Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
2а
ет (Ap = 0). Для сферической поверхности R1 = R2 = Rn Ap= .
Например, такое избыточное давление существует внутри пузырька газа радиуса R, находящегося внутри жидкости вблизи ее поверхности. Избыточное давление внутри мыльного пузыря радиуса R вызывается действием обоих поверхностных слоев
5°. Уровень жидкости в узких цилиндрических сосудах (капиллярах) радиуса г отличается от уровня жидкости в сообщающемся с ним широком сосуде. Уровень жидкости в капилляре выше (ниже), чем в сосуде, на величину h, если жидкость смачивает (не смачивает) стенки сосуда:
4с
2с cosO
1 Нормальным сечением поверхности в точке А называется кривая, которая получается в результате пересечения поверхности с плоскостью, проходящей через нормаль к поверхности в этой точке.
§ II.6.6. ИСПАРЕНИЕ И КИПЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ
201
где Ф — краевой угол (п. 1°), р — плотность жидкости, g — ускорение силы тяжести (1.7.3.3°).
В том случае, когда капилляр имеет форму узкой щели с постоянной толщиной 5, мениск имеет цилиндрическую форму с радиусом 6/2 cos и высота поднятия (смачивающей) и опускания (несмачивающей) жидкости в капилляре
, 2о cos'd
h - —5-------.
Sg P
6°. Давление насыщенного пара (11.5.3.2°) над искривленной поверхностью жидкости зависит от формы мениска. Если мениск вогнутый (выпуклый), то давление насыщенного пара меньше (больше), чем над плоской поверхностью, на величину Apa:
ДРгг = —-—Ар,
Pi-P
где р — плотность насыщенного пара, P1 — плотность жидкости, Ap — дополнительное давление, вызванное кривизной поверхности (п. 4°).
§ II.6.6. Испарение и кипение жидкостей
1°. Процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости, называется испарением. Испарение происходит при любой температуре и возрастает при ее повышении. В поверхностном слое жидкости имеются молекулы, обладающие большой скоростью и кинетической энергией теплового движения. Их вылетом с поверхности жидкости и объясняется испарение и связанное с ним уменьшение запаса внутренней энергии жидкости и ее охлаждение. Мерой процесса парообразования служит скорость испарения и, измеряемая количеством жидкости, которое переходит в пар за единицу времени. Скорость и зависит от внешнего давления и движения газообразной фазы над свободной поверхностью жидкости,
U = — (Рп"Р).
202
ГЛ. II.6. ЖИДКОСТИ
где с — постоянная, S — площадь свободной поверхности жидкости, ра — давление насыщенного пара, р — давление паров жидкости над ее свободной поверхностью, р0 — внешнее барометрическое давление.
2°. Кипением называется интенсивное испарение жидкости, происходящее не только с ее свободной поверхности, HO и во всем объеме жидкости внутрь образующихся при этом пузырьков пара. Пузырьки пара в кипящей жидкости быстро увеличивают свои размеры, всплывают на поверхность налопаются. С этим связано характерное бурление кипящей жидкости. Давление р внутри газового пузыря, находящегося в жидкости, складывается из внешнего давления р0, гидростатического давления рж вышележащих слоев жидкости и добавочного давления Ар, которое вызывается поверхностным натяжением (11.6.5.4°),
P ^Ро + Рж + ЬР*
причем
. * 2о рж = P gh, Ap=-,
где г — радиус пузырька пара, h — расстояние от его центра до поверхности жидкости, р и о — плотность и коэффициент поверхностного натяжения жидкости.
Кипение жидкости начинается при такой температуре, при которой давление ри насыщенного пара внутри пузырька не меньше давления р:
2о
Pu>Po + PSh +
Если это условие не. выполнено, то происходит «захлопывание» пузырька и конденсация находящегося в нем пара.
3°. При малых размерах г пузырьков пара давление ра должно быть велико и для начала кипения жидкость необходимо нагреть до высокой температуры. При наличии в жидкости центров парообразования (пылинки, пузырьки растворенных газов и др.) кипение начинается при значительно более низкой температуре. Это связано с тем, что на центрах парооб-
§ II.6.6. ИСПАРЕНИЕ И КИПЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ
203
разования возникают пузырьки пара такого размера, что влиянием третьего члена в неравенстве п. 2° можно пренебречь. Кроме того, обычно pgh р0, и приближенное условие для начала кипения имеет вид
Pu ~ Po-
Температура жидкости, при которой давление ее насыщенного пара равно внешнему давлению, называется температурой (точкой) кипения.
4°. При неизменном давлении температура кипящей жидкости также остается постоянной. Количество теплоты, которое подводится к кипящей жидкости, целиком расходуется на то, чтобы молекулы жидкости перевести в пар. Теплота гк, необходимая для испарения единицы массы жидкости, нагретой до температуры кипения, называется удельной теплотой парообразования. Величина гк уменьшается при повышении температуры кипения и обращается в нуль при критической температуре (11.5.3.1°).
Изменение внутренней энергии жидкости (11.2.1.1°) при переходе единицы ее массы в пар при температуре кипения называется внутренней удельной теплотой парообразования.
5°. Кипение жидкости и конденсация пара являются примерами фазовых переходов первого рода (ср. 11.5.4.2°). Для таких фазовых переходов характерно одновременное постоянство давления и температуры, но изменение соотношения между массами двух фаз (11.5.3.3°). Для того чтобы происходил фазовый переход I рода, к системе нужно подводить или отводить от нее теплоту гк фазового перехода. В расчете на единицу массы теплота гк вычисляется по уравнению Клапейрона— Клаузиуса:
