Вода, нагретая на уровне моря до 100°С (212°F), начинает кипеть. Это означает, что внутри объема жидкости происходит образование пузырьков водяного пара и подъем их к поверхности. Вода закипает, потому что при данной температуре давление насыщения водяного пара слегка превышает атмосферное давление.
На больших высотах над уровнем моря атмосферное давление существенно уменьшается и вода кипит при более низких температурах. И наоборот, если давление над жидкостью увеличивается, например, когда вода находится ниже уровня моря или в скороварке, кипение происходит при более высокой температуре. Иллюстрация под текстом показывает температуры кипения на различных высотах над уровнем моря.
Фактор тепла и высоты
Ближний график справа показывает взаимосвязь между давлением насыщенного пара и температурой. При высоких температурах давление насыщенного пара быстро растет. Вода закипает, когда давление насыщенного пара начинает слегка превышать атмосферное давление. Именно поэтому при падении атмосферного давления уменьшается и температура кипения. На дальнем графике справа приведена зависимость температуры кипения воды от высоты над уровнем моря. Чем больше высота, тем ниже температура, при которой вода начинает кипеть.
Кинетическая энергия
В процессе перехода воды в газообразное состояние важную роль играет кинетическая энергия (энергия движения) молекул. Когда энергетический уровень высок, многие молекулы испаряются, разрывая связи, удерживающие их в жидком состоянии. При низком давлении (верхний рисунок под текстом) молекулы приобретают достаточно энергии для формирования газовых пузырьков кипения без добавления большого количества тепла. Ближе к уровню моря необходимо больше тепла (красная стрелка на нижнем рисунке под текстом), чтобы парообразование имело место.
Уменьшение времени приготовления пищи
В скороварках, как, например, той, что показана на рисунке справа, создается постоянное повышенное давление. На уровне моря эти герметичные кастрюли увеличивают температуру кипения воды до 121 °С (250°F). Более высокая температура кипения означает, что продукты будут готовиться быстрее, экономя время.
На продольных разрезах вверху показаны механизмы скороварки, предупреждающие чрезмерное повышение давления. Все они - предохранительный клапан (левый рисунок), регулятор давления (средний рисунок) и уплотнение ободка (правый рисунок) - помогают контролировать давление путем выпуска пара в атмосферу.
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.
Процесс кипения – подразумевает в себе переход жидкого вещества в состояние газообразного. Разница между испарением будет в том, что случается это при взаимосвязи с определенными показателями, куда входят не только показатели температуры, но и давления. Быстрота наступления кипения находится целиком во взаимосвязи с молекулами, которые от нагрева начинают чаще сталкиваться друг с другом. Если взять обычные условия, то температурой кипения считается нагревание в 100 градусов Цельсия, но на самом деле это диапазон величин, который зависит, как от непосредственно жидкости, а также давления снаружи и внутри воды. Если обобщить, то этот диапазон имеет величины от 70, на очень высокой горе, до 110, если находится ближе к уровню моря.
Температура пара кипящей воды в чайнике
Пар это и есть жидкость, только ее состояние переходит в газообразный вид. При взаимодействии с воздухом, он, как и прочие газообразные вещества, может воздействовать на него давлением. Во время парообразования, температура пара и жидкости будут постоянны до момента, когда жидкость не окажется испарена. Случается это в связи с тем, что вся сила температуры уходит на образование пара. Такая ситуация способствует образованию сухого насыщенного пара.
Важно знать! Когда кипит жидкость, пар имеет идентичные с ней градусы. Горячее, чем сама жидкость, получится получать пар исключительно с применением специальных приспособлений. Градусы, требуемые для закипания обычной жидкости, имеют величину в 100 градусов Цельсия.
При какой температуре закипает соленая вода
Соленую воду до кипения довести, возможно, только более высокими температурами, нежели в случае с обычной. В составе соленой же имеется набор ионов, которыми заполнены пространственные промежутки водных молекул. Из-за этого происходит гидратация, когда ионы соли соединяются с молекулами жидкости. Так как после гидратации связь молекул становится ощутимо сильней, соответственно процесс парообразования длится дольше.
