Рідина, енциклопедія Навколосвіт
Процес встановлення такої рівноваги можна представити таким чином. Пар над поверхнею рідини утворюється в результаті вильоту частини молекул з її поверхні. Для виходу з рідини випаровуються молекули повинні подолати сили тяжіння з боку решти молекул, тобто зробити роботу проти цих сил. Крім того, повинна бути здійснена робота проти зовнішнього тиску вже утворився пара. Очевидно, вся ця робота може бути здійснена за рахунок кінетичної енергії теплового руху молекул. Природно, що не всі молекули здатні зробити цю роботу, а тільки ті з них, які мають достатню для цього кінетичної енергією, тому перехід частини молекул в пар призводить до збіднення рідини швидкими молекулами, тобто до її охолодження. Відчуття сильного охолодження шкіри, змоченою, наприклад, ефіром (швидко випаровується рідиною) є наслідком цього ефекту.
Щоб швидкість випаровування рідини лишалася незмінною і навіть зростала, потрібно підтримувати незмінною температуру її поверхні, що забезпечується постійним підведенням тепла від зовнішнього джерела. Одночасно з переходом молекул з об'єму рідини в газову фазу відбувається і зворотний процес: повернення частини молекул в рідину (конденсація). Очевидно, число конденсуються молекул пропорційно щільності молекул в парі, тому в замкнутому посудині через деякий час, коли швидкості прямого і зворотного процесів зрівняються, настає рівновага. Встановлена таким чином постійна щільність пара відповідає цілком певному тиску, яке називається пружністю насиченої пари, яка росте з підвищенням температури.
Перехід речовини з однієї фази в іншу завжди пов'язаний з поглинанням або виділенням деякої кількості тепла - так званої прихованої теплоти фазового переходу (або просто теплоти переходу). Кількість тепла, необхідне для того, щоб випаровування рідини з поверхні відбувалося при постійній температурі (при зовнішньому тиску, рівному пружності її насиченої пари), називається теплотою випаровування, яка виявляється універсальною характеристикою кожної рідини. Зворотний випаровуванню процес конденсації супроводжується виділенням тепла. При цьому очевидно, теплота конденсації дорівнює теплоті випаровування. Теплота переходу є фактично кількісною характеристикою сил зв'язку між молекулами речовини - чим більше ці сили, тим більше теплота переходу. Стосовно до рідини можна сказати, що потенційна енергія молекули в рідині менше її потенційної енергії в парі на величину, рівну теплоті випаровування, віднесеної до однієї молекулі. На практиці користуються питомою теплотою випаровування (конденсації), яка виходить розподілом молярної (віднесеної до одного молю) теплоти випаровування до молекулярної масі рідини.
Кипіння рідини - процес її випаровування, що супроводжується швидким утворенням і зростанням бульбашок пари, які прориваються через поверхню рідини назовні. Якщо рідина в посудині нагрівати при постійному зовнішньому тиску, то спочатку освіту пара носить спокійний характер, оскільки випаровування відбувається тільки з вільної поверхні рідини, однак, при досягненні певної температури, званої температурою кипіння, освіту пара починає відбуватися не тільки з вільної поверхні, але і зсередини рідини.
У реальності, в самій рідини або на стінках посудини, в який вона укладена, завжди є розчинений (або адсорбований на стінках) повітря або будь-якої іншої газ. В цьому випадку при нагріванні рідини в ній утворюються бульбашки повітря, які наповнюються насиченим паром навколишнього рідини. У стані механічної рівноваги сума тисків повітря і пара усередині бульбашки повинна дорівнювати зовнішньому тиску поза бульбашки, яке складається з тиску атмосфери і гідростатичного тиску навколишнього рідини. З підвищенням температури рідини внутрішній тиск в бульбашках зростає, вони починають збільшуватися в розмірах і підніматися вгору під дією архимедовой підйомної сили. Така двухфазная система (рідина з повітряними бульбашками) виявляється нестійкою і починається бурхливий процес кипіння.
