«Кипение»

явление, обнаруживаемое жидкостями, когда во всей массе их происходит образование пузырьков пара. Если же пар образуется только на поверхности жидкости, то происходит испарение (см.); жидкий пар, находясь под давлением окружающей жидкости, может появиться только тогда, когда давление в этой точке жидкости не превышает упругости насыщенного пара при температуре жидкости. Поэтому, при данном давлении, К. данной жидкости наблюдается при определенной температуре. Под именем температуры кипения разумеют температуру К. под нормальным давлением атмосферы, равным 760 мм ртутного столба [В статье Состояние тел (три состояния) будут помещены таблички, показывающие температуры плавления и кипения тел.]. Практически опыт редко осуществляется при этом условии, и потому приходится находить искомую температуру К. при помощи поправки. Температура К. — характерный признак жидкости, а явление К. — весьма употребительный способ разделения жидкостей и испытания их чистоты. Мы рассмотрим: 1) условия К., 2) нахождение температуры К., 3) К. смесей и растворов, 4) зависимость между температурой К. и составом жидкости.

1) Условия К. При данной температуре на поверхности жидкости устанавливается определенное давление ее пара, которое называется упругостью насыщенного пара. Образование пара наступает немедленно, если имеется свободная поверхность жидкости. Если же жидкость смачивает твердое тело или если дело идет о явлениях внутри жидкости, то жидкость можно при этих условиях нагреть до температуры высшей, чем температура К., а самого К. не произойдет. Сверх внешнего давления, в этом случае нужно преодолеть еще силы сцепления, и потому образование пара происходит лишь при температуре более высокой. Этим обуславливается возможность "перегревания" жидкостей, т. е. нагревание их выше температуры К., без К. В перегретом состоянии достаточно образовать внутри жидкости ничтожную свободную поверхность, чтобы вызвать образование громадных количеств пара. К. происходит тогда взрывом, причем температура перегретой жидкости сразу падает до температуры К. Если не соблюдены особые условия, то К. должно неизбежно происходить толчками при резких колебаниях температуры жидкости. Такой вид К. представляет большую опасность для паровых котлов; вода, находящаяся в таких условиях К., называется сонной водой. "Перегревание" - нормальное явление для жидкостей, а потому на практике колебания температуры внутри жидкости во время К. наблюдаются в большей или меньшей степени всегда. Чем ровнее кипит жидкость, тем эти колебания меньше. Чтобы достигнуть ровного К. нужно, чтобы не только внешняя горизонтальная поверхность жидкости была свободна, но чтобы подобные же условия имели место и в глубине, чтобы там жидкость соприкасалась с твердыми телами, например со стенками сосуда, не вполне их смачивая. В этом отношении громадное влияние оказывает способность поверхностей твердых тел сгущать газы и упорно их удерживать. Поверхности твердых тел всегда обладают такой оболочкой сгущенного воздуха, а потому и образование пузырьков газа наблюдается у стенок сосуда, или у погруженной в жидкость палочки, или у плавающей в жидкости пылинки. По мере того как К. продолжается, вместе с парами уходит с поверхности твердых тел, соприкасающихся с жидкостью, сгущенный газ и происходит полное смачивание. Тогда наступают условия перегревания, и жидкость начинает кипеть толчками. Устранить это явление можно несколькими способами. Или во время К. вовнутрь жидкости пропускают весьма слабый ток газа, или к жидкости прибавляют твердого тела, лежавшего на воздухе, в порошке (чаще всего прибавляют тальк, как минерал, мало поддающийся химическим действиям). Для той же цели смазывают стенки паровых котлов смолой. Тогда смола, медленно разлагаясь от нагревания, дает постоянно газы, обуславливающие ровное К. и, сверх того, препятствующие осаждению на стенках плотной накипи.

2) Нахождение температуры К. производится погружением термометра в пары кипящей жидкости, а не в самую жидкость. Температура кипящей жидкости может, как указано выше, значительно колебаться и, сверх того, она изменяется с глубиной. Чем глубже образуются в жидкости пузырьки пара, тем большему внешнему давлению они подвержены и тем выше, следовательно, должна быть их температура, ибо к давлению атмосферы на поверхности присоединяется вес столба жидкости. Выходя с поверхности жидкости, пар принимает температуру, отвечающую температуре насыщенного пара при давлении атмосферы, которое мы наблюдаем. Необходимо при этом только защитить термометр от лучистой теплоты. Найденную таким образом температуру К. необходимо исправить, чтобы привести к нормальным условиям. Не всегда весь ртутный столб удается погрузить в пары; тогда вводится поправка термометра (см. Термометр). Чтобы затем найти температуру К., отвечающую нормальному атмосферному давлению, нужно знать, как изменяется упругость насыщенного пара с температурой. Эти изменения различны у разных жидкостей. В среднем можно принять, что изменение атмосферного давления на 26 мм вызывает перемену в температуре К. на один градус.

