Почему температура кипения воды в различных условиях разная

Кипение при повышенном давлении

Из приведенныхрассуждений ясно, что температуракипения жидкости должна зависеть отвнешнего давления. Наблюдения подтверждаютэто.

Чембольше внешнее давление, тем вышетемпература кипения. Так, в паровомкотле при давлении, достигающем 1,6 · 106Па, вода не кипит и при температуре 200°С.

В медицинских учреждениях кипениеводы в герметически закрытых сосудах— автоклавах (рис. 6.11) также происходитпри повышенном давлении. Поэтомутемпература кипения значительно выше100 °С.

Автоклавы применяют для стерилизациихирургических инструментов, перевязочногоматериала и т. д.

Рис. 6.11

Инаоборот, уменьшая внешнее давление,мы тем самым понижаем температурукипения. Под колоколом воздушного насосаможно заставить воду кипеть при комнатнойтемпературе (рис. 6.12).

При подъеме в горыатмосферное давление уменьшается,поэтому уменьшается температура кипения.На высоте 7134 м (пик Ленина на Памире)давление приближенно равно 4 · 104Па (300 мм рт. ст.). Вода кипит там примернопри 70 °С.

Сварить, например, мясо в этихусловиях невозможно.

Рис. 6.12

Рис. 6.13

У каждой жидкостисвоя температура кипения. Различиетемператур кипения жидкостей определяетсяразличием в давлении их насыщенныхпаров при одной и той же температуре.Например, пары эфира уже при комнатнойтемпературе имеют давление, большееполовины атмосферного.

Поэтому, чтобыдавление паров эфира стало равныматмосферному, нужно небольшое повышениетемпературы (до 35 °С). У ртути же насыщенныепары имеют при комнатной температуресовсем ничтожное давление. Давлениепаров ртути делается равным атмосферномутолько при значительном повышениитемпературы (до 357 °С).

Именно при этойтемпературе, если внешнее давлениеравно 105 Па, и кипит ртуть.

Различие температуркипения веществ находит большоеприменение в технике, например приразделении нефтепродуктов. При нагреваниинефти раньше всего испаряются наиболееценные, летучие ее части (бензин), которыеможно таким образом отделить от «тяжелых»остатков (масел, мазута).

Жидкость закипает,когда давление ее насыщенного парасравнивается с давлением внутри жидкости.

Требуется лиэнергия для превращения жидкости в пар?Скорее всего да! Не так ли?

Мы отмечали (см. §6.1), что испарение жидкости сопровождаетсяее охлаждением. Для поддержаниятемпературы испаряющейся жидкостинеизменной к ней необходимо подводитьизвне теплоту.

Конечно, теплота и самаможет передаваться жидкости от окружающихтел. Так, вода в стакане испаряется, нотемпература воды, несколько болеенизкая, чем температура окружающеговоздуха, остается неизменной.

Теплотапередается от воздуха к воде до тех пор,пока вся вода не испарится.

Чтобы поддерживатькипение воды (или иной жидкости), к нейтоже нужно непрерывно подводить теплоту,например подогревать ее горелкой. Приэтом температура воды и сосуда неповышается, но каждую секунду образуетсяопределенное количество пара.

На что расходуетсяподводимая к телу энергия? Прежде всегона увеличение его внутренней энергиипри переходе из жидкого состояния вгазообразное: ведь при этом увеличиваетсяобъем вещества от объема жидкости дообъема насыщенного пара. Следовательно,увеличивается среднее расстояние междумолекулами, а значит, и их потенциальнаяэнергия.

Кроме того, приувеличении объема вещества совершаетсяработа против сил внешнего давления.Эта часть теплоты парообразования прикомнатной температуре составляет обычнонесколько процентов всей теплотыпарообразования.

Теплотапарообразования зависит от рода жидкости,ее массы и температуры. Зависимостьтеплоты парообразования от рода жидкостихарактеризуется величиной, называемойудельнойтеплотой парообразования.

(6.6.1)

Удельнаятеплота парообразования воды оченьвелика: 2,256·106Дж/кг при температуре 100 °С. У другихжидкостей (спирт, эфир, ртуть, керосини др.) удельная теплота парообразованияменьше в 3—10 раз.

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.

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.

