Процесс кипения. Что вы знаете о температуре кипения воды? При каком условии температура кипения воды увеличивается

Если вас спросят, при какой температуре закипает вода, вы скорее всего ответите, что при 100 °C. И ваш ответ будет правильным, но это значение верно только при обычном атмосферном давлении – 760 мм рт. ст. На самом деле вода может закипать и при 80 °C, и при 130 °C. Чтобы объяснить причину таких расхождений, прежде всего нужно выяснить, что такое кипение.

Разобраться, сколько нужно градусов, чтобы вода закипела, поможет изучение механизма этого физического явления. Кипение представляет собой процесс преобразования жидкости в пар и проходит в несколько этапов:

1. При нагревании жидкости из микротрещин в стенках сосуда выходят пузырьки с воздухом и водяным паром.
2. Пузыри немного расширяются, но жидкость в сосуде настолько холодна, что это приводит к конденсации пара в пузырях.
3. Пузырьки начинают лопаться до тех пор, пока вся толща жидкости не станет достаточно горячей.
4. Через некоторое время происходит уравнивание давления воды и пара в пузырях. На этом этапе отдельные пузырьки могут подниматься на поверхность и выпускать пар.
5. Пузырьки начинают интенсивно подниматься, начинается бурление с характерным звуком. Начиная с этого этапа, температура в сосуде не меняется.
6. Процесс кипения будет продолжаться до тех пор, пока вся жидкость не перейдет в газообразное состояние.

Температура пара

Температура пара при кипении воды такая же, как и самой воды. Это значение не будет меняться до тех пор, пока не испарится вся жидкость в сосуде. В процессе кипения образуется влажный пар. Он насыщен жидкими частицами, равномерно распределенными по всему объему газа. Далее высокодисперсные частицы жидкости конденсируются, а насыщенный пар превращается в сухой.

Также существует перегретый пар, который намного горячее, чем кипяток. Но его можно получить только с помощью специальной аппаратуры.

Влияние давления

Мы уже выяснили, что для закипания жидкости необходимо уравнивание давления жидкого вещества и пара. Так как давление воды складывается из атмосферного давления и давления самой жидкости, изменить время закипания можно двумя способами:

• изменением атмосферного давления;
• изменением давления в самом сосуде.

Первый случай мы можем наблюдать на территориях, расположенных на разной высоте над уровнем моря. На побережьях температура закипания будет составлять 100 °C, а на вершине Эвереста – всего 68 °C. Исследователи рассчитали, что при подъеме в горы каждые 300 метров температура закипания воды снижается на 1 °C.

Данные значения могут меняться в зависимости от химического состава воды и наличия примесей (солей, ионов металлов, растворимых газов).

Для получения кипятка чаще всего используют чайники. Температура кипения воды в чайнике также зависит от района проживания. Жителям горной местности рекомендуется использовать автоклавы и скороварки, которые помогают сделать кипяток более горячим и ускорить процесс приготовления пищи.

Кипение соленой воды

То, при скольких градусах закипает вода, определяет и наличие в ней примесей. В составе морской воды присутствуют ионы натрия и хлора. Они располагаются между молекулами H2O и притягивают их. Этот процесс известен как гидратация.

Связь между водой и ионами соли намного сильнее, чем между молекулами воды. Для закипания соленой воды требуется больше энергии, чтобы можно было разорвать эти связи. Этой энергией является температура.

Также соленая жидкость отличается от пресной низкой концентрацией молекул H2O. В этом случае при нагревании они начинают быстрее двигаться, но не могут образовать достаточно большой пузырь пара, так как реже сталкиваются. Давления маленьких пузырьков недостаточно для их выхода на поверхность.

Для уравнивания водного и атмосферного давления нужно увеличить температуру. Поэтому соленой воде для закипания требуется намного больше времени, чем пресной, а температура кипения будет зависеть от концентрации соли. Известно, что при добавлении 60 г NaCl в 1 л жидкости температура закипания возрастает на 10 °C.

Как изменить температуру кипения

В горной местности очень тяжело приготовить пищу, на это уходит слишком много времени. Причина – недостаточно горячий кипяток. На очень больших высотах почти невозможно сварить яйцо, что уж говорить о приготовлении мяса, которое нуждается в хорошей термической обработке.

Изменение температуры, при которой закипает жидкость, важна для жителей не только горных районов.

Для стерилизации продуктов и оборудования желательно использовать более высокую температуру, чем 100 °C, так как некоторые микроорганизмы являются термостойкими.

