Страница 81 — Глава 1. Тепловые явления. § 21. Кипение

В воде всегда растворён воздух. При нагревании на дне и стенках сосуда образуются пузырьки воздуха, внутри которых находится насыщенный водяной пар: он возникает при испарении воды внутрь пузырьков. С ростом температуры давление пара в пузырьках растёт (молекул пара становится больше, и они движутся быстрее). Когда оно становится чуть больше внешнего давления (атмосферного плюс давление столба жидкости), пузырьки быстро раздуваются. Архимедова сила растёт, пузырьки отрываются от дна и всплывают. Когда вода прогрета по всему объёму, пузырьки при подъёме не уменьшаются, достигают поверхности и лопаются, выбрасывая пар наружу. Так происходит парообразование по всему объёму жидкости — кипение.

Кипением называют процесс парообразования, происходящий по всему объёму жидкости. Он идёт одновременно на поверхности и внутри жидкости: в объёме образуются пузырьки пара, которые растут, всплывают и лопаются на поверхности. В отличие от испарения, которое идёт только с поверхности и при любой температуре, кипение происходит при определённой температуре и сопровождается бурлением жидкости.

Температурой кипения называют температуру, при которой жидкость кипит. Во время кипения она не меняется и зависит от рода жидкости и от внешнего давления. При нормальном атмосферном давлении вода кипит при 100 °C, спирт — при 78 °C, эфир — при 35 °C, ртуть — при 357 °C. С увеличением давления температура кипения повышается, с уменьшением — понижается.

Кипение происходит при такой температуре, при которой давление насыщенного пара равно давлению внутри жидкости (то есть сумме атмосферного давления и давления столба жидкости). Пока давление пара в пузырьках меньше внешнего, пузырьки не растут. При достижении равенства они расширяются, всплывают, и жидкость кипит. Для поддержания кипения к жидкости нужно непрерывно подводить энергию, а температура остаётся постоянной.

На графике два участка. Первый — наклонный отрезок от 20 °C до 100 °C: вода нагревается, её температура растёт со временем (почти равномерно), подводимая энергия идёт на увеличение кинетической энергии молекул, то есть на повышение температуры. Второй — горизонтальный участок при 100 °C: вода кипит, температура не меняется. Хотя энергия от горелки продолжает поступать, она тратится не на нагрев, а на увеличение потенциальной энергии молекул — на преодоление сил притяжения при превращении воды в пар. Кинетическая энергия молекул при кипении остаётся прежней. Нормальному атмосферному давлению соответствует 100 °C.

Температура кипения зависит от давления: чем меньше давление над жидкостью, тем ниже температура кипения. Поэтому раствор сахара выпаривают в закрытых вакуумных аппаратах, из которых насосом откачивают воздух и пар. При пониженном давлении раствор закипает при температуре заметно ниже 100 °C (например, около 60–70 °C), вода интенсивно выпаривается, а сахар не пригорает и не темнеет.

Решение. Массы воды и пара равны, температуры тоже равны (100 °C), поэтому средняя кинетическая энергия молекул одинакова. Но для превращения воды в пар при температуре кипения необходимо подвести энергию: она идёт на увеличение потенциальной энергии молекул, так как при парообразовании нужно совершить работу по удалению молекул друг от друга на значительные расстояния против сил притяжения. Поэтому потенциальная энергия молекул пара больше.
Ответ: нет, внутренняя энергия пара больше внутренней энергии такой же массы воды при той же температуре. Этим объясняется, что ожог паром тяжелее, чем ожог кипятком.

Решение. Температура кипения зависит от давления: чем выше давление, тем выше температура кипения. На высокой горе атмосферное давление меньше (на Эльбрусе вода кипит при 82 °C), на уровне моря — нормальное (100 °C), в глубокой шахте давление воздуха больше нормального, поэтому вода закипает при более высокой температуре.
Ответ: кипящая вода горячее в глубокой шахте, так как там самое большое атмосферное давление.

Решение. При нормальном атмосферном давлении спирт кипит при 78 °C (таблица 7). Здесь он закипел при более низкой температуре 50 °C. Значит, давление над жидкостью в сосуде меньше нормального атмосферного: давление насыщенного пара спирта при 50 °C уже сравнялось с давлением в сосуде, а оно ниже, чем при 78 °C.
Ответ: давление в сосуде меньше нормального атмосферного (воздух из сосуда частично откачан).

Решение. Построим графики t(τ) для воды и спирта одинаковой массы, нагреваемых одинаковыми горелками, то есть получающих одинаковое количество теплоты за одно и то же время. Начальная температура обеих жидкостей 20 °C. Температура кипения воды 100 °C, спирта 78 °C (таблица 7). Удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/(кг·°C) больше, чем спирта (около 2500 Дж/(кг·°C)), поэтому при одинаковом подводе теплоты спирт нагревается быстрее: скорость роста температуры обратно пропорциональна теплоёмкости (отношение примерно 4200/2500 ≈ 1,7). Если принять, что вода достигает 100 °C за 8 мин (10 °C/мин), то спирт нагревается со скоростью около 17 °C/мин и достигает 78 °C примерно через 3,5 мин. После этого на каждом графике идёт горизонтальный участок: температура кипения не меняется — у спирта на уровне 78 °C, у воды на уровне 100 °C. Итак: два наклонных отрезка, у спирта более крутой и заканчивающийся ниже; затем два горизонтальных участка.
Ответ: график спирта круче и выходит на горизонтальный участок при 78 °C, график воды положе и выходит на горизонтальный участок при 100 °C.
Оговорка: значения времени условные; длительность горизонтальных участков зависит от массы жидкости и удельной теплоты парообразования.