Предлагаем ознакомиться:  Как уложить бумажные салфетки

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

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.

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.

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.

Для чего человек начал кипятить воду перед её непосредственным употреблением? Правильно, чтобы обезопасить себя от многих болезнетворных бактерий и вирусов.

Эта традиция пришла на территорию средневековой России ещё до Петра Первого, хотя считается, что именно он завёз первый самовар в страну и ввёл обряд неспешного вечернего чаепития.

На самом деле некое подобие самоваров наш народ использовал ещё в древней Руси для приготовления напитков из трав, ягод и корений. Кипячение требовалось здесь в основном для извлечения полезных экстрактов растений, нежели для обеззараживания.

Все самое интересное о температуре закипания воды

Рис. 6.11

Рис. 6.12

Рис. 6.13

Кипение – процесс перехода вещества из жидкого в газообразное состояние (парообразование в жидкости). Кипение не является испарением: оно отличается тем, что может происходить только при определенном давлении и температуре.

Кипячение – нагревание воды до температуры кипения.

Кипение воды является сложным процессом, который происходит в четыре стадии. Рассмотрим пример кипения воды в открытом стеклянном сосуде.

На первой стадии кипения воды на дне сосуда появляются небольшие пузырьки воздуха, которые также можно заметить и на поверхности воды по бокам.

Эти пузырьки образуются в результате расширения небольших пузырей воздуха, которые находятся в мелких трещинах сосуда.

На второй стадии наблюдается увеличение объема пузырьков: все больше пузырьков воздуха рвется на поверхность. Внутри пузырьков находится насыщенный пар.

Как только повышается температура, возрастает давление насыщенных пузырьков, в результате чего они увеличиваются в размере. Как следствие, повышается действующая на пузыри архимедова сила.

Именно благодаря этой силе пузырьки стремятся к поверхности воды. Если верхний слой воды не успел прогреться до 100 градусов С (а это и есть температура кипения чистой воды без примесей), то пузырьки опускаются вниз в более горячие слои, после чего они снова устремляются назад на поверхность.

Ввиду того, что пузыри постоянно уменьшаются и увеличиваются в размере, внутри сосуда возникают звуковые волны, которые создают характерный для кипения шум.

На третьей стадии на поверхность воды поднимается огромное количество пузырьков, что вначале вызывает небольшое помутнение воды, которая затем «бледнеет». Данный процесс продолжается недолго и имеет название «кипение белым ключом».

Из воды начинает образовываться водяной пар, при этом вода издает специфические звуки.

Почему «цветут» стены и «плачут» окна? Очень часто в этом виноваты строители, неправильно рассчитавшие точку росы. Читайте статью Точка росы: определение чтобы узнать, насколько это важное физическое явление, и как все-таки избавиться от излишней сырости в доме?

Предлагаем ознакомиться:  Как позвонить оператору теле2 - Номера телефонов Теле2

Какую пользу может принести талая вода для желающего похудеть? Об этом вы узнаете прямо тут, оказывается, худеть можно без особых усилий!

Пар – это газообразное состояние воды. Когда пар поступает в воздух, то он, как и другие газы, оказывает на него определенное давление.

В процессе парообразования величина температуры пара и воды будет оставаться постоянной до тех пор, пока не испарится вся вода. Такое явление объясняется тем, что вся энергия (температура) направлена на превращение воды в пар.

В данном случае образуется сухой насыщенный пар. Высокодисперсные частицы жидкой фазы в таком паре отсутствуют. Также пар может быть насыщенным влажным и перегретым.

Насыщенный пар с содержанием взвешенных высокодисперсных частиц жидкой фазы, которые равномерно распределены по всей массе пара, называется влажным насыщенным паром.

В начале закипания воды образуется именно такой пар, который затем переходит в сухой насыщенный. Пар, температура которого больше температуры кипящей воды, а точнее перегретый пар, можно получить только с использованием специального оборудования. При этом такой пар будет близок по своим характеристикам к газу.

Температура кипения соленой воды превышает температуру кипения пресной воды. Как следствие соленая вода закипает позднее пресной. В соленой воде присутствуют ионы Na и Cl-, которые занимают определенную область между молекулами воды.

