Landsberg-1985-T1

воронке 2 возрастает, а его давление уменьшается (закон

Бойля - Мариотта). В то же время объем воздуха в со­

суде 1 уменьшается и давление его увеличивается. На­

конец, разность давлений в сосуде 1 и в воронке 2 уравно­

весит давление жидкости и ее течение прекратится.

2. Теперь рассмотрим специальный прибор (рис. 479).

Цилиндрический сосуд 1 соединен узкой трубкой с сосу­

дом 2. Сосуд 2 запаян. Воздух из обоих сосудов перед

запаиванием сосуда 2 был удален и в приборе находится только вода и ее пар. Как теперь происходит течение воды? Опрокидывая прибор, мы видим, что вода из сосуда 2 в

сосуд 1 перетекает сквозь узкое место полностью, ничуть

не задерживаясь. Это значит, что при перетекании воды давление пара ни в сосуде 1, ни в сосуде 2 не меняется,

хотя при этом объем пара в сосуде 1 уменьшается, а в

сосуде 2 увеличивается. Но в таком случае очевидно, что при опускании уровня воды в сосуде 2 и увеличении объ­

ема пара происходит испарение воды как раз в такой мере,

что плотность пара и его давление остаются неизменными.

Наоборот, в сосуде 1 при уменьшении объема, не занятого

жидкостью, пар все время конденсируется как раз на­

столько, что его плотность и давление тоже остаются по­

стоянными.

С прибором, изображенным на рис. 479, можно ПРОИЗ­ вести еще следующий поучительный опыт. Если резким

532

движеНllем ПОДН5JТЬ прибор кверху, то столб воды в сосуде 1

поднимется, а ВНИЗУ под ним образуется объем, заполнен­

ный паром. 3aT"':-'1 поднявшийся столб воды упадет вниз. Когда он коснется ,пна сосуда, то раздастся р",зкий зве­

нящий звук, как будто на дно упало твердое тело. Этот

звук получается потому, что водяной столб, двигаясь в

сосуде, не встречаст никакого сопротивления со стороны

пара. действительно, на обе поверхности столба дейст­

вуют одинаковые, но противоположно направленные си­ лы - силы давлеНII!1 насыщенного пара, одинаковые при

разных положеииях столба в трубке. При перемещенип

столба жидкости с одной его стороны пар конденсируется

в ЖIIДIЮСТЬ, а с другой стороны жидкость испаряется, дав­

ление же па!)а остается все ВDемя ОДНИМ и Telll же.

Повторив·этот опыт с приб~ром, изображенным на рис.

478, в !{отором, кроме пара, есть еще и воздух, мы не УСЛЫШИМ

никакого стука. Воздух оказывает жидкости возрастаю­

щее по мере его сжатия, как говорят, <<пружинящее» со­

противление. Подобно тому как при сжатии пружины

сила, с которой она действует, увеличивается по мере ее

сжатия (по закону Гука), так и здесь сила давления

воздуха возрастает по i,ICpe У\lеньшения его объема (по

закону БОЙJl!1 - Л'1ариотта) I! ПОТШ1У тормозит ДIJижсние воды. В отличие от воздуха, насыщенный пар И~lеет 110-

стоянное, не зависящее от объема давление и потому «пру­

жинить» не может.

Этот опыт поясняет нам, почему при исчезновении пу­

зырей пара внутри жидкости получаются резкие удары,

иногда ведущие к повреждениям. Примером могут служить

пароходные ввнты, на лопастях которых нередко образу­ ются выбоины от частых ударов ВОДЫ при исчезновении пузырей, возникающих при работе Бинта на поверхности лопастей (так НaJьшаемая ко.r3шnацuя). При неправильной

форме пароходного винта каЫIтация может разрушить его

за несколько часов хода.

