Кипение – процесс перехода вещества из жидкого в газообразное состояние (парообразование в жидкости). Кипение не является испарением : оно отличается тем, что может происходить только при определенном давлении и температуре.

Кипячение – нагревание воды до температуры кипения.

Кипение воды является сложным процессом, который происходит в четыре стадии . Рассмотрим пример кипения воды в открытом стеклянном сосуде.

На первой стадии кипения воды на дне сосуда появляются небольшие пузырьки воздуха, которые также можно заметить и на поверхности воды по бокам.

Эти пузырьки образуются в результате расширения небольших пузырей воздуха, которые находятся в мелких трещинах сосуда.

На второй стадии наблюдается увеличение объема пузырьков: все больше пузырьков воздуха рвется на поверхность. Внутри пузырьков находится насыщенный пар.

Как только повышается температура, возрастает давление насыщенных пузырьков, в результате чего они увеличиваются в размере. Как следствие, повышается действующая на пузыри архимедова сила.

Именно благодаря этой силе пузырьки стремятся к поверхности воды. Если верхний слой воды не успел прогреться до 100 градусов С (а это и есть температура кипения чистой воды без примесей), то пузырьки опускаются вниз в более горячие слои, после чего они снова устремляются назад на поверхность.

Ввиду того, что пузыри постоянно уменьшаются и увеличиваются в размере, внутри сосуда возникают звуковые волны, которые создают характерный для кипения шум.

На третьей стадии на поверхность воды поднимается огромное количество пузырьков, что вначале вызывает небольшое помутнение воды, которая затем «бледнеет». Данный процесс продолжается недолго и имеет название «кипение белым ключом».

Наконец, на четвертой стадии кипения вода начинает интенсивно бурлить, появляются большие лопающиеся пузыри и брызги (как правило, брызги означают, что вода сильно перекипела).

Из воды начинает образовываться водяной пар, при этом вода издает специфические звуки.

Почему «цветут» стены и «плачут» окна? Очень часто в этом виноваты строители, неправильно рассчитавшие точку росы. Читайте статью чтобы узнать, насколько это важное физическое явление, и как все-таки избавиться от излишней сырости в доме?

Какую пользу может принести талая вода для желающего похудеть? Об этом вы узнаете , оказывается, худеть можно без особых усилий!

Температура пара при кипении воды ^

Пар – это газообразное состояние воды. Когда пар поступает в воздух, то он, как и другие газы, оказывает на него определенное давление.

В процессе парообразования величина температуры пара и воды будет оставаться постоянной до тех пор, пока не испарится вся вода. Такое явление объясняется тем, что вся энергия (температура) направлена на превращение воды в пар.

В данном случае образуется сухой насыщенный пар. Высокодисперсные частицы жидкой фазы в таком паре отсутствуют. Также пар может быть насыщенным влажным и перегретым .

Насыщенный пар с содержанием взвешенных высокодисперсных частиц жидкой фазы , которые равномерно распределены по всей массе пара, называется влажным насыщенным паром .

В начале закипания воды образуется именно такой пар, который затем переходит в сухой насыщенный. Пар, температура которого больше температуры кипящей воды, а точнее перегретый пар, можно получить только с использованием специального оборудования. При этом такой пар будет близок по своим характеристикам к газу .

Температура кипения соленой воды ^

Температура кипения соленой воды превышает температуру кипения пресной воды . Как следствие соленая вода закипает позднее пресной . В соленой воде присутствуют ионы Na+ и Cl-, которые занимают определенную область между молекулами воды.

В соленой воде молекулы воды присоединяются к ионам соли – данные процесс имеет название «гидратация». Связь между молекулами воды значительно слабее связи, образовавшейся в процессе гидратации.

Поэтому при кипении из молекул пресной воды парообразование происходит быстрее.

На закипание воды с растворенной солью потребуется больше энергии, в качестве которой в данном случае выступает температура.

По мере увеличения температуры молекулы в соленой воде начинаются двигаться быстрее, но при этом их становится меньше, ввиду чего они сталкиваются реже. В результате образуется меньше пара, давление которого ниже, нежели у пара пресной воды.

Для того чтобы в соленой воде давление стало выше атмосферного и начался процесс кипения, необходима более высокая температура. При добавлении 60 граммов соли в воду объемом 1 литр температура кипения увеличится на 10 С.

Олег

А здесь ошиблись на 3 порядка «Удельная теплота испарения воды равна 2260 Дж/кг.» Правильно кДж, т.е. в 1000 раз больше.

