ID: 00017047
В опыте, иллюстрирующем зависимость температуры кипения от давления воздуха (рис. а), кипение воды под колоколом воздушного насоса происходит уже при комнатной температуре, если давление достаточно мало. Используя график зависимости давления насыщенного пара от температуры (рис. б), укажите, какое давление воздуха нужно создать под колоколом насоса, чтобы вода закипела при $40\ ^\circ\!C$. Ответ поясните, указав, какие явления и закономерности вы использовали для объяснения.
Источник: Сборник Гиголо
Кипение — это не просто испарение с поверхности, а бурное образование пузырьков пара по всему объёму жидкости. Пузырёк может вырасти и подняться только тогда, когда давление насыщенного пара внутри него сравняется с внешним давлением на жидкость. Это и есть условие кипения.
Чтобы пузырьки пара не схлопывались, а росли, давление насыщенного пара $p_{\text{нп}}$ при данной температуре должно сравняться с давлением на жидкость. Давление на жидкость складывается из давления над ней и столбика воды: $p=p_{\text{внеш}}+\rho g h$. Поскольку слой воды тонкий, $\rho g h \ll p_{\text{внеш}}$, и условие упрощается: $p_{\text{внеш}}\approx p_{\text{нп}}$. То есть вода закипает, когда внешнее давление под колоколом становится равным давлению насыщенного пара при этой температуре.
Нужно, чтобы вода закипела при $40\ ^\circ\!C$. По графику зависимости давления насыщенного пара от температуры (рис. б) находим: при $40\ ^\circ\!C$ давление насыщенного пара составляет около $70$ гПа (см. рисунок). Значит именно до этого значения и надо снизить давление воздуха под колоколом.
Под колоколом нужно создать давление, равное давлению насыщенного пара воды при 40 °C; по графику это примерно 70 гПа.