Большая энциклопедия нефти и газа.

Если оставить незакрытым сосуд с водой, то через некоторое время вода испарится. Если проделать тот же опыт с этиловым спиртом или бензином, то процесс происходит несколько быстрее. Если кастрюлю с водой нагревать на достаточно мощной горелке, то вода закипит.

Все эти явления являются частным случаем парообразования превращения жидкости в пар. Существует два вида парообразования испарение и кипение.

Что такое испарение

Испарением называют парообразование с поверхности жидкости. Объяснить испарение можно следующим образом.

При соударениях скорости молекул меняются. Часто находятся молекулы, скорость которых настолько велика, что они преодолевают притяжение соседних молекул и отрываются от поверхности жидкости. (Молекулярное строение вещества). Так как даже в небольшом объёме жидкости очень много молекул, такие случаи получаются довольно часто, и идёт постоянный процесс испарения.

Отделившиеся от поверхности жидкости молекулы образуют над ней пар. Некоторые из них вследствие хаотического движения возвращаются обратно в жидкость. Поэтому испарение происходит быстрее, если есть ветер, так как он уносит пар в сторону от жидкости (здесь также имеет место явление «захвата» и отрыва молекул с поверхности жидкости ветром).

Поэтому же в закрытом сосуде испарение быстро прекращается: количество «оторвавшихся» за единицу времени молекул становится равно количеству «вернувшихся» в жидкость.

Интенсивность испарения зависит от рода жидкости: чем меньше притяжение между молекулами жидкости, тем интенсивнее испарение.

Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше молекул имеют возможность покинуть её. Значит, интенсивность испарения зависит от площади поверхности жидкости.

При повышении температуры скорости молекул возрастают. Поэтому чем выше температура, тем интенсивнее испарение.

Что такое кипение

Кипение это интенсивное парообразование, которое происходит в результате нагревания жидкости, образования в ней пузырьков пара, всплывающих на поверхность и разрывающихся там.

Во время кипения температура жидкости остаётся постоянной.

Температура кипения это температура, при которой жидкость кипит. Обычно, говоря о температуре кипения данной жидкости, подразумевают температуру, при которой эта жидкость кипит при нормальном атмосферном давлении.

При парообразовании молекулы, которые отделились от жидкости, уносят из неё часть внутренней энергии. Поэтому при испарении жидкость охлаждается.

Удельная теплота парообразования

Физическую величину, характеризующую количество теплоты, которое требуется для испарения единичной массы вещества, называют удельной теплотой парообразования . (по ссылке более подробный разбор этой темы)

В системе СИ единица измерения этой величины Дж/кг. Её обозначают буквой L.

Кипение – процесс интенсивного парообразования жидкости, включающий рождение пузырьков пара, их рост и движение к поверхности жидкости. Кипение, характеризующееся образованием пузырьков пара на поверхности соприкосновения жидкости с твердым телом, называется поверхностным. В реальных условиях мы всегда имеем дело с поверхностным кипением, которое происходит на границе между жидкостью и твердым телом, нагретым выше температуры кипения (нагреватель). При нагревании жидкости до начала кипения основная часть подводимой теплоты расходуется на нагревание, остальная – на испарение. Пусть температура дна сосуда T 1 , температура жидкости на свободной поверхности T 2 . До тех пор, пока температурный перепад невелик, теплота переносится в жидкой среде только путем теплопроводности. В этом случае, как мы знаем, стационарное распределение температуры в жидкости удовлетворяет одномерному уравнению теплопроводности (4.5.21). Решением этого уравнения является функция (4.5.23), т. е. температура жидкости падает линейно от дна сосуда (x = 0) до свободной поверхности (x = d ). При этом градиент температуры постоянен и равен (рис. 78, а ).

а б в

При дальнейшем повышении температуры дна сосуда T 1 растет и температурный градиент в жидкой среде. Когда последний достигнет определенной величины, возникает свободная конвекция, и теплота в жидкости начинает переноситься интенсивнее (свободная конвекция тепла возникает под действием архимедовых сил и заключается в переносе вертикально вверх масс более нагретой жидкости и опускании на ее место менее нагретой). Теперь стационарное распределение температуры определяется известным уравнением конвективного теплообмена

, (5.7.1)

где – скорость жидкости при конвекции, a – коэффициент темпера-туропроводности. Считая скорость жидкости в первом приближении постоянной, приходим к экспоненциальному убыванию температуры с высотой (рис. 78, б ). Это приводит к значительному увеличению градиента температуры в жидкости на границе с горячим дном, и, таким образом, увеличивается теплоотдача к жидкости. Пусть, наконец, температура дна стала столь значительной, что на его поверхности начинают возникать паровые пузырьки, которые постепенно увеличиваются, отрываются и всплывают. В жидкости устанавливается процесс кипения. Как показывают опыты, теплообмен в этом случае становится еще более интенсивным. Вследствие этого падение температуры жидкости вблизи горячей твердой поверхности будет происходить еще круче, чем при конвекции (рис. 78, в ).