Настя

Чем объясняется высокая температура кипения воды?
Из-за чего вода кипит при высокой температуре?

IamJiva

Перегретый пар, это пар с температурой выше 100С(ну если вы не в горах или вакууме, а при нормальных условиях), его получают пропуская пар через раскаленные трубки, либо проще — от кипящего раствора соли или щелочи(опасно — щелочь крепче Na2CO3(например поташ — K2CO3 почему остатки NaOH за день-два становятся не опасными для глаз, в отличие от окарбонатившихся на воздухе остатков KOH)омыляет глаза, не забудьте надеть плавательные очки!), но р-ры такие кипят толчками, нужны кипелки и тонкий слой на дне, воду можно добавлять при выкипании, выкипает только она.
так из соленой воды можно получить при кипении пар с температурой около 110С, не хуже такого-же из горячей 110С трубы, пар этот содержит лишь воду и нагрет, каким способом он не помнит, но на 10С имеет «запас хода» в сравнении с паром из чайника пресной воды.
Его можно называть сухим, т.к. согрев(контактируя как в трубе, или даже излучением, свойственным не только солнцу но и любому телу в некоторой(температурно зависимой) степени) некий предмет, пар может охладившись до 100С все еще оставаться газом, и только дальнейшее охлаждение ниже 100С вызовет его конденсацию в каплю воды, и почти вакуум(давление насыщенного пара воды около 20мм рт ст из 760мм рт ст(1 атм), тоесть в 38 раз ниже атмосферного давления, это происходит и с неперегретым, насыщенным паром с температурой 100С в прогревшемся сосуде(чайник из носика которого валит пар), и не только с водой, а с любым кипящим веществом, например медицинский эфир кипит ужЕ при температуре тела, и может кипеть в колбе в ладони, из горлышка которой будут «фонтанировать» его парЫ, заметно преломляющие свет, если теперь второй ладонью закрыть колбу, и убрать нагрев нижней ладони, заменив ее подставкой с температурой ниже 35С, эфир перестанет кипеть, а его насыщенный пар, вытолкнувший при кипении весь воздух из колбы, сконденсируется в каплю эфира, создав вакуум не сильнее чем тот от которого эфир закипает, то-есть примерно равный давлению насыщенного пара эфира при температуре самой холодной точки внутри колбы, или присоединенного к ней без утечек второго сосуда или шланга с закрытым дальним концом, так устроен прибор Криофор, демонстрирующий принцип холодной стенки, как сладкая липучка — пчёл, захватывающей все молекулы пара в системе.(«вакуумный спирт» так гонят, без нагрева)

А при более 1700 Цельсия вода очень так хорошо разлогается на кислород и водород…бада-бум получается, ни нада ею плескать на всякие там горящие металлическо-сикамбричнеские конструкции

Кипение жидкостей

При достаточно низкой температуре испарение жидкости происходит с ее свободной поверхности и носит спокойный характер. По достижении определенной температуры, называемой температурой кипения , парообразование начинает происходить не только со свободной поверхности, но и в объеме жидкости. Внутри нее возникают, увеличиваются в размерах и поднимаются на поверхность пузыри пара. Парообразование приобретает бурный характер и называется кипением. Механизм кипения заключается в следующем.

В жидкости всегда есть мельчайшие пузырьки воздуха, которые, подобно броуновским частицам, совершают медленные беспорядочные перемещения в объеме жидкости. Внутри пузырьков, наряду с воздухом, имеется также насыщенный пар окружающей жидкости. Условием стабильности размера пузырька является равенство внутреннего и внешнего давлений на его поверхность. Внешнее давление равно сумме атмосферного давления и гидростатического давления на глубине, где находится пузырек. Внутреннее давление равно сумме парциальных давлений воздуха и пара внутри пузырька. Таким образом,

.

Для малых глубин, на которых гидростатическое давление мало по сравнению с атмосферным, можно положить , и последнее равенство примет вид:

Если несколько увеличить температуру, то давление насыщенного пара в пузырьке возрастет и размер пузырька увеличится, давление воздуха внутри него уменьшится, так что сумма останется неизменной и условие равновесия (13.19) будет выполняться при возросшей температуре для пузырька с увеличившимся размером. Однако, если температуру увеличить настолько, что давление насыщенного пара в пузырьке станет равно атмосферному давлению,

то равенство (13.19) перестанет выполняться. Размер пузырька и масса пара в нем будут возрастать, пузырек под действием выталкивающей (архимедовой) силы устремится к поверхности жидкости.Жидкость начнет кипеть. Итак, равенство (13.20) является условием кипения жидкости в сосуде на малой глубине: кипение жидкости на малой глубине происходит при такой температуре, при которой давление насыщенных паров этой жидкости становится равным атмосферному давлению. Таким образом, температура кипения зависит от атмосферного давления.