В соленой воде молекулы воды присоединяются к ионам соли – данные процесс имеет название «гидратация». Связь между молекулами воды значительно слабее связи, образовавшейся в процессе гидратации.

Поэтому при кипении из молекул пресной воды парообразование происходит быстрее.

На закипание воды с растворенной солью потребуется больше энергии, в качестве которой в данном случае выступает температура.

Для того чтобы в соленой воде давление стало выше атмосферного и начался процесс кипения, необходима более высокая температура. При добавлении 60 граммов соли в воду объемом 1 литр температура кипения увеличится на 10 С.

Давление (P) — кПа Температура (t) — °С
10 45.82
20 60.07
30 69.11
40 75.88
50 81.34
60 85.95
70 89.96
80 93.51

Известно, что при нормальном атмосферном давлении вода закивает при температуре 100 градусах C. Нормальное атмосферное давление составляет 101,325 кПа.

При снижении окружающего давления вода закипает и испаряется быстрее. Вакуум – свободное от вещества пространство. Технический вакуум – среда, содержащая газ под давлением, которое значительно ниже атмосферного.

В вакууме остаточное давление составляет примерно 4 кПа. При таком показателе давления точкой кипения воды будет 300 С. Чем выше давление в вакууме, тем больше величина температуры кипения воды.

Кипяток – вода, доведенная до температуры кипения. Как правило, для получения кипятка используются чайники. Остывшая вода, прежде доведенная до кипения, называется кипяченой.

В процессе кипения воды обильно выделяется пар. Процесс парообразования сопровождается выделением из состава жидкости свободных молекул кислорода. Чистая пресная вода закипает в чайнике при температуре 100 градусов С.

В кипятке погибает большинство болезнетворных бактерий за счет длительного воздействия высокой температуры на воду. При кипении из солей, содержащихся в жесткой воде, образуется осадок, который известен нам как накипь.

Обычно кипяченую воду применяют для заваривания кофе и чая, а также для дезинфекции овощей и фруктов и т.д.

Шкала Цельсия

Великий метеоролог, геолог и астроном из Швеции Андерс Цельсий изначально использовал значение в 100 градусов для обозначения точки замерзания воды при нормальных условиях, а температура кипения воды была принята за нуль градусов.

И уже после его смерти в 1744 году не менее известная личность, ботаник Карл Линней и приемник Цельсия Мортен Штремер, перевернули эту шкалу для удобства её использования. Однако, по другим сведениям, это сделал сам Цельсий незадолго до своей кончины.

И, несмотря на то что в перевернутом виде отметка шкалы в 100 градусов устанавливала точку стабильного кипения воды, а не начала её замерзания, шкала стала носить имя первостепенного её создателя, Цельсия.

Однако не всё так просто, как кажется на первый взгляд. Взглянув на любую диаграмму состояния в P-T- или P-S-координатах (энтропия S функциональна от температуры в прямой зависимости), мы увидим, как тесно связаны между собой температура и давление.

Так же и температура кипения воды в зависимости от давления меняет свои значения. И любому альпинисту прекрасно знакомо это свойство. Каждый, кто хоть раз в жизни постигал высоты свыше 2000-3000 метров над уровнем моря, знает, насколько тяжело дышится на высоте.

В зависимости от давления на каждой из высот она может закипать как при восьмидесяти, так и при шестидесяти градусах Цельсия.

Скороварки

Однако следует помнить, что хоть основные микробы и погибают при температурах выше шестидесяти градусов Цельсия, многие могут выжить при восьмидесяти и более градусах. Именно поэтому мы добиваемся кипячения воды, то есть доводим её температуру до 100 °С.

Предлагаем ознакомиться:  Травы для печени: как очистить печень в домашних условиях

Однако есть интересные кухонные приборы, позволяющие сократить время и нагреть жидкость до высоких температур, без её кипячения и потери массы посредством испарения.

Внутри создаётся повышенное давление, и вода закипает при более высоких температурах. Однако такие девайсы довольно опасны и нередко приводили к взрыву и серьёзным ожогам пользователей.

В идеале

Давайте рассмотрим, как наступает и проходит сам процесс.

Вообразим себе идеально гладкую и бесконечно большую поверхность нагрева, где распределение теплоты происходит равномерно (к каждому квадратному миллиметру поверхности подