Кипіння
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Кипіння

Кипіння, перехід рідини в пару, що відбувається з освітою в об'ємі рідини бульбашок пари або парових порожнин. Бульбашки зростають унаслідок випару в них рідини, спливають, і насичена пара, що міститься в бульбашках, переходить в парову фазу над рідиною. До. починається, коли при нагріві рідини тиск насиченої пари над її поверхнею стає рівним зовнішньому тиску. Температура, при якій відбувається До. рідині, що знаходиться під постійним тиском, називається температурою кипіння кіп ). Строго кажучи, Т кіп відповідає температурі насиченої пари (температурі насичення) над плоскою поверхнею киплячої рідини, оскільки сама рідина завжди декілька перегріта відносно Т кіп . При стаціонарному До. температура киплячої рідини не міняється. Із зростанням тиску Т кіп збільшується (див. Клапейрона — Клаузіуса рівняння ) . Граничною температурою До. є критична температура речовини. Температура До. при атмосферному тиску приводиться зазвичай як одна з основних физико-хімічних характеристик хімічно чистої речовини.

загрузка...

  Для підтримка До. до рідини необхідно підводити теплоту, яка витрачається на паротворення і роботу пари проти зовнішнього тиску при збільшенні об'єму парової фази (див. Випар ) . Таким чином, кипіння нерозривно пов'язане з теплообміном, унаслідок якого від поверхні нагріву до рідини передається теплота. Теплообмін при До. — один з видів конвективного теплообміну .

  В киплячій рідині встановлюється певний розподіл температури ( мал. 1 ): в поверхонь нагріву (стінок судини, труб і т.п.) рідина помітно перегріта ( Т > Т кіп ). Величина перегріву залежить від ряду физико-хімічних властивостей як самої рідини, так і граничних твердих поверхонь. Ретельно очищені рідини позбавлені розчинених газів (повітря), можна при дотриманні особливих запобіжних засобів перегріти на десятки градусів без закипання. Коли така перегріта рідина врешті-решт скипає, то процес До. протікає вельми бурхливо, нагадуючи вибух. Скипання супроводиться розпліскуванням рідини, гідравлічними ударами, інколи навіть руйнуванням судин. Теплота перегріву витрачається на паротворення, тому рідина швидко охолоджується до температури насиченої пари, з яким вона знаходиться в рівновазі. Можливість значного перегріву чистої рідини без До.  пояснюється утрудненістю виникнення початкових маленьких бульбашок (зародків), їх освіті заважає значне взаємне тяжіння молекул рідини. Інакше йде справа, коли рідина містить розчинені гази і різні найдрібніші зважені частки. В цьому випадку вже незначний перегрів (на десяті долі градуса) викликає стійке і спокійне До., оскільки початковими зародками парової фази служать газові бульбашки і тверді частки. Основні центри паротворення знаходяться в точках поверхні, що нагрівається, де є найдрібніші пори з адсорбованим газом, а також різні неоднорідності, включення і нальоти, що знижують молекулярне зчеплення рідини з поверхнею.

  бульбашка, що Утворилася, зростає лише в тому випадку, якщо тиск пари в нім декілька перевищує суму зовнішнього тиску, тиск вищерозміщеного шару рідини і капілярного тиску, обумовленого кривизною поверхні бульбашки. Для створення в бульбашці необхідного тиску пар і рідина, що оточує його, знаходиться з парою в тепловій рівновазі, повинні мати температуру, Т кіп , що перевищує . У повсякденній практиці (при кип'яченні води в чайнику і т.п.) спостерігається саме цей вигляд До., його називають пузирчастим. Пузирчасте До. відбувається при невеликому перевищенні температури Т поверхні нагріву над температурою До., тобто при незначному температурному натиску DТ=Т— Т кіп . Із збільшенням температури поверхні нагріву число центрів паротворення різко зростає, вся більша кількість бульбашок, що відірвалися, спливає в рідині, викликаючи її інтенсивне перемішування. Це приводить до значного зростання  теплового потоку від поверхні нагріву до киплячої рідини (зростанню коефіцієнта тепловіддачі a=q/d T, де q — щільність теплового потоку на поверхні нагріву). Відповідно зростає і кількість пари, що утворюється.

  Досягши максимального (критичного) значення теплового потоку (q makc ) починається другий, перехідний режим К. Прі цьому режимі велика частка поверхні нагріву покривається сухими плямами із-за прогресуючого злиття бульбашок пари. Тепловіддача і швидкість паротворення різко знижуються, т.к. пар володіє меншою теплопровідністю, чим рідина, тому q і а різко знижуються. Настає криза К. Когда вся поверхня нагріву обволікається тонкою паровою плівкою, виникає третій, плівковий, режим К. Прі йому теплота від розжареної поверхні передається до рідини через парову плівку шляхом теплопровідності і випромінювання. Характер зміни q з переходом від одного режиму До. до іншого показаний на. В тому разі коли рідина не змочує стінку (наприклад, ртуть, леговану сталь), До. відбувається лише в плівковому режимі. Всі три режими До. можна спостерігати в зворотному порядку, коли масивне металеве тіло занурюють у воду для його гарт : вода закипає, охолоджування тіла йде спочатку повільно (плівкове До.), потім швидкість охолоджування починає швидко збільшуватися (перехідне До.) і досягає найбільших значень в кінцевій стадії охолоджування (пузирчасте До.). Тепловідвід в режимі пузирчастого До. є одним з найбільш ефективних способів охолоджування; він знаходить вживання в атомних реакторах і при охолоджуванні реактивних двигунів. Широко застосовуються процеси До. також в хімічній технології, харчовій промисловості, при виробництві і розділенні зріджених газів, для охолоджування елементів електронної апаратури і т.д. Найширше режим пузирчастого До. води використовується в сучасних парових казанах на теплових електростанціях для здобуття пари з високими значеннями тиску і температури. Плівкове До. у парових казанах недопустимо, воно може привести до перегріву стінок труб і вибуху казанів.

  До. можливо не лише при нагріванні рідини в умовах постійного тиску. Зниженням зовнішнього тиску при постійній температурі можна також викликати перегрівши рідини і її скипання (за рахунок зменшення температури насичення). Цим пояснюється, зокрема, явище кавітації утворення парових порожнин в місцях зниженого тиску рідини (наприклад, у вихровій зоні за грібним гвинтом теплохода). До. при зниженому тиску застосовують в холодильній техніці, у фізичному експерименті (див. Бульбашкова камера ) і т.д.

  Літ.: Кикоїн І. До. і Кикоїн А. До., Молекулярна фізика, М., 1963; Радченко І. Ст, Молекулярна фізика, М., 1965; Міхєєв М. А., Основи теплопередачі, 3 видавництва, М. — Л., 1956, гл.(глав) 5.

  Д. А. Лабунцов.

Мал. 2. Зміна щільності теплового потоку q і коефіцієнта тепловіддачі ( при кипінні води під атмосферним тиском залежно від температурного натиску D T = Т - Т кіп : А — область слабкого утворення міхурів; Би — пузирчасте кипіння; У — перехідний режим кипіння; Г — стабільне плівкове кипіння.

Мал. 1. Розподіл температури в шарі киплячої рідини (товщиною 6 см ) при атмосферному тиску.