Парадокс кипения воды при охлаждении: зависимость температуры кипения от давления

Простой прибор, использованный в предыдущем разделе для демонстрации схлопывания бутылки, может служить и для другого, гораздо более парадоксального опыта. В этом эксперименте, однако, бутылка ни в коем случае не должна лопнуть, поэтому необходимо выбрать сосуд из прочного стекла, имеющий круглую форму. В отличие от предыдущего опыта, где воды наливали всего несколько сантиметров, теперь бутылку следует наполнить водой до половины ее объема.

Доведем воду в бутылке до активного кипения и, дождавшись момента, когда пар будет энергично выделяться из горлышка, герметично закроем ее пробкой. Главное условие — закупорить бутылку до того, как внутрь успеет проникнуть воздух, что позволит впоследствии, при охлаждении и сгущении (конденсации) пара, создать внутри разреженное пространство. После закупоривания установим бутылку на подставку; кипение при этом прекратится. Теперь начинается самое удивительное: если смочить холодной водой верхнюю часть бутылки, где находится пар, вода внутри немедленно начнет кипеть вновь. Это кипение можно возобновлять многократно, каждый раз поливая сосуд холодной водой, и так до тех пор, пока вода не остынет настолько, что дальнейшее кипение станет невозможным.

Это парадоксальное явление — кипение воды без подвода тепла от горелки, а напротив, при охлаждении сосуда — находит свое объяснение в фундаментальной зависимости температуры кипения всех жидкостей от внешнего давления. В момент закупоривания бутылки давление внутри нее равнялось внешнему атмосферному давлению, поскольку пар свободно выходил наружу, преодолевая его. Когда же мы закрыли бутылку и вызвали конденсацию пара охлаждением, количество молекул в паровой фазе резко сократилось, что привело к падению внутреннего давления.

При этом пониженном давлении энергия теплового движения молекул воды оказывается достаточной для перехода в парообразное состояние без дополнительного нагрева извне. Иными словами, вода теперь может кипеть, используя исключительно собственную тепловую энергию. В данном случае мы достигаем того же эффекта, что и при обычном нагревании, но иным путем: не повышая энергию колебаний молекул (температуру), а уменьшая противодействующее давление над поверхностью жидкости. Поскольку фазовый переход из жидкости в пар требует затрат энергии (скрытая теплота парообразования), это тепло отбирается от самой воды. Следовательно, после каждого цикла кипения вода будет становиться холоднее, что легко проверить на ощупь.

У читателя может возникнуть закономерное возражение: охлаждение воды может быть следствием прямого теплообмена с холодной водой, которой обильно поливают бутылку. Чтобы развеять это сомнение и наглядно продемонстрировать истинную причину явления, обратимся к более сложной экспериментальной установке. На рисунке 42 изображены две одинаковые бутылки, соединенные между собой пробкой со специальной трубкой. Длинный конец трубки может выдаваться над поверхностью воды, быть изогнутым, как показано на схеме, либо представлять собой комбинацию прямой стеклянной (металлической) трубки с коротким резиновым шлангом, которому с помощью изогнутой проволоки придают нужную форму.

Рис. 42. Установка из двух соединенных бутылок для демонстрации кипения воды при пониженном давлении без прямого охлаждения кипящей жидкости.

В начале эксперимента, когда воду доводят до кипения, бутылки располагают в положении А, что позволяет пару вытеснить воздух из обеих емкостей. После этого бутылки соединяют и приводят в положение В-С, где одна из них (В) выполняет роль эффективного конденсатора. Благодаря большой площади поверхности, бутылка-конденсатор обеспечивает гораздо более интенсивное охлаждение пара, чем верхняя часть одиночной бутылки в предыдущем опыте. Вследствие этого вода в бутылке С начинает кипеть еще быстрее.

Данная конструкция имеет два важных преимущества с методической точки зрения. Во-первых, здесь полностью исключено прямое охлаждение кипящей воды в бутылке С за счет обливания ее холодной водой снаружи. Если вода в С при кипении остывает быстрее, чем в состоянии покоя, это служит неопровержимым доказательством того, что причина охлаждения заключается именно в потере тепла на парообразование. Во-вторых, такая схема устраняет подозрение, что охлаждение может быть вызвано смешиванием кипящей воды с конденсатом, образующимся в бутылке В. Конденсат собирается отдельно и не влияет на температуру воды в исследуемой емкости С, что делает эксперимент чистым и убедительным.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.