6.5. Кипение жидкости. Зависимость температуры кипения от давления

Непосредственные наблюдения за поведением жидкости свидетельствуют, что при некоторых температуре и давлении в жидкостях начинается процесс кипения. Разберемся в механизме этого явления.

Обычно в жидкости или на стенках сосуда, в котором она находится, присутствуют пузырьки растворенного в ней воздуха. При нагревании жидкости растворимость содержащихся в ней газов понижается. В результате число таких пузырьков значительно увеличивается. Газовые пузырьки в процессе закипания играют роль аналогичную той, которую играют ионы или пылинки при конденсации. В эти пузырьки происходит испарение окружающей их жидкости, вследствие чего пузырьки наполняются насыщенным паром, давление которого с повышением температуры увеличивается.

Пока температура жидкости такова, что давление насыщенного пара внутри пузырька меньше внешнего давления над жидкостью, пузырек не может расти. При некоторой температуре давление насыщенного пара внутри пузырька становится равным давлению, оказываемому на пузырек извне. Это давление равно сумме атмосферного давления, гидростатического давления, обусловленного столбом жидкости над пузырьком и дополнительного давления, связанного с кривизной поверхности пузырька (давление Лапласа). Расчеты показывают, что вклад гидростатического давления и давления Лапласа существенной роли в этом процессе не играют. Чаще всего мы имеем дело с процессом кипения при нормальном атмосферном давлении , а для того чтобы гидростатическое давление вносило вклад, сравнимый с давлением атмосферы, столб воды должен составлять хотя бы несколько метров, чего обычно в реальной ситуации не бывает. Давление Лапласа существенно тогда, когда радиус пузырьков порядка , что значительно меньше размеров пузырьков, образующихся в процессе кипения.

При некоторой температуре, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным внешнему давлению, точнее говоря, несколько больше, пузырьки, быстро увеличиваясь в размерах, устремляются вверх и прорываются наружу. С этого момента жидкость начинает кипеть.

Рассмотрев механизм закипания жидкости, подчеркнем, что кипение существенно отличается от испарения. Во-первых, испарение происходит при любой температуре, кипение же для каждой жидкости при определенном давлении имеет место при строго определенной температуре, называемой точкой кипения. Если процесс кипения начался, температура жидкости, несмотря на продолжающееся сообщение теплоты, не повышается. Она так и останавливается на точке кипения до тех пор, пока не выкипит вся жидкость. Во-вторых, в процессе кипения жидкость испаряется не только с поверхности, но и с поверхности пузырьков внутри жидкости.

Итак, для того, чтобы жидкость закипела, нужно довести ее температуру до такого значения, при котором давление насыщенного пара внутри содержащихся в жидкости пузырьков хотя бы чуточку превышало внешнее давление.

Из приведенных рассуждений видно, что с уменьшением внешнего давления должна понижаться и температура кипения жидкости.

Принято считать, что точке кипения воды при нормальном атмосферном давлении соответствует температура 100º С. Однако жителям высокогорных селений хорошо известен факт закипания воды при значительно более низкой температуре. Так на вершине Эльбруса вода закипает уже при 82º С. Физическим фактором, ответственным за изменение температуры кипения, является уменьшение внешнего давления в высокогорных районах. Вода кипит при 100º С только при давлении 760 мм Hg. При давлении 0,5 атм она закипает при 82º С, а при давлении 10-15 мм Hg вода закипает в интервале температур 10-15º С. Можно получить даже "кипяток", имеющий температуру замерзающей воды. Для этого придется понизить внешнее давление до 4,6 мм Hg.

Интересный результат можно наблюдать, если в колбу поместить небольшое количество воды при комнатной температуре и начать откачивать из колбы воздух. Исход опыта зависит от скорости откачки. Если откачка производится достаточно медленно, то вода должна рано или поздно закипеть. Если же откачка производится достаточно быстро, то вода, напротив, замерзает. В результате откачки воздуха, а вместе с ним и паров воды, усиливается процесс испарения, в ходе которого вода остывает. При медленной откачке понижение температуры жидкости компенсируется за счет поступления теплоты извне, поэтому температура вода остается постоянной. Если же откачка производится быстро, то вода не успевает получить тепло от окружающей среды. Так как температура воды начинает понижаться, возможность ее закипания также уменьшается. Дальнейшее продолжение быстрой откачки воздуха из колбы со временем приведет к понижению температуры жидкости до точки замерзания.

Отмечая факт понижения температуры кипения с уменьшением давления, естественно ожидать, что с повышением давления температура кипения будет повышаться. Действительно, при давлении 15 атм кипение воды начинается при 200º С, а давление в 80 атм вызывает кипение воды даже при 300º С.

Рис. 6.6

Итак, определенному внешнему давлению соответствует своя температура кипения, или каждой температуре кипения соответствует вполне определенное давление. Напомним, что это давление называется упругостью пара (кипение начинается, когда упругость насыщенного пара внутри пузырьков жидкости равна внешнему давлению). Поэтому кривая, изображающая зависимость температуры кипения от давления, одновременно представляет собой кривую зависимости упругости пара от температуры. Вид этой кривой изображен на рис. 6.6. Из рис. 6.6 видно, что упругость пара с изменением температуры меняется очень быстро, а температура кипения с изменением давления - довольно медленно. Эта же кривая описывает и процесс конденсации. Превратить пар в воду можно либо сжатием, либо охлаждением. Только для точек, лежащих на приведенной кривой, возможно одновременное сосуществование жидкости и ее пара. Если исключить теплообмен такой двухфазной системы с окружающей средой, то количество жидкости и пара в закрытом сосуде будет оставаться неизменным. Таким образом, кривая кипения и конденсации - это кривая равновесия жидкости и пара. Она делит поле диаграммы на две части. Влево и вверх (область высоких температур и невысоких давлений) расположена область устойчивого состояния пара, вправо и вниз - область устойчивого состояния жидкости.

Отметим еще, что кривая равновесия жидкость-пар качественно имеет один и тот же вид для различных жидкостей. Во всех случаях упругость пара быстро растет с повышением температуры.

Это интересно