Czy zastanawialiście się kiedyś skąd biorą się bombelki w gotującej się wodzie i czym tak naprawdę są wypełnione? Na tej stronie postaram się wyjaśnić to zjawisko.

Wrzenie jest formą parowania, czyli przejścia ciała ciekłego w parę. Więc zanim opowiem o samym wrzeniu na początek zajmę się procesem parowania.
Co to jest parowanie? Jest to po prostu odrywanie się pojedynczych cząsteczek od cieczy i przechodzenie ich do powietrza. Ponieważ w cieczy cząsteczki związane są ze sobą tzw siłami międzycząsteczkowymi, aby cząsteczka mogła "wyparować", czyli opuścić ciecz musi być spełnionych kilka warunków -

Cząsteczka musi:
- znaleźć się przy powierzchni cieczy,
- posiadać energię kinetyczną większą od energii potencjalnej przyciągania międzycząsteczkowego,
- prędkość cząsteczki musi być skierowana na zewnątrz cieczy.

Ponieważ ciecz opuszczają w procesie parowania głównie cząsteczki o energii większej niż przeciętna energia pozostałych cząsteczek, to temperatura cieczy w skutek parowania obniża się. Ilość energii odbierana od cieczy w procesie parowania określona jest przez tzw. ciepło parowania. Ciepłem parowania nazywamy ilość ciepła jaką należy dostarczyć do cieczy, aby doprowadzić do wyparowania jednego kilograma tej cieczy bez zmiany temperatury tej cieczy.

Na prędkość parowania wpływają następujące czynniki:
- temperatura cieczy (im wyższa temperatura, tym większa energia kinetyczna cząsteczek, tym szybsze parowanie),
- ciśnienie pary (im wyższe ciśnienie, tym gęściej upakowane są cząsteczki i tym mniej jest miejsca dla innych cząsteczek),
- wielkość powierzchni cieczy (im większa powierzchnia, tym więcej cząsteczek może równocześnie wydostać się z cieczy),
- ruch powietrza nad cieczą ( cząsteczki, które już wyparowały są porywane i robią miejsce dla innych cząsteczek),
- rodzaj cieczy (różne są wielkości sił międzycząsteczkowych w różnych cieczach).

Najczęściej spotykanym przypadkiem występowania pary jest obecność cząsteczek pary wodnej w powietrzu. Obok cząsteczek azotu, tlenu i innych, występujących w mniejszej ilości substancji, współtworzą one powietrze. Występuje jednak istotna różnica. Otóż ilość cząsteczek wody w jednostce objętości powietrza (tzw. wilgotność bezwzględna) jest bardzo zróżnicowana i zależy od wielu czynników, ale przede wszystkim od temperatury powietrza.

W określonej temperaturze maksymalna zawartość pary wodnej w powietrzu jest ograniczona. Woda w zamkniętym naczyniu o stałej temperaturze paruje tak długo, aż stanie się parą nasyconą, czyli jej ciśnienie osiągnie (w danej temperaturze) maksymalną wartość. Dzieje się tak w chwili, gdy cząstek wody w powietrzu jest tak dużo i są tak blisko siebie (a przy tym mają za małą prędkość, aby przy spotkaniu odbić się od siebie), że zaczynają się "sklejać" ze sobą. Następuje skraplanie. Wytwarza się stan równowagi dynamicznej. W każdej chwili tyle samo cząstek wyparowuje, co skrapla się. Im wyższa temperatura, tym ciśnienie pary nasyconej jest wyższe i tym więcej pary może znajdować się w powietrzu.

Zdefiniowanie procesu parowania było niezbędne by prawidłowo zrozumieć wrzenie cieczy. Wyjaśnienie tego procesu poprę ciekawym doświadczeniem, do wykonania którego wykorzystam moja nową pompę próżniową.

Fot. Aparatura do obniżania ciśnienia nad powierzchnią cieczy.

