Физические процессы, протекающие во время кипения

Рассмотрим процесс перехода жидкости в пар при кипении.
Видеофрагмент 1. Кипение жидкости

По мере нагрева в жидкости образуются пузырьки, которые в начале не поднимаются на поверхность и «схлопываются», а при полном прогреве жидкости пузырьки начинают всплывать наверх и лопаются, пар выходит наружу.

В процессе кипения заметно, что в колбе появляются пузырьки, которые содержат воздух и насыщенный водяной пар, который образуется при испарении воды внутрь пузырьков. При повышении температуры растет давление насыщенного пара в пузырьках и их размеры увеличиваются. Под действием архимедовой силы пузырьки начинают всплывать.

Так как вода вначале не прогрелась и температура верхних слоев воды меньше, чем в нижних, то поднимающийся пузырек воздуха, попадая в верхние, более холодные слои, уменьшается в размере. Объем пузырьков уменьшается, пузырьки сжимаются, захлопываются, и мы слышим шум.

Когда вода прогреется по всему объему, пузырьки с паром смогут подниматься до поверхности. Достигнув поверхности жидкости, пузырьки лопаются, пар выходит наружу. Жидкость кипит. Это происходит тогда, когда давление насыщенного пара в них равно атмосферному.

  • Кипение – это процесс испарения жидкости не только с ее поверхности, но изнутри, происходящий при температуре кипения. При кипении в отличие от испарения парообразование происходит по всему объёму жидкости.
  • Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения.
  • Температура кипения жидкости зависит от атмосферного давления: при повышении атмосферного давления она увеличивается, а при понижении – уменьшается.

Модель 1. Изменение температуры кипения жидкости

При атмосферном давлении вода кипит при 100 °С, при понижении давления в колбе при откачивании воздуха из нее, нагретая вода может закипеть, если воду не нагревать совсем.

При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, и поэтому температура кипения воды понижается (приблизительно на 1 °С на каждые 300 метров высоты). К примеру, на вершине Эвереста (8848 м над уровнем моря) давление ниже нормального (0,4 атм) и вода там закипает при температуре 74 °С. В скороварке (герметичной кастрюле), где давление выше атмосферного, температура кипения воды составляет примерно 120 °С, что ускоряет в 4 раза процесс приготовления пищи.
Модель 2. Зависимость температуры кипения воды от давления

Некоторые сложные жидкости, например, нефть, состоят из различных фракций с различными температурами кипения. При нагревании нефти путем выпаривания можно разделить ее на составные части (мазут, бензин).

Водород
—253
Молоко 100
Кислород —183 Ртуть 375
Эфир 35 Свинец 1740
Спирт 78 Медь 2567
Вода 100 Железо 2750
Таблица 1. Температура кипения некоторых жидкостей, 0 °С (при нормальном атмосферном давлении)

Опыт показывает, что, как только началось кипение, температура жидкости не меняется во время всего процесса, несмотря на то, что извне продолжает поступать энергия (тепло).

Пока нагреваемая жидкость не кипит, парообразование происходит только с ее поверхности. Часть сообщаемой жидкости энергии расходуется на компенсацию потери жидкостью энергии при испарении, а часть – на увеличение внутренней энергии жидкости, в частности кинетической энергии молекул, о чем свидетельствует повышение ее температуры.

При достижении температуры кипения парообразование происходит во всем объеме жидкости. Переход жидкости в газообразное состояние связан с увеличением расстояний между молекулами и с преодолением притяжения между ними. На совершение работы по преодолению сил притяжения между молекулами и расходуется подводимая к жидкости энергия. Так происходит до тех пор, пока вся жидкость не превратится в пар.

Температура кипения остается постоянной до тех пор, пока вся жидкость не превратится в пар.

Во время кипения увеличивается потенциальная энергия молекул, а их кинетическая энергия остается неизменной.