Жидкость испаряется при любой температуре, процесс испарения происходит со всей открытой ее поверхности. Скорость испарения увеличивается с ростом температуры вещества.
Явление кипения жидкости
Кипением называют процедуру активного образования пара во всем объеме жидкости.
Для получения процесса кипения жидкость должна иметь относительно высокую температуру.
В процессе кипения важную роль играют пузырьки газа, которые имеются в жидкости. Ведут себя эти пузырьки следующим образом:
- Они возникают на границе жидкости и твердого тела. Внутри пузырьков находится насыщенный пар жидкого вещества.
- С ростом температуры жидкости давление газа в пузырьке повышается, при этом происходит увеличение объема пузырька.
- В соответствии с законом Архимеда выталкивающая сила, действующая на пузырек, увеличивается при увеличении его объема.
- Создаются условия, при которых сила Архимеда становится равной, а затем и больше, чем сила сцепления пузырька и твердой стенки. В таком случае пузырек будет отрываться от твердой поверхности, всплывать и лопаться. При лопании пузырька происходит выброс пара.
Кипение – это фазовый переход первого рода.
Явление возникновения пузырьков можно корректировать, используя:
- изменение давления;
- воздействуя на жидкость при помощи волн звука;
- ионизацией и др.
Условие кипения
Рассмотрим пузырек насыщенного пара, который находится около поверхности жидкости. Давление пара внутри него ($p_n$) можно определить как:
$p_n=p_v+\frac{2\sigma}{r}(1),$
где $p_v$ - внешнее давление на жидкость; $r$ - радиус пузырька; $\sigma$ - коэффициент поверхностного натяжения; $\frac{2\sigma}{r}$ - давление под искривленной поверхностью.
При размерах пузырька в несколько миллиметров и более, давлением под искривленной поверхностью в выражении (1) часто пренебрегают.
Например, при температуре воды в $100^0 C$ коэффициент поверхностного натяжения равен $\sigma=58,8\bullet 10^{-3}$ Н/м. Предположим, что радиус пузырька равен одному миллиметру ($r=1$ мм), тогда давление под искривленной поверхностью составляет:
$\frac{2\sigma}{r}=118 Па$.
Мы помним, что нормальное давление атмосферы равно $10^5 Па$ и это в 1000 раз больше, чем давление, которое создает скривленная поверхность.
Это означает, что для относительно больших пузырей условие их всплытия и разрыва у поверхности жидкого вещества можно записать как:
$p_n>=p_v (2).$
Неравенство (2) - условие кипения жидкости.
Когда при увеличении температуры жидкости достигнута температура, при которой давление насыщенных паров равно внешнему давлению на поверхность жидкости, мы имеем равновесие жидкость – насыщенный пар. Если сообщается жидкости дополнительная теплота, то идет процесс немедленного перехода соответствующей массы жидкости в пар.
Процесс кипения жидкости становится возможным, если:
- в жидкости присутствуют пузырьки относительно больших размеров (для воды размер пузырьков должен составлять около миллиметра);
- давление насыщенного пара внутри пузырька станет равным внешнему давлению на жидкость.
Давление насыщенного пара зависит от температуры жидкости.
Условие кипения (2) указывает на то, что точка кипения связана с внешним давлением. При увеличении внешнего давления должна увеличиваться температура точки кипения.
Точка кипения
Температура, при которой начинается процесс кипения вещества, называют точкой кипения.
Если давление увеличивать, то температура кипения растет и наоборот. Воду в плотно закрытом сосуде можно нагреть до температуры, которая будет значительно превосходить $100^0$C, не имея процесса кипения.
С другой стороны, поместив воду в герметично закрытый сосуд и откачав из него воздух, можно получить процесс кипения жидкости без ее нагревания, то есть при комнатной температуре.
Так, кипение на разных уровнях жидкости может идти при разных температурах, то есть не существует строго определенной температуры кипения. Температура определена для насыщенного пара над открытой поверхностью жидкости при кипении. Эта температура не связана с тем, как идет процесс кипения на разной глубине. Данная температура определена исключительно внешним давлением.
Когда говорят о температуре кипения, имеют в виде температуру насыщенного пара над поверхностью жидкости в состоянии кипения.
Перегретая жидкость
Если в жидкости отсутствуют примеси и пузырьки пара, то в тот момент, когда она достигает температуры кипения, в ней пытаются возникнуть пузырьки пара. При возникновении такого пузырька внутри жидкости, пар в нем является насыщенным по отношению к плоско поверхности вещества и перенасыщенным относительно вогнутой поверхности пузырька. При этом пар пузырька тот час же конденсируется в жидкость, пузырек пропадает. Этому помогает рост давления на пузырек пара от вогнутой поверхности жидкости, которая ограничивает пузырек. Данное давление тоже пытается раздавить возникший пузырек.
Кипение стартует, если жидкость получит то, что будет вызывать процесс создания пузырьков пара, которые обладали бы достаточно большим радиусом для того, чтобы пар внутри пузырька был не слишком пересыщен, и давление со стороны пузырька не было слишком большим.
Если сквозь перегретую жидкость пропустить заряженную частицу, то она будет ионизировать атомы жидкости на своем пути. Эти атомы станут центрами, во круг которых возникнут пузырьки насыщенного пара. Так, перегретая жидкость будет закипать показывая траекторию перемещения заряженной частицы. Можно сделать фотографию данной траектории.
По подобным фотографиям исследуют движения частиц в разных полях.
Элементарные частицы изучают в жидком водороде.
Приборы, основанные на явлении кипения перегретой жидкости, называют пузырьковыми камерами. Использование пузырьковых камер позволило сделать много открытий в области поиска элементарных частиц.