За счет нагрева, соленая вода постоянно теряет молекулы, соответственно их сталкивание будет значительно реже. Для закипания потребуется больше времени, чем этого потребует пресная вода. Температуру, с которой можно сделать из соленой воды кипяток, в среднем, можно добавить на 10 градусов Цельсия выше, чем у обычной.
Градус закипания дистиллированной воды
Дистиллированный вид представляет собой очищенную жидкость, которая практически не содержит в себе примеси. Как правило, она предназначена для технического, медицинского и исследовательского применения.
Внимание! Употреблять ее в пищу и готовить на ней еду строго не рекомендуется.
Вода делается при помощи специального оборудования-дистиллятора, где пресная вода выпаривается, а пар конденсирует. По окончании дистилляции примеси будут оставаться вне жидкости.
Дистиллированный вид кипит точно также как и пресная с водопроводной — 100 градусах Цельсия. Есть небольшое отличие, что дистиллированная жидкость дойдет до кипения быстрее, однако эта разница совсем незначительна.
Как влияет давление на процесс закипания воды
Давление несет в себе существенную разницу для кипения жидкости. При этом играет роль атмосферное давление и давление внутри воды. К примеру, если поставить на огонь воду, находясь на большой высоте, то для закипания будет достаточно 70 градусов Цельсия. В условиях гор приготовление пищи несет определенные сложности. На это уходит более длительное время, так как кипяток не будет достаточно горячим. К примеру, попытка приготовления вареного яйца закончится неудачей, не говоря уже о вареном мясе, которое требует хорошую термическую обработку.
Важно! Не стоит принимать в пищу что-либо, что не прошло термическую обработку или хорошо не проварено. Особенно если дело касается походов и прочих вылазок на природу. Нужно заранее предусмотреть подобные нюансы и застраховать себя от возможных неожиданностей.
Находясь возле моря, температура кипения всегда будет равна 100 градусам. Подымаясь в горы, на пройденные 300 метров вверх температура для закипания будет снижаться на 1 градус. Поэтому жителям, чьи дома находятся на возвышениях, рекомендуют пользоваться автоклавами для кипячения жидкости, чтобы она получалась более горячей.
Внимание! Данную информацию обязательно должны знать работники медицинских учреждений и лабораторий.
Ведь известно, чтобы стерилизовать продукты и приборы требуется температура от 100 градусов и выше. В противном случае инструмент и прочие приспособления не будут стерильными, что впоследствии может принести массу осложнений.
Известно, что наиболее высокий градус воды все еще не обнаружили. Это следствие того, что она может расти до момента, пока не будет предела по атмосферному давлению, вернее, его росту. Паровые турбины разогревают воду до 400 градусов, при этом она не закипает, а давление соблюдается в 30-40 атмосфер.
Процесс кипения воды
состоит из трёх стадий:
– начало первой стадии – проскакивание со дна чайника или любого другого сосуда, в котором вода доводится до кипения, крошечных пузырьков воздуха и появления на поверхности воды новых образований пузырьков. Постепенно количество таких пузырьков увеличивается.
– на второй стадии кипения воды происходит массовый стремительный подъём пузырьков вверх, вызывающий сначала лёгкое помутнение воды, которое затем переходит в «побеление», при котором вода внешне напоминает струю родника. Это явление называется кипением белым ключом и крайне непродолжительно.
– третья стадия сопровождается интенсивными процессами бурления воды, появления на поверхности крупных лопающихся пузырей и брызг. Большое количество брызг означает, что вода сильно перекипела.
Кстати, если Вы любите попить чайку, заваренного на чистой природной воде, то для этого можно сделать заказ, не выходя из дома, на сайте, к примеру: http://www.aqualeader.ru/. После чего компания по доставке воды привезет ее на дом.