3) К. смесей и растворов. Перегонка. Если наблюдение температуры К. произведено правильно, то однородная жидкость показывает во все время К. одну и ту же характерную температуру. Непостоянство температуры К. — верный признак присутствия в жидкости посторонних подмесей. Чтобы отделить эти подмеси, К. соединяют со сжижением пара, и тогда операция носит название перегонки. Пары кипящей жидкости вводят в холодильник, и стекающую из него жидкость разделяют на фракции с различной температурой К. Применяя "повторную перегонку", достигают выделения жидкостей с более или менее постоянной температурой К. Достижение результата ускоряется применением дефлегматоров — приборов, в которых часть пара сгущается в жидкость, стекающую обратно в кипятильник (см., например, Винокурение). Под явлением К. нужно различать два случая: К. неоднородной смеси и К. раствора.

К. смеси двух жидкостей, не растворяющихся друг в друге, представляет весьма интересные особенности. Температура К. остается постоянной, пока имеется смесь, и всегда ниже, чем температура К. каждой из жидкостей в отдельности. Каждая из жидкостей образует насыщенный пар с той же упругостью, как в отдельном состоянии, и К. начинается тогда, когда сумма упругостей насыщенных паров обеих жидкостей достигает величины атмосферного давления. Давление пара каждой из жидкостей оказывается, поэтому, меньше атмосферного, и К. происходит, как под уменьшенным давлением. Этим пользуются часто, чтобы перегнать с водяным паром при температуре ниже 100° жидкости, не смешивающиеся с водой и кипящие при температуре гораздо более высокой. Этим способом отгоняют также из частей растений пахучие эссенции, эфирные масла и т. п. Если перегонке подвергаются только две не смешивающие жидкости, то во все время К. смеси наблюдается постоянная температура и постоянное отношение между количествами жидкостей в перегоне. Определив это отношение, зная температуру К. смеси и давление, под которым производится перегонка, можно найти величину упругости и плотности пара одной из жидкостей, если для другой жидкости эти величины известны. Если давление атмосферы будет — H, а давление пара взятых жидкостей при температуре К. смеси h' и h", то h"=H-h'. Плотность пара выразится: d"=d'∙S"∙h'/[S'∙(H-h')], где d" и d' — плотности паров исследуемых жидкостей при температуре кипения смеси, S"/S' — отношение весов их в перегонке. Если пренебречь уклонениями плотностей насыщенных паров, то найденное отношение d"/d' может служить для определения частичного веса одной из жидкостей: М₂=М₁∙d"/d', где М₂и М₁— частичные веса исследуемых жидкостей [Для успеха опыта полезно прибавить талька.].

К. растворов. Простейший случай наблюдается, когда в жидкости растворено нелетучее твердое тело. Тогда температура К. всегда является повышенной и тем больше, чем больше содержание твердого тела. Для наблюдения температуры К. в этом случае необходимо, однако, термометр ввести в пары предварительно нагретым. Если это не выполнено, то на холодной поверхности термометра осядет чистая жидкость, и термометр долгое время будет показывать температуру К. не раствора, а чистой жидкости. Простой зависимости между температурой К. и содержанием твердого тела в растворе не наблюдается; взамен этого для данного случая существуют простые отношения между упругостями пара раствора и чистой жидкости при постоянной температуре h=h'(1-φm), где h — упругость пара раствора, h' — упругость пара чистой жидкости, m — содержание тела в растворе и φ — коэффициент депрессии упругости пара (подробности — см. Растворы). В случае раствора двух жидкостей каждая из них выделяет пары, представляющие также меньшую упругость, чем пары чистой жидкости при той же температуре. К. наступает тогда, когда сумма упругостей равна атмосферному давлению; но эта сумма образуется не из величин упругостей насыщенных паров h'+h", как в случае несмешивающихся жидкостей, а из меньших: h'(1-φ')+h"(1-φ"), где φ', φ" — величины, характеризующие потерю упругости пара при образовании раствора данного состава. Чем больше содержание в растворе одной из жидкостей, тем более понижена упругость пара другой, с нею смешанной. Величины упругостей паров и весовые отношения тел в парах меняются при изменении состава раствора. Поэтому при К. раствора наблюдают вообще непрерывное изменение температуры К. и непрерывное изменение состава перегона, причем в первых фракциях преобладает жидкость с более низкой температурой К. В редких случаях растворы двух жидкостей, составленные в определенной пропорции, представляют постоянную температуру К. и дают перегон одного и того же состава во все время перегонки. Избыток одной из жидкостей делает температуру К. в этом случай также изменяющейся; но, по удалении избытка повторенной перегонкой, мы снова получаем раствор того же состава с постоянной температурой К. Такие "постоянно кипящие" растворы, по своему характеру приближающиеся к определенным химическим соединениям и потому представляющие значительный интерес, были предметами многих исследований. Признак таких растворов: одинаковость весовых отношений тел в парах и в растворе. Только в таком случае при кипении раствора состав его будет оставаться неизменным. Исходя из простых механических условий парообразования, можно вывести, что это условие должно быть соблюдено при определенных соотношениях между величинами упругостей пара жидкостей в отдельном состояние и величинами упругостей пара их растворов. В обычных случаях, упругости пара растворов представляют величины средние между величинами упругостей пара взятых жидкостей. При К. таких растворов температура К. непрерывно меняется в пределах температур К. жидкостей, образующих раствор, и в то же время непрерывно меняется состав перегона, причем в первых его фракциях преобладает жидкость с низшей температурой К. Если же упругости пара растворов представляют величины или большие, или меньшие, чем для жидкостей в отдельном состоянии, то явления К. раствора существенно меняются. Теория показывает, что здесь необходимо должен существовать раствор, представляющий одинаковые весовые отношения тел в парах и в растворе и, следовательно, не изменяющийся при К. Такой раствор отвечает или наибольшей, или наименьшей упругости пара, т. е. представляет или наиболее высокую, или наиболее низкую температуру К. из всех растворов, которые образует данная пара жидкостей. Так, вода с температурой К. 100° и азотная кислота с температурой К. 86° образуют раствор, не изменяющийся в составе при К. и кипящий при 120,5°. Раствор этот содержит около 70% азотной кислоты. Все растворы с иным содержанием кислоты будут представлять температуру К. ниже 120,5°. Пропиловый спирт с температурой К. 97,4° образует с водой раствор, кипящий без изменения состава при 85,5°, т. е. при температуре низшей, чем температура К. обеих составных частей раствора. При кипении раствора иного состава, чем раствор с максимальной или с минимальной температурой К., температура К. непрерывно меняется и происходит изменение состава раствора с тем лишь отличием, что окончательным результатом повторенной перегонки является разделение взятого раствора на две части: постоянно кипящий раствор с максимальной или с минимальной температурой К. и более или менее чистая жидкость, содержавшаяся в избытке. И в этом случае при К. раствора удаляются части ниже кипящие, а остаются — выше кипящие. Наглядное представление об условиях К. смешанных жидкостей и об условиях образования постоянно кипящих растворов могут дать прилагаемые кривые, представляющие типические формы зависимости между составом раствора и упругостью его пара при постоянной температуре. На оси абсцисс нанесен процентный состав раствора, а на оси ординат — упругость пара.

