Особым случаем испарения жидкости является кипение.
Особым потому, что испарение идет не только с поверхности жидкости, а процесс захватывает весь объем. Практически всегда в жидкости растворен воздух и входящие в его состав газы. При нагревании жидкости пузырьки образуются обычно на дне и стенках сосуда или на механических примесях, если они есть. Но граница жидкости и газового пузыря — это тоже поверхность жидкости, правда поверхность криволинейная. И там тоже идет процесс испарения. Идет до тех пор, пока пар в пузырьке не станет насыщенным. Но, заметим, давление в пузырьке не может быть ниже суммы атмосферного давления и давления столба жидкости над пузырьком. Этим вторым слагаемым чаще всего можно пренебречь ввиду его малости.
При невысоких температурах давление газа в пузырьке может быть больше давления насыщенного пара, но с ростом температуры давление насыщенного пара растет быстрее давления газа и при достаточно высоких температурах давление в пузырьке определяется давлением насыщенного пара. Вначале пузырек «прицеплен» к поверхности сосуда силой поверхностного натяжения, но с ростом его происходит отрыв. Сила поверхностного натяжения зависит от периметра замкнутой кривой, по которой пузырек соединяется с сосудом, т. е. пропорциональна радиусу пузырька, а архимедова сила пропорциональна объему, т. е. кубу радиуса. Если температура жидкости такова, что давление насыщенного пара невелико, пузырек останется маленьким и не сможет оторваться от поверхности сосуда. Оторвавшийся пузырек будет двигаться к свободной поверхности жидкости, но если жидкость не прогрелась полностью, то, попав в менее нагретую область, пузырек исчезнет. Исчезнет потому, что пар частично сконденсируется, давление внутри пузырька станет меньше внешнего. Это происходит тогда, когда «чайник шумит». Если же жидкость прогрета до температуры, при которой давление насыщенного пара равно внешнему давлению, пузырь доходит до поверхности и лопается, выбрасывается пар.
Жидкость кипит. Подчеркнем еще раз — жидкость кипит тогда, когда давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению. А поскольку давление насыщенного пара зависит от температуры, то температура кипения жидкости зависит от давления. И утверждения «вода кипит при 100% справедливо только для нормального атмосферного давления, т. е. 1,01 • 10J Па (760 мм рт. ст.). Например, при давлении 2 • 10° Па температура кипения 120°, при давлении 1 • 10G Па — 180 °С, при давлении 2,3 • 10 Па вода закипает уже при 20 °С. Кастрюля-скороварка потому и скороварка, что варит быстро, а быстро потому, что температура воды в ней существенно выше 100° за счет того, что в этой кастрюле создается самим паром повышенное давление, а, значит, растет и температура кипения. Зато, если вам вздумается забраться на Эльбрус, высота которого 5642 м, вам придется варить картошку очень долго, потому что при давлении 5 • 104 Па вода закипит при температуре чуть выше 80 °С.
Но возможны и такие случаи, когда вода, достигнув температуры кипения при данном давлении, все-таки не закипит. Во-первых, для кипения необходимо, чтобы в жидкости находился растворенный газ, если жидкость обезгажена, пузырьки не образуются. Это можно наблюдать на опыте. Будем долго кипятить воду в стеклянной колбе. Мы увидим, что со временем количество пузырьков будет заметно уменьшаться, а температура жидкости станет на 1-г2°С выше температуры кипения. Но и наличие растворенных в жидкости газов не гарантирует ее закипания при температуре кипения. Необходимы центры образования пузырьков. Как правило, это те участки стенок или дна сосуда, которые не смачиваются жидкостью. Это могут быть загрязненные участки или микронеровности поверхности.
Если мы поместим жидкость в тщательно отполированный и столь же тщательно обезжиренный сосуд, то пузырькам образоваться будет негде — вся поверхность смачивается — и жидкость можно нагреть до температуры на десятки, а иногда и на сотню градусов превышающей температуру кипения. Такая жидкость называется перегретой жидкостью. Но рано или поздно и перегретая жидкость вскипит, причем очень бурно, взрывообразно, с выбросом жидкости наружу и температура скачком упадет до температуры кипения. Закипание произойдет тогда, когда по какой-либо случайной причине (но эта случайность обязательно произойдет!) внутри жидкости образуется какая-нибудь неоднородность.