Физика. 10 класс

В 8-м классе вы узнали, что у жидкости может быть много значений температуры кипения. Дело в том, что в жидкости всегда имеется растворённый в ней газ, с которым тесно связано кипение (рис. 60.1). Если нагревать на плите сосуд с водой, то у его стенок воздух начнёт выделяться в виде пузырьков. В эти пузырьки испаряется вода, поэтому в них в воздухе находится насыщенный водяной пар. С ростом температуры давление насыщенного пара увеличивается гораздо быстрее, чем давление остального газа. Поэтому можно считать, что давление внутри пузырьков в нагретой жидкости практически равно давлению насыщенного пара. На пузырьки, кроме силы тяжести их содержимого, действуют силы гидростатического давления воды и атмосферного давления воздуха. Однако если сосуд не слишком глубокий, то гидростатическое давление значительно меньше атмосферного и им можно пренебречь.

С ростом температуры объём пузырьков быстро увеличивается, что влечёт за собой увеличение выталкивающей силы. Когда сила Архимеда, действующая на пузырёк, становится больше силы тяжести его содержимого, он начинает всплывать (рис. 60.2). Достигнув поверхности жидкости, пузырьки лопаются, поскольку давление насыщенного пара, которым они заполнены, немного превышает внешнее давление. Пар выходит наружу — жидкость кипит. Таким образом, жидкость начинает кипеть при такой температуре, при которой давление насыщенного пара равно (точнее, чуть больше) внешнему давлению.

Если понижать давление над поверхностью жидкости, она будет кипеть при более низкой температуре. Так, например, при температуре 20 °C давление насыщенного водяного пара 2,338 кПа. Если, используя насос, понизить давление над поверхностью жидкости до этого значения, то вода закипит при комнатной температуре.

Понижение температуры кипения жидкости при уменьшении внешнего давления используют при работе холодильника. При нормальном атмосферном давлении жидкий фреон кипит при температуре около 30 °С. Уменьшая давление, температуру кипения фреона можно сделать ниже 0 °С. При работе компрессора в испарителе холодильника создаётся пониженное давление, и фреон начинает превращаться в пар, отнимая часть внутренней энергии от стенок камеры.

При увеличении внешнего давления температура кипения жидкости возрастает. Так, например, в кастрюлях-скороварках создаётся давление около 200 кПа, а температура кипения воды при этом достигает 120 °С. В таких условиях продолжительность приготовления пищи существенно сокращается.

Если же воду поместить в герметически закрытый сосуд, во всех частях которого температура одинакова, то она не закипит при нагревании до температуры кипения, равной при нормальном атмосферном давлении 100 °С. Действительно, в этом случае над водой находится её насыщенный пар, давление которого равно давлению внутри пузырьков. А, как отмечалось ранее, кипение жидкости начинается тогда, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков хотя бы немного превышает внешнее давление.

Отметим, что жидкость не будет кипеть, если каким-либо образом удалить из неё и со стенок равномерно прогретого сосуда воздух. Например, воду, подготовленную таким образом, можно нагреть выше 100 °С, однако она не закипит. Такую жидкость, температура которой выше температуры её кипения в обычных условиях, называют перегретой.

Перегретую жидкость используют в пузырьковых камерах для визуализации треков заряженных частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света.

С перегретой жидкостью необходимо обращаться очень осторожно. Любое возмущение (резкое перемещение сосуда, появление источника газа или какого-либо предмета в жидкости) может привести к её немедленному взрывообразному вскипанию.