I-й чертеж отвечает смеси жидкостей. Упругость пара при постоянной температуре не зависит от состава смеси; поэтому во все время кипения температура К. и состав перегона не меняются.

Черт. I.

II-й чертеж. Жидкости растворяются, но не вполне. Упругость не равна сумме упругости паров обеих жидкостей, а меньше. Но в середине мы имеем также горизонтальную прямую, ибо и здесь имеется смесь двух насыщенных растворов неизменного состава, пока количественные отношения смеси не выходят из пределов коэффициентов растворимости. В этих пределах температура К. остается постоянной и состав перегона не меняется во время К.

Черт. II. Черт. III.

III, IV и V чертежи отвечают растворяющимся во всех пропорциях жидкостям. Здесь упругость пара, а следовательно, и температура К. всегда зависит от состава. IV-й случай — обычный, соответствующий непрерывному изменению температуры К. во время перегонки, ибо упругость пара при постоянной температуре непрерывно меняется с составом раствора, и представляющий возможность разделения жидкости перегонкой. III и IV-й случаи характерны для растворов, не вполне разделяемых перегонкой и дающих постоянно кипящий раствор, соответственно высшей или низшей точке кривой, ибо, как указывает теория, насыщенный пар и раствор имеют одинаковый состав именно у растворов, обладающих или минимальной, или максимальной температурой К. (т. е. или максимальной, или минимальной упругостью пара при постоянной температуре).

Черт. IV. Черт. V.

Подробности см. Д. Коновалов, "Упругость пара растворов" ("Журнал Русского физико-химического общества", т. XVI).

4) Зависимость между температурой К. и составом жидкостей. Для простых тел зависимость эта определяется периодическим законом. Из числа соединений наибольшее число жидкостей приходится на область органических соединений, и здесь зависимость между температурой К. и составом была предметом многих исследований. Первоначальное предположение о постоянной разности в температурах К. при постоянной разности в составе не оправдалось на опыте (см. Жидкости). В гомологических рядах разность температур К. при разнице в составе на СН₂меняется в одном и том же ряду и неодинакова в разных рядах, как это можно видеть из следующих примеров:

