Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. Мы с вами продолжаем изучать процесс парообразования, который начали изучать на позапрошлой лекции т.е процесс перехода из жидкого состояния в газообразное. Мы познакомились с испарением, т.е с процессом парообразования, который происходит с поверхности жидкости. А теперь давайте заглянем глубже и рассмотрим процесс парообразования в объеме жидкости - он называется кипением. Давайте строго сформулируем, что такое кипение.
Кипение - это процесс парообразования, происходящий в объеме жидкости.
Мы на этой лекции исследуем процесс кипения и то, что предшествует этому явлению. И начнем с опыта...
Давайте еще раз запишем наши наблюдения, что у нас происходит в сосуде, в котором шел нагрев воды в опыте.
- Выделение растворимого в воде воздуха - пузырьки воздуха образуются и всплывают около 60 градусов Цельсия.
- Повсеместное выделение растворимого в воде воздуха во всем объеме нагреваемого сосуда - пузырьки воздуха образуются и всплывают во всем объеме, нагреваемого сосуда при температуре около 80 градусов Цельсия, при этом появляется шум в виде шипения.
- Крупные пузырьки воздуха рождаются внизу, но не доходят до поверхности, так как схлопываются внутри объема сосуда - это явление называется кавитацией.
- Процесс кипения - бурное и повсеместное образование пузырьков пара при температуре 100 градусов Цельсия. Характер шума меняется, он начинает напоминать бурление. Происходит парообразование.
Поскольку тепло все время выделяется в жидкости, а температура не растет, то значит теплота поглощается кипящей жидкостью при постоянной температуре и об этом мы сейчас поговорим подробнее. Но перед этим давайте изобразим на графике нагревания, какие процессы происходят при нагреве воды в сосуде.
Причем, при этом температура перестает меняться. Следовательно у каждой жидкости, наверное, если взять другую жидкость, то у нее тоже, если ее удается скипятить, есть своя температура кипения. Кипение в отличии от испарения происходит при строго определенной температуре. Мы уже знаем, что испарение происходит при любой температуре. Мы это видели на опыте на предыдущих двух лекциях. Лужи высыхают рано или поздно независимо от того жарко на дворе или образуется корочка льда. Лед, кстати, тоже переходит в газообразную фазу и мы знаем, что этот процесс называется сублимацией. А при кипении воды температура, как остановилась при ста градусах, так дальше и не меняется. Почему при кипении температура остается неизменной? Кстати, эта температура и называется температурой кипения. Давайте запишем определение температуры кипения.
Температура кипения - это температура при которой жидкость кипит.
Почему же жидкость кипит при определенной температуре? Дело в том, что процесс парообразования требует затрат энергии. И давайте представим себе следующую ситуацию: образовался пузырь пара. Откуда взялся этот пар? Из окружающей жидкости. Для захода пара внутрь пузыря требовалась определенная энергия. Откуда ее взять? Из жидкости. Жидкость чуть-чуть охладилась. Если жидкость чуть-чуть охладилась, то давление пара в пузыре, которое оказывается очень сильно зависит от температуры, чуть-чуть снизилось...и что дальше будет с пузырем? А дальше происходит вот что: сверху давит атмосферное давление и атмосферное давление безжалостно сжимает этот пузырь и он исчез бы, если бы постоянно не происходило бы испарение жидкости. Испаряющаяся жидкость за счет энергии, которую мы подводим позволяет пузырю уцелеть. Он всплывает и жидкость при этом кипит. Получается равновесие двух процессов: затраты энергии на парообразование приводят к охлаждению жидкости. Мы знаем, что при испарении жидкость остывает, а подвод энергии позволяет пузырям выжить и компенсирует расход энергии на парообразование. Поэтому жидкость кипит при, вполне, определенной температуре. Кстати, температура кипения у разных жидкостей разная.
