Кипение и парообразование

Вода испарялась и до нагрева. Что нового происходит, когда в кастрюле начинают расти пузырьки пара? Почему в горах это начинается при меньшей температуре?

При обычном испарении молекулы покидают верхнюю поверхность воды. При кипении пар образуется также внутри жидкости, в растущих пузырьках: у каждого есть собственная граница жидкости и пара. Кипение — парообразование с образованием и ростом пузырьков пара в объёме жидкости. Маленькие пузырьки растворённого воздуха могут появляться ещё до кипения, поэтому наблюдение любого пузырька само по себе недостаточно.

Окружающая вода сдавливает пузырёк. Чтобы он устойчиво рос, давление внутри должно выдерживать это сжатие. Давление насыщенного пара увеличивается с температурой, поэтому нагрев делает рост возможным. В простой модели неглубокого сосуда начало кипения связывают с равенством давления пара давлению над жидкостью. На глубине добавляется давление столба воды, а для очень маленьких пузырьков существенно поверхностное натяжение.

Предскажи: если ослабить давление над водой, надо ли нагревать её так же сильно? Нет: пар сможет поддерживать пузырьки уже при меньшем давлении и, следовательно, меньшей температуре. Поэтому в горах вода кипит ниже 100 °C, а в скороварке при повышенном давлении — выше. Кипение не означает одну неизменную температуру для всех условий. Значение около 100 °C относится к чистой воде при обычном атмосферном давлении.

После начала кипения нагреватель продолжает передавать энергию. Она нужна, чтобы разделить частицы жидкости и увеличить объём вещества, вытесняя окружающую среду. Удельная теплота парообразования L — энергия для превращения 1 кг жидкости в пар при заданной температуре перехода; единица — Дж/кг. Чем больше L, тем больше энергия на одинаковую массу. При изменении условий кипения значение L тоже может измениться.

Для жидкости, уже находящейся при температуре кипения, каждый испаряющийся килограмм требует L джоулей: Q = Lm. Удвоение массы пара удваивает Q; при половине массы нужна половина энергии. Если за данный этап пар не образовался, его вклад Lm равен нулю. При постоянном давлении чистая кипящая жидкость остаётся примерно при той же температуре: усиление подвода энергии прежде всего ускоряет образование пара, пока жидкость не выкипела.

Что будет при обратном переходе? Когда пар конденсируется в жидкость в тех же условиях, он отдаёт энергию с модулем Lm. Это энергия перехода, которую ранее требовалось подвести. Если затем полученная жидкость охлаждается, она отдаёт дополнительную энергию по cmΔT со знаком минус для жидкости. Не объединяй эти этапы одной формулой: конденсация меняет состояние, последующее охлаждение — температуру.

Начнём с холодной воды и захотим получить только часть её массы в виде пара. Сначала энергию cmΔT получает вся нагреваемая вода. Затем энергия Lm расходуется на ту массу, которая действительно испарилась. Вклады складывают, а при испарении всей воды массы этапов совпадают. Если часть энергии уходит в сосуд и воздух, источник должен передать больше. Пренебрегать этими потерями можно лишь в принятой модели задачи.

Нужно превратить в пар 0,2 кг воды при температуре кипения. L = 2,3 МДж/кг. Найдите теплоту.

Вода уже при температуре кипения. Поэтому энергия нужна только для перехода 0,2 кг жидкости в пар, без предварительного нагревания.

Q = Lm = 2,3·0,2 = 0,46 МДж = 460 кДж. Проверка единиц: МДж/кг · кг = МДж.

Масса составляет пятую часть килограмма, поэтому и энергия составляет пятую часть 2,3 МДж. Постоянство температуры этому не противоречит: меняются состояние и объём воды.

460 кДж. Эта энергия превращает указанную порцию кипящей воды в пар при заданных условиях.

Пузырьки пара растут, когда их внутреннее давление может выдержать окружающее давление.

Температура кипения зависит от давления, поэтому 100 °C — значение для определённых условий.

Q = Lm считает энергию перехода нужной массы в пар; предварительный нагрев и потери учитывают отдельно.

Расширяющийся пар может толкать поршень или лопатки. Следующий урок свяжет тепловые процессы с механической работой.