Кипение

Для того чтобы превратить жидкость в пар, существует два способа: испарение и кипение. В прошлых уроках мы подробно разобрали, как происходит процесс испарения. В его ходе образуется пар, который в зависимости от условий может быть насыщенным или ненасыщенным.

Явление кипения мы часто наблюдаем в повседневной жизни. Для того чтобы приготовить чай или кофе, сначала мы доводим воду до кипения. Чтобы сварить суп, мы ждем, когда закипит вода в кастрюле. 

На данном уроке мы рассмотрим, как физика описывает этот процесс, изучим изменения, происходящие при кипении и установим зависимости от других величин.

Процесс кипения

Проведем опыт: будем нагревать воду в открытом стеклянном сосуде и измерять ее температуру.

Отметим, что до того, момента как мы начнем нагревать воду, с поверхности воды идет испарение. Пар при этом не виден глазу, но, тем не менее, существует.

Начнем нагревать воду. Мы заметим, что в воде начинают появляться пузырьки (рисунок 1, а). С повышением температуры они начинают увеличиваться в размерах.

В воде всегда растворено некоторое количество воздуха. При повышении температуры этот воздух выделяется из воды в виде пузырьков. Внутри них — воздух и водяной пар. Водяной пар там присутствует, потому что окружающая вода испаряется внутрь этих пузырьков воздуха.

Когда пузырьки поднимаются в верхние слои жидкости (более холодные), они уменьшаются в размерах. Происходит это из-за конденсации пара внутри пузырьков. Под действием силы тяжести они опускаются вниз в более горячую воду.

И снова начинают подниматься к поверхности. Происходит попеременное увеличение и уменьшение пузырьков, в ходе которых они двигаются в жидкости. При этом мы слышим шум. Он предшествует закипанию воды.

Вода постепенно прогревается по всему объему. Пузырьки перестают уменьшаться в размерах (рисунок 1, б). Под действием архимедовой силы, они всплывают на поверхность и лопаются. Насыщенный пар, содержащийся в них, смешивается с окружающим воздухом. Прекращается шум, остается только бульканье — вода закипела. Температура воды равна $100 \degree C$.

Кипение — это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

Температура кипения

Если испарение происходит при любой температуре, то кипение происходит при некоторой определенной температуре. При этом:

• разные жидкости закипают при разной температуре
• кипение от начала до конца происходит при постоянной температуре

Температура кипения — это температура, при которой жидкость кипит.

Во время кипения температура жидкости не меняется.

Интерактив

Нажимайте на ручку для регулирования пламени плиты. Обратите внимание, что температура воды не увеличивается после закипания.

Вспомните, при приготовлении того же супа после закипания воды огонь уменьшают. Теперь он просто поддерживает эту самую температуру кипения. Это дает экономию топлива.

{"questions":[{"content":"Можно ли увеличить температуру жидкости во время кипения?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Можно","Нельзя"],"explanations":["","Температура кипения остается постоянной на протяжении всего процесса перехода жидкости в пар."],"answer":[1]}}}]}

Температура кипения зависит от давления на поверхность жидкости. Давление насыщенного пара в пузырьках при кипении всегда больше внешнего давления.

Соответственно, если мы увеличим внешнее давление, то температура кипения увеличивается. Если уменьшим — температура кипения тоже снизится.

Давление воздуха зависит от высоты. При ее увеличении над уровнем моря давление воздуха постепенно уменьшается. Значит, уменьшается и температура кипения жидкости. Если при нормальном атмосферном давлении вода закипает при $100 \degree C$, то в горах она закипит при температуре $90 \degree C$.

Получится ли сварить в таких условиях обычное куриное яйцо? Нет. Белок так и не сможет свернуться — это невозможно при температуре ниже $100 \degree C$.

Температура кипения некоторых веществ

В таблице 1 представлены экспериментально полученные значения температуры кипения для различных веществ.

{"questions":[{"content":"Какая температура кипения у свинца?<br />[[input-1]] $\\degree C$.","widgets":{"input-1":{"type":"input","inline":1,"answer":"1740"}}}]}

В обычных условиях кислород является газом. Из таблицы мы видим, что его температура кипения равна $-183 \degree C$. При температуре ниже этой кислород будет жидким.

С другой стороны, вещества, которые мы обычно наблюдаем в твердом состоянии, имеют очень высокую температуру кипения. Например железо плавится и превращается в жидкость при температуре $1539 \degree C$. А чтобы заставить жидкое железо кипеть, необходимо довести его температуры в $2750 \degree C$.

Графики кипения жидкостей

На рисунке 2 показаны графики зависимости температуры $T$ от времени $t$ трех разных жидкостей: воды, спирта и эфира. Масса жидкостей одинакова, мощности нагревателей идентичны.

На рисунке видно, что горизонтальные участки графиков соответствуют процессам кипения. Они параллельны оси времени, температура на них остается постоянной. Чтобы определить, какой график соответствует каждой жидкости, нам нужно обратиться к таблице 1.

Температура кипения первой жидкости равна $35 \degree C$. Значит, график под номером 1 — это график нагревания и кипения эфира.

$70 \degree C$ — температура кипения спирта. Значит, 2 — график нагревания и кипения спирта.

График 3 соответствует воде, ведь ее температура кипения равна $100 \degree C$. Обратите внимание, что жидкости не нагреются выше своей температуры кипения. Например, при $100 \degree C$ вода полностью перейдет в пар. Пар же может иметь более высокую температуру.