Кипение - что это такое и как оно происходит в жидкостях и растворах

Кипение - это фазовый переход жидкости в газообразное состояние, сопровождающийся образованием пузырьков пара во всем ее объеме. Это явление, столь привычное в повседневной жизни, таит в себе множество загадок. Давайте разберемся, что представляет собой кипение, как оно происходит и какие процессы при этом протекают.

Что такое кипение и как оно происходит

Кипение начинается, когда давление насыщенного пара над поверхностью жидкости сравнивается с давлением среды. То есть когда парциальное давление пара в пузырьках становится равным внешнему давлению.

На фазовой диаграмме воды кривая, характеризующая фазовой переход из жидкого состояния в газообразное, называется «линией насыщения»,

Чтобы кипение началось, жидкость должна быть нагрета до определенной температуры - температуры кипения. При достижении этой температуры в объеме жидкости начинают образовываться паровые пузырьки:

• сначала появляются микропузырьки на твердых частицах и газовых включениях;
• затем пузырьки укрупняются за счет диффузии газа и слияния;
• достигнув критического размера, пузырьки отрываются и всплывают к поверхности.

Так происходит кипение жидкости. Этот процесс сопровождается интенсивным парообразованием во всем объеме.

Температура и теплота кипения

Температура кипения - это температура, при которой давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению. Она зависит от природы жидкости и давления среды:

Повышение внешнего давления приводит к увеличению температуры кипения. Этим объясняется, например, более высокая температура кипения воды в скороварке.

При кипении вся подводимая к жидкости энергия уходит на образование пара, поэтому температура жидкости перестает расти. Для оценки затрат энергии используют понятие удельной теплоты парообразования.

Зная ее значение, можно рассчитать количество теплоты Q, необходимое для превращения жидкости массой m в пар:

Q=L*m, где где m - масса жидкости (кг) , L - удельная теплота парообразования.

Эта формула широко применяется в инженерных расчетах теплообменных аппаратов.

Особенности кипения воды и водных растворов

Вода - самый распространенный теплоноситель, используемый в промышленных установках и теплообменниках. Кипение воды имеет ряд особенностей.

В чистой воде кипение начинается при 100°С. Однако в водных растворах из-за взаимодействия молекул воды и растворенного вещества температура кипения раствора может существенно отличаться.

Кроме того, наличие в жидкости взвешенных частиц и газовых пузырьков облегчает образование центров парообразования. Поэтому в реальных условиях кипение часто начинается при более низких температурах - происходит так называемый перегрев жидкости.

Правильный выбор жидкости с учетом особенностей ее кипения позволяет существенно повысить эффективность теплообменных процессов.

Режимы кипения

Существует два основных режима кипения жидкости:

1. Пузырьковый режим, при котором образуются отдельные пузырьки пара, отрывающиеся от нагреваемой поверхности.
2. Пленочный режим, когда пузырьки сливаются в сплошную паровую пленку у поверхности нагрева.

Переход от пузырькового кипения к пленочному происходит с увеличением тепловой нагрузки. Пленочный режим характеризуется резким ухудшением теплоотдачи из-за высокого термического сопротивления паровой пленки.

Кривая кипения

Зависимость теплового потока от перепада температур между нагреваемой поверхностью и кипящей жидкостью называется кривой кипения. Анализ этой кривой позволяет оценить интенсивность теплоотдачи и оптимизировать режим работы.

Интенсификация процесса кипения

Существует несколько методов интенсификации кипения:

• обработка поверхности нагрева для улучшения зародышеобразования пузырьков;
• введение в жидкость поверхностно-активных веществ;
• использование звуковых и электрических полей.

Применение этих методов позволяет значительно повысить эффективность теплообменных аппаратов:

• Кипение в пищевой промышленности. Процессы кипения играют важную роль в пищевой промышленности. Кипячение используется для термической обработки продуктов, а стерилизация - для консервирования и обеспечения микробиологической безопасности. Правильный подбор режимов нагрева позволяет сохранить питательные свойства продуктов и обеспечить высокое качество готовой продукции.
• Принцип работы паровых машин и двигателей. Еще в XVIII веке были изобретены первые паровые машины, использующие энергию пара, образующегося при кипении воды. Их работа основана на циклическом нагреве, кипении, конденсации и охлаждении воды в замкнутом контуре.
• Теплопередача при пленочном кипении. В режиме пленочного кипения из-за наличия паровой пленки у поверхности нагрева резко возрастает термическое сопротивление и ухудшается теплоотдача. Это может привести к опасному перегреву элементов конструкции.
• Вскипание перегретой жидкости. Явление вскипания перегретой жидкости при снижении давления используется, например, в пузырьковых камерах для регистрации заряженных частиц и в кавитационных явлениях в гидродинамике.
• Кипение криогенных жидкостей. Даже инертные газы вроде гелия или неона могут находиться в жидком состоянии при экстремально низких температурах порядка нескольких градусов Кельвина. Их кипение подчиняется тем же закономерностям, что и кипение воды, но имеет свои особенности.
• Кипение и фазовые переходы первого рода. Кипение относится к фазовым переходам первого рода, которые сопровождаются скрытой теплотой превращения в отличие от переходов второго рода. Этим объясняется скачок удельного объема и других параметров жидкости при кипении.

Влияние давления на температуру кипения

С повышением давления температура кипения жидкости возрастает. Этот эффект используется, например, в скороварках, где за счет давления удается значительно ускорить процессы тепловой обработки продуктов.

Кроме того:

• Теплоперенос при пузырьковом кипении. Высокая интенсивность теплообмена при пузырьковом кипении обусловлена движением паровых пузырьков, которые переносят энергию из пристеночного слоя вглубь жидкости. Этот механизм теплопереноса называется конвективным.
• Кризисы кипения. На кривой кипения присутствуют характерные точки резкого ухудшения теплообмена, называемые кризисами кипения. Первый кризис соответствует переходу к пузырьковому режиму, второй - к пленочному.
• Теплогидравлическая неустойчивость. Высокие значения теплового потока могут привести к возникновению колебаний температуры, давления и расхода теплоносителя. Это явление называется теплогидравлической неустойчивостью и может вызвать аварию.
• Аналогия процессов тепло- и массообмена. Механизмы теплопереноса при кипении и массопереноса при абсорбции и десорбции имеют много общего. Их можно описать с помощью аналогичных дифференциальных уравнений переноса.

Методы подавления кризисов кипения

Существует несколько способов борьбы с опасными кризисами кипения:

• искусственное засоление теплоносителя;
• добавление поверхностно-активных веществ;
• обработка поверхности нагрева гидрофобными покрытиями;
• применение профилированных поверхностей.

Эти методы позволяют стабилизировать процесс кипения в опасных условиях высоких тепловых потоков.

Явление сухого кипения

При интенсивном тепловыделении возможна полная высушка поверхности нагрева вследствие быстрого испарения охлаждающей жидкости. Этот опасный режим носит название "сухого кипения".

Флуктуационная теория кипения

С точки зрения статистической физики, зарождение и рост паровых зародышей при кипении обусловлены тепловым движением молекул и носит вероятностный характер.

Масштабный эффект при кипении

Интенсивность теплообмена при кипении зависит от размера и геометрии объекта. Для корректной оценки процессов теплопереноса этот масштабный фактор необходимо учитывать.