КИПЕНИЕ

КИПЕНИЕ переход жидкости
в пар, происходящий с образованием в объёме 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 внеш. давлению.
Темп-pa, при к-рой происходит К. жидкости, находящейся под постоянным давлением,
наз. температурой кипения (Ткип). Строго говоря, Ткип соответствует
темп-ре насыщенного пара (темп-ре насыщения) над плоской поверхностью
кипящей жидкости, т. к. сама жидкость всегда несколько перегрета относительно
Тки...
При стационарном К. темп-pa кипящей жидкости не меняется. С ростом давления
Ткип увеличивается (см. Клапейрона - Клаузиуса уравнение).
Предельной
темп-рой К. является критическая температура вещества. Темп-pa К.
при атм. давлении приводится обычно как одна из основных физ.-хим. характеристик
химически чистого вещества.

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

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

В кипящей жидкости устанавливается
определённое распределение темп-ры (рис. 1): у поверхностей нагрева
(стенок сосуда, труб и т. п.) жидкость заметно перегрета (Т>
Ткип).
Величина перегрева зависит от ряда физ.-хим. 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 всё же в конце концов вскипает, то процесс К. протекает весьма
бурно, напоминая взрыв. Вскипание сопровождается расплёскиванием жидкости,
гидравлич. ударами, иногда даже разрушением сосудов. Теплота перегрева
расходуется на парообразование, поэтому жидкость быстро охлаждается до
темп-ры насыщенного пара, с к-рым она находится в равновесии. Возможность
значит, перегрева чистой жидкости без К. объясняется затруднённостью возникновения
начальных маленьких пузырьков (зародышей), их образованию мешает значительное
взаимное притяжение молекул жидкости. Иначе обстоит дело, когда жидкость
содержит растворённые газы и различные мельчайшие взвешенные частицы. В
этом случае уже незначительный перегрев (на десятые доли градуса) вызывает
устойчивое и спокойное К., т. к. начальными зародышами паровой фазы служат
газовые пузырьки и твёрдые частицы. Осн. центры парообразования находятся
в точках нагреваемой поверхности, где имеются мельчайшие поры с адсорбированным
газом, а также различные неоднородности, включения и налёты, снижающие
молекулярное сцепление жидкости с поверхностью.

Образовавшийся пузырёк растёт только
в том случае, если давление пара в нём несколько превышает сумму внеш.
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 темп-ру, превышающую Ткип. В повседневной практике (при кипячении
воды в чайнике и т. п.) наблюдается именно этот вид К., его наз.
пузырчатым. П узырчатое К. происходит при небольшом превышении темп-ры
Т
поверхности нагрева над темп-рой К., т. е. при незначительном температурном
напоре ДТ = Т - ТВ,.... С увеличением темп-ры поверхности
нагрева 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 коэфф. теплоотдачи а = q/A Т, где q -
плотность теплового потока на поверхности нагрева, см. рис. 2).
Соответственно возрастает и количество образующегося пара.

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

При достижении максимального (критич.)
значения
теплового потока (q) 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 значения q и а резко снижаются. Наступает
кризис К. Когда вся поверхность нагрева обволакивается тонкой паровой плёнкой,
возникает третий, плёночный, режим К. При нём теплота от раскалённой поверхности
передаётся к жидкости через паровую плёнку путём теплопроводности и излучения.
Характер изменения q с переходом от одного режима К. к другому показан
на рис. 2. В том случае, когда жидкость не смачивает стенку (напр., ртуть,
легированную сталь), К. происходит только в плёночном режиме. 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 (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 хим. технологии,
пищ. пром-сти, при произ-ве и разделении сжиженных газов, для охлаждения
элементов электронной аппаратуры и т. д. Наиболее широко режим пузырчатого
К. воды используется в совр. паровых котлах на тепловых электростанциях
для получения пара с высокими значениями давления и темп-ры. 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 внеш. давления
при постоянной 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 пониженного
давления жидкости (напр., в вихревой зоне за гребным винтом теплохода).
К. при пониженном давлении применяют в холодильной технике, в физ.
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.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я