Это важная информация не только для домохозяек, но и для специалистов, работающих в лабораториях. Также увеличение температуры кипения может заметно сэкономить время, уходящее на приготовление пищи, что немаловажно в наше время.

Чтобы увеличить этот показатель, нужно использовать плотно закрывающуюся емкость. Лучше всего для этого подойдут скороварки, в которых крышка не пропускает пар, увеличивая давление внутри сосуда. Во время нагревания выделяется пар, но, так как он не может выйти наружу, происходит его конденсация на внутренней стороне крышки. Это приводит к существенному увеличению внутреннего давления. В автоклавах давление составляет 1–2 атмосферы, поэтому жидкость в них закипает при температуре 120–130 °C.

Максимальная температура кипения воды до сих пор остается неизвестной, так как этот показатель может увеличиваться до тех пор, пока увеличивается атмосферное давление. Известно, что в паровых турбинах вода не может закипеть даже при 400 °C и давлении в несколько десятков атмосфер. Такие же данные получили на больших глубинах океана.

Кипение воды при пониженном давлении: Видео

Кипячение воды требуется для самых разных целей, и умение вскипятить воду просто необходимо в повседневной (и не только) жизни. Готовите ли вы обед? Вам пригодятся знания о том, как соль влияет на кипение воды и как приготовить яйца пашот. Взбираетесь ли вы на вершину горы? Вас наверняка заинтересует, почему в горах пища варится так долго, и как сделать воду из повстречавшейся вам речки безопасной для питья. Прочитав эту статью, вы узнаете об этих и многих других любопытных вещах.

Шаги

Кипячение воды при приготовлении пищи

Возьмите кастрюлю с крышкой. Крышка будет удерживать тепло внутри кастрюли, и вода закипит быстрее. В большой кастрюле вода закипает медленнее, однако форма кастрюли не играет заметной роли.

Налейте в кастрюлю холодную воду из-под крана. Горячая вода из крана может впитать в себя свинец из водопроводных труб, поэтому ее лучше не использовать для питься и приготовления пищи. Итак, наберите в кастрюлю холодной воды. Не заполняйте кастрюлю доверху, чтобы вода не выплескивалась при кипении, и не забудьте оставить место для продуктов, которые вы собираетесь варить в кастрюле.

Добавьте соли для вкуса (необязательно). Соль почти не влияет на температуру кипения, даже если вы насыплете ее столько, что вода превратится в морскую! Добавьте немного соли, чтобы придать вкус пище – например, макароны при варке впитывают соль вместе с водой.

Поместите кастрюлю на сильный огонь. Поставьте кастрюлю с водой на плиту и включите под ней сильный огонь. Накройте кастрюлю крышкой, что немного ускорит закипание воды.

Различайте стадии кипения. Для приготовления большинства блюд требуется слабо либо бурно кипящая вода. Научитесь распознавать эти стадии кипения, а также несколько других признаков, позволяющих судить о температуре воды:

• Подрагивание: на дне кастрюли образуются мелкие пузырьки газа, которые, однако, не поднимаются к поверхности. Поверхность воды слегка дрожит. Это происходит при температуре 60–75ºC (140–170ºF), подходящей для приготовления яиц пашот , фруктов и рыбы .
• Закипание: к поверхности воды поднимается несколько струек пузырьков воздуха, но в основной массе вода остается спокойной. При этом температура воды составляет около 75–90ºC (170–195ºF), что хорошо для приготовления рагу или тушеного мяса.
• Медленное кипение: к поверхности воды по всей площади кастрюли поднимается большое количество мелких и средних пузырьков. Температура воды при этом составляет 90–100ºC (195–212ºF), что подходит для приготовления овощей на пару или горячего шоколада , в зависимости от вашего настроения и самочувствия.
• Полное, бурное кипение: выделяется пар, вода бурлит, и бурление не прекращается при помешивании. При этом температура воды максимальна и составляет 100ºC (212ºF). В такой воде хорошо варить макароны .

1. Положите в воду продукты. Если вы собираетесь варить какие-либо продукты, поместите их в воду. Будучи холодными, они понизят температуру воды, и она, возможно, перестанет кипеть. Это в порядке вещей: просто сделайте под кастрюлей большой или средний огонь и дождитесь, пока вода вновь разогреется до нужной температуры.

   Убавьте огонь. Сильный огонь необходим для того, чтобы быстрее довести воду до кипения. Когда вода закипит, убавьте огонь до среднего (для сильного кипения) или слабого (для медленного кипения). После того, как вода дойдет до последней стадии кипения, сильный огонь не нужен, поскольку он лишь сделает кипение более бурным.

   • Понаблюдайте за кастрюлей в течение нескольких минут, удостоверившись, что вода кипит так, как вам нужно.
   • Если вы варите суп или другое блюдо, требующее длительной готовки, приоткройте кастрюлю, слегка сдвинув крышку набок. В плотно закрытой кастрюле температура будет чуть выше, чем требуется для приготовления этих блюд.

   Очистка воды для питья

   Вскипятите воду, чтобы уничтожить содержащиеся в ней бактерии и другие болезнетворные организмы. При кипячении воды в ней погибают практически все микроорганизмы. Однако кипячение не избавит воду от химического загрязнения.

   • Если вода мутная, отфильтруйте ее , удалив частички грязи.

2. Доведите воду до бурного кипения. Микроорганизмы погибают из-за высокой температуры, а не от кипения. Однако без термометра сложно определить температуру воды, пока она не закипит. Дождитесь, чтобы вода бурлила и выделяла пар. При этом все опасные микроорганизмы погибнут.

   Прокипятите воду в течение 1–3 минут (необязательно). Для большей уверенности дайте воде покипеть 1 минуту (не спеша посчитайте до 60). Если же вы находитесь на высоте более 2.000 метров (6.500 футов) над уровнем моря, покипятите воду в течение 3 минут (медленно посчитайте до 180).

   • С высотой температура кипения воды уменьшается. При более низкой температуре для уничтожения микроорганизмов потребуется больше времени.

3. Охладите воду и залейте ее в закрывающуюся емкость. Кипяченая вода пригодна для питья и после охлаждения. Держите ее в чистой закрытой емкости.

   Путешествуя, носите с собой компактное устройство для кипячения воды. Если у вас есть доступ к источникам электроэнергии, запаситесь кипятильником. В противном случае берите с собой походную печку либо чайник, а также топливо для разогрева или батарейки.

   При отсутствии других вариантов поставьте пластиковую емкость с водой на солнце. Если вы лишены возможности вскипятить воду, залейте ее в чистый пластиковый контейнер. Поставьте контейнер с водой под прямой солнечный свет по крайней мере на шесть часов. Таким образом вы уничтожите вредные бактерии, однако этот способ менее надежен, чем кипячение.

   Кипячение воды в микроволновой печи

   Налейте воду в чашку или миску для микроволновки. Если у вас нет под рукой посуды, специально предназначенной для микроволновой печи, возьмите стеклянную или керамическую емкость, не содержащую металлической краски. Для проверки поместите пустую емкость в микроволновую печь, поставив рядом с ней керамическую чашку с водой. Включите печь на одну минуту. Если после этого емкость разогреется, она не подходит для микроволновой печи.

   Поместите в воду какой-либо предмет, безопасный для использования в микроволновой печи. Это также облегчит парообразование. Используйте деревянную ложку, палочку для еды или мороженого. Если вам не нужна чистая вода без примесей, можете добавить в нее ложку соли или сахара.

   • Не используйте пластиковые емкости с гладкой внутренней поверхностью – это затруднит парообразование.

4. Поставьте емкость с водой в микроволновку. В большинстве микроволновых печей края вращающегося подноса разогреваются быстрее, чем его середина.

5. Нагревайте воду короткими интервалами, периодически помешивая. В целях безопасности выясните время, рекомендуемое для нагрева воды, заглянув в руководство по эксплуатации вашей микроволновой печи. Если у вас нет инструкции к печи, попробуйте нагревать воду 1-минутными интервалами. После каждой минуты осторожно перемешивайте воду и вынимайте из печи, проверяя ее температуру. Если емкость очень горячая, и вода выделяет пар, она готова.

   • Если вода остается холодной после нескольких минут разогрева, увеличьте интервал до полутора-двух минут. Время нагрева зависит от мощности микроволновой печи и количества воды.
   • Не старайтесь достичь стадии "бурного кипения" в микроволновке. Хотя вода и разогреется до необходимой температуры, процесс кипения будет менее выраженным.

Кипение - процесс изменения агрегатного состояния вещества. Когда мы говорим о воде, то имеем в виду изменение жидкого состояния в парообразное. Важно отметить, что кипение - это не испарение, которое может протекать даже при комнатной температуре. Также не стоит путать с кипячением, что является процессом нагревания воды до определенной температуры. Теперь, когда мы разобрались с понятиями, можно определить, при какой температуре кипит вода.

Процесс

Сам процесс преобразования агрегатного состояния из жидкого в газообразное является сложным. И хотя люди этого не видят, существует 4 стадии:

1. На первой стадии на дне нагреваемой емкости образуются небольшие пузырьки. Также их можно заметить по бокам или на поверхности воды. Они образуются из-за расширения воздушных пузырьков, которые всегда есть в трещинах емкости, где нагревается вода.
2. На второй стадии объем пузырьков увеличивается. Все они начинают рваться к поверхности, так как внутри них находится насыщенный пар, который легче воды. При повышении температуры нагрева давление пузырьков возрастает, и они выталкиваются на поверхность благодаря известной силе Архимеда. При этом можно слышать характерный звук кипения, который образуется из-за постоянного расширения и уменьшения в размере пузырьков.
3. На третьей стадии на поверхности можно видеть большое количество пузырьков. Это вначале создает помутнение воды. Данный процесс в народе называют "кипением белым ключом", и длится он короткий промежуток времени.
4. На четвертой стадии вода интенсивно бурлит, на поверхности возникают большие лопающиеся пузыри, возможно появление брызг. Чаще всего брызги означают, что жидкость нагрелась до максимальной температуры. Из воды начнет исходить пар.

Известно, что вода кипит при температуре 100 градусов, которая возможна лишь на четвертой стадии.

Температура пара

Пар представляет собой одно из состояний воды. Когда он поступает в воздух, то, как и другие газы, оказывает на него определенное давление. При парообразовании температура пара и воды остаются постоянными до тех пор, пока вся жидкость не изменит свое агрегатное состояние. Это явление можно объяснить тем, что при кипении вся энергия расходуется на преобразование воды в пар.

В самом начале закипания образуется влажный насыщенный пар, который после испарения всей жидкости становится сухим. Если его температура начинает превышать температуру воды, то такой пар является перегретым, и по своим характеристикам он будет ближе к газу.

Кипение соленой воды

Достаточно интересно знать, при какой температура кипит вода с повышенным содержанием соли. Известно, что она должна быть выше из-за содержания в составе ионов Na+ и Cl-, которые между молекулами воды занимают область. Этим химический состав воды с солью отличается от обычной пресной жидкости.

Дело в том, что в соленой воде имеет место реакция гидратации - процесс присоединения молекул воды к ионам соли. Связь между молекулами пресной воды слабее тех, которые образуются при гидратации, поэтому закипание жидкости с растворенной солью будет происходить дольше. По мере роста температуры молекулы в воде с содержанием соли двигаются быстрее, но их становится меньше, из-за чего столкновения между ними осуществляются реже. В результате пара образуется меньше, и его давление из-за этого ниже, чем напор пара пресной воды. Следовательно, для полноценного парообразования потребуется больше энергии (температуры). В среднем для закипания одного литра воды с содержанием 60 граммов соли необходимо поднять градус кипения воды на 10% (то есть на 10 С).

Зависимости кипения от давления

Известно, что в горах вне зависимости от химического состава воды температура кипения будет ниже. Это происходит из-за того, что атмосферное давление на высоте ниже. Нормальным принято считать давление со значением 101.325 кПа. При нем температура закипания воды составляет 100 градусов по Цельсию. Но если подняться на гору, где давление составляет в среднем 40 кПа, то там вода закипит при 75.88 С. Но это не значит, что для приготовления еды в горах придется потратить почти вдвое меньше времени. Для термической обработки продуктов нужна определенная температура.

Считается, что на высоте 500 метров над уровнем моря вода будет закипать при 98.3 С, а на высоте 3000 метров температура закипания составит 90 С.

Отметим, что данный закон действует и в обратном направлении. Если поместить жидкость в замкнутую колбу, через которую не может проходить пар, то с ростом температуры и образованием пара давление в этой колбе будет расти, и закипание при повышенном давлении произойдет при более высокой температуре. Например, при давлении 490.3 кПа температура кипения воды составит 151 С.

Кипение дистиллированной воды

Дистиллированной называется очищенная вода без содержания каких-либо примесей. Ее часто применяют в медицинских или технических целях. С учетом того, что в такой воде нет никаких примесей, ее не используют для приготовления пищи. Интересно заметить, что закипает дистиллированная вода быстрее обычной пресной, однако температура кипения остается такой же - 100 градусов. Впрочем, разница по времени закипания будет минимальной - всего доли секунды.

В чайнике

Часто люди интересуются, при какой температуре кипит вода в чайнике, так как именно этими приборами они пользуются для кипячения жидкости. С учетом того, что атмосферное давление в квартире равно стандартному, а используемая вода не содержит солей и других примесей, которых там не должно быть, то и температура закипания также будет стандартной - 100 градусов. Но если вода будет содержать соль, то температура закипания, как мы уже знаем, будет выше.

