Кипение выше облаков

Spectrum · 14 · ПОЛНОЕ ЧТЕНИЕ

01. Что мы будем исследовать

Кипение — парообразование с образованием и ростом пузырьков внутри жидкости. Испарение происходит с поверхности и возможно при разных температурах. Здесь мы проследим, как вода нагревается, почему кипит при определённом давлении и почему при кипении её температура перестаёт расти. Затем рассчитаем теплоту превращения жидкости в пар и обратного перехода.

02. Первые пузырьки ещё не доказывают кипение

В воде растворены газы. При нагревании часть газа выделяется, а неровности стенок помогают образованию пузырьков. В пузырьке может быть и водяной пар. Не следует считать всякий маленький пузырёк чистым паром или доказательством кипения. Дегазированная вода и гладкая посуда могут вести себя иначе.

03. Почему перед кипением вода шумит

Дно нагревается раньше верхних слоёв. Паровые пузырьки, попавшие в более холодную воду, могут схлопываться: пар внутри конденсируется, объём уменьшается. Когда вода прогрета и пузырьки способны расти, они поднимаются и выпускают пар у поверхности. Наш разрез показывает эту последовательность качественно; он не рассчитывает размеры, звук или секунды.

04. Давление и условие кипения

Давление насыщенного пара возрастает с температурой. Для кипения оно должно стать сопоставимым с давлением окружающей жидкости. У поверхности широкой открытой посуды это примерно атмосферное давление. В глубине добавляется давление столба воды; для очень маленького пузырька существенно поверхностное натяжение. Упрощённая модель урока рассматривает неглубокую чистую воду и пренебрегает этими поправками.

05. Почему в горах температура ниже

С высотой атмосферное давление обычно уменьшается. Вода достигает условия кипения при меньшей температуре. В модели стандартной атмосферы на 3000 м давление около 70 кПа, температура кипения около 90 °C. На 5600 м получается примерно 81 °C. Это расчётная атмосфера, а не прогноз погоды: реальные значения меняются. Закипевшая в горах вода всё равно очень горячая.

06. Что означает давление на шкале

Шкала опыта показывает абсолютное давление над водой — давление относительно вакуума. 101,325 кПа соответствует нормальному атмосферному давлению. 200 кПа абсолютного давления — около двух атмосфер, а не прибавка 200 кПа к комнатному воздуху. Манометр некоторых приборов показывает избыточное давление, то есть разность с атмосферным: эти шкалы нельзя путать.

07. Скороварка меняет условие кипения

В штатно работающей скороварке давление выше наружного. Поэтому вода может кипеть при температуре выше 100 °C; при заданных 200 кПа модель даёт около 120 °C. Это пример условия, а не настройка любого прибора. Клапан и инструкция производителя важны для работы. Самодельные герметичные сосуды не подходят для школьного опыта.

08. Температура кипения зависит от вещества

При одном и том же давлении разные чистые вещества имеют разные температуры кипения. При нормальном давлении вода кипит примерно при 100 °C, этанол — при 78 °C, азот — при −196 °C. Растворы и смеси могут кипеть в диапазоне температур, меняя состав. Открытые опыты со спиртом и другими летучими жидкостями здесь не предлагаются.

09. Плато на графике нагревания

При постоянном давлении температура кипящей чистой жидкости близка к постоянной, пока жидкость ещё остаётся. Подводимая энергия продолжает поступать и превращать её в пар. На графике температуры от полученной теплоты наклонный участок отвечает нагреванию, горизонтальный — парообразованию. После исчезновения жидкости возможен нагрев пара, но в открытом сосуде он уходит; наша модель на этом останавливается.

10. Энергия при переходе в пар

В паре молекулы находятся значительно дальше друг от друга, чем в жидкости. Энергия требуется на преодоление взаимного притяжения и расширение. Средняя энергия теплового движения при постоянной температуре не возрастает так, как при нагревании. Теплота парообразования не сводится к ускорению молекул. В термодинамике при постоянном давлении она связана с изменением энтальпии, включающим работу расширения.

11. Удельная теплота парообразования

Удельная теплота парообразования L — теплота, необходимая для превращения 1 кг жидкости в пар при температуре кипения и заданном давлении. Единица — Дж/кг. Для учебных расчётов при нормальном давлении используем округлённое L воды = 2,3·10⁶ Дж/кг. Это не универсальная константа для любого давления и температуры.

12. Одна формула, два перехода

Для массы m при температуре кипения Q=Lm. Массу переводим из граммов в килограммы. Чтобы превратить 50 г уже кипящей воды в пар, нужно 2,3·10⁶·0,05=115000 Дж, или 115 кДж. Если тот же пар конденсируется при той же температуре и давлении, он отдаёт такой же модуль теплоты. В направлении теплообмена есть различие: жидкость получает, пар отдаёт.

13. Если вода вначале холодная

Формулы Q=Lm недостаточно, если жидкость ещё не нагрета до кипения. Для 200 г воды от 20 до 100 °C Q₁=cmΔT=4200·0,2·80=67200 Дж. Для превращения всей воды в пар Q₂=2,3·10⁶·0,2=460000 Дж. Сумма 527200 Дж = 527,2 кДж. Сосуд и потери исключены; реальному нагревателю потребуется больше энергии.

