§ 17. Пароутворення і конденсація.

Кипіння рідини. Температура кипіння

Думки вголос_

Я детальніше вивчу відомі мені теплові процеси: пароутворення і конденсація рідини.

Під час дощу утворюються калюжі, але з часом вони висихають. Куди зникає вода? Вона випаровується (мал. 62). Це приклад того, що рідини можуть набувати газоподібного стану.

Пароутворення — це явище переходу рідини в газоподібний стан (в пару).

Є два види пароутворення: випаровування і кипіння.

Випаровування — це пароутворення, яке відбувається з вільної поверхні рідини.

За молекулярно-кінетичною теорією будови речовини молекули рідини перебувають у безперервному хаотичному русі. Частина молекул рухається відносно повільно, а частина має велику швидкість. Якщо такі молекули перебувають поблизу від поверхні рідини, то їх кінетичної енергії вистачає, щоб подолати сили міжмолекулярного притягання сусідніх молекул. Вони вириваються з рідини у повітря, утворюючи пару у просторі над рідиною. Такий процес і є випаровуванням, тобто переходом рідини в газоподібний стан.

Відбувається і зворотний процес: частина молекул пари внаслідок зіткнень між собою та молекулами повітря повертається назад у рідину.

Конденсація — це явище переходу речовини з газоподібного стану в рідкий.

Випаровування рідини є завжди, але його швидкість може бути різною.

Від чого залежить швидкість випаровування?

Дослід I. На дно тарілки накапаємо по краплі води, спирту, ефіру та олії. Побачимо, що спершу випарується ефір, потім — спирт, далі — вода, олія висихне за кілька днів.

Швидкість випаровування залежить від роду рідини.

Дослід 2. Наллємо однакову кількість води у склянку і широку тарілку. Вода спочатку випарується з тарілки, а потім — зі склянки.

Швидкість випаровування залежить від площі поверхні рідини: чим більша площа вільної поверхні рідини, тим більша швидкість випаровування.

Дослід 3. Візьмемо дві однакові посудини з однаковою кількістю води. Вже знаємо, що в кімнаті є зони з різною температурою. Одну з посудин поставимо на столі, а другу в якесь тепле місце, наприклад, на батарею водяного опалення. Першою випарується вода, що стояла в теплішому місці.

Швидкість випаровування залежить від температури рідини: чим вища температура, тим більша швидкість випаровування.

Завдання. Подумай, як можна пояснити результати розглянутих дослідів, виходячи з молекулярно-кінетичної теорії будови речовини.

Ви вже знаєте, що разом з випаровуванням рідини відбувається одночасно й зворотний процес конденсації. Він сповільнює процес випаровування, адже частина молекул знов повертається у рідину. Якщо над поверхнею рідини виникає потік повітря, причиною якого може бути вітер, протяг або вентилятор у приміщенні, то він зносить молекули пари від поверхні рідини, конденсація припиняється, а швидкість випаровування збільшується.

Швидкість випаровування залежить від наявності потоків повітря над рідиною.

Тепер стає зрозумілим, чому феном швидко висушують мокре волосся (тут і температура, і потік повітря), а волога білизна швидше висушується у вітряну погоду, ніж у тиху.

В умовах, коли до рідини в посудині немає притоку тепла ззовні або він дуже повільний, а випаровування досить інтенсивне, то рідина внаслідок випаровування охолоджується. Це відбувається тому, що під час випаровування рідину покидають насамперед «швидкі» молекули, а залишаються молекули, які мають меншу середню кінетичну енергію. Отже, температура рідини знижується. Пригадайте, як ви відчували прохолоду на шкірі, коли влітку виходили після купання з річки і вас обдував вітер.

Розглянемо другий вид пароутворення — кипіння.

Дослід 4. Нагріватимемо воду у відкритій посудині від кімнатної температури 20 ⁰C до кипіння (мал. 65). Спостерігатимемо зміни, що відбуваються з водою у посудині упродовж нагрівання, а також відмічатимемо значення температури води залежно від часу нагрівання, тобто від кількості теплоти, що передається воді від иагрівача.

Уже знаємо, що із нагріванням рідини зростає швидкість її випаровування. Водяна пара, що виникає у просторі над водою, невидима, але внаслідок η охолодження в повітрі вона конденсується, утворюючи маленькі краплі, — спостерігатимемо над посудиною легкий туман. Якщо потримати над посудиною холодну кришку від каструлі, побачимо на ній результат конденсації пари — утворення крупних крапель води, що поступово стікають з краю кришки.

