как зависит температура кипения от давления

Температура кипения — это температура, при которой парциальное давление жидкости становится равным внешнему давлению, и жидкость начинает превращаться в пар. Она зависит от давления: чем выше давление, тем выше температура кипения. Чтобы понять, как это работает, важно рассмотреть несколько ключевых аспектов.

Основные принципы

1. Парциальное давление и температура кипения
   В любой жидкости, даже если она не кипит, молекулы на её поверхности имеют разные скорости, и некоторые из них могут покидать жидкость, испаряться в газ. Это создаёт парциальное давление (давление пара), которое зависит от температуры. Когда температура жидкости увеличивается, молекулы начинают двигаться быстрее, и их парциальное давление растёт.

   Кипение происходит тогда, когда парциальное давление жидкости становится равным внешнему давлению. На обычном уровне атмосферного давления (при 1 атм) температура кипения воды составляет около 100°C. Но если мы изменим давление, это изменит точку кипения.

2. Зависимость температуры кипения от давления
   Кипение зависит от давления, и существует явная взаимосвязь между температурой кипения и внешним давлением. На уровне моря, где атмосферное давление 1 атмосфера, температура кипения воды составляет 100°C. Но если давление изменить, например, на более высокое или низкое, температура кипения тоже изменится:

   • При пониженном давлении (например, на высоких горах или в вакууме) температура кипения снижается. Это можно объяснить тем, что для перехода жидкости в газообразное состояние требуется меньше энергии, так как молекулы в жидкости менее сжаты и легче уходят в пар.

   • При повышенном давлении (например, в скороварке) температура кипения повышается. Это связано с тем, что для превращения жидкости в пар требуется больше энергии, поскольку молекулы сжаты сильнее, и им нужно больше энергии, чтобы преодолеть межмолекулярные силы.

Законы, описывающие зависимость

1. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса
   Это уравнение описывает зависимость температуры кипения от давления, и является одним из основных для термодинамики фазовых переходов. Оно выглядит так:

   $$\frac{d\ln P}{dT}=\frac{\Delta H_{\text{исп}}}{R{T}^2}$$

   где:

   • $P$ — парциальное давление,

   • $T$ — температура,

   • $\Delta H_{\text{исп}}$ — энтальпия испарения (количество энергии, необходимое для перехода 1 моля вещества из жидкой фазы в газообразную),

   • $R$ — универсальная газовая постоянная.

   Это уравнение говорит о том, что изменение давления связано с изменением температуры и энтальпией испарения. Клапейрон-Клаузиус объясняет, что с ростом температуры парциальное давление растёт, а при снижении давления температура кипения будет уменьшаться.

2. Диаграммы состояния вещества
   На диаграммах состояния, например, для воды, можно наблюдать зависимость между температурой, давлением и фазами вещества. В таких диаграммах линия кипения показывает, при каком давлении и температуре вода будет кипеть. Эта линия в диаграмме имеет положительный наклон — то есть с увеличением давления температура кипения увеличивается.

3. Фазовая диаграмма воды
   Например, для воды диаграмма состояния показывает, что:

   • при давлении 1 атм температура кипения воды = 100°C,

   • при давлении 0.1 атм (например, на высоте около 5000 м) температура кипения падает до 70°C,

   • при давлении 10 атм (например, в автоклаве) температура кипения может быть выше 180°C.

Практическое применение

1. Кулинария: скороварки
   В скороварке давление внутри устройства выше атмосферного, что позволяет воде кипеть при температуре выше 100°C. Это увеличивает скорость приготовления пищи, так как продукты подвергаются воздействию высоких температур в более короткий срок.

2. Альпинизм и высота
   На больших высотах, где атмосферное давление значительно ниже, вода закипает при более низких температурах. Это может повлиять на процессы приготовления пищи и даже на физиологическое состояние человека (например, на дегидратацию), поскольку организм также сталкивается с изменённым давлением и температурой.

3. Вакуумная сушка и технологии
   В вакуумных камерах температура кипения жидкостей может быть значительно ниже, что позволяет сушить материалы при низких температурах, минимизируя термическое повреждение веществ. Это полезно, например, при сушки медикаментов, продуктов питания или чувствительных материалов.

Примеры зависимости температуры кипения от давления

• На уровне моря (1 атм): температура кипения воды = 100°C.

• На высоте 2000 м (0.8 атм): температура кипения воды = 93°C.

• В вакууме (0.01 атм): температура кипения воды ≈ 45°C.

• В скороварке (2 атм): температура кипения воды ≈ 120°C.

Заключение

Таким образом, температура кипения жидкости зависит от внешнего давления: при повышении давления температура кипения увеличивается, а при снижении — уменьшается. Это явление объясняется тем, что для перехода жидкости в пар необходимо, чтобы её парциальное давление стало равным внешнему давлению, и с изменением этого давления изменяются условия для кипения. В реальной жизни это знание используется в самых разных областях — от кулинарии до аэрокосмических и химических технологий.