Во всяком случае замена водорода, связанного с углеродом, метилом всегда повышает температуру К. Иное происходит при замене водорода гидроксильного: температура К. при этом сильно понижается. Например, метиловый алкоголь кипит при 78°, а метилэтиловый эфир при 11°; уксусная кислота кипит при 119°, а ее метиловый эфир при 56° (благодаря этому удается иногда перегонять без разложения эфиры в том случае, когда исходные вещества при перегонке разлагаются, как, например, щавелевая или масляная кислоты). Замена Н₂-О повышает температуру К.: жирные кислоты кипят приблизительно на 40° выше, чем соответствующие кислоты; альдегиды и окиси выше, чем соответствующие углеводороды. Еще более повышается температура К. при замене Н-ОН: температура К. бутана 1°, а бутилового спирта (нормального) 117°; температура К. пентана 38°, а амилового спирта 138°; температура К. толуола 111°, а бензилового спирта 207°. То же явление обнаруживается при переходе от одноатомных спиртов к многоатомным; этиловый спирт С₂Н₅ОН кипит при 78°, а этиленгликоль C₂H₄(OH)₂кипит при 198°; пропиловый спирт С₃Н₇OH кипит при 97°, а глицерин С₃Н₅(ОН)₃кипит при 290°. Изменения температуры К. при изменениях состава не выражаются простым законом постоянной разности; но из приведенных примеров, однако, видно, что одинаковые изменения в составе влекут за собой сходные изменения в температуре К. тел, причем весьма часто и самая величина этих изменений температуры К. колеблется в весьма узких пределах. Если различия в составе состоят лишь в неодинаковом строении, то и здесь наблюдаются различия температуры К. тем больше, чем глубже различия в строении. Например, изомерные вещества формулы C₃H₆O, амиловый спирт и пропиловый альдегид кипят при 97° и 69°; а три изомерных диметилбензола кипят: орто— при 142°, мета— и пара— при 137°.

Д. Коновалов.

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 (См. Температура кипения) (Т_кип). Строго говоря, Т_кип соответствует температуре насыщенного пара (температуре насыщения) над плоской поверхностью кипящей жидкости, так как сама жидкость всегда несколько перегрета относительно Т_кип. При стационарном К. температура кипящей жидкости не меняется. С ростом давления Т_кипувеличивается (см. Клапейрона - Клаузиуса уравнение). Предельной температурой К. является Критическая температуравещества. 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 (См. Конвективный теплообмен).

В кипящей жидкости устанавливается определённое распределение температуры (рис. 1): у поверхностей нагрева (стенок сосуда, труб и т.п.) жидкость заметно перегрета (Т > Т_кип). 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 (См. Капиллярное давление), 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 Т_кип. 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 ΔТ=Т— Т_кип. 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 α=q/ΔT, где q —плотность теплового потока на поверхности нагрева,). Соответственно возрастает и количество образующегося пара.

При достижении максимального (критического) значения теплового потока (q_makc) начинается второй, переходный режим К. При этом режиме бо́льшая 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 α 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 (См. Закалка): 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 (См. Кавитация)— образование паровых полостей в местах пониженного давления жидкости (например, в вихревой зоне за гребным винтом теплохода). К. при пониженном давлении применяют в холодильной технике (См. Холодильная техника), 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.

Рис. 1. Распределение температуры в слое кипящей жидкости (толщиной 6 см) при атмосферном давлении.

Рис. 2. Изменение плотности теплового потока q и коэффициента теплоотдачи ( при кипении воды под атмосферным давлением в зависимости от температурного напора ΔT=Т-Т_кип: А — область слабого образования пузырей; Б — пузырчатое кипение; В — переходный режим кипения; Г — стабильное плёночное кипение.

1. кипе́ние;
2. кипе́ния;
3. кипе́ния;
4. кипе́ний;
5. кипе́нию;
6. кипе́ниям;
7. кипе́ние;
8. кипе́ния;
9. кипе́нием;
10. кипе́ниями;
11. кипе́нии;
12. кипе́ниях.

КИПЕ́ТЬ, -плю́, -пи́шь; несов.

-я, ср.

1.

Действие и состояние по глаг. кипеть (в 1 и 2 знач.).

Кипение воды.

2. перен.

Бурное проявление чего-л., душевное волнение, подъем и т. п.

Кипение страстей.

□

Их [студентов] объятия, восклицания, невинное кокетничанье молодости, горящие взгляды, смех без причины — все это радостное кипение жизни юной, свежей меня трогало и поджигало. Тургенев, Ася.

КИПЕ́НИЕ, кипения, мн. нет, ср. Действие по гл. кипеть. Температура кипения. Точка кипения (см. точка).

ср.

1.

процесс действия по гл. кипеть I 1., 2., 4., 5. отт. Результат такого действия.

2.

Бурное волнение реки, источника и т.п.

3.

Бурное проявление какого-либо чувства, душевное волнение, подъём.

КИПЕНИЕ - интенсивный переход жидкости в пар (парообразование) вследствие образования и роста в жидкости пузырьков пара (пузырьковое кипение) или появление пленки пара на поверхности нагрева в жидкости (пленочное кипение). Температура кипения Тк при атмосферном давлении называется точкой кипения вещества.

Wildness — Кипение.

Состояние, при котором охлаждающийся литой металл выделяет так много газа, что выглядит как кипящий. При этом возможно выплескивание металла из формы или изложницы.

КИПЕНИЕ, интенсивный переход жидкости в пар (парообразование) вследствие образования и роста пузырьков пара в жидкости (пузырьковое кипение) или появления в жидкости пленки пара на поверхности нагрева (пленочное кипение). Температура кипения Тк при атмосферном давлении называется точкой кипения вещества. Кипение - фазовый переход 1-го рода.

