понижает её.
Для понимания кипения нужны представления о молекулярном строении вещества, испарении, насыщенном паре, давлении и внутренней энергии. Эти знания объясняют, почему поведение жидкости связано с движением и взаимодействием молекул.
Тема продолжает изучение тепловых явлений и пригодится при знакомстве с тепловыми двигателями, работой пара, холодильными установками и фазовыми переходами. В каждом случае важно учитывать передачу энергии и изменение состояния вещества.
На практике кипение используют в скороварках, перегонке жидкостей и приготовлении пищи. По температуре кипения воды также можно оценивать высоту местности.
Почему пузырьки при нагревании воды сначала исчезают, а потом начинают расти?
Сначала пузырьки содержат воздух и водяной пар, но давление окружающей жидкости велико, поэтому они сжимаются и исчезают. При повышении температуры давление насыщенного пара внутри пузырьков увеличивается, и они начинают расти и всплывать.
Почему вода в горах кипит при температуре ниже 100 °C?
С высотой атмосферное давление уменьшается. Поэтому равенство давления насыщенного пара и внешнего давления достигается при более низкой температуре.
Можно ли повысить температуру кипения воды?
Да. Для этого нужно увеличить внешнее давление, например поместить воду в герметичную скороварку. При большем давлении вода закипает при температуре выше 100 °C.
Почему кипящая вода не становится горячее при дальнейшем нагревании?
При постоянном давлении подводимая теплота расходуется на превращение воды в пар, а не на увеличение температуры жидкости. После полного испарения пар может нагреваться дальше.
Чем кипение отличается от обычного испарения?
Испарение происходит только с поверхности жидкости и возможно при любой температуре. Кипение начинается при определённой температуре и идёт по всему объёму с образованием пузырьков пара.
§ 64. Кипение жидкости
