Молекулярная физика. Том 2 - Матвеев А.Н.
Скачать (прямая ссылка):
возникнуть соответствующие потоки в жидкости, которые замыкали бы линии
циркуляции вещества. Поэтому следовало бы допустить, что при одной и той
же температуре в разных частях плоской поверхности жидкости характер
динамического равновесия пар - жидкость (см. § 34) совершенно различен. А
это противоречит смыслу той 84 к вычислению давления на- картины
динамического равновесия, которая была опи-сыщенных паров над искрив-
сана. Обозначая ph давление насыщенных паров на высоте ленной
поверхностью ^ имеем:
Ро = Ph + рп gh, (35.1а)
Ро=Рь~ 2o/R + рждН, (35.16)
где рж и рп - плотности жидкости и насыщенного пара. Равенство (35.1а)
выражает изменение давления между
.
шШШ
18 А. Н. Матвеев - 1488
274 4. Газы с межмолекулярным взаимодействием и жидкости
рассматриваемыми уровнями в паре, а (35.16) - в жидкости. Член - 2g/R
учитывает разницу давлений по разные стороны искривленной поверхности
жидкости. Приравнивая между собой величины р0 из (35.1а) и (35.16),
находим
gh= 2o/[K(p,-pJ]. (35.2)
Из уравнения (35.1а) имеем
Ар = Ро ~ Ри = Рпgh = 2арп/[R (рж - рп)], (35.3)
где gh в третьем равенстве выражено с помощью (35.2).
Это выражение называется формулой Томсона. В формуле (35.1а) принимается,
что плотность насыщенных паров не изменяется с высотой. Это в большинстве
случаев достаточно хорошо выполняется. При необходимости можно учесть
эффект изменения плотности насыщенных паров с высотой с помощью
барометрической формулы (10.13).
Кипение. Когда при нагревании жидкости достигается температура, при
которой давление насыщенных паров равно внешнему давлению,
устанавливается равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром. При
сообщении жидкости дополнительного количества теплоты происходит
немедленное превращение соответствующей массы жидкости в пар. Наименьшее
давление в жидкости теоретически приходится на ее верхние слои, и это
превращение жидкости в пар должно в первую очередь происходить в верхних
слоях. Но в действительности разность в давлениях между различными слоями
жидкости незначительна по сравнению с самим давлением, поскольку 105 Па
соответствуют давлению примерно 10-метрового слоя воды. Кроме того,
жидкость обычно подогревается снизу. Оба эти обстоятельства приводят к
тому, что интенсивное превращение жидкости в пар происходит по всему
объему жидкости. Этот процесс называется кипением. Температурой кипения
является та температура, при которой давление насыщенных паров становится
равным внешнему давлению. При увеличении давления температура кипения
увеличивается, а при уменьшении давления - уменьшается. Воду в
герметически закрытом сосуде можно нагреть до температуры, значительно
большей 100°С, без того, чтобы она закипела. Этот прием используется,
например, в обыденной жизни для ускорения варки продуктов в герметически
закрытом сосуде. С другой стороны, понизив достаточно давление над
поверхностью воды, например путем откачки воздуха из такого сосуда, в
котором находится жидкость, можно вызвать кипение жидкости при комнатной
температуре.
# Ион становится зародышем конденсации благодаря тому, что энергия его
электрического поля уменьшается при образовании и увеличении капли воды
вокруг него.
Зависимость плотности и давления насыщенных паров от температуры и
зависимость температуры кипения от давления обусловливаются физической
сущностью динамического равновесия.
При повышении температуры оно обеспечивается возрастанием давления
насыщенных паров, а при увеличении давления - повышением температуры.
§ 35. Испарение и кипение жидкостей 275
Таким образом, кипение на различных уровнях в жидкости происходит, строго
говоря, при различной температуре, и нет какой-то одной определенной
температуры кипения жидкости. Определенную температуру имеет насыщенный
пар над поверхностью кипящей жидкости. Его температура не зависит от
того, как происходит кипение жидкости на различной глубине, и
определяется только внешним давлением. Именно температура насыщенного
пара над поверхностью кипящей жидкости имеется в виду, когда говорят о
температуре кипения.
Перегретая жидкость. Теперь можно объяснить существование перегретой
жидкости (см. § 32). Если жидкость лишена примесей и не содержит
пузырьков пара, то при достижении температуры кипения в ней стремятся
образоваться пузырьки пара. Но как только такой пузырек образуется внутри
жидкости, пар в нем, будучи насыщенным относительно плоской поверхности
жидкости, является перенасыщенным относительно вогнутой поверхности
жидкости, которой ограничен рассматриваемый пузырек. Поэтому пар пузырька
немедленно конденсируется в жидкость и пузырек исчезает. Этому также
способствует увеличение давления на пузырек пара со стороны вогнутой
поверхности жидкости, ограничивающей пузырек. Это давление также
стремится раздавить образовавшийся пузырек пара.
Кипение начнется, если в жидкость ввести нечто такое, что обеспечит
возможность образования пузырьков пара, имеющих с самого начала
