От чего зависит кипение воды. Кипит вода
Вода кипит при +100 °С
25 Дек 2011
Обычная вода закипает при 100 °С — в справедливости этого утверждения мы не сомневаемся, а градусник легко это подтверждает. Однако есть люди, которые могут скептически улыбнуться, так как знают — вода не всегда и не везде кипит ровно при + 100 °С. А разве такое возможно? Да, возможно, но только при определенных условиях.Сразу нужно сказать, что вода может закипать при температурах как ниже, так и выше +100 °С. Так что не стоит удивляться выражению «Вода вскипела при + 73 °С» или «Кипение воды началось при +130 °С» — обе эти ситуации не просто возможны, но и относительно легко осуществимы.Но, чтобы понять, как достичь только что описанных эффектов, необходимо разобраться в механизме кипения воды и любых других жидкостей. При нагреве жидкости у дна и на стенках сосуда начинают образовываться пузырьки, наполненные паром и воздухом. Однако температура окружающей воды слишком мала, отчего пар в пузырьках конденсируется и сжимается, а под давлением воды эти пузырьки лопаются. Данный процесс происходит до тех пор, пока весь объем жидкости не прогреется до температуры кипения — в этот момент давление пара и воздуха внутри пузырей сравнивается с давлением воды. Такие пузырьки уже способны подняться к поверхности жидкости, выпустив там пар в атмосферу — это и есть кипение. Во время кипения температура жидкости больше не поднимается, так как наступает термодинамическое равновесие: сколько тепла потрачено на нагрев, столько же тепла и отводится паром с поверхности жидкости.
Ключевой момент в закипании воды и любой другой жидкости — равенство давления пара в пузырях и давления воды в сосуде. Из этого правила можно сделать простой вывод — жидкость может закипать при совершенно разных температурах, а добиться этого можно изменением давления жидкости. Как известно, давление в жидкостях складывается из двух составляющих — ее собственного веса и давления воздуха над ней. Получается, что снизить или повысить температуру кипения воды можно изменением атмосферного давления либо давления внутри сосуда с подогреваемой жидкостью.
В действительности так и происходит. Например, в горах кипяток вовсе не так горяч, как на равнинах, — на высоте 3 км, где давление воздуха падает до 0,7 атмосферы, вода закипает уже при +89,5 °С. А на Эвересте (высота — 8,8 км, давление — 0,3 атмосферы) вода закипает при температуре чуть больше +68 °С. Да, приготовление пищи при таких температурах — дело весьма трудное, и если бы не специальные средства, то на таких высотах это было бы и вовсе невозможно.
Чтобы повысить температуру кипения, необходимо поднять давление атмосферы или хотя бы плотно закрыть сосуд с водой. Этот эффект используется в так называемых скороварках — плотно закрытая крышка не дает выходить пару, из-за чего давление в ней повышается, а значит, растет и температура кипения. В частности, при давлении в 2 атмосферы вода закипает только при +120 °С. А в паровых турбинах, где поддерживается давление в десятки атмосфер, вода не закипает и при +300-400 °С!
Однако существует еще одна возможность нагрева воды до больших температур без кипения. Замечено, что образование первых пузырьков начинается на шероховатостях сосуда, а также вокруг более или менее крупных частиц присутствующих в жидкости загрязнителей. Поэтому если нагревать абсолютно чистую жидкость в идеально отполированном сосуде, то при нормальном атмосферном давлении можно заставить эту жидкость не вскипать при очень высоких температурах. Образуется так называемая перегретая жидкость, отличающаяся крайней нестабильностью — достаточно минимального толчка или попадания пылинки, чтобы жидкость мгновенно вскипела (а на деле — буквально взорвалась) сразу во всем объеме.
Обычную воду при некоторых усилиях можно нагреть до +130 °С и она не вскипит. Для получения больших температур уже необходимо применение особого оборудования, но предел наступает при +300 °С — перегретая вода при такой температуре может существовать доли секунды, после чего происходит взрывоподобное вскипание.
Интересно, что перегретую жидкость можно получить и иным способом — подогреть ее до относительно низких температур (чуть ниже +100 °С) и резко понизить давление в сосуде (например, поршнем). В этом случае также образуется перегретая жидкость, способная вскипеть при минимальном воздействии. Данный метод используется в пузырьковых камерах, регистрирующих заряженные элементарные частицы. При пролете сквозь перегретую жидкость частица вызывает ее локальное вскипание, а внешне это отображается как возникновение трека (следа, тонкой черточки) из микроскопических пузырьков. Однако в пузырьковых камерах применяется отнюдь не вода, а различные сжиженные газы.
