Температура кипения

Температура кипения — это физическая величина, характеризующая температуру, при которой происходит фазовый переход вещества из жидкого состояния в газообразное (пар) во всём объёме жидкости. При достижении этой температуры давление насыщенного пара над жидкостью становится равным внешнему атмосферному давлению, что приводит к образованию пузырьков пара внутри жидкости и их всплытию на поверхность.

Физическая сущность процесса

Кипение, в отличие от испарения (которое происходит с поверхности жидкости при любой температуре), представляет собой объёмный процесс. Для его начала необходимо, чтобы внутри жидкости образовались центры парообразования — обычно это микроскопические пузырьки газа или неровности на стенках сосуда. Когда температура жидкости повышается, давление насыщенного пара внутри таких пузырьков растёт. Как только оно превышает внешнее давление (атмосферное плюс гидростатическое давление столба жидкости), пузырёк начинает расширяться, всплывает и лопается на поверхности, выбрасывая пар.

Температура кипения является строго определённой величиной для каждого чистого вещества при заданном внешнем давлении. Она не меняется в процессе кипения до тех пор, пока всё вещество не перейдёт в пар, так как вся подводимая теплота расходуется на фазовый переход (скрытая теплота парообразования), а не на повышение температуры.

Зависимость от давления

Температура кипения напрямую зависит от внешнего давления. Чем выше давление, тем выше температура кипения, и наоборот. Эта зависимость описывается уравнением Клапейрона — Клаузиуса. На практике это проявляется следующим образом:

• В горах: на высоте 3000 м над уровнем моря атмосферное давление составляет около 700 мм рт. ст., и вода закипает уже при +90 °C, что затрудняет варку продуктов.
• В скороварке: при повышении давления до 2 атмосфер температура кипения воды возрастает до +120 °C, что ускоряет приготовление пищи.
• В вакууме: при давлении 0,12 атм вода кипит при +50 °C. Этот принцип используется в выпарных аппаратах и при вакуумной сушке.

Для стандартных условий (давление 101,325 кПа, или 1 атмосфера) температура кипения воды составляет +100 °C. Это значение принято за одну из реперных точек в шкалах Цельсия и Кельвина.

Температура кипения различных веществ

Температура кипения определяется силой межмолекулярных связей в жидкости. Чем сильнее молекулы притягиваются друг к другу (за счёт водородных связей, диполь-дипольного взаимодействия или сил Ван-дер-Ваальса), тем больше энергии требуется для их отрыва, и тем выше температура кипения.

Азеотропные смеси

Для смесей жидкостей (например, вода — этанол) температура кипения не является постоянной величиной. В процессе кипения состав жидкости меняется, что приводит к изменению температуры. Однако существуют так называемые азеотропные смеси, которые кипят при строго фиксированной температуре, не меняя своего состава. Например, смесь воды (95,6%) и этанола (4,4%) кипит при +78,2 °C, что ниже температуры кипения чистого этанола. Это явление накладывает ограничения на ректификацию: получить чистый спирт выше 96% простой перегонкой невозможно.

Практическое значение

Температура кипения является одной из ключевых физико-химических характеристик вещества, используемой для:

• Идентификации: определение температуры кипения — классический метод установления чистоты вещества в лабораторной практике.
• Разделения смесей: на разнице температур кипения основаны процессы перегонки (дистилляции) и ректификации, применяемые в нефтепереработке, химической промышленности и производстве спиртных напитков.
• Контроля технологических процессов: в теплоэнергетике, металлургии и пищевой промышленности знание температуры кипения необходимо для расчёта теплообменников, котлов и сушильных установок.
• Метрологии: температура кипения воды является одной из реперных точек Международной практической температурной шкалы (МПТШ-90).

Критическая температура

При повышении давления плотность пара растёт, а плотность жидкости уменьшается. При достижении критической температуры (для воды это +374 °C при давлении 22,1 МПа) различие между жидкостью и паром исчезает. Выше этой температуры вещество может находиться только в сверхкритическом флюидном состоянии, где оно обладает свойствами и жидкости, и газа одновременно. Кипение как фазовый переход в таких условиях невозможно.

Источники

1. Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. — М.: Наука, 1976. — Глава 9 «Фазовые переходы».
2. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — М.: Физматлит, 2002. — § 82 «Фазовые равновесия».
3. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. — Л.: Химия, 1982.
4. Глинка Н. Л. Общая химия. — М.: Интеграл-Пресс, 2000. — Глава 5 «Растворы и дисперсные системы».
5. ГОСТ 8.381-80. Государственная система обеспечения единства измерений. Эталоны. Способы выражения погрешностей. — М.: Издательство стандартов, 1980.