14. Мощность и скорость выкипания

В модели уже кипящей воды полезная мощность целиком идёт на парообразование. Тогда за время t получено Q=Pt, масса пара m=Pt/L. При 500 Вт за 10 с испаряется около 2,17 г; при 1000 Вт — 4,35 г. Температура обеих проб остаётся около 100 °C. Здесь P — мощность, дошедшая до воды, а не обязательно мощность прибора в розетке.

15. Конденсация отдаёт теплоту

Пар охлаждают или приводят в соприкосновение с более холодной поверхностью. При переходе в жидкость он отдаёт теплоту. Конденсация 10 г водяного пара при 100 °C выделяет в учебной модели 23 кДж. Последующее охлаждение полученной воды добавит ещё cmΔT. Пар способен причинить сильный ожог; не направляй его на кожу и не проверяй рукой температуру.

16. Две жидкости и сравнение плато

Если одинаковые массы нагревают с одинаковой полезной мощностью без потерь, длительность полного парообразования пропорциональна L: t=Lm/P. Более длинное плато говорит о большей удельной теплоте парообразования только при этих одинаковых условиях. Более высокая температура кипения сама по себе не доказывает большее L.

17. Где работают давление и фазовые переходы

В промышленности понижение давления помогает испарять жидкость при меньшей температуре. Горячая подземная вода при падении давления может частично превращаться в пар; этот принцип применяют в некоторых геотермальных установках. При сублимационной сушке сначала замораживают продукт, затем в вакууме лёд переходит прямо в пар. Это сублимация, а не кипение жидкой воды.

18. Как прочитать настоящий график

В журнал записывают время и температуру, а также условия наблюдения. Время отсчитывают от выбранного начала. Датчик должен касаться воды, не стенки или дна; используют подходящий прибор и взрослое руководство. Вблизи кипения возможны колебания показаний и влияние давления. Пять учебных записей можно загрузить отдельно. Они не выдаются за твой опыт. Неожиданные значения сохраняются, а не заменяются красивой линией.

Проверь себя

1. Чем кипение отличается от испарения?

Кипение образует растущие пузырьки внутри жидкости; испарение идёт с поверхности.

2. Доказывает ли первый пузырёк кипение?

Нет. Он может содержать выделившийся растворённый воздух.

3. Почему пузырёк может схлопнуться?

В более холодной воде пар конденсируется, объём пузырька уменьшается.

4. Вода всегда кипит при 100 °C?

Нет. Это примерно верно для чистой воды при нормальном давлении.

5. Что изменится при уменьшении давления?

Температура кипения чистой воды уменьшится.

6. Что делает скороварка?

Повышает давление, позволяя воде кипеть при большей температуре.

7. Чем абсолютное давление отличается от избыточного?

Абсолютное отсчитывают от вакуума; избыточное — от наружного атмосферного давления.

8. Почему на графике есть плато?

Теплота идёт на парообразование при почти постоянной температуре и постоянном давлении.

9. Что означает L?

Теплота превращения 1 кг жидкости в пар при заданных условиях.

10. В каких единицах выражают L?

Дж/кг.

11. Почему массу переводят в килограммы?

Чтобы единицы согласовались с L в Дж/кг.

12. Сколько теплоты нужно для 50 г кипящей воды?

115 кДж при L=2,3 МДж/кг.

13. Сколько нужно для нагрева 100 г от 20 до 100 °C?

33,6 кДж при c=4200 Дж/(кг·°C).

14. Можно ли использовать только Lm для холодной воды?

Нет. Сначала добавляют теплоту нагревания cmΔT.

15. Нагреть и испарить 200 г от 20 °C: сколько?

67,2+460=527,2 кДж без сосуда и потерь.

16. Куда идёт лишняя мощность при кипении?

В нашей модели увеличивает скорость парообразования.

17. Что отдаёт пар при конденсации?

Теплоту фазового перехода; охлаждение жидкости учитывают дополнительно.

18. 23 кДж выделились при конденсации: какая масса?

10 г воды при L=2,3 МДж/кг.

19. При каких условиях длиннее плато означает большее L?

Одинаковые массы, полезные мощности и пренебрежимо малые потери.

20. Сублимационная сушка — это кипение?

Нет. Лёд переходит непосредственно в пар.

Учителю

Разделяйте три модели: зависимость температуры кипения от давления; нагревание и парообразование при нормальном давлении с округлённым L; качественное движение пузырьков. Не объединяйте их в один неподписанный расчёт. Отмечайте абсолютное давление, чистую жидкость и постоянные условия. Формула Lm при постоянном давлении включает работу расширения; не называйте её только изменением кинетической энергии. Журнал подготавливает наблюдение, но не заменяет выполненную работу. Не проводите домашние опыты с герметично закрытой нагреваемой посудой или летучими горючими жидкостями.

Словарь RU / EN