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

В отличие от испарения, которое происходит при любой температуре жидкости, другой вид парообразования - кипение - возможен лишь при совершенно определенной (при данном давле­нии) температуре - температуре кипения.

При нагревании воды в открытом стеклянном сосуде можно увидеть, что по мере увеличения температуры стенки и дно сосуда покрываются мелкими пузырьками. Они образуются в результа­те расширения мельчайших пузырьков воздуха, которые существуют в углублениях и микротре­щинах не полностью смачиваемых стенок сосуда.

Пары жидкости, которые находятся внутри пузырьков, являются насыщенными. С ростом тем­пературы давление насыщенных паров возрастает, и пузырьки увеличиваются в размерах. С уве­личением объема пузырьков растет и действующая на них выталкивающая (архимедова) сила. Под действием этой силы наиболее крупные пузырьки отрываются от стенок сосуда и поднимаются вверх. Если верхние слои воды еще не успели нагреться до 100 °С, то в такой (более холодной) воде часть водяного пара внутри пузырьков конденсируется и уходит в воду; пузырьки при этом сокращаются в размерах, и сила тяжести заставляет их снова опускаться вниз. Здесь они опять увеличиваются и вновь начинают всплывать вверх. Попеременное увеличение и уменьшение пузырьков внутри во­ды сопровождается возникновением в ней характерных звуковых волн: закипающая вода шумит.

Когда вся вода прогреется до 100 °С, поднявшиеся вверх пузырьки уже не сокращаются в раз­мерах, а лопаются на поверхности воды, выбрасывая пар наружу. Возникает характерное булька­ние - вода кипит.

Кипение начинается после того, как давление насыщенного пара внутри пузырьков сравнива­ется с давлением в окружающей жидкости.

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 жидкос­ти. 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 °С. Но не следует забывать, что это спра­ведливо лишь при нормальном атмосферном давлении (примерно 101 кПа). При увеличении дав­ления 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. Напри­мер, 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, кури­ное 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 ртути - всего лишь 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипит ртуть при 357°С при нормальном давлении.

Давайте рассмотрим второй всем известный способ образования пара – кипение. Продемонстрируем это явление на опыте. Возьмем открытый стеклянный сосуд с водой и будем его нагревать, измеряя при этом его температуру. При повышении температуры воды, ее испарение усиливается, а в некоторых случаях можно увидеть даже туман. Во время охлаждения, водяной пар в воздухе конденсируется, образуя при этом маленькие капельки (сам пар невозможно увидеть).

Если и дальше увеличивать температуру мы сможем увидеть появление небольших пузырьков на воде. Их размеры будут постепенно увеличиваться. Мы видим растворенные пузырьки воздуха, содержащиеся в воде. Во время нагревания, излишки воздуха выделяются из воды в виде пузырьков. Они содержат насыщенный водяной пар, потому что вода испаряется внутрь этих пузырьков воздуха.

Чем дольше мы нагреваем воду, тем крупнее и многочисленнее становятся пузырьки. С их ростом (пузырьков) увеличивается и сила Архимеда, выталкивающая сила, а затем они всплывают наружу. Обычно мы слышим шум, который предшествует кипению. Во время определенной температуры объем пузырьков, которые приближаются к поверхности жидкости, резко возрастает. При выходе на поверхность они лопаются, и насыщенный в них пар выходит наружу – вода кипит.

Кипением называется интенсивный переход жидкости в пар, во время которого начинается образование пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре. Не стоит забывать, что у разных жидкостей разная температура кипения. В отличие от процесса испарения, который может происходить при любой температуре, кипение в состоянии происходить только при определенной температуре, которая постоянна для каждой жидкости. Таким образом, к примеру, при парке пищи необходимо уменьшать огонь после вскипания воды. Можно сэкономить топливо, в то же время оставив температуру воды постоянной.

Температуру, во время которой жидкость вскипает, называют температурой кипения.

