Где идёт процесс
Оба процесса — это переход жидкости в пар, но устроены они по-разному. При испарении жидкость покидают только самые быстрые молекулы с поверхности — те, у кого хватило энергии вырваться. Поэтому лужа высыхает и при +5 °C, и при +30 °C, просто с разной скоростью. При кипении пар образуется внутри всей толщи жидкости: на дне и в объёме возникают пузырьки насыщенного пара, которые всплывают и лопаются на поверхности.
Температура: любая или строго определённая
Испарение идёт при любой температуре — даже мокрое бельё сохнет на морозе (через стадию сублимации льда). А кипение начинается строго при температуре кипения: для воды при нормальном атмосферном давлении это 100 °C. Пока вода не достигла этой температуры, пузырьки пара внутри схлопываются раздавленные внешним давлением. Как только давление насыщенного пара сравняется с внешним — пузырьки выживают и всплывают, начинается кипение.
Интересно, что во время кипения температура жидкости не растёт: вся подводимая теплота уходит на превращение воды в пар, а не на нагрев. Поэтому кипящая вода держит ровно 100 °C, сколько бы вы её ни грели сильнее.
Зависимость от давления
Кипение сильно зависит от внешнего давления, а испарение — лишь косвенно. В горах давление ниже, поэтому давление насыщенного пара сравнивается с атмосферным раньше: на высоте 5000 м вода кипит уже при ~83 °C. Поэтому на высоте трудно сварить яйцо — кипяток недостаточно горячий. В скороварке наоборот: давление повышено, и вода кипит при 110–120 °C, ускоряя готовку.
Таблица: испарение против кипения
| Критерий | Испарение | Кипение |
|---|---|---|
| Где происходит | Только с поверхности | По всему объёму жидкости |
| Температура | Любая | Строго температура кипения |
| Пузырьки | Нет | Да, всплывающие пузырьки пара |
| Скорость | Медленно, постепенно | Бурно, интенсивно |
| Зависит от давления | Слабо (через скорость) | Сильно: T кипения растёт с давлением |
| Пример | Высыхает лужа, сохнет бельё | Чайник на плите, пар столбом |
Что общего
Оба процесса забирают энергию: чтобы оторвать молекулу от жидкости, нужна теплота парообразования. Именно поэтому испарение пота охлаждает тело, а кипящая вода не перегревается. И испарение, и кипение ускоряются при нагреве, но только кипение требует достичь определённого порога температуры, заданного давлением.
От чего зависит скорость испарения
Хотя испарение идёт при любой температуре, его скорость можно сильно менять. Вода высыхает быстрее, если:
- выше температура — больше быстрых молекул, способных вырваться (горячая лужа сохнет быстрее);
- больше площадь поверхности — разлитая лужа сохнет быстрее, чем та же вода в стакане;
- сильнее ветер — он уносит пар, не давая ему вернуться обратно в жидкость;
- суше воздух — во влажном воздухе пар возвращается, и испарение замедляется.
Кипение же от площади и ветра почти не зависит — ему важна только температура и давление.
Почему испарение охлаждает
При испарении жидкость покидают самые быстрые, «горячие» молекулы. Оставшиеся в среднем медленнее — значит, температура жидкости падает. Поэтому пот, испаряясь с кожи, охлаждает тело; поэтому мокрая одежда холодит, а спирт на коже кажется ледяным (он испаряется быстро). Это тот же механизм, что и в холодильнике: испаряясь, рабочее вещество забирает тепло. У кипения этого охлаждающего эффекта снаружи нет — вся теплота подводится извне и тут же уходит в пар.
Итог
Испарение и кипение — два пути одного перехода «жидкость → пар». Испарение тихое, поверхностное, при любой температуре; кипение бурное, объёмное, при строгой температуре, заданной давлением. Понимание разницы объясняет, почему бельё сохнет на морозе, почему в горах не сварить нормальный суп и почему пот спасает нас от перегрева.
Стоит добавить про насыщенный пар. Над поверхностью жидкости всегда есть пар, и при кипении ключевую роль играет давление этого насыщенного пара внутри пузырьков. Пузырёк выживает и всплывает только тогда, когда давление пара в нём не меньше внешнего давления. Пока жидкость холодная, давление её насыщенного пара мало, и зародившиеся пузырьки тут же раздавливаются. С нагревом давление пара растёт, и в момент, когда оно сравнивается с атмосферным, начинается кипение. Поэтому температура кипения — это, по сути, температура, при которой давление насыщенного пара равно внешнему давлению. Меняем внешнее давление — сдвигаем температуру кипения, что и наблюдается в горах и в скороварке.