Пример 13.4. Вода при нормальном атмосферном давлении кипит при температуре . Следовательно, давление насыщенных паров воды при этой температуре равно нормальному атмосферному давлению.

Пример 13.5. При температуре объем пузырька, находящегося в воде на малой глубине, равен . Температура воды стала равна . Каким станет объем пузырька при температуре ?Атмосферное давление нормальное. Давление насыщенных паров воды при температуре равно , а при температуре оно равно .

Обозначим через массу воздуха в пузырьке. Имеем:

,

где - молярная масса воздуха, - давление воздуха в пузырьке объема при температуре . В соответствии с условием равновесия размера пузырька (13.19) следует положить . Получим:

Применяя последнее равенство при двух различных температурах и , получим:

Из последних равенств находим:

.

Пример 13.6. Рассмотрим раствор нелетучего вещества в некотором растворителе . Применяя закон Рауля (13.3), получим для давления насыщенного пара над раствором:

.

Ввиду нелетучести вещества имеем , и последнее равенство примет вид:

.

Итак, давление насыщенного пара над раствором меньше, чем над чистым растворителем (при одной и той же температуре). Отсюда следует, что раствор нужно нагреть до более высокой температуры, чем чистый растворитель, для того, чтобы давление насыщенного пара сравнялось с атмосферным и началось кипение. Таким образом, температура кипения рассматриваемого раствора выше, чем температура кипения чистого растворителя.

Задача 13.5. Найти температуру кипения воды в горах на высоте над уровнем моря. Атмосферное давление на уровне моря считать нормальным. Температуру атмосферы принять равной .

Ответ: , где - температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении, - молярная масса воздуха, - скрытая молярная теплота испарения воды при температурах, близких к .

Указание. Для нахождения давления атмосферы на уровне воспользоваться барометрической формулой. Для нахождения давления насыщенного пара при температуре воспользоваться формулой (13.17). Использовать условие кипения (13.20).

13.7. Превращения «жидкость - твердое тело»

При достаточно низких температурах все жидкости, за исключением жидкого гелия, переходят в твердое состояние.

Рассмотрим превращение однокомпонентной, то есть состоящей из атомов одного сорта жидкости в твердое тело. Этот процесс называется кристаллизацией . Кристаллизация является переходом системы атомов в состояние с более высокой степенью порядка и происходит при определенной температуре, называемой температурой плавления (отвердевания ). При этой температуре кинетическая энергия теплового движения атомов становится достаточно малой и силы взаимодействия между атомами могут удерживать атомы в определенных положениях - узлах кристаллической решетки.

Процесс превращения твердого тела в жидкость называется плавлением и является процессом, обратным кристаллизации. Происходит этот процесс при той же температуре, что и плавление.

Если непрерывно подводить к твердому телу тепло, то его температура будет меняться со временем так, как показано на рис. 13.4 а. Участок соответствует нагреванию твердого тела, участок - двухфазному состоянию вещества, при котором находятся в равновесии твердая и жидкая фазы этого вещества. Таким образом, участок соответствует плавлению твердого тела. В точке все вещество становится жидким и дальнейший подвод тепла сопровождается повышением температуры жидкости.

Тепло, которое подводится к системе «твердое тело - жидкость» на этапе плавления, не приводит к изменению температуры системы и идет на разрушение связей между атомами. Это тепло называется скрытой теплотой плавления .

Если жидкость отдает тепло, то ее температура зависит от времени так, как показано на рис. 13.4 б. Стадия соответствует охлаждению жидкости, стадия - ее кристаллизации (двухфазным состояниям системы), и стадия -охлаждению твердого тела. Тепло, которое отдает система на стадии кристаллизации, называется скрытой теплотой кристаллизации . Она равна скрытой теплоте плавления.

Зависимости температуры системы от времени, изображенные на рис. 13.4, характерны именно для кристаллических тел. Для аморфных веществ при их нагревании (охлаждении) график зависимости температуры от времени является монотонной кривой, что соответствует постепенному размягчению (отвердеванию) аморфного вещества при возрастании (уменьшении) его температуры.

Начинается кристаллизация в жидкости вблизи центра или центров кристаллизации. Ими служат случайные объединения атомов, к которым затем присоединяются, выстраиваясь, другие атомы, пока вся жидкость не превратится в твердое тело. Роль центров кристаллизации могут играть также инородные макроскопические частицы, если они присутствуют в жидкости.

Обычно в жидкости при ее охлаждении возникает много центров кристаллизации. Вокруг этих центров формируются структуры атомов, которые в конечном итоге образуют поликристалл , состоящий из множества малых кристаллов. Условная схема поликристалла изображена на рис. 13.5.

При особых условиях оказывается возможным получить («вырастить») одиночный кристалл - монокристалл , образующийся вокруг единого центра кристаллизации. Если при этом для всех направлений обеспечены одинаковые условия для присоединения частиц из жидкости к образующемуся кристаллу, то он получится правильно ограненным соответственно его свойствам симметрии.

Температура плавления вообще-то зависит от давления, которому подвергается твердое тело, возможный ход этой зависимости изображен графически на рис. 13.6. Снять опытную зависимость можно, например, поместив тигель с расплавляемым веществом в атмосферу газа, давление которого можно менять. Кривая зависимости является кривой равновесия жидкой и твердой фаз. Точки под кривой соответствуют твердому состоянию вещества, а над кривой - жидкому состоянию. Если при неизменной температуре увеличивать давление над жидкостью от точки , то при давлении (точка ) в жидкости возникнет твердая фаза, а при дальнейшем увеличении давления вся жидкость отвердеет (точка ).

Теоретическую связь между давлением и температурой плавления можно установить, рассмотрев цикл Карно, совершаемый двухфазной системой «твердое тело - жидкость» совершенно аналогично тому, как была установлена связь (13.12) между давлением насыщенного пара над жидкостью и температурой. Произведя в (13.12) формальные замены , , , где - скрытая молярная теплота плавления, - молярный объем твердой фазы, - молярный объем жидкой фазы, получим:

. (13.21)

Если вещество не является чистым, а представляет собой сплав , то есть содержит разнородные атомы, то в общем случае отвердевание может происходить в некотором интервале температур, а не при определенной температуре, как у чистых веществ.

Задача 13.6 . Уксусная кислота при атмосферном давлении плавится при температуре . Разность удельных объемов (то есть объемов единицы массы кислоты) жидкой и твердой фаз . Точка плавления уксусной кислоты смещается на при изменении давления на . Найти удельную (то есть отнесенную к единице массы) теплоту плавления уксусной кислоты.

Ответ: .

Указание. Воспользоваться формулой (13.21). Учесть, что молярный объем связан с удельным объемом соотношением , где - молярная масса. Молярная теплота плавления связана с удельной теплотой плавления соотношением .

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

Жидкость	Температура кипения	Жидкость	Температура кипения
Жидкий гелий	-269	Спирт	78
>> водород	-253	Вода	100
>> кислород	-183	Ртуть	357
>> азот	-196	Расплавленный цинк	906
Хлор	-34	Расплавленное железо	2880
Эфир	-35

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.

Кипение - процесс изменения агрегатного состояния вещества. Когда мы говорим о воде, то имеем в виду изменение жидкого состояния в парообразное. Важно отметить, что кипение - это не испарение, которое может протекать даже при комнатной температуре. Также не стоит путать с кипячением, что является процессом нагревания воды до определенной температуры. Теперь, когда мы разобрались с понятиями, можно определить, при какой температуре кипит вода.

Процесс

Сам процесс преобразования агрегатного состояния из жидкого в газообразное является сложным. И хотя люди этого не видят, существует 4 стадии:

1. На первой стадии на дне нагреваемой емкости образуются небольшие пузырьки. Также их можно заметить по бокам или на поверхности воды. Они образуются из-за расширения воздушных пузырьков, которые всегда есть в трещинах емкости, где нагревается вода.
2. На второй стадии объем пузырьков увеличивается. Все они начинают рваться к поверхности, так как внутри них находится насыщенный пар, который легче воды. При повышении температуры нагрева давление пузырьков возрастает, и они выталкиваются на поверхность благодаря известной силе Архимеда. При этом можно слышать характерный звук кипения, который образуется из-за постоянного расширения и уменьшения в размере пузырьков.
3. На третьей стадии на поверхности можно видеть большое количество пузырьков. Это вначале создает помутнение воды. Данный процесс в народе называют "кипением белым ключом", и длится он короткий промежуток времени.
4. На четвертой стадии вода интенсивно бурлит, на поверхности возникают большие лопающиеся пузыри, возможно появление брызг. Чаще всего брызги означают, что жидкость нагрелась до максимальной температуры. Из воды начнет исходить пар.