При кипении температура жидкости остается постоянной. Когда давление увеличивается, повышается и температура кипения жидкости (и наоборот). Выяснено, что давление воздуха уменьшается с увеличением высоты над уровнем моря. Таким образом, температура кипения жидкости с увеличением высоты также уменьшается.

Некоторые вещества, которые при обычных условиях пребывают в газообразном состоянии, при достаточно низкой температуре превращаются в жидкости, вскипающие при очень низкой температуре. Возьмем, к примеру, жидкий кислород, который при атмосферном давлении кипит при температуре – 183° С. Вещества, которые мы можем видеть в обычных условиях в твердом состоянии, при плавлении превращаются в жидкость, вскипающую при очень высокой температуре. Возьмем, к примеру, медь, которая кипит при 2567° С, или железо – при 2750° С.

Возможен ли процесс кипения в холодной воде? Если создать определенные условия то да. Проведем опыт. Вскипятим воду и нальем ее в колбу, закрыв ее сверху крышкой. Приступим к ее охлаждению путем полива холодной водой из крана. Удивительно, но на протяжении всего того времени, что мы будем ее поливать, вода внутри колбы будет продолжать кипеть. Спустя некоторое время, колба остынет настолько, что ее будет можно держать голыми руками, но вода в ней все еще будет кипеть, если мы продолжим поливать ее холодной водой. Процесс кипения происходит за счет того, что в колбе практически нет воздуха – его вытеснил пар. Во время того, как мы поливаем колбу холодной водой, пар охлаждается и конденсируется. Таким образом, в колбе образуется вакуум, пространство, которое разряжено. Давление воды, а также то давление, которое над водой понижается. Создаются подходящие условия для кипения, (образования пузырей с паром внутри воды).

Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – .
Первый урок – бесплатно!

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Кипение – процесс интенсивного парообразования жидкости, включающий рождение пузырьков пара, их рост и движение к поверхности жидкости. Кипение, характеризующееся образованием пузырьков пара на поверхности соприкосновения жидкости с твердым телом, называется поверхностным. В реальных условиях мы всегда имеем дело с поверхностным кипением, которое происходит на границе между жидкостью и твердым телом, нагретым выше температуры кипения (нагреватель). При нагревании жидкости до начала кипения основная часть подводимой теплоты расходуется на нагревание, остальная – на испарение. Пусть температура дна сосуда T 1 , температура жидкости на свободной поверхности T 2 . До тех пор, пока температурный перепад невелик, теплота переносится в жидкой среде только путем теплопроводности. В этом случае, как мы знаем, стационарное распределение температуры в жидкости удовлетворяет одномерному уравнению теплопроводности (4.5.21). Решением этого уравнения является функция (4.5.23), т. е. температура жидкости падает линейно от дна сосуда (x = 0) до свободной поверхности (x = d ). При этом градиент температуры постоянен и равен (рис. 78, а ).

а б в

При дальнейшем повышении температуры дна сосуда T 1 растет и температурный градиент в жидкой среде. Когда последний достигнет определенной величины, возникает свободная конвекция, и теплота в жидкости начинает переноситься интенсивнее (свободная конвекция тепла возникает под действием архимедовых сил и заключается в переносе верти­кально вверх масс более нагретой жидкости и опускании на ее место менее нагретой). Теперь стационарное распределение температуры определяется известным уравнением конвективного теплообмена

, (5.7.1)

где – скорость жидкости при конвекции, a – коэффициент темпера-туропроводности. Считая скорость жидкости в первом приближении постоянной, приходим к экспоненциальному убыванию температуры с высотой (рис. 78, б ). Это приводит к значительному увеличению градиента температуры в жидкости на границе с горячим дном, и, таким образом, увеличивается теплоотдача к жидкости. Пусть, наконец, температура дна стала столь значительной, что на его поверхности начинают возникать паровые пузырьки, которые постепенно увеличиваются, отрываются и всплывают. В жидкости устанавливается процесс кипения. Как показывают опыты, теплообмен в этом случае становится еще более интенсивным. Вследствие этого падение температуры жидкости вблизи горячей твердой поверхности будет происходить еще круче, чем при конвекции (рис. 78, в ).

