почему температура кипения возрастает с увеличением давления

Температура кипения вещества напрямую связана с его давлением и определённым образом изменяется при изменении давления. Чтобы понять, почему температура кипения увеличивается с ростом давления, нужно разобраться в нескольких ключевых аспектах термодинамики и физики фазовых переходов.

1. Что такое температура кипения?

Температура кипения — это температура, при которой давление пара жидкости становится равным внешнему давлению. Это значит, что молекулы вещества, находящегося в жидкой фазе, получают достаточно энергии, чтобы преодолеть силы притяжения между собой и перейти в газовую фазу, образуя пар. Этот процесс называется кипением.

При нормальном атмосферном давлении (около 101,3 кПа) температура кипения воды составляет 100°C. Однако эта температура может изменяться в зависимости от внешнего давления.

2. Понимание связи температуры кипения и давления

Для объяснения изменения температуры кипения с давлением нужно рассмотреть, как ведёт себя молекула вещества, находящегося в жидком состоянии.

• Парциальное давление — это давление, которое оказывают молекулы вещества в виде пара, когда жидкость переходит в газообразное состояние.

• Когда температура жидкости повышается, молекулы начинают двигаться быстрее, что приводит к большему количеству молекул, которые переходят в газовую фазу (пар).

Когда внешнее давление увеличивается (например, в автоклаве или кастрюле с крышкой), молекулы жидкости сталкиваются с этим давлением и начинают «бороться» с ним. Для того чтобы молекулы преодолели это давление и стали паром, им нужно получить больше энергии. Это означает, что для того, чтобы давление пара жидкости стало равным внешнему давлению, температура жидкости должна быть выше.

3. Как давление влияет на точку кипения?

Взаимосвязь между температурой кипения и давлением можно понять через принцип равенства давления пара и внешнего давления. Для жидкости в закрытой системе:

• При низком внешнем давлении молекулы жидкости могут быстрее достичь состояния, при котором их давление становится равным внешнему. Таким образом, точка кипения будет низкой.

• При высоком внешнем давлении молекулы жидкости должны достичь более высокого давления пара, чтобы начать кипение. Это требует, чтобы температура была выше.

Таким образом, при повышении давления, молекулы жидкости сталкиваются с большими барьерами для перехода в газовую фазу, и для того чтобы преодолеть эти барьеры, температура жидкости должна быть повышена.

4. Закон Клапейрона-Лапласа

Связь между температурой кипения и давлением можно описать математически с помощью уравнения Клапейрона-Лапласа. Это уравнение позволяет понять, как изменяется давление насыщенного пара с изменением температуры:

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

где:

• $P$ — давление насыщенного пара,

• $T$ — температура,

• $\Delta H_{\text{vap}}$ — теплотворность парообразования (энергия, необходимая для превращения единицы массы жидкости в пар),

• $R$ — универсальная газовая постоянная.

Из этого уравнения видно, что температура кипения будет расти с увеличением давления, потому что температура и давление насыщенного пара связаны экспоненциально: для достижения необходимого давления пара, молекулы должны иметь больше энергии (то есть температура должна быть выше).

5. Пример с водой и автоклавом

В нормальных условиях (атмосферное давление) температура кипения воды составляет 100°C. Если давление в замкнутой системе, например, в автоклаве, увеличится до 2 атмосфер, температура кипения воды повысится до 120°C, а при давлении 3 атмосферы — до 130°C.

Это явление лежит в основе работы паровых котлов и некоторых видов кухонной техники, таких как скороварки, где повышение давления позволяет готовить пищу при более высоких температурах, что ускоряет процесс.

6. Почему давление влияет на температуру кипения?

Под воздействием внешнего давления молекулы жидкости сталкиваются с этим давлением, и для того чтобы преодолеть его и перейти в газовую фазу, молекулы должны иметь больше кинетической энергии. Чем выше давление, тем больше энергии нужно молекулам, чтобы разрушить связи в жидкости и стать паром.

Кроме того, давление увеличивает плотность молекул в паре, что означает, что для образования пара нужно больше молекул в жидкости, а значит, нужно больше тепла для их активации.

7. Реальные примеры

1. Паровые турбины: В энергетике для повышения эффективности паровых турбин используют повышение давления в котлах, что позволяет достигать более высоких температур кипения и улучшать производительность.

2. Кулинария: В скороварке давление увеличивается, что позволяет воде закипать при температуре выше 100°C, ускоряя приготовление пищи.

3. Глубокие океанские исследования: В глубоких водах океана давление настолько высоко, что температура кипения воды может превышать 350°C, что влияет на биохимию и существование жизни.

Заключение

Температура кипения увеличивается с увеличением давления, потому что для того, чтобы молекулы вещества перешли из жидкой фазы в газообразную, им нужно преодолеть внешнее давление. Чем выше это давление, тем больше энергии (температуры) необходимо молекулам жидкости для того, чтобы они могли покинуть жидкость и образовать пар.