Что, если сказать вам, что воду можно закипятить даже при комнатной температуре? Звучит фантастично, но на самом деле это реально! Далее расскажем, как устроена эта удивительная "магия" под названием кипение.
Что такое кипение и откуда берутся пузырьки
Кипение - это процесс интенсивного парообразования, происходящий во всем объеме жидкости при достижении ею определенной температуры. У воды эта температура составляет 100°C при нормальном атмосферном давлении.
Причина появления характерных пузырьков при кипении кроется в микроскопических пузырьках газа, естественным образом присутствующих в любой жидкости. По мере нагревания в этих пузырьках начинает накапливаться пар, они увеличиваются в размерах. Когда давление пара внутри пузырька сравнивается с внешним давлением, происходит отрыв пузырька от стенки сосуда. Затем он всплывает к поверхности жидкости и лопается, выпуская накопившийся пар.
Пузырьки при кипении образуются благодаря микроскопическим полостям, заполненным газом и присутствующим в любой жидкости. По мере нагрева эти полости превращаются в паровые пузыри, отрывающиеся от стенок сосуда.
Пошагово процесс образования пузырька выглядит так:
- Нагревание микропузырька газа внутри жидкости.
- Накопление пара в пузырьке по мере нагрева.
- Увеличение размера пузырька из-за роста давления пара.
- Достижение в пузырьке давления пара, равного внешнему.
- Отрыв пузырька от стенки сосуда и всплытие наверх.
- Лопание пузырька на поверхности с выделением пара.
Такой механизм всплытия и лопания пузырьков повторяется многократно по всему объему нагреваемой жидкости. В совокупности это и называется процессом кипения.
Постоянство температуры кипения
Любопытный факт: как бы сильно вы не увеличивали мощность нагревателя под сосудом с кипящей жидкостью, ее температура не будет расти выше температуры кипения. Например, для воды это 100°C при атмосферном давлении.
Дело в том, что при постоянном внешнем давлении кипение может происходить лишь при quite определенной температуре. Если попытаться нагреть жидкость выше этой точки, усиливается процесс парообразования - образуется больше пузырьков, которые активно отбирают тепловую энергию. В итоге температура жидкости перестает расти и стабилизируется на уровне температуры кипения.
Такое состояние сохраняется до полного испарения жидкости. Кипение может происходить лишь в определенном температурном диапазоне при заданном давлении. Это важное свойство используется, к примеру, в системах охлаждения, где жидкость кипит при постоянной температуре.
Удельная теплота парообразования
Чтобы перевести единицу массы вещества из жидкого состояния в газообразное, требуется определенное количество энергии. Эта энергия расходуется в основном на разрыв межмолекулярных связей в жидкости.
Величина, показывающая, сколько теплоты нужно затратить, чтобы превратить в пар 1 кг жидкости, называется удельной теплотой парообразования. Обозначается буквой L и измеряется в Дж/кг.
Например, для воды L = 2 257 000 Дж/кг. Это означает, что для превращения в пар 1 кг воды (1 литра) нужно сообщить ей энергию в 2 млн 257 тысяч джоулей.
| Вещество | Удельная теплота парообразования, Дж/кг |
| Вода | 2 257 000 |
| Аммиак | 1 370 000 |
Зная L и массу вещества, можно рассчитать количество теплоты Q, необходимое для кипения:
Q = L * m
где:
- Q - количество теплоты, Дж
- L - удельная теплота парообразования, Дж/кг
- m - масса вещества, кг
Поченму процесс интенсивного парообразования зависит от давления
Температура, при которой жидкость закипает, напрямую зависит от внешнего давления. Чем ниже давление - тем быстрее в пузырьках накапливается пар и тем раньше они начинают отрываться от стенок сосуда.
Поэтому в условиях пониженного давления жидкость закипает при более низких температурах. Этим принципом, к примеру, пользуются в скороварках - повышенное давление «подавляет» пузырьки пара, заставляя воду закипать лишь при 120-130°C.
В то же время в вакуумных кипятильниках вода вскипает уже при 40-50°C. А в специально созданных лабораторных условиях удалось добиться кипения жидкости даже при комнатной температуре!
Таким образом, меняя давление, можно влиять на температуру закипания. Это объясняет, почему на большой высоте вода закипает при более низких температурах - там пониженное атмосферное давление.
Процесс интенсивного парообразования в чайниках из сказки
Вспомним сказку из самого начала о трех чайниках. У трех дочерей царя была разная мотивация, с которой они следили за процессом кипения воды в чайниках.
Старшие сестры очень хотели выйти замуж и получить богатое приданое, поэтому они постоянно снимали крышки с чайников и смотрели - не появились ли пузырьки пара. Но каждый раз, открывая чайник, они на некоторое время прерывали процесс нагрева и процесс интенсивного парообразования.
А вот младшая дочь не открывала чайник, давая воде прогреваться равномерно и дольше. В итоге именно в ее чайнике раньше набралось нужное количество микропузырьков газа, и произошел переход жидкости в пар.
Роль физики кипения в повседневной жизни
Знания об особенностях и условиях протекания процесса кипения важны во многих областях:
- При готовке пищи
- В промышленных теплообменниках
- В энергетических установках
- При проведении химических реакций
Учет законов физики кипения позволяет оптимизировать тепло- и массообмен, снизить энергопотребление, избежать поломок оборудования.
Почему важно изучать процессы теплопередачи
Явления нагрева и охлаждения, плавления и кипения, конденсации жидкостей играют огромную роль в окружающем нас мире. Без знания этих физических процессов и влияющих на них факторов мы были бы бессильны во многих вопросах.
Например, не смогли бы готовить пищу и получать тепло в домах, обеспечивать работу тепловых станций и заводских установок. Понимание природы кипения помогает нам эффективно использовать этот процесс во благо человека.
