Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и для самообразования - Яворский Б.М.
Скачать (прямая ссылка):
Независимость рп от объема объясняется тем, что при уменьшении объема насыщенного пара все большая часть пара переходит в жидкость. Но это не нарушает динамического равновесия между паром и жидкостью вплоть до момента окончания конденсации пара.
4°. Давление насыщающего (насыщенного) пара быстро возрастает с увеличением его температуры. На рис. II.5.1 приведены графики зависимости р (T) для насыщенного пара и р (T) для идеального газа при постоянном объеме.
5.3. Кипение
1°. Кипением называется процесс интенсивного парообразования не только со свободной поверхности, но и по всему объему жидкости внутрь образующихся при этом пузырьков пара. Давление р внутри пузырька определяется формулой
P = Po + Pgh+1f'
где р0 — внешнее давление, pgh — гидростатическое давление (1.6.2.2°) вышележащих слоев жидкости, 2alR — дополнительное давление, связанное с кривизной поверхности пузырька (11.6.2.4°), R — радиус пузырька жидкости, h — расстояние от его центра до поверхности жидкости, р и о — плотность и коэффициент поверхностного натяжения жидкости (11.6.1.3°).
156 ОТДЕЛ И. ГЛ. 5. ПРЕВРАЩЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
2°. Кипение жидкости начинается при условии, что
Pn > Po + Pgh + ,
где рн — давление насыщенного пара (11.5.2.3°) внутри пузырька. При малых R давление рн достаточно велико, и кипение происходит при сравнительно высоких температурах. Если в жидкости имеются центры парообразования (пылинки, пузырьки растворенных газов и т. п.), то обычно 2e/R<^p0, и кипение начинается при меньших температурах. Если pgh<^.p0, то условие кипения принимает вид
Ph » Po-
3°. Температурой (точкой) кипения называется температура жидкости, при которой давление ее насыщенного пара равно или превышает внешнее давление. Температура кипения повышается с ростом внешнего давления и понижается при его уменьшении. Это вытекает из условия кипения. При увеличении ;?0 возрастает рн, необходимое для возникновения кипения, а это возможно лишь при более высокой температуре (11.5.2.3°). Различие точек кипения разных жидкостей связано с тем, что у разных жидкостей неодинаково рн при одной и той же температуре. Чем выше давление насыщенного пара, тем выше точка кипения.
Пузырьки газа, имеющиеся внутри жидкости, заполнены ее насыщенным паром. При повышении температуры жидкости давление пара в пузырьке возрастает и его объем увеличивается. Выталкивающая архимедова сила (1.6.2.3°), действующая на пузырек, возрастает с ростом его объема. Под действием этой силы пузырек всплывает и, при выполнении условия кипения (п. 2°), лопается, выбрасывая пар. Очевидно, что при возрастании рн весь этот процесс облегчается и соответствующая жидкость кипит при более низкой температуре.
4°. Если в жидкости нет пузырьков, необходимых для процесса кипения, то можно перегреть жидкость до температуры более высокой, чем точка кипения при данном давлении. Возникающее при этом неустойчивое (метастабиль-ное) состояние характерно для перегретой жидкости. Перегретую жидкость можно получить, если уменьшить внешнее давление на жидкость настолько, чтобы оно стало меньше давления насыщенного пара при данной температуре и было бы нарушено условие кипения (п. 2°). Нарушение метастабильного состояния перегретой жидкости вызывает ее бурное кипение.
5.4. изотерма пара
157
5°. В процессе кипения температура жидкости остается постоянной, если не изменяется внешнее давление Po (п. Г). Количество теплоты, которое извне подводится к жидкости, расходуется на парообразование (11.5.1.1°) и работу внешних сил. Кодичество теплоты гк, необходимое для превращения в пар единицы массы жидкости, нагретой до температуры кипения, называется удельной теплотой парообразования. Из закона сохранения энергии следует, что при обратном процессе — конденсации пара в жидкость — выделяется количество теплоты, равное гк.
6°. Если кипение данной жидкости происходит при более высокой (или низкой) температуре, то величина гк уменьшается (или увеличивается). Это связано с зависимостью давления насыщенного пара от температуры (рис. 11.5.1) и условием кипения (п. 2°). Повышение или понижение температуры кипения за счет увеличения или уменьшения внешнего давления приводит к уменьшению или увеличению того количества теплоты, которое необходимо сообщить единице массы жидкости для превращения ее в пар в условиях кипения.
5.4. Изотерма пара
Г. Пар называется ненасыщающим (ненасыщенным), если его давление меньше давления ря насыщенного пара при данной температуре. Давление ненасыщенного пара зависит от его объема: при уменьшении объема давление увеличивается, а при увеличении объема — уменьшается.
2°. Изотермой пара называется кривая зависимости давления р пара от его удельного объема v при постоянной температуре. Общий вид изотермы пара изображен на рис. II.5.2. Участок 0->/ соответствует ненасыщенному пару, участок 7->2 — насыщенному пару и участок 2->3 — жидкости. Уменьшая объем ненасыщенного пара, можно привести его в состояние насыщения (точка 1). При дальнейшем уменьшении объема (участок 1-*-2) давление насыщенного пара не изменяется; часть его переходит в жидкость, и в точке 2 весь пар полностью конденсируется. Уменьшение объема жидкости на участке 2-+3 требует значительного увеличения давления в связи с малой сжимаемостью жидкостей.
