Глава 11. § 72. Давление насыщенного пара — с. 243
§ 72. Вопрос 1. Почему давление насыщенного пара не зависит от его объёма?
При постоянной температуре число молекул, покидающих жидкость за единицу времени, определяется только температурой. Если объём пара уменьшить, плотность пара в первый момент возрастёт, и в жидкость будет возвращаться больше молекул, чем вылетать. Часть пара сконденсируется, пока не восстановится прежняя концентрация молекул. При увеличении объёма, наоборот, часть жидкости испарится. Итак, концентрация n молекул насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от объёма, а так как p = nkT, то и давление насыщенного пара от объёма не зависит. Меняется лишь масса пара.
§ 72. Вопрос 2. Почему температура кипения возрастает с увеличением давления?
Кипение начинается тогда, когда давление насыщенного пара в пузырьках становится чуть больше давления в жидкости, то есть суммы внешнего давления и гидростатического давления столба жидкости. Пузырёк тогда может расти и всплывать. Давление насыщенного пара зависит только от температуры и растёт с её повышением. Чем больше внешнее давление, тем большего давления насыщенного пара надо достичь, а значит, жидкость нужно нагреть до более высокой температуры. Поэтому температура кипения растёт с увеличением давления (например, в автоклаве или паровом котле вода кипит при температуре выше 100 °С).
§ 72. Вопрос 3. Почему для кипения существенно повышение давления насыщенного пара в пузырьках, а не повышение давления имеющегося в них воздуха?
Если пузырёк расширяется, то объём воздуха в нём возрастает, а его давление при данной температуре уменьшается (закон Бойля — Мариотта), и расширение воздуха в пузырьке самопроизвольно прекратилось бы. Давление же насыщенного пара зависит только от температуры и при росте пузырька не уменьшается: в пузырёк поступает всё новое количество пара за счёт испарения жидкости со стенок. Поэтому именно давление насыщенного пара, превысившее давление в жидкости, обеспечивает рост пузырька и кипение, а давление воздуха этого сделать не может.
§ 72. Вопрос 4. Как заставить закипеть жидкость, охлаждая сосуд?
(Вопрос этот непростой.)
Кипение начинается при понижении внешнего давления до значения давления насыщенного пара жидкости при её температуре. Возьмём колбу с горячей водой, закроем её пробкой, чтобы над водой был воздух и пар. Если охладить колбу сверху (например, облить её холодной водой), пар в верхней части конденсируется, его давление и общее давление над водой резко падают. Давление над поверхностью воды становится меньше давления насыщенного пара горячей воды, и вода закипает, хотя её не нагревают, а охлаждают сосуд. Так же можно вскипятить воду, из которой предварительно удалён воздух, охлаждением части сосуда.