Процесс поверхностного кипения начинается на дне сосуда, граничащего с нагревателем. В порах дна сосуда всегда имеется воздух или другой растворенный газ, который является генератором будущих пузырьков пара. По мере испарения жидкости внутрь пузырьков, давление пара в них повышается, пузырек начинает расти. Уве­личение размеров пузырька происходит особенно быстро, когда при некоторой температуре T S давление p (T S ) насыщенного пара в нем становится равным или немного больше внешнего давления, т. е. p (T S ) = p внеш. Тогда пузырек отрывается от дна и под действием архимедовой силы поднимается к поверхности жидкости.

Внешнее давление p внеш слагается из атмосферного давления p 0 , гидростатического давления (ρ– плотность жидкости, h – глубина, на которой образуется пузырек) и давления Лапласа (R – радиус пузырька, – коэффициент поверхностного натяжения жидкости). Таким образом, процесс кипения начнется при условии, что давление насыщенных паров при данной температуре T S

Температуру T S жидкости, при которой давление p (T S ) ее насыщенного пара становится равным внешнему давлению p внеш на жидкость, называют температурой кипения этой жидкости. Из равенства

(5.7.3)

следует, что температура кипения является функцией внешнего давления. Поэтому сказать, что температура кипения данного вещества равна T S , без указания, при каком внешнем давлении она получена, некорректно.

Мы знаем, что давление насыщенного пара жидкости уменьшается при понижении температуры и увеличивается при ее повышении, следовательно, и температура кипения жидкости понижается при уменьшении внешнего давления и повышается при его увеличении. Таким образом, если некоторая функция выражает зависимость давления насыщенных паров от температуры, то функция, обратная ей, определяет зависимость температуры кипения от внешнего давления. Так как уравнение Клапейрона-Клаузиса

в дифференциальной форме выражает зависимость давления насыщенных паров от температуры, то уравнение

(5.7.4)

определяет в дифференциальной форме зависимость температуры кипе-

ния от внешнего давления, т. е. уравнение (5.7.4) является уравнением кривой кипения в дифференциальной форме. В этом уравнении dT – изменение температуры кипения жидкости при изменении внешнего давления на dp .

В заключение отметим: если продолжительным кипячением из жидкости удалить воздух или другой растворенный газ, то эту жидкость можно нагреть до температуры, значительно большей, чем температура ее кипения при данном внешнем давлении. Так, полученную жидкость называют перегретой. Если в перегретую жидкость внести неоднородности, к примеру, забросить в нее песчинки, в порах которых находится воздух, то жидкость бурно вскипает, напоминая взрыв.

73. Аморфное и кристаллическое состояние вещества. Симметрия твердых тел. Основные элементы симметрии твердых тел.

В физике различают аморфные и кристаллические твердые тела. По признаку сохранения формы аморфные тела относят к твердым, во всем остальном они не отличаются от жидкостей. Аморфные тела рассматривают как переохлажденные жидкости с аномально большим коэффициентом вязкости, благодаря которому они при обычной температуре не могут течь. Однако при повышении температуры они постепенно размягчаются, не имея определенной температуры плавления, и приобретают обычную для жидкостей способность течь. Свойства аморфных тел одинаковы по всем направлениям, т. е. они изотропны. К примеру, если из стекла (аморфное тело) изготовить шар, то его свойства окажутся одинаковыми в различных направлениях. Так, при сжатии его с одинаковой силой в разных направлениях, он будет уменьшаться на одинаковую величину. Если измерять теплопроводность стекла, нагревая шар сверху и охлаждая его снизу или нагревая слева и охлаждая справа, найдем, что теплопроводность стекла во всех направлениях также одинакова. Для лучей света, пронизывающих стекло по всем направлениям, показатель преломления также оказывается одинаковым. Если поместить стеклянный шар между двумя пластинами заряженного конденсатора и вращать шар вокруг его центра, то не будет отмечено никакого изменения емкости конденсатора; это значит, что диэлектрическая постоянная не зависит от направления электрического поля внутри его.

