Испарение и кипение

В Ледвилле (штат Колорадо), на высоте около 3100 м, давление воздуха составляет около 68 кПа, и вода кипит примерно при 90 °C.

Лужа высыхает и в прохладный день, ни разу не приблизившись к 100 °C. А кастрюля с водой на плите стоит спокойно, пока примерно при 100 °C не начнёт бурлить. В обоих случаях идёт парообразование, переход из жидкости в газ, но процессы разные. Испарение происходит только с поверхности и при любой температуре. Кипение идёт во всём объёме жидкости при одной определённой температуре, которая зависит от давления над ней.

Испарение и давление пара

В любой жидкости молекулы движутся с разными скоростями. Немногие молекулы у поверхности движутся так быстро, что отрываются от соседей и уходят в воздух. Это и есть испарение. Первыми уходят самые быстрые молекулы, поэтому у оставшихся средняя энергия ниже, и жидкость охлаждается. Так работает пот. По оценке OpenStax, испарение 1.5 л пота в жарком климате отнимает у тела около 3600 кДж теплоты.

В закрытой бутылке вылетевшие молекулы собираются над жидкостью, и часть из них ударяется о неё и возвращается обратно. В конце концов каждую секунду возвращается столько же молекул, сколько уходит. Давление пара в этот момент называют давлением насыщенного пара жидкости. Оно зависит от вещества и температуры, но не от размера бутылки. У жидкостей со слабым притяжением молекул давление пара высокое: при 20 °C у метанола оно 11.9 кПа, у этанола 5.95 кПа. Если нагреть жидкость, больше молекул получит достаточно энергии, чтобы улететь, и давление её пара вырастет.

Кипение зависит от воздуха над жидкостью

Жидкость кипит, когда давление её пара сравнивается с давлением окружающей среды. Тогда пузырьки пара могут образовываться внутри жидкости и не сплющиваются. Нормальной температурой кипения называют температуру кипения при 1 атм, то есть при 101.3 кПа. Для воды это 100 °C. Высоко в горах давление воздуха ниже, поэтому вода кипит при более низкой температуре: в Ледвилле, где давление около 68 кПа, она кипит примерно при 90 °C. Скороварка делает обратное. Она удерживает пар, повышает давление и позволяет воде нагреться выше 100 °C, прежде чем та закипит.

Парообразование требует много энергии, больше, чем плавление, ведь притяжение к соседним молекулам нужно не просто ослабить, а разорвать полностью. Для воды энтальпия парообразования равна 44.01 кДж/моль при 25 °C и 40.67 кДж/моль при температуре кипения. Сравни с 6.01 кДж/моль на плавление льда: чтобы испарить при кипении моль воды, нужно почти в семь раз больше энергии, чем чтобы его расплавить. Конденсация, переход газа в жидкость, возвращает эту энергию, поэтому ожог паром опаснее ожога водой той же температуры.

Без жидкой фазы

Некоторые твёрдые вещества сразу превращаются в газ. Это сублимация. Сухой лёд, твёрдый диоксид углерода, при комнатной температуре постепенно исчезает и не оставляет лужи. Данные NIST объясняют почему: диоксид углерода может быть жидким только при давлении выше 5.185 бар, примерно в пять раз больше обычного атмосферного, поэтому при 1 атм он переходит из твёрдого состояния прямо в газ примерно при −78 °C. Его энтальпия сублимации равна 26.1 кДж/моль. Обратный переход, из газа сразу в твёрдое тело, называют десублимацией. Так растёт иней на стекле машины холодной ясной ночью.