11. Кипение. Удельная теплота парообразования.

Парообразование, происходящее одновременно с поверхности и по всему объему жидкости при определенной постоянной температуре, называют кипением.

Условия кипения жидкости. Если нагревать воду в прозрачной колбе, то видно, что сначала дно и стенки колбы покрываются мелкими пузырьками. Это выделяется растворенный в воде воздух. Кроме воздуха пузырьки содержат насыщенный пар воды, которая испаряется внутрь пузырьков. По мере нагревания воды давление насыщенного пара в пузырьках возрастает и объем пузырьков увеличивается. Это приводит к увеличению выталкивающей силы, действующей на пузырьки, они отрываются от дна и стенок сосуда и начинают всплывать. Однако пока вся вода не прогрелась, ее верхние слои остаются более холодными. Попав в них, пузырьки уменьшаются в размерах, так как содержащийся в пузырьках насыщенный пар конденсируется, и исчезают, не дойдя до поверхности воды. С течением времени вода полностью прогревается и пузырьки уже не исчезают в верхних слоях. Увеличиваясь в размерах, они доходят до поверхности и лопаются, выбрасывая наружу содержащийся в них пар. Вода кипит. Кипение начинается тогда, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным или большим внешнего давления, производимого на пузырьки пара в жидкости. Составными частями внешнего давления являются: давление, производимое на поверхность жидкости и гидростатическое давление. Главная роль принадлежит давлению на поверхность жидкости (если жидкость находится в открытом сосуде, то таким давлением является атмосферное давление), т.е. температура кипения жидкости зависит от давления. С повышением внешнего давления температура кипения повышается, а с понижением давления — понижается. Чистая вода, находящаяся в открытом сосуде при нормальном атмосферном давлении, равном 101,3 кПа, кипит при 100 °С.

Температура кипения зависит также от наличия примесей в жидкости. Например, вода, содержащая 12% поваренной соли, кипит при нормальном давлении при 102°С, а содержащая 40% соли, кипит при 108°С. Температура кипения раствора всегда выше, чем температура чистого растворителя при том же давлении.

Чтобы поддерживать кипение жидкости, ее необходимо непрерывно нагревать, т. е. сообщать ей теплоту. Температура кипения жидкости при этом не изменяется. При переходе жидкости в газообразное состояние кинетическая энергия молекул не изменяется. Вся сообщаемая жидкости теплота идет на увеличение потенциальной энергии молекул, что приводит к изменению агрегатного состояния вещества (жидкость переходит в пар).

Количество теплоты, необходимое для превращения в пар 1 кг данной жидкости при постоянной температуре кипения, характеризуется удельной теплотой парообразования r = Q/m.

(Согласно закону сохранения энергии, при конденсации в жидкость пара выделяется та кое же количество теплоты).

Удельная теплота парообразования зависит от вещества жидкости и от температуры. С повышением температуры жидкости удельная теплота парообразования уменьшается, а при критической температуре становится равной нулю.