Wrzenie, definiuje się jako proces parowania, który zachodzi w całej objętości cieczy i przebiega w stałej (przy ustalonym ciśnieniu) temperaturze. Ale skoro wrzenie to parowanie to jak może zachodzić w całej objętości cieczy ?.

Wewnątrz cieczy znajduje się zawsze pewna ilość cząsteczek, które mają wystarczającą energię aby wyparować, ale nie znajdują się przy powierzchni cieczy. Natrafiają one jednak na mikroskopijne pęcherzyki powietrza, które zazwyczaj znajdują się w cieczy. Mogą to być też niejednorodności ułożenia cząsteczek względem siebie związane z obecnością różnorodnych cząsteczek innego rodzaju niż cząsteczki danej cieczy.

Do tych pęcherzyków lub wolnych przestrzeni międzycząsteczkowych mogą wyparowywać cząsteczki o odpowiednio dużej energii. Cząsteczki te w miarę wzrostu temperatury cieczy uzyskują coraz większą energię kinetyczną. Nie mogą jednak "rozepchnąć" go, bo w pęcherzyku panuje cały czas ciśnienie takie jak nad powierzchnią cieczy (plus oczywiście ciśnienie hydrostatyczne na danej głębokości). Dopóki temperatura jest za niska, aby do pęcherzyka dostała się ilość cząsteczek zdolnych go rozepchnąć, para w pęcherzykach jest cały czas nasycona i nadmiar cząsteczek skrapla się.

W końcu jednak dochodzi do tego, że temperatura osiąga wartość, przy której ciśnienie pary może przekroczyć (zanim dojdzie do nasycenia), choćby minimalnie, ciśnienie zewnętrzne. Od tej pory więcej cząsteczek może wnikać do pęcherzyka, pęcherzyk rozrasta się i wypychany jest przez siłę wyporu na powierzchnię cieczy. Towarzyszy temu odgłos pękających pęcherzyków -stąd charakterystyczny szum gotującej się wody.
Jak wykazałem powyżej, temperatura wrzenia cieczy zależy od panującego na zewnątrz cieczy ciśnienia. Spróbujemy więc to ciśnienie obniżyć w zestawie, którego zdjęcie przedstawiłem powyżej. Probówkę z niewielką ilością wody połączyłem gumowym wężem z pompą próżniową. Woda ma temperaturę pokojową a panujące na powierzchni ciśnienie powietrza równe jest atmosferycznemu. Jak widać na zdjęciu w probówce nic się nie dzieje. A co się stanie jak włączymy pompę i ciśnienie zacznie się zmniejszać ?
Obraz po prawej stronie przedstawia wykres fazowy wody. Przedstawia obszary o danym ciśnieniu i temperaturze w których woda może występować w określonych stanach skupienia. W temperaturze pokojowej ok. 25^oC i ciśnieniu atmosferycznym 1113 hPa woda jest cieczą.

Ale jeśli teraz włączymy pompę próżniową ciśnienie zacznie spadać - punkt zacznie przesuwać się pionowo w dól aż osiągnie granicę faz ciecz - gaz. Rozpocznie się wrzenie wody w temperaturze pokojowej.

Woda wrze intensywnie choć jej temperatura wcale nie jest wysoka. Wręcz przeciwnie - temperatura probówki spada poniżej temperatury pokojowej (świadczy o tym choćby skraplanie pary z powietrza na probówce) a woda dalej wrze. Dlaczego ?. Jak już napisałem na początku proces parowania zmniejsza średnią energię kinetyczną pozostałych w cieczy cząstek, mówiąc prościej - obniża jej temperaturę. Punkt na wykresie zaczyna przesuwać się również w lewo i dotrze w okolice punktu potrójnego. Możemy się już tylko domyślać co się stanie.

Parowanie ochłodziło wodę tak bardzo, że zamarzła. By potwierdzić spadek temperatury, postanowiłem ją zmierzyć.

Ciśnienie atmosferyczne - temperatura wody 13 ^oC

Po chwili od obniżenia ciśnienia temperatura wody wyraźnie spadła poniżej zera.