Известно, что вода кипит при температуре 100 градусов, которая возможна лишь на четвертой стадии.

Температура пара

Пар представляет собой одно из состояний воды. Когда он поступает в воздух, то, как и другие газы, оказывает на него определенное давление. При парообразовании температура пара и воды остаются постоянными до тех пор, пока вся жидкость не изменит свое агрегатное состояние. Это явление можно объяснить тем, что при кипении вся энергия расходуется на преобразование воды в пар.

В самом начале закипания образуется влажный насыщенный пар, который после испарения всей жидкости становится сухим. Если его температура начинает превышать температуру воды, то такой пар является перегретым, и по своим характеристикам он будет ближе к газу.

Кипение соленой воды

Достаточно интересно знать, при какой температура кипит вода с повышенным содержанием соли. Известно, что она должна быть выше из-за содержания в составе ионов Na+ и Cl-, которые между молекулами воды занимают область. Этим химический состав воды с солью отличается от обычной пресной жидкости.

Дело в том, что в соленой воде имеет место реакция гидратации - процесс присоединения молекул воды к ионам соли. Связь между молекулами пресной воды слабее тех, которые образуются при гидратации, поэтому закипание жидкости с растворенной солью будет происходить дольше. По мере роста температуры молекулы в воде с содержанием соли двигаются быстрее, но их становится меньше, из-за чего столкновения между ними осуществляются реже. В результате пара образуется меньше, и его давление из-за этого ниже, чем напор пара пресной воды. Следовательно, для полноценного парообразования потребуется больше энергии (температуры). В среднем для закипания одного литра воды с содержанием 60 граммов соли необходимо поднять градус кипения воды на 10% (то есть на 10 С).

Зависимости кипения от давления

Известно, что в горах вне зависимости от химического состава воды температура кипения будет ниже. Это происходит из-за того, что атмосферное давление на высоте ниже. Нормальным принято считать давление со значением 101.325 кПа. При нем температура закипания воды составляет 100 градусов по Цельсию. Но если подняться на гору, где давление составляет в среднем 40 кПа, то там вода закипит при 75.88 С. Но это не значит, что для приготовления еды в горах придется потратить почти вдвое меньше времени. Для термической обработки продуктов нужна определенная температура.

Считается, что на высоте 500 метров над уровнем моря вода будет закипать при 98.3 С, а на высоте 3000 метров температура закипания составит 90 С.

Отметим, что данный закон действует и в обратном направлении. Если поместить жидкость в замкнутую колбу, через которую не может проходить пар, то с ростом температуры и образованием пара давление в этой колбе будет расти, и закипание при повышенном давлении произойдет при более высокой температуре. Например, при давлении 490.3 кПа температура кипения воды составит 151 С.

Кипение дистиллированной воды

Дистиллированной называется очищенная вода без содержания каких-либо примесей. Ее часто применяют в медицинских или технических целях. С учетом того, что в такой воде нет никаких примесей, ее не используют для приготовления пищи. Интересно заметить, что закипает дистиллированная вода быстрее обычной пресной, однако температура кипения остается такой же - 100 градусов. Впрочем, разница по времени закипания будет минимальной - всего доли секунды.

В чайнике

Часто люди интересуются, при какой температуре кипит вода в чайнике, так как именно этими приборами они пользуются для кипячения жидкости. С учетом того, что атмосферное давление в квартире равно стандартному, а используемая вода не содержит солей и других примесей, которых там не должно быть, то и температура закипания также будет стандартной - 100 градусов. Но если вода будет содержать соль, то температура закипания, как мы уже знаем, будет выше.

Заключение

Теперь вы знаете, при какой температуре кипит вода, и как атмосферное давление и состав жидкости влияют на данный процесс. В этом нет ничего сложного, и подобную информацию дети получают еще в школе. Главное - запомнить, что со снижением давления понижается и температура кипения жидкости, а с его ростом увеличивается и она.

В интернете можно найти множество разных таблиц, где указывается зависимость температуры кипения жидкости от атмосферного давления. Они доступны всем и активно используются школьниками, студентами и даже преподавателями в институтах.