Но не стоит забывать о том, что кипение возможно только в том случае, если пузыри имеют возможность расти вопреки тому, что внешнее атмосферное давление их сдавливает. Поэтому оказывается, что температура кипения зависит от внешнего атмосферного давления. Эту зависимость мы подробнее обсудим на следующей лекции, а пока что будем, просто, иметь ввиду, что те температуры кипения, которые мы видели в таблице, они приведены для нормального атмосферного давления. Т.е 760 мм рт. ст. или 1013 ГПа. И так для поддержания постоянной температуры все время приходится подводить тепло. Т.е для того, что бы кипение происходило и для того, чтобы происходило парообразование необходимо подводить энергию, иначе, жидкость будет остывать и перестанет кипеть. Стоит выключить чайник и кипение при этом прекратиться и понятно, что теплота парообразования прямо пропорциональна количеству пара, который образуется при парообразовании. Кстати, это относится не только к кипению, но то о чем сейчас пойдет речь, относится и к испарению. На испарение, если мы хотим поддерживать температуру, тоже требуется определенная энергия.
Давайте еще раз запишем определение удельной теплоты парообразования.
Удельная теплота парообразования - это физическая величина равная количеству теплоты, которое необходимо для превращения в пар одного килограмма жидкости при неизменной температуре.
Мы уже упомянули о том, что удельная теплота парообразования зависит от жидкости. К этому стоит добавить, что она еще зависит от температуры. Чем выше температура, тем меньше удельная теплота парообразования. Но мы обычно говорим об удельной теплоте парообразования при температуре кипения, в случае воды - это сто градусов Цельсия. Ну, а с подробностями о том, что происходит с удельной температурой парообразования при росте температуры мы познакомимся на более поздних лекциях, в которых мы познакомимся с такой температурой, которая называется критическая.
И так удельная теплота парообразования воды 2,3 МДж/кг. Давайте оценим во сколько раз удельная теплота парообразования больше удельной теплоты плавления. Давайте разделим 2300 КДж/кг - удельная теплота парообразования воды на 330 КДж/кг - удельная теплота плавления льда и у нас получается, практически, в семь раз. Т.е чтобы растопить килограмм льда, уже взятого при температуре плавления, нужно в семь раз меньше затратить энергии. Т.е воду очень трудно превратить в пар. но давайте вспомним, что процессы в природе обратимы. Точно так же, когда вода превращается в пар, мы затрачиваем 2,3 МДж/кг энергии точно так же, когда мы превращаем пар в воду это количество теплоты выделяется. Т.е при конденсации выделяется такое же количество теплоты, которое затрачивается при парообразовании. Это следствие закона сохранения энергии. Мы уже обсуждали в лекции про плавление и кристаллизацию, что если бы энергия, затраченная на парообразование не соответствовала энергии выделившийся при конденсации, то можно было бы сконструировать вечный двигатель, но это невозможно еще раз повторим, по закону сохранения энергии.
И так, пар - это великолепный теплоноситель, переносчик энергии. Но будем помнить о том, что из-за этого ожог паром гораздо опаснее, чем ожог кипятком. потому что при конденсации пара выделяется гораздо большее количество теплоты, чем, просто, при остывании горячей воды до температуры кожи. И последнее...когда вода кипит ее температура при этом остается неизменной, но при этом поглощается энергия. однако, давайте вспомним, что температура является мерой кинетической энергии хаотического движения молекул. Значит, когда молекула воды становится молекулой пара при выкипании у нее кинетическая энергия остается та же самая. На что же тогда идет та энергия, которая выделяется в нагревателе? А давайте вспомним, что внутренняя энергия вещества. Это сумма кинетической энергии хаотического движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом. Так вот раз не меняется кинетическая энергия, следовательно внутренняя энергия увеличивается за счет роста потенциальной энергии. И в самом деле, для того, чтобы вырвать молекулу из жидкости и сделать ее свободной нужно совершить работу, которая называется работой выхода. И при этом точно так же, как увеличивается потенциальная энергия, поднятого над Землей тела, увеличивается и потенциальная энергия молекул пара. И так кинетическая энергия молекул жидкости при температуре кипения и пара при той же самой температуре одинаковая. А внутренняя энергия пара, хотя, у него та же самая температура, больше, чем внутренняя энергия жидкости за счет увеличения потенциальной энергии. На следующей лекции мы с вами подробнее поговорим о зависимости температуры кипения от давления, но на этом все.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, пожалуйста подпишись на канал и поддержи автора.