Кипение - это парообразование, происходящее одновременно и с поверхности, и по всему объему жидкости. Оно состоит в том, что всплывают и лопаются многочисленные пузырьки, вызывая характерное бурление.

Как показывает опыт, кипение жидкости при заданном внешнем давлении начинается при вполне определенной и не изменяющейся в процессе кипения температуре и может происходить только при подводе энергии извне в результате теплообмена (рис. 1):

где L - удельная теплота парообразования при температуре кипения.

Механизм кипения: в жидкости всегда имеется растворенный газ, степень растворения которого понижается с ростом температуры. Кроме того, на стенках сосуда имеется адсорбированный газ. При нагревании жидкости снизу (рис. 2) газ начинает выделяться в виде пузырьков у стенок сосуда. В эти пузырьки происходит испарение жидкости. Поэтому в них, кроме воздуха, находится насыщенный пар, давление которого с ростом температуры быстро увеличивается, и пузырьки растут в объеме, а следовательно, увеличиваются действующие на них силы Архимеда. Когда выталкивающая сила станет больше силы тяжести пузырька, он начинает всплывать. Но пока жидкость не будет равномерно прогрета, по мере всплытия объем пузырька уменьшается (давление насыщенного пара уменьшается с понижением температуры) и, не достигнув свободной поверхности, пузырьки исчезают (захлопываются) (рис. 2, а), вот почему мы слышим характерный шум перед закипанием. Когда температура жидкости выравняется, объем пузырька при подъеме будет возрастать, так как давление насыщенного пара не изменяется, а внешнее давление на пузырек, представляющее собой сумму гидростатического давления жидкости, находящейся над пузырьком, и атмосферного, уменьшается. Пузырек достигает свободной поверхности жидкости, лопается, и насыщенный пар выходит наружу (рис. 2, б) - жидкость закипает. Давление насыщенного пара при этом в пузырьках практически равно внешнему давлению.

Температура, при которой давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению на ее свободную поверхность, называется температурой кипения жидкости.

Так как давление насыщенного пара увеличивается с ростом температуры, а при кипении оно должно быть равно внешнему, то при увеличении внешнего давления температура кипения увеличивается.

Температура кипения зависит также от наличия примесей, обычно увеличиваясь с ростом концентрации примесей.

Если предварительно освободить жидкость от растворенного в ней газа, то ее можно перегреть, т.е. нагреть выше температуры кипения. Это неустойчивое состояние жидкости. Достаточно небольших сотрясений и жидкость закипает, а ее температура сразу понижается до температуры кипения.

Все, что окружает нас в повседневной жизни, можно представить в виде физических и химических процессов. Мы постоянно производим массу манипуляций, которые выражаются формулами и уравнениями, даже не подозревая об этом. Одним из таких процессов является кипение. Это то явление, которое используют абсолютно все хозяйки во время приготовления пищи. Оно кажется нам абсолютно обыденным. Но давайте взглянем на процесс кипения с точки зрения науки.

Кипение - это что такое?

Еще со школьного курса физики известно, что вещество может быть в жидком и газообразном состоянии. Процесс трансформации жидкости в состояние пара - кипение. Это происходит только при достижении или превышении определенного температурного режима. Участвует в данном процессе и давление, его необходимо обязательно учитывать. У каждой жидкости существует собственная температура кипения, запускающая процесс образования пара.

В этом заключается существенная разница между кипением и испарением, происходящим при любом температурном режиме жидкости.

Как происходит кипение?

Если вы когда-нибудь кипятили воду в стеклянной посуде, то наблюдали за образованием пузырьков на стенках емкости в процессе нагревания жидкости. Они образовываются благодаря тому, что в микротрещинах посуды скапливается воздух, который при нагревании начинает расширяться. Пузырьки состоят из паров жидкости, находящихся под давлением. Эти пары называют насыщенными. По мере нагревания жидкости увеличивается давление в пузырьках воздуха и они увеличиваются в размерах. Естественно, что они начинают подниматься наверх.

