Қайнау

ҚАЙНАУ

Қайнау – сұйықтықтың тұтас көлемінде бу көпіршіктерінің пайда болып, олардың сұйық бетіне шығып буға айналуы (1-текті фазалық ауысу). Сұйықтықты қыздырған кезде оның ішіндегі көпіршіктерінің көлемі ұлғайып, біртіндеп жоғары қалқып шығып жарылады да, ол сұйық бетіндегі бу фазасына айналады. Сұйықтық бетіндегі будың қысымы сыртқы қысымға теңелгенде қайнау процесі басталады. Сұйықтықтың үнемі қайнап тұруы үшін оған қажетті жылу берілуі тиіс, ол бу фазасы көлемінің ұлғаюы кезінде – бу түзілуі мен будың сыртқы қысымға қарсы жұмысына жұмсалады. Тұрақты қысым жағдайындағы сұйықтықтың қайнауы жүретін температура – қайнау температурасы (Тқ) деп аталады. Қысымның артуымен Тқ жоғарылайды (қ. Клапейрон - Клаузиус теңдеуі). Қайнаудың шектік температурасы заттың кризистік температурасы болып табылады. Химиялық таза заттың атмосфералық қысымдағы қайнау температурасы – оның негізгі физикалық-химиялық сипаттамаларының бірі. Сұйықтық құрамындағы әр түрлі өте майда қатты бөлшектер немесе газ көпіршіктері қайнау орталығы деп аталады. Қайнау орталығы (ұрығы) жоқ, яғни алдын-ала бөгде қоспалардан және еріген газ бөлшектерінен мұқият тазартылған сұйықтықты қатты қыздырмай, яғни қайнатпай-ақ оның температурасын Тқ-нан арттыруға болады. Қатты қыздырылған сұйықтық қайнаған кезде қайнау процесі қауырт өтіп, жарылысқа ұқсас дыбыс шығарады да, оның темп-расы өзімен тепе-теңдікте тұрған қаныққан будың темп-расына дейін суынады. Сұйықтықта пайда болған көпіршік көлемінің артуы үшін оның ішіндегі будың қысымы сыртқы қысым (көпіршіктен жоғары орналасқан сұйық қабаттарының қысымы мен көпіршік бетінің қисықтығына тәуелді болатын капиллярлық қысымның) қосындысынан артық болуы тиіс. Бұл шарт бу мен жылулық тепе-теңдікте тұрған сұйықтықтың темп-расы Тқ-нан артық болғанда ғана жүзеге асады. Күнделікті тұрмыста жиі кездесетін қайнаудың бұл түрін көпіршікті қайнау деп атайды. Мұндай қайнау кезінде қыздырылған беттің темп-расы қайнау темп-расынан аздап жоғары (Т=Т–Тқ) болады да, қыздырылған беттің темп-расын арттырғанда (Т-ны өсіргенде) бу түзілу орталықтары күрт өседі; олардан бөлініп шыққан көпіршіктер сұйықтық бетіне қалқып шығады да, сұйықтық қабаттары қауырт араласа бастайды. Бұл кезде қыздырылған беттен қайнайтын сұйықтыққа қарай бағытталған жылу ағыны едәуір артады. Жылу бергіштік коэфф. q/ арқылы өрнектеледі, мұндағы q – қыздырылған беттегі жылу ағынының тығыздығы (суретті қ.). Жылу ағынының (q-дың) шамасы ең үлкен (кризистік) мәніне жеткенде (Т–Тқ25–30С кезіндегі қайнап жатқан су үшін 1500 кВт/м2) Қайнаудың екінші кезеңі – ауыспалы қайнау басталады. Бұл кезде бу көпіршіктерінің бір-бірімен қауырт бірігуі нәтижесінде, қыздырылған беттің біраз бөлігі құрғақ дақтармен жабылады. Сұйықтыққа қарағанда будың жылу өткізгіштігі аз болғандықтан, буланудың жылдамдығы мен жылу бергіштігі (q мен ) күрт азайып, кризистік қайнау басталады. Қыздырылған бет жұқа бу қабыршағымен түгел қапталғанда үшінші – қабыршақты қайнау кезеңіне өтеді. Бұл кезде жылу қатты қызған беттен сұйықтыққа осы бу қабыршағы арқылы (жылу өткізгіштік және сәуле шығару жолымен) беріледі. қайнау бір кезеңнен екінші кезеңге ауысқандағы, q-дің өзгеру сипаты суретте көрсетілген. Қайнаудың осы үш кезеңін де кері бағытта байқауға болады; мысалы, қатты қызған металл шомбал денені суға салып шынықтыру кезінде: алдымен су қайнайды, бұл кезде дене баяу суынады (қабыршақты қайнау), онан кейін суыну жылдамдығы арта бастайды (ауыспалы қайнау) да, соңғы суыну сатысында көпіршікті қайнау ең үлкен мәніне жетеді. Көпіршікті қайнау кезінде жылу бөліп алу, суытудың ең тиімді тәсілі болып саналады. Бұл тәсіл атомдық реакторлар мен реактивтік қозғалтқыштарды салқындатуда қолданылады. Қайнау процестері химиялық технологияда, тамақ өнеркәсібінде, сұйытылған газдарды өндіруде, электрондық құралдардың тетіктерін салқындатуда, т.б. ғылым мен өнеркәсіп салаларында кеңінен пайдаланылады.