Д.В. Сивухин - Общий курс физики, Т2. Термодинамика и молекулярная физика (1106322), страница 112
Текст из файла (страница 112)
Если жидкость в сосуде нагревать нри постоянном внешнем давлении, то сначала образование нара носит спокойный характер. Оно идет лишь со свободной поверхности жидкости. Такой процесс нарообразования называется испарением. По достижении определенной температуры. называемой темиеран>уров кипения, образование пара начинает происходить не только со свободной поверхности, но и изнутри жидкости, Внутри жидкости возникают, растут и иодниман>тся на поверхность пузыри пара, увлекая за собой и саму жидкость. Процесс нарообразования приобретает бурный, неспокойный характер.
Это явление называется килешаем. По существу кипение есть особый вид испарения. Дело в том, гго жидкость никогда не бывает физически одноро>!ной. В ней всегда имеются пузырьки воздуха или других газов, но часто настолько малые, что они невидимы невоорукгииым глазом. На поверхности Фоновые равновесия н хааа>вые превгюхценил !Гл.
Х каждого пузырька непрерывно идет испарение жидкости и конденсация пара., пока не наступит состояние динамического равновесия, в котором зти два противоположно направленные процесса компенсируют друг друга. В состоянии механического равновесия сумина давлений воздуха н пара внутри пузырька должна равняться внешнему давлению вне пузырька. 11оследнее слагается нз давления атмосферы и гидростатического давления окружающей жидкости.
Если нагреть жидкость до такой температуры, <тоб>я давление насыщенного пара превзошло давление вне пузырька., то пузырек начнет расти за счет испарения жидкости с его внутренней поверхности и подниматься вверх нод действиом архимедовой нодьемной силы. Двухфазная система -. жидкость с воздушными пузырьками становится механически неустойчивой., и начинается процесс кипения. Граница устойчивости определяется такой температурой, нри которой давление насыщенного пара равно сумме атмосферного и гидростагического давления на рассматриваемой высоте. Это и ость томноратура кипения. 2.
В отличие от температуры тройной точки, которая для всякого вещества является вполне определенной величиной, температура кипения жидкости зависит от внешнего давления. Она новьннается нрн увеличении внешнего давления и понижается нри уменьшении. Так, воду можно заставить кипеть при комнатной температуре. Для демонстрации стеклянную колбу с водопроводной водой помещают нод колпак воздушного насоса. !1ри откачке воздуха давление на поверхность воды нонижаегся, н прн достижении определенной степени разрежения вода закипает. Теплота, необходимая для превращения жидкости в нар, заимствуется у самой жидкости, поэтому она охлаждается, При продолжительной откачке вода может замерзнуть.
Для ускорения процесса замерзания воду наливают в мелкое блюдце, чтобы увеличить свободную поверхность, с которой происходит испарение. Для той же цели под колпак воздун>ного насоса помещается крепкий раствор серной кислоты. цоглоцгающий водяные пары. !!осле одной- двух минут откачки вода в блюгй1е замерзает. !1онижение температуры кипения жидкости нрн уменьшении внешнего давления можно демонстрировать и без воздушного насоса. Берется круглодонная колба среднего размера, наполненная наполовину водопроводной водой. Вода в колбе кипятится в течение примерно 1б минут, чтобы образовавшиеся водяные пары вытеснили из колбы воздух.
Затем колба снимается, быстро закупоривается каучуковой пробкой, переворачивается вверх дном и номощается на кольцеобразную подставку. Если колбу сверху поливать холодной водой,то часть водяных паров конденсируется в жидкость, давление на поверхность воды уменьшается, и она закинаот. 3.
Из изложенного следует, что кипение возможно только тогда. когда внутри жидкости имеются нуз>ярьки газа. Если же таковых нет, т.е. жидкость вполне физически однородна„то нарообразование внутри жидкости. т. е. кипение. становится невозможным.
Такую жидкость можно нагреть выше температуры кипения. Физически однородная 5 117! Кввеинв а вг1>гэ1>гвав>м >ь:вдкос>ви 457 жидкость,температура которой нри заданном внешнем давлении превосходит температуру кипения, называется гсрегрепсой. Можно сказать иначе. Перегретой называется жидкость, находящаяся под давлением ниже давления ее насыщенных паров нри заданной температуре. На изотерме Ван-дер-Ваальга Гсм. рис.
133) перегретая жидкость изображается точками участка 1.В, так как давление жидкости на этом участке ниже давления на изотерме .— нзобаре АСС, где оно равно давлению насыщенного нара. Г!ерегретая жидкость метасшабиль>ш, или малоустойчива. Пока нет зародышей более устойчивой парообразной фазы. нерегротая жидкость может существовать как физически однородное тело. Однако при наличии таких зародьцней, например пузырьков воздуха, она становится неустойчивой и переходит в более устойчивое нри данной температуре сосгояние — нар.
Перегретую воду можно получить, например, в кварцевой колбе с гладкими стенками. Колба тщательно промывается сначала, серной, азотной нли какой-либо другой кислогой, а затем дистиллированной водой. В промытую колбу наливается дистиллированная вода.. из которой про71олжительным кипячением удаляется растворенный в ней ноздух. После этого воду в колбе можно нагреть на газовой горелке до температуры, значительно превышающей гемпературу кипения. и тем не менее она не будет кипеть, а только интенсивно испариться со свободной поверхности. Лишь изредка на дне колбы образуется пузырек пара, который быстро растет. отделяется от дна и поднимается на поверхность жидкости, причем размеры его нри поднятии сильно возрастают.
Затем вода длительное время остается спокойной. Если в такую воду внести зародыши газообразной формы., например бросить щепотку чая, то она бурно закипает, а ее температура быстро понижается до температуры кипения. Это эффективный опыт носит характер взрыва. Для успеха опыта важно, чтобы стенки колбы были гладкими. Всякие шероховатости и острые края способствуют образованию зародышей газообразной фазы. От них непрерывно отделяются и ноднимак>тся на поверхность воды пузырьки пара вода кипит со дна или стенки колбы, перегреванне ге получить трудно и даже совсем невозможно.
Возникает, однако следующий вопрос. Сколько бы ни очищали воду от растворенного в нвй воздуха, последний всегда остается н какомто, хотя и ничтожном, количестве в виде мельчайших пузырьков. Если даже воду полностью очистить от растворенных в ней газов, то в ней все же могут возникать нузырьки пара флуктуационного происхождения. Почему же в таком случае воду гще можно перегреть? Ответ на этот вопрос будет дан в двух следующих параграфах. ЗАДАЧА Стакан наполнен водой до высоты 10 см. На дне его лежат кави,плярные трубки, запаянньк. с одного конца и заполненные воздухом.
Когда вода кипит, на открытых концах капилляров образуются пузырьки пара, диаметр которых в момент отрыва равен 0,2 мм. Чему равна температура воды на дне сосуда во время кипения, сели атмосферное давление равно 700 мм рт. ст.? Фазааме Паанааеглл и 4ааааьлс прсв7юаценпл !Гл. Х Поверхностное натяжение кипящей воды 07 див~'слц а упругость водяного пара вблизи 100 ""С возрастает на 2.7 мм рт.
ст. при повьппепии температуры на ! К. Ответ. 100.59'С. 3 118. Зависимость давления насьпценного пара от кривизны поверхности жидкости 1. Допустим, что в сообщающихся сосудах находится жидкость. Один из сосудов возьмем узким, .а другой широким (рис. 138 а). Поверхность жидкости ЛВ в широком сосуде можно считать плоской. В узком сосуде жидкость поднимегся, если она смачивает стенки, и Рис. !38 опустится в противоположном случае. Проведем рассуждения в предположении, что жидкость сма, ливает стенки. Случай несмачивания может быть рассмотрен совершенно так же. Соединим оба эти сосуда сверху цилиндрической трубкой.
Затем поместим всю систему в термостат, поддерживающий ее температуру постоянной. В состоянии равновесия давление насыщенного пара на одной и той же высоте должно быть одинаковым. Если бы это было не так. то под действием разности давлений пар пришел бы в движение, и этим можно было бы воспользоваться для построения перпетуум мобиле второго рода. Действительно, допустим, например,что давление насьпценного пара над вогнутой поверхностью жидкости Со больше, чем над горизонтальной плоскостью КР', находящейся на том же уровне. Воспользуемся приспособлениелп устройство которого ясно из рис. 138 а.. Пусть в начальнлай момент клапан К1 открыт, а клапан Ка закрыт. По предположению давление на поршень слева больше давления справа.
Под действием этой разности давлений поршень будет перемещаться впрано, и его можно заставить совершать работу, например поднимать груз. Когда поршень достигаот крайнего правого положения, закроем клапан К, и откроем клапан Кз. Произойдет неранновеснгяй процесс Э 118) Нпсьпйенный ппр и хрпвппнп поверхности оюидкпсти 459 выравнивания давлений пара по обе стороны поршня. После того как он закончится. вернем поршень с открытьпч клапаном Кг в исходное положение.
Поскольку давления по разные стороны поршня одинаковы, на это не потребуется дополнительной работы. Затем закроем клапан Кэ и откроем клапан К>. После наступления равновесия ноя система вернется в начальное состояние. Результатом описанного кругового процесса является положительная работа, совершенная системой за счет теплоты, заимствованной от термостата. Но это есть процосс Томсона — Планка, противоречащий второму началу тормодинамики. Получившееся противоречие и доказывает, что давление насьпценного пара над вогнутой поверхностью С 0 не может быть больше давления на уровне плоскости ЕР. Точно так же мы пришли бы к противоречию со вторым началом термодинамики, если бы допустили, что давление пара над поверхностью Со меньше давления над плоскостью ЕР.
Следовательно, оба давления должны быть одинаковы. Но благодаря действию силы тяжести давление пара на уровне плоскости ЕР. а следовательно, и равное ему давление Р над поверхностью жидкости СО люныпе давления пара Рв над плоской поверхностью жидкости АВ.
Стенки сосуда, сами по себе, конечно,. не могут влиять на величину давления насьпценного пара. Непосредственная причина изменения давления насьпценного пара есть искривление поверхности жидкости. Следовательно. мы приходим к заключению, что давление насьпоенного пара нпд вогнутой поверхносгг>ью окидкости должно быть меньше. чем иад плоской поверхностью. Рассуждая аналогично, найдем, что давлтше носьиоенного тцкл кад выпуклой поверхностью экидхостш больше, чем над плоской. 2. Разность давлений определяется выражением Рп — Р = р„бй, где р„-- плотность пара, а и —.
разность уровней жидкости в сообщающихся сосудах. При этом мы пренебрегли изменением плотности пара с высотой. Введя вместо плотности удельный объем пара ип = = !/рп, получим Р= Ров 1! 18.1) Остается найти величину и. Обозначим через Р' давление внутри жидкости под поверхностью СО. Тогда l$ — Р' = р 88 = ьпй(ю„., где рж и и плотность и удельный объем жидкости. По формуле Лапласа Р' — Р = оК, где К кривизна поверхности Со.
Она считается положительной дли выпуклой и отрицательной для вогнутой поверхности. Исключая Р', находим ой = иж(Рп Р оК). Подставляя это значение в (118.1), получим Р =- Рп + оК. (!18.3) о„— о Эта формула называется формулой Нптьлма Томсоиш Она справедлива не только в том случае, когда радиусы кривизны й, и Йэ имеют одинаковые знаки, т.е. для выпуклых и вогнутых поверхностей. сравовме равновесна и фввссвьсе преп>ювйеппя (Гл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
