Кипение и конденсация

Рост давления насыщенного пара с температурой при фиксированном внешнем давлении приводит к тому, что при некоторой температуре давление насыщенного пара становится больше внешнего давления. Например, при подведении тепла к жидкости извне происходит парообразование с возникновением пузырьков пара – кипение. Пузырьки пара могут образовываться только в тех местах, где жидкости передается теплота (правда, если жидкость перегрета, то она сама может быть источником теплоты). При кипячении воды на огне или электроплитке парообразование происходит на дне и стенках сосуда, через которые к воде подводится теплота. В микроволновой печке энергия подводится в самом объеме жидкости, значит кипение, то есть образование и рост пузырей пара, может происходить в объеме жидкости. При пропускании тока через проводящую ток жидкость (электролит) или твердое тело теплота тоже выделяется в объеме тела, значит и в этом случае возможно кипение «в объеме». Наконец самый эффектный способ заставить горячую воду кипеть «в объеме» – снизить внешнее давление.

Условие роста пузырька пара в жидкости на глубине h:

Р_нп>Р_Атм+ρgh+2σ_ж/R_Пузыря.

Если нагреваемая жидкость тщательно очищена от пузырьков, которые выступают «зародышевыми» центрами кипения, то её можно нагреть до температуры, значительно превышающей ту, при которой давление насыщенного пара над плоской поверхностью жидкости равно внешнему (например, атмосферному) давлению. Эта возможность объясняется наличием последнего (третьего) члена в правой части уравнения. Жидкость в таких условиях называется перегретой. Практически можно получить перегретую воду длительным кипячением дистиллированной воды. Её температура при нормальном атмосферном давлении может быть на 1 - 10 градусов выше 100°С.

Перегретую жидкость получают снижением внешнего давления в так называемых пузырьковых камерах, предназначенных для регистрации энергичных микрочастиц. Такая частица, пролетая сквозь перегретую жидкость, разбивает атомы и молекулы вещества на «осколки». Энергия осколков передается молекулам ближайшего окружения. Иногда её хватает на то, чтобы «разогреть» жидкость локально до такой «температуры», что в разогретом месте рождается пузырек пара. Часть полученной энергии идет на совершение работы против сил внутреннего давления. Работа равна произведению этого давления на объем пузырька. Если начальный объем возникшего пузырька достаточно велик, то пузырек уже не схлопнется, а будет расти. Цепочка пузырьков отмечает траекторию движения энергичной (обычно заряженной) частицы в перегретой жидкости. Дальнейший рост размеров пузырьков происходит за счет тепла самой перегретой жидкости. Самое главное, успеть вовремя сфотографировать возникшую цепочку в тот момент, когда размеры растущих пузырьков достаточны для регистрации, но не слишком велики.

Обратный процесс конденсации молекул пара при понижении температуры тоже происходит при выполнении аналогичного условия:

Р_пара >Р_нп + 2σ_п/R.

Здесь Р_нп – давление насыщенного пара при данной температуре над плоской поверхностью жидкости, величина 2σ_п/R соответствует избыточному давлению пара над кривой (выпуклой) поверхностью, а R - это радиус кривизны уже существующих капелек жидкости. Понятно, что на единицу поверхности капельки с большим радиусом кривизны при данной концентрации молекул пара будет конденсироваться больше молекул, чем на «мелкие» капельки.

Именно поэтому в эксперименте с запотевшим стеклом, если накрыть это стекло непроницаемой для молекул крышкой, крупные капельки увеличиваются в размерах, а мелкие «усыхают» и исчезают. Если крышка прозрачна, то за поведением капелек следить очень просто.

Наши дома отделены от наружного (холодного зимой) воздуха оконными стеклами. Температура внутри больше, чем снаружи. Значит, давление водяных паров внутри может быть больше, чем давление насыщенного водяного пара, соответствующее температуре поверхности стекла внутри комнаты. Из-за этого на внутренней стороне оконного стекла может начаться конденсация водяных паров – стекло запотевает. Особенно легко возникает такое запотевание, если в комнате помыли (намочили) полы или развесили сушиться мокрое белье.

Итак, условие кипения жидкости и условие конденсации пара включают наличие пузырьков-зародышей и капелек-центров конденсации. Отсутствие того или другого приводит к тому, что жидкость может быть перегрета, а пар может быть пересыщен. Оба эти состояния вещества являются неустойчивыми и появление зародышей приводит к расслоению вещества на фазы: конденсированную и газообразную.

Дата добавления: 2014-11-20; просмотров: 245; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!