Заключение

Теперь вы знаете, при какой температуре кипит вода, и как атмосферное давление и состав жидкости влияют на данный процесс. В этом нет ничего сложного, и подобную информацию дети получают еще в школе. Главное - запомнить, что со снижением давления понижается и температура кипения жидкости, а с его ростом увеличивается и она.

В интернете можно найти множество разных таблиц, где указывается зависимость температуры кипения жидкости от атмосферного давления. Они доступны всем и активно используются школьниками, студентами и даже преподавателями в институтах.

Кипение- это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

Испарение, в отличие от кипения, очень медленный процесс и происходит при любой температуре вне зависимости от давления.

При нагревании жидких тел их внутренняя энергия увеличивается, при этом возрастает скорость движения молекул, увеличивается их кинетическая энергия. Кинетическая энергия некоторых молекул увеличивается настолько, что ее становится достаточно для того, чтобы преодолеть взаимодействие между молекулами и вылететь из жидкости.

Мы пронаблюдали это явление на опыте. Для этого мы нагревали воду в открытой стеклянной колбе, измеряя ее температуру. Мы налили 100 мл воды в стеклянную колбу, которую затем закрепили на держатель и поставили на спиртовку. Начальная температура воды была равна 28 º С.

Время Температура Процесс в колбе

2 минуты 50° На стенках колбы появилось много мелких пузырьков

2мин. 45 сек 62° Пузырьки начали укрупняться. Появился шум

4минуты 84° Пузырьки становятся более крупными, поднимаются к поверхности.

6 мин 05 сек 100° Объем пузырьков резко увеличился, они активно лопаются на поверхности. Вода кипит.

Таблица № 1

По результатам проведенных наблюдений мы можем выделить этапы кипения.

Этапы кипения:

Испарение с поверхности жидкости усиливается по мере увеличения температуры. Иногда может наблюдаться туман (сам пар не виден).

На дне и стенках сосуда появляются пузырьки воздуха.

Сначала нагревается сосуд, а затем жидкость на дне и у стенок. Так как в воде всегда есть растворенный воздух, то при нагревании пузырьки воздуха расширяются и становятся видимыми.

Пузырьки воздуха начинают укрупняться, появляются по всему объему, причем в пузырьках будет не только воздух, но я водяной пар, так как вода начнет испаряться внутрь этих пузырьков воздуха. Появляется характерный шум.

При достаточно большом объеме пузырька он под действием Архимедовой силы начинает подниматься вверх. Так как жидкость прогревается способом конвекции, то температура нижних слоев больше температуры верхних слоев воды. Поэтому в поднимающемся пузырьке водяной пар будет конденсироваться, а объем пузырька уменьшаться. Соответственно давление внутри пузырька будет меньше, чем давление атмосферы и столба жидкости, оказываемое на пузырек. Пузырек будет захлопываться. Слышен шум.

При определенной температуре, то есть когда в результате конвекции прогреется вся жидкость, с приближением к поверхности объем пузырьков резко возрастает, так как давление внутри пузырька станет равным внешнему давлению (атмосферы и столба жидкости). На поверхности пузырьки лопаются, и над жидкостью образуется много пара. Вода кипит.

Признаки кипения

Много пузырьков лопается Много пара на поверхности.

Условие кипения:

Давление внутри пузырька равно давлению атмосферы плюс давление столба жидкости над пузырьком.

Чтобы довести воду до кипения, недостаточно только нагреть ее до 100º С, надо еще сообщить ей значительный запас тепла для того, чтобы перевести воду в другое агрегатное состояние, а именно в пар.

Вышеизложенное утверждение мы подтвердили опытом.

Мы взяли стеклянную колбу, закрепили на держатель и поместили в стоящую на огне кастрюлю с чистой водой так, чтобы склянка не касалась дна нашей кастрюли. Когда вода в кастрюле закипела, в колбе вода не кипела. Температура воды в колбе дошла,практически, до 100º С, однако не закипела. Этот результат можно было предвидеть.

Вывод: чтобы довести воду до кипения, недостаточно только нагреть ее до 100º С, надо сообщить ей значительный запас тепла.

Но чем же отличается вода в колбе от воды в кастрюле? Ведь в пузырьке та же вода, только отделенная от остальной массы стеклянной перегородкой, почему же не происходит с ней того же, что и с остальной водой?

Потому что перегородка мешает воде пузырька участвовать в тех течениях, которые перемешивают всю воду в кастрюле. Каждая частица воды в кастрюле может непосредственно коснуться накаленного дна, вода же колбы соприкасается только с кипятком.

Итак, мы пронаблюдали, что чистым кипятком вскипятить воду нельзя.