ср. boiling точка кипения ≈ boiling pointкипени|е - с. boiling;
точка ~я boiling point.

boil, boiling, bubbling

n.boiling; точка кипения, boiling point

с

Kochen n, Sieden n

кипение с Kochen n 1, Sieden n 1

с.

1)ébullition f, bouillonnement m

точка кипения — point m d'ébullition

2)перен. effervescence f

с.

1)ebullición f

то́чка кипе́ния — punto de ebullición

2)перен. bullir m

кипе́ние страсте́й — el bullir de las pasiones

с.

1)bollitura f, bollimento m

точка кипения физ. — punto di ebollizione

2)перен. agitazione f, fermento m, effervescenza f

КИПЕНИЕ

переход жидкости в пар (фазовый переход I рода), происходящий с образованием в объёме жидкости пузырьков пара или заполненных паром полостей на нагреваемых поверхностях. Пузырьки растут (вследствие испарения в образующуюся полость жидкости), всплывают, и содержащийся в них насыщ. пар переходит в паровую фазу над жидкостью.

Для поддержания К. к жидкости необходимо подводить теплоту, к-рая расходуется на парообразование и на работу пара против внеш. давления при увеличении объёма паровой фазы (см. ИСПАРЕНИЕ). Темп-pa, при к-рой происходит К. жидкости, находящейся под пост. давлением, наз. температурой кипения (Tкип). Строго говоря, Ткип соответствует темп-ре насыщ. пара (темп-ре насыщения) над плоской поверхностью кипящей жидкости, т. к. сама жидкость всегда несколько перегрета относительно Ткип. С ростом давления Tкип увеличивается (см. КЛАПЕЙРОНА — КЛАУЗИУСА УРАВНЕНИЕ). Предельной темп-рой К. явл. критическая температура в-ва. Темп-pa К. при атм. давлении приводится обычно как одна из осн. физ.-хим. хар-к химически чистого в-ва.

При К. в жидкости устанавливается определ. распределение температуры (рис. 1): у поверхностей нагрева (стенок сосуда, труб и т. п.) жидкость заметно перегрета. Величина перегрева зависит от ряда физ. и хим. св-в как самой жидкости, так и граничных тв. поверхностей. Опыты показывают, что тщательно очищенные жидкости, лишённые растворённых газов (воздуха),

Рис. 1. Распределение темп-ры в жидкости над горизонт. поверхностью нагрева при пузырьковом кипении.

можно при соблюдении особых мер предосторожности перегреть на десятки градусов без закипания. Когда такая перегретая жидкость вскипает, то процесс К. протекает бурно, напоминая взрыв. Теплота перегрева расходуется на парообразование, поэтому закипевшая жидкость быстро охлаждается до темп-ры насыщ. пара, с к-рым она находится в равновесии. Возможность перегрева чистой жидкости без К. объясняется затруднённостью возникновения начальных маленьких пузырьков (зародышей): энергетич. затраты на образование пузырька значительны из-за большой поверхностной энергии пузырька. Если же жидкость содержит растворённые газы и разл. мельчайшие взвеш. ч-цы, то уже незначит. перегрев (на десятые доли градуса) вызывает устойчивое и спокойное К., при к-ром нач. зародышами паровой фазы служат газовые пузырьки, образующиеся на поверхности тв. ч-ц. Осн. центры парообразования находятся в точках нагреваемой поверхности, где имеются мельчайшие поры с адсорбиров. газом, а также разл. неоднородности, включения и налёты, снижающие мол. сцепление жидкости с поверхностью. Для роста образовавшегося пузырька необходимо, чтобы давление пара в нём несколько превышало сумму внеш. давления, давления вышележащего слоя жидкости и капиллярного давления, к-рое зависит от кривизны поверхности пузырька. Это условие осуществляется, когда пар и окружающая его жидкость, находящаяся с паром в тепловом равновесии, имеют темп-ру, превышающую Ткип. В повседневной практике наблюдается именно этот вид К., его наз. пузырьковым. Если повышать темп-ру поверхности нагрева Т (увеличивать температурный напор, измеряемый разностью Т-Tкип), то число центров парообразования резко возрастает, всё большее количество оторвавшихся пузырьков всплывает в жидкости, вызывая её интенсивное перемешивание. Это приводит к значит. росту теплового потока от поверхности нагрева к кипящей жидкости (росту теплоотдачи). Соотв. возрастает и кол-во образующегося пара.

При достижении максимального (критич.) значения теплового потока (для кипящей воды =1500 кВт/м2 при T-Tкип=25—30°С) начинается второй, переходный режим К. При этом режиме теплоотдача и скорость парообразования резко снижаются, т. к. большая доля поверхности нагрева покрывается сухими пятнами из-за слияния образующихся пузырьков пара. Когда вся поверхность обволакивается тонкой паровой плёнкой, возникает третий, плёночный режим К., при к-ром теплота от раскалённой поверхности передаётся к жидкости через паровую плёнку путём теплопроводности и излучения. Все три режима К. можно наблюдать в обратном порядке, когда массивное металлич. тело погружают в воду для его закалки: вода закипает, охлаждение тела идёт вначале медленно (плёночное К.), потом скорость охлаждения начинает быстро увеличиваться (переходное К.) и достигает наибольших значений в конечной стадии охлаждения (п у з ы р ь к о в о е К.). Теплоотвод в режиме пузырькового К. явл. одним из наиболее эфф. способов охлаждения (рис. 2).