Совершенно иначе ведут себя кристаллические твердые тела. Кристаллы имеют определенную, зависящую от внешнего давления температуру плавления. Скорость распространения света, изотермический коэффициент сжатия, коэффициент теплопроводности, модуль упругости, диэлектрическая проницаемость и многие другие физические свойства кристалла сильно зависят от направления в нем.

Кристаллы можно получать различными способами, например, охлаждением жидкости. При таком охлаждении, если не принять специальных мер, в жидкой фазе возникает множество центров кристаллизации, вокруг которых происходит образование твердой фазы. Возникает множество мелких кристалликов, сливающихся друг с другом хаотически и образующих так называемый поликристалл. Хотя каждый из кристаллов, образующих поликристалл, анизотропен, но ввиду хаотичности ориентировки этих кристаллов поликристаллическое тело в целом является изотропным.

Если же в охлажденную жидкость ввести затравку – маленький кристаллик, то кристаллизация начнется на нем, и можно вырастить большой монокристалл правильной формы. Для этого необходимо, чтобы условия роста кристалла были одинаковы на всех его поверхностях, что может быть достигнуто вращением затравки в растворе. При выращивании больших монокристаллов металлов и полупроводников затравку очень медленно со скоростью несколько миллиметров в час выдвигают в вертикальном направлении из нагревательной печи.

Согласно закону, открытому в 1783 г. Роме де Лиллем, во всех кристаллах одного и того же вещества углы между соответственными гранями равны. Так, например, в кристаллах каменной соли (NaCl) все углы между гранями 90˚. Если из такого кристалла выточить шарик и поместить его в насыщенный раствор каменной соли, то кубическая форма кристалла будет стремиться восстановиться. Причиной такого восстановления формы кристаллов является хорошо известное условие устойчивости равновесия термодинамической системы: условие минимума потенциальной энергии. Для кристаллов это условие выражено в принципе, сформулированном Гиббсом, Кюри и Вульфом: поверхностная энергия должна быть минимальной. Этот минимум должен находиться при условии, что заданы углы между гранями кристалла.

При помещении кристалла в насыщенный раствор или в расплав между твердой и жидкой фазами устанавливается динамическое равновесие: атомы из твердой фазы переходят в жидкую фазу, а из жидкой – в твердую; но осаждение из жидкой фазы идет так, что образуется система с минимумом потенциальной энергии, т. е. образуется характерная для данного вещества форма кристалла и все бывшие нарушения этой формы исчезают, потому шарик в описанном опыте стремится превратиться вновь в кубическую структуру или другую характерную кристаллическую форму.

Если условия роста кристалла неодинаковы в разных точках его поверхности, то форма растущего кристалла может быть отлична от характерной формы, хотя углы между основными гранями остаются та­кими, как и при правильной форме.

Поместим стеклянный сосуд с холодной водой на горелку и будем наблюдать. Скоро дно и стенки сосуда покроются пузырьками; об их происхождении говорилось в § 260. В этих пузырьках, как мы знаем, находятся воздух и пар воды. Пузырьки появляются в тех местах стенок сосуда, где нет полного смачивания. Такими местами могут явиться следы жира на стенке или мелкие трещинки на ней.

