Кипение можно легко объяснить с помощью нескольких элементарных диаграмм и пары уравнений, но я ищу более глубокое объяснение.
Определение кипения состоит в том, что давление пара в жидкости равно давлению пара в воздухе. Это кажется разумным в открытых контейнерах, потому что, когда давление превышает 1 атм, могут образовываться пузыри. Однако рассмотрим закрытый контейнер при температуре, скажем, 40 градусов по Цельсию. Это слишком холодно для кипения, но давление пара жидкости должно быть равно давлению пара (система будет двигаться, пока не будет достигнуто это равновесие). Почему эта вода не кипит? Давление одинаковое, поэтому могут образовываться пузыри и может происходить кипение.
Мое фундаментальное непонимание кипения на молекулярном уровне приводит к более связанным вопросам:
Когда добавляется тепло, почему температура поднимается до точки кипения, а затем вся энергия идет на разрыв связей? В талой воде давление паров воды и твердого тела одинаково, поэтому они оба могут сосуществовать. Если это так, то не является ли это технически тройной точкой? потому что вода, твердое тело и пар присутствуют? (Конечно, этого не может быть, потому что точка плавления не равна тройной точке).
Кипение будет происходить, когда равновесное давление пара при температуре жидкости равно полному давлению системы и выделяется тепло (либо извне, либо за счет явного тепла самой жидкости). Газовая фаза, находящаяся в контакте с жидкостью, может состоять из чистого пара (в этом случае общее давление практически равно равновесному давлению пара) или может состоять из смеси пара и воздуха (в этом случае общее давление давление, по существу равное сумме равновесного давления паров кипящего вещества и парциального давления воздуха).
При 40°С вода в сосуде все еще может кипеть, если газ откачать до давления ниже равновесного давления пара при 40°С (неравновесная ситуация). Кипение может продолжаться до тех пор, пока общее давление в головном пространстве не поднимется до значения, равного равновесному давлению пара. Пока парциальное давление вещества в паре и полное давление (при наличии воздуха) меньше равновесного давления паров воды при температуре жидкости, кипение будет продолжаться. Теплота испарения может поставляться самой жидкостью, поэтому температура воды будет падать (при условии, что тепло не поступает напрямую). Как только равновесное давление пара при температуре жидкости упадет ниже общего давления, кипение прекратится.
Что касается вопроса о температуре плавления и тройной точке, то точка плавления очень близка к тройной точке. В тройной точке чистая вода присутствует во всех трех фазах (в газовой фазе воздух отсутствует), а общее давление равно равновесному давлению паров жидкости и твердого тела. При температуре плавления воздух присутствует в газовой фазе при 1 атм, и общее давление в системе, таким образом, составляет по существу 1 атм. Разница между точкой плавления и тройной точкой составляет всего около 0,01°С.
Думаю, вопрос действительно уместен. Если вы нагреете жидкость без каких-либо примесей и в колбе с очень гладкими стенками, выдерживая ее при более высоком давлении, пока температура не станет чуть ниже точки кипения при этом давлении, и вы начнете медленно уменьшать давление, вы обнаружите, что вода не начал кипеть, это состояние известно как перегретое состояние. Если вы бросите очень маленькую частицу в эту перегретую воду, вы обнаружите след из пузырьков позади этой частицы.
Этот эксперимент на самом деле дает более глубокое понимание кипения. При температуре кипения, хотя давление пара внутри жидкости равно давлению в окружающей среде, но процесс кипения происходит из-за определенных нестабильностей, присутствующих в жидкости в виде примесей, температурных горячих точек и т. д. Эта нестабильность создает небольшой пузырек на дне, который поднимается и увеличивается в размерах, и вы увидите случайные пузырьки, выходящие из воды.
Что касается второй части вашего вопроса, @chester miller дал правильное описание этого. Я хотел бы добавить, что вы должны обеспечить достаточно тепла, чтобы поддерживать постоянную температуру воды, и продолжать качать систему, чтобы поддерживать ее в точке кипения, иначе ваша вода скоро превратится в лед (я видел это экспериментально).
дезинфицирующее средство