После окончания опыта 2 , мы всыпали в кипящую в кастрюле воду горсть соли. Вода на время перестала кипеть, а закипела вновь при температуре выше 100 ºС. Вскоре и в стеклянной колбе вода начала кипеть.

Вывод: Это произошло потому, что воде в колбе был сообщен достаточный запас тепла для кипения.

На основании вышеизложенного, мы можем четко определить, в чем отличие испарения и кипения:

Испарение – это спокойный, поверхностный процесс, происходящий при любой температуре.

Кипение же – бурный процесс, объемный, сопровождаемый раскрытием пузырьков.

3. Температура кипения

Температура, при которой жидкость кипит называется температурой кипения.

Чтобы испарение происходило во всем объеме жидкости, а не только с поверхности, то есть, чтобы жидкость кипела, необходимо, чтобы ее молекулы обладали соответствующей энергией, а для этого должны иметь соответствующую скорость, значит, жидкость должна быть нагрета до определенной температуры.

Следует помнить, что у различных веществ температура кипения различна. Температуры кипения веществ определены экспериментальным методом и занесены в таблицу.

Наименование вещества Температура кипения ° С

Водород -253

Кислород -183

Молоко 100

Свинец 1740

Железо 2750

Таблица № 2

Некоторые вещества, которые в обычных условиях являются газами, при достаточном охлаждении обращаются в жидкости, кипящие при очень низкой температуре. Жидкий кислород, например, при атмосферном давлении кипит при температуре -183 ºС. Вещества, которые в обычных условиях мы наблюдаем в твердом состоянии, обращаются при плавлении в жидкости, кипящие при очень высокой температуре.

В отличие от испарения, которое происходит при любой температуре, кипение происходит при определенной и постоянной для каждой жидкости температуре. Поэтому, например, при варке пищи нужно уменьшать огонь после того, как вода закипит, это даст экономию топлива, а температура воды все равно сохраняется постоянной во все время кипения.

Мы провели опыт, с целью проверить температуру кипения воды, молока и спирта.

В ходе проведения опыта мы поочередно нагревали до кипения в стеклянной колбе на спиртовке воду, молоко и спирт. При этом мы замеряли температуру жидкости при ее закипании.

Вывод: Вода и молоко кипят при температуре 100 ºС, а спирт – при 78º С.

100ºC время кипения график кипения воды и молока tºC

78ºC время кипения график кипения спирта

Кипение неразрывно связано с теплопроводностью, вследствие которой от поверхности нагрева к жидкости передается теплота. В кипящей жидкости устанавливается определенное распределение температуры. Теплопроводность воды очень мала, что мы подтвердили следующим опытом:

Мы взяли пробирку, наполнили водой, погрузили в нее кусочек льда, а чтобы он не всплыл вверх, придавили его металлической гайкой. При этом вода имела свободный доступ ко льду. Затем мы наклонили пробирку над пламенем спиртовки так, чтобы пламя касалось только верхней части пробирки. Через 2 минуты вода начала сверху кипеть, но на дна пробирки остался лед.

Загадка заключается в том, что на дне пробирки вода вовсе не кипит, а остается холодной, кипит она только вверху. Расширяясь от тепла, вода становится легче и не опускается на дно, а остается в верхней части пробирки. Течения теплой воды и перемешивание слоев будут происходить лишь в верхней части пробирки и не захватят нижних более плотных слоев. Нагревание может передаваться вниз лишь путем теплопроводности, но теплопроводность воды чрезвычайно мала.

На основании изложенного в предыдущих пунктах работы, мы выделяем особенности процесса кипения.

Особенности кипения

1) При кипении энергия затрачивается, а не выделяется.

2) Температура остается постоянной на протяжении всего процесса кипения.

3) У каждого вещества своя температура кипения.

4. От чего зависит температура кипения

При нормальном атмосферном давлении температура кипения постоянна, но с изменением давления на жидкость она меняется. Температура кипения тем выше, чем больше давление, производимое на жидкость и наоборот.

Мы провели несколько опытов, чтобы проверить верность данного утверждения.

Мы взяли колбу с водой, поставили греться на спиртовку. Заранее приготовили пробку с вставленной в нее резиновой грушей. Когда вода в колбе закипела, мы закрыли колбу пробкой с грушей. Затем мы нажали на грушу, при этом кипение к колбе прекратилось. При нажатии на грушу мы увеличили давление к колбе, и условие кипения нарушилось.

Вывод: С увеличением давления температура кипения увеличивается.

