4. Кипение

Зная свойства паров, можно рассмотреть второй способ парообразования – кипение. В жидкости, нагреваемой в сосуде (рис. 2.21), растворен воздух. При определенных условиях он образует в толще жидкости или на внутренних стенках сосуда микроскопические пузырьки, внутри которых кроме воздуха находится насыщенный пар (вокруг – жидкость). Пока температура невелика, давление насыщенного пара меньше давления над поверхностью жидкости – внешнего давления, и пузырьки малы. По закону Дальтона, давление внутри пузырька равно сумме давлений пара и воздуха:

р=р_нас+р_возд.

Извне на пузырек, по закону Паскаля, действуют внешнее, гидростатическое и лапласово давления. Давление воздуха в пузырьке больше внешнего давления и обеспечивает равенство суммарных давлений вне и внутри пузырька:

р_нас+р_возд=р_внеш+р_ст+р_Л.

При нагревании жидкости растет давление насыщенного пара, соответственно немного увеличивается объем, и немедленно уменьшается давление воздуха в пузырьке. Суммарное давление внутри пузырька остается равным давлению извне, и пузырек остается микроскопическим (рис. 2.21, 1).

Наконец, в соответствии с одним из законов диалектики накопление количества (внутренней энергии) приводит к качественному скачку. Когда давление насыщенного пара станет равно сумме давлений над поверхностью жидкости (внешнего) и гидростатического, пузырек за счет давления воздуха начнет расти. При этом через его стенки будут испаряться все новые порции жидкости, поддерживая избыточное давление изнутри. Лапласово давление также уменьшается, способствуя росту пузырька. Увеличивается архимедова сила, которая увлекает пузырек вверх. В верхних еще холодных слоях жидкости давление насыщенного пара уменьшается, и пузырек «раздавливается» внешним давлением (рис. 2.21, 2). Когда же весь объем жидкости достаточно прогреется, пузырьки раздуваются, всплывают и выбрасывают на поверхность большие порции пара (рис.2.21, 3). Бурное испарение внутрь пузырьков в глубине жидкости – это и есть кипение. Оно происходит при определенной температуре кипения, при которой давление насыщенного пара данной жидкости становится равным внешнему давлению.

Температура кипения, естественно, зависит от внешнего давления. Доведем до кипения воду в колбе, во время кипения закроем колбу пробкой, снимем с нагревателя и перевернем. Теперь польем холодной водой дно перевернутой колбы (рис. 2.24). Вода в колбе начнет бурно кипеть. Охлаждение вызвало конденсацию пара в колбе, что повлекло за собой уменьшение давления над поверхностью. Следовательно, уменьшилась температура, при которой давление насыщенного пара равно внешнему, – температура кипения. И вода при 70 – 80С закипает.

Ответы на вопросы к главе 2

1. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, число ударов молекул о поверхность частицы пропорционально площади этой поверхности; масса же частицы пропорциональна ее объему. Таким образом, с увеличением размера R частицы число ударов молекул о ее поверхность возрастает по закону R², тогда как масса частицы, которая под действием удара должна сдвигаться с места, увеличивается по закону R³. очевидно, что квадратичная зависимость преобладает при малых R, а кубическая зависимость – при больших R. Это означает, что при малых R должны преобладать поверхностные эффекты, тогда как при больших R должны преобладать объемные эффекты. Поэтому с увеличением R молекулам все труднее и труднее сдвинуть частицу. Во-вторых, броуновская частица должна быть малой, так как необходимо, чтобы были нескомпенсированны удары молекул, т.е. число ударов о частицу в единицу времени слева и число ударов в единицу времени справа должны быть существенно различными. Но отношение указанной разницы числа ударов ко всему числу ударов будет тем больше, чем меньше поверхность частицы.

2. отрицательность энергии молекулы означает, что она находится в связанном состоянии (с другой молекулой). Чтобы «освободить» эту молекулу, ей необходимо добавить некоторую энергию с тем, чтобы энергия молекулы увеличилась до нуля.

3. В действительности жидкость скорее всего ближе к кристаллу; на это указывает количественная близость плотностей, удельных теплоемкостей, коэффициентов объемного расширения жидкостей и кристаллов. Известно также, что теплота плавления существенно меньше теплоты парообразования. Все эти факты свидетельствуют о заметном сходстве сил межцастичного сцепления в кристаллах и жидкостях. Следствием указанного сходства является также установленное в опытах по рассеянию рентгеновских лучей наличие элементов упорядоченности в расположении атомов жидкости, известное под названием «ближний порядок».

4. Такое состояние не будет равновесным, ибо постоянные температуры поддерживаются подводом к стержню энергии от кипящей воды и отводом энергии от стержня к тающему льду. В этих условиях происходит теплообмен.

5. Н а рисунке ниже изображены указанные три изопроцесса в различных координатных осях.

6. Физический смысл термодинамической температуры состоит именно в том, что она является мерой средней кинетической энергии поступательного движения частиц тела.

7. При постоянном объеме работа не совершается, и вся теплота идет на приращение внутренней энергии газа, т.е. на повышение его температуры. В этом случае . При постоянном давлении нагревание газа неизбежно связано с его расширением, т.е. с совершением работы . Подводимая теплота при этом идет частично на приращение внутренней энергии газа (на повышение температуры), а частично на совершение газом указанной работы, т.е. . При одинаковом легко видеть, что .

8. Обозначим среднюю «работу испарения» в расчете на одну молекулу буквой A_i, тогда энергия для испарения массы m жидкости будет равна , где N_A – постоянная Авогадро; m/M – число молей; М – молярная масса жидкости (пара); r – удельная теплота парообразования. Из этого уравнения легко получить выражение для A_i.