Кипение

Кипение — интенсивное парообразование во всём объёме жидкости: пузырьки пара возникают внутри, поднимаются и лопаются на поверхности.

В любой воде растворён воздух, и на стенках есть микроскопические пузырьки. При нагревании жидкость испаряется внутрь этих пузырьков, они наполняются насыщенным паром.

Пузырёк растёт, пока давление насыщенного пара в нём может уравновесить давление снаружи: атмосферное плюс давление столба жидкости. Поэтому жидкость закипает при такой температуре, при которой

Чем выше внешнее давление, тем выше температура кипения.

• В горах давление ниже — вода кипит при температуре ниже $100$ °C. На высоте около $3$ км это примерно $90$ °C, и в таком кипятке трудно сварить мясо.
• В автоклаве и скороварке давление выше атмосферного — вода кипит при температуре выше $100$ °C, пища готовится быстрее.
• Во время кипения температура жидкости не меняется, пока она вся не выкипит: подводимая теплота идёт на парообразование, а не на нагрев.
• Разные жидкости кипят при разных температурах: у них разное $p_{\text{нас}}(T)$. Эфир при нормальном давлении — $35$ °C, спирт — $78$ °C, ртуть — $357$ °C.

Чтобы превратить жидкость в пар при температуре кипения, нужно затратить энергию на разрыв связей между молекулами и на работу расширения пара.

• $L$ — удельная теплота парообразования, Дж/кг: количество теплоты, необходимое, чтобы превратить $1$ кг жидкости в пар при температуре кипения.
• Для воды $L \approx 2{,}3 \cdot 10^6$ Дж/кг ($2{,}26 \cdot 10^6$ при $100$ °C). Для сравнения: чтобы нагреть воду от $0$ до $100$ °C, нужно $4{,}2 \cdot 10^5$ Дж/кг — в пять раз меньше.
• При конденсации пар отдаёт столько же теплоты: $Q = -Lm$. Поэтому ожог паром опаснее ожога кипятком.
• В уравнении теплового баланса добавляется слагаемое $\pm Lm$ для испарившейся (сконденсировавшейся) массы.

1. $Q = Lm = 2{,}3 \cdot 10^6 \cdot 0{,}2 = 460 \cdot 10^3$ Дж.

1. Вода уже кипит, вся теплота идёт на парообразование: $m = \dfrac{Q}{L} = \dfrac{4{,}6 \cdot 10^6}{2{,}3 \cdot 10^6} = 2$ кг.

1. Подкова остывает от $1100$ до $100$ °C: $Q = cm\Delta t = 460 \cdot 0{,}35 \cdot 1000 = 161\,000$ Дж.
2. Вся эта теплота испаряет воду при $100$ °C: $m_{\text{в}} = \dfrac{Q}{L} = \dfrac{161\,000}{2{,}3 \cdot 10^6} \approx 70$ г.

1. При $100$ °C давление насыщенного пара равно атмосферному: $p_{\text{нас}} = 10^5$ Па.
2. Плотность насыщенного пара: $\rho_{\text{нас}} = \dfrac{p_{\text{нас}}M}{RT} = \dfrac{10^5 \cdot 0{,}018}{8{,}31 \cdot 373} \approx 0{,}58$ кг/м³.
3. Масса пара: $m = \varphi\rho_{\text{нас}}V = 0{,}6 \cdot 0{,}58 \cdot 1 \approx 0{,}35$ кг.

1. $\rho = \varphi\rho_{\text{нас}} = \varphi\dfrac{p_{\text{нас}}M}{RT} = 0{,}3 \cdot \dfrac{10^5 \cdot 0{,}018}{8{,}31 \cdot 373} \approx 0{,}17$ кг/м³.

• Кипение — парообразование во всём объёме; пузырёк растёт, когда $p_{\text{нас}}(T) = p_{\text{внеш}}$.
• $T_{\text{кип}}$ растёт с внешним давлением; при кипении температура постоянна.
• $Q = Lm$ — теплота парообразования; конденсация отдаёт столько же.
• Для воды $L \approx 2{,}3 \cdot 10^6$ Дж/кг — в $5$ раз больше, чем нагрев от $0$ до $100$ °C.
• При $100$ °C $p_{\text{нас}} = 10^5$ Па, $\rho_{\text{нас}} = \dfrac{pM}{RT} \approx 0{,}58$ кг/м³.