§ 21. Кипение

МЕХАНИЗМ КИПЕНИЯ: ОТ МИКРОПУЗЫРЬКОВ К БУРНОМУ ВСКИПАНИЮ

В отличие от медленного и спокойного испарения, которое происходит исключительно с открытой свободной поверхности жидкости при любой температуре, при нагревании воды в прозрачной колбе на огне разворачивается совершенно иная, динамичная картина.

В толще воды и на шероховатых стенках сосуда всегда присутствуют микроскопические пузырьки растворённого воздуха. При непрерывном нагревании вода испаряется со стенок внутрь этих микрополостей, и они заполняются водяным паром, который при данной температуре является насыщенным.

Дальнейшее развитие событий подчиняется строгим законам физики:

• С ростом температуры жидкости давление насыщенного пара внутри каждого пузырька стремительно возрастает.
• В тот момент, когда внутреннее давление пара превышает внешнее давление (складывающееся из атмосферного давления воздуха и гидростатического давления вышележащего столба воды), пузырьки начинают быстро раздуваться в объёме.
• С увеличением объёма пузырька возрастает действующая на него выталкивающая сила Архимеда. Когда она превосходит силу сцепления со стенкой, пузырёк отрывается ото дна и устремляется вверх.
• Почему шумит чайник перед закипанием? Пока верхние слои воды ещё не успели прогреться, поднимающийся пузырёк попадает в холодную зону. Пар внутри него остывает и мгновенно конденсируется, давление внутри падает, и пузырёк с силой схлопывается под внешним давлением воды. Миллиарды таких микроскопических схлопываний порождают характерный нарастающий шум чайника перед закипанием.
• Когда вся масса воды равномерно прогревается до предельной температуры, пузырьки беспрепятственно достигают поверхности, лопаются и выбрасывают пар в воздух. Начинается бурное кипение.

• Кипение — это интенсивный процесс парообразования, происходящий по всему объёму жидкости внутрь образующихся пузырьков пара при постоянной температуре.

ГРАФИК КИПЕНИЯ И ПОСТОЯНСТВО ТЕМПЕРАТУРЫ

Если непрерывно измерять температуру нагреваемой воды и построить график её зависимости от времени, мы увидим два принципиально разных участка:

1. Наклонная прямая нагревания: температура воды равномерно возрастает от начальной комнатной температуры до 100 °C (при нормальном атмосферном давлении). На этом этапе подводимое тепло идёт на увеличение средней кинетической энергии теплового движения молекул воды.
2. Горизонтальное температурное плато: как только вода закипает, столбик термометра замирает строго на отметке 100 °C. Сколько бы мы ни усиливали пламя горелки, температура кипящей воды и образующегося над ней пара не поднимется ни на долю градуса, пока вся вода полностью не превратится в пар!

Куда же исчезает колоссальное количество теплоты, непрерывно передаваемое воде пламенем горелки?

При кипении температура остаётся неизменной, а значит, средняя кинетическая энергия теплового движения молекул не меняется. Вся подводимая энергия целиком расходуется на увеличение потенциальной энергии молекул — на совершение работы против сил межмолекулярного сцепления (разрыв связей между молекулами жидкости и удаление их друг от друга на большие расстояния) и на работу расширения пара против внешнего давления.

Именно поэтому внутренняя энергия водяного пара всегда значительно больше внутренней энергии жидкой воды той же массы при той же температуре 100 °C. Этим фундаментальным фактом объясняется исключительно тяжёлый характер ожогов стоградусным паром по сравнению с ожогами кипятком.

УСЛОВИЕ КИПЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ РАЗНЫХ ВЕЩЕСТВ

Пузырёк пара может существовать и расти в толще жидкости лишь при строгом балансе сил:

• Кипение происходит при такой температуре, при которой давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным внешнему давлению на жидкость (или слегка превышает его).

Температуру, при которой жидкость кипит при постоянном нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст. или 101 325 Па), называют температурой кипения.

У каждого вещества температура кипения строго индивидуальна и определяется силой притяжения между его молекулами:

• Легколетучие жидкости: эфир кипит уже при 35 °C, а чистый медицинский спирт — при 78 °C. В них силы сцепления между частицами относительно слабы, поэтому давление насыщенного пара достигает атмосферного уже при слабом подогреве.
• Сжиженные газы: у жидкого кислорода температура кипения составляет -183 °C, у азота -196 °C, а жидкий водород кипит при экстремальных -253 °C.
• Жидкие металлы: ртуть закипает при 357 °C, свинец — при 1740 °C, медь — при 2567 °C, а железо требует нагрева до гигантских 2750 °C из-за мощнейших сил межатомного сцепления в металлической решётке.

ЗАВИСИМОСТЬ КИПЕНИЯ ОТ ВНЕШНЕГО ДАВЛЕНИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Поскольку главным физическим условием кипения является равенство давления насыщенного пара внешнему давлению, любое изменение внешнего давления немедленно сдвигает температуру кипения:

• При понижении внешнего давления температура кипения падает.

Высоко в горах плотность воздуха и атмосферное давление существенно ниже, чем у подножия. На склонах высочайшей вершины России — горы Эльбрус (высота около 5600 м) — вода закипает уже при температуре 82 °C. В такой кипящей воде невозможно сварить яйцо или мясо, так как белок при 82 °C сворачивается крайне медленно. В глубоком вакууме воду можно заставить бурно кипеть даже при комнатной температуре 20 °C.

• При повышении внешнего давления температура кипения возрастает.

Если закрыть сосуд герметичной крышкой, образующийся пар не сможет выйти наружу, давление в сосуде возрастёт в несколько раз, и вода закипит при температуре значительно выше 100 °C.

Практическое применение в технике, медицине и кулинарии:

• Скороварки: В герметично запертой кухонной скороварке давление пара достигает 2 атмосфер, вода кипит при температуре около 120 °C, благодаря чему жесткое мясо, бобовые и овощи развариваются в 3–4 раза быстрее, сохраняя витамины.
• Медицинские автоклавы: В автоклавах при повышенном давлении вода кипит при температуре до 135 °C. Горячий пар такой температуры мгновенно уничтожает любые болезнетворные микроорганизмы и споры бактерий, что незаменимо при стерилизации хирургических инструментов и перевязочных материалов.
• Дробная перегонка (дистилляция): Сырая нефть представляет собой сложную смесь углеводородов с различными температурами кипения. При постепенном ступенчатом нагревании нефти первыми закипают и испаряются самые летучие фракции (бензин, лигроин), затем керосин и соляровые масла, а в остатке остаётся густой тяжёлый мазут. Охлаждая и конденсируя улавливаемые пары в ректификационных колоннах, получают очищенные нефтепродукты. Аналогично разделяют жидкий воздух на чистый кислород и азот.