написать опорный конспект
Сверь числа и знаки с фото.
§ 21 КИПЕНИЕ
Рассмотрим процессы, которые будут происходить при нагревании воды в сосуде (рис. 42). Через некоторое время после включения спиртовки на дне и стенках сосуда образуются пузырьки (рис. 42, а). Это пузырьки воздуха, который всегда растворён в воде. Кроме воздуха, в пузырьках находится насыщенный пар, который образуется при испарении воды внутрь этих пузырьков.
С увеличением температуры увеличивается давление насыщенного пара внутри пузырьков. Когда давление в пузырьках становится чуть больше внешнего давления, которое складывается из атмосферного давления и давления столба жидкости, пузырьки начинают быстро раздуваться. Действующая на них архимедова сила увеличивается и в некоторый момент становится настолько большой, что пузырьки отрываются от дна сосуда и всплывают.
Так как вода в верхних слоях ещё не прогрелась, пар в пузырьках остывает и конденсируется. В результате они резко сжимаются (схлопываются), и мы слышим, как вода шумит.
Когда вода прогревается по всему объёму, поднимающиеся пузырьки уже не уменьшаются в размерах. Достигая поверхности воды, они лопаются, выбрасывая наружу водяной пар (рис. 42, б). Таким образом происходит кипение.
Кипение — это процесс парообразования, происходящий по всему объёму жидкости.
График зависимости температуры воды при её нагревании и кипении от времени представлен на рисунке 43. Во время кипения температура воды не изменяется и при нормальном атмосферном давлении равна 100 °С.
Кипение происходит при такой температуре, при которой давление насыщенного па[обрезано]
[Рисунок: слева вверху установка — колба с водой на штативе, под ней спиртовка; в воде у дна и стенок видны мелкие пузырьки; подпись «а)». Ниже та же установка при кипении — пузырьки поднимаются вверх, над колбой струйка пара; подпись «б)». Подписи под рисунками: «Рис. 42. Нагревание и кипение воды в колбе».
Рисунок: график в координатах t, °C (по вертикали, отмечены 0, 20, 40, 60, 80, 100) и τ, мин (по горизонтали). Линия поднимается от 0 до 100 °C, затем идёт горизонтально на уровне 100 °C. Подпись: «Рис. 43. График нагревания и кипения воды».]
Опорный конспект «Кипение» (§ 21)
1. Определение. Кипение — это парообразование, происходящее по всему объёму жидкости (а не только с поверхности, как испарение).
2. Что в пузырьках. На дне и стенках сосуда появляются пузырьки: в них воздух, всегда растворённый в воде, и насыщенный пар, который образуется при испарении воды внутрь пузырька.
3. Три стадии нагревания.
| Стадия | Что происходит | Причина |
|---|---|---|
| 1. Мелкие пузырьки | пузырёк раздувается, отрывается от дна и всплывает | давление пара в нём стало чуть больше внешнего; архимедова сила выросла |
| 2. Шум | пузырьки всплывают и резко сжимаются (схлопываются) | верхние слои ещё не прогреты — пар в пузырьке остывает и конденсируется |
| 3. Кипение | пузырьки не уменьшаются, доходят до поверхности, лопаются, пар выходит наружу | вода прогрета по всему объёму |
4. Ключевые формулы.
Внешнее давление складывается из атмосферного и давления столба жидкости: \[p_{\text{внешн}} = p_{\text{атм}} + \rho g h\]
Пузырёк отрывается, когда сила Архимеда превысит силу тяжести: \[F_A = \rho_{\text{ж}} g V > mg\]
5. Условие кипения. Кипение происходит при такой температуре, при которой давление насыщенного пара внутри пузырьков сравнивается с внешним давлением. (Последняя строка на фото обрывается на словах «…давление насыщенного па-», поэтому формулировку я достроил по смыслу предыдущего абзаца.)
6. Температура при кипении. Во время кипения температура жидкости не изменяется: при нормальном атмосферном давлении вода кипит при \(100\ ^\circ\text{C}\). На графике (рис. 43) нагрев — подъём температуры, кипение — горизонтальная полка на \(100\ ^\circ\text{C}\).
7. От чего зависит температура кипения. От внешнего давления: чем оно больше, тем выше температура кипения.
Почему это работает — логика рассуждения
Всё держится на одном сравнении: давление пара внутри пузырька против давления снаружи.
- Греем воду → пар в пузырьке становится плотнее → \(p_{\text{пара}}\) растёт.
- Пока \(p_{\text{пара}} < p_{\text{внешн}}\), пузырёк сжат жидкостью.
- Как только \(p_{\text{пара}}\) чуть превысит \(p_{\text{внешн}}\), пузырёк раздувается, его объём \(V\) растёт, а вместе с ним растёт \(F_A\) — пузырёк уходит вверх.
Проверка результата
- По графику: если бы температура при кипении росла, на рисунке 43 не было бы горизонтального участка. Он есть → вывод «\(t\) не меняется» подтверждается.
- Численная прикидка: слой воды \(h = 10\) см даёт добавку \(\rho g h = 1000 \cdot 10 \cdot 0{,}1 = 1000\) Па \(\approx 1\) кПа. Значит, у дна сосуда давление чуть больше атмосферного — поэтому пузырьки там ведут себя иначе, чем у поверхности.
