Warto przeczytać

Wrzenie i parowanie to zjawiska fizyczne polegające na zmianie stanu układu z ciekłego w gazowy.

Cząsteczki cieczy oddziałują na siebie siłami przyciągającymi, ale mogą swobodnie przemieszczać się w obrębie całej jej objętości. Nie mogą jednak zbytnio przybliżać się do siebie, ani od siebie oddalać. To dlatego tak trudno jest zmienić objętość cieczy. Prawdą jest jednak, że niektóre cząsteczki opuszczają ciecz w zjawisku parowania. Dzieje się wtedy, gdy znajdujące się blisko powierzchni cieczy cząsteczki, w wyniku zderzeń z innymi cząsteczkami, uzyskają odpowiednio dużą energią kinetyczną. Przezwyciężają one siły przyciągania od innych cząsteczek i opuszczają ciecz. Parowanie, które zachodzi w każdej temperaturze, polega na tym, że z powierzchni cieczy „wylatują” cząsteczki.

Jeśli naczynie jest zamknięteUkład zamkniętyzamknięte, masa pary nad powierzchnią cieczy nie wzrasta nieograniczenie. W pewnym momencie para staje się parą nasyconąPara nasyconaparą nasyconą, której gęstość i ciśnienie mają, w danej temperaturze, maksymalną wartość. Cząsteczki pary nasyconejPara nasyconapary nasyconej zaczynają się łączyć i następuje skraplanie. Wytwarza się stan równowagi dynamicznejRównowaga dynamicznarównowagi dynamicznej. W określonym czasie tyle samo cieczy wyparowuje, co pary ulega skropleniu. Masa pary i masa cieczy nie zmieniają się. Im wyższa temperatura, tym większa energia kinetyczna cząsteczek pary, tym wyższe ciśnienie pary nasyconej i, w końcu, tym więcej pary może znajdować się w powietrzu.

Wrzenie to parowanie cieczy w całej jej objętości. Rozumiemy już, jak przebiega parowanie powierzchniowe. Ale jak parowanie może zachodzić w głębi cieczy? Okazuje się, że w cieczy znajdują się maleńkie pęcherzyki powietrza. Podczas napełniania naczynia cieczą, przyczepiają się one do nierówności na ściankach naczynia, a także do pyłków i innych zanieczyszczeń cieczy. Co więcej, przy dostatecznie wysokiej temperaturze, takie mikro‑bąbelki mogą tworzyć się samoistnie, na skutek pojawiających się różnic gęstości cieczy. Właśnie do tych maleńkich bąbelków powietrza ciecz paruje w miarę zwiększania się temperatury.  Bąbelki wypełnione parą stopniowo powiększają się i początkowo są przyczepione do dna i ścianek naczynia. Możesz to zaobserwować, gdy w garnku podgrzewasz wodę, ale nie zaczęła ona jeszcze wrzeć (Rys. 1.)

RB8cBCRRl2yRX

Rys. 1. Na zdjęciu widać wnętrze garnka z wodą, podgrzewaną na kuchence. Na dnie garnka widać wiele małych pęcherzyków powietrza.

W miarę wzrostu temperatury cieczy, cząsteczki pary w pęcherzykach uzyskują coraz większą energię kinetyczną. Dopóki jednak temperatura jest za niska, pęcherzyk nie urośnie na tyle, by siła wyporu mogła oderwać go od podłoża. W pęcherzyku panuje ciśnienie takie, jak nad powierzchnią cieczy powiększone o ciśnienie hydrostatyczneCiśnienie hydrostatyczneciśnienie hydrostatyczne na danej głębokości. Para w pęcherzykach jest nasycona i nadmiar cząsteczek skrapla się - panuje tam równowaga dynamiczna. Dopóki ciśnienie pary nasyconej w pęcherzyku jest mniejsze od ciśnienia zewnętrznego, pęcherzyk nie może oderwać się od dna lub ścianki naczynia. W końcu jednak temperatura osiąga wartość, przy której ciśnienie pary może przekroczyć, choćby minimalnie, ciśnienie zewnętrzne. Od tego momentu więcej cząsteczek może przenikać do pęcherzyka niż powracać do cieczy w procesie skraplania. Pęcherzyk powiększa się i wypychany jest przez siłę wyporu na powierzchnię cieczy. Pękające na powierzchni pęcherzyki wydają charakterystyczny odgłos. Dlatego słyszymy szum i bulgotanie gotującej się wody (Rys. 2.).

R1DU8aFEz2Kb7

Rys. 2. Na zdjęciu pokazana jest powierzchnia wrzącej wody. Z wody wydobywają się liczne bąble powietrza i powierzchnia wody jest pofałdowana, pełna nierówności.

Z naszych rozważań wynika, że wrzenie rozpoczyna się w takiej temperaturze, w której ciśnienie pary nasyconej równe jest ciśnieniu zewnętrznemu.

Temperatura wrzenia zależy więc od ciśnienia zewnętrznego i wzrasta wraz z jego wzrostem. Nie jest to zależność wprost proporcjonalna, a jej charakter zależy od rodzaju cieczy.

Podczas wrzenia temperatura jest stała pomimo dostarczania do cieczy ciepła. Całe pobrane przez ciecz ciepło zużywane jest na zmianę stanu skupienia z ciekłego na gazowy.

Tabela 1. przedstawia wartości ciśnienia nasyconej pary wodnej w różnych temperaturach. W myśl powyższej dyskusji, tabela ta jest również zestawieniem temperatur wrzenia wody przy zadanym ciśnieniu zewnętrznym.

Tabela 1. Ciśnienie nasyconej pary wodnej w zależności od temperatury, ale też zależność temperatury wrzenia wody od ciśnienia zewnętrznego.

Wykres zależności temperatury wrzenia wody od ciśnienia zewnętrznego przedstawia Rys. 3.

R1XdtZ4O3AeFV

Rys. 3. Na rysunku znajduje się układ współrzędnych. Na osi poziomej odłożono ciśnienie w hektopaskalach w zakresie od zera do 7000 hektopaskali, na osi pionowej temperaturę w stopniach Celsjusza w zakresie od zera do 180 stopni. Wykres zaczyna się dla ciśnienia około 70 hektopaskali i dla temperatury 40 stopni. Początkowo wykres stromo wznosi się do góry, ale potem robi się coraz mniej stromy, a od wartości ciśnienia około 2000 hektopaskali wykres staje się podobny do linii prostej nachylonej pod małym kątem do osi poziomej.

Wróćmy teraz do opisanego przez Darwina „przeklętego garnka, który postanowił nie gotować ziemniaków”. Z relacji Darwina wiemy, że miało to miejsce podczas wysokogórskiego postoju, gdzie ciśnienie atmosferyczne jest znacznie niższe od normalnego. W takich warunkach woda wrze w temperaturze znacznie niższej niż 100°C i dlatego ziemniaki nie miękły, mimo długiego gotowania.

Słowniczek