§ 291. Закон Дальтона для пара. Поместим в буты.'JКУ заку­ поренную пробирr<у с эфИ[ЮМ. Бутылку закроеl\! про{)кой

со стеклянной трубкой, прrrсо",диненной к ртутно}!у ма­

нометру (рис. 480, а). Irри заJ(упоривании буты.'JКИ в ней находился атмосферный воздух, и уровни ртути в обоих

коленах почти одинаковы. 3атем резко встряхнем бутылку, чтобы пробирка разбилась (рис. 480, б). Мы УI3идим, что

ртуть в манометре начнет подниматься. Через несколько минут установится разность уровней, равная понижению

5:'~

уровня в опыте, показанном на рис. 477. Изменение уровня'

ртути показывает, что к давлению воздуха прибавилось

давление паров эфира. Значит, равновесие между жидким

эфиром и его парами устанавливается в присутствии воз­

духа при том же давлении паров эфира, что и в простран­

стве, откуда воздух удален. Правда, испарение эфира в

а)

Рис. 480. а) В бутылке находится закупоренная пробирка с эфиром;

манометр показывает, что давление воздуха в бутылке равно атмосфер­

ному.6) Пробирка разбита, и к воздуху примешался насыщенный пар

эфира; манометр показывает увеличение давления

присутствии воздуха идет медленнее, чем без него, и по-­

этому равновесие устанавливается медленнее.

Из того наблюдения, что давление пара эфира и в при­

сутствии воздуха и без него получается одинаковым, можно сделать ВЫВОД, что' количество эфира, которое испаря­ ется в определенное пространство, одинаково в обоих

случаях при условии равенства температур).

Итак, дшзление смеси газа и пара, находящегося в ршзно­ eet:uu с жидкостью, рШ3НО сумме давлений, которые имели

бы составные части смеси в отсутствие других частей. Это - закон ДGlльтона в применении к пару.

? 291.1. Если повторить опыт, изображенный на рис. 480, не удалив

• из бутылr:и остатков эфнра, то при разбивании второй пробирки С

эфиром манометр не показывает повышення давления. Почему?

§ 292. Молекулярная картина испарения. Вспомним, что

молекулы ЖИДКОСТИ ДВИЖУТСЯ с самыми разнообразными

СКОРОСТЯМИ. ДЛЯ того чтобы молекула, находящаяся в

поверхностном слое, могла вылететь за пределы жидкости,

ее кинетическая энергия должна быть больше, чем работа,

которую нужно при этом затратить против сил сцепления,

SЗ4

§ 293. 3авю:имость давления насыщенного пара от темпе­

ратуры. До сих пор мы рассматривали явления испарения и кон,r..eнсации при постоянной температуре. Теперь зай­ мемся вопросом о в,lIИЯНИИ температуры. Легко заметить, что влияние температуры очень сильно. В жаркий день пли вблизи печки все сохнет гораздо быстрее, чем на хо­ лоде. ЗнаЧIlТ, испарение теплой жидкости идет интенсив­ нее, чем холодной. Это легко объяснимо. В теплой жид­ IЮСТИ большее число молекул обладает скоростью, до­

статочной для того, чтобы преодолеть силы сцепления и

вырваться за пределы жидкости. Поэтому при повышении

температуры вместе с увеличением скорости испарения

жидкости увеличивается и давление насыщенного пара.

Увеличение давления пара Легко обнаружить при помощи прибора, описанного в § 291. Опустим колбу с эфиром в теплую воду. Мы увидим, что манометр покажет резкое увеличение давления. Опустив ту же колбу в хо­ лодную воду или лучше в смесь снега с солью (§ 275), за­

метим, наоборот, понижение давления.

Итак, давление насыщенного пара сильно зависит от -т~мпературы. В табл. 18 приведены давления насыщенного

пара воды и ртути при различных температурах. Обратим

внимание на НоИчтожное давление пара ртути при комнат­

ной температуре. Вспомним, что при отсчете барометра

этим давлением пренебрегают.

т а б л и ц а 18. Давление насыщенного пара воды и ртути

при различных температурах (В мм рТ. СТ.)

