"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Кипение — парообразование не только с поверхности, но и внутри жидкости: в ней возникают и растут пузырьки пара. Оно начинается, когда давление пара в пузырьках может уравновесить внешнее давление. Во время кипения температура жидкости не растёт: энергия нагревателя расходуется на превращение жидкости в пар. Температура кипения зависит от давления, а количество теплоты для парообразования находят по формуле Q = Lm.
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 с образованием и ростом пузырьков пара. Иными словами, жидкость превращается в пар не только на поверхности: пузырьки возникают внутри и поднимаются наверх. Это понятие помогает отличать кипение от испарения.
Температура кипения — температура, при которой жидкость кипит при данном внешнем давлении. Она не является неизменной для всех условий: если давление меняется, изменяется и температура кипения. Это определение нужно, чтобы правильно объяснять, когда в жидкости могут расти пузырьки пара.
Насыщенный пар — пар, находящийся в равновесии с жидкостью при определённой температуре. В таком состоянии число молекул, переходящих из жидкости в пар, в среднем равно числу молекул, возвращающихся обратно. Понятие помогает понять, как пар в пузырьках связан с температурой жидкости.
Удельная теплота парообразования — количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости в пар при температуре кипения. Её обозначают L, а количество теплоты находят по формуле Q = Lm, где m — масса жидкости. Величина L зависит от вещества и показывает, сколько энергии нужно для парообразования единицы массы.
При нагревании из жидкости выделяется растворённый газ, а внутри небольших полостей начинает собираться пар. Так появляются пузырьки. Сначала они могут сжиматься: давление окружающей жидкости и атмосферы сильнее давления внутри пузырька. По мере нагревания в пузырьке становится больше пара, и его давление растёт.
Пузырёк начинает устойчиво увеличиваться, когда давление пара внутри него становится равным внешнему давлению. Если внутреннее давление меньше, пузырёк сжимается и может исчезнуть. При достижении нужной температуры пузырьки уже могут расти и подниматься сквозь жидкость. Поэтому кипение начинается не просто при появлении первых пузырьков, а когда условия позволяют им увеличиваться.
Во время кипения энергия от нагревателя продолжает поступать, но температура жидкости остаётся постоянной. Эта энергия расходуется на переход молекул из жидкости в пар: молекулам нужно преодолеть притяжение со стороны соседних молекул. Значит, теплота не исчезает, а идёт на изменение состояния вещества. Когда жидкость при данном давлении полностью превратится в пар, дальнейший нагрев пара может повысить его температуру.
Чтобы пузырьки пара могли расти, их давление должно уравновесить давление снаружи. При пониженном внешнем давлении для этого достаточно меньшего давления пара, а оно достигается при более низкой температуре. При повышенном внешнем давлении требуется более высокое давление внутри пузырьков, поэтому жидкость нужно нагреть сильнее. Так объясняется зависимость температуры кипения от внешнего давления.
Для превращения жидкости в пар при температуре кипения требуется энергия, даже если температура не меняется. Количество теплоты зависит от массы жидкости m и удельной теплоты парообразования L: Q = Lm. Для одной и той же жидкости увеличение массы в два раза требует в два раза больше теплоты. Если сравниваются разные вещества, нужно учитывать, что их значения L различаются.
На графике нагревания вода сначала получает энергию и её температура повышается от 20 °C до 100 °C. Затем линия становится горизонтальной: при нормальном атмосферном давлении вода кипит, а её температура остаётся около 100 °C. Участок от 8 до 10 минут на этом графике показывает кипение. По горизонтальной части можно определить температуру кипения, а по наклонной — увидеть нагревание жидкости.
| Свойство | Испарение | Кипение |
|---|---|---|
| Где происходит процесс | Только на поверхности жидкости | Во всём объёме жидкости |
| При какой температуре происходит | При разных температурах | При температуре кипения для данного давления |
| Образование пузырьков пара | Пузырьки в объёме не образуются | В жидкости образуются и растут пузырьки |
| Скорость процесса | Обычно происходит постепенно | Идёт интенсивно во всём объёме |
| Влияние температуры и площади поверхности | При нагревании и увеличении площади поверхности обычно ускоряется | Нагрев доводит жидкость до кипения; площадь поверхности не определяет температуру кипения |
| Изменение температуры жидкости | Может охлаждаться из-за ухода наиболее быстрых молекул | Во время кипения при постоянном давлении не меняется |
Сравнивайте процессы по месту, условиям и наличию пузырьков: это самые надёжные признаки. Испарение возможно и без кипения, тогда как кипение требует достижения температуры, соответствующей внешнему давлению. Последняя строка показывает, почему температура кипящей жидкости не растёт, хотя нагревание продолжается.