Итак, вода далеко не всегда закипает при +100 °С — все зависит от давления внешней среды или внутри сосуда. Поэтому в горах без специальных средств нельзя получить «нормальный» кипяток, а в котлах тепловых электростанций вода не кипит даже при+300 °С.
interesnik.com
Температура кипения воды: этапы закипания жидкости
Кипение — это быстрое испарение жидкости, происходящее, когда жидкость нагревается до определенной температурной точки. При температуре кипения давление паров жидкости равно давлению, оказываемому на жидкость окружающей атмосферой. Чем выше давление, тем выше температура кипения.
Кипячение воды используется как способ ее обеззараживания. Чувствительность различных микроорганизмов к теплу изменяется, но если вода удерживается при 70° C (158° F) в течение десяти минут, многие организмы погибают, но некоторые из них более устойчивы к теплу и требуют одной минуты при температуре кипения воды.
Также кипячение применяется для приготовлении пищи. Продукты, пригодные для варки, включают в себя:
- овощи;
- крахмалистые продукты, такие как рис;
- макаронные изделия;
- яйца;
- мясо и т. д.
Температура закипания воды
Существует два основных типа кипения воды: первоначальное, когда образуются небольшие пузырьки пара в отдельных точках, и критический тепловой поток, где кипящая поверхность нагревается выше некоторой критической температуры, и на поверхности образуется пленка пара. Переходное кипение является промежуточной, неустойчивой формой с элементами обоих типов.
Температура кипящей воды обычно считается равной 100° C или 212° F при давлении 1 атмосферы (уровень моря). Однако, это значение не является константой. Многое зависит от атмосферного давления, которое изменяется в зависимости от высоты. Также на точку вскипания влияют такой фактор, как изменение состава воды.
Например, в городе Денвере, штат Колорадо, США, который находится на высоте около одной мили над уровнем моря, вода кипит приблизительно при 95° C или 203° F. Аналогичным образом, увеличение давления, как в скороварке, повышает температуру содержимого выше точки вскипания под открытым небом.
Добавление водорастворимого вещества, такого как соль или сахар также увеличивает градус закипания. При приемлемых концентрациях эффект очень мал и отличие трудно заметить. Однако, добавив достаточное количество соли или сахара, можно заметить повышение температуры кипячения. Из-за изменений в составе и давлении точка кипения почти никогда не составляет точно 100° C.
Стадии кипячения воды
Выделяется три стадии:
- Первоначальное кипение. Кинетирование жидкости характеризуется ростом количества пузырьков на нагретой поверхности, поднимающихся из дискретных точек, температура которых лишь немного выше жидкостной. Неправильная поверхность емкости может создавать дополнительные места зарождения пузырьков, в то время как исключительно гладкая поверхность, такая как пластик, поддается перегреву. В этих условиях нагретая вода может показывать задержку кипения и температура несколько превышает температуру кипения без образования пузырьков.
- Критический тепловой поток. Когда температура поднимается выше критической, на поверхности образуется пар. Поскольку эта паровая пленка гораздо менее способна переносить тепло от поверхности, температура быстро возрастает, жидкость переходит в режим кипения. Точка, в которой это происходит, зависит от характеристик кипящей воды и рассматриваемой поверхности нагрева.
- Переходное состояние. Переходное состояние можно определить как нестабильное кипение, которое происходит на поверхности. Образование пузырьков в нагретой воде представляет собой сложный физический процесс, который часто включает кавитационные и акустические эффекты, такие как шипение широкого спектра, слышимое в чайнике или другой емкости, еще не нагретой до того момента, когда появятся пузырьки.
Если поверхностное нагревание жидкости значительно сильнее, чем внутри нее, тогда тонкий слой пара, который имеет низкую теплопроводность, изолирует поверхность. Это состояние паровой пленки, изолирующей поверхность от жидкости, характеризует кипение пленки.
Использование кипячения как метода
Как метод дезинфекции воды, кипячение ее при 100° C (212° F), является самым старым и наиболее эффективным способом, поскольку оно не влияет на вкус, эффективно, несмотря на наличие загрязнений или частиц, присутствующих в нем, и представляет собой одноступенчатый процесс, который устраняет большинство микробов. Рекомендуется только в качестве метода экстренной помощи или для получения питьевой воды в пустыне или в сельской местности, поскольку кипячение не может удалить химические токсины или примеси.
