При нагревании воды

Читатель:Если воду в стеклянном сосуде медленно нагревать, можно заметить появление маленьких пузырьков воздуха, которые неподвижно «сидят» на стенках и дне сосуда, медленно увеличиваясь в размерах. Почему это происходит?

Автор: С повышением температуры растворимость воды уменьшается, и воздух начинает выделяться из воды. По мере повышения температуры количество выделившегося воздуха увеличивается, поэтому пузырьки растут.

Читатель: Чему же равно давление воздуха внутри пузырьков?

Автор: Давление внутри пузырька равно давлению снаружи:

р_внут = р_{снаружи} = р_атм + rgh,

где h – глубина сосуда.

Ясно, что rgh << р_атм, если сосуд не очень глубокий и в нем налита вода, а не ртуть.

Читатель: Есть ли внутри пузырьков водяной пар?

Автор: Да. И при этом насыщенный, но при невысоких температурах (20–60 °С) давление насыщенных паров воды значительно меньше атмосферного (см. табл. 13.1). Таким образом, внутреннее давление в пузырьках равно сумме парциальных давлений паров Н₂О и воздуха.

Читатель: Воздух легче воды. Почему же пузырьки по закону Архимеда не всплывают?

Автор: По той же причине, по которой не всплывает кусок парафина, прилипший ко дну: вода под него не проходит. Пузырьки, «сидящие» на стенках, также не всплывают и потому, что вода равномерно давит на них со всех сторон (рис. 13.6,а).

а б Рис. 13.6

Читатель:Продолжим процесс нагревания. Через некоторое время вода начинает шуметь. Почему? Автор: По мере своего роста пузырьки начинают принимать вытянутую (грибовидную) форму и сила Архимеда, наконец, отрывает их от дна сосуда (рис. 13.6,б). Это происходит при температуре, близкой к 100 °С, когда давление насыщенных паров воды близко к атмосферному. Но, поднимаясь вверх, пузырьки воздуха попадают в область более низкой температуры, где рн.п значительно меньше. Давление внутри пузырьков падает, пары быстро конденсируются, и пузырьки «схлопываются». Это массовое «схлопывание» пузырьков производит шум.

Читатель: Продолжим нагревание. Шум исчезает, начинается булькание: пузырьки поднимаются до поверхности воды и лопаются с характерным булькающим звуком. Вода кипит. Что же происходит при кипении?

Автор: Вода внизу прогрелась настолько, что давление внутри пузырьков насыщенного пара стало равно атмосферному и даже выше: р_внут = р_атм + rgh. Вся вода прогрелась до температуры 100 °С. Пузырьки уже не могут схлопнуться при всплытии и выскакивают на поверхность, выбрасывая наружу весь содержащийся внутри них водяной пар. Этот процесс и называется кипением.

При кипении процесс испарения происходит внутри всего объема воды, а не только на ее поверхности, поэтому кастрюля с водой может выкипеть за час, в то время как высыхать эта вода в кастрюле могла бы целую неделю.

При данном давлении кипение происходит при температуре насыщенных паров, которая называется температурой кипения (табл. 13.4), при этом жидкость имеет чуть бóльшую температуру. Заметим, что при кипении пар над жидкостью должен быть не насыщенным, иначе давление снаружи пузырьков всегда будет больше, чем внутри. Читатель: Можно ли заставить воду кипеть при более низкой температуре? Например, 20 °С? Автор: Да, но для этого надо сделать так, чтобы давление над поверхностью жидкости (суммарное!) было бы чуть меньше давления насыщенных паров воды при 20 °С, т.е. 17,5 мм рт. ст. Для этого необходимо сосуд с водой поместить в другой сосуд, из которого воздух откачан насосом до давления 17,5 мм рт. ст. (рис. 13.7). Причем откачку нельзя полностью прекращать, чтобы пар в большом сосуде не стал насыщенным. Иначе кипение прекратится.	Т а б л и ц а 13.4   Температура кипения некоторых жидкостей при давлении 760 мм рт. ст.
Вещество	t, °С
Не Н2 О2 N2 Cl2 Эфир Спирт Н2О Hg	–269 –253 –183 –196 –34
Рис. 13.7

СТОП! Решите самостоятельно: А3, А14, В3, В4, В9, В10, В13, В14, В20, С4, С9.