Кипение жидкостей

Кипением называется процесс испарения жидкости, сопровождающийся образованием и быстрым ростом пузырьков пара, прорывающихся через поверхность жидкости.

Пузырек – это сосуд с насыщенным паром (поскольку он замкнут), стенками которого является вогнутая поверхность окружающей его жидкости.

В условиях, далеких от критических, плотности пара и жидкости различаются на несколько порядков. Пузырек пара может образоваться в том случае, если в каком-то месте жидкости образуется область пониженной плотности, сравнимой с плотностью пара. Такая область в принципе может образоваться из-за хаотичности тепловых движений, приводящих к флуктуациям плотности. Но для этого нужна значительная флуктуация, в результате которой образуется область в объеме жидкости, где плотность молекул на несколько порядков ниже средней. Вероятность такой флуктуации мала. Поэтому флуктуационный механизм образования пузырьков возможен, но маловероятен. Кроме того, надо учитывать то обстоятельство, что в начале зарождения пузырька его размеры малы, следовательно, из-за значительной кривизны поверхности возникает сила, направленная в центр кривизны, которая стремиться сжать пузырек. К этим силам добавляется сила гидростатического давления и внешнего давления, под которым находится вся жидкость. В таких условиях образование пузырьков, а значит и кипение, практически невозможно. Ситуация существенно изменяется, если в самой жидкости, или в стенках сосуда имеется растворенный или адсорбированный газ. Образование пузырька постороннего газа не связано с флуктуациями плотности жидкости, поэтому они изначально могут быть не слишком малых размеров. Тогда давление, связанное с кривизной поверхности, не обязательно их раздавит. После своего образования газовый пузырек сразу же наполняется насыщенным паром окружающей его жидкости. Упругость пара внутри пузырька определяется температурой жидкости. Пока температура такова, что давление насыщенного пара внутри пузырька меньше внешнего давления над жидкостью, пузырек не может расти, т.к. продолжают действовать силы, связанные с кривизной поверхности и с гидростатическим давлением. Определяющей является сила внешнего давления. Когда температура жидкости станет такой, что упругость насыщенного пара в пузырьке сравняется с внешним давлением, достаточно незначительного повышения температуры, чтобы давление внутри пузырька превысило внешнее и он под действием этой разницы будет быстро расти и всплывать. При кипении жидкость будет испаряться не только с поверхности жидкости, но и с поверхности пузырьков внутри жидкости.

Т.о. для того, чтобы жидкость довести до кипения необходимо довести ее температуру до значения, когда упругость насыщенного пара будет равна внешнему давлению (точнее – превысить, хоть и незначительно, эту температуру).

Так как температура кипения зависит от внешнего давления, между ними должна быть строгая связь. Ранее была выведена формула Клапейрона - Клаузиуса, определяющая зависимость упругости насыщенного пара от температуры:

Ясно, что если обратить ее, то получится зависимость температуры кипения от внешнего давления:

Дата добавления: 2014-01-07