Кипение — это интенсивный процесс парообразования, происходящий по всему объёму жидкости, при котором образование пара сопровождается образованием и ростом пузырьков внутри жидкости. В отличие от испарения, которое происходит только с поверхности жидкости при любой температуре, кипение наблюдается при строго определённой температуре, называемой температурой кипения.
Температура кипения определяется как та температура, при которой давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению. Это значит, что при нормальном атмосферном давлении (101,3 кПа) вода закипает при 100 °C, но при пониженном давлении температура кипения снижается, а при повышенном — возрастает.
Внутри жидкости всегда присутствуют микроскопические полости (пустоты), в которых могут образовываться зародыши пузырьков пара. Для роста пузырька необходимо, чтобы давление пара внутри него превысило давление жидкости и внешнее давление. Давление внутри пузырька должно преодолеть:
Таким образом, минимальное давление внутри пузырька должно удовлетворять неравенству:
$$ P_{\text{пара}} \geq P_{\text{внеш}} + \rho g h + \frac{2\sigma}{r} $$
Если это условие выполняется, пузырёк начинает расти и подниматься к поверхности, где происходит его схлопывание и выброс пара в окружающее пространство.
Кипение сопровождается рядом характерных признаков:
При кипении температура жидкости не повышается, даже несмотря на поступление тепла — всё тепло уходит на латентное тепло парообразования (теплоту фазового перехода). Это соответствует законам термодинамики: при фазовом переходе температура остаётся постоянной, пока не завершится переход всей массы вещества в новое агрегатное состояние.
Для начала кипения необходимо соблюдение следующих условий:
При отсутствии микроскопических центров кипение может не начаться даже при температуре, превышающей нормальную температуру кипения. Такое состояние называется перегретой жидкостью. В этом состоянии жидкость может внезапно и бурно закипеть при малейшем нарушении равновесия (например, попадании пылинки или легком встряхивании).
Процесс кипения сопровождается большим тепловыделением. Количество теплоты, необходимое для превращения массы m жидкости в пар, определяется по формуле:
Q = L ⋅ m
где L — удельная теплота парообразования (Дж/кг). Это значение является характерной физической константой для каждой жидкости. Например, для воды при 100 °C:
Lводы ≈ 2, 26 ⋅ 106 Дж/кг
Температура кипения зависит от внешнего давления: чем выше давление, тем выше температура кипения. Эта зависимость лежит в основе работы автоклавов, паровых котлов, а также вакуумных испарителей.
График зависимости давления насыщенного пара от температуры описывается уравнением Клапейрона-Клаузиуса:
$$ \frac{dP}{dT} = \frac{L}{T(V_2 - V_1)} $$
где V2 — удельный объем пара, V1 — удельный объем жидкости, L — удельная теплота фазового перехода.
Конденсация — это обратный процесс по отношению к парообразованию, при котором пар превращается в жидкость. Она происходит, когда пар охлаждается до температуры, при которой его давление превышает давление насыщенного пара при данной температуре, либо при увеличении давления на насыщенный пар.
При конденсации, как и при кипении, выделяется теплота фазового перехода:
Q = L ⋅ m
Температура конденсации для чистого вещества при данном давлении совпадает с температурой кипения. В процессах теплообмена конденсация — важный механизм, позволяющий эффективно передавать большие количества энергии. Например, в теплообменниках, конденсаторах, холодильных установках и паровых турбинах используется энергия, выделяющаяся при конденсации пара.
Существует два основных типа конденсации:
Капельная конденсация обеспечивает более высокий коэффициент теплоотдачи, чем плёночная, благодаря меньшему термическому сопротивлению.
В закрытой системе при постоянной температуре и объёме устанавливается динамическое равновесие между парообразованием и конденсацией. Число молекул, покидающих жидкость, становится равным числу молекул, возвращающихся обратно. Это состояние соответствует насыщенному пару, и давление такого пара при данной температуре является давлением насыщенного пара.
Если температура повышается, давление насыщенного пара растёт, а при достижении внешнего давления начинается кипение.
Понимание механизмов кипения и конденсации критически важно для широкого круга технических задач:
Кроме того, процессы кипения и конденсации играют ключевую роль в метеорологии, биологии, химии, геофизике и других смежных науках, где фазовые переходы определяют поведение природных и искусственных систем.