-->
|
|
|
Ãëàâíàÿ >> Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà. Òåðìîäèíàìèêà. Ôèçèêà 10 êë. Ìÿêèøåâ |
|
Ãëàâà 6. Âçàèìíûå ïðåâðàùåíèÿ æèäêîñòåé è ãàçîâ § 6.5. Êèïåíèå
Íàëüåì â ñòåêëÿííóþ êîëáó âîäó è ñòàíåì åå íàãðåâàòü. Ñêîðî äíî è ñòåíêè êîëáû ïîêðîþòñÿ ïóçûðüêàìè. Ïîÿâëåíèå ýòèõ ïóçûðüêîâ îáúÿñíÿåòñÿ âûäåëåíèåì âîçäóõà, ðàñòâîðåííîãî â âîäå.  âîäå (à òàêæå â ëþáîé äðóãîé æèäêîñòè) âñåãäà èìååòñÿ íåêîòîðîå êîëè÷åñòâî ðàñòâîðåííîãî âîçäóõà. Ýòèì âîçäóõîì äûøàò ðûáû è äðóãèå æèâûå ñóùåñòâà, îáèòàþùèå â âîäå. ×àùå âñåãî ïóçûðüêè çàðîæäàþòñÿ â ìàëåíüêèõ òðåùèíêàõ íà äíå ñîñóäà. Òàê êàê âíóòðè êàæäîãî ïóçûðüêà ïðîèñõîäèò èñïàðåíèå âîäû, òî, êðîìå âîçäóõà, ïóçûðüêè ñîäåðæàò íàñûùåííûå ïàðû âîäû. Ïðè ïîâûøåíèè òåìïåðàòóðû ïóçûðüêè, çàïîëíåííûå âîçäóõîì è ïàðîì, óâåëè÷èâàþòñÿ â ðàçìåðàõ è ñòàíîâÿòñÿ ìíîãî÷èñëåííåå. Ïðîñëåäèì çà ðîñòîì îäíîãî èç ïóçûðüêîâ, îáðàçîâàâøåãîñÿ íà äíå ñîñóäà. Êîãäà ïóçûðåê ñäåëàåòñÿ äîñòàòî÷íî áîëüøèì (ðèñ. 6.10, à), äåéñòâóþùàÿ íà íåãî âûòàëêèâàþùàÿ (àðõèìåäîâà) ñèëà ñî ñòîðîíû âîäû çàñòàâëÿåò åãî îòîðâàòüñÿ, ïîäîáíî òîìó êàê îòðûâàåòñÿ ñëèøêîì òÿæåëàÿ êàïëÿ âîäû, ïîâèñøàÿ íà êðûøå. Ïðè ýòîì ìåæäó ïóçûðüêîì è äíîì ñîñóäà îáðàçóåòñÿ âñå ñóæèâàþùàÿñÿ âîçäóøíàÿ ïåðåìû÷êà (ðèñ. 6.10, á), è íàêîíåö ïóçûðåê îòðûâàåòñÿ, îñòàâëÿÿ ó äíà íåáîëüøîå êîëè÷åñòâî âîçäóõà, èç êîòîðîãî ñ òå÷åíèåì âðåìåíè ðàçîâüåòñÿ íîâûé ïóçûðåê. Ïîäíèìàþùèéñÿ ïóçûðåê, ïîïàäàÿ â âåðõíèå, áîëåå õîëîäíûå ñëîè âîäû, óìåíüøàåòñÿ â ðàçìåðå, òàê êàê ñîäåðæàùèéñÿ â íåì ïàð êîíäåíñèðóåòñÿ (ðèñ. 6.10, â). Äàâëåíèå ñòðåìèòåëüíî ïàäàåò, è ïóçûðåê çàõëîïûâàåòñÿ. Çàõëîïûâàíèå ïðîèñõîäèò íàñòîëüêî áûñòðî, ÷òî ñòåíêè ïóçûðüêà, ñòàëêèâàÿñü, ïðîèçâîäÿò íå÷òî âðîäå ìàëåíüêîãî âçðûâà. Ìíîæåñòâî òàêèõ ìèêðîâçðûâîâ ñîçäàåò õàðàêòåðíûé øóì. Çàêèïàþùàÿ âîäà øóìèò. Äðóãîé, ìåíåå ñóùåñòâåííîé ïðè÷èíîé øóìà ÿâëÿþòñÿ êîëåáàíèÿ æèäêîñòè, âîçíèêàþùèå ïðè îòðûâå ïóçûðüêîâ îò äíà ñîñóäà. Íàêîíåö, êîãäà âñÿ âîäà äîñòàòî÷íî ïðîãðååòñÿ, ïîäíèìàþùèåñÿ ïóçûðüêè óæå íå áóäóò óìåíüøàòüñÿ â ðàçìåðàõ è äîñòèãàþò ïîâåðõíîñòè, âûáðàñûâàÿ ïàð âî âíåøíåå ïðîñòðàíñòâî (ðèñ. 6.10, ã). Øóì ïðè ýòîì ïðåêðàùàåòñÿ è íà÷èíàåòñÿ «áóëüêàíüå» — âîäà çàêèïåëà. Òàêèì îáðàçîì, êèïåíèå — ýòî ïåðåõîä æèäêîñòè â ïàð, ïðîèñõîäÿùèé ñ îáðàçîâàíèåì ïóçûðüêîâ ïàðà ïî âñåìó îáúåìó æèäêîñòè èëè íà ïîâåðõíîñòè ñîñóäà. Òåðìîìåòð, ïîìåùåííûé â ïàð íàä êèïÿùåé âîäîé, âñå âðåìÿ, ïîêà âîäà êèïèò, ïîêàçûâàåò îäíó è òó æå òåìïåðàòóðó (îêîëî 100 °Ñ). Ýòà òåìïåðàòóðà íå èçìåíèòñÿ, ïîêà âñÿ âîäà íå âûêèïèò. Î÷åâèäíî, ïðè êèïåíèè äàâëåíèå ïàðîâ*, îáðàçóþùèõñÿ âíóòðè ïóçûðüêîâ ó äíà ñîñóäà, òàêîâî, ÷òî ïóçûðüêè ìîãóò ðàñøèðÿòüñÿ, ïðåîäîëåâàÿ àòìîñôåðíîå äàâëåíèå, à òàêæå äàâëåíèå ñòîëáà âîäû. Òàêèì îáðàçîì, êèïåíèå ïðîèñõîäèò ïðè òàêîé òåìïåðàòóðå, êîãäà äàâëåíèå íàñûùåííûõ ïàðîâ ñðàâíèâàåòñÿ ñ äàâëåíèåì âíóòðè æèäêîñòè. Òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ îïðåäåëÿåòñÿ, ñëåäîâàòåëüíî, äàâëåíèåì íàñûùåííîãî ïàðà, à çíà÷èò, åãî òåìïåðàòóðîé. Òåìïåðàòóðà ïàðà êèïÿùåé æèäêîñòè è åñòü òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ. * Äàâëåíèå âîçäóõà âíóòðè ïóçûðüêîâ î÷åíü ìàëî, ïîýòîìó èì ìîæíî ïðåíåáðå÷ü. Ãëàâíóþ ðîëü èãðàåò äàâëåíèå ïàðà âíóòðè ïóçûðüêîâ.
Çàâèñèìîñòü òåìïåðàòóðû êèïåíèÿ æèäêîñòè îò äàâëåíèÿÈç ïðèâåäåííûõ ðàññóæäåíèé ÿñíî, ÷òî òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ æèäêîñòè äîëæíà çàâèñåòü îò âíåøíåãî äàâëåíèÿ. Íàáëþäåíèÿ ïîäòâåðæäàþò ýòî. ×åì áîëüøå âíåøíåå äàâëåíèå, òåì âûøå òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ. Òàê, â ïàðîâîì êîòëå ïðè äàâëåíèè, äîñòèãàþùåì 1,6 • 106 Ïà, âîäà íå êèïèò è ïðè òåìïåðàòóðå 200 °Ñ.  ìåäèöèíñêèõ ó÷ðåæäåíèÿõ êèïåíèå âîäû â ãåðìåòè÷åñêè çàêðûòûõ ñîñóäàõ — àâòîêëàâàõ (ðèñ. 6.11) òàêæå ïðîèñõîäèò ïðè ïîâûøåííîì äàâëåíèè. Ïîýòîìó òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ çíà÷èòåëüíî âûøå 100 °Ñ. Àâòîêëàâû ïðèìåíÿþò äëÿ ñòåðèëèçàöèè õèðóðãè÷åñêèõ èíñòðóìåíòîâ, ïåðåâÿçî÷íîãî ìàòåðèàëà è ò. ä.
