Кипение жидкости (ЕГЭ-ОГЭ)

Кипе́ние — процесс интенсивного парообразования, который происходит в жидкости как на свободной её поверхности, так и внутри её структуры. При этом в объёме жидкости возникают границы разделения фаз, то есть на стенках сосудa образуются пузырьки, которые содержат воздух и насыщенный пар. Кипение, как и испарение, является одним из способов парообразования. В отличие от испарения, кипение может происходить лишь при определённой температуре и давлении. Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, называется температурой кипения. Как правило, температура кипения при нормальном атмосферном давлении приводится как одна из основных характеристик химически чистых веществ. Процессы кипения широко применяются в различных областях человеческой деятельности. Например, кипячение является одним из распространённых способов физической дезинфекции питьевой воды. Кипячение воды представляет собой процесс нагревания её до температуры кипения с целью получения кипятка. Также, процесс кипения применяется практически во всех типах холодильных установок, в том числе и в подавляющем большинстве бытовых холодильников (и в абсорбционных, и в компрессорных) и кондиционеров. Охлаждение воздуха в камере холодильника происходит именно благодаря кипению хладагента, причём в испарителе холодильной установки хладагент при пониженном давлении выкипает полностью.

Кипение является фазовым переходом первого рода. Кипение происходит гораздо более интенсивно, чем испарение с поверхности, из-за присутствия очагов парообразования, обусловленных как более высокой температурой достигаемой в процессе кипения, так и наличием примесей^[1]. На процесс образования пузырьков можно влиять с помощью давления, звуковых волн, ионизации и других факторов возникновения центров парообразования. В частности, именно на принципе вскипания микрообъёмов жидкости от ионизации при прохождении заряженных частиц работает пузырьковая камера.

По мере нагрева жидкости на греющей поверхности образуются пузырьки пара, внутрь которых испаряется жидкость. В обычной жидкости (не очищенной от мельчайших пузырьков газов) при термодинамическом равновесии парциальное давление паров в пузырьке равно давлению насыщенных паров при этой температуре. Так как соблюдается равенство давлений внутри и снаружи пузырька, то давление внутри шарика равно атмосферному давлению (гидростатическим давлением пренебрегают).

P(атм)=P(газа)+P(насыщ. паров)

Равенством силы тяжести и силы Архимеда в данном случае можно пренебречь, так как разность давлений, действующих на пузырёк пренебрежимо мала по сравнению с внешним давлением.

При увеличении температуры увеличивается давление насыщенных паров. Из постоянства атмосферного и «внутрипузырькового» давлений следует, что должно уменьшиться парциальное давление сухих газов в пузырьке, что говорит об увеличении объёма пузыря. Когда давление насыщенных паров доходит до атмосферного, давление сухих газов должно стать равным нулю. Из уравнения Менделеева-Клапейрона видно, что для этого объём пузырька должен стать бесконечным (пузырёк начинает непрерывно расширяться). При достижении температуры кипения в жидкостях из-за описанного процесса начинается непрерывное бульканье, увеличивающее во много раз скорость испарения (так как сильно увеличивается площадь жидкости, с которой происходит испарение). Таким образом, если испарение происходит при любой температуре, то кипение — при одной, определённой для текущего давления. Когда процесс кипения начался, то несмотря на продолжающийся подвод тепла, температура жидкости увеличивается незначительно, пока вся жидкость не превратится в пар. Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, называется температурой кипения или температурой насыщения ${\displaystyle T_{S}}$. Изменение температуры жидкости в процессе кипения называется температурным глайдом. Для химически чистых жидкостей или азеотропных смесей температурный глайд является нулевым. С увеличением давления, согласно уравнению Клапейрона — Клаузиуса, температура насыщения возрастает:

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} T_{S}}}={\frac {r}{T_{S}\,\Delta v}}>0}$.

