Лекция № 10. Кипение жидкости. Критическое состояние вещества.

Кипением называется процесс парообразования, происходящий во всем объеме жидкости. Для этого жидкость должна быть нагрета до достаточно высокой температуры. Рассмотрим процесс кипения. Закипанию жидкости способствуют пузырьки воздуха, обычно находящиеся в ней. Кипение начинается у стенок сосуда, поскольку на них всегда имеются растворённый в воде воздух. Вода начинает испаряться внутрь пузырьков и они, кроме воздуха заполняются насыщенным паром жидкости. При повышении температуры жидкости давление пара в пузырьке возрастает и его объем увеличивается. Давление внутри пузырька складывается из давления пара и давления воздуха, но величина последнего очень мала. Будем считать, что давление внутри пузырька равно давления насыщенных паров Р_внут=Р_нп. Выталкивающая сила, действующая на пузырек, возрастает с ростом его объема. При определенных условиях она станет больше силы сцепления между пузырьками и твердой стенкой. В этом случае пузырек отрывается от стенки и начинает всплывать. При этом давление внутри пузырька Р_внут уравновешивается внешним давлением, которое складывается из атмосферного давления Р₀ и давления жидкости⁷

. (10.1)

В начале кипения жидкость нагрета неравномерно, верхние слои более холодные. При подъёме пузырька на поверхность (рисунок 10.1 а) температура воды понижается. Давление внутри пузырька Р_внут уменьшается быстрее, чем внешнее давление Р_внеш. Его объём быстро уменьшается, он захлопывается, что сопровождается характерным шумом начала закипания жидкости. Постепенно жидкость перемешивается и её температура выравнивается (рисунок 10.1 б). Теперь давление насыщенных паров внутри пузырька при его подъёме не изменяется. Постепенно глубина h становится меньше. Внешнее давление становится меньше, а внутреннее давление остаётся прежним, что приводит к увеличению объёма пузырька. Достигая поверхности, он лопается, выбрасывая пар. Начинается активное кипение жидкости. На поверхности жидкости h=0 и как следует из уравнения 10.1, давление насыщенных паров равно внешнему (атмосферному) давлению над поверхностью жидкости

. (10.2)

Давление насыщенных паров, где бы они ни находились, на поверхности или на глубине одинаково, так как температура уже не изменяется. Следовательно, условие (10.2) является условием кипения жидкости. Температура, при которой выполняется это условие, называется температурой кипения.

Таким образом, кипение жидкости возможно, если в ней имеются воздушные пузырьки достаточно больших размеров (для воды – порядка миллиметра). Кипение начнется, если давление насыщенного пара становится равно внешнему давлению над поверхностью жидкости. Как мы уже установили, давление насыщенного пара определяется только температурой жидкости. Из условия (10.2) следует, что температура кипения зависит от внешнего давления – с ростом внешнего давления растет и температура кипения. Температура кипения воды при разных давлениях может быть найдена с помощью таблицы 2 давления насыщенных паров.

Если в жидкости нет пузырьков, способствующих процессу кипения, то ее можно перегреть без того, чтобы кипение началось. Возникающее при этом состояние называется перегретой жидкостью. Перегретую жидкость можно также получить, если уменьшить внешнее давление над жидкостью так, чтобы оно стало меньше давления насыщенного пара при данной температуре. График зависимости давления перегретой жидкости от её объёма показан на рисунке 10.2. Перегретая жидкость используется в пузырьковых камерах для того, чтобы сделать видимыми следы заряженных частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света.⁸