5.14. Кипение

Кипением называется процесс перехода жидкости в пар, про­исходящий с образованием в объеме жидкости пузырьков пара (или паровых полостей).

Классическая теория зарождения новой фазы, рассмотрен­ная нами на примере конденсации пересыщенного пара, спра­ведлива и для случая кипения. В кипящей жидкости очаги новой (паровой) фазы возникают вследствие тепловых флюктуа­ции путем последовательных бимолекулярных реакций. По­скольку плотность пара вдали от критической температуры в тысячи раз меньше, чем жидкости, то для образования пузырька, охватывающего сколь-нибудь значительный объем, необхо­димы весьма большие флюктуации. Так как вероятность воз­никновения больших флюктуации невелика, то размеры пузырь­ков пара, возникающих в объеме жидкой фазы, обычно доста­точно малы. В этом случае вогнутая поверхность окружающей их жидкости имеет очень большую кривизну. В результате добавочное капиллярное давление р₃ , направленное к центру кривизны, может раздавить пузырек, поскольку при г -> О рг, -+ оо. Положение существенно меняется при наличии в жид­кости активных примесей: пузырьков газа, чужеродных частиц, микропор на поверхности сосуда, заполненных газом, и др. Флюктуационный принцип при этом сохраняется, но для обра­зования устойчивых очагов паровой фазы требуются значитель­но меньшие флюктуации.

Рассмотрим механизм пузырчатого кипения более подробно. Допустим, что на глубине h под уровнем жидкости вследствие флюктуации возник пузырек пара радиусом г (рис. 5.31). Обо­значим давление пара в нем через р_г. Пузырек будет сохранять устойчивое состояние при условии

, '20

Ра + PSh ~Г — = Р_г ,

где р_а, pgh и 2 air — соответственно атмосферное, гидростатичес­кое и добавочное капиллярное давления; р — плотность жидко­сти; g — нормальное ускорение свободного падения.

Для существования пузырька необходимо, чтобы температуры пара в нем и окружающей жидкости были равными температуре насыщения при существующем внутри пузырька давлении. Толь­ко при этом условии пузырек будет находиться в термодинамичес­ком равновесии с окружающей жидкостью. Если при данной тем­пературе Т упругость насыщенного пара р_нас меньше, чем внешнее давление р_ш,_еш, то кипение невозможно. В этом случае пузырек будет сжиматься внешним давлением и, поскольку упругость на­сыщенного пара внутри него не может превысить />_нас, заключенный в нем пар сконденсируется в жидкость. Кипение возможно лишь при условии р_нас(Г) > /7_Ш1еш (точнее говоря, несколько больше). Это условие может быть достигнуто или нагреванием жидкости до такой температуры, при которой упругость насыщенного пара внутри пузырька станет несколько больше внешнего давления, или понижением внешнего давления до велич ины, несколько мень­шей упругости насыщенного пара при данной температуре.

Только пузырек, достигший некоторых критических раз­меров г_к, становится устойчивым:

— 2<7 Put

^Г"~ (dp/dT)_n\T 'рж-Рпар '

где (dp/dT)_H—производная, взятая по кривой насыщения; ДГ= = Т —Т .

Если л< г_к, пузырек пара будет исчезать, если г > г_к — не­ограниченно расти. Для образования устойчивых пузырьков не­обходимо нагреть жидкость до такой температуры, при которой упругость ее насыщенных паров становится несколько больше внешнего давления. При нагревании жидкости в стационарных условиях в ней над горизонтальной поверхностью нагрева уста­навливается распределение температуры, показанное на рис. 5.32, где на оси абсцисс отложено расстояние от поверхности нагрева. У поверхности нагрева температура жидкости всегда несколько выше, и условия образования пузырьков здесь лучше. Поэтому очаги новой фазы возникают в основном или непосредственно па стенках сосуда, или вблизи них.

В соответствии с законом Архимеда на пузырек действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме пузырька. Под действием этой силы пузырек всплывает. Попадая в более холодные, удаленные от поверхности нагрева слои жидкости, он охлаждается, давление паров р_г в нем падает, и под дейст­вием внешнего давления пузырек захлопывается, нагревая при этом окружающую жидкость. Этот процесс захлопывания пу­зырьков сопровождается известным шипением, которое обычно слышится перед вскипанием жидкости. Когда верхние слои жид­кости нагреваются до температуры кипения T_s, пузырек всплы­вает на поверхность. Поскольку гидростатическое давление pgh с уменьшением /г падает, то по мере поднятия пузырек увели­чивается в объеме. На поверхности жидкости, где h = 0, сумма

слагаемых р_а -j--может оказаться меньше р_т. В этом случае

пузырек разрушится (лопнет) и заключенный в нем пар выйдет и пространство над жидкостью. Ясно, что чем выше внешнее давление р_а, тем большим должно быть внутреннее давление

н еобходимое для разрушения пузырька на поверхности жид­кости. Так как давление насыщенного пара внутри пузырька ависит от температуры окружающей его жидкости, то, следо­вательно, температура кипения T_s должна зависеть от внеш­него давления р_а. Кривая, выражающая эту зависимость, назы­вается ортобарической кривой (рис. 5.33). ()на может быть найдена из изотерм р , к

15ан-дер-Ваальса.

Таким образом, путем изменения тем­пературы кипения какой либо жидкости можно определить барометрическое дав­ление и, следовательно, высоту над уровнем моря. Построенный на этом принципе прибор называется гипсотермометром.

Явление зависимости температуры кипения от давления хорошо изве­стно па практике. Уменьшив, например, давление над водой в закрытом сосуде до 2,3-Ю³ Па, можно вскипятить ее при 20° С. На вершине Эльбруса (5642 м) давление воздуха 0,5-10⁵ Па, и вода закипает при 82° С. Нагревая воду в закрытом котле под давлением ее собственных паров, можно зна­чительно повысить температуру ее кипения. Этот метод широко использует­ся в технике (паровые машины высокого давления, автоклавы, папиновы котлы и др.). Весьма поучительным является следующий опыт.

В колбу наливают воду и затем с помощью вакуумного насоса отка­чивают из нее воздух. Для поглощения паров воды на пути между насо­сом 11 колбой ставят сосуды с концентрированной серной кислотой. Когда давление в колбе станет равным упругости насыщенного пара, соответст­вующей температуре воды в колбе, вода закипает. Теплота, необходимая для испарения воды, в этом случае берется от самой жидкости, которая при этом охлаждается. При непрерывном откачивании давление в колбе все время понижается, вода продолжает кипеть, температура ее падает вплоть до 0 °С. Дальнейшее кипение воды при t<_t₀ (где /₀ — температура замерзания) продолжается за счет выделяющейся при кристаллизации во­ды теплоты превращения. Таким образом, путем кипячения водь: под по­ниженным давлением удается ее заморозить.