Вторым распространенным видом парообразования является кипение жидкостей. С помощью опытов было установлено, что, пока жидкость кипит, ее температура остается постоянной. Парообразование, которое происходит в объеме всей жидкости и при постоянной температуре, называется кипением.

Выясним особенности процесса кипения жидкости. Нальем в стеклянную колбу воду и проследим за ее нагреванием. При нагревании воды на дне и стенках колбы появляются пузырьки газа. Рассмотрим, как они возникают.

Поверхность твердого тела обладает способностью удерживать молекулы газа, которые как бы прилипают к ней. Такое «прилипание» молекул газа к молекулам поверхностного слоя твердого тела называют адсорбцией, а газ, связанный с поверхностью твердого тела, называют адсорбированным.

Далее, опыт показывает, что газы растворяются в жидкостях, причем растворимость газа уменьшается при повышении температуры жидкости. Поэтому при нагревании воды растворенный в ней воздух выделяется у стенок сосуда, присоединяясь к адсорбированному на них воздуху.

При нагревании воды количество пузырьков непрерывно увеличивается и их объем возрастает. Поскольку пузырьки находятся в воде, внутри них, кроме воздуха, имеется насыщающий водяной пар. Рост пузырьков при нагревании объясняется увеличением количества воздуха в них и возрастанием давления насыщающего пара воды. Противодействуют расширению пузырьков: внешнее давление атмосферы на поверхность жидкости, гидростатическое давление столба воды высотой от ее поверхности до места, где находится пузырек, лапласовское давление, обусловленное кривизной поверхности пузырька, обратно пропорциональное радиусу пузырька. При очень малых радиусах пузырька лапласовское давление может быть больше атмосферного, а при больших радиусах им можно пренебречь. При росте пузырька лапласовское давление уменьшается, что способствует еще большему увеличению размеров пузырька.

При достаточно большом объеме пузырька действующая на него сила Архимеда отрывает его от поверхности дна и поднимает вверх, а на месте оторвавшегося пузырька остается зародыш нового пузырька (рис. 8.5, а). Так как при нагревании жидкости снизу ее верхние слои холоднее нижних, то при подъеме пузырька водяной пар в нем конденсируется, а воздух снова растворяется в воде и объем пузырька уменьшается (рис. 8.5, б). Многие пузырьки, не достигнув поверхности воды, исчезают, а некоторые доходят до поверхности, но воздуха и пара в них к этому моменту остается очень мало. Это происходит до тех пор, пока вследствие конвекции температура во всей жидкости не станет одинаковой.

Когда температура в жидкости выровняется, объем пузырьков при подъеме будет уже возрастать (рис. 8.5, в). Объясняется это следующим образом. Когда пузырек поднимается вверх при одинаковой температуре во всей жидкости, то давление насыщающего пара внутри пузырька остается постоянным, а гидростатическое давление уменьшается, поэтому пузырек растет. Все пространство внутри пузырька при его росте заполняется насыщающим паром.

Когда такой пузырек достигает поверхности жидкости, то давление насыщающего пара в нем практически равно атмосферному давлению на поверхности жидкости, поскольку в этот момент гидростатическое давление равно нулю, а давление воздуха в пузырьке и лапласовское давление малы и ими можно пренебречь. На поверхности жидкости пузырек лопается, а находящееся в нем значительное количество насыщающего пара выходит в окружающую среду. Описанный процесс роста пузырьков с насыщающим паром при одинаковой температуре жидкости и выделения этого пара и окружающую среду и есть кипение. Таким образом, кипение жидкости происходит при одинаковой температуре всей жидкости, когда давление насыщающего пара этой жидкости равно внешнему давлению. Температура, при которой давление насыщающих паров жидкости равно внешнему давлению на ее поверхность, называется температурой кипения этой жидкости.

Опыт показывает, что температура кипящей жидкости и температура пара над ее поверхностью одинаковы. Это означает, что вся энергия, подводимая к жидкости в процессе ее кипения, идет только на увеличение потенциальной энергии молекул и на работу против внешних сил в процессе расширения вещества.