Кипение — это физический процесс, который подчиняется строгим законам давления и температуры. В этой статье разберём, почему жидкость закипает во всём объёме, от чего зависит температура кипения и как ведут себя пузырьки пара при подъёме. Всё это пригодится при решении задач по молекулярной физике, особенно в заданиях № 8–10 ОГЭ и № 25–27 ЕГЭ по физике.
Что такое кипение
Кипение — процесс парообразования, который происходит во всём объёме кипящей жидкости.
Рассмотрим жидкость в сосуде, на которую действует атмосферное давление. При появлении неоднородностей (например, микроскопических полостей или примесей) внутри жидкости образуются пузырьки водяного пара. На такой пузырёк действует давление, равное сумме атмосферного и гидростатического давлений жидкости.
$p = p_0 + \rho g h$
Кипение начинается, когда давление насыщенного водяного пара внутри пузырька становится равным давлению $p$:
$p_{\text{н.п.}} = p_0 + \rho g h$
При нормальном атмосферном давлении, равном $10^5$ Па, давление насыщенного водяного пара пузырька, находящегося в сосуде на глубине 3 см, равно:
$p_{\text{н.п.}} = 10^5 + 1000 \cdot 10 \cdot 0{,}03 = 100,300 \text{ Па} \approx 100 \text{ кПа}$
Поэтому именно при температуре 100 °C при нормальных условиях вода начинает закипать:
$100°\text{C} \Rightarrow p_{\text{н.п.}} = 10^5 \text{ Па} = 100 \text{ кПа}$
При снижении атмосферного давления уменьшается и давление, при котором начинается кипение. В результате температура кипения падает: например, при давлении 70 кПа вода закипает примерно при 90 °C. Поэтому в горах вода кипит при более низкой температуре, чем на уровне моря, — на вершине Эвереста она составляет около 69 °C.
Пузырьки водяного пара при подъёме от дна к поверхности заметно увеличиваются в объёме. Это легко наблюдать в повседневной жизни. Во время кипения испарение происходит не только у дна, но и внутрь самого пузырька, поэтому масса водяного пара в нём растёт. По уравнению Менделеева — Клапейрона при постоянном давлении (оно равно давлению насыщенного пара) увеличение массы приводит к увеличению объёма пузырька:
$pV ↑ = \frac{m}{M}RT$
Практикум
Задание 1
В неглубокой кастрюле кипит вода. Со дна кастрюли к поверхности поднимается газовый пузырёк. Как меняются при подъёме объём пузырька и среднеквадратичная скорость теплового движения молекул водяного пара? Процесс кипения воды считать установившимся.
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
- увеличивается,
- уменьшается,
- не изменяется.
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
| Объём пузырька | Среднеквадратичная скорость теплового движения молекул водяного пара |
|---|---|
У пузырька воздуха в жидкости давление равно давлению насыщенного пара $p_\text{н}$, температура постоянна, количество вещества увеличивается по мере подъёма к поверхности жидкости, и объём также увеличивается.
Среднеквадратичная скорость теплового движения молекул водяного пара не меняется, так как она зависит от температуры, а температура не меняется.
$v = \sqrt{\frac{3kT}{m_0}}$, где $m_0$ — масса одной молекулы воды.
Ответ: 13.
Итог
Теперь ты понимаешь, при каком условии начинается кипение и от чего зависит температура кипения. Ты можешь объяснить, почему пузырьки растут при подъёме и какие физические законы это описывают.
Главное:
- кипение связано с равенством давлений;
- температура кипения зависит от внешнего давления;
- объём пузырька увеличивается, а скорость молекул не меняется.
После этого ты сможешь уверенно решать задания по теме в ОГЭ и ЕГЭ по физике.
Авторы:
Саня Эбонит, преподаватель «100балльного репетитора» по физике ЕГЭ;
Кир Синюткин, методист «100балльного репетитора» по физике ЕГЭ
