Кипение — фазовый переход жидкости¶

Кипение — процесс бурного испарения жидкости, происходящий по всему объёму вещества при достижении определённой температуры и сопровождающийся образованием пузырьков пара внутри жидкости. В отличие от поверхностного испарения, кипение является фазовым переходом первого рода и происходит при строго определённой для данного давления температуре — температуре кипения.

¶Суть процесса

При нагревании жидкости молекулы приобретают всё большую кинетическую энергию. В приповерхностном слое наиболее быстрые молекулы преодолевают межмолекулярные силы и уходят в газовую фазу — это обычное испарение. По мере нагрева давление насыщенного пара над поверхностью жидкости растёт. Когда оно сравнивается с внешним давлением (атмосферным или приложенным), жидкость начинает кипеть.

При кипении пар образуется не только на поверхности, но и по всему объёму: в местах с микроскопическими неоднородностями (на стенках сосуда, на примесях) возникают зародыши паровых пузырьков. Пузырьки поднимаются вверх, и, достигнув поверхности, лопаются, выбрасывая пар в окружающую среду. Температура жидкости при кипении остаётся постоянной до тех пор, пока весь объём не испарится, — вся подводимая энергия идёт на преодоление сил межмолекулярного взаимодействия (скрытой теплоты парообразования), а не на повышение температуры.

¶Температура кипения

Температура кипения зависит от внешнего давления: чем выше давление, тем труднее молекулам преодолеть его и перейти в газовую фазу, и тем выше температура кипения. При нормальном атмосферном давлении (101 325 Па) вода кипит при 100 °C, этанол — при 78,3 °C, ртуть — при 356,7 °C. В горных районах с пониженным давлением вода закипает при более низкой температуре — например, на высоте около 2000 м — примерно при 93 °C.

Соотношение между давлением насыщенного пара и температурой описывается уравнением Клаузиуса — Клапейрона. Для практики широко используется формула Антуана, позволяющая вычислять давление насыщенного пара как функцию температуры.

Понятие критической температуры определяет верхнюю границу существования жидкости: выше неё вещество нельзя перевести в газовую фазу путём нагрева при постоянном давлении. Для воды критическая температура составляет 374 °C, критическое давление — 22,06 МПа.

¶Виды кипения

Различают несколько типов кипения в зависимости от условий теплообмена:

• Кипение пузырьковое — типичный вид, при котором паровые пузырьки образуются на нагретой поверхности и в объёме жидкости. Наблюдается при обычном нагреве воды в кастрюле.
• Плёночное кипение — возникает при очень высокой температуре нагреваемой поверхности; жидкость не соприкасается с поверхностью, образуя сплошной паровой слой. Теплообмен при этом резко ухудшается («перегрев поверхности»).
• Кипение при пониженном давлении (вакуумное) — применяется в технике для перегонки веществ при невысоких температурах, что предотвращает их разложение.

¶Перегрев и взрывоопасность

Жидкость может быть перегрета выше температуры кипения, если в ней отсутствуют центры парообразования. Такое состояние неустойчиво: при добавлении примеси или сотрясении возможен мгновенный переход всего объёма в паровую фазу — так называемый взрывной всплеск кипения (BLEVE). Явление имеет важное значение для безопасности при работе с котлами, реакторами и ёмкостями под давлением.

¶Применение

Кипение широко используется в технике и быту:

• приготовление пищи и стерилизация;
• паровые двигатели и электростанции (парогенераторы);
• дистилляция и перегонка — разделение жидких смесей по разнице температур кипения компонентов;
• вакуумное выпаривание в пищевой и химической промышленности;
• охлаждение ядерных реакторов и электроники при помощи кипящих жидкостей.

¶Интересные факты

• Вода может кипеть и при комнатной температуре — если создать глубокий вакуум (давление ниже 2,3 кПа).
• При кипении морской воды соли не улетучиваются, что позволяет получать пресную воду методом дистилляции.
• Скорость звука в кипящей жидкости падает почти до нуля, что используется в некоторых методах диагностики.

Источники:

• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том II. Термодинамика и молекулярная физика.
• Базовые учебные материалы по термодинамике и теплотехнике.