Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 6.5. Кипение

• Жидкость не только испаряется. При некоторой температуре она кипит. Что такое кипение и чем определяется температура кипения?

Нальем в стеклянную колбу воду и станем ее нагревать. Скоро дно и стенки колбы покроются пузырьками. Появление этих пузырьков объясняется выделением воздуха, растворенного в воде. В воде (а также в любой другой жидкости) всегда имеется некоторое количество растворенного воздуха.

Этим воздухом дышат рыбы и другие живые существа, обитающие в воде. Чаще всего пузырьки зарождаются в маленьких трещинках на дне сосуда. Так как внутри каждого пузырька происходит испарение воды, то, кроме воздуха, пузырьки содержат насыщенные пары воды.

При повышении температуры пузырьки, заполненные воздухом и паром, увеличиваются в размерах и становятся многочисленнее.

Проследим за ростом одного из пузырьков, образовавшегося на дне сосуда. Когда пузырек сделается достаточно большим (рис. 6.10, а), действующая на него выталкивающая (архимедова) сила со стороны воды заставляет его оторваться, подобно тому как отрывается слишком тяжелая капля воды, повисшая на крыше. При этом между пузырьком и дном сосуда образуется все суживающаяся воздушная перемычка (рис. 6.10, б), и наконец пузырек отрывается, оставляя у дна небольшое количество воздуха, из которого с течением времени разовьется новый пузырек.

Рис. 6.10

Поднимающийся пузырек, попадая в верхние, более холодные слои воды, уменьшается в размере, так как содержащийся в нем пар конденсируется (рис. 6.10, в). Давление стремительно падает, и пузырек захлопывается. Захлопывание происходит настолько быстро, что стенки пузырька, сталкиваясь, производят нечто вроде маленького взрыва. Множество таких микровзрывов создает характерный шум. Закипающая вода шумит. Другой, менее существенной причиной шума являются колебания жидкости, возникающие при отрыве пузырьков от дна сосуда.

Наконец, когда вся вода достаточно прогреется, поднимающиеся пузырьки уже не будут уменьшаться в размерах и достигают поверхности, выбрасывая пар во внешнее пространство (рис. 6.10, г). Шум при этом прекращается и начинается «бульканье» — вода закипела.

Таким образом, кипение — это переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости или на поверхности сосуда. Термометр, помещенный в пар над кипящей водой, все время, пока вода кипит, показывает одну и ту же температуру (около 100 °С). Эта температура не изменится, пока вся вода не выкипит.

Очевидно, при кипении давление паров(1), образующихся внутри пузырьков у дна сосуда, таково, что пузырьки могут расширяться, преодолевая атмосферное давление, а также давление столба воды. Таким образом, кипение происходит при такой температуре, когда давление насыщенных паров сравнивается с давлением внутри жидкости. Температура кипения определяется, следовательно, давлением насыщенного пара, а значит, его температурой. Температура пара кипящей жидкости и есть температура кипения.

Зависимость температуры кипения жидкости от давления

Из приведенных рассуждений ясно, что температура кипения жидкости должна зависеть от внешнего давления. Наблюдения подтверждают это.

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 кипение воды в герметически закрытых сосудах — автоклавах (рис. 6.11) также происходит при повышенном давлении. Поэтому температура кипения значительно выше 100 °С. Автоклавы применяют для стерилизации хирургических инструментов, перевязочного материала и т. д.

Рис. 6.11

И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Под колоколом воздушного насоса можно заставить воду кипеть при комнатной температуре (рис. 6.12). При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, поэтому уменьшается температура кипения. На высоте 7134 м (пик Ленина на Памире) давление приближенно равно 4 • 10⁵ Па (300 мм рт. ст.). Вода кипит там примерно при 70 °С. Сварить, например, мясо в этих условиях невозможно.

Рис. 6.12

На рисунке 6.13 изображена кривая зависимости температуры кипения воды от внешнего давления. Легко сообразить, что эта кривая является одновременно и кривой, выражающей зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры.

Рис. 6.13

Различие температур кипения жидкостей

У каждой жидкости своя температура кипения. Различие температур кипения жидкостей определяется различием в давлении их насыщенных паров при одной и той же температуре. Например, пары эфира уже при комнатной температуре имеют давление, большее половины атмосферного. Поэтому, чтобы давление паров эфира стало равным атмосферному, нужно небольшое повышение температуры (до 35 °С). У ртути же насыщенные пары имеют при комнатной температуре совсем ничтожное давление. Давление паров ртути делается равным атмосферному только при значительном повышении температуры (до 357 °С). Именно при этой температуре, если внешнее давление равно 10⁵ Па, и кипит ртуть.

Различие температур кипения 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).

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

(1) Давление воздуха внутри пузырьков очень мало, поэтому им можно пренебречь. Главную роль играет давление пара внутри пузырьков.