Кипіння

На відміну від випаровування, яке відбувається за будь-якої температури рідини, інший вид пароутворення — кипіння — можливий лише за цілком певної (при цьому тиску) температурі — температурі кипіння.

Поспостерігаємо це явище на досвіді. Почнемо нагрівати воду у відкритій скляній посудині, періодично вимірюючи її температуру. Через деякий час ми побачимо, як дно та стінки судини покриються пухирцями (рис. 82, а). Вони утворюються в результаті розширення дрібних бульбашок повітря, що існують у поглибленнях і мікротріщинах не повністю змочуються стінок судини.

У міру зростання температури інтенсивність випаровування води всередину цих бульбашок зростає. Тому кількість водяної пари, а разом з нею і тиск усередині бульбашок поступово збільшуються. При наближенні температури нижніх шарів води до 100 °С тиск усередині бульбашок порівнюється з тиском, що існує навколо них, після чого бульбашки починають розширюватися. Зі збільшенням обсягу бульбашок зростає і діюча на них виштовхувальна (архімедова) сила. Під дією цієї сили найбільші бульбашки відриваються від стінок судини і піднімаються нагору. Якщо верхні шари води ще не встигли нагрітися до 100 °С, то в такій (холоднішій) воді частина водяної пари всередині бульбашок конденсується і йде у воду; Бульбашки при цьому скорочуються в розмірах, і сила тяжкості змушує їх знову опускатися вниз. Тут вони знову збільшуються і знову починають спливати нагору. Поперемінне збільшення та зменшення бульбашок усередині води супроводжується виникненням у ній характерних звукових хвиль: вода, що закипає, «шумить».

Коли вся вода прогріється до 100 °С, бульбашки, що піднялися нагору, вже не скорочуються в розмірах, а лопаються на поверхні води, викидаючи пару назовні (рис. 82, б). Виникає характерне булькання - вода кипить.

Кипінням називається інтенсивне пароутворення, при якому всередині рідини ростуть і піднімаються бульбашки пари. Воно починається після того, як тиск усередині бульбашок порівнюється з тиском. навколишньої рідини.

Під час кипіння температура рідини та пари над нею не змінюється. Вона зберігається незмінною до того часу, поки вся рідина не википить.

Температура, за якої кипить рідина, називається температурою кипіння.

Температура кипіння залежить від тиску, що чиниться на вільну поверхню рідини.. При збільшенні цього тиску зростання і підйом бульбашок усередині рідини починається при більшій температурі, при зменшенні тиску - при меншій температурі.

Температуру кипіння різних речовин при нормальному атмосферному тиску можна знайти у таблиці 11.

Всім відомо, що вода кипить за 100 °С. Але не слід забувати, що це справедливо лише за нормального атмосферного тиску (приблизно 101 кПа). У разі збільшення тиску температура кипіння води зростає. Так, наприклад, у каструлях-скороварках їжу варять під тиском близько 200 кПа. Температура кипіння води досягає при цьому 120 °С. У воді такої температури процес «варіння» відбувається значно швидше, ніж у звичайному окропі. Цим пояснюється назва «скороварка».

І навпаки, при зниженні тиску температура кипіння води стає меншою за 100 °С. Наприклад, у гірських районах (на висоті 3 км, де тиск атмосфери становить 70 кПа), вода кипить при 90 °С.Тому мешканцям цих районів, які використовують такий окріп, потрібно значно більше часу для приготування їжі, ніж мешканцям рівнин. А зварити в цьому окропі, наприклад, куряче яйце взагалі неможливо, оскільки білок за температури нижче 100 °С не згортається.

Зменшення температури кипіння рідини може й корисну роль. Приміром, при нормальному атмосферному тиску рідкий фреон кипить при температурі близько 30 °С. При зменшенні тиску температуру кипіння фреону можна зробити нижче 0 °С. Це використовується у випарнику холодильника. Завдяки роботі компресора у ньому створюється знижений тиск, і фреон починає перетворюватися на пару, забираючи теплоту від стінок камери. Завдяки цьому відбувається зниження температури всередині холодильника.

З таблиці 11 видно, наскільки сильно можуть відрізнятися температури кипіння різних речовин при тому самому атмосферному тиску. Наприклад, рідкий кисень кипить при –183 °С, а залізо – при 2750 °С.

Відмінність у температурах кипіння різних речовин знаходить широке застосування у техніці, наприклад у процесі перегонки нафти. При нагріванні нафти до 360 ° С та її частина (мазут), яка має велику температуру кипіння, залишається в ній, а ті її частини, у яких температура кипіння нижче 360 ° С, випаровуються. З пари, що утворилася, отримують бензин і деякі інші види палива.

1. Що таке кипіння? 2. Чому вода, що закипає, «шумить»? 3. Чи стає гаряча рідина в процесі кипіння? 4. Де кипляча вода гаряча: на рівні моря, на вершині гори чи в глибокій шахті? 5. На чому ґрунтується принцип дії каструлі-скороварки? 6. Використовуючи малюнок 83, поясніть, як можна змусити кипіти воду за нормальної кімнатної температури. 7.За рахунок чого відбувається зниження температури усередині холодильника?

Експериментальне завдання. Візьміть велику каструлю із водою. Помістіть в неї маленьку каструлю (теж із водою) так, щоб вона плавала, не торкаючись дна великої каструлі. Поставте їх на плиту та почніть нагрівати. Що буде з водою в маленькій каструлі, коли у великій каструлі вона кипітиме? Чому? Киньте у велику каструлю жменю солі. Що після цього станеться з водою у маленькій каструлі? Поясніть явище, що спостерігається. Що можна сказати про температуру кипіння солоної води?