Но, если жидкость еще не достигла температуры кипения, то в верхних слоях пузырьки охлаждаются, давление снижается и они оказываются на дне емкости, где снова нагреваются и поднимаются вверх. Этот процесс знаком каждой хозяйке, вода будто начинает шуметь. Как только температура жидкости в верхних и нижних слоях сравнивается, пузырьки начинаются подниматься на поверхность и лопаться - происходит кипение. Это возможно только тогда, когда давление внутри пузырьков становится одинаковым с давлением самой жидкости.

Как мы уже упоминали, каждая жидкость имеет свой температурный режим, при котором начинается процесс закипания. Причем в течение всего процесса температура вещества остается неизменной, вся выделенная энергия затрачивается на парообразование. Поэтому у нерадивых хозяек сгорают кастрюли - все их содержимое выкипает и начинает нагреваться сама емкость.

Температура кипения находится в прямо пропорциональной зависимости от давления, оказываемого на всю жидкость, точнее, на ее поверхность. В школьном курсе физике указано, что вода начинает кипеть при температуре в сто градусов по Цельсию. Но мало кто помнит, что данное утверждение верно только в условиях нормального давления. За норму принято считать величину в сто один килопаскаль. Если увеличить давление, то кипение жидкости будет происходить при другой температуре.

Это физическое свойство используют производители современных бытовых приборов. Примером может послужить скороварка. Всем хозяйками известно, что в подобных устройствах пища готовится гораздо быстрее, чем в обычных кастрюлях. С чем это связано? С давлением, которое образуется в скороварке. Оно в два раза превышает норму. Поэтому и кипение воды происходит приблизительно при ста двадцати градусов по Цельсию.

Если вы когда-либо были в горах, то наблюдали обратный процесс. На высоте вода начинает закипать при девяноста градусах, что существенно затрудняет процесс приготовления пищи. С этими трудностями хорошо знакомы местные жители и альпинисты, проводящие в горах все свободное время.

Еще немного о кипении

Многие слышали такое выражение, как "точка кипения" и, вероятно, удивились, что мы его не упомянули в статье. На самом деле мы уже его описали. Не спешите перечитывать текст. Дело в том, что в физике точка и температура процесса кипения считаются идентичными.

В научном мире разделение в данной терминологии производится только в случае смешения различных жидких веществ. В такой ситуации определяется именно точка кипения, причем наименьшая из всех возможных. Именно она и берется за норму для всех составных частей смеси.

Вода: интересные факты о физических процессах

В лабораторных опытах физики всегда берут жидкость без примесей и создают абсолютно идеальные внешние условия. Но в жизни все происходит немного иначе, ведь зачастую мы подсаливаем воду или добавляем в нее различные приправы. Какова будет температура кипения в этом случае?

Соленая вода требует более высокой температуры для закипания, чем пресная. Это связано с примесями натрия и хлора. Их молекулы сталкиваются между собой, и на их нагревание требуется значительно более высокая температура. Существует определенная формула, позволяющая вычислить температуру кипения соленой воды. Учтите, что шестьдесят граммов соли на один литр воды, увеличивают температуру кипения на десять градусов.

А может ли кипеть вода в вакууме? Ученые доказали, что может. Вот только температура кипения в этом случае должна достигать предела трехсот градусов по Цельсию. Ведь в вакууме давление составляет всего лишь четыре килопаскаля.

Все мы кипятим воду в чайнике, поэтому знакомы с таким неприятным явлением, как "накипь". Что это такое и почему она образуется? На самом деле все просто: пресная вода имеет разную степень жесткости. Она определяется количеством примесей в жидкости, чаще всего в ней содержатся различные соли. В процессе кипячения они трансформируются в осадок и в больших количествах превращаются в накипь.

Может ли кипеть спирт?

Кипение спирта используется в процессе самогоноварения и называется дистилляцией. Этот процесс напрямую зависит от количества воды в спиртовом растворе. Если взять за основу чистый этиловый спирт, то температура его кипения будет приближена к семидесяти восьми градусам по Цельсию.

