Кипение жидкостей

39

Кипение жидкости

Кандидат физико-mатематических наук
А. И. БУЗДИН,
кандидат химических наук
В. В. СОРОКИН

Процесс кипения жидкости всем нам хорошо знаком. Мы говорим, что вода в чайнике кипит, когда интенсивное образование пара присходит по всему объему жидкости. В этом заключается отличие кипения от испарения, при котором процесс парообразования идет лишь с открытом поверхности.

Кипение начинается тогда, когда давление насыщенного пара в пузырьках становится равным внешнему атмосферному давлению.*) Если же давление насыщенного пара меньше атмосферного, случайно образовавшийся в жидкости пузырек пара должен склопнуть и исчезнуть.

Погранчное кипение жидкости

Хорошо известно, что каждый жидкость характеризуется в полне определенной температурой кипения при определенном атмосферном давлении. Например, вода при нормальном атмосферном давлении ($p_0=760$ ммрт. ст.) кипит при 100 °C, а только ($C_7H_8$) — при 111 °C.

А при какой температуре будет кипеть «смесь» только и воды, двух не смешивающихся друг с другом кипкость? Казалось бы, температура кипения должна лежать между 100 °C и 111 °C. Однако, если в пробирку с водой осторожно налить немного только (он оказывается над водой, так как его плотность меньше, чем плотность воды) и нагревать ее в водной бане, то оказывается, что кипение начинается примерно при 95 °C! Отметим, что при проведении этого опыта необходимо пользоваться довольно точным термометром.

В чем же дело? Ответ подсказывает эксперимент. При внешательном наблюлении видно, что кипение начинается на границе раздела кипости — только и воды, и мы имеем дело с так называемым погранчным кипением жидкости. В этом случае в образуощийся на границе газовый

40

пузырек испаряется как вода, так и только, и пузырек содержит насыщенные пары воды и только. При кипении полное давление паров в пузырьке, равное атмосферному давлению $p_0$, представляется собой, согласно закону Дальтона, сумму парциальных давления насыщенных паров только $p_T(T_K)$ и воды $p_B(T_K) : p_0 = p_T(T_K) + p_B(T_K)$. Таким образом, давление насыщенного пара воды и только, каждого в отдельности, меньше атмосферного, а значит, и температура пограночного кипения $T_K$ должна быть меньше температуры кипения как воды, так и только.

Особенно удачным получается аналогичный демонстрационный опыт, если в пробирку налить немного четыреххлористого углерода ($\text{CCl}_4$), который при $76,7\degree\text{C}$, а поверх него налить воду. С тем чтобы граница раздела жидкости была заменее, четыреххлористый углерод можно предварительно подкрасить растivo-

Рис. 1.

40

41

хлористый углерод: $T_{\text{к}} = 65^{\circ}\text{C}$. При этом давление паров $\text{H}_2\text{O}$ равно 190 mm pt. ст., а давление паров $\text{CCl}_4$ составляет 570 mm pt. ст., что в сумме дает нормальное атмосферное давление, т. е. 760 mm pt. ст.

К сожалению, такой простой расчет приводит к достоверному результату не всегда — зачастую следует принять во внимание взаимную расторяемость компонентов.

Любопытно, что если поддерживать погранчное кипение в течение некоторого времени, то можно заметить, что четыреххлористый углерод выкипает значительное быстрее, чем вода. Как вы думаете, с чем это связано? Попробуйте оценить, во сколько раз быкипает $\text{CCl}_4$ по сравнению с водой (плотность четыреххлористого углерода $q = 1600 \text{ кг/м}^3$).

Давление насыщенных паров

Мы привели к тому, что для определения давления насыщенных паров воды при данной температуре надо воспользоваться справочными таблицами. А нельзя ли попробовать самим получить температурную зависимость давления насыщенного пара, т. е. выступить в роли экспериментатора — составителя таблицы?

Рассмотрим один из простых методов получения такой зависимости, который вы сможете воспользоваться. Установка для проведения опыта представляет собой наполнитель холодной воды химической стакан, в котором погружена перевернутая вверх дом пробирка с нанесенным на ее стенки делениями. Пробирку и термометр можно укрыть в стоящем на столе лабораторном штанах с лапками.

Частчно заполним пробирку водой, установим стакан с перевернутой пробиркой и термометром на электронной плитке и начнем нагревание. По мере увеличения температуры воды будем записывать данные об изменении объема газа в пробирке, т. е. фиксировать нанесенные на стенки пробирки деления.

Газ в пробирке представляет собой смесь воздуха и насыщенных паров воды. Суммарное давление, естественно, равно атмосферному давлению (давлением водыного столба в стакане можно пребегчь, поскольку оно составляет лишь 17 mm pt. ст. Однако с ростом температуры водыной пар дает все более заметный вклад.

Используя уравнение Мендлеева — Клапейрона, для воздуха в пробирке запишем

$$\frac{p_0 V_0}{T_0} = \frac{p_B V}{T}, \quad p_B = p_0 \frac{V_0}{V} \frac{T}{T_0},$$

где $p_0$ — начальное давление (равное атмосферному), $V_0$ и $T_0$ — соответственно начальные объем и температура воздуха. Теперь, зная, как меняются объем и температура, мы можем найти давление насыщенного пара при данной температуре:

$$p_H = p_0 \left( 1 - \frac{T}{T_0} \frac{V_0}{V} \right).$$

Полученная таким образом экспериментальная зависимость давления насыщенного пара от температуры хорошего согласно справочными данныхми. Особенно хорошо согласие при температуре выше 80 °C — ошибка составляет менее 5 %. При низких температурах точность этого метода падает. Подумайте, с чем это связано, каковые основные источники ошибок и как можно было бы повышить точность предлагаемого метода. Попробуйте поставить лабораторную работу по определению температурной зависимости давления насыщенного пара в вашем школьном кабинете физики.