Рис. 7. При испарении объём воды увеличивается приблизительно в 1650 раз.
Но ведь мы знаем, что теплота парообразования для воды равна 538 калориям? Куда же идут остальные 495 калорий? Они необходимы для разъединения связанных между собой в жидкой воде молекул на отдельные свободно движущиеся молекулы пара. Это лишний раз указывает на то, что в жидкой воде молекулы образуют какие-то прочные постройки, — для разрушения их должна быть затрачена значительная энергия.
Расход тепла на образование пара из воды легко ощутим. Намочите руку и помашете ею в воздухе — вы почувствуете прохладу. После купанья в реке стоять мокрому на берегу, да ещё при ветре, неприятно; мы стараемся быстрее вытереться полотенцем, чтобы влага не испарялась с нашего тела и не отнимала от него тысячи калорий.
Смоченная спиртом или эфиром рука ощущает особенно резкий холод. Хотя и спирт и эфир имеют сравнительно небольшую теплоту испарения, но температуры кипения этих жидкостей низки: у спирта 78, 3 градуса, а у эфира 35, 6 градуса. Поэтому и испаряются спирт и эфир во много раз быстрее, чем вода.
Сравним теперь теплоты парообразования различных веществ. Чтобы перевести в пар один грамм ртути, нужно затратить 68 калорий, удельная теплота парообразования спирта равна приблизительно 200 калориям, эфира 90, бензола 94, скипидара 70 и т. д. Мы видим, что и здесь вода стоит обособленно среди других жидкостей.
При переходе пара в воду теплота парообразования полностью выделяется и может быть использована. Кто работает или бывал на заводах и фабриках, тот знает, как широко применяется пар для нагрева. На некоторых заводах паровые трубы образуют столь сложную сеть, что в ней может разобраться только хорошо знающий данное производство человек. Сотни различных конструкций парообогревателей выполняют важную роль в общем технологическом процессе. На рисунке 8 показаны две самые простые установки для нагрева жидкостей: одна — змеевиком, другая — паровой «рубашкой». Пар, омывая холодные стенки, отдаёт им свою теплоту парообразования, и сам превращается в воду — конденсат.
Рис. 8. Змеевик и паровая рубашка.
Испарение воды имеет громадное значение в природе. Со всей поверхности земного шара ежегодно испаряется около 400 тысяч кубических километров воды. Для испарения этой воды расходуется огромное количество солнечного тепла. Чтобы получить столько тепла, надо сжечь десять миллиардов тонн каменного угля.
Представьте себе теперь, какое количество энергии переносит пар в атмосферу. Пусть где-нибудь в районе экватора испарилась вода. Образовавшиеся пары вместе с воздухом поплыли над поверхностью Земли и достигли, например, средних широт, где уже не так тепло. В этих условиях пар станет конденсироваться, то есть превращаться в воду, и выделять теплоту испарения, запасённую на юге, нагревая ею прежде всего воздух, а через него почву и все окружающие предметы. Учесть количество тепла, которое переносят пары воды с одного места земного шара в другое, не представляется возможным; во всяком случае для перевозки соответствующего количества топлива потребовалось бы, вероятно, такое количество транспортных средств, которым человечество ныне ещё не располагает.
Пары воды и облака, всегда имеющиеся в нашей атмосфере, играют ещё и другую роль. Поглощая в сильной степени тепловые лучи, они укрывают нашу Землю как бы одеялом, предупреждая рассеяние тепла и защищая Землю от излишнего перегрева Солнцем.
Мы уже видели, что температура плавления льда — величина непостоянная. Она зависит от давления: чем выше давление, тем ниже температура, при которой плавится лёд.
А будет ли сказываться изменение давления воздуха или пара над водой на значении температуры кипения воды?
Попробуем ответить на этот вопрос с помощью простого рассуждения.
Кипение жидкости начинается тогда, когда пузырьки пара, образующиеся ниже поверхности, получают возможность выходить наружу. Чтобы пузырёк пара существовал и рос в своём объёме, он должен преодолевать внешнее давление: давление пара внутри пузырька должно по меньшей мере быть равным внешнему давлению или превышать его. Каждый знает, что нельзя беспредельно нагревать воду в плотно закрытом сосуде: рано или поздно образующийся пар обязательно разорвёт сосуд. Значит, давление пара растёт с повышением температуры. А раз это так, то мы можем заключить, что чем больше давление, тем выше температура кипящей воды.
Так оно в действительности и есть.
Температура кипения воды в паровом котле, работающем при двух атмосферах, равна 121 градусу, а при десяти атмосферах — 180 градусам. При 84,8 атмосферы температура кипения воды равна 300 градусам.
При пониженном давлении, наоборот, вода закипает при температуре более низкой, чем 100 градусов. Известно, что на высоких горах воздух разрежён, и чем выше гора, тем меньше давление воздуха над нею. Поэтому, например, на вершине Монблана (высота его равна 4810 метрам) вода кипит при 84 градусах, а на высоте 7360 метров — при 75,9 градуса (рис. 9).
Рис. 9. С понижением давления температура кипения воды понижается.
При давлении в одну восьмую атмосферы вода кипит уже при 50 градусах, а при давлении в одну восьмидесятую атмосферы при 10 градусах. В таком кипятке уже не сваришь мясо и, конечно, не обожжёшься, а скорее замёрзнешь.
А может ли случиться так, что вода, нагретая до 100 градусов, при обычном давлении не кипит? Да. Это бывает в тех случаях, когда вода не содержит никаких растворённых газов. В этом случае воду можно «перегреть» выше 100 градусов. Но если в такую перегретую воду попадает хотя бы немного газа, сразу же образуется огромное количество пара. Подобное явление может служить причиной взрыва паровых котлов.
Величина теплоты парообразования также изменяется в зависимости от условий, при которых происходит испарение. Чем выше температура воды, тем меньше надо добавить теплоты, чтобы перевести воду в пар. В конце концов можно достигнуть такого состояния, когда для перевода жидкости в пар уже не потребуется совершенно никакой теплоты. Для каждой жидкости это состояние характеризуется вполне определёнными температурой и давлением. Для воды это состояние наступает при 380,5 градуса и при давлении в 217,5 атмосферы.
11. Можно ли нагреть тело, отнимая от него тепло?
Теплота, переходя от теплого тела к более холодному, нагревает его. Это настолько очевидно, что не требует каких-либо поясняющих примеров. Мы не знаем обратного случая, когда холодный предмет передал бы сам по себе своё тепло более нагретому телу.
Чтобы поднять температуру какого-нибудь тела, надо сообщить ему некоторую энергию. Проще всего это сделать путём передачи тепла от другого тела, имеющего более высокую температуру. Два тела с различной температурой, приведённые в соприкосновение, через некоторое время становятся одинаково нагретыми: тёплое тело отдаст часть своего тепла и при этом несколько остынет, холодное, поглощая это тепло, нагреется. В результате оба тела будут иметь одинаковую температуру. Всё это так привычно нам и столь закономерно, что мы не задумываемся над тем, что нагреется и что остынет, если, например, чайник с кипятком поставить на снег. Но сейчас мы познакомимся с одним явлением, в котором наблюдается, на первый взгляд, обратное.
На рисунке 10 показан разрез паровозного котла. В котёл налита вода. Получая через стенки жаровых труб тепло от топочных газов, она кипит. Над поверхностью воды в верхней части котла собирается пар, который называется паром, насыщающим пространство, или сухим паром. Однако практически при кипении воды в паровое пространство котла переходит не только пар, но и увлекаемые им капельки воды. Эти капельки, взвешенные в паре, являются его составной частью. Если даже вода кипит совершенно спокойно и пар не увлекает с собой капелек воды, то они всё равно могут сами образоваться в паре: проходя по трубопроводам или попадая в цилиндр паровой машины, сухой пар несколько остывает, а это неизбежно ведёт к конденсации. Такой пар, в котором имеются капельки, называют влажным, а иногда — мокрым паром.
Рис. 10. Схема паровозного котла.
Станем сжимать влажный пар, в котором по весу содержится половина или больше мелких капель воды. Сделаем это так, чтобы соотношение между количеством пара и жидкости или, как говорят, влажность пара, оставалось неизменным. При сжатии пар окажется пересыщенным и часть его превратится в жидкость. Чтобы сохранить влажность пара прежней, к нему придётся, очевидно, подвести некоторое количество тепла. Сконденсировавшаяся вода снова испарится, и влажность станет прежней. В этом случае подведённая теплота расходуется на испарение воды, что вполне естественно и понятно.