Условие. Объяснить, почему вода в открытой кастрюле кипит при одной температуре, а в скороварке — при более высокой. Нужно сравнить внешнее давление в двух случаях и связать его с условием роста пузырьков. Числа для расчёта не заданы, поэтому ответ будет качественным.
Ответ: в скороварке вода кипит при более высокой температуре, потому что давление над ней выше, чем в открытой кастрюле. Устройство скороварки повышает температуру кипения, поэтому вода и пища внутри могут нагреться сильнее. Это не означает, что температура кипения воды всегда одинакова при любых условиях.
Условие. На графике нагревания воды температура растёт от 20 °C до 100 °C, а затем линия идёт горизонтально. Нужно определить температуру кипения и участок превращения воды в пар. Горизонтальная линия означает, что с течением времени температура не меняется.
Ответ: температура кипения воды на графике равна 100 °C. Вода превращается в пар на горизонтальном участке от 8 до 10 минут. Вывод относится к условиям графика, то есть к нормальному атмосферному давлению.
Условие. Требуется определить количество теплоты для превращения заданной массы воды при температуре кипения в пар. Обозначим массу как m, а удельную теплоту парообразования воды — как L. Если масса дана в граммах, сначала переведём её в килограммы, иначе единицы в формуле не совпадут.
Ответ: количество теплоты равно произведению удельной теплоты парообразования на массу: Q = Lm. Для численного ответа необходимы конкретные масса и значение L. Использовать формулу Q = cmΔt здесь нельзя: при кипении температура не изменяется, а жидкость переходит в пар.
Считать кипение и испарение одним процессом. Так думают, потому что в обоих случаях жидкость превращается в пар. Но испарение идёт с поверхности, а кипение — во всём объёме с пузырьками. Проверь себя вопросом: образуются ли и растут ли пузырьки внутри жидкости?
Утверждать, что при кипении температура продолжает расти. Нагреватель действительно продолжает передавать энергию, поэтому легко спутать подвод теплоты с повышением температуры. Во время кипения энергия расходуется на парообразование, и при постоянном давлении температура остаётся постоянной. Проверь ответ по графику: кипению соответствует горизонтальный участок.
Считать температуру кипения одинаковой при любых условиях. Часто запоминают только значение 100 °C для воды, забывая, что оно относится к нормальному атмосферному давлению. При изменении внешнего давления меняется и температура кипения. Проверь себя: сравни давление в открытой кастрюле, скороварке или в горах.
Применять Q = cmΔt для превращения жидкости в пар. Эту формулу используют, когда нагревание меняет температуру вещества, поэтому её ошибочно переносят на кипение. Для перехода жидкости в пар при температуре кипения нужна формула Q = Lm. Проверь, изменяется ли температура: если нет, а требуется найти теплоту парообразования, используй L и массу.
Чтобы разобраться в кипении, нужно знать, что такое температура и внутренняя энергия, как передаётся теплота и что называют испарением. Также пригодятся представления о давлении газа и равновесии пара с жидкостью: они объясняют рост пузырьков и условия начала кипения. Позже эти знания помогут изучать влажность воздуха и тепловые двигатели. Формула Q = Lm используется в задачах на расчёт теплоты при изменении агрегатного состояния.
Почему пузырьки при кипении сначала уменьшаются, а потом начинают расти?
Внутри первых пузырьков есть растворённый газ и водяной пар. Пока жидкость недостаточно нагрета, давление пара в пузырьке мало, а внешнее давление сжимает его. При дальнейшем нагревании пара становится больше, давление растёт, и пузырёк увеличивается.
Почему вода в горах закипает при температуре ниже 100 °C?
На высоте атмосферное давление ниже, чем у поверхности моря. Поэтому давление пара в пузырьках может сравняться с внешним давлением при более низкой температуре. При обычном атмосферном давлении вода кипит примерно при 100 °C.
Почему при кипении температура воды не повышается?
Во время кипения поступающая энергия расходуется на превращение воды в пар. Она идёт на изменение внутренней энергии вещества, а не на дальнейшее повышение температуры. Поэтому при постоянном давлении температура кипящей воды остаётся постоянной.
Можно ли считать кипение испарением?
Кипение — это парообразование, но не то же самое, что обычное испарение. Испарение происходит только с поверхности жидкости и может идти при разных температурах, а кипение охватывает весь её объём и сопровождается пузырьками пара.
От чего зависит количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар?
Оно зависит от массы жидкости и от вещества, из которого она состоит. Для расчёта используют формулу Q = Lm, где L — удельная теплота парообразования, а m — масса жидкости в килограммах. Чем больше масса, тем больше требуется теплоты.
3. Кипение