Наблюдая за пузырьком при неизменной температуре, мы видим, что он сохраняет свои размеры; значит, давления изнутри и извне на его поверхность взаимно уравновешиваются. Так как внутри пузырька находится воздух, количество которого надо считать постоянным, то это равновесие является устойчивым. Действительно, если бы по какой-либо случайной причине пузырек расширился, то давление воздуха в нем, согласно закону Бойля - Мариотта, уменьшилось бы и внешнее давление, остающееся при этом почти неизменным, снова уменьшило бы пузырек. Рассуждая таким же образом, легко выяснить, почему случайно уменьшившийся пузырек сейчас же снова расширится до прежнего объема. При повышении температуры пузырек постепенно расширяется настолько, что сумма давления воздуха и пара в нем остается равной внешнему давлению. Однако когда пузырек сделается достаточно большим, выталкивающая сила воды заставит его оторваться, подобно тому, как отрывается слишком тяжелая капля воды, повисшая на крыше (рис. 372). При этом между пузырьком и стенкой сосуда образуется все сужающаяся воздушная перемычка (рис. 483) и, наконец, пузырек отрывается, оставляя у стенки небольшое количество воздуха из которого с течением времени разовьется новый пузырек.

Рис. 483. Прилипшие ко дну сосуда с жидкостью и отрывающиеся пузырьки газа

Поднимаясь кверху, оторвавшиеся пузырьки снова уменьшаются в размерах. Почему это происходит? Эти пузырьки содержат пар воды и немного воздуха. Когда пузырек достигает верхних, еще не успевших нагреться слоев воды, то значительная часть водяного пара конденсируется в воду и пузырек уменьшается. Это попеременное увеличение и уменьшение пузырьков сопровождается звуками: закипающая вода «шумит». Наконец, вся вода прогревается в достаточной мере. Тогда поднимающиеся пузырьки уже не уменьшаются в размерах и лопаются на поверхности, выбрасывая пар во внешнее пространство. «Шум» прекращается, и начинается «бульканье» - мы говорим, что вода закипела. Термометр, помещенный в пар над кипящей водой, все время, пока вода кипит, показывает одну и ту же температуру, около .

Очевидно, что при кипении давление паров, образующихся внутри пузырьков у дна сосуда, таково, что пузырьки могут расширяться, преодолевая атмосферное давление, действующее на свободную поверхность воды, а также давление столба воды. Мы приходим к выводу, что кипение происходит при такой температуре, при которой давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению. Температуру пара кипящей жидкости называют температурой кипения.

Из приведенных рассуждений ясно, что температура кипения должна зависеть от внешнего давления. Это можно легко наблюдать. Поставим стаканчик с теплой водой под колокол воздушного насоса. Откачивая воздух, мы можем заставить воду вскипеть при температуре значительно ниже (рис. 484). Наоборот, при повышении внешнего давления температура кипения повышается. Так, в котлах паровых машин воду нагревают под давлением в несколько атмосфер. Температура кипения при этом значительно превосходит . При давлении около 15 атм температура кипения воды близка к . Когда говорят о температуре кипения жидкости, не указывая давления, всегда имеют в виду температуру кипения при нормальном давлении .

Рис. 484. При откачивании воздуха из-под колокола вода, имеющая температуру значительно ниже , закипает

Зависимость температуры кипения от давления дает нам новый способ измерения атмосферного давления. Измерив температуру кипения воды, можно по таблицам давления пара при разных температурах судить об атмосферном давлении. Если, например, находясь в горах, мы определили, что температура кипения воды около , то отсюда можно заключить (табл. 18), что давление воздуха составляет . Специально приспособленные для таких измерений термометры называют гипсотермометрами. Они устроены так, что дают возможность отсчитывать температуру около с большой точностью (рис. 485).

Рис. 485. Гипсотермометр

Температуры кипения различных жидкостей (при нормальном давлении) сильно разнятся между собой. Это можно видеть из табл. 19.

Таблица 19. Температура кипения некоторых жидкостей при

Различие температур кипения разных веществ находит большое применение в технике, например при разделении нефтепродуктов. При нагревании нефти раньше всего испаряются наиболее ценные, летучие ее части (бензин), которые можно таким образом отделить от «тяжелых» остатков (масел, мазута).

