Кипение, переход жидкости в пар, происходящий с образованием в объеме жидкости пузырьков пара или паровых полостей. Пузырьки растут вследствие испарения в них жидкости, всплывают, и содержащийся в пузырьках насыщенный пар переходит в паровую фазу над жидкостью. Кипение начинается, когда при нагреве жидкости давление насыщенного пара над её поверхностью становится равным внешнему давлению. Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, называется температурой кипения (Т_кип). Строго говоря, температура кипения соответствует температуре насыщенного пара (температуре насыщения) над плоской поверхностью кипящей жидкости, так как сама жидкость всегда несколько перегрета относительно Т_кип. При стационарном кипении температура кипящей жидкости не меняется. С ростом давления Т_кип  увеличивается. Предельной температурой кипения является критическая температура вещества. Температура кипения при атмосферном давлении приводится обычно как одна из основных физико-химических характеристик химически чистого вещества.

Для поддержания кипения к жидкости необходимо подводить теплоту, которая расходуется на парообразование и работу пара против внешнего давления при увеличении объёма паровой фазы. Таким образом, кипение неразрывно связано с теплообменом, вследствие которого от поверхности нагрева к жидкости передаётся теплота. Теплообмен при кипении – один из видов конвективного теплообмена.

В кипящей жидкости устанавливается определённое распределение температуры (рисунок 1): у поверхностей нагрева (стенок сосуда, труб и т.п.) жидкость заметно перегрета (Т > Т_кип). Величина перегрева зависит от ряда физико-химических свойств как самой жидкости, так и граничных твёрдых поверхностей. Тщательно очищенные жидкости, лишённые растворённых газов (воздуха), можно при соблюдении особых мер предосторожности перегреть на десятки градусов без закипания. Когда такая перегретая жидкость в конце концов вскипает, то процесс кипения протекает весьма бурно, напоминая взрыв. Вскипание сопровождается расплескиванием жидкости, гидравлическими ударами, иногда даже разрушением сосудов. Теплота перегрева расходуется на парообразование, поэтому жидкость быстро охлаждается до температуры насыщенного пара, с которым она находится в равновесии. Возможность значительного перегрева чистой жидкости без кипения объясняется затрудненностью возникновения начальных маленьких пузырьков (зародышей), их образованию мешает значительное взаимное притяжение молекул жидкости. Иначе обстоит дело, когда жидкость содержит растворенные газы и различные мельчайшие взвешенные частицы. В этом случае уже незначительный перегрев (на десятые доли градуса) вызывает устойчивое и спокойное кипение, так как начальными зародышами паровой фазы служат газовые пузырьки и твердые частицы. Основные центры парообразования находятся в точках нагреваемой поверхности, где имеются мельчайшие поры с адсорбированным газом, а также различные неоднородности, включения и налеты, снижающие молекулярное сцепление жидкости с поверхностью.

Образовавшийся пузырёк растет только в том случае, если давление пара в нём несколько превышает сумму внешнего давления, давления вышележащего слоя жидкости и капиллярного давления, обусловленного кривизной поверхности пузырька. Для создания в пузырьке необходимого давления пар и окружающая его жидкость, находящаяся с паром в тепловом равновесии, должны иметь температуру, превышающую температуру кипения. В повседневной практике (при кипячении воды в чайнике и т.п.) наблюдается именно этот вид кипения, его называют пузырчатым. Пузырчатое кипение происходит при небольшом превышении температуры Т поверхности нагрева над температурой кипения, т. е. при незначительном температурном напоре  ΔТ=Т – Т_кип. С увеличением температуры поверхности нагрева число центров парообразования резко возрастает, все большее количество оторвавшихся пузырьков всплывает в жидкости, вызывая ее интенсивное перемешивание. Это приводит к значительному росту теплового потока от поверхности нагрева к кипящей жидкости (росту коэффициента теплоотдачи a=q/ΔT, где q – плотность теплового потока на поверхности нагрева). Соответственно возрастает и количество образующегося пара.
При достижении максимального (критического) значения теплового потока (qmakc) начинается второй, переходный режим – кипение. При этом режиме большая доля поверхности нагрева покрывается сухими пятнами из-за прогрессирующего слияния пузырьков пара. Теплоотдача и скорость парообразования резко снижаются, т.к. пар обладает меньшей теплопроводностью, чем жидкость, поэтому q и a резко снижаются. Наступает кризис кипения когда вся поверхность нагрева обволакивается тонкой паровой пленкой, возникает третий, пленочный, режим кипение. При этом теплота от раскаленной поверхности передается к жидкости через паровую пленку путем теплопроводности и излучения. Характер изменения q с переходом от одного режима кипение к другому показан на рисунке 2. В том случае, когда жидкость не смачивает стенку (например, ртуть, легированную сталь), кипение происходит только в плёночном режиме. Все три режима кипения можно наблюдать в обратном порядке, когда массивное металлическое тело погружают в воду для его закалки: вода закипает, охлаждение тела идет сначала медленно (пленочное кипение), затем скорость охлаждения начинает быстро увеличиваться (переходное кипение) и достигает наибольших значений в конечной стадии охлаждения (пузырчатое кипение). Теплоотвод в режиме пузырчатого кипения (рисунок 2) является одним из наиболее эффективных способов охлаждения; он находит применение в атомных реакторах и при охлаждении реактивных двигателей. 

