Физика

Кипение, отличительные черты от процесса испарения

 

На прошлом уроке мы уже рассмотрели один из видов парообразования – испарение – и выделили свойства этого процесса. Сегодня мы обсудим такой вид парообразования, как процесс кипения, и введем величину, которая численно характеризует процесс парообразования – удельная теплота парообразования и конденсации.

 

Определение. Кипение (рис. 1) – это процесс интенсивного перехода жидкости в газообразное состояние, сопровождающийся образованием пузырьков пара и происходящий по всему объему жидкости при определенной температуре, которую называют температурой кипения.

Рис. 1. Кипение (Источник)

 

Описание протекания процесса кипения на примере кипения воды

 

 

Сравним два вида парообразования между собой. Процесс кипения более интенсивен, чем процесс испарения. Кроме того, как мы помним, процесс испарения протекает при любой температуре выше температуры плавления, а процесс кипения – строго при определенной температуре, которая является различной для каждого из веществ и называется температурой кипения. Еще следует отметить, что испарение происходит только со свободной поверхности жидкости, т. е. с области, разграничивающей ее с окружающими газами, а кипение – сразу со всего объема.

 

Более подробно рассмотрим протекание процесса кипения. Представим ситуацию, с которой многие из нас неоднократно сталкивались, – это нагревание и кипячение воды в некотором сосуде, например, в кастрюле. В ходе нагревания воде будет передаваться определенное количество теплоты, что будет приводить к увеличению ее внутренней энергии и увеличению активности движения молекул. Этот процесс будет протекать до определенного этапа, пока энергия движения молекул не станет достаточной для начала кипения.

В воде присутствуют растворенные газы (или другие примеси), которые выделяются в ее структуре, что приводит к так называемому возникновению центров парообразования. Т. е. именно в этих центрах начинает происходить выделение пара, и по всему объему воды образовываются пузырьки, которые наблюдаются при кипении. Важно понимать, что в этих пузырьках находится не воздух, а именно пар, который образовывается в процессе кипения. После образования пузырьков количество пара в них растет, и они начинают увеличиваться в размерах. Зачастую, изначально пузырьки образуются вблизи стенок сосуда и не сразу поднимаются на поверхность; сначала они, увеличиваясь в размерах, оказываются под воздействием нарастающей силы Архимеда, а затем отрываются от стенки и поднимаются на поверхность, где лопаются и высвобождают порцию пара.

Стоит отметить, что далеко не сразу все пузырьки пара достигают свободной поверхности воды. В начале процесса кипения вода прогрета еще далеко не равномерно и нижние слои, вблизи которых происходит непосредственно процесс теплопередачи, еще горячее верхних, даже с учетом процесса конвекции. Это приводит к тому, что поднимающиеся снизу пузырьки пара схлопываются из-за явления поверхностного натяжения, еще не доходя до свободной поверхности воды. При этом пар, который находился внутри пузырьков, переходит в воду, тем самым дополнительно нагревая ее и ускоряя процесс равномерного прогрева воды по всему объему. В результате, когда вода прогревается практически равномерно, почти все пузырьки пара начинают достигать поверхности воды и начинается процесс интенсивного парообразования.

Важно выделить тот факт, что температура, при которой проходит процесс кипения, остается неизменной даже в том случае, если увеличивать интенсивность подвода тепла к жидкости. Простыми словами, если в процессе кипения прибавить газ на конфорке, которая разогревает кастрюлю с водой, то это приведет только к увеличению интенсивности кипения, а не к увеличению температуры жидкости. Если углубляться более серьезно в процесс кипения, то стоит отметить, что в воде возникают области, в которых она может быть перегрета выше температуры кипения, но величина такого перегрева, как правило, не превышает одного-пары градусов и незначительна в общем объеме жидкости. Температура кипения воды при нормальном давлении составляет 100°С.

В процессе кипения воды можно заметить, что он сопровождается характерными звуками так называемого бурления. Эти звуки возникают как раз из-за описанного процесса схлопывания пузырьков пара.

 

Таблица температур кипения веществ и ее зависимость от давления, технологии применения свойств кипения

 

 

Процессы кипения других жидкостей протекают аналогичным образом, что и кипение воды. Основное отличие в этих процессах составляют различные температуры кипения веществ, которые при нормальном атмосферном давлении являются уже измеренными табличными величинами. Укажем основные значения этих температур в таблице.

 

Вещество
Вода	100
Спирт	78
Ртуть	357
Железо	2860
Кислород	–183
Водород	–253

Интересен тот факт, что температура кипения жидкостей зависит от величины атмосферного давления, поэтому мы и указывали, что все значения в таблице приведены при нормальном атмосферном давлении. При возрастании давления воздуха возрастает и температура кипения жидкости, при уменьшении, наоборот, уменьшается.

