Кипение.

По мере увеличения температуры жидкости интенсив­ность испарения увеличивается. На­конец, жидкость начинает кипеть. При кипении по всему объему жидкости образуются быстро расту­щие пузырьки пара, которые всплы­вают на поверхность. Температура кипения жидкости остается по­стоянной. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия расходуется на превращение ее в пар. При каких условиях начинается кипение?

В жидкости всегда присутствуют растворенные газы, которые выделя­ются на дне и стенках сосуда, а также на взвешенных в жидкости пылинках. Пары жидкости, которые находятся внутри пузырьков, явля­ются насыщенными. С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастает и пузырьки увели­чиваются в размерах. Под действием выталкивающей силы они всплывают вверх. Если верхние слои жидкости имеют более низкую температуру, то в этих слоях происходит кон­денсация пара в пузырьках. Давле­ние стремительно падает, и пузырьки захлопываются. Захлопывание происходит настолько быстро, что стен­ки пузырька, сталкиваясь, произво­дят нечто вроде взрыва. Множество таких микровзрывов создает харак­терный шум¹. Когда жидкость до­статочно прогреется, пузырьки пе­рестанут захлопываться и всплы­вут на поверхность. Жидкость за­кипит. Понаблюдайте внимательно за чайником на плите. Вы обнару­жите, что перед закипанием он почти перестает шуметь.

Зависимость давления насыщен­ного пара от температуры объясняет, почему температура кипения жид­кости зависит от давления на ее поверхность. Пузырек пара может расти, когда давление насыщенного пара внутри его немного превосхо­дит давление в жидкости, которое складывается из давления воздуха на поверхность жидкости (внешнее давление) и гидростатического дав­ления столба жидкости.

Кипение начинается при температуре, при которой давление насы­щенного пара в пузырьках сравни­вается с давлением в жидкости.

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 200 "С. В медицинских учреждениях в гер­метически закрытых сосудах — авто­клавах кипение воды (рис. 31) также происходит при повышенном давлении. Поэтому температура ки­пения жидкости значительно выше 100°С. Автоклавы применяют для стерилизации хирургических инстру­ментов и др.

И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Откачивая насосом воздух и пары воды из колбы, можно заставить воду кипеть при комнатной температуре

(рис. 32). При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, поэтому уменьшается температура кипения. На высоте 7134 м (пик Ленина на Памире) давление при­ближенно равно 4·10⁴ Па (300 мм рт. ст.). Вода кипит там примерно при 701С. Сварить мясо в этих условиях невозможно.

У каждой жидкости своя темпе­ратура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура ки­пения соответствующей жидкости, так как при меньших температурах давление насыщенного пара стано­вится равным атмосферному. На­пример, при температуре кипения 100 °С давление насыщенных паров воды равно 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а паров ртути — всего лишь 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипит ртуть при температуре 357 °С при нормальном давлении.

К ритическая температура. При увеличении температуры жидкости увеличивается давление насыщенно­го пара и одновременно растет его плотность. Плотность жидкости, находящейся в равновесии со своим паром, наоборот, уменьшается вслед­ствие расширения жидкости при нагревании. Если на одном рисунке начертить кривые зависимости плот­ности жидкости и плотности ее пара от температуры, то для жид­кости кривая пойдет вниз, а для пара — вверх (рис.).

П ри некоторой температуре, называемой критической, обе кри­вые сливаются, т. е. плотность жид­кости становится равна плотности пара.

Критическая температура — это температура, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и ее насыщенным паром. Представление о критической температуре ввел Д. И. Менделеев.

При критической температуре плотность и давление насыщенного пара становятся максимальными, а плотность жидкости, находящейся в равновесии с паром,— минималь­ной. В таблице на переднем форзаце приведены значения критических температур некоторых веществ.

Жидкость закипает, когда дав­ление насыщенного пара сравни­вается с давлением внутри жидкости.

При критической температуре свойства жидкости и насыщенного пара становятся неразличимыми. Выше критической температуры жидкость не может существовать.

КИПЕНИЕ.

Кипение. Поместим стеклянный сосуд с холодной водой на горелку и будем наблюдать. Скоро дно и стенки сосуда покроются пузырьками. В этих пузырьках, как мы знаем, находятся воздух и пар воды. Пузырьки появляются в тех местах стенок сосуда, где нет полного смачивания. Такими местами могут явиться следы жира на стенке или мелкие трещинки на ней.

