§ 27.  ЗАВИСИМОСТЬ ДАВЛЕНИЯ НАСЫЩЕННОГО ПАРА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ. КИПЕНИЕ.

Пар – это газ, образованный испарившимися молекулами жидкости, и поэтому для него справедливо уравнение (23.7), связывающее давление пара, p, концентрацию молекул в нём, n и абсолютную температуру, T:

p = nkT.                             (27.1)

Из (27.1) следует, что давление насыщенного пара должно увеличиваться линейно с ростом температуры, как это имеет место у идеальных газов при изохорных процессах (см. §25). Однако, как показали измерения, давление насыщенного пара растёт с температурой гораздо быстрее, чем давление идеального газа (см. рис.27а). Происходит это из-за того, что с ростом температуры, а значит, и средней кинетической энергии, всё больше и больше  молекул жидкости покидают её, увеличивая концентрацию, n пара над ней. А т.к. согласно (27.1) давление пропорционально n, то это увеличение концентрации пара и объясняет более быстрый рост давления насыщенного пара с температурой, по сравнению с идеальным газом. Рост давления насыщенных паров с температурой объясняет известный всем факт – при нагревании жидкости испаряются быстрее. Отметим, что, как только рост температуры приведёт к полному испарению жидкости, пар станет ненасыщенным, а зависимость его давления от температуры превратится в прямую, пересекающую ось абсцисс при T = 0 ^оС. (см. рис.27б).

Кипением называют образование большого числа пузырьков пара, всплывающих и лопающихся на поверхности жидкости при её нагревании. На самом деле, эти пузырьки присутствуют в жидкости всегда, но их размеры растут, и они становятся заметны только при кипении. Одна из причин того, что в жидкости всегда есть микропузырьки, следующая. Жидкость, когда её наливают в сосуд, вытесняет оттуда воздух, но полностью этого сделать не может, и маленькие его пузырьки остаются в микротрещинах и неровностях внутренней поверхности сосуда. Кроме того, в жидкостях обычно содержатся микропузырьки пара и воздуха, прилипшие к мельчайшим частицам пыли.

При нагревании жидкости в каждом из пузырьков процесс испарения ускоряется, а давление насыщенного пара растёт. Пузырьки расширяются и под действием выталкивающей силы Архимеда отрываются от дна, всплывают и лопаются на поверхности. При этом пар, наполнявший пузырьки, уносится в атмосферу. Поэтому кипение и называют испарением, происходящим во всём объёме жидкости. Кипение начинается при той температуре, когда пузырьки газа имеют возможность расширяться, а это происходит, если давление насыщенного пара превышает атмосферное давление. Таким образом, температура кипения – это температура, при которой давление насыщенного пара данной жидкости равно атмосферному давлению. Пока жидкость кипит её температура остаётся постоянной.

Чем меньше атмосферное давление, тем при более низкой температуре кипит данная жидкость (см. рис.27в). Так, на вершине горы Эльбрус, где давление воздуха в два раза меньше нормального, обычная вода кипит не при 100 ^оС, а при 82 ^оС. Наоборот, если необходимо повысить температуру кипения жидкости, то её нагревают при повышенном давлении. На этом, например, основана работа скороварок, где еда, содержащая воду, может вариться при температуре более 100 ^оС, не закипая.

Даже при нормальном атмосферном давлении разные жидкости кипят при разных температурах, например, ацетон – при 56 ^оС, а этиловый спирт при 78 ^оС. Температура кипения железа – 2800 ^оС, а вольфрама – 6000 ^оС. То, что жидкости кипят при разных температурах, используется в получении различных нефтепродуктов из нефти путём её нагревания, т.к. весь бензин, например, испаряется из нефти раньше, чем масла и мазут.

 Процесс кипения невозможен без участия архимедовой выталкивающей силы. Поэтому на космических станциях в условиях невесомости кипения нет, а нагрев воды приводит только к увеличению размеров пузырьков пара и их объединению в один большой паровой пузырь внутри сосуда с водой.          

Вопросы для повторения:

·        Как давление насыщенных и ненасыщенных паров зависит от температуры?

·        Что такое кипение, и при какой температуре оно происходит?

·        Как зависит температура кипения от атмосферного давления?

Рис. 27. (а)- зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры; (б) – зависимость давления водяного пара от температуры до (слева от синего пунктира) и после того, как вся вода испарилась; (в) – жидкость, кипящая на горелке (слева), остывшая (середина) и закипающая вновь при уменьшении давления воздуха в колбе (справа).