Тим часом із подальшим нагріванням води побачимо, що на дні та стінках посудини у воді починають утворюватися сріблясті бульбашки, які поступово збільшуються в об’ємі. Це — бульбашки повітря, яке завжди є розчиненим у воді. Чим холодніша вода, тим більше в ній розчинено повітря. З підвищенням температури розчинене повітря виділяється з неї, утворюючи бульбашки. При цьому всередину кожної бульбашки з усього об’єму води йде випаровування. Із збільшенням об’єму бульбашок зростає сила Архімеда, яка виштовхує їх із води. Досягаючи поверхні води, бульбашки розриваються, пара виходить із них назовні, у цей час чуємо знайомий нам шум, який передує закипанню. Слідом за цим наступає власне кипіння.

Кипіння — процес інтенсивного випаровування рідини не тільки з її поверхні, а й з усього об’єму всередину бульбашок пари, що при цьому виникають.

Якщо за отриманими упродовж досліду даними побудувати графік затежності температури води від часу, то він матиме вигляд ламаної ABC (мал. 66).

Нахилений відрізок AB — це вже відомий нам графік нагрівання води. Він означає, що температура води зростає прямо пропорційно часу нагрівання. На 25-й хвилині температура води досягла 100 °С, і почалося кипіння води.

Температура, за якої рідина кипить, називають температурою кипіння.

t, ⁰C

Горизонтальна ділянка BC на графіку відповідає нагріванню води під час її кипіння. Бачимо, що ця температура залишається сталою, доки не википить уся вода в посудині, хоча весь цей час пагрі-вач продовжує передавати воді теплоту. Знов, як під час плавлення льоду, спостерігаємо явище, коли тіло нагрівають, а його температура при цьому не підвищується.

Під час кипіння температура рідини не змінюється.

Чому не змінюється температура киплячої рідини під час їі нагрівання?

Під час нагрівання рідини до температури кипіння її температура зростає, при цьому зростає внутрішня енергія рідини внаслідок зростання середньої швидкості молекул рідини. Під час кипіння енергія нагрівана витрачається на процес випаровування. Коли молекули вилітають із рідини, відстань між ними збільшується, а отже, зростає потенціальна енергія міжмолекулярної взаємодії. Середня кінетична енергія молекул при цьому залишається сталою, тому й температура киплячої рідини не змінюється.

Під час охолодження води і пари спостерігається процес конденсації пари в рідину, при цьому «швидкі» молекули повертаються до рідини, і середня кінетична енергія молекул рідини збільшується, за рахунок чого температура рідини підтримується сталою. При цьому кількість теплоти, що була витрачена на випаровування рідини під час її нагрівання, повертається в процесі конденсації у рідину.

Температура кипіння рідини залежить від зовнішнього атмосферного тиску: при збільшенні тиску температура кипіння збільшується, і навпаки, при зменшенні тиску — зменшується. Наприклад, вода за нормального атмосферного тиску (680 мм рт. ст. або приблизно 101 кПа) має температуру кипіння 100 °С. Якщо вода перебуває під тиском 200 кПа (наприклад, у скороварці), то вона кипить за температури 120 °С. У горах на висоті 3 км атмосферний тиск становить 70 кПа, при цьому температура кипіння води дорівнює 90 °С. У такому «окропі» куряче яйце зварити не можна.

Кожна рідина за нормальних умов має певну, властиву їй температуру кипіння. У таблиці 12 наведено значення температури кипіння для деяких рідин, знайдені експериментальним шляхом.

Таблиця 12

Температура кипіння деяких речовин

(за нормального атмосферного тиску)

З таблиці бачимо, що речовини, які у звичайних умовах бувають газами (водень, кисень), за великого охолодження перетворюються на рідини, що киплять за низьких температур. А речовини, які нам трапляються зазвичай у твердому стані (залізо, мідь), під час плавлення стають рідинами і киплять за дуже високих температур.

Для тих, хто хоче знати більше

Випаровування характерне не тільки для рідин, але й для твердих тіл. Процес випаровування твердих тіл називають сублімацією. Приклади сублімації: вимерзання на вулиці взимку білизни після прання, випаровування снігу, льоду. Зворотний сублімації процес, тобто безпосереднє перетворення пари на тверде тіло, називають десублімацією. Прикладами десублімації є утворення льодяних візерунків на віконному склі (мал. 67), а також атмосферні явища — іній та паморозь.

Явища конденсації застосовують у холодильниках (мал. 68), під час добування прісної води, у різних хімічних і технологічних процесах.

Явища кипіння застосовують у каструлях-скороварках (мал. 69), у яких кришка міцно і щільно закрита, і вода нагрівається до 120— 150 °С за рахунок збільшення тиску в каструлі до (2-5) · 10² кПа. У спеціальних котлах і автоклавах (мал. 70), у яких тиск досягає 104 кПа, воду можна нагріти до 300 °С.