Н аблюдая за пузырьком при неизменной температуре, мы видим, что он сохраняет свои размеры; значит, давления изнутри и извне на его поверхность взаимно уравновеши­ваются. Так как внутри пузырька находится воздух, количество которого надо считать постоянным, то это равновесие является устойчивым. Действительно, если бы по какой-либо случайной причине пузырек расширился, то давление воздуха в нем, согласно закону Бойля — Мариотта, уменьшилось бы и внешнее давление, остающееся при этом почти неизменным, снова уменьшило бы пузырек. Рассуждая таким же образом, легко выяснить, почему случайно уменьшившийся пузырек сейчас же снова расши­рится до прежнего объема. При повышении температуры пузырек постепенно расширяется настолько, что сумма давления воздуха и пара в нем остается равной внешнему давлению. Однако когда пузырек сделается достаточно большим, выталкивающая сила воды заставит его ото­рваться, подобно тому, как отрывается слишком тяжелая капля воды, повисшая на крыше. При этом между пузырьком и стенкой сосуда образуется все сужающаяся воздушная перемычка (рис. 483) и, наконец, пузырек отрывается, оставляя у стен­ки небольшое количество воз­духа, из которого с течени­ем времени разовьется новый пузырек.

Поднимаясь кверху, ото­рвавшиеся пузырьки снова уменьшаются в размерах. Почему это происходит? Эти пузырьки содержат пар воды и немного воздуха. Когда пузырек достигает верхних, еще не успевших нагреться слоев воды, то значительная часть водяного пара конден­сируется в воду и пузырек уменьшается. Это поперемен­ное увеличение и уменьшение пузырьков сопровождается звуками: закипающая вода «шумит». Наконец, вся вода прогревается в достаточной мере. Тогда поднимающиеся пузырьки уже не уменьшаются в размерах и лопаются на поверхности, выбрасывая пар во внешнее простран­ство. «Шум» прекращается, и начинается «бульканье» — мы говорим, что вода закипела. Термометр, помещенный в пар над кипящей водой, все время, пока вода кипит, показывает одну и ту же температуру, около 100 °С.

Очевидно, что при кипении давление паров, образую­щихся внутри пузырьков у дна сосуда, таково, что пузырь­ки могут расширяться, преодолевая атмосферное дав­ление, действующее на свободную поверхность воды, а также давление столба воды. Мы приходим к выводу, что кипение происходит при такой температуре, при которой давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению. Температуру пара кипящей жидкости называют температурой кипения.

Из приведенных рассуждений ясно, что температура кипения должна зависеть от внешнего давления. Это можно легко наблюдать. Поставим стаканчик с теплой водой под колокол воздушного насоса. Откачивая воздух, мы можем заставить воду вскипеть при температуре значительно ниже 100 °С (рис. 484). Наоборот, при повышении внеш­него давления температура кипения повышается. Так, в котлах паровых машин воду нагревают под давлением в несколько атмосфер. Температура кипения при этом зна­чительно превосходит 100 °С. При давлении около 15 атм.

т емпература кипения воды близка к 200°С. Когда говорят о температуре кипения жид­кости, не указывая давления, всегда име­ют в виду температуру кипения при нор­мальном давлении (760 мм рт. ст.).

Зависимость температуры кипения от давления дает нам новый способ измерения атмосферного давления. Измерив температуру кипения воды, можно по таблицам давления пара при разных температурах судить об атмосферном давлении. Если, например, находясь в горах, мы определили, что температура кипения воды—око­ло 90 °С, то отсюда можно заключить (табл. 18), что давление воздуха составляет 526 мм рт. ст. Специально приспособлен­ные для таких измерений термометры называют гипсотермометрами. Они устроены так, что дают возможность отсчитывать температуру около 100 °С с большой точно­стью (рис. 485).

Температуры кипения различных жидкостей (при нор­мальном давлении) сильно разнятся между собой. Это можно видеть из табл. 19.

Различие температур кипения разных веществ находит большое применение в технике, например при разделении нефтепродуктов. При нагревании нефти раньше всего испаряются наиболее ценные, летучие ее части (бензин), которые можно таким образом отделить от «тяжелых» остатков (масел, мазута).

Различие температур кипения веществ связано с раз­личием в давлении пара при одной и той же темпера­туре. Мы видели, что пар эфира уже при комнатной тем­пературе имеет давление, превышающее половину атмо­сферного. Поэтому, чтобы давление пара эфира достигло атмосферного, нужно небольшое повышение температуры (до 35 °С). Иначе дело обстоит, например, у ртути, имею­щей при комнатной температуре совсем ничтожное дав­ление. Давление пара ртути делается равным атмосфер­ному только при значительном повышении температуры (до 357 °С).