Кипение и конденсация

Основные понятия и физическая суть процессов

Кипение — это процесс интенсивного испарения жидкости, который происходит при достижении температуры кипения, когда давление паров жидкости становится равным внешнему давлению (атмосферному или иному). В отличие от обычного испарения, происходящего на поверхности жидкости, при кипении парообразование происходит по всему объему жидкости, в виде образования пузырьков пара внутри жидкости.

Конденсация — обратный процесс перехода вещества из парообразного состояния в жидкое. Конденсация происходит при охлаждении пара или повышении давления, когда пар становится насыщенным и начинает выделять теплоту.

Условия и механизмы кипения

Кипение наступает при условии равенства давления насыщенного пара жидкости и внешнего давления:

P_пара = P_{внешнее}

Температура, при которой достигается это равенство, называется температурой кипения. При нормальном атмосферном давлении температура кипения воды равна 100 °C, однако она изменяется с изменением давления.

В жидкости образуются пузырьки пара в местах с пониженной поверхностной энергией — обычно на стенках сосуда или в микронеровностях. Образование пузырьков требует затраты энергии на преодоление сил поверхностного натяжения и давления жидкости.

Типы кипения

Пузырьковое (внутреннее) кипение — пузырьки пара образуются внутри жидкости, поднимаются к поверхности и лопаются.
Поверхностное кипение — происходит на границе жидкость-пар, когда только поверхность активно испаряется.
Плёночное кипение — возникает при очень высоких температурах, когда жидкость изолируется плёнкой пара от нагретой поверхности, что приводит к снижению теплопередачи.

Тепловой баланс при кипении

Кипение — высокоэнергетический процесс, связанный с переходом вещества в парообразное состояние. При этом происходит поглощение теплоты парообразования — количества теплоты, необходимого для превращения 1 кг жидкости в пар без изменения температуры.

Обозначим:

Q — количество теплоты,
m — масса жидкости,
r — удельная теплота парообразования.

Тогда:

Q = m ⋅ r

Значение r зависит от природы жидкости и температуры. Например, для воды при 100 °C удельная теплота парообразования составляет около 2260 кДж/кг.

Влияние давления на температуру кипения

При изменении давления изменяется температура кипения. В частности, при уменьшении давления температура кипения падает, и наоборот.

График зависимости давления насыщенного пара от температуры называется кривой насыщения. Он заканчивается в критической точке, после которой различия между жидкостью и паром исчезают.

Конденсация пара

При охлаждении насыщенного пара ниже температуры насыщения происходит конденсация — переход в жидкое состояние с выделением тепла, равного теплоте парообразования.

Конденсация важна во многих технических процессах: например, в работе паровых турбин, системах отопления и холодильных установках.

Давление насыщенного пара и фазовое равновесие

Давление насыщенного пара — давление пара, находящегося в термодинамическом равновесии с жидкостью при данной температуре. При этом жидкость и пар сосуществуют, переход вещества между фазами происходит без изменения объёма и температуры.

Давление насыщенного пара растёт с увеличением температуры, что объясняет изменение температуры кипения под разным давлением.

Критическая точка и сверхкритические флюиды

При достижении критической температуры и критического давления исчезает разграничение между жидкой и паровой фазой. В этом состоянии вещество становится сверхкритической жидкостью, обладающей свойствами как газа, так и жидкости.

Для воды критическая температура — около 374 °C, критическое давление — около 22,1 МПа.

Практическое применение и технологические аспекты

В промышленности кипение используется для очистки и концентрирования растворов, в процессах перегонки и ректификации.
В холодильной технике конденсация пара позволяет эффективно отводить тепло.
В теплотехнике изучение кипения и конденсации критично для проектирования теплообменников, котлов и других устройств.

Модели и уравнения состояния

Для описания фазовых переходов применяют уравнения состояния, такие как уравнение Клапейрона-Клаузиуса, связывающее температуру кипения, давление и удельную теплоту парообразования:

$$ \frac{dP}{dT} = \frac{r}{T(v_{\text{пар}} - v_{\text{жидк}})} $$

где v_пар и v_жидк — удельные объемы пара и жидкости соответственно.

Эта формула позволяет рассчитать изменение давления насыщенного пара с температурой.

Влияние поверхностного натяжения и чистоты жидкости

Чистота жидкости и её поверхностное натяжение значительно влияют на процесс образования пузырьков при кипении. Примеси и растворённые газы могут изменять температуру и характер кипения.

Феномен перегрева и переохлаждения

Перегрев — состояние, когда жидкость находится при температуре выше точки кипения, но не кипит из-за отсутствия центров кристаллизации пузырьков.
Переохлаждение пара — пар охлаждается ниже точки насыщения, но ещё не конденсируется.

Эти явления часто наблюдаются в природе и технике, они связаны с кинетикой фазовых переходов и гетерогенным характером процесса.

Микрофизика пузырьков и динамика пузырьков

Образование и рост пузырьков пара — сложный динамический процесс, включающий перепады давления, тепловой обмен и турбулентность. Исследование микрофизики пузырьков важно для понимания механизмов теплопередачи и устойчивости кипения.

Заключение

Кипение и конденсация — фундаментальные физические процессы, лежащие в основе многих природных и технологических явлений. Понимание их механизмов и зависимостей от параметров среды необходимо для эффективного использования тепловых процессов в науке и технике.