Кипение возможно не только при нагревании жидкости в условиях постоянного давления. Снижением внешнего давления при постоянной температуре можно также вызвать перегрев жидкости и её вскипание (за счёт уменьшения температуры насыщения). Этим объясняется, в частности, явление кавитации – образование паровых полостей в местах пониженного давления жидкости (например, в вихревой зоне за гребным винтом теплохода). Кипение при пониженном давлении применяют в холодильной технике, в физическом эксперименте и т.д.

 

Процессы кипения широко применяются в химической технологии, пищевой промышленности, при производстве и разделении сжиженных газов, для охлаждения элементов электронной аппаратуры и т.д. Наиболее широко применяется кипение воды и используется в современных паровых котлах на тепловых электростанциях для получения пара с высокими значениями давления и температуры.Также кипение воды широко используют на АЭС в ядерных реакторах, где образующийся пар в активной зоне реактора приводит в действие генератор.На рисунке 1 изображена схема такого реактора:

 

Насыщенный водяной пар под давлением 12–45 атм при температуре до 300°С вырабатывается в контуре  предназначеном для пердачи тепла в генератор. 

Давление воды в  контуре предназначен для теплоотвода снижается до 70 атм . При таком давлении вода закипает в объеме активной зоны при температуре 280°С.

Примеры  реакторов:

• РБМК (СССР, Россия)

• BWR (Boiled water reactor) (США)

Перегрев водяного пара до температуры 510°С осуществлён в канальных реакторах Белоярской АЭС. В отличие от корпусных  реакторов, основным замедлителем в реакторе Белоярской АЭС служит графит, и кипение воды в каналах не вызывает опасных колебаний мощности.

   На рисунке 1 показана схема работы атомной электростанции, где кипение воды происходит в активной зоне реактора, при этом образующийся пар приводит в действие генератор. Для реактора выбран режим, при котором массовое паросодержание не превышает определённую величину, т.к. при больших значениях массового паросодержания работа реактора может быть неустойчивой. Такая неустойчивость объясняется тем, что пар вытесняет воду из активной зоны, а это увеличивает длину замедления нейтронов L_S .При слишком бурном кипении значение L_S возрастает настолько, что реактор получает отрицательную реактивность и мощность реактора начинает падать.Снижение мощности уменьшает интенсивность кипения, массовое паросодержание, а значит, и длину замедления. В результате такого процесса освобождается реактивность, после чего мощность реактора и интенсивность кипения начинают возрастать. Происходит опасное для конструкции реактора и обслуживающего персонала колебание мощности.При паросодержании ниже допустимого таких опасных колебаний мощности не происходит, реактор саморегулируется, обеспечивая стационарный режим работы. Так, снижение уровня мощности и уменьшение интенсивности кипения освобождает реактивность, обеспечивающую возврат уровня мощности к исходному. Паросодержание воды на выходе из активной зоны зависит от удельной мощности. Поэтому допустимое паросодержание, ниже которого обеспечивается устойчивая работа реактора, ограничивает мощность реактора с заданными размерами активной зоны. При таком ограничении с единицы объема реактора снимается меньшая мощность, чем с единицы объема реактора недостигшего кипения. Это существенный недостаток реакторов.

Выше сказанное справедливо для активной зоны, в которой объем воды-замедлителя избыточен относительно оптимального ее количества, определяемого из отношения объема воды к объему топлива. В этом случае уменьшение количества воды - замедлителя нейтронов в активной зоне из-за кипения приближает соотношение объемов замедлителя и топлива к оптимальному и приводит к увеличению размножающих свойств топлива.

В случае затесненной активной зоны, в которой воды относительно недостает даже в отсутствии кипения, появление кипения будет сопровождаться снижением мощности из-за недостатка замедления нейтронов на воде и ухудшения размножающих свойств такой топливной среды.