где ${\displaystyle r}$ — удельная теплота парообразования; ${\displaystyle \Delta v}$ — изменение удельного объёма тела при фазовом переходе.

На фазовой диаграмме воды кривая, характеризующая фазовой переход из жидкого состояния в газообразное, называется «линией насыщения». Она ограничена двумя предельными точками: тройной точкой, в которой сходятся линии плавления, кипения и сублимации, и критической точкой, в которой исчезает граница раздела между жидкой и газообразной фазами.

В кипящей жидкости устанавливается определённое распределение температуры: у поверхностей нагрева (стенок сосуда, труб и т. п.) жидкость заметно перегрета ${\displaystyle T>T_{S}}$. Величина перегрева зависит от ряда физико-химических свойств как самой жидкости, так и граничных твёрдых поверхностей. Тщательно очищенные жидкости, лишённые растворённых газов (воздуха), можно при соблюдении особых мер предосторожности перегреть на десятки градусов без закипания. Когда такая перегретая жидкость в конце концов вскипает, то процесс кипения протекает весьма бурно, напоминая взрыв. Вскипание сопровождается расплёскиванием жидкости, гидравлическими ударами, иногда даже разрушением сосудов. Теплота перегрева расходуется на парообразование, поэтому жидкость быстро охлаждается до температуры насыщенного пара, с которым она находится в равновесии. Возможность значительного перегрева чистой жидкости без кипения объясняется затруднённостью возникновения начальных маленьких пузырьков (зародышей), их образованию мешает значительное взаимное притяжение молекул жидкости. Иначе обстоит дело, когда жидкость содержит растворённые газы и различные мельчайшие взвешенные частицы. В этом случае уже незначительный перегрев (на десятые доли градуса) вызывает устойчивое и спокойное кипение, так как начальными зародышами паровой фазы служат газовые пузырьки и твёрдые частицы. Основные центры парообразования находятся в точках нагреваемой поверхности, где имеются мельчайшие поры с адсорбированным газом, а также различные неоднородности, включения и налёты, снижающие молекулярное сцепление жидкости с поверхностью.

Образовавшийся пузырёк растёт только в том случае, если давление пара в нём несколько превышает сумму внешнего давления, давления вышележащего слоя жидкости и капиллярного давления, обусловленного кривизной поверхности пузырька. Для создания в пузырьке необходимого давления пар и окружающая его жидкость, находящаяся с паром в тепловом равновесии, должны иметь температуру, превышающую температуру насыщения ${\displaystyle T_{S}}$.

Кипение возможно не только при нагревании жидкости в условиях постоянного давления. Снижением внешнего давления при постоянной температуре можно также вызвать перегрев жидкости и её вскипание (за счёт уменьшения температуры насыщения). Этим объясняется, в частности, явление кавитации — образование паровых полостей в местах пониженного давления жидкости (например, в вихревой зоне за гребным винтом теплохода).

На P-V диаграмме для выбранной температуры жидкости (например Т1) точка состояния начала кипения ${\displaystyle a}$ характеризуется парой термодинамических переменных, то есть определённым термодинамическим состоянием. При кипении температура и давление остаются постоянными, при этом по мере увеличения паросодержания средняя плотность среды падает, а удельный объём, соответственно, увеличивается. После испарения всей жидкости достигается новое термодинамическое состояние ${\displaystyle c}$. Если рассмотреть более высокое значение температуры, то начало кипения будет характеризоваться термодинамическим состоянием ${\displaystyle a'}$ с большим удельным объёмом, а состояние ${\displaystyle c'}$ полного превращения жидкости в пар — меньшим удельным объёмом. По мере увеличения температуры разница между величинами удельных объёмов жидкости и пара на линии насыщения уменьшается, а при достижении температуры критической точки — исчезает. Изменение термодинамического состояния среды в процессе кипения характеризуется удельной теплотой парообразования ${\displaystyle r}$, которая равна количеству теплоты, необходимому для полного испарения единицы массы жидкости.