Кипячение также часто используется для удаления излишней соли из определенных продуктов, таких как бекон.
Контраст с испарением
При любой заданной температуре все молекулы в жидкости не имеют одинаковой кинетической энергии. Некоторые частицы на поверхности жидкости могут иметь достаточную энергию для выхода из межмолекулярных связей и стать газом. Это называется испарением.
Испарение происходит только на поверхности, а кипячение происходит по всей жидкости. Когда жидкость достигает своей точки кипения, в ней образуются пузырьки газа, которые поднимаются на поверхность и вырываются из нее в воздушное пространство.
Видео
Интересный эксперимент с водой вы можете увидеть в этом видео.
liveposts.ru
От чего зависит кипение воды
Чтобы приготовить различные вкусные блюда, часто необходима вода, и, если ее нагревать, то она рано или поздно закипит. Каждый образованный человек при этом знает, что вода начинает кипеть при температуре, равной ста градусам Цельсия, и при дальнейшем нагревании ее температура не меняется. Именно это свойство воды используется в кулинарии. Однако далеко не всем известно, что это бывает не всегда так. Вода может закипать при разной температуре в зависимости от условий, в которых она находится. Давайте попробуем разобраться, от чего зависит температура кипения воды, и как это нужно использовать.
При нагревании температура воды приближается к температуре кипения, и по всему объему образуются многочисленные пузырьки, внутри которых находится водяной пар. Плотность пара меньше, чем плотность воды, поэтому сила Архимеда, действующая на пузырьки, поднимает их на поверхность. При этом объем пузырьков то увеличивается, то уменьшается, поэтому закипающая вода издает характерные звуки. Достигая поверхности, пузырьки с водяным паром лопаются, по этой причине кипящая вода интенсивно булькает, выпуская водяной пар.
Температура кипения в явном виде зависит от давления, оказываемого на поверхность воды, что объясняется зависимостью давления насыщенного пара, находящегося в пузырьках, от температуры. При этом количество пара внутри пузырьков, а вместе с этим и их объем, увеличиваются до тех пор, пока давление насыщенного пара не будет превосходить давление воды. Это давление складывается из гидростатического давления воды, обусловленного гравитационным притяжением к Земле, и внешнего атмосферного давления. Поэтому температура кипения воды увеличивается при возрастании атмосферного давления и уменьшается при его уменьшении. Только в случае нормального атмосферного давления 760 мм.рт.ст. (1 атм.) вода кипит при 1000С. График зависимости температуры кипения воды от атмосферного давления представлен ниже:
Из графика видно, что если увеличить атмосферное давление до 1,45 атм, то вода будет кипеть уже при 1100С. При давлении воздуха 2,0 атм. вода закипит при 1200С и так далее. Увеличение температуры кипения воды может быть использовано для ускорения и улучшения процесса приготовления горячих блюд. Для этого изобрели скороварки – кастрюли с особой герметично закрывающейся крышкой, снабженные специальными клапанами для регулирования температуры кипения. Из-за герметичности давление в них повышается до 2-3 атм., что обеспечивает температуру кипения воды 120-1300С. Однако при этом нужно помнить, что использование скороварок сопряжено с опасностью: пар, выходящий из них, имеет большое давление и высокую температуру. Поэтому нужно быть максимально осторожными, чтобы не получить ожог.
Обратный эффект наблюдается, если атмосферное давление понижается. В этом случае температура кипения тоже уменьшается, что и происходит при увеличении высоты над уровнем моря:
|
0 |
300 |
1000 |
2000 |
3000 |
4000 |
6000 |
8000 |
|
101325,69 |
98066,50 |
88259,85 |
78453,20 |
68646,55 |
58839,90 |
49033,25 |
39226,60 |
|
100,0 |
99,09 |
96,18 |
92,99 |
89,45 |
85,45 |
80,86 |
75,42 |
В среднем, при подъеме на 300 м температура кипения воды уменьшается на 10С и достаточно высоко в горах опускается до 800С, что может привести к некоторым трудностям в приготовлении еды.
Если же дальше уменьшать давление, например, откачивая воздух из сосуда с водой, то при давлении воздуха 0,03 атм. вода будет кипеть уже при комнатной температуре, и это достаточно необычно, так как привычная температура кипения воды – 1000С.
Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы
life.mosmetod.ru
