Кипение

Определение "Кипение" в Большой Советской Энциклопедии

Плотность теплового потока

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. Кипение начинается, когда при нагреве жидкости давление насыщенного пара над её поверхностью становится равным внешнему давлению. Температура, при которой происходит Кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, называется температурой 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 Кипение температура кипящей жидкости не меняется. С ростом давления Т_кип увеличивается (см. Клапейрона — Клаузиуса уравнение). Предельной температурой Кипение является критическая температура вещества. Температура Кипение при атмосферном давлении приводится обычно как одна из основных физико-химических характеристик химически чистого вещества.

Распределение температуры в жидкости

Для поддержания Кипение 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 Кипение — 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 > 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 Кипение 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 Кипение  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 Кипение, 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 Т_кип. В повседневной практике (при кипячении воды в чайнике и т.п.) наблюдается именно этот вид Кипение, его называют пузырчатым. Пузырчатое Кипение происходит при небольшом превышении температуры Т поверхности нагрева над температурой Кипение, т. е. при незначительном температурном напоре DТ=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 a=q/DT, 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 Кипение 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 Кипение Когда вся поверхность нагрева обволакивается тонкой паровой пленкой, возникает третий, пленочный, режим Кипение При нем теплота от раскаленной поверхности передается к жидкости через паровую пленку путем теплопроводности и излучения. Характер изменения q с переходом от одного режима Кипение к другому показан на. В том случае, когда жидкость не смачивает стенку (например, ртуть, легированную сталь), Кипение происходит только в плёночном режиме. Все три режима Кипение можно наблюдать в обратном порядке, когда массивное металлическое тело погружают в воду для его закалки: вода закипает, охлаждение тела идет сначала медленно (пленочное Кипение), затем скорость охлаждения начинает быстро увеличиваться (переходное Кипение) и достигает наибольших значений в конечной стадии охлаждения (пузырчатое Кипение). Теплоотвод в режиме пузырчатого Кипение является одним из наиболее эффективных способов охлаждения; он находит применение в атомных реакторах и при охлаждении реактивных двигателей. Широко применяются процессы Кипение также в химической технологии, пищевой промышленности, при производстве и разделении сжиженных газов, для охлаждения элементов электронной аппаратуры и т.д. Наиболее широко режим пузырчатого Кипение воды используется в современных паровых котлах на тепловых электростанциях для получения пара с высокими значениями давления и температуры. Плёночное Кипение в паровых котлах недопустимо, оно может привести к перегреву стенок труб и взрыву котлов.

Кипение 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). Кипение при пониженном давлении применяют в холодильной технике, в физическом эксперименте (см. Пузырьковая камера) и т.д.

Лит.: Кикоин И. Кипение и Кикоин А. Кипение, 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.