Рис. 2. Изменение плотности теплового потока q и коэфф. теплоотдачи a. при кипении воды под атм. давлением в зависимости от температурного напора DT: А — область слабого образования пузырьков; Б — пузырьковое кипение; В — плёночное кипение, постепенный переход к сплошной паровой плёнке; Г — стабильное плёночное кипение,qмакс — макс. значение q.

Растворение в жидкости нелетучего в-ва понижает давление её насыщ. пара и повышает Tкип. Это позволяет определять мол. массу растворённых в-в по вызываемому ими повышению Ткип растворителя.

К. возможно не только при нагревании жидкости в условиях пост. давления. Снижением внеш. давления при пост. темп-ре можно также вызвать перегрев жидкости и её вскипание (за счёт уменьшения темп-ры насыщения). Этим объясняется, в частности, явление кавитации — образование паровых полостей в местах пониж. давления жидкости (напр., в вихревой зоне за гребным винтом теплохода). Понижение Ткип с уменьшением внеш. давления лежит в основе определения барометрич. давления. К. при пониж. давлении применяют в холодильной технике, в физ. эксперименте (см. ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА).

, переход жидкости в пар, образующий в ее объеме структурные элементы (паровые пузыри, пленки, струи); фазовый переход первого рода. На границе раздела пар жидкость фазовый переход при К. осуществляется путем испарения. Пузырьки растут вследствие испарения в них жидкости, всплывают, и содержащийся в них насыщ. пар переходит в паровую фазу над жидкостью. К. - одно из фундам. физ. явлений, используемое во мн. процессах хим. технологии. Особенность последних состоит в широком применении р-ров и смесей разл. в-в в качестве рабочих тел. Сложная термогидродинамика К. чистых жидкостей и р-ров оказывает существ. влияние на конструкции и габаритные размеры технол. аппаратов. Работа, затрачиваемая на увеличение объема и поверхностной энергии сферич. пузыря радиуса R, определяется по ф-ле: L₀=-(4/3)pR³Dp+4pЛ ²s, где Dp - разность давлений в пузыре и окружающей жидкости, Па; а коэф. поверхностного натяжения, Н/м. Миним. радиус возникающего парового пузыря (зародыша) R _мин=2Т _кипs/[rr _п (Т _ж-T _кип)], где r _п - плотность пара, кг/м ³; r - теплота парообразования, Дж/кг ( Т _ж и Т _кип пояснены ниже). Местами, в к-рых возникают зародыши паровой фазы, могут служить газообразные включения, твердые частицы, находящиеся в жидкости, микровпадины на пов-стях нагрева и др. Работа, необходимая для образования парового "пятна" на стенке и границы раздела пар - жидкость: L=L₀(0,5+0,75cosQ-0,25cos³Q), где Q - краевой угол смачивания. При Q=180° работа L=0, т. е. на абс. смачиваемой пов-сти образуется сферический пузырь, как и в объеме жидкости. С понижением давления уменьшается плотность пара, возрастает миним. радиус образования зародышей, пов-сть нагрева обедняется центрами генерации паровых пузырей. Это приводит к нестабильному К., при к-ром происходит конвективное движение перегретой жидкости, сменяемое бурным вскипанием, инициированным одной или неск. микровпадинами подходящего радиуса. С понижением т-ры при вскипании жидкости эти микровпадины "выключаются", и снова повторяется цикл перегрева движущейся конвективно жидкости. Т-ра, при к-рой происходит К. жидкости, находящейся под постоянным давлением (напр., атмосферным), наз. т-рой К. (Т _кип). В качестве T _кип принимают т-ру насыщ. пара (т-ру насыщения) над плоской пов-стью жидкости, кипящей при данном давлении. Т-ра К. при атм. давлении приводится обычно как одна из осн. физ.-хим. характеристик химически чистого в-ва. С возрастанием давления Т _кип увеличивается (см. Клапейрона - Клаузиуса уравнение). Предельная Т _кип - критич. т-ра в-ва (см. Критические явления). Понижение Т _кип с уменьшением внеш. давления лежит в основе определения барометрич. давления. Различают объемное и поверхностное К. Объемное К.-образование паровых пузырей внутри массы жидкости, находящейся в перегретом, или метастабильном, состоянии при Т _ж>Т _кип, где Т _ж - т-ра перегретой жидкости. Такое К. реализуется в т. наз. аппаратах объемного вскипания, эффективных для обезвреживания и утилизации агрессивных жидкостей, в частности дистиллерных в содовом производстве. Поверхностное К.-парообразование на пов-сти нагрева, имеющей т-ру Т _н>Т _кип. Такое К. возможно и в случае, когда т-ра осн. массы жидкости Т _ж<Т _кип, но в окрестности пов-сти нагрева образовался пограничный слой, перегретый до т-ры, превышающей Т _кип. Осн. виды поверхностного К. - пузырьковое и пленочное. Пузырьковое К. возникает при умеренных тепловых потоках на микровпадинах пов-сти, смачиваемой жидкостью. Пар генерируется на действующих центрах парообразования в виде цепочек пузырей. Благодаря циркуляции жидкости, непосредственно контактирующей с пов-стью нагрева, обеспечивается высокая интенсивность теплоотдачи - в данном случае коэф. теплоотдачи a[Вт/(м ².К)] пропорционален плотности теплового потока q(Вт/м ²) в степени ~0,7. Пленочное К. возникает на несмачиваемых пов-стях нагрева (напр., К. ртути в стеклянной трубке); на смачиваемых пов-стях пузырьковое К. переходит в пленочное (первый кризис К.) при достижении первой критич. плотности теплового потока q _кр,1. Интенсивность теплоотдачи при пленочном К. значительно меньше, чем при пузырьковом, что обусловлено малыми значениями коэф. теплопроводности l[Вт/(м. К)] и плотности пара по сравнению с их значениями для жидкости. При ламинарном движении пара в пленке a~->O,25, при турбулентном движении интенсивность теплоотдачи мало зависит от плотности теплового потока и размеров нагревателя. Повышение давления приводит к возрастанию а в обоих случаях. Разрушение пленочного К. и восстановление пузырькового (второй кризис К.) на смачиваемых пов-стях происходит при второй критич. плотности теплового потока q _кр,2[q _кр.1 (рис. 1). Кризисы К. определяются преим. гидродинамич. механизмом потери устойчивости структуры пристенного двухфазного пограничного слоя. Критерий гидродинамич. устойчивости К. имеет вид: , где Dr разность плотностей жидкости и пара. В первом приближении при К. в большом объеме насыщ. однородной маловязкой жидкости k=const (для воды, спирта и ряда др. сред k~0,14Ч0,16). В жидкости, осн. масса к-рой недогрета до т-ры К. на величину v=Т _кип -Т _ж, параметр q _кp~q _кр,10(l+0,1 ar _п^-0,75 К ^-1),

