2. Нагрівання рідини, кипіння і пароутворення. Пара насичена і перегріта. Конденсація пари. Залежність температури кипіння води відтиску.

У житті ми досить часто спостерігаємо перехід рідин у газоподібний стан: висихають калюжі після дощу, сохне випрана білизна, рівень води у відкритих водоймах улітку знижується тощо. Це явище називається випаровуванням. З позицій атомно-молекулярного вчення його можна пояснити тим, що частина молекул, які мають достатню кінетичну енергію, вилітають за межі поверхні рідини й утворюють пару — газоподібний стан рідини.

Випаровування властиве і твердим тілам (пригадайте, що в морозну погоду мокра білизна вкривається льодом, але також висихає). Для твердих тіл цей процес називається сублімацією.

Енергетичні витрати на випаровування рідин характеризує  питома теплота пароутворення. Це фізична величина, яка визначає кількість теплоти, необхідної для випаровування 1 кг рідини за даної температури. Вона позначається літерою г і Числове значення питомої теплоти пароутворення залежить від різних факторів, зокрема від температури і тиску. Наприклад, питома теплота пароутворення води при 0 °С за нормального атмосферного тиску (760 мм рт. ст.) дорівнює 2500 скляну колбу воду й будемо спостерігати, що з нею відбуватиметься під час нагрівання .

Спочатку на дні і стінках посудини будуть утворюватися бульбашки. Це повітря, яке розчинене у воді внаслідок проникнення в неї молекул газу. Нагрівання води приведе з часом до того, що з підвищенням температури повітряні бульбашки збільшуватимуться   в   об'ємі. Відбувається внутрішнє випаровування, і всередині бульбашки утворюється водяна пара.

Під час закипання води ми чуємо характерний шум: під дією сили Архімеда бульбашки починають спливати, і в момент досягнення поверхні вони лопаються і водяна пара з шумом виривається назовні. При цьому температура рідини залишається сталою, оскільки вся теплота, що надається рідині, йде на внутрішнє випаровування в усьому її об'ємі. Таким чином, кипіння — це внутрішнє випаровування рідини, внаслідок якого пара, що утворилася всередині, викидається назовні.

Температура, за якої кипить рідина, називається температурою кипіння. У кожної речовини вона має своє певне значення і залежить від різних факторів, зокрема від зовнішнього тиску. Це пояснюється тим, що бульбашкам із парою для виходу назовні треба подолати його протидію. Тому з підвищенням тиску зростатиме температура кипіння, і навпаки, зі зниженням його вона зменшуватиметься. Наприклад, у високих горах вода кипітиме за значно нижчої температури, ніж за нормального атмосферного тиску.

Отже, збільшуючи тиск, можна підвищувати температуру кипіння рідини. Це використовують, наприклад, у каструлях-швидковарках зі щільно припасованою покришкою, в яких вода нагрівається до 120-150 °С за рахунок того, що всередині тиск досягає 2-5 гПа. У спеціальних котлах-автоклавах воду можна нагріти навіть до 250-300 °С.

Разом із випаровуванням у природі спостерігається також зворотний процес, коли за певних умов газ скраплюється й утворюється рідина.

Наприклад, вранці улітку  осить часто випадає роса, восени в разі різкого зниження    температури    повітря утворюється туман тощо.  Процес переходу речовини з газоподібного стану в рідкий називається конденсацією. Як правило, вона відбувається на поверхні рідини або твердого тіла; у газах для цього потрібні  центри  конденсації,  роль  яких  відіграють різні домішки, порошинки тощо.

Конденсацією водяної пари в атмосфері пояснюється утворення хмар.

На відміну від випаровування, під час якого теплота поглинається, при конденсації теплота виділяється. її кількість визначають за тією самою формулою, що і теплоту пароутворення: Q_п = rm. Питома теплота конденсації за значенням така сама, як і питома теплота пароутворення.

Крім того, за певних умов можлива конденсація речовини з газоподібного стану відразу в твердий. Так, наприклад, з водяної пари взимку утворюються сніжинки та паморозь на деревах або чудові візерунки на склі вікон у морозну погоду.

 Залежність тиску насиченої пари від температури. Стан насиченої пари наближено описується рівнянням стану ідеаль¬ного газу  , а його тиск наближено визначається формулою: p0=nkT. З підвищенням температури тиск зростає оскільки тиск насиченої пари не залежить від об'єму, а залежить тільки від температури. В основному збільшення тиску з під¬вищенням температури зумовлюється саме збільшенням концентрації. Основна відмінність у поведінці ідеального газу і насиченої пари полягає в тому, що із зміною температури пари в закритій посудині (або із зміною об'єму при сталій температурі) змінюється маса пари. Рідина частково пере¬творюється в пару або, навпаки, пара частково конденсується. 

106Па, то вода не кипить і при температурі 200 °С. Якщо відкачати насосом повітря і пару води з колби, воду можна змусити кипіти при кімнатній температурі. Під час піднімання в гори атмосферний тиск зменшується, тому знижується температура кипіння. На висоті 7134м температура кипіння води там становить приблизно 70 °С. Зварити м'ясо в цих умовах неможливо.Кипіння. З підвищенням температури рідини інтенсив¬ність випаровування збільшується. Нарешті, рідина починає кипіти. Під час кипіння в усьому об'ємі рідини утворюються бульбашки пари, які швидко збільшуються і спливають на поверхню. Температура кипіння рідини залишається сталою. Це відбувається тому, що вся енергія, яка підводиться до рідини, витрачається на перетворення її в пару. З'ясуємо умови, при яких починається кипіння. У рідині завжди є розчинені гази, які виділяються на дні і стінках посудини, а також на завислих у рідині порошинках. Під дією виштовхувальної сили вони спливають угору. Якщо верхні шари рідини мають нижчу температуру, то в цих шарах відбувається конденсація пари в бульбашках. Це відбувається так швидко, що під час стикання стінок бульбашки чути ніби маленький вибух. Велика кіль¬кість таких мікровибухів створює характерний шум. Коли рідина достатньо прогріється, бульбашки перестають захло¬пуватися і спливають на поверхню і рідина закипає. Кипіння починається при температурі, при якій тиск насиченої пари в бульбашках зрівнюється з тиском у рідині. Чим більший зовнішній тиск, тим вища температура кипіння. Так, якщо в паровому котлі тиск досягає 1,6

Критична температура. При підвищенні температури рідини одночасно із збільшенням тиску насиченої пари збіль¬шується і її густина. Густина рідини, що перебуває в рівновазі із своєю парою, навпаки, зменшується внаслідок розширення рідини під час нагрівання. Якщо на одному малюнку накрес¬лити криві залежності густини рідини і її пари від температури, то для рідини крива піде вниз, а для пари – вгору.

При деякій температурі, яку називають критичною, обидві криві збігаються, тобто густина рідини дорівнює густині пари. Критичною називається температура, при якій зникає відмінність фізичних властивостей рідини і насиченої пари. Уявлення про критичну температуру дав Д. І. Менделєєв.

При критичній температурі густина і тиск насиченої пари стають максимальними, а густина рідини, що перебуває в рівновазі з парою – мінімальною. Особливе значення критичної температури полягає в тому, що при температурах, вищих за критичну, газ не можна перетворити в рідину ні при яких тисках. Газ, що має темпера¬туру нижчу за критичну, являє собою ненасичену пару.