Номер 3, страница 243 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 72. Давление насыщенного пара. Глава 11. Взаимные превращения жидкостей и газов - номер 3, страница 243.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Решение

Кипение — это процесс интенсивного парообразования, который происходит по всему объему жидкости при достижении определенной температуры, называемой температурой кипения. Этот процесс визуально проявляется в образовании и росте пузырьков пара.

Чтобы понять, почему для кипения важен именно рост давления насыщенного пара, рассмотрим условия существования и роста пузырька в жидкости. В любой реальной жидкости (например, в воде) всегда есть растворенные газы, в основном воздух. Эти микроскопические газовые включения служат центрами парообразования. Таким образом, пузырек, образующийся в жидкости, содержит не только пар самой жидкости, но и небольшое количество воздуха.

Давление внутри пузырька ($p_{внутр}$) является суммой парциального давления находящегося в нем воздуха ($p_{возд}$) и парциального давления насыщенного пара жидкости ($p_{н.п.}$), которое образуется за счет испарения жидкости с внутренней поверхности пузырька:

$p_{внутр} = p_{возд} + p_{н.п.}$

Чтобы пузырек мог расти, давление внутри него должно преодолеть сумму внешнего давления (обычно атмосферного, $p_{атм}$) и гидростатического давления столба жидкости. Условие роста пузырька можно записать как: $p_{внутр} \ge p_{атм}$.

Проанализируем, как изменяются составляющие внутреннего давления при нагревании жидкости.

1. Давление воздуха ($p_{возд}$). Количество воздуха в каждом отдельном пузырьке-зародыше очень мало и можно считать его постоянным. При нагревании, согласно газовому закону Шарля, давление воздуха в пузырьке увеличивается прямо пропорционально абсолютной температуре ($T$). Например, при нагревании воды от комнатной температуры (около 20 °C или 293 К) до температуры кипения (100 °C или 373 К), абсолютная температура возрастает в $373/293 \approx 1,27$ раза. Следовательно, и давление воздуха в пузырьке увеличится всего на 27%, что является относительно небольшим вкладом.

2. Давление насыщенного пара ($p_{н.п.}$). Зависимость давления насыщенного пара от температуры совершенно иная — она нелинейная и очень сильная (близкая к экспоненциальной). С ростом температуры все больше молекул жидкости приобретают достаточную кинетическую энергию для перехода в газообразное состояние. Это приводит к резкому увеличению концентрации молекул пара внутри пузырька и, как следствие, к быстрому росту давления насыщенного пара. Для воды, например, давление насыщенного пара при 20 °C составляет всего 2,3 кПа, а при 100 °C оно достигает 101,3 кПа (что равно нормальному атмосферному давлению). То есть, давление насыщенного пара возрастает более чем в 44 раза.

Сравнивая эти два фактора, становится ясно, что решающий вклад в увеличение давления внутри пузырька до уровня внешнего давления вносит именно резкий рост давления насыщенного пара. Увеличение давления воздуха является второстепенным фактором. Кипение начинается тогда, когда давление насыщенного пара становится достаточным, чтобы пузырьки могли расти по всему объему жидкости. Роль воздуха в основном сводится к тому, чтобы предоставить "затравки" или центры, на которых начинается образование паровых пузырьков.

Ответ:

Для кипения необходимо, чтобы давление внутри пузырьков, образующихся в жидкости, сравнялось с внешним (атмосферным) давлением. Давление внутри пузырька складывается из давления воздуха и давления насыщенного пара. При нагревании давление воздуха растет незначительно (пропорционально абсолютной температуре). В то же время давление насыщенного пара растет с температурой экспоненциально, то есть очень быстро и на гораздо большую величину. Именно этот стремительный рост давления насыщенного пара обеспечивает достижение необходимого для кипения давления внутри пузырьков. Вклад от повышения давления воздуха в этом процессе несущественен.