§ 14. Кипіння. Розрахунок кількості теплоти під час пароутворення/конденсації

Кипіння. За певної температури (температури кипіння) рідини починають інтенсивно випаровуватися не лише з вільної поверхні, а й в усьому об’ємі. Це явище називають кипінням.

Кипіння — перехід рідини в пару, який характеризується інтенсивним випаровуванням рідини не тільки з її вільної поверхні, а й з усього об’єму.

Нагріватимемо воду в посудині (мал. 61, а). Через деякий час дно і стінки посудини вкриються бульбашками. Це бульбашки повітря, яке завжди буває розчиненим у воді. Під час нагрівання рідини вода випаровується вздовж поверхні бульбашки в її середину. З підвищенням температури бульбашка заповнюється не тільки повітрям, розчиненим у воді, а й водяною парою. Зі збільшенням кількості водяної пари всередині бульбашок їх об’єм поступово збільшується, а відповідно збільшується й виштовхувальна архімедова сила, що діє на бульбашку. Бульбашки відриваються від поверхні стінок і дна посудини й підіймаються до поверхні рідини. Якщо вода в посудині ще не прогріта повністю й верхні її шари залишаються холодними (мал. 61, б), бульбашки стискаються, створюючи характерний шум, який ми чуємо перед початком кипіння рідини. Якщо ж вода прогрілася повністю (мал. 61, в), а ми продовжуємо її нагрівати, процес пароутворення в середину бульбашок відбувається інтенсивніше. Кількість пари всередині бульбашок збільшується, відповідно підвищується й тиск пари. Унаслідок цього об’єм бульбашок збільшується, і за певної температури рідини бульбашки починають спливати на поверхню й лопатися, а водяна пара, що містилася в бульбашках, виходить назовні. Іноді при цьому можна спостерігати туман, який утворюється над посудиною: водяна пара змішується з холодним повітрям і конденсується у вигляді маленьких крапельок. Самої пари, звичайно, не видно.

Мал. 61. Кипіння води

При кипінні температура рідини залишається сталою, оскільки вся теплота, що надається рідині, йде на внутрішнє випаровування в усьому об’ємі.

Температура кипіння. Температуру, за якої кипить рідина, називають температурою кипіння. У кожної речовини вона має своє значення і залежить від різних факторів, зокрема від зовнішнього тиску. Це пояснюється тим, що бульбашкам із парою для виходу назовні треба подолати його протидію. Тому з підвищенням зовнішнього тиску зростатиме температура кипіння, і навпаки, зі зниженням зовнішнього тиску температура кипіння зменшуватиметься. Наприклад, у високих горах вода кипітиме за значно нижчої температури, ніж за нормального атмосферного тиску.

У таблиці подано температури кипіння (у °С) деяких речовин (за нормального атмосферного тиску).

Температура кипіння деяких речовин (за нормального атмосферного тиску)

§ 12. Кипіння рідини

КИПІННЯ РІДИНИ. У попередньому параграфі ви дізналися, що одним зі способів пароутворення є випаровування. Пароутворення також відбувається у процесі кипіння. На відміну від випаровування, під час кипіння перетворення на пару відбувається як на поверхні, так і всередині рідини.

Розглянемо особливості перебігу процесу кипіння. Поступово під час нагрівання води на внутрішній поверхні посудини утворюються маленькі бульбашки повітря, яке завжди присутнє у воді (рис. 12.1, а).

Під час нагрівання вода випаровується вздовж поверхні бульбашки в її середину. З підвищенням температури бульбашка заповнюється не тільки повітрям, розчиненим у воді, а й водяною парою (рис. 17.1, б). Зі збільшенням кількості водяної пари всередині бульбашок їхній об’єм поступово збільшується. Відповідно, зростає і виштовхувальна сила, бульбашки відриваються від поверхні посудини та рухаються до поверхні рідини.

Якщо вода ще не прогріта і верхні її шари залишаються холодними, бульбашки стискаються, створюючи характерний шум, який ми чуємо перед початком кипіння рідини (рис. 17.1, в). Якщо продовжувати нагрівати воду, процес пароутворення відбувається інтенсивніше. Кількість пари всередині бульбашок стає більшою, відповідно підвищується і її тиск. Як наслідок, об’єм бульбашок зростає і за певної температури рідини бульбашки спливають на поверхню та лопаються, а водяна пара, що містилася в бульбашках, виходить назовні (рис. 17.1, г).

Кипіння — процес утворення пари не тільки на поверхні рідини, а й у її об’ємі.

Рис. 12.1. Кипіння рідини

Рис. 12.2. Графік залежності температури води від часу кипіння

ТЕМПЕРАТУРА КИПІННЯ. Температуру, за якої рідина кипить, називають температурою кипіння. У процесі кипіння температура рідини не змінюється. За нормального атмосферного тиску над поверхнею рідини термометр, вміщений у воду під час її кипіння, показує одну й ту саму температуру, приблизно 100 °С. Тому на графіку залежності температури води від часу кипіння відповідає відрізок ВС (рис. 12.2).

Це відбувається тому, що вся енергія, яка надається рідині, витрачається на збільшення її внутрішньої енергії та руйнування зв’язків між молекулами.

Внутрішня енергія пари завжди більша за внутрішню енергію рідини при тій самій температурі. Різні речовини мають свою температуру кипіння (табл. 12.1).

Температура кипіння різних речовин

(за нормального атмосферного тиску)

Температура кипіння t, °С