§ 299. Перегревание жидкости

Если долго кипятить воду в стеклянном сосуде, то можно наблюдать, как будет постепенно меняться процесс кипения. Число мест на стенках сосуда, от которых отделяются пузырьки с паром, с течением времени уменьшается. Наконец, остаются только одно или два таких места (рис. 494), но и от них пузырьки будут отрываться все реже и реже. Эти редкие пузырьки, отрываясь от стенки, немедленно быстро увеличиваются в размерах, и это сопровождается резкими звуками, как будто внутри жидкости происходят небольшие взрывы. Если в жидкость погружен термометр, то он показывает заметное (на ) повышение температуры по сравнению с начальной температурой кипения.

Рис. 494. После долгого кипения в колбе остается лишь одно место, от которого время от времени отделяются пузырьки

Как объяснить это изменение? Мы уже выяснили (§ 294), что непременным условием устойчивости пузырька пара внутри жидкости является наличие в нем воздуха, давление которого при увеличении диаметра пузырька уменьшается. Когда весь воздух из пузырька удалится, устойчивое равновесие пузырька становится невозможным. Чтобы понять это, представим себе, что в жидкости случайно образовался маленький пузырек, содержащий только пар. Так как пузырек очень мал, то, как было показано в предыдущем параграфе, давление в нем заметно меньше, чем давление пара вблизи плоской поверхности жидкости той же температуры. А еще ранее (§ 255) мы выяснили, что равновесие возможно только в том случае, если давление внутри пузырька больше, чем давление жидкости. В силу этого пузырек, содержащий только пар, просто не может образоваться внутри жидкости, если температура не очень высока:

Однако так как давление пара при повышении температуры растет, как мы видели, очень быстро, то при достаточно высокой температуре пузырек, содержащий только пар, несмотря на неблагоприятные для его роста условия, все же может образоваться. Как только радиус его начнет увеличиваться, добавочное давление воды, о котором говорилось в § 255, начнет уменьшаться (напомним, что оно равно ), а давление пара в пузырьке начнет увеличиваться. Этим и обусловливается столь резко «взрывное» увеличение пузырька пара, если в нем нет воздуха.

Таким образом, наличие в жидкости пузырьков воздуха есть необходимое условие спокойного кипения без выбрасывания жидкости. В обычной кухонной посуде достаточно пузырьков воздуха в трещинах и в других изъянах внутренней поверхности посуды (особенно при наличии накипи). В химических лабораториях, где часто кипятят жидкости в стеклянных сосудах, стенки которых свободны от изъянов, в сосуды кладут пористые фарфоровые шарики, долго сохраняющие в своих порах воздух; при наличии шариков кипение происходит спокойно.