Мы взяли колбу с выпуклым дном, наполнили водой и довели воду до кипения. Затем закрыли колбу плотной пробкой и перевернули ее, закрепив в держателе. Дождались пока вода в колбе перестала кипеть и облили колбу кипятком. Никаких изменений к колбе не произошло. Далее, мы положили на дно колбы снег, и вода в колбе сразу закипела.

Это произошло потому, что снег охладил стенки флакона, вследствие этого пар внутри сгустился в водяные капли. А так как воздух из стеклянного флакона был выгнан еще при кипячении, то теперь вода подвержена в нем гораздо меньшему давлению. Но известно, что при уменьшении давления на жидкость, она кипит при температуре более низкой. Следовательно, в нашей колбе хотя и кипяток, но кипяток негорячий.

Вывод: С уменьшением давления температура кипения уменьшается.

Как известно, давление воздуха уменьшается с увеличением высоты над уровнем моря. Следовательно, температура кипения жидкости с увеличением высоты также уменьшается, а, соответственно, с уменьшением – увеличивается.

Так, американские ученые обнаружили на дне Тихого океана, в 400 км к западу от залива Пьюужет- Саунд сверхгорячий источник с температурой воды 400º С. Благодаря большому давлению на воды источника, расположенного на большой глубине, вода в нем даже при такой температуре не кипит.

А в горных районах, на высоте 3000м, где давление атмосферы составляет 70 кПа, вода кипит при 90 º С. Поэтому жителям этих районов, использующим такой кипяток, требуется значительно больше времени для приготовления пищи, чем жителям равнин. А сварить в этом кипятке например, куриное яйцо вообще невозможно, так как белок при температуре ниже 100 ºС не сворачивается.

В романе Жюля Верна «Дети капитана Гранта» путешественники на перевале в Андах обнаружили, что термометр, опущенный в закипевшую воду, показал всего лишь 87º С.

Этот факт подтверждает, что с увеличением высоты над уровнем моря, уменьшается температура кипения, так как уменьшается атмосферное давление.

5. Значение кипения

Кипение имеет огромное практическое значение как в быту, так и в производственных процессах.

Всем известно, что без кипения мы не смогли бы приготовить большинство блюд из рациона нашего питания. Выше, в работе, мы рассмотрели зависимость температуры кипения от давления. Благодаря полученным в этой области знаниям, хозяйки могут сейчас пользоваться скороварками. В скороварке пищу варят под давлением около 200 кПа. Температура кипения воды при этом достигает 120 º С. В воде такой температуры процесс «варения» происходит значительно быстрее, чем в обычном кипятке. Этим и объясняется название «скороварка».

Уменьшение температуры кипения жидкости тоже может иметь полезное значение. Так, например, при нормальном атмосферном давлении жидкий фреон кипит при температуре около 30ºС. При уменьшении же давления, температуру кипения фреона можно сделать ниже 0ºС. Это используется в испарителе холодильника. Благодаря работе компрессора в нем создается пониженное давление, и фреон начинает превращаться в пар, отнимая теплоту от стенок камеры. Благодаря этому и происходит понижение температуры внутри холодильника.

На процессе кипения основана работа таких необходимых в медицине аппаратов, как автоклав (прибор для стерилизации инструментов), дистиллятор (прибор для изготовления дистиллированной воды).

Различие в температурах кипения разных веществ находит широкое применение в технике, например в процессе перегонки нефти. При нагревании нефти до 360ºС та ее часть(мазут), которая имеет большую температуру кипения, остается в ней, а те ее части, у которых температура кипения ниже 360ºС, испаряются. Из образовавшегося пара получают бензин и некоторые другие виды топлива.

Мы перечислили лишь несколько примеров пользы кипения, из которых уже можно сделать выводы о необходимости и значимости этого процесса в нашей жизни.

6. Заключение

В ходе изучения темы кипение в вышеизложенной работе, мы выполнили поставленные в начале работы цели: изучили вопросы о понятии кипения, выделили этапы кипения,с объяснением причин происходящих процессов, определили признаки, условия и особенности кипения.

Температуру кипения необходимо знать, потому что при ее достижении вода превращается в пар, то есть переходит из одного агрегатного состояния в другое.

Мы привыкли к тому, что в кипящей воде можно дезинфицировать посуду, варить продукты, но это не всегда так. В некоторых условиях температура жидкости будет слишком низкой для всего этого.

Суть процесса

Прежде всего надо определиться с понятием кипения. Что это такое? Это процесс, при котором вещество превращается в пар. Причем процесс этот происходит не только на поверхности, но и по всему объему вещества.