Если вы добавляете в спирт воду, то температура кипения жидкости увеличивается. В зависимости от концентрации раствора он будет закипать в промежутке от семидесяти восьми градусов до ста градусов по Цельсию. Естественно, что в процессе кипения спирт превратится в пар за более короткий временной интервал, чем вода.

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

Во время кипения температура жидкости и пара над ней не меняется. Она сохраняется неизменной до тех пор, пока вся жидкость не выкипит. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия уходит на превращение ее в пар.

Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения .

Температура кипения зависит от давления, оказываемого на свободную поверхность жидкос-ти. Это объясняется зависимостью давления насыщенного пара от температуры. Пузырек пара растет, пока давление насыщенного пара внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из внешнего давления и гидростатического давления столба жидкости.

Чем больше внешнее давление, тем больше температура кипения .

Всем известно, что вода кипит при температуре 100 ºC. Но не следует забывать, что это справедливо лишь при нормальном атмосферном давлении (примерно 101 кПа). При увеличении дав-ления температура кипения воды возрастает. Так, например, в кастрюлях-скороварках пищу варят под давлением около 200 кПа . Температура кипения воды при этом достигает 120°С. В воде такой температуры процесс варки происходит значительно быстрее, чем в обычном кипятке. Этим и объясняется название «скороварка».

И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Напри-мер, в горных районах (на высоте 3 км , где давление составляет 70 кПа) вода кипит при температуре 90 °С. Поэтому жителям этих районов, использующим такой кипяток, требуется значительно больше времени для приготовления пищи, чем жителям равнин. А сварить в этом кипятке, например, кури-ное яйцо вообще невозможно, так как при температуре ниже 100 °С белок не сворачивается.

У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, т. к. при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному. Например, при температуре кипения 100 °С давление насыщенных паров воды равно 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а паров — всего лишь 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипит ртуть при 357°С при нормальном давлении.

Теплота парообразования.

Теплота парообразования (теплота испарения) — количество теплоты , которое необходимо сообщить веществу (при постоянном давлении и постоянной температуре) для полного превращения жидкого вещества в пар.

Количество теплоты, необходимое для парообразования (или выделяющееся при конденса-ции). Чтобы вычислить количество теплоты Q , необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования r ум-ножить на массу m :

При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты.

Над всеми жидкостями в результате их испарения устанавливается равновесие между жидкостью и паром, а следовательно, и определенное давление пара. Величина этого давления зависит от природы жидкости и от температуры. С повышением температуры увеличивается кинетическая энергия молекул в жидкости, все большее их количество способно перейти в газовую фазу и следовательно, давление пара над жидкостью возрастает (рисунок 4).

Рисунок 4 – Кривая давления водяного пара

Температуру, при которой давление пара становится равным внешнему давлению, называют температурой кипения. Точка пересечения (рисунок 4) горизонтальной прямой, отвечающей давлению 760 мм рт. ст., и кривой давления пара соответствует температуре кипения при нормальном давлении. Любая жидкость, не разлагающаяся при нагревании до температуры, при которой давление пара становится равным 760 мм рт. ст., имеет свою характерную температуру кипения при нормальном атмосферном давлении. На рисунке 4 видно также, что при давлении 200 мм рт. ст. вода кипела бы приблизительно при 66 °С. Эту зависимость температуры кипения от давления используют в лабораторной практике и промышленности для перегонки без разложения веществ, кипящих при высоких температурах (вакуумная перегонка). В ряде справочных и учебных пособий приведены номограммы, позволяющие связать между собой температуры кипения при атмосферном давлении и в вакууме, т. е. определить то максимальное остаточное давление, которое должно быть в перегонной установке, чтобы вещество перегонялось ниже температуры его разложения (см., например, /3, с. 32/).

