Кипіння рідини

На відміну від випаровування, яке відбувається при будь-якій температурі рідини, інший вид пароутворення — кипіння — можливий лише при абсолютно визначеній (при даному тиску) температурі кипіння.

При нагріванні води у відкритій скляній посудині можна побачити, що по мірі збільшення температури стінки і дно посудини покриваються дрібними бульбашками. Вони утворюються в результаті розширення дрібних бульбашок повітря, які існують в поглибленнях і мікротріщинах не повністю змочуваних стінок посудини.

Пари рідини, які знаходяться всередині бульбашок, є насиченими. З ростом температури тиск насичених парів зростає, і бульбашки збільшуються в розмірах. Зі збільшенням обсягу бульбашок зростає і діюча на них виштовхувальна (архімедового) сила. Під дією цієї сили найбільш великі бульбашки відриваються від стінок судин та піднімаються вгору. Якщо верхні шари води ще не встигли нагрітися до 100 °С, то частина пари всередині бульбашок конденсується і йде у воду; бульбашки при цьому скорочуються в розмірах, і сила тяжіння змушує їх знову опускатися вниз. Тут вони знову збільшуються і знову починають спливати вгору. Поперемінне збільшення і зменшення бульбашок усередині води супроводжується виникненням у ній характерних звукових хвиль: кипляча вода шумить.

Коли вся вода прогріється до 100 °С, підняті вгору бульбашки вже не скорочуються в розмірах, а лопаються на поверхні води, викидаючи пар назовні. Виникає характерне булькання — вода кипить.

Кипіння починається після того, як тиск насиченої пари всередині бульбашок порівнюється з тиском навколишнього рідини.

Під час кипіння температура рідини і пари над нею не змінюється. Вона зберігається незмінною до тих пір, поки вся рідина не википить. Це відбувається тому, що вся енергія, яка підводиться до рідини – йде на перетворення її в пару.

Температура, при якій кипить рідина, називається температурою кипіння.

Температура кипіння залежить від тиску, що чиниться на вільну поверхню рідини. Це пояснюється залежністю тиску насиченої пари від температури. Бульбашка росте, поки тиск насиченої пари усередині неї трохи перевершує тиск рідини, яка складається із зовнішнього тиску і гідростатичного тиску стовпа рідини.

Чим більше зовнішній тиск, тим більша температура кипіння.

Всім відомо, що вода кипить при температурі 100ºC. Але не слід забувати, що це справедливо лише при нормальному атмосферному тиску (приблизно 101 кПа). При збільшенні тиску температура кипіння води зростає. Так, наприклад, в каструлях-скороварках їжу варять під тиском близько 200 кПа. Температура кипіння води при цьому досягає 120°С. У воді такої температури процес варіння відбувається значно швидше, ніж у звичайному окропі. Цим і пояснюється назва «скороварка».

І навпаки, зменшуючи зовнішній тиск, ми тим самим знижуємо температуру кипіння. Наприклад, в гірських районах (на висоті 3 км, де тиск становить 70 кПа) вода кипить при температурі 90 °С. Тому мешканцям цих районів, які використовують такий окріп, потрібно значно більше часу для приготування їжі, ніж жителям рівнин. А зварити в цьому окропі, наприклад, куряче яйце взагалі неможливо, так як при температурі нижче 100 °С білок не згортається.

У кожної рідини своя температура кипіння, що залежить від тиску насиченої пари. Чим вищий тиск насиченої пари, тим нижче температура кипіння відповідної рідини, т. к. при менших температурах тиск насиченої пари стає рівним атмосферному. Наприклад, при температурі кипіння 100 °С тиск насичених парів води дорівнює 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а парів ртуті — всього лише 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипить ртуть при 357°С при нормальному тиску.

Теплота пароутворення

Теплота пароутворення (теплота випаровування) — кількість теплоти, яку необхідно речовині (при постійному тиску і постійній температурі) для повного перетворення рідкої речовини в пар.

Фізична величина, що показує, яку кількість теплоти необхідно, щоб перетворити рідину масою 1 кг в пар без зміни температури, називається питомою теплотою пароутворення.

Питому теплоту пароутворення позначають буквою r і вимірюють в джоулях на кілограм (Дж/кг).

Щоб обчислити кількість теплоти Q, необхідної для перетворення в пар рідини будь-якої маси, взятої при температурі кипіння, потрібно питому теплоту пароутворення r помножити на масу m:

Q = rm.

При конденсації пари відбувається виділення такої ж кількості теплоти:

Q = -rm.

ПОДІЛИТИСЯ: