КИПЕ́НИЕ

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

Фазовая диаграмма воды: р – давление, Т – абсолютная температура, K – критическая точка воды; 1 – бинодаль, 2 – спинодаль; область между линиями 1 и 2 – область мет...

К. вы­зы­ва­ет­ся пе­ре­гре­вом жид­ко­сти, со­стоя­ние ко­то­рой по­па­да­ет в об­ласть вы­ше ли­нии рав­но­ве­сия жид­кость – пар (би­но­да­ли 1, рис.), или по­ни­же­ни­ем дав­ле­ния ни­же его зна­че­ния на ли­нии рав­но­ве­сия. На фа­зо­вой диа­грам­ме про­цесс К. опи­сы­ва­ет­ся тра­ек­то­ри­ей или точ­кой внут­ри об­лас­ти ме­та­ста­биль­но­го (пе­ре­гре­то­го) со­стоя­ния, ог­ра­ни­чен­ной с од­ной сто­ро­ны би­но­да­лью (за­ви­си­мо­стью темп-ры рав­но­вес­но­го ки­пе­ния от дав­ле­ния), с дру­гой – спи­но­да­лью (гра­ни­цей тер­мо­ди­на­мич. устой­чи­во­сти жид­ко­сти). Темп-ра рав­но­вес­но­го К. при ат­мос­фер­ном дав­ле­нии при­во­дит­ся обыч­но как од­на из осн. фи­зи­ко-хи­мич. ха­рак­те­ри­стик хи­ми­чес­ки чи­сто­го ве­щест­ва. При ра­стя­же­нии жид­ко­сти на­блю­да­ет­ся яв­ле­ние ка­ви­та­ции, родст­вен­ное К. 

Дав­ле­ние па­ра в ква­зи­рав­но­вес­ном пу­зырь­ке $p_п$ урав­но­ве­ши­ва­ет­ся дав­ле­ни­ем жид­ко­сти $p_ж$ и меж­фаз­ным на­тя­же­ни­ем $\sigma$ и свя­за­но с дав­ле­ни­ем на­сы­щен­но­го па­ра над го­ри­зон­таль­ной по­верх­но­стью при той же темп-ре Кель­ви­на урав­не­ни­ем. Кри­тич. ра­ди­ус пу­зырь­ка в со­от­вет­ст­вии с Ла­п­ла­са за­ко­ном ра­вен $$R_{кр}=2\sigma/(p_п-p_ж),$$при­чём при $R \lt R_{кр}$ пу­зырь­ки схло­пы­ва­ют­ся, при $R \gt R_{кр}$ – рас­тут.

Про­цесс ро­ж­де­ния пу­зырь­ков па­ра в объ­ё­ме го­мо­ген­ной очи­щен­ной жид­ко­сти про­ис­хо­дит вслед­ст­вие тер­мо­ди­на­мич. 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 К., ко­то­рые мо­гут быть как флук­туа­ци­он­ны­ми (пло­хо сма­чи­вае­мые уча­ст­ки, зо­ны по­вы­шен­ной кон­цен­тра­ции лег­ко­ки­пя­щей ком­по­нен­ты, зо­ны про­те­ка­ния эк­зо­тер­мич. 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 К. цен­тры К. во­зоб­нов­ля­ют­ся при за­хва­те па­ра мик­ро­уг­луб­ле­ния­ми (по­ра­ми) на на­гре­вае­мой по­верх­но­сти.

В пром. ап­па­ра­тах К. обыч­но обес­пе­че­но го­то­вы­ми цент­ра­ми и пе­ре­грев вы­ше темп-ры 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) К. При по­верх­но­ст­ном К. осн. ис­точ­ни­ком пу­зырь­ков па­ра яв­ля­ет­ся слой жид­ко­сти, при­мы­каю­щий к на­гре­вае­мой по­верх­но­сти. Ес­ли объ­ём жид­ко­сти име­ет темп-ру ни­же рав­но­вес­ной темп-ры на би­но­да­ли (т. н. К. с не­дог­ре­вом), то пу­зырь­ки па­ра, об­ра­зо­вав­шие­ся вбли­зи на­гре­вае­мой по­верх­но­сти, по­па­дая при миг­ри­ро­ва­нии в хо­лод­ные слои жид­ко­сти, схло­пы­ва­ют­ся. Объ­ём­ное К. 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 К. 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 (напр., в тру­бах) доз­ву­ко­вых по­то­ках вски­паю­щей жид­ко­сти рост со­дер­жа­ния па­ра вниз по те­че­нию со­про­во­ж­да­ет­ся сни­же­ни­ем дав­ле­ния. Пу­зырь­ки па­ра при рос­те и схло­пы­ва­нии из­лу­ча­ют аку­стич. вол­ны – воз­ни­ка­ет шум К. Бы­ст­рый рост дав­ле­ния при К., воз­ни­каю­щем при дос­та­точ­но бы­ст­ром пе­ре­гре­ве жид­ко­сти (взрыв­ной ре­жим К.), мо­жет при­вес­ти к т. н. па­ро­во­му взры­ву с раз­ру­ше­ни­ем кон­ст­рук­ций. Пу­зырь­ки па­ра, всплы­ваю­щие в гра­ви­та­ци­он­ном по­ле, вы­зы­ва­ют до­пол­нит. кон­век­тив­ные по­то­ки, спо­соб­ст­вую­щие пе­ре­ме­ши­ва­нию жид­ко­сти, а по­верх­но­ст­ное К. – тур­бу­лент­ное дви­же­ние при­сте­ноч­но­го слоя жид­ко­сти.

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

При­ме­не­ние про­цес­сов К. в бы­ту, нау­ке и тех­ни­ке раз­но­об­раз­но. По­верх­но­ст­ное К. ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся для ин­тен­сив­но­го ох­ла­ж­де­ния по­верх­но­сти – те­п­ло­съё­ма (напр., в атом­ных ре­ак­то­рах, ре­ак­тив­ных дви­га­те­лях, при ох­ла­ж­де­нии эле­мен­тов элек­трон­ной ап­па­ра­ту­ры). К. 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, разл. хи­мич. тех­но­ло­ги­ях, пи­ще­вой про­мыш­лен­но­сти и др.