Различие температур кипения веществ связано с различием в давлении пара при одной и той же температуре. Мы видели, что пар эфира уже при комнатной температуре имеет давление, превышающее половину атмосферного. Поэтому, чтобы давление пара эфира достигло атмосферного, нужно небольшое повышение температуры (до ). Иначе дело обстоит, например, у ртути, имеющей при комнатной температуре совсем ничтожное давление. Давление пара ртути делается равным атмосферному только при значительном повышении температуры (до ).

294.1. Где кипящая вода горячее: на уровне моря, на горе или в глубокой шахте?

294.2. Для некоторых производственных процессов в пищевой промышленности (например, для варки свеклы) требуется температура воды выше . Каким средством этого можно достичь?

294.3. Пользуясь табл. 18, определите наивысшую температуру, которую может иметь вода при давлении и .

294.4. На рис. 486 изображен автоклав (прибор, употребляющийся в химических производствах для процессов, требующих более высокой температуры, чем температура кипения находящейся в нем жидкости). Это - прочный котел с манометром 1, наглухо закрывающийся крышкой так, что пар из него может уходить только через предохранительный клапан 2. Какой температуры достигнет при нагревании котла находящаяся в нем вода, если площадь основания клапана равна и расстояние от опоры 3 до клапана 2 равно 6,5 см, а до гири 4-18 см? Масса гири 1 кг. Массой стержня можно пренебречь.

Рисунок 486. К упражнению 294.4

294.5. Попробуйте вскипятить воду в узкой пробирке, наполненной до края, нагревая ее у дна. Почему в этом случае пузыри выбрасывают воду из пробирки?

Примечание. Нечто подобное происходит в громадных размерах в природе в так называемых гейзерах (в СССР на Камчатке, а также в ряде других стран, например в Исландии). Гейзер - периодически действующий фонтан, выбрасывающий горячую воду из узкого вертикального жерла в земле (рис. 487). Образование пара происходит на глубине нескольких десятков метров. Давление на такой глубине водоема может достигать нескольких атмосфер и вода может нагреваться значительно выше . Когда внизу образуются пузыри пара, то часть воды вытекает, давление падает и парообразование перегретой воды идет с такой интенсивностью, что остающаяся вода выбрасывается на большую высоту.

Рис. 487. Гейзер

294.6. Вскипятите воду в круглодонной колбе и закупорьте ее. Переверните колбу. Если теперь на дно колбы положить немного снега или облить ее холодной водой, то вода в колбе закипит. Объясните явление.

В разделе на вопрос Что называют температурой кипение жидкости? заданный автором Косоворотка лучший ответ это температуру кипения жидкости
Анна
Мыслитель
(8819)
Что не понятного??? Температура кипения. При какой температуре жидкость закипает, мозгами шивили маненько!!!

Ответ от Вровень [новичек]
(точка кипения) - температура, при которой жидкость столь интенсивно превращается в пар (т. е. газ), что в ней образуются паровые пузырьки, которые поднимаются на поверхность и лопаются. Бурное образование пузырьков во всем объеме жидкости и называется кипением. В отличие от простого испарения при кипении жидкость переходит в пар не только со свободной поверхности, но и по всему объему - внутрь образующихся пузырьков. Температура кипения любой жидкости постоянна при заданном атмосферном или ином внешнем давлении, но повышается с повышением давления и понижается с его понижением. Например, при нормальном атмосферном давлении, равном 100 кПа (таково давление на уровне моря), температура кипения воды составляет 100° С. На высоте же 4000 м над уровнем моря, где давление падает до 60 кПа, вода кипит примерно при 85° С, и для того, чтобы сварить пищу в горах, требуется больше времени. По той же причине пища готовится быстрей в кастрюле-"скороварке": давление в ней повышается, а вслед за этим повышается и температура кипящей вод

Ответ от Просунуться [новичек]
температура при которой жидкость превращается в газ