Рис. 1. Зависимость плотности теплового потока от разности т-р

DТ=Т _и ЧТ _кип при кипении в большом объеме свободно конвектирующей жидкости: 1 - пузырьковый режим; 2 - переходный режим, характеризуемый сменой пузырьковой структуры на пов-сти нагрева сплошным паровым слоем (пленкой), от к-рого отрываются крупные паровые пузыри; 3 - пленочный режим, при к-ром происходит также радиационная теплоотдача от пов-сти нагрева к жидкости через паровой слой; прямая линия характеризует третий кризис кипения. где q _кр,10 - плотность теплового потока при v=0, r _п - отношение плотностей пара и жидкости, К=r/C_pv -> тепловой критерий фазового перехода, С _р - массовая теплоемкость жидкости, ДжДкг. К). При низких давлениях возможен третий кризис К. в форме непосредственного перехода от режима конвективного движения жидкости к развитому пленочному К. Этот переход имеет цепной кавитационный механизм и реализуется при разностях т-р на пов-сти нагрева и К., удовлетворяющих условию: где l _ж и r _ж - соотв. теплопроводность и плотность перегретой жидкости, g - ускорение своб. падения. Четвертый кризис К. связан с возникновением термодинамич. неустойчивости жидкой фазы при достижении нек-рой критич. пов-сти нагрева. Критич. плотности тепловых потоков при К. в каналах существенно зависят от их форм и размеров, скорости течения жидкости и паросодержания потока. Универсальные закономерности здесь пока не установлены. При своб. растекании жидкости по горячей пов-сти возникает т. наз. сфероидальное состояние - жидкость зависает над пов-стью нагрева под влиянием динамич. сопротивления образующегося пара (рис. 2). Время полного испарения данного начального объема жидкости определяется т-рой нагревателя.

Рис. 2. Формы испарения жидкости, свободно растекающейся по горячей пов-сти: ав капле, смачивающей не сильно нагретую пов-сть, происходит пузырьковое кипение; бт-ра стенки повысилась, и капля принимает сферич форму; в при увеличении т-ры пов-сти нагрева капля зависает в паровом слое; г- с возрастанием объема капля принимает форму плоского сфероида; двзвешенный в паровом слое большой сфероид, из к-poro пар эвакуируется через куполообразные пузыри.

