Кипіння рідини. Залежність температури кипіння від тиску
Безпосередні спостереження за поведінкою рідини свідчать, що при деяких температурах і тиску в рідинах починається процес кипіння. Розберемося в механізмі цього явища.
Зазвичай в рідині або на стінках посудини, в якій вона знаходиться, присутні бульбашки розчиненого в ній повітря. При нагріванні рідини розчинність газів, які в ній містяться, знижується.
В результаті число таких бульбашок значно збільшується. Газові бульбашки в процесі закипання грають роль аналогічну тій, яку відіграють іони або пилинки при конденсації.
У цих бульбашки відбувається випаровування рідини навколо низ, внаслідок чого бульбашки наповнюються насиченим паром, тиск якого з підвищенням температури збільшується.
Поки температура рідини така, що тиск насиченої пари усередині бульбашки менше зовнішнього тиску над рідиною, бульбашка не може рости.
При деякій температурі тиск насиченої пари усередині бульбашки стає рівним тиску, який чиниться на пухирець ззовні. Цей тиск дорівнює сумі атмосферного тиску, гідростатичного тиску, обумовленого стовпом рідини над бульбашкою і додаткового тиску, пов’язаного з кривизною поверхні бульбашки (тиск Лапласа).
Розрахунки показують, що внесок гідростатичного тиску і тиску Лапласа істотної ролі в цьому процесі не грають.
Найчастіше ми маємо справу з процесом кипіння при нормальному атмосферному тиску, а для того щоб гідростатичний тиск робив внесок, порівнянний з тиском атмосфери, стовп води повинен становити хоча б кілька метрів, чого зазвичай в реальній ситуації не буває.
При деякій температурі, коли тиск насиченої пари всередині бульбашок стає рівним зовнішньому тиску, точніше кажучи, дещо більше, бульбашки, швидко збільшуючись у розмірах, спрямовуються вгору і прориваються назовні. З цього моменту рідина починає кипіти.
Розглянувши механізм закипання рідини, підкреслимо, що кипіння істотно відрізняється від випаровування.
- По-перше, випаровування відбувається при будь-якій температурі, кипіння ж для кожної рідини при певному тиску має місце при строго певній температурі, яка називається точкою кипіння. Якщо процес кипіння почався, температура рідини, незважаючи на триваюче отримання теплоти, не підвищується. Вона так і зупиняється на точці кипіння до тих пір, поки не википить вся рідина. По-друге, в процесі кипіння рідина випаровується не тільки з поверхні, але і з поверхні бульбашок усередині рідини.
Отже, для того, щоб рідина закипіла, потрібно довести її температуру до такого значення, при якому тиск насиченої пари всередині пухирців, які знаходяться в рідині, хоча б трішки перевищував зовнішній тиск.
З наведених міркувань видно, що зі зменшенням зовнішнього тиску повинна знижуватися і температура кипіння рідини.
Прийнято вважати, що точки кипіння води при нормальному атмосферному тиску відповідає температурі в 100ºС.
Однак жителям високогірних селищ добре відомий факт закипання води при значно нижчій температурі.
Так на вершині Ельбрусу вода закипає вже при 82ºС.
Фізичним фактором, відповідальним за зміну температури кипіння, є зменшення зовнішнього тиску у високогірних районах.
Вода кипить при 100ºС тільки при тиску 760 мм Hg.
При тиску 0,5 атм вона закипає при 82ºС, а при тиску 10-15 мм Hg вода закипає в інтервалі температур 10-15º С.
Можна отримати навіть “окріп”, який має температуру замерзлої води. Для цього доведеться знизити зовнішній тиск до 4,6 мм Hg.
Цікавий результат можна спостерігати, якщо в колбу помістити невелику кількість води при кімнатній температурі і почати відкачувати з колби повітря. Результат досліду залежить від швидкості відкачки.
- Якщо відкачка проводиться досить повільно, то вода повинна рано чи пізно закипіти. Якщо ж відкачка проводиться досить швидко, то вода, навпаки, замерзає.
В результаті відкачування повітря, а разом з ним і парів води, посилюється процес випаровування, в ході якого вода остигає. При повільній відкачці зниження температури рідини компенсується за рахунок надходження теплоти ззовні, тому температура води залишається постійною.
Якщо ж відкачка проводиться швидко, то вода не встигає отримати тепло від навколишнього середовища. Так як температура води починає знижуватися, можливість її закипання також зменшується.
Подальше продовження швидкого відкачування повітря з колби з часом призведе до зниження температури рідини до точки замерзання.
Відзначаючи факт зниження температури кипіння зі зменшенням тиску, природно очікувати, що з підвищенням тиску температура кипіння буде підвищуватися. Дійсно, при тиску 15 атм кипіння води починається при 200ºС, а тиск в 80 атм змушує воду кипіти навіть при 300ºС.
Отже, визначеному зовнішньому тиску відповідає своя температура кипіння, або кожній температурі кипіння відповідає цілком певний тиск.
Нагадаємо, що цей тиск називається пружністю пари (кипіння починається тоді, коли пружність насиченої пари всередині бульбашок рідини дорівнює зовнішньому тиску).
Тому крива, яка зображує залежність температури кипіння від тиску, одночасно представляє собою криву залежності пружності пари від температури.
Вид цієї кривої показує, що пружність пари зі зміною температури змінюється дуже швидко, а температура кипіння зі зміною тиску – досить повільно.
Ця ж крива описує і процес конденсації. Перетворити пар в воду можна або стисненням, або охолодженням.
Тільки для точок, які лежать на наведеній кривій, можливе одночасне співіснування рідини і її пари. Якщо виключити теплообмін такої двофазної системи з навколишнім середовищем, то кількість рідини і пари в закритій посудині буде залишатися незмінним.
Таким чином, крива кипіння і конденсації – це крива рівноваги рідини і пари.
Вона ділить поле діаграми на дві частини. Вліво і вгору (область високих температур і невисоких тисків) розташована область стійкого стану пари, вправо і вниз – область стійкого стану рідини.
Відзначимо ще, що крива рівноваги рідина-пар якісно має один і той же вид для різних рідин. У всіх випадках пружність пари швидко зростає з підвищенням Температури.
(2 votes, average: 3.00 out of 5)