Кипение

КИПЕНИЕ, процесс парообразования в жидкости, включающий рождение пузырьков пара, их рост, движение и взаимодействие; неравновесный фазовый переход 1-го рода.

Кипение вызывается перегревом жидкости, состояние которой попадает в область выше линии равновесия жидкость - пар (бинодали 1, рисунок), или понижением давления ниже его значения на линии равновесия. На фазовой диаграмме процесс кипения описывается траекторией или точкой внутри области метастабильного (перегретого) состояния, ограниченной с одной стороны бинодалью (зависимостью температуры равновесного кипения от давления), с другой - спинодалью (границей термодинамической устойчивости жидкости). Температура равновесного кипения при атмосферном давлении приводится обычно как одна из основных физико-химических характеристик химически чистого вещества. При растяжении жидкости наблюдается явление кавитации, родственное кипению.

Давление пара в квазиравновесном пузырьке р_п уравновешивается давлением жидкости р_ж и межфазным натяжением σ и связано с давлением насыщенного пара над горизонтальной поверхностью при той же температуре Кельвина уравнением. Критический радиус пузырька в соответствии с Лапласа законом равен

R_кр = 2σ/(р_п−р_ж),

причём при R < R_кp пузырьки схлопываются, при R > R_кp - растут.

Процесс рождения пузырьков пара в объёме гомогенной очищенной жидкости происходит вследствие термодинамических флуктуаций плотности жидкости. Этот процесс развивается при высоких перегревах жидкости. В объёме неочищенной жидкости и на границах с твёрдой фазой (у стенок сосуда) обычно имеются (или временно появляются) зоны предпочтительного рождения пузырьков - центры кипения, которые могут быть как флуктуационными (плохо смачиваемые участки, зоны повышенной концентрации легкокипящей компоненты, зоны протекания экзотермической реакции и т. п.), так и готовыми, уже имевшимися в жидкости (пузырьки нерастворённого газа, газовые или паровые пузырьки в микротрещинах при неполном смачивании твёрдой поверхности). При развитом кипении центры кипения возобновляются при захвате пара микроуглублениями (порами) на нагреваемой поверхности.

В промышленных аппаратах кипение обычно обеспечено готовыми центрами и перегрев выше температуры равновесного кипения невелик (при атмосферном давлении менее 10 К). При высокой мощности тепловыделения во взрывных процессах достижимый перегрев жидкости значительно выше и реализуются режимы флуктуационного рождения пузырьков.

Различают объёмное и поверхностное (пристеночное) кипение. При поверхностном кипении основным источником пузырьков пара является слой жидкости, примыкающий к нагреваемой поверхности. Если объём жидкости имеет температуру ниже равновесной температуры на бинодали (так называемое кипение с недогревом), то пузырьки пара, образовавшиеся вблизи нагреваемой поверхности, попадая при мигрировании в холодные слои жидкости, схлопываются. Объёмное кипение происходит при перегреве жидкости во всём её объёме (или при понижении давления). В этом случае пузырьки пара рождаются во всём объёме жидкости.

Рост пузырьков при кипении оказывает механическое (гидродинамическое) воздействие на систему в целом. В частности, в замкнутом объёме перегретой жидкости по мере увеличения содержания пара растёт давление. В ограниченных твёрдыми стенками (например, в трубах) дозвуковых потоках вскипающей жидкости рост содержания пара вниз по течению сопровождается снижением давления. Пузырьки пара при росте и схлопывании излучают акустические волны - возникает шум кипения. Быстрый рост давления при кипении, возникающем при достаточно быстром перегреве жидкости (взрывной режим кипения), может привести к так называемому паровому взрыву с разрушением конструкций. Пузырьки пара, всплывающие в гравитационном поле, вызывают дополнительные конвективные потоки, способствующие перемешиванию жидкости, а поверхностное кипение - турбулентное движение пристеночного слоя жидкости.

При поверхностном пузырьковом кипении с ростом температуры нагревателя отвод тепла от поверхности усиливается до наступления кризиса кипения. Кризис кипения является следствием перехода пузырькового кипения в плёночное, когда пузырьки на нагреваемой поверхности замещаются слоем пара. Кризис кипения приводит к ухудшению теплосъёма и оказывается опасным для ряда энергетических устройств.

Применение процессов кипения в быту, науке и технике разнообразно. Поверхностное кипение широко используется для интенсивного охлаждения поверхности - теплосъёма (например, в атомных реакторах, реактивных двигателях, при охлаждении элементов электронной аппаратуры). Кипение  применяется для увеличения поверхности испарения в опреснительных установках, в паровых котлах на ТЭЦ, пузырьковых камерах для визуализации треков элементарных частиц, в холодильной технике, процессах ректификации, различных химических технологиях, пищевой промышленности и др.

Лит.: Скрипов В. П. Метастабильная жидкость. М., 1972; Присняков В. Ф. Кипение. К., 1988; Лабунцов Д. А. Физические основы энергетики. М., 2000.