Кипение

Кипение, переход жидкости в пар, происходящий с образованием в объеме жидкости пузырьков пара или паровых полостей. Пузырьки растут вследствие испарения в них жидкости, всплывают, и содержащийся в пузырьках насыщенный пар переходит в паровую фазу над жидкостью. К. начинается, когда при нагреве жидкости давление насыщенного пара над её поверхностью становится равным внешнему давлению. Температура, при которой происходит К. жидкости, находящейся под постоянным давлением, называется температурой кипения (Ткип). Строго говоря, Ткип соответствует температуре насыщенного пара (температуре насыщения) над плоской поверхностью кипящей жидкости, так как сама жидкость всегда несколько перегрета относительно Ткип. При стационарном К. температура кипящей жидкости не меняется. С ростом давления Ткип увеличивается (см. Клапейрона — Клаузиуса уравнение). Предельной температурой К. является критическая температура вещества. Температура К. при атмосферном давлении приводится обычно как одна из основных физико-химических характеристик химически чистого вещества.

Для поддержания К. к жидкости необходимо подводить теплоту, которая расходуется на парообразование и работу пара против внешнего давления при увеличении объёма паровой фазы (см. Испарение). Таким образом, кипение неразрывно связано с теплообменом, вследствие которого от поверхности нагрева к жидкости передаётся теплота. Теплообмен при К. — один из видов конвективного теплообмена.

В кипящей жидкости устанавливается определённое распределение температуры (рис. 1): у поверхностей нагрева (стенок сосуда, труб и т.п.) жидкость заметно перегрета (Т > Ткип). Величина перегрева зависит от ряда физико-химических свойств как самой жидкости, так и граничных твёрдых поверхностей. Тщательно очищенные жидкости, лишённые растворённых газов (воздуха), можно при соблюдении особых мер предосторожности перегреть на десятки градусов без закипания. Когда такая перегретая жидкость в конце концов вскипает, то процесс К. протекает весьма бурно, напоминая взрыв. Вскипание сопровождается расплескиванием жидкости, гидравлическими ударами, иногда даже разрушением сосудов. Теплота перегрева расходуется на парообразование, поэтому жидкость быстро охлаждается до температуры насыщенного пара, с которым она находится в равновесии. Возможность значительного перегрева чистой жидкости без К. объясняется затрудненностью возникновения начальных маленьких пузырьков (зародышей), их образованию мешает значительное взаимное притяжение молекул жидкости. Иначе обстоит дело, когда жидкость содержит растворенные газы и различные мельчайшие взвешенные частицы. В этом случае уже незначительный перегрев (на десятые доли градуса) вызывает устойчивое и спокойное К., так как начальными зародышами паровой фазы служат газовые пузырьки и твердые частицы. Основные центры парообразования находятся в точках нагреваемой поверхности, где имеются мельчайшие поры с адсорбированным газом, а также различные неоднородности, включения и налеты, снижающие молекулярное сцепление жидкости с поверхностью.

Образовавшийся пузырёк растет только в том случае, если давление пара в нём несколько превышает сумму внешнего давления, давления вышележащего слоя жидкости и капиллярного давления, обусловленного кривизной поверхности пузырька. Для создания в пузырьке необходимого давления пар и окружающая его жидкость, находящаяся с паром в тепловом равновесии, должны иметь температуру, превышающую Ткип. В повседневной практике (при кипячении воды в чайнике и т.п.) наблюдается именно этот вид К., его называют пузырчатым. Пузырчатое К. происходит при небольшом превышении температуры Т поверхности нагрева над температурой К., т. е. при незначительном температурном напоре DТ=Т— Ткип. С увеличением температуры поверхности нагрева число центров парообразования резко возрастает, все большее количество оторвавшихся пузырьков всплывает в жидкости, вызывая ее интенсивное перемешивание. Это приводит к значительному росту теплового потока от поверхности нагрева к кипящей жидкости (росту коэффициента теплоотдачи a=q/DT, где q — плотность теплового потока на поверхности нагрева,). Соответственно возрастает и количество образующегося пара.

При достижении максимального (критического) значения теплового потока (qmakc) начинается второй, переходный режим К. При этом режиме большая доля поверхности нагрева покрывается сухими пятнами из-за прогрессирующего слияния пузырьков пара. Теплоотдача и скорость парообразования резко снижаются, т.к. пар обладает меньшей теплопроводностью, чем жидкость, поэтому q и a резко снижаются. Наступает кризис К. Когда вся поверхность нагрева обволакивается тонкой паровой пленкой, возникает третий, пленочный, режим К. При нем теплота от раскаленной поверхности передается к жидкости через паровую пленку путем теплопроводности и излучения. Характер изменения q с переходом от одного режима К. к другому показан на. В том случае, когда жидкость не смачивает стенку (например, ртуть, легированную сталь), К. происходит только в плёночном режиме. Все три режима К. можно наблюдать в обратном порядке, когда массивное металлическое тело погружают в воду для его закалки: вода закипает, охлаждение тела идет сначала медленно (пленочное К.), затем скорость охлаждения начинает быстро увеличиваться (переходное К.) и достигает наибольших значений в конечной стадии охлаждения (пузырчатое К.). Теплоотвод в режиме пузырчатого К. является одним из наиболее эффективных способов охлаждения; он находит применение в атомных реакторах и при охлаждении реактивных двигателей. Широко применяются процессы К. также в химической технологии, пищевой промышленности, при производстве и разделении сжиженных газов, для охлаждения элементов электронной аппаратуры и т.д. Наиболее широко режим пузырчатого К. воды используется в современных паровых котлах на тепловых электростанциях для получения пара с высокими значениями давления и температуры. Плёночное К. в паровых котлах недопустимо, оно может привести к перегреву стенок труб и взрыву котлов.

К. возможно не только при нагревании жидкости в условиях постоянного давления. Снижением внешнего давления при постоянной температуре можно также вызвать перегрев жидкости и её вскипание (за счёт уменьшения температуры насыщения). Этим объясняется, в частности, явление кавитации — образование паровых полостей в местах пониженного давления жидкости (например, в вихревой зоне за гребным винтом теплохода). К. при пониженном давлении применяют в холодильной технике, в физическом эксперименте (см. Пузырьковая камера) и т.д.

Лит.: Кикоин И. К. и Кикоин А. К., Молекулярная физика, М., 1963; Радченко И. В., Молекулярная физика, М., 1965; Михеев М. А., Основы теплопередачи, 3 изд., М. — Л., 1956, гл. 5.

Д. А. Лабунцов.