Температура кипіння відповідає умові, при якому тиск насиченої пари дорівнює сумі атмосферного і гідростатичного тиску на даній висоті, звідки випливає, зокрема, що температура кипіння рідини істотно залежить від зовнішнього тиску. Якщо помістити посудину з водою під ковпак повітряного насоса, то при відкачці повітря до певного тиску можна змусити воду кипіти при кімнатній температурі. З цим же пов'язане спостережуване зниження температури кипіння рідин при підйомі в горах на великі висоти, де атмосферний тиск повітря помітно нижче тиску біля підніжжя. Так, температура кипіння води на висоті 4000 м складає лише 85 ° C в порівнянні з температурою кипіння 100 ° C на рівні моря.
Перегріта рідина і пересичений пар.
Кипіння може відбуватися лише в тому випадку, коли рідина містить розчинені в ній гази. При відсутності газових бульбашок або центрів інтенсивного пароутворення можна отримати перегріту рідину, тобто рідина, температура якої вище температури кипіння при даному зовнішньому тиску, але яка, однак, не закипає. На изотерме Ван-дер-Ваальса (рис. 3) перегріта рідина відповідає ділянці BD. так як тиск рідини на цій ділянці нижче тиску на изотерме-ізобарі AB. де воно дорівнює тиску насиченої пари. Перегріту рідину можна отримати навіть тоді, коли в ній є бульбашки, треба лише, щоб вони були досить малі, так що тиск насиченої пари всередині них виявляється помітно меншим відповідного тиску пара над плоскою поверхнею. При малих розмірах бульбашки важливо і тиск на пухирець, пов'язане з кривизною його поверхні. Сферична поверхню рідини, що оточує бульбашку, за рахунок поверхневого натягу прагне скоротитися і виникає при цьому тиск додається до зовнішнього тиску, розчавлює бульбашка.
Перегріта рідина метастабильна, тобто мало стійка. При наявності зародків (наприклад, досить великих бульбашок повітря) рідина вже не може існувати як фізично однорідне тіло і частина її негайно переходить в пар.
Так само йде справа з пересиченим паром. На изотерме Ван-дер-Ваальса йому відповідає ділянку FA (рис. 3). Якщо в пересиченому парі утворилися зародки нової фази (наприклад, великі крапельки рідини), то за певних умов, коли рівноважний тиск пари над поверхнею крапельки менше тиску навколишнього пересичені пара, пара конденсується. Конденсації пересичені пара сприяє і наявність пилу або інших дрібних частинок. Ефективними центрами конденсації виявляються електрично заряджені частинки або іони. Цей ефект лежить в основі дії одного з основних приладів ядерної фізики і фізики елементарних частинок - камери Вільсона.
Камера Вільсона є герметично замкнутий обсяг, заповнений якимись неконденсірующаяся газом (гелій, аргон та ін.) І насиченими парами деяких рідин (вода, етиловий спирт і ін.). Одна зі стінок камери робиться рухомого (у вигляді поршня або пружною діафрагми). При адіабатичному розширенні температура суміші, що заповнює камеру, знижується. При цьому пар стає пересиченим, але без центрів конденсації конденсуватися не буде. Якщо, проте, через простір камери пролетить зарядженачастка, вона залишить за собою ланцюжок іонів. На цих іонах, як на зародках, відразу починається конденсація пересичені пара у вигляді маленьких крапельок, що досягають видимих розмірів. Так виникають треки - ланцюжки крапельок, розташованих уздовж траєкторії іонізующей частки, які можна висвітлити і сфотографувати.
Для спостереження слідів іонізуючих частинок можна використовувати і явища в перегрітій рідині, на цьому заснована дія так званої бульбашкового камери, яка з'явилася набагато пізніше камери Вільсона. Рідина в бульбашкової камері (рідкий водень, рідкий гелій, рідкий пропан, фреони та ін.) Знаходиться при температурі, що перевищує температуру кипіння. Від закипання вона утримується високим тиском над нею. При раптовому зниженні тиску рідина виявляється перегрітої. Якщо в цей момент через камеру пролітає іонізующих часток, то у вузькій області уздовж її траєкторії рідина закипає. В результаті шлях частинки виявляється зазначеним ланцюжком бульбашок пари, яку можна зафіксувати.