В технол. процессах используются оба вида поверхностного К. Напр., пленочное К. реализуется при жидкостной закалке металлич. изделий. Проектирование теплообменных аппаратов с принудит, заданием теплового потока (с выделением джоулевой теплоты, теплоты р-ции спонтанного распада ядерного топлива, в парогенераторах и т. п.) проводится в расчете на пузырьковый режим К. теплоносителя. Возникновение пленочного К., напр. при сбросе давления, может вызвать аварийную ситуацию. Термогидродинамика К. р-ров и чистых жидкостей существенно различна. Так, для нек-рых р-ров и эмульсий критич. плотность теплового потока зависит от концентрации компонентов немонотонно, т. е. возможно существование экстремумов, причем максимум кp, м. б. значительно больше, чем критич. значение теплового потока для каждого компонента в отдельности (рис. 3). При растворении в жидкости нелетучего в-ва снижается давление ее насыщ. пара и повышается Т _кип. Это позволяет определять мол. м.

Рис. 3. Зависимость кр,1, от массовой концентрации спирта в воде при своб. конвекции в большом объеме и разных пов-стях нагрева: /, 3. 5 вертикальная пластина соотв. при давлениях 98,1100 и 3100 кПа; 2, 4, б проволока диаметром 0,5 мм при таких же давлениях.

растворенных в-в по вызываемому ими повышению Т _кнп чистого р-рителя (см. Эиулиоскопия). Выпадение твердой фазы из р-ра на пов-сть нагрева приводит к снижению общего коэф. теплопередачи. В таких процессах температурный режим теплообменных аппаратов необходимо рассчитывать в соответствии с диаграммой состояния данного раствора. Режим К. существенно влияет на характер распространения акустич. волн в парожидкостной смеси. При этом волновые возмущения сопровождаются испарением и конденсацией на границах раздела фаз. Скорость звука в таких системах определяется соотношением между частотой волны и характерными временами процессов, обусловливающих фазовые переходы. Если частота настолько низка, что наложенное возмущение Dp вызывает изменение плотности Dr только за счет фазовых переходов, то скорость волны равна термодинамически равновесной скорости звука а _е=, где R₀ уд. газовая постоянная, Дж/(кг. К). Если частоты волн таковы, что фазовые переходы практически не успевают происходить, то звук распространяется со скоростью , где g - показатель адиабаты пара; j₀ - объемное паросодержание смеси. Для реальных частот возмущений и состояний парожидкостной среды пузырьковой структуры скорость звука близка к значению a _е, к-рое отличается от а ₀ примерно на два порядка. Так, для j₀~0,1 величина а _в=>1 м/с при а ₀~100 м/с. Фазовые переходы влияют на динамику и структуру акустич. волн. Эти структуры обобщаются в виде спец. режимных карт Лит. Скрипов В. П.. Метастабильная жидкость, М, 1972; Кутателадзе СС. Основы теории теплообмена, 5 изд., М., 1979; Кутателадзе СС НакоряковВЕ.. Тепломассообмен и волны в газожидкосгных системах, Новосиб.. 1984. C C Кутателадзе

КИПЕ́НИЕ см. Кипе́ть.

* * *

интенсивный переход жидкости в пар (парообразование) вследствие образования и роста в жидкости пузырьков пара (пузырьковое кипение) или появление плёнки пара на поверхности нагрева в жидкости (плёночное кипение). Температура кипения Т_к при атмосферном давлении называется точкой кипения вещества.

* * *

КИПЕ́НИЕ, интенсивный переход жидкости в пар (парообразование) вследствие образования и роста в жидкости пузырьков пара (пузырьковое кипение) или появление пленки пара на поверхности нагрева в жидкости (пленочное кипение). Температура кипения Т_к при атмосферном давлении называется точкой кипения вещества.

процесс интенсивного испарения жидкости не только с её свободной поверхности, но и по всему объёму жидкости внутрь образующихся при этом пузырьков пара. К. возможно во всём температурном интервале равновесия жидкости с паром (между тройной точкой и критическим состоянием). Жидкость кипит при температуре кипения Ts, зависящей от хим. природы жидкости и внеш. давления. При Ts давление насыщ. пара над плоской свободной поверхностью жидкости равно внеш. давлению. При увеличении внеш. давления Ts тоже увеличивается (см. Клапейрона - Клаузиуса уравнение). Для поддержания К. к жидкости необходимо подводить теплоту. Теплота, необходимая для испарения ед. массы жидкости, нагретой до темп-ры К., наз. удельной теплотой испарения (или парообразования) либо скрытой теплотой кипения. К. используется во мн. технологич. процессах (получение водяного пара в паровых котлах, выпаривание, ректификация, консервирование и т. п.).

КИПЕНИЕ — процесс перехода жидкости (см.) в пар; отличается от испарения (см.) тем, что образование пара происходит не только на поверхности, но и во всём объёме жидкости. Пузырьки пара внутри жидкости расширяются и всплывают на поверхность, если давление насыщенного пара равно внешнему давлению млн. превышает его. Для поддержания К. жидкости к ней необходимо подводить теплоту, которая расходуется на парообразование и на работу пара против внешнего давления. Температура, при которой происходит К. жидкости, находящейся под постоянным внешним давлением, называется температурой К. При увеличении внешнего давления температура К. повышается, при уменьшении понижается. Напр. при нормальном атмосферном давлении вода кипит при 100°С, а на вершине Эвереста — при 72 °С.