Из графика зависимости давления насыщенного пара

воды от температуры (рис. 481) видно, что приращение

давления, соответствующее увеличен.ию температуры на

1 К, растет с температурой. В этом заключается отличие

насыщенного пара от газов, давление которых при нагре­

вании на 1 К одинаково увеличивается и при низЮlХ И

536

при высоких температурах (на 1/273 давления при О ОС).

Это отличие СТанет ВПОЛJJе понятным, если вспомнить,

что при нагревании газов при постоянном объеме меня­ ется только скорость молекул. При_ нагревании системы жидкостьпар меняется, как мы указали, не только ско­

рость м()лекул, но и их ЧJlСЛО В единице объема, т. е. при

большей температуре мы имеем пар большей плотности.

?293.1. Почему газовый термометр (§ 235) дает правильные пока-

ззшtя TO.'IbKO при совершенно СУХО;1 газе?

293.2. Предположим, что в замкнутом сосуде, кроме жидкости 11

пара, находится еще воздух. Как это отразится на изменении

Давлсния с повышснием те:\шерэ­

туры?

293.3. Изменение давления пара в

замкнутом сосуде при повышениы

температуры изображается графи­ ком, показанным на рис. 482. Ка­

кое заключение можно вывести от­

носите.1Iьно процессов испарения

внутри сосуда?

§ 294. Кипение, Пmлестим стеклянный сосуд с холодной

водой на горелку и будем наблюдать. Скоро дно и стенки

сосуда покроются пузырьками; об их происхождении го­

ворилось в § 260. В этих пузырьках, как мы знабl, нахо­ дятся воздух и пар воды. Пузырьки появляются в тех местах стенок сосуда, где нет полного смачивания. Такими

местами могут явиться следьr жира на стенке или мелкие

трещинки на ней.

Наблюдая за пузырьком при неИЗll1енной температуре,

МЫ видим, что он сохраняет свои размеры; значит, давления

изнутри !! извне на его поверхность взаимно уравновеши­

ваются. Так KaI, внутри пузырька находится воздух,

количество которого надо считать постоянным, то это

равновесие является устойчивым. Действительно, если бы

537

по какой-либо случайной причине пузырек расширился, то Давление воздуха в нем, согласно закону Бойля - Ма­

риотта, уменьшилось бы Jj внешнее давление, остающесся

при этом почти неизменным, снова уменьшило бы пузырек. Рассуждая таким же образом, легко выяснить, ПОЧС\IУ случайно уменьшившийся пузырек сейчас же снова раСIJIИ­ рится 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 сделаеТС5J достаточно

большим, выталкивающая сила воды заставит его ото­ рваться, подобно тому как отрывается слишком тяжелая капля ВОДЫ, повисшая на крыше (рис. 372). При этом между

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 конден­

сируется в воду и пузырек уменьшается. ЭТО поперемен­

ное увеличение и уменьшение пузырьков сопровождается

звуками: закипающая вода «шумит». Наконец, вся вода

прогревается в достаточной мере. Тогда ПОДНИМ2Iощиеся

пузырьки уже не уменьшаются в размерах и ЛОl13ЮТСЯ

на поверхности, выбрасывая пар во внешнее простран­

СТВО. «Шум» прекращается, и начинается «бульканье))­

МЫ говорим, что вода закипела. Термометр, по:v!ещеlШЫЙ в па.р над кипящей ВОДОЙ, все время, пока вода I\ИIIИТ,

показывает ОДНУ 11 ту же те'\шературу, около 100 ос.

Очевидно, что пr)I! ЮlПении давление паров, образую­

щихся внутри пузырышJЗ У дна сосуда, ТaIШВО. что пузырь­

ки могут расширяться, преодолевая атмосферное дав­

ление, действующее на свободную поверхность воды, а также давление столба ВОДЫ. Мы ПРИХОДИМ К выводу, что

кипение происходит при тшфи mеАщературе, при которой

да8Аенuе насыщенного пара жидкости равно внешнему

5ЗЗ

давлению. Температуру пара КИl'lЯщей ЖИДКОСТИ называют

температурой кипеНtlя *).