Этой же цели (очистка высококипящих веществ) служат и другие модификации перегонки. Например, перегонка с водяным паром позволяет перегнать высококипящее вещество при атмосферном давлении, однако давление паров над поверхностью жидкости, равное атмосферному, складывается из суммы парциальных давлений самого вещества и паров воды. Водяной пар в этом способе продувают (барботируют) через толщу вещества в перегонном кубе.

В большинстве случаев определение температуры кипения производится при перегонке вещества в процессе его очистки. В случае необходимости определение температуры кипения малого количества жидкости можно пользоваться микрометодом Сиволобова (рисунок 6).

Для его проведения можно использовать стандартный прибор для определения температуры плавления, описанный выше (рисунок 5). В запаянную с одного конца тонкостенную стеклянную трубку (6) – диаметр ~ 3 мм – помещают каплю жидкости. В трубку опускают капилляр (4), запаянный с верхнего конца, прикрепляют трубку к термометру резинкой (5) и нагревают в приборе до тех пор, пока из капилляра не начнут выходить пузырьки непрерывной струей. Отмечают температуру, при которой началось непрерывное выделение пузырьков. Она соответствует температуре кипения жидкости. Обязательно записывают атмосферное давление по барометру. По значению температуры кипения можно вещество идентифицировать и определить его чистоту.

Над всеми жидкостями в результате их испарения устанавливается равновесие между жидкостью и паром, а следовательно, и определенное давление пара. Величина этого давления зависит от природы жидкости и от температуры. С повышением температуры увеличивается кинетическая энергия молекул в жидкости, все большее их количество способно перейти в газовую фазу и следовательно, давление пара над жидкостью возрастает (рисунок 4).

Рисунок 4 – Кривая давления водяного пара

Температуру, при которой давление пара становится равным внешнему давлению, называют температурой кипения. Точка пересечения (рисунок 4) горизонтальной прямой, отвечающей давлению 760 мм рт. ст., и кривой давления пара соответствуеттемпературе кипения при нормальном давлении. Любая жидкость, не разлагающаяся при нагревании до температуры, при которой давление пара становится равным 760 мм рт. ст., имеет свою характерную температуру кипения при нормальном атмосферном давлении. На рисунке 4 видно также, что при давлении 200 мм рт. ст. вода кипела бы приблизительно при 66С. Эту зависимость температуры кипения от давления используют в лабораторной практике и промышленности для перегонки без разложения веществ, кипящих при высоких температурах (вакуумная перегонка). В ряде справочных и учебных пособий приведены номограммы, позволяющие связать между собой температуры кипения при атмосферном давлении и в вакууме, т. е. определить то максимальное остаточное давление, которое должно быть в перегонной установке, чтобы вещество перегонялось ниже температуры его разложения (см., например, /3, с. 32/).

Этой же цели (очистка высококипящих веществ) служат и другие модификации перегонки. Например, перегонка с водяным паром позволяет перегнать высококипящее вещество при атмосферном давлении, однако давление паров над поверхностью жидкости, равное атмосферному, складывается из суммы парциальных давлений самого вещества и паров воды. Водяной пар в этом способе продувают (барботируют) через толщу вещества в перегонном кубе.

В большинстве случаев определение температуры кипения производится при перегонке вещества в процессе его очистки. В случае необходимости определение температуры кипения малого количества жидкости можно пользоваться микрометодом Сиволобова (рисунок 6).

Для его проведения можно использовать стандартный прибор для определения температуры плавления, описанный выше (рисунок 5). В запаянную с одного конца тонкостенную стеклянную трубку (6) – диаметр ~ 3 мм – помещают каплю жидкости. В трубку опускают капилляр (4), запаянный с верхнего конца, прикрепляют трубку к термометру резинкой (5) и нагревают в приборе до тех пор, пока из капилляра не начнут выходить пузырьки непрерывной струей. Отмечают температуру, при которой началось непрерывное выделение пузырьков. Она соответствует температуре кипения жидкости. Обязательно записывают атмосферное давление по барометру. По значению температуры кипения можно вещество идентифицировать и определить его чистоту.