Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
С увеличением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чем давление идеального газа. Так происходит потому, что с увеличением температуры давление насыщенного пара растет не только вследствие увеличения средней кинетической энергии молекул, но и вследствие увеличения концентрации п молекул, т. е. плотности пара, за счет перехода части вещества из жидкой фазы в газообразную. Именно увеличение концентрации молекул насыщенного пара и является главной причиной роста давления с температурой.
Когда вся жидкость в закрытом сосуде испарится, пар при дальнейшем нагревании перестанет быть насыщенным, и его давление при постоянном объеме будет возрастать пропорционально термодинамической температуре, как и у идеального газа.
Кипение. По мере увеличения температуры интенсивность испарения жидкости в открытом сосуде увеличивается. Наконец, при некоторой температуре жидкость начинает кипеть: по всему ее объему образуются быстро растущие пузырьки пара, поднимающиеся на поверхность. Это значит, что при кипении испарение жидкости происходит не только с ее открытой поверхности, но и внутрь пузырьков. Ясно, что рост пузырьков за счет испарения в них возможен лишь при такой температуре, когда давление внутри пузырька, т. е. дав-
212
V. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
ление насыщенного пара, становится равным давлению жидкости на данной глубине. Поэтому температура кипения жидкости зависит от внешнего давления. На высоте 7 км над уровнем моря температура кипения воды составляет примерно 70 °С. Наоборот, температура кипения в герметически закрытых автоклавах, где поддерживается повышенное давление, значительно выше 100 °С.
Интересными особенностями обладает кипение на границе не-смешивающихся жидкостей. Их можно продемонстрировать следующим простым опытом. В стеклянный сосуд наливают некоторое количество четыреххлористого углерода (СС14), а сверху слой воды. При нормальном атмосферном давлении вода кипит при 100 °С, а четыреххлористый углерод — при 76,7 °С. Если медленно нагревать сосуд в водяной бане, то но границе раздела этих несмешивающихся жидкостей кипение начинается при 65,5 °С! Как объяснить это явление?
Кипение наступает, когда давление насыщенного пара сравняется с давлением в жидкости на той глубине, где образуется пузырек. Давление жидкости складывается из атмосферного давления и гидростатического давления столба жидкости. Если высота столба жидкости в сосуде несколько сантиметров, то гидростатическое давление составляет несколько тысячных от нормального атмосферного и его можно не принимать во внимание. Давление насыщенных паров жидкости определяется ее температурой. В воде пузырьки содержат только пары воды, при 100 °С давление насыщенного пара воды равно нормальному атмосферному. В четыреххлористом углероде пузырьки содержат только пары СС14, и давление насыщенных паров равно атмосферному при 76,7 °С.
На границе раздела этих жидкостей пузырьки содержат как пары СС14, так и пары воды. Давление в этих пузырьках, на основании закона Дальтона, равно сумме парциальных давлений паров воды и СС14. Поэтому давление, равное атмосферному, устанавливается в пузырьках, находящихся на границе, при температуре, меньшей 76,7 °С. При этой температуре и начинается кипение на границе раздела. Опыт показывает, что это происходит при температуре 65,5 °С. Эту температуру можно установить без опыта, подбирая такую температуру по таблицам зависимости давления насыщенных паров воды и СС14 от температуры, при которой сумма давлений равна атмосферному. При 65,5 °С давление паров воды составляет 192 мм рт. ст., а давление паров СС14 — 568 мм рт. ст. Используя эти цифры, можно сделать вывод, что в каждом пузырьке, образовавшемся на границе раздела, молекул СС14 будет почти в три раза больше, чем молекул воды. А так как и масса молекулы четыреххлористого углерода в девять раз больше массы молекулы воды, то его испарение происходит почти в 25 раз быстрее, чем испарение воды. Наблюдая кипение в пограничном слое в течение не-
§ 25. ГАЗЫ, ЖИДКОСТИ, ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ
213
которого времени, можно убедиться, что нижний слой СС14 выкипает значительно быстрее, чем верхний слой воды.
Центры парообразования. Для процесса кипения необходимо, чтобы в жидкости существовали неоднородности — зародыши газообразной фазы, играющие роль центров парообразования. Обычно в жидкости присутствуют растворенные газы, которые выделяются пузырьками на дне и стенках сосуда и на взвешенных в жидкости пылинках. При нагревании эти пузырьки увеличиваются как за счет уменьшения растворимости газов с температурой, так и за счет испарения в них жидкости. Увеличившиеся в объеме пузырьки всплывают под действием архимедовой выталкивающей силы. Если верхние слои жидкости имеют более низкую температуру, то вследствие конденсации пара давление в них резко падает и пузырьки «захлопываются» с характерным шумом. По мере прогревания всей жидкости до температуры кипения пузырьки перестают захлопываться и всплывают на поверхность: вся жидкость закипает.
