10 класс
§ 54. Кипение жидкости
Процесс кипения жидкости.
Процесс испарения может происходить не только с поверхности жидкости, но и по всему её объёму. В этом случае при некоторой температуре наблюдается кипение жидкости (рис. 8.6).
Исследования физических явлений опытным путём
Проследим за нагреванием воды в стеклянном сосуде. Сначала дно и стенки сосуда покроются маленькими пузырьками. Их появление объясняется выделением воздуха, растворённого в воде. В воде (а также в любой другой жидкости) всегда имеется некоторое количество растворённого воздуха. Этим воздухом дышат рыбы и другие живые существа, обитающие в воде.
Так как внутри каждого пузырька происходит испарение воды, то, кроме воздуха, пузырьки содержат насыщенный водяной пар. При повышении температуры пузырьки, заполненные воздухом и паром, увеличиваются в размерах (рис. 8.7, а); их количество увеличивается.
C увеличением объёма пузырьков возрастает действующая на них выталкивающая (архимедова) сила. В некоторый момент времени она отрывает пузырёк от стенок. При этом между пузырьком и дном сосуда образуется всё суживающаяся воздушная перемычка (рис. 8.7, б). Наконец, пузырёк отрывается, оставляя у дна небольшое количество воздуха, из которого с течением времени образуется новый пузырёк. Поднимающийся пузырёк, попадая в верхние, более холодные слои воды, уменьшается в размере, так как содержащийся в нём пар конденсируется (рис. 8.7, в). Давление в пузырьке стремительно падает, и пузырёк «схлопывается». «Схлопывание» происходит настолько быстро, что стенки пузырька, сталкиваясь, производят нечто вроде маленького взрыва. Мы слышим, как закипающая вода шумит. Когда вся вода достаточно прогреется, поднимающиеся пузырьки уже не будут уменьшаться в размерах и достигают поверхности, выбрасывая пар во внешнее пространство (рис. 8.7, г). Шум при этом прекращается и начинается «бульканье» — вода кипит.
Кипение — это переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объёму жидкости или на поверхности сосуда.
Термометр, помещённый в пар над кипящей водой, всё время, пока вода кипит, показывает одну и ту же температуру (около 100 °C). Эта температура не изменится, пока вся вода не выкипит. Кипение происходит при такой температуре, когда давление насыщенных паров сравнивается с давлением внутри жидкости.
Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения. Она зависит от рода жидкости.
Зависимость температуры кипения жидкости от внешнего давления.
Температура кипения жидкости зависит от внешнего давления. Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения. Так, в паровом котле при давлении, достигающем 1,6 ∙ 106 Па, вода не кипит и при температуре, равной 200 °C. В медицинских учреждениях кипение воды в герметически закрытых сосудах — автоклавах (рис. 8.8) также происходит при повышенном давлении. Поэтому температура кипения значительно выше 100 °C. Автоклавы применяют для стерилизации хирургических инструментов, перевязочного материала и т. д.
И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Под колоколом воздушного насоса можно заставить воду кипеть при комнатной температуре (рис. 8.9).
При подъёме в горы атмосферное давление уменьшается, поэтому уменьшается температура кипения. На высоте 7134 м (пик Ленина на Памире) давление приближённо равно 4 ∙ 101 Па (300 мм рт. ст.). Вода кипит там примерно при температуре, равной 70 °C.
На рисунке 8.10 приведён график зависимости температуры кипения воды от внешнего давления. Он является одновременно и графиком, выражающим зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры.
Удельная теплота парообразования жидкости.
Как вы уже знаете, испарение жидкости сопровождается её охлаждением. Для поддержания температуры испаряющейся жидкости неизменной к ней необходимо подводить извне количество теплоты. Многочисленные опыты подтверждают, что для превращения жидкости в пар путём испарения или кипения требуется определённое количество теплоты. На что расходуется подводимая к телу энергия? Прежде всего, на увеличение его внутренней энергии при переходе из жидкого состояния в газообразное. При этом увеличивается объём вещества: от объёма жидкости до объёма насыщенного пара. Следовательно, увеличиваются среднее расстояние между молекулами и их потенциальная энергия. Кроме того, при увеличении объёма вещества совершается работа против сил внешнего давления.
Зависимость количества теплоты, необходимого для парообразования жидкости, от её рода характеризуется физической величиной, называемой удельной теплотой парообразования.
