Что будет, если кипятить воду в герметично закрытой капсуле?

Процесс кипения

Это началось как вопрос, но, пока я его задавал, я успел сам себе на него и ответить… Так что — не судите строго!

Кипение — это фазовый переход между жидким состоянием и газообразным. Процесс кипения зависит от сообщаемой жидкости энергии, от давления окружающей среды и от количества примесей в жидкости. К примеру, скороварки увеличивают давление над поверхностью жидкости и позволяют жидкости нагреваться значительно выше номинальной точки кипения.

Вопрос: что будет, если давление на нагреваемую жидкость будет бесконечно большим?

Возьмём капсулу из какого-нибудь сверхпрочного титана, алмаза (или нейтрита), покрытого внутри плёнкой, предотвращающей даже самое слабое растворение материала капсулы в жидкости. Заполним её доверху водой лабораторной чистоты, абсолютно без примесей, даже без растворённых в воде газов. (Можно, конечно, и не водой, но мы же проводим мысленный эксперимент в соответствии с заранее утверждённой сметой, поэтому должны брать самые дешёвые материалы! 😉). Внутри капсулы никакого воздуха не осталось. Начнём равномерно нагревать капсулу. Что произойдёт с водой?

Ответ: довольно долго — даже после того, как температура воды поднимется выше 100°С — не будет происходить вообще ничего. Затем на оболочке капсулы начнут образовываться миниатюрные пузырьки, тут же схлопывающиеся. Потом начнётся плёночное кипение вдоль стенок капсулы. В самой жидкости пузырьки образовываться не будут — им будут мешать, с одной стороны, поверхностное натяжение воды, а с другой — сильное броуновское движение молекул, постоянно разрушающее эти пузырьки. Так что вода будет перегрета. В итоге получим каплю совершенно спокойной, но перегретой воды, подвешенную на паровой подушке в центре капсулы. Рано или поздно (скорее, рано) паровая подушка вокруг капли достигнет своего насыщения, и количество молекул воды внутри этой подушки — то есть толщина подушки — будет постоянным.

При дальнейшем нагревании давление и температура внутри капсулы будет расти, толщина паровой подушки — увеличиваться, а размеры капли в её центре — уменьшаться. По достижении температуры в 374,15°С и давления в 218,3 атмосфер подушка заполнит всю капсулу, а явно заметная капля воды в её центре исчезнет. Вода перейдёт в состояние суперкритической жидкости, которая ведёт себя одновременно и как жидкость, и как газ.

Суперкритическая жидкость на самом деле не жидкость и не газ, а нечто среднее. К примеру, поверхностного натяжения у суперкритической жидкости нет, потому что нет различия между жидкостью и газом. Вязкость, плотность и теплопроводность у суперкритической жидкости тоже средние между жидкостью и газом. «Играя» с давлением и температурой, можно заставить суперкритическую воду вести себя больше как воду или как водяной пар. Это повлияет, к примеру, на способность растворять другие материалы, которая у воды выше, чем у водяного пара.

Суперкритические жидкости без проблем смешиваются друг с другом, как газы, причём результат смеси тоже будет суперкритическим. Есть даже формула для расчёта минимальной температуры, необходимой для того, чтобы смесь оставалась суперкритической. Получив смесь суперкритических жидкостей, которые в обычном состоянии не смешиваются, можно использовать её для достижения эффекта, который невозможно достичь, используя каждую жидкость по отдельности.

Суперкритические жидкости используются повсеместно. В газовых баллонах бытовой газ находится в состоянии суперкритической жидкости (газом он становится потом, пройдя через редуктор, уменьшающий давление). Суперкритические жидкости (в основном, углекислый газ) используются для удаления одного материала из другого, к примеру — кофеина из зелёных зёрен кофе, причём удалённый материал остаётся чистым и пригодным к использованию (к примеру, удалённый из кофе кофеин идёт в «Red Bull» и другие энергетические напитки). Суперкритический углекислый газ используется как чистящий агент в химчистке. Суперкритические жидкости используются в окраске: обогащённой краской суперкритической жидкостью «смачивают» окрашиваемый предмет, а затем резко сбрасывают давление, в результате краска остаётся внутри окрашиваемого предмета. Используя суперкритическую жидкость, можно значительно повысить КПД реакторов. Есть даже сушка с помощью суперкритических жидкостей, очистка отходов с помощью суперкритических жидкостей и томография с помощью суперкритических жидкостей!

Гидротермальные источники извергают воду в суперкритическом состоянии.

В природе суперкритические жидкости тоже встречаются. К примеру, атмосфера Венеры на уровне поверхности представляет собой суперкритический углекислый газ. На Земле подводные вулканы, расположенные на глубине 3 километров, нагревают до 400 градусов воду, находящуюся под давлением 300 атмосфер, что более чем достаточно для получения суперкритической жидкости (см. иллюстрацию).

Статья «Что будет, если кипятить воду в герметично закрытой капсуле?» выпущена под лицензией Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 2.5 Israel License.
Автор и правообладатель — Alex Hitech.