È íàîáîðîò, óìåíüøàÿ âíåøíåå äàâëåíèå, ìû òåì ñàìûì ïîíèæàåì òåìïåðàòóðó êèïåíèÿ. Ïîä êîëîêîëîì âîçäóøíîãî íàñîñà ìîæíî çàñòàâèòü âîäó êèïåòü ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå (ðèñ. 6.12). Ïðè ïîäúåìå â ãîðû àòìîñôåðíîå äàâëåíèå óìåíüøàåòñÿ, ïîýòîìó óìåíüøàåòñÿ òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ. Íà âûñîòå 7134 ì (ïèê Ëåíèíà íà Ïàìèðå) äàâëåíèå ïðèáëèæåííî ðàâíî 4 • 104 Ïà (300 ìì ðò. ñò.). Âîäà êèïèò òàì ïðèìåðíî ïðè 70 °Ñ. Ñâàðèòü, íàïðèìåð, ìÿñî â ýòèõ óñëîâèÿõ íåâîçìîæíî.
Íà ðèñóíêå 6.13 èçîáðàæåíà êðèâàÿ çàâèñèìîñòè òåìïåðàòóðû êèïåíèÿ âîäû îò âíåøíåãî äàâëåíèÿ. Ëåãêî ñîîáðàçèòü, ÷òî ýòà êðèâàÿ ÿâëÿåòñÿ îäíîâðåìåííî è êðèâîé, âûðàæàþùåé çàâèñèìîñòü äàâëåíèÿ íàñûùåííîãî âîäÿíîãî ïàðà îò òåìïåðàòóðû. Ðàçëè÷èå òåìïåðàòóð êèïåíèÿ æèäêîñòåéÓ êàæäîé æèäêîñòè ñâîÿ òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ. Ðàçëè÷èå òåìïåðàòóð êèïåíèÿ æèäêîñòåé îïðåäåëÿåòñÿ ðàçëè÷èåì â äàâëåíèè èõ íàñûùåííûõ ïàðîâ ïðè îäíîé è òîé æå òåìïåðàòóðå. Íàïðèìåð, ïàðû ýôèðà óæå ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå èìåþò äàâëåíèå, áîëüøåå ïîëîâèíû àòìîñôåðíîãî. Ïîýòîìó, ÷òîáû äàâëåíèå ïàðîâ ýôèðà ñòàëî ðàâíûì àòìîñôåðíîìó, íóæíî íåáîëüøîå ïîâûøåíèå òåìïåðàòóðû (äî 35 °Ñ). Ó ðòóòè æå íàñûùåííûå ïàðû èìåþò ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå ñîâñåì íè÷òîæíîå äàâëåíèå. Äàâëåíèå ïàðîâ ðòóòè äåëàåòñÿ ðàâíûì àòìîñôåðíîìó òîëüêî ïðè çíà÷èòåëüíîì ïîâûøåíèè òåìïåðàòóðû (äî 357 °Ñ). Èìåííî ïðè ýòîé òåìïåðàòóðå, åñëè âíåøíåå äàâëåíèå ðàâíî 105 Ïà, è êèïèò ðòóòü. Ðàçëè÷èå òåìïåðàòóð êèïåíèÿ âåùåñòâ íàõîäèò áîëüøîå ïðèìåíåíèå â òåõíèêå, íàïðèìåð ïðè ðàçäåëåíèè íåôòåïðîäóêòîâ. Ïðè íàãðåâàíèè íåôòè ðàíüøå âñåãî èñïàðÿþòñÿ íàèáîëåå öåííûå, ëåòó÷èå åå ÷àñòè (áåíçèí), êîòîðûå ìîæíî òàêèì îáðàçîì îòäåëèòü îò «òÿæåëûõ» îñòàòêîâ (ìàñåë, ìàçóòà).
|
|
|