При кипении начинают образовываться пузырьки, внутри которых находится воздух и насыщенный пар. Шум закипающего чайника, кастрюли указывает на то, что пузырьки воздуха начали всплывать, затем опускаться и лопаться. Когда емкость хорошо прогреется со всех сторон, шум прекратится, значит, жидкость полностью закипела.

Процесс проходит при определенной температуре и давлении и является с точки зрения физики фазовым переходом первого рода.

Обратите внимание! Испарение может происходить при любой температуре, кипение же – при строго определенной.

В таблицах температура кипения воды или другой жидкости при нормальном атмосферном давлении приводится как одна из основных физических характеристик. Температура кипения (Тк) на самом деле равняется температуре пара, который находится в насыщенном состоянии прямо на границе между водой и воздухом. Сама вода, если быть точным, нагрета чуть-чуть больше.

На процесс кипения также ощутимо влияют:

• наличие в воде примесей газа;
• звуковые волны;
• ионизация.

Есть и другие факторы, заставляющие образовываться пузырьки быстрее или медленнее. Следует также отметить, что у каждых веществ своя Тк. Бытует мнение, что если добавить в воду соль, то она закипит быстрее. Это действительно так, но время изменится совсем немного. Для ощутимых результатов придется добавить очень много соли, что полностью испортит блюдо.

Различные условия

При нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст., или 101 кПа, 1 атм.) вода начинает кипеть, нагревшись до 100 ℃. Это знают все.

Важно! Если внешнее давление увеличивать, то температура кипения тоже возрастет, а если уменьшать, то станет меньше.

Уравнение зависимости температуры кипения воды от давления довольно сложное. Зависимость эта не линейная. Иногда пользуются барометрической формулой для расчета, делая некоторые приближения, и уравнением Клапейрона-Клаузиуса.

Удобнее воспользоваться таблицами из справочников, в которых приведены данные, полученные экспериментальным путем. По ним можно построить график и, проведя экстраполяцию, вычислить требуемое значение.

В горах вода закипит, не успев нагреться до 100 ℃. На самой высокой вершине мира Джомолунгме (Эверест, высота над уровнем моря 8848 м) температура закипания воды равняется приблизительно 69 ℃. Но даже если опуститься немного ниже, то все равно вода будет кипеть не при ста градусах, пока мы не достигнем давления в 101 к Па. На Эльбрусе, который ниже Эвереста, чайник с водой закипит при 82 ℃ – там давление равно 0,5 атм.

Поэтому в горных условиях для приготовления пищи потребуется значительно больше времени, а некоторые продукты вообще не сварятся в воде, их придется готовить другим способом. Иногда неопытные туристы удивляются, почему яйца так долго варятся, а кипяток не обжигает. Все дело в том, что этот кипяток недостаточно нагрет.

В автоклавах и скороварках, наоборот, давление увеличивают. Это заставляет воду кипеть при более высокой температуре. Пища сильнее разогревается, и готовка происходит быстрее. Поэтому скороварки так и назвали. Нагрев до высокой температуры полезен еще и тем, что происходит дезинфекция жидкости, в ней погибают микробы.

Кипение при повышенном давлении

Повышение давления приведет к увеличению Тк воды. При 15 атмосферах кипение начнется только при 200 градусах, при 80 атм. – 300 градусов. В дальнейшем рост температуры будет очень медленным. Максимальное значение стремится к 374,15 ℃, что соответствует 218,4 атмосферам.

Кипение в вакууме

Что будет, если воздух начнет все более и более разряжаться, стремясь к вакууму? Понятно, что температура кипения тоже начнет уменьшаться. И когда же сможет закипеть вода?

Если понизить давление до 10–15 мм рт. ст. (в 50–70 раз), то температура кипения уменьшится до 10–15 ℃. Такой водой можно охладиться.

При дальнейшем снижении давления Тк будет уменьшаться и может достигнуть температуры замерзания. В этом случае в жидком состоянии вода просто не сможет существовать. Она будет переходить изо льда сразу в газ. Это случится примерно при 4,6 мм рт. ст.

Достичь абсолютного вакуума невозможно, но сильно разряженную атмосферу можно получить, если откачивать из сосуда с водой воздух. В результате такого эксперимента можно увидеть, когда именно закипает жидкость.

Давление понижается не только при откачке воздуха. Оно снижается возле быстро вращающегося винта, например, корабельного. В этом случае возле его поверхности тоже начинается кипение. Такой процесс назвали кавитацией. Во многих случаях такое явление нежелательно, но иногда оно приносит пользу. Так, кавитацию используют в биомедицине, промышленности и при очистке поверхностей ультразвуком.