Простые наблюдатели уже давно обратили внимание на тот факт, что все три стадии кипения воды сопровождаются различными звуками. Вода на первой стадии издаёт едва различимый тонкий звук. Во второй стадии звук переходит в шум, напоминающий гул пчелиного роя. На третьей стадии звуки кипящей воды теряют равномерность и становятся резкими и громкими, хаотически нарастая.
Все стадии кипения воды легко проверяются опытом. Начав нагревать воду в открытой стеклянной ёмкости и периодически замеряя температуру, спустя краткий промежуток времени мы начнём наблюдать пузырьки, покрывающие дно и стенки ёмкости.
Давайте подробнее остановимся на пузырьке, возникающем около дна. Постепенно наращивая объём, пузырёк увеличивает и площадь соприкосновения с прогревающейся водой, которая ещё не достигла высокой температуры. В результате этого находящиеся внутри пузырька пар и воздух охлаждаются, вследствие чего давление их уменьшается, и тяжесть воды лопает пузырёк. Именно в этот момент вода издаёт характерный для закипания звук, возникающий из-за столкновений воды с дном ёмкости в тех местах, где лопаются пузырьки.
По мере приближения температуры в нижних слоях воды к 100 градусам Цельсия внутрипузырьковое давление уравнивается с давлением воды на них, в результате чего пузырьки постепенно расширяются. Увеличение объёма пузырьков приводи и к увеличению действия на них выталкивающей силы, под действием которой наиболее объёмные пузырьки отрываются от стенок ёмкости и стремительно поднимаются вверх. В том случае, если верхний слой воды ещё не достиг 100 градусов, то пузырёк, попадая в более холодную воду, теряет часть водяных паров, конденсирующихся и уходящих в воду. При этом пузырьки снова уменьшаются в размере и опускаются вниз под действием силы тяжести. Возле дна они снова набирают объём и поднимаются вверх, и именно эти изменения пузырьков в размерах создают характерный шум закипающей воды.
К моменту, когда весь объём воды достигает 100 градусов, поднимающиеся пузырьки уже не уменьшаются в размере, а лопаются на самой поверхности воды. При этом происходит выброс пара наружу, сопровождаемый характерным бульканьем – это означает, что вода кипит . Температура, при которой жидкость достигает кипения, зависит от давления, которое испытывает её свободная поверхность. Чем больше это давление – тем большая требуется температура, и наоборот.
То, что вода закипает при 100 градусах Цельсия – общеизвестный факт. Но стоит учесть, что такая температура справедлива только при условии нормального атмосферного давления (около 101 килопаскаля). С увеличением давления температура, при которой жидкость достигает кипения, тоже возрастает. К примеру, в кастрюлях-скороварках пища варится под давлением, приближающимся к 200 килопаскалям, при котором температура кипения воды составляет 120 градусов. В воде с такой температурой варение протекает гораздо быстрее, чем при обычной температуре кипения – отсюда и такое название кастрюли.
Соответственно, понижение давления понижает и температуру кипения воды. К примеру, жители горных районов, обитающие на высоте 3 километров, добиваются кипения воды быстрее жителей равнин – все стадии кипения воды происходят быстрее, поскольку для этого необходимо всего 90 градусов при давлении 70 килопаскалей. Но сварить, к примеру, куриное яйцо жители гор не могут, поскольку минимальная температура, при которой белок сворачивается – как раз 100 градусов Цельсия.
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:
- При нагревании жидкости из микротрещин в стенках сосуда выходят пузырьки с воздухом и водяным паром.
- Пузыри немного расширяются, но жидкость в сосуде настолько холодна, что это приводит к конденсации пара в пузырях.
- Пузырьки начинают лопаться до тех пор, пока вся толща жидкости не станет достаточно горячей.
- Через некоторое время происходит уравнивание давления воды и пара в пузырях. На этом этапе отдельные пузырьки могут подниматься на поверхность и выпускать пар.
- Пузырьки начинают интенсивно подниматься, начинается бурление с характерным звуком. Начиная с этого этапа, температура в сосуде не меняется.
- 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