Удельной теплотой парообразования данной жидкости называют отношение количества теплоты, требующегося для превращения данной массы жидкости в пар при постоянной температуре и постоянном давлении, к массе жидкости.
где r — удельная теплота парообразования жидкости; m — масса жидкости; Qп — количество теплоты, необходимое для её парообразования.
Единицей удельной теплоты парообразования в СИ является джоуль на килограмм (Дж/кг).
Удельная теплота парообразования воды очень велика: 2,26 ∙ 106 Дж/кг при температуре 100 °C и нормальном атмосферном давлении. Это означает, что для превращения воды массой 1 кг в пар при температуре 100 °C и нормальном атмосферном давлении требуется 2,26 ∙ 106 Дж энергии. При этом внутренняя энергия пара массой 1 кг при 100 °C больше внутренней энергии 1 кг воды при той же температуре на 2,26 ∙ 106 Дж.
У других жидкостей (спирт, эфир, ртуть, керосин и др.) удельная теплота парообразования меньше в 3 - 10 раз. Для одной и той же жидкости удельная теплота парообразования при разных температурах имеет разное значение. При повышении температуры удельная теплота парообразования уменьшается, так как с ростом температуры уменьшается разность между объёмом жидкости и объёмом её насыщенного пара. Поэтому уменьшается изменение внутренней энергии и работа против сил внешнего давления.
Количество теплоты, необходимое для парообразования жидкости, в соответствии с выражением (1) равно:
Qп = rm. (2)
Согласно закону сохранения энергии, при конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты, какое было затрачено при парообразовании той же массы жидкости при той же температуре:
Qк = -rm. (3)
Формулы (2) и (3) используют при записи уравнений теплового баланса в тех случаях, когда мы рассматриваем явления парообразования и конденсации.
Вопросы:
1. Объясните процесс кипения с молекулярно-кинетической точки зрения.
2. Как зависит температура кипения жидкости от внешнего давления? Для чего используют автоклавы?
3. Для превращения жидкости в пар путём испарения или кипения требуется определённое количество теплоты. На что оно расходуется?
4. Что называют удельной теплотой парообразования жидкости?
Вопросы для обсуждения:
1. Как изменяется потенциальная энергия взаимодействия молекул тела при:
а) кипении;
б) конденсации?
2. Пробирка наполнена водой и открытым концом опущена в стакан с водой. Изменится ли уровень воды в пробирке, если установку нагреть до температуры кипения воды?
3. Можно ли осуществить процесс кипения жидкости в условиях невесомости?
Пример решения задачи
В сосуд, содержащий 0,5 кг воды при температуре 16 °C, впускают 75 г стоградусного водяного пара при нормальном атмосферном давлении. Определите установившуюся температуру в сосуде. Теплообменом с окружающей средой пренебречь.
После этого вода массой m1 нагревается от t1 до θ. Для этого необходимо затратить, количество теплоты Q3:
По условию задачи система теплоизолирована, поэтому уравнение теплового баланса имеет вид:
Подставляя в это уравнение выражения для количеств теплоты Q1, Q2 и Q3, получим:
Отсюда
C учётом числовых данных запишем:
Ответ: θ ≈ 97 °C.
Упражнения:
1. В сосуд, содержащий 30 л воды, впускают 1,85 кг стоградусного водяного пара при нормальном атмосферном давлении. В сосуде установилась температура, равная 37 °C. Чему равна первоначальная температура воды? Теплоёмкостью сосуда пренебречь.
2. В латунный калориметр массой 0,2 кг, содержащий 0,35 кг воды при 8 °C, впускают пар при температуре 100 °C при нормальном атмосферном давлении. Сколько пара впустили, если в калориметре установилась температура, равная 40 °C?
3. В 1 л воды при температуре 20 °C и нормальном атмосферном давлении бросили кусок железа массой 0,1 кг, нагретый до температуры 500 °C. При этом некоторое количество воды испарилось. Определите, сколько воды испарилось, если установившаяся температура воды равна 24 °C.
4. В воду массой 12 кг впускают 1 кг пара при температуре 100 °C и при нормальном атмосферном давлении. Температура воды после конденсации в ней пара равна 70 °C. Найдите первоначальную температуру воды.
5. Через воду, имеющую температуру 10 °C, пропускают водяной пар при температуре 100 °C, и при нормальном атмосферном давлении. Сколько процентов составит масса воды, образовавшейся из пара, от массы всей воды в сосуде в тот момент, когда её температура стала равной 50 °C?