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 ос (рис. 484). Наоборот, при повышении внеш­

него давления температура кипения повышаетсЯ. Так,

в котлах паровых машин воду нагревают под давлением в

несколько атмосфер. Температура кипения при этом зна­

чительно превосходит 100 ОС. При давлении около 15 атм температура кипения БОДЫ БЛИ31{а к 200 0С.

атмосферного давления. Измерив температуру кипения воды,

можно по таблицам давщ~ния пара при разных температурах

судить об атмосферном давлении. Если, например, находясь

в горах, мы определили, что температура кипения воды-око­

ло 90 ОС, то отсюда можно заключить (табл. 18), что давление воздуха составляет 526 мм рт. СТ. Специально приспособлен­

ные для таких измерений термометры называют гиnсоmер-

*) Сама жидкость бывает иемного перегрета относительно темпера­

туры кипения. (ПРUAU!ч. ред.)

539

мо.меmрами. Они устроены так, что дают ВОЗМОЖНОСТl,

отсчитывать температуру около 100 ос с большоii точно­ стью (рис. 485).

Температуры кипения различных жидкостей (при нор­

мальном давлении) сильно разнятся между собой. Это можно видеть из табл. 19.

Т а б л и ц а 19. Температура кипения некоторых жидкостей при 760 мм рт. ст.

Различие температур кипения разных веществ находи'Г (ольшое 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 раз­

личием в давлении пара при одной и той же темпера­ туре. Мы видели, что пар эфира уже при комнатной тем­

пературе имеет давление, превышающее половину атмо­

сферного. Поэтому, чтобы давление пара эфира достигло атмосферного, нужно небольшое повышение температуры (до 35 ОС). Иначе дело обстоит, например, у ртути, имею­ щей при КОМI:атной температуре совсем ничтожное дав­

ление. Давление пара ртути делается равным атмосфер­

ному тольк() при значительном повышении температуры

?294.1. Где кипящая вода горячее: на уровне моря, на горе или в

•глубокой шахте?

294.2.Для некоторых производственных процессов в пищевой

промышленности (наприм~р, для варки свеклы) требуется тем­

пература воды выше 100 С. Каким средством этого можно до­

стичь?

294.3. Пользуясь табл. 18, определите наивысшую температуру, которую может иметь вода при давлении 2 и 0,2 атм.

540

294.4. На рис. 485 изображен автО/слав (прибор, употребляющий­

ся в химических производствах для процессов, требующих бо­ лее высокой температуры,

чем температура кипения на·

ходящейся в нем жидкости).

размерах в природе в так называемых гейзерах (В СССР на Кам­ чатке, а также в ряде других стран, например в Исландии). Гей­

зер - периодически действующий фонтан, выбрасывающий горя­

-чую воду из узкого вертикального жерла в земле (рис. 487). Образование пара происходит на глубине нескольких десятков

метров. Давление на такой глубине водоема может достигать

нескольких атмосфер и вода может нагреваться значительно

выше 100 ос. Когда внизу образуются пузыри пара, то часть воды

вытекает, давление паДает и парообразование перегретой воды идет с такой интенсивностью, что остающаяся вода выбрасы­ вается на большую высоту.

294.6. Вскипятите воду в круг.~одонной колбе и закупорые ее. Переверните колбу. Если теперь на дно колбы положить немного снега или облить ее холодной водой, то вода в колбе

закипит. Объясиите явление.

§ 295. Удельная теплота парообразования. для того чтобы поддерживать кипение воды (или иной жидкости), I( ней

нужно непрерывно подводить теплоту, например подогре­

вать ее горелкой. При этом температура ВОДЫ и сосуда не повышается, но З8 каждую единицу времени образуется

определенное количество пара. Из этого следует ВЫВОД,

что для превращения воды в пар требуется приток теп­ лоты, подобно тому как это имеет место при превращении

кристалла (льда) в жидкость (§ 269). Количество теплоты,

необходимое для превращения единицы массы жидкости

541