Кипение

Кипение — это процесс интенсивного парообразования, происходящий во всём объёме жидкости при определённой температуре, называемой температурой кипения. В отличие от испарения, которое происходит с поверхности жидкости при любой температуре, кипение характеризуется образованием пузырьков пара внутри самой жидкости, их всплытием и выходом на поверхность. Кипение является одним из основных способов перехода вещества из жидкой фазы в газообразную (парообразование) и относится к фазовым переходам первого рода.

Физическая сущность процесса

Кипение представляет собой сложный физико-химический процесс, в основе которого лежит образование и рост паровых пузырьков. Для возникновения пузырька необходимо, чтобы давление насыщенного пара внутри него превышало внешнее давление (гидростатическое давление столба жидкости и атмосферное давление). Это условие достигается при нагреве жидкости до температуры, при которой давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению.

Механизм образования пузырьков

Пузырьки пара образуются преимущественно на центрах парообразования — неоднородностях поверхности сосуда (царапины, впадины, шероховатости) или на взвешенных в жидкости твёрдых частицах (пылинки, ионы). В этих местах жидкость легче преодолевает силы поверхностного натяжения, и для образования зародыша пузырька требуется меньше энергии. На идеально гладкой и смачиваемой поверхности кипение может начаться при значительном перегреве жидкости, что приводит к взрывному парообразованию.

Рост и всплытие пузырька

После образования зародыша пузырёк начинает расти за счёт поступления пара из перегретого слоя жидкости, окружающего его стенки. Рост пузырька продолжается до тех пор, пока его размер не достигнет критического значения, при котором выталкивающая сила (сила Архимеда) становится достаточной для отрыва пузырька от поверхности. Отрыв происходит, когда диаметр пузырька достигает определённой величины, зависящей от свойств жидкости и материала поверхности. После отрыва пузырёк всплывает, продолжая увеличиваться в размерах за счёт испарения жидкости с его поверхности и снижения гидростатического давления по мере подъёма. Достигнув поверхности, пузырёк лопается, выбрасывая пар в газовую фазу.

Температура кипения

Температура кипения — это температура, при которой давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению. Она является одной из важнейших физико-химических характеристик вещества.

Зависимость от внешнего давления

Температура кипения не является константой и существенно зависит от внешнего давления. С повышением внешнего давления температура кипения возрастает, так как для достижения равенства давлений требуется более высокая температура. С понижением давления температура кипения падает. Эта зависимость описывается уравнением Клапейрона — Клаузиуса. Например, вода при атмосферном давлении (101,3 кПа) кипит при 100 °C, на вершине Эвереста (давление около 34 кПа) — при 71 °C, а в скороварке (давление до 200 кПа) — при 120 °C.

Зависимость от состава жидкости

Температура кипения также зависит от химического состава жидкости. Для чистых веществ она является строго определённой величиной при данном давлении. Для растворов температура кипения, как правило, выше, чем для чистого растворителя (эбуллиоскопический эффект). Повышение температуры кипения пропорционально моляльной концентрации растворённого вещества и не зависит от его природы (второй закон Рауля).

Виды кипения

В зависимости от условий теплообмена и характера парообразования различают несколько видов кипения.

Пузырьковое кипение

Наиболее распространённый вид кипения, при котором пар образуется в виде отдельных пузырьков на поверхности нагрева. Пузырьки периодически отрываются, всплывают и лопаются на поверхности жидкости. Этот режим характеризуется интенсивным теплообменом и перемешиванием жидкости. Пузырьковое кипение наблюдается в большинстве бытовых и промышленных процессов (кипячение воды, работа теплообменников).

Плёночное кипение

При высокой температуре поверхности нагрева (значительно превышающей температуру кипения жидкости) на ней образуется сплошная паровая плёнка, которая отделяет жидкость от горячей поверхности. Теплообмен через паровую плёнку происходит в основном за счёт теплопроводности и излучения, что значительно менее эффективно, чем при пузырьковом кипении. Плёночное кипение характеризуется резким снижением коэффициента теплоотдачи и может приводить к перегреву поверхности нагрева. Переход от пузырькового к плёночному кипению называется кризисом кипения. Этот эффект наблюдается, например, при закалке металла в жидкости или при работе ядерных реакторов в аварийных режимах.

Кипение в большом и малом объёме

Различают кипение в большом объёме (свободное кипение), когда жидкость не ограничена узкими каналами, и кипение в малом объёме (в капиллярах, пористых средах, тонких плёнках). В малом объёме механизм кипения существенно изменяется из-за влияния сил поверхностного натяжения и ограниченного пространства, что может приводить к более интенсивному теплообмену.

Применение кипения

Кипение широко используется в различных областях науки, техники и быта.

Энергетика и теплотехника

Кипение является основным процессом в паровых котлах тепловых электростанций, где вода превращается в пар, который затем вращает турбины. В атомной энергетике кипение используется в реакторах кипящего типа (BWR) для отвода тепла от активной зоны. В системах охлаждения (тепловые трубы, испарители холодильных машин) кипение обеспечивает эффективный теплоотвод.

Пищевая промышленность и быт

Кипячение — один из основных способов тепловой обработки пищи (варка, стерилизация). Кипячение воды используется для обеззараживания (уничтожения патогенных микроорганизмов). В пищевой промышленности кипение применяется для выпаривания (концентрирования растворов, например, при производстве сгущённого молока или сахара).

Химическая технология

Кипение используется в процессах дистилляции и ректификации для разделения жидких смесей на компоненты с разными температурами кипения. Перегонка нефти, производство спирта, разделение воздуха — все эти процессы основаны на кипении.

Медицина

Кипячение инструментов и перевязочных материалов (автоклавирование) — один из методов стерилизации. В физиотерапии используется эффект локального нагрева тканей при кипении (например, в некоторых видах компрессов).

Кризис кипения

Кризис кипения — это резкое ухудшение условий теплообмена при переходе от пузырькового режима к плёночному. При достижении критической плотности теплового потока (первый кризис кипения) пузырьки пара сливаются, образуя сплошную паровую плёнку, которая обладает низкой теплопроводностью. Это приводит к резкому росту температуры поверхности нагрева, что может вызвать её разрушение (прогар). Второй кризис кипения наблюдается при обратном переходе от плёночного к пузырьковому режиму при снижении температуры поверхности. Кризис кипения является важнейшим фактором, ограничивающим тепловую мощность теплообменных аппаратов, особенно в ядерной энергетике.

Интересные факты

• Вода, нагретая в микроволновой печи в идеально чистой гладкой посуде, может не закипеть даже при температуре выше 100 °C. Это явление называется перегревом жидкости. При внесении в такую перегретую воду постороннего предмета (ложки, пакетика чая) происходит бурное вскипание с выбросом пара и горячей воды.
• Температура кипения жидкого азота составляет -196 °C, жидкого гелия — -269 °C (4,2 К), а жидкого кислорода — -183 °C.
• В горных районах, где атмосферное давление ниже, вода закипает при более низкой температуре, поэтому для полного проваривания продуктов требуется больше времени.
• Процесс кипения лежит в основе работы гейзеров — периодически фонтанирующих горячих источников, где вода в подземных полостях нагревается до температуры кипения при повышенном давлении, а затем резко вскипает при снижении давления.

Источники

1. Кириллин В. А., Сычев В. В., Шейндлин А. Е. Техническая термодинамика. — М.: Энергоатомиздат, 1983.
2. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. — М.: Атомиздат, 1979.
3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — М.: Физматлит, 2002.
4. Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988—1998.
5. Химическая энциклопедия / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1988—1998.