§ 34. Кипение. Зависимость температуры кипения от давления

Парообразование может происходить не только в результате испарения, но и при кипении. Рассмотрим кипение с энергетической точки зрения.

В жидкости всегда растворено некоторое количество воздуха. При нагревании жидкости количество растворенного в ней газа уменьшается, вследствие чего часть его выделяется в виде маленьких пузырьков на дне и стенках сосуда и на взвешенных в жидкости нерастворенных твердых частичках. Происходит испарение жидкости во внутрь этих воздушных пузырьков. Со временем пары в них становятся насыщенными. При дальнейшем нагревании увеличиваются давление насыщенного пара внутри пузырьков и их объем. Когда давление пара внутри пузырьков становится равным атмосферному, они под действием выталкивающей силы Архимеда поднимаются на поверхность жидкости, лопаются, и из них выходит пар. Парообразование, происходящее одновременно и с поверхности жидкости и внутри самой жидкости в воздушные пузырьки, называется кипением. Температура, при которой давление насыщенных паров в пузырьках становится равно внешнему давлению, называется температурой кипения.

Так как при одинаковых температурах давления насыщенных паров разнообразных жидкостей разные, то при различных температурах они становятся равными атмосферному давлению. Это приводит к тому, что разные жидкости кипят при различных температурах. Данное свойство жидкостей используется при возгонке нефтепродуктов. При нагревании нефти первыми испаряются наиболее ценные, летучие ее части (бензин), которые таким образом отделяются от "тяжелых" остатков (масел, мазута).

Рис. 37. Зависимость температуры кипения жидкости от давления

Из того, что кипение наступает, когда давление насыщенных паров равно внешнему давлению на жидкость, следует, что температура кипения жидкости зависит от внешнего давления. Если оно увеличено, то жидкость кипит при более высокой температуре, так как для достижения такого давления насыщенным парам необходима более высокая температура. Наоборот, при пониженном давлении жидкость кипит при более низкой температуре. В этом можно убедиться на опыте. Нагреем воду в колбе до кипения и уберем спиртовку (рис. 37, а). Кипение воды прекращается. Закрыв пробкой колбу, начнем насосом удалять из нее воздух и пары воды, уменьшая тем самым давление на воду, которая в"результате этого закипает. Заставив ее кипеть в открытой колбе, накачиванием воздуха в колбу увеличим давление на воду (рис. 37, б). Кипение ее прекращается. При давлении 1 атм вода кипит при 100° С, а при 10 атм - при 180° С. Эта зависимость используется, например в автоклавах, в медицине для стерилизации, в кулинарии для ускорения варки пищевых продуктов.

Чтобы жидкость начала кипеть, ее следует нагреть до температуры кипения. Для этого надо жидкости сообщить энергию, например количество теплоты Q = cm(t°_к - t°₀). При кипении температура жидкости остается постоянной. Так происходит потому, что сообщаемое при кипении количество теплоты затрачивается не на увеличение кинетической энергии молекул жидкости, а на работу разрыва молекулярных связей, т. е. на парообразование. При конденсации пар по закону сохранения энергии отдает в окружающую среду такое количество теплоты, которое было затрачено на парообразование. Конденсация происходит при температуре кипения, которая в процессе конденсации остается постоянной. (Объясните почему).

Составим уравнение теплового баланса при парообразовании и конденсации. Пар, взятый при температуре кипения жидкости, по трубке А. поступает в воду, находящуюся в калориметре (рис. 38, а), конденсируется в ней, отдавая ей затраченное на его получение количество теплоты. Вода и калориметр получают при этом количество теплоты не только от конденсации пара, но и от жидкости, которая при этом получается из него. Данные физических величин приведены в табл. 3.

Таблица 3

Конденсирующийся пар отдал количество теплоты Q_п = rm₃ (рис. 38, б). Жидкость, полученная из пара, охладившись от t°₃ до θ°, отдала количество теплоты Q₃ = c₂m₃ (t₃° - θ°).

Рис. 38. К выводу уравнения теплового баланса при кипении и конденсации

Калориметр и вода, нагреваясь от t°₂ до θ° (рис. 38, в), получили количество теплоты

На основании закона сохранения и превращения энергии

или

Это уравнение называется уравнением теплового баланса при парообразовании и конденсации.

Задача 14. Перед тем как подать бревно в лесопильную раму, его в зимнее время освобождают от снега и льда, для чего оно некоторое время находится в бассейне, вода которого подогревается паром. Рассчитать, какое количество 100-градусного пара расходуется за смену для плавления 5 т снега и льда и нагревания воды, полученной из них. Температура воздуха -20° С; конечная температура воды в бассейне стала 30° С. Масса воды в бассейне 10 т, при работе бассейна ее температура повышается на 5° С.

Рис. 39. К задаче 14

По закону сохранения энергии:

Отсюда

Вычислим

Отв.: m₁ ≈ 900 кг.