На этой зависимости температуры кипения от давления окружающей среды основан принцип работы такого известного кухонного прибора, как скороварка (рис. 2). Она представляет собой кастрюлю с плотно закрывающейся крышкой, под которой в процессе парообразования воды давление воздуха с паром достигает значения до 2 атмосферных давлений, что приводит к увеличению температуры кипения воды в ней до . Из-за этого вода с продуктами в ней имеют возможность нагреться до температуры выше, чем обычно (), и процесс приготовления ускоряется. Из-за такого эффекта устройство и получило свое название.

Рис. 2. Скороварка (Источник)

Ситуация с уменьшением температуры кипения жидкости с понижением атмосферного давления также имеет пример из жизни, но уже не повседневной для многих людей. Относится такой пример к путешествиям альпинистов в высокогорных районах. Оказывается, что в местности, находящейся на высоте 3000–5000 м, температура кипения воды из-за уменьшения атмосферного давления снижается до  и более низких значений, что приводит к сложностям при приготовлении пищи в походах, т. к. для эффективной термической обработки продуктов в таком случае требуется значительно большее время, чем при нормальных условиях. На высотах около 7000 м температура кипения воды доходит до , что приводит к невозможности приготовления многих продуктов в таких условиях.

На том, что температуры кипения различных веществ отличаются, основаны некоторые технологии разделения веществ. Например, если рассматривать нагревание нефти, которая представляет собой сложную жидкость, состоящую из множества компонентов, то в процессе кипения ее можно будет разделить на несколько различных веществ. В данном случае, благодаря тому, что температуры кипения керосина, бензина, лигроина и мазута различны, их можно отделить друг от друга путем парообразования и конденсации при различных температурах. Такой процесс, как правило, называют разделением на фракции (рис. 3).

Рис. 3. Разделение нефти на фракции (Источник)

 

Удельная теплота парообразования и конденсации

 

 

Как и любой физический процесс, кипение необходимо характеризовать с помощью какой-то численной величины, такую величину называют удельной теплотой парообразования.

 

Для того чтобы понять физический смысл этой величины, рассмотрим следующий пример: возьмем 1 кг воды и доведем ее до температуры кипения, затем замерим, какое количество теплоты необходимо для того, чтобы полностью испарить эту воду (без учета тепловых потерь) – эта величина и будет равна удельной теплоте парообразования воды. Для другого вещества это значение теплоты будет другим и будет являться удельной теплотой парообразования этого вещества.

Удельная теплота парообразования оказывается очень важной характеристикой в современных технологиях производства металлов. Оказывается, что, например, при плавлении и испарении железа с его последующей конденсацией и затвердеванием образуется кристаллическая решетка с такой структурой, которая обеспечивает более высокую прочность, чем исходный образец.

Обозначение:  удельная теплота парообразования и конденсации (иногда обозначается ).

Единица измерения: .

Удельная теплота парообразования веществ определяется с помощью экспериментов в лабораторных условиях, и ее значения для основных веществ занесены в соответствующую таблицу.

Вещество
Вода
Спирт
Ртуть
Воздух (жидкий)

Если известно, что вещество находится при температуре кипения, то для вычисления количества теплоты, необходимого для превращения его в газообразное состояние используют следующую формулу:

Обозначения:

 количество теплоты парообразования, Дж;

 удельная теплота парообразования и конденсации, ;

 масса вещества, кг.

В случае рассмотрения процесса конденсации вещества формула, описывающая количество теплоты, остается такой же, но берется со знаком минус, что подчеркивает выделение тепла в процессе конденсации, в отличие от поглощения тепла в процессе кипения, однако, зачастую этот минус не учитывается, если находится модуль количества теплоты.

На следующем уроке мы уделим внимание решению задач.

 

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Классная физика (Источник)
2. YouTube (Источник)
3. YouTube (Источник)
4. YouTube (Источник)

 

Домашнее задание

1. Стр. 45: вопросы № 1–3; стр. 51: вопросы № 1–5, упражнение № 10. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
2. Какое количество теплоты нужно затратить для превращения в пар 100 г воды, 50 г спирта, 12 г эфира? Жидкости находятся при температуре кипения.
3. Любое кипение одновременно является парообразованием, а всякое ли парообразование является кипением? Какое явление встречается чаще?
4. В кастрюлю налито 2 л воды при температуре . После закипания в кастрюле оказалось на 200 г меньше воды, чем в начале нагревания. Сколько тепла получила вода в кастрюле?
5. В открытой кастрюле с гладкими стенками и дном можно, осторожно нагревая, довести чистую воду (без крупинок и растворенного воздуха) до температуры свыше . Но почему вода не закипает?