8. Кипение жидкостей

8. Кипение жидкостей
8.1. Вводные замечания
Развитие современных технологий и их научных основ сопряжено с использованием
теоретических и экспериментальных данных о процессах кипения жидкостей. Особенно это
относится к силовым установкам транспортных средств, морских, воздушных, космических
и объектам атомной энергетики.
Переход веществ из жидкого или твёрдого состояния в газообразное состояние,
именуемый парообразованием, возможен с разной степени интенсивности практически при
любых внешних условиях. Вследствие теплового движения молекул, они могут покидать
границы жидкости или твёрдого тела при любых температурах, однако при высоких
температурах скорости молекулярного движения соответственно выше, что увеличивает
количество молекул, способных перемещаться за пределы поверхностных слоёв.
Парообразование со свободной поверхности жидкости называется испарением, испарение с
поверхности твёрдого тела называется сублимацией или возгонкой.
Для перехода молекул из жидкого состояния в парообразное они должны преодолеть
силы межмолекулярного сцепления и внешнее давление. Это становится возможным при
определённой величине кинетической энергии молекул в фазе их поступательного
движения. Результатом испарения является охлаждение жидкости, потому что каждая
молекула, покидающая объём уносит с собой часть кинетической энергии. Таким образом,
для организации процесса испарения при фиксированной температуре к жидкости должно
подводиться тепло от внешнего источника.
Количественно процесс парообразования характеризуется физической величиной,
называемой удельной теплотой парообразования L, показывающей какое количество тепла
при постоянной температуре необходимо подвести, чтобы обратить в пар 1 кг жидкости.
Для превращения в пар жидкости массой m, таким образом, требуется следующее
количество тепла δQ
δQ = Lm ,
(8.1)
где L − удельная теплота парообразования, m − масса жидкости. При понижении
температуры пара он способен превращаться в жидкость, такой процесс называется
конденсацией. Процесс конденсации начинается при температурах, ниже некоторой
критической, характерной для данного вещества. Каждое вещество характеризуется
температурой, при которой не обнаруживается различий между жидкой и паровой фазами.
Такие температуры называются критическими.
При конденсации пара выделяется количество теплоты, которое было затрачено на
испарение конденсированного вещества
δQ = −Lm ,
(8.2)
где L − удельная теплота конденсации. Примерами природного проявления конденсации
могут служить дождь, снег, иней и роса.
Кипение представляет собой процесс испарения, при котором образование пара
протекает не только на поверхности жидкости, но и во всём её объёме. Кипение
характеризуется образованием и схлопыванием в жидкости парогазовых полостей. Несмотря
на продолжительный срок пристального внимания к вопросам кипения учёных и инженеров,
физические особенности этого распространённого процесса изучены не до конца. Многие
аспекты кипения до настоящего времени не находят удовлетворительного теоретического
объяснения.
294
Процесс кипения сопровождается целым рядом характерных термодинамических
эффектов основными, из которых являются следующие [18]:
• Режим кипения характеризуется более интенсивным теплообменом между
жидкостью и нагретой твёрдой поверхностью. Этот охлаждающий эффект
используется в высокотемпературных и холодильных технологиях − паросиловых
аппаратах, кипящих ядерных реакторах, холодильных машинах и т.п.;
• Температурный режим возникновения конкурентной фазы в жидкости зависит от
величины внешнего давления. Это даёт возможность при высоких давлениях
получать перегретый пар, энергетические возможности которого выше, чем в
условиях нормального атмосферного давления;
• Кипение в начальных стадиях, в отличие от прочих фазовых переходов,
характеризуется относительно высокой степенью гомогенности и однородностью
физических свойств, чему способствует постоянная эвакуация парогазовых полостей
из жидкости под действием силы Архимеда, полости попросту всплывают на
поверхность, по пути интенсивно перемешивая жидкость;
• При кипении жидких смесей в виде растворов с различными величинами давления
насыщенных паров парогазовые полости содержат преимущественное количество
паров более летучего вещества, что широко используется в химической технологии
при фракционировании и перегонке.
• Вскипание жидкости сопровождается излучением интенсивных акустических волн в
достаточно широком частотном диапазоне, что инициирует интенсификацию
химических реакций. Есть мнение, что бактерицидное воздействие кипения
обусловлено не столько высокой температурой, сколько разрушительным
воздействием волн ультразвукового диапазона на живые клетки бактерий.
295