Почему в горах вода кипит при 87 °C, а в радиаторе не кипит и при 115 °C? Нагревай жидкость в закрытом сосуде, меняй внешнее давление и смотри, когда пар побеждает.
Молекулы в жидкости движутся с разными скоростями. Самые быстрые у поверхности вырываются наружу: это испарение. Часть вылетевших молекул ударяется о поверхность и возвращается обратно. В закрытом сосуде скоро наступает равновесие: сколько молекул вылетает, столько и возвращается. Пар над жидкостью тогда называют насыщенным, а его давление давлением насыщенного пара.
Давление пара очень сильно растет с температурой: у воды при 20 °C оно 2,3 кПа, при 100 °C уже 101 кПа. Когда давление пара сравнивается с давлением снаружи, пузырьки пара могут появиться прямо внутри жидкости, и она кипит. Поэтому в горах вода кипит ниже 100 °C, а в радиаторе под давлением выше.
ⓘ Давление пара считается по уравнению Антуана с табличными коэффициентами для каждого вещества. Над жидкостью смесь воздуха и пара: пар насыщен, его парциальное давление равно давлению насыщенного пара, остальное давление дает воздух.
Первая формула дает давление пара по температуре. Вторая говорит, когда жидкость кипит. Третья объясняет, почему давление пара растет так круто. Числа под формулами берутся из опыта, подсвечена карточка, которая отвечает на твое последнее действие.
Уравнение Антуана: давление пара от температуры
Логарифм давления пара почти линейно растет с температурой. Три числа A, B, C подобраны по опытам для каждого вещества и есть в справочниках.
Когда жидкость кипит
Пузырек пара внутри жидкости выживает, только если давление пара в нем не меньше давления, которое на него давит снаружи.
Уравнение Клаузиуса-Клапейрона
Чем больше теплоты нужно, чтобы оторвать молекулу от жидкости, тем круче растет давление пара при нагреве.
Пузырек внутри жидкости заполнен паром той же жидкости. Давление пара в пузырьке равно давлению насыщенного пара при этой температуре: молекулы с его стенок вылетают внутрь так же, как с поверхности. Снаружи на пузырек давит жидкость, а на жидкость давит воздух или газ над ней.
Пока pн меньше pвн, пузырек сразу схлопывается, и пар образуется только на поверхности. Как только pн догнало pвн, пузырьки растут, всплывают и лопаются: жидкость кипит по всему объему. Дальше все подводимое тепло уходит на испарение, и температура кипящей жидкости стоит на месте. Поэтому на высоте нельзя сварить мясо быстрее, сделав огонь сильнее: вода все равно будет 87 °C.
Почему давление пара растет так круто: чтобы вылететь, молекула должна иметь энергию больше теплоты испарения на одну молекулу. Доля таких быстрых молекул в правом хвосте распределения Максвелла растет с температурой по экспоненте, как в теме «Молекулы в движении». А воздух и пар над жидкостью подчиняются закону Дальтона из темы «Смеси газов».
Клапан пробки держит избыточное давление около 1,1 бар, и вода закипает только около 120 °C, а антифриз еще выше. Двигатель работает при 90–105 °C с запасом до кипения. Если открыть пробку горячего радиатора, давление падает, жидкость вскипает разом и выбрасывает кипяток. Открывают только на остывшем двигателе.
На высоте 4000 м наружное давление 62 кПа, и запас до кипения в системе охлаждения меньше. Поэтому на высокогорной технике особенно важна исправная пробка радиатора и правильная концентрация антифриза.
Бензин в жару и на высоте может закипеть прямо в топливопроводе. Пары мешают насосу качать, и двигатель глохнет. Поэтому летний бензин делают менее летучим, а топливные насосы ставят в бак, где топливо под давлением.
Над бензином в баке почти всегда пар во взрывоопасной концентрации, а над дизелем при обычной температуре пара очень мало. Поэтому дизель намного безопаснее, бензовозы и резервуары с бензином оборудуют дыхательными клапанами, а пары собирают при сливе.
Если понизить давление насосом, жидкость кипит при низкой температуре. Так сушат трансформаторное масло и изоляцию, удаляют воду из гидравлического масла и перегоняют нефть, не перегревая ее.
На входе насоса давление жидкости падает. Если оно опускается до давления пара, в жидкости появляются пузыри, которые схлопываются на лопастях и разрушают металл. Горячую воду и топливо насосу подают с запасом давления на входе.
Давление пара воды считается по уравнению Антуана с двумя наборами коэффициентов: до 100 °C и выше. Для этанола взяты коэффициенты, проверенные до 80 °C, выше ошибка растет до нескольких процентов. Бензин это смесь сотен веществ, в опыте его легкая часть заменена смесью н-пентана и н-гексана поровну, давление пара сложено по закону Рауля. Дизель заменен н-додеканом C₁₂H₂₆, его самой летучей частью; настоящий дизель кипит в интервале от 180 до 360 °C. Пар над жидкостью считается насыщенным. Давление на высоте взято по стандартной атмосфере. Для простоты жидкость в радиаторе считается водой; антифриз на основе гликоля кипит на несколько градусов выше. Число нарисованных молекул условное: оно пропорционально числу молекул в единице объема.