Фазалық түрлену. Булану және қайнау

Сұйықтан буға айналу процесін қарастырайық. Қайнау процесінде үлкен кинетикалық энергиясы бар сұйық молекулалары сұйықтың бетіне шығып, молекулааралық тартылысты жеңіп, сұйық бетінен шығып кетуі керек. Яғни

энергиясы молекулалардың тартылыс күшіне қарсы істелетін жұмыстан көп болуы керек ( E_k>A.). Бұл жұмыс A=2r^.F теңдігі арқылы анықталады. Мұндағы r – молекулалардың әсерлесу сферасының радиусы, Ғ - әсерлесу күші.

Молекулалардың тартылыс күші өте үлкен шама. Судың молекулалық ішкі қысымы 11 мың атм. Ендеше молекуланың сұйық бетіне шығуы үшін өте үлкен энергия керек. Энергиясы жоғары молекулалар, яғни «ыстық» молекулалар ғана сұйық бетіне шыға алады. Осының нәтижесінде қалған молекулалардың энергиясы азаяды. Кебу кезінде дене суыйды. Булануға кері процесс қоса жүреді. Яғни ауадағы су буы қайтадан сұйыққа айналады. Екі процесс үздіксіз жүреді. Егер булану конденсацияға қарағанда интенсивті болатын болса, сұйық буланады, ал керісінше конденсациялану булануға қарағанда интенсивті жүрсе онда сұйық көбейеді.

Екі процесс өзара тең болса тепе-теңдік процесс делінеді, яғни қанша молекула буланса, сонша молекула конденсацияланады. Бұл уақыттығы буды қаныққан бу дейді.

Егер адиабаталық кебу болса, температура төмендейді. Изотермалық кебуде (тұрақты температурада) берілген жылу тұрақты болады. Сұйықты қайнауға дейін қыздырғанда жылудың біразы ғана булануға жұмсалады, ал көп бөлігі тек қыздыруға кетеді. Қайнау басталу үшін сұйықтың ішінде ауа көпіршіктері болуы керек, яғни қос фазалы болу керек.

Ауа көпіршіктері сұйықтың ішінде ыдыс қабырғасындағы не түбіндегі денелерге жабысып тұрады. Осы көпіршіктер булану орталығы болып табылады. Сұйық осы көпіршіктің ішінде буланады, көпіршік үлкейіп өз орнына кішкене көпіршік қалдырады да сұйық бетіне көтеріліп жарылады. Кішкене көпіршік тағы ұлғайып, тағы көтеріледі. Осылай қайталану болады. Көпіршіктер тізбек жасап көтеріліп отырады.

Қайнау кезінде сұйыққа берілген жылу түгелдей булануға жұмсалады, ендеше температура тұрақты болады. Мұның себебі - температураның көтерілуі мұң екен, сол сәтте-ақ қайнау тездей бастайды. Яғни келген жылу кебуге кеткен жылумен тең болады. Көпіршік ауадан тұруы керек, ал көпіршік тек сұйық буынан тұрса қысым көбейгенде (тепе-теңдік қалыптан жоғары болғанда) бу суға айналып көпіршік көлемі кішірейеді. Көпіршік үшін тепе-теңдік қалып мынадай

Мұнда Р – көпіршік ішіндегі қаныққан бу қысымы, – көпіршік ішіндегі ауа қысымы, р – атмосфералық қысым, – гидростатикалық қысым, – қисық беттегі Лаплас қысымы.

Ұзақ қайнаудан кейін аса қызған сұйық алуға болады. Бұл жағдай сұйықтың ішіндегі еріген ауа түгелдей буланып болған соң бу тек сұйықтың өз буы болған кезде ғана орындалады. Қайнау температурасы жоғарылайды.

Булану жылуы екі бөліктен тұрады. Біріншісі молекуланың беттік қабаттан бөлінуі үшін қажет, ал екінші бөлігі ұлғаю кезіндегі жұмысқа тең. Кебу кезінде будың көлемі алғашқы сұйық күйінен үлкен болады. (Су үшін 1650 есе).

Кебу жылуы беттік қабаттың тартуын жеңу үшін жұмсалатын және ұлғаю үшін кететін жылулардың қосындысына тең болады.

Ұлғаю үшін қажетті жылу . Беттің тартылысын жеңу үшін жұмсалатын жылу:

Будың конденсациялану процесін қарастырайық. Бұл процесс тек қос фаза болғанда орындалады. Конденсация болу үшін конденсация орталығы болу керек. Будың молекулалары осындай орталыққа жанасып, үлкен тамшы құрайды да сұйық бетіне түседі. Ауаны ерекше тазартып аса қаныққан бу алуға болады. Бұл уақытта қысым тепе-теңдік қысымнан жоғары болады. Аса қаныққан буды адиабаттық ұлғайтса температура төмендейді де конденсация болады. Конденсация кезінде булану жылуы қайта бөлінеді.