Процесс поверхностного кипения начинается на дне сосуда, граничащего с нагревателем. В порах дна сосуда всегда имеется воздух или другой растворенный газ, который является генератором будущих пузырьков пара. По мере испарения жидкости внутрь пузырьков, давление пара в них повышается, пузырек начинает расти. Увеличение размеров пузырька происходит особенно быстро, когда при некоторой температуре T S давление p (T S ) насыщенного пара в нем становится равным или немного больше внешнего давления, т. е. p (T S ) = p внеш. Тогда пузырек отрывается от дна и под действием архимедовой силы поднимается к поверхности жидкости.

Внешнее давление p внеш слагается из атмосферного давления p 0 , гидростатического давления (ρ– плотность жидкости, h – глубина, на которой образуется пузырек) и давления Лапласа (R – радиус пузырька, – коэффициент поверхностного натяжения жидкости). Таким образом, процесс кипения начнется при условии, что давление насыщенных паров при данной температуре T S

Температуру T S жидкости, при которой давление p (T S ) ее насыщенного пара становится равным внешнему давлению p внеш на жидкость, называют температурой кипения этой жидкости. Из равенства

(5.7.3)

следует, что температура кипения является функцией внешнего давления. Поэтому сказать, что температура кипения данного вещества равна T S , без указания, при каком внешнем давлении она получена, некорректно.

Мы знаем, что давление насыщенного пара жидкости уменьшается при понижении температуры и увеличивается при ее повышении, следовательно, и температура кипения жидкости понижается при уменьшении внешнего давления и повышается при его увеличении. Таким образом, если некоторая функция выражает зависимость давления насыщенных паров от температуры, то функция, обратная ей, определяет зависимость температуры кипения от внешнего давления. Так как уравнение Клапейрона-Клаузиса

в дифференциальной форме выражает зависимость давления насыщенных паров от температуры, то уравнение

(5.7.4)

определяет в дифференциальной форме зависимость температуры кипе-

ния от внешнего давления, т. е. уравнение (5.7.4) является уравнением кривой кипения в дифференциальной форме. В этом уравнении dT – изменение температуры кипения жидкости при изменении внешнего давления на dp .

В заключение отметим: если продолжительным кипячением из жидкости удалить воздух или другой растворенный газ, то эту жидкость можно нагреть до температуры, значительно большей, чем температура ее кипения при данном внешнем давлении. Так, полученную жидкость называют перегретой. Если в перегретую жидкость внести неоднородности, к примеру, забросить в нее песчинки, в порах которых находится воздух, то жидкость бурно вскипает, напоминая взрыв.

73. Аморфное и кристаллическое состояние вещества. Симметрия твердых тел. Основные элементы симметрии твердых тел.

В физике различают аморфные и кристаллические твердые тела. По признаку сохранения формы аморфные тела относят к твердым, во всем остальном они не отличаются от жидкостей. Аморфные тела рассматривают как переохлажденные жидкости с аномально большим коэффициентом вязкости, благодаря которому они при обычной температуре не могут течь. Однако при повышении температуры они постепенно размягчаются, не имея определенной температуры плавления, и приобретают обычную для жидкостей способность течь. Свойства аморфных тел одинаковы по всем направлениям, т. е. они изотропны. К примеру, если из стекла (аморфное тело) изготовить шар, то его свойства окажутся одинаковыми в различных направлениях. Так, при сжатии его с одинаковой силой в разных направлениях, он будет уменьшаться на одинаковую величину. Если измерять теплопроводность стекла, нагревая шар сверху и охлаждая его снизу или нагревая слева и охлаждая справа, найдем, что теплопроводность стекла во всех направлениях также одинакова. Для лучей света, пронизывающих стекло по всем направлениям, показатель преломления также оказывается одинаковым. Если поместить стеклянный шар между двумя пластинами заряженного конденсатора и вращать шар вокруг его центра, то не будет отмечено никакого изменения емкости конденсатора; это значит, что диэлектрическая постоянная не зависит от направления электрического поля внутри его.

Совершенно иначе ведут себя кристаллические твердые тела. Кристаллы имеют определенную, зависящую от внешнего давления температуру плавления. Скорость распространения света, изотермический коэффициент сжатия, коэффициент теплопроводности, модуль упругости, диэлектрическая проницаемость и многие другие физические свойства кристалла сильно зависят от направления в нем.

Кристаллы можно получать различными способами, например, охлаждением жидкости. При таком охлаждении, если не принять специальных мер, в жидкой фазе возникает множество центров кристаллизации, вокруг которых происходит образование твердой фазы. Возникает множество мелких кристалликов, сливающихся друг с другом хаотически и образующих так называемый поликристалл. Хотя каждый из кристаллов, образующих поликристалл, анизотропен, но ввиду хаотичности ориентировки этих кристаллов поликристаллическое тело в целом является изотропным.

Если же в охлажденную жидкость ввести затравку – маленький кристаллик, то кристаллизация начнется на нем, и можно вырастить большой монокристалл правильной формы. Для этого необходимо, чтобы условия роста кристалла были одинаковы на всех его поверхностях, что может быть достигнуто вращением затравки в растворе. При выращивании больших монокристаллов металлов и полупроводников затравку очень медленно со скоростью несколько миллиметров в час выдвигают в вертикальном направлении из нагревательной печи.

Согласно закону, открытому в 1783 г. Роме де Лиллем, во всех кристаллах одного и того же вещества углы между соответственными гранями равны. Так, например, в кристаллах каменной соли (NaCl) все углы между гранями 90˚. Если из такого кристалла выточить шарик и поместить его в насыщенный раствор каменной соли, то кубическая форма кристалла будет стремиться восстановиться. Причиной такого восстановления формы кристаллов является хорошо известное условие устойчивости равновесия термодинамической системы: условие минимума потенциальной энергии. Для кристаллов это условие выражено в принципе, сформулированном Гиббсом, Кюри и Вульфом: поверхностная энергия должна быть минимальной. Этот минимум должен находиться при условии, что заданы углы между гранями кристалла.

При помещении кристалла в насыщенный раствор или в расплав между твердой и жидкой фазами устанавливается динамическое равновесие: атомы из твердой фазы переходят в жидкую фазу, а из жидкой – в твердую; но осаждение из жидкой фазы идет так, что образуется система с минимумом потенциальной энергии, т. е. образуется характерная для данного вещества форма кристалла и все бывшие нарушения этой формы исчезают, потому шарик в описанном опыте стремится превратиться вновь в кубическую структуру или другую характерную кристаллическую форму.

Если условия роста кристалла неодинаковы в разных точках его поверхности, то форма растущего кристалла может быть отлична от характерной формы, хотя углы между основными гранями остаются такими, как и при правильной форме.

Давайте рассмотрим второй всем известный способ образования пара – кипение. Продемонстрируем это явление на опыте. Возьмем открытый стеклянный сосуд с водой и будем его нагревать, измеряя при этом его температуру. При повышении температуры воды, ее испарение усиливается, а в некоторых случаях можно увидеть даже туман. Во время охлаждения, водяной пар в воздухе конденсируется, образуя при этом маленькие капельки (сам пар невозможно увидеть).

Если и дальше увеличивать температуру мы сможем увидеть появление небольших пузырьков на воде. Их размеры будут постепенно увеличиваться. Мы видим растворенные пузырьки воздуха, содержащиеся в воде. Во время нагревания, излишки воздуха выделяются из воды в виде пузырьков. Они содержат насыщенный водяной пар, потому что вода испаряется внутрь этих пузырьков воздуха.

Чем дольше мы нагреваем воду, тем крупнее и многочисленнее становятся пузырьки. С их ростом (пузырьков) увеличивается и сила Архимеда, выталкивающая сила, а затем они всплывают наружу. Обычно мы слышим шум, который предшествует кипению. Во время определенной температуры объем пузырьков, которые приближаются к поверхности жидкости, резко возрастает. При выходе на поверхность они лопаются, и насыщенный в них пар выходит наружу – вода кипит.

Кипением называется интенсивный переход жидкости в пар, во время которого начинается образование пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре. Не стоит забывать, что у разных жидкостей разная температура кипения. В отличие от процесса испарения, который может происходить при любой температуре, кипение в состоянии происходить только при определенной температуре, которая постоянна для каждой жидкости. Таким образом, к примеру, при парке пищи необходимо уменьшать огонь после вскипания воды. Можно сэкономить топливо, в то же время оставив температуру воды постоянной.

Температуру, во время которой жидкость вскипает, называют температурой кипения.

При кипении температура жидкости остается постоянной. Когда давление увеличивается, повышается и температура кипения жидкости (и наоборот). Выяснено, что давление воздуха уменьшается с увеличением высоты над уровнем моря. Таким образом, температура кипения жидкости с увеличением высоты также уменьшается.

Некоторые вещества, которые при обычных условиях пребывают в газообразном состоянии, при достаточно низкой температуре превращаются в жидкости, вскипающие при очень низкой температуре. Возьмем, к примеру, жидкий кислород, который при атмосферном давлении кипит при температуре – 183° С. Вещества, которые мы можем видеть в обычных условиях в твердом состоянии, при плавлении превращаются в жидкость, вскипающую при очень высокой температуре. Возьмем, к примеру, медь, которая кипит при 2567° С, или железо – при 2750° С.

Возможен ли процесс кипения в холодной воде? Если создать определенные условия то да. Проведем опыт. Вскипятим воду и нальем ее в колбу, закрыв ее сверху крышкой. Приступим к ее охлаждению путем полива холодной водой из крана. Удивительно, но на протяжении всего того времени, что мы будем ее поливать, вода внутри колбы будет продолжать кипеть. Спустя некоторое время, колба остынет настолько, что ее будет можно держать голыми руками, но вода в ней все еще будет кипеть, если мы продолжим поливать ее холодной водой. Процесс кипения происходит за счет того, что в колбе практически нет воздуха – его вытеснил пар. Во время того, как мы поливаем колбу холодной водой, пар охлаждается и конденсируется. Таким образом, в колбе образуется вакуум, пространство, которое разряжено. Давление воды, а также то давление, которое над водой понижается. Создаются подходящие условия для кипения, (образования пузырей с паром внутри воды).

Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – .
Первый урок – бесплатно!

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Наш мир живёт по законам, которые легко объяснимы благодаря законам химии и физики. О том, какой именно процесс произошёл с каким-то телом или веществом, можно судить по характеру изменений. А по каким признакам можно узнать, кипение воды - это физическое или химическое явление?

Характеристики явлений

Основным признаком всех физических явлений считается неизменность состава тел. Проще говоря, все вещества, которые участвовали в процессе, по его окончании сохраняют свой первоначальный состав. Изменяться может форма вещества или его агрегатное состояние. Например, состав воды остаётся одним и тем же, будь она в твёрдом, жидком либо парообразном состоянии. При понижении температуры вода может превратиться в лёд, а при повышении – снова перейти в жидкое состояние.

Во время химических реакций происходит превращение одних веществ в другие, и при этом приобретаются новые свойства.

Например, при сжигании бумаги, кроме золы, образуется некоторое количество влаги и углекислого газа. Причём получить бумагу обратно уже невозможно. Также сюда относится ржавление железа. Его реакция с кислородом, входящим в состав воздуха, ведёт к образованию оксида железа, который имеет совсем другие свойства, нежели первоначальный металл.

В отличие от физических явлений, химические протекают с изменением цвета, запаха, температуры, выделением различных газов. Каждое вещество имеет свой состав и обладает какими-то особенными свойствами. Одна из главных задач химии – изучение строения тел, а также особенностей их превращения во время реакций. Очень часто химические реакции осуществляются одновременно с физическими. Поэтому физические свойства тел зависят и от химических реакций, протекающих в них.

Что такое испарение

Процесс парообразования принято называть испарением. Объясняется оно таким образом. При ударах молекул друг о друга их скорость изменяется. Часто она увеличивается до такой степени, что превышает притяжение близлежащих молекул. Это позволяет молекуле, которая передвигается с большой скоростью, отрываться от поверхности. Следует сказать, что процесс парообразования является постоянным, независимо от температуры воздуха.

Молекулы, оторвавшиеся от поверхности, некоторое время находятся над ней в виде пара. Благодаря хаотичному движению определённое их количество может вернуться снова в воду. Поэтому на скорость испарения влияет ветер, который своей силой переносит пар в сторону. В закрытой ёмкости парообразование моментально прекращается, поскольку оторвавшиеся молекулы через определённое время снова попадают в воду.

Поскольку это явление не влияет на изменение состава, можно выразить сомнения относительно распространённого мнения, что испарение воды – это химический процесс. Скорость парообразования зависит также от следующих факторов:

Если притяжение молекул в жидкости понижается, то интенсивность парообразования возрастает.
С увеличением площади поверхности, занимаемой жидкостью, увеличивается и скорость испарения.
Повышенная температура оказывает существенное влияние на скорость движения молекул, а, следовательно, и на интенсивность парообразования.

Что такое кипение

Очень интересно происходит также кипение воды. Какое это явление? Его суть заключается в интенсивном парообразовании, происходящем во время повышения температуры жидкости, появлении в ней пара в виде пузырьков, которые, всплывая на поверхность, разрываются. При кипении температура воды не меняется, и этот градус называют температурой кипения.