Теплообмен при кипении

Кипением называется процесс образования пара внутри жидкости (при температуре жидкости выше температуры насыщения)

Свойства пузырьков пара

Как известно из Термодинамики, фазовый переход жидкость®пар или пар®жидкость происходит при температуре насыщения , зависящей от давления , причём чем выше , тем больше .

Рассмотрим пузырёк пара радиуса , находящийся в тепловом равновесии с жидкостью, то есть температура пара в пузырьке равна температуре окружающей его жидкости

. (Ф1)

Из-за сил поверхностного натяжения давление в пузырьке больше, чем давление в жидкости на величину , где – поверхностное натяжение. Соответственно, температура насыщения пара в пузырьке выше, чем в жидкости

, (Ф2)

причём чем меньше пузырёк, тем больше .

Чтобы пузырёк существовал, температура пара в пузырьке должна быть не меньше температуры насыщения в пузырьке

. (Ф3)

То есть вместе (Ф1), (Ф3), (Ф2) дают , или

. (Ф4)

Из сказанного следует:

1. Для существования пузырька пара радиуса жидкость должна быть перегрета (то есть ), причём чем меньше , тем больший требуется перегрев. В табл. … приведены значения давления и соответствующей температуры насыщения в паровых пузырьках разного радиуса в воде при нормальных условиях.

Табл. …

, мм	, 105 Па	, °C
0,1 0,01 0,001	1,012 1,12 2,2	100,3 102,3 123,8

2. Равновесие пузырька при неустойчиво относительно и . Так, если, например, радиус пузырька окажется хотя бы чуть-чуть меньше , давление и температура насыщения нём будут чуть больше, то есть начнётся конденсация, пузырёк станет ещё меньше, его конденсация продолжится, всё ускоряясь, пока пузырёк не “схлопнется”, не исчезнет. То же, если температура жидкости станет хотя бы чуть-чуть меньше температуры равновесия.

Наоборот, если или окажутся больше равновесных значений, то пузырёк будет неограниченно увеличиваться.

3. То есть для определённой температуры жидкости (большей ) имеется ограничение для возможного радиуса пузырьков, и чем больше перегрев , тем меньше могут быть пузырьки.

Таким образом, можно сформулировать условия осуществления кипения:

1. Жидкость должна быть перегрета, то есть её температура выше температуры насыщения .

2. Необходимы зародышевые пузырьки, причём чем меньше перегрев, тем более крупными должны быть зародыши, то есть тем труднее осуществляется кипение.

Действительно, если нет условий для возникновения зародышевых пузырьков (жидкость дегазирована и хорошо очищена, стенки гладкие и чистые), то, например, при нормальном давлении удаётся перегреть воду до 150°C и даже более. (Затем вода вскипает “взрывообразно” с охлаждением до»100°C за счёт расхода теплоты на фазовый переход).

Но в обычных условиях перегрев в основном объёме жидкости небольшой, порядка 0,4¸0,8 К, он достаточен для развития пузырьков, возникающих на поверхности нагрева в центрах парообразования – неровностях, неоднородностях, загрязнениях, особенно при наличии адсорбированного газа.