Номер 1, страница 221 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 6. Взаимные превращения жидкостей и газов. Параграф 6.5. Кипение - номер 1, страница 221.

Условие.

? 1. Опишите механизм кипения жидкости.

Решение.

? 1.

Кипение — это процесс интенсивного парообразования, который происходит не только со свободной поверхности жидкости, как при испарении, но и по всему её объёму. Этот процесс начинается при достижении жидкостью определённой температуры, называемой температурой кипения, которая зависит от внешнего давления. Механизм кипения можно разбить на несколько ключевых этапов.

1. Образование центров парообразования. В любой реальной жидкости всегда есть "центры парообразования". Ими служат микроскопические пузырьки воздуха или других газов, растворенные в жидкости, а также микротрещины и поры на стенках и дне сосуда, в которых адсорбирован газ.

2. Формирование зародышевых пузырьков. При нагревании жидкости, особенно в слоях, прилегающих к горячим стенкам и дну сосуда, температура локально повышается. На центрах парообразования начинают формироваться и расти крошечные пузырьки. Эти пузырьки заполнены насыщенным паром жидкости и газом, который находился в центре парообразования.

3. Условие роста пузырьков. Пузырек пара может существовать и расти только в том случае, если давление внутри него $p_{вн}$ (сумма давления насыщенного пара и давления газа) будет больше или равно сумме давлений, действующих на него снаружи. Эти давления включают: внешнее давление на поверхность жидкости $p_{внеш}$ (обычно атмосферное), гидростатическое давление столба жидкости над пузырьком $p_{гидр} = \rho g h$ и давление, обусловленное кривизной поверхности пузырька (давление Лапласа) $p_{лапл} = \frac{2\sigma}{r}$, где $\sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения, а $\text{r}$ — радиус пузырька. Таким образом, условие роста пузырька: $p_{вн} \ge p_{внеш} + p_{гидр} + p_{лапл}$.

4. Достижение температуры кипения. С повышением температуры жидкости давление её насыщенного пара стремительно растет. Когда температура достигает точки кипения, давление насыщенного пара становится достаточным, чтобы преодолеть внешнее и гидростатическое давление (давлением Лапласа для достаточно больших пузырьков можно пренебречь). В этот момент пузырьки получают возможность неограниченно расти.

5. Интенсивное кипение. Выросшие до определённого размера пузырьки отрываются от стенок сосуда под действием выталкивающей силы Архимеда и устремляются вверх. Если верхние слои жидкости ещё не прогреты до температуры кипения, то пар в пузырьках может конденсироваться, и они схлопываются, создавая характерный шум. Когда вся масса жидкости прогревается, пузырьки беспрепятственно достигают поверхности и лопаются, выбрасывая в атмосферу большое количество пара. Этот бурный процесс и есть кипение.

6. Постоянство температуры. Во время кипения, при постоянном внешнем давлении, температура жидкости не меняется. Вся подводимая извне энергия идёт на фазовый переход — превращение жидкости в пар (затрачивается на удельную теплоту парообразования), а не на увеличение кинетической энергии молекул жидкости.

Ответ: Механизм кипения заключается в образовании и росте пузырьков пара по всему объему жидкости на имеющихся центрах парообразования (пузырьки газа, неровности сосуда). Это становится возможным при достижении температуры кипения, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков становится достаточным, чтобы преодолеть внешнее и гидростатическое давление. Всплывая и лопаясь на поверхности, пузырьки вызывают интенсивный выход пара из жидкости.