Кипіння в фізиці

Процес кипіння води вам добре знайомий. На відміну від випаровування, яке відбувається тільки з вільної поверхні рідини, кипіння – це пароутворення, яке відбувається по всьому об’єму рідини.

Кипіння виявляється можливим тому, що в рідині завжди розчинена якась кількість повітря, що потрапило туди в результаті дифузії. При нагріванні рідини це повітря розширюється, бульбашки повітря поступово збільшуються в розмірах і стають видимі неозброєним оком (в каструлі з водою вони осаджують дно і стінки). Усередині повітряних бульбашок знаходиться насичений пар, тиск якого, як ви пам’ятаєте, швидко зростає з підвищенням температури.

Чим більшими стають бульбашки, тим більша діє на них архімедова сила, і після певного моменту починається відрив і спливання бульбашок. Піднімаючись вгору, бульбашки потрапляють в менш нагріті шари рідини; пар в них конденсується, і бульбашки стискаються знову.

Схлопування (вибух) бульбашок викликає знайомий нам шум, що передує закипанню чайника. Нарешті, з плином часу, вся рідина рівномірно прогрівається, бульбашки досягають поверхні і лопаються, викидаючи назовні повітря і пар – шум змінюється бульканням – рідина кипить.

Бульбашки, таким чином, служать «провідниками» пари зсередини рідини на її поверхню.

При кипінні разом із звичайним випаровуванням йде перетворення рідини в пару по всьому об’єму – випаровування всередині повітряних бульбашок з подальшим виведенням пари назовні. Ось чому кипляча рідина випаровується дуже швидко: чайник, з якого вода випаровувалася б багато днів, википить за півгодини.

На відміну від випаровування, що відбувається при будь-якій температурі, рідина починає кипіти тільки при досягненні температури кипіння – саме тієї температури, при якій бульбашки повітря перебувають в стані, коли вони можуть спливти і дістатися до поверхні. При температурі кипіння тиск насиченої пари дорівнює зовнішньому тиску на рідину (зокрема, атмосферному тиску).

Відповідно, чим більше зовнішній тиск, тим при більш високій температурі почнеться кипіння.

При нормальному атмосферному тиску (1 атм або 105 Па) температура кипіння води дорівнює 100°С. Тому тиск насиченої водяної пари при температурі 100°С дорівнює 105 Па. Цей факт необхідно знати для вирішення завдань – часто він вважається відомим за замовчуванням.

На вершині Ельбрусу атмосферний тиск дорівнює 0,5 атм, і вода там закипить при температурі 82°С. А під тиском 15 атм вода почне кипіти тільки при 200°С.

Температура кипіння (при нормальному атмосферному тиску) є строго визначеною для даною рідини величиною. Так:

  • спирт кипить при 78°С;
  • ефір – при 35°С;
  • ртуть – при 357°С.

Зверніть увагу: чим більш летючою є рідина, тим нижче її температура кипіння.

У таблиці температур кипіння ми бачимо також, що кисень кипить при -183°С. Значить, при звичайних температурах кисень – це газ! Ми знаємо, що якщо чайник зняти з вогню, то кипіння тут же припиниться:

Процес кипіння вимагає безперервного підведення тепла.

Разом з тим, температура води в чайнику після закипання перестає змінюватися, весь час залишаючись рівній 100°С. Куди ж при цьому дівається тепло?

Ситуація аналогічна процесу плавлення: тепло йде на збільшення потенційної енергії молекул. У даному випадку – на здійснення роботи по видаленню молекул на такі відстані, що сили тяжіння виявляться не здатними утримувати молекули неподалік один від одного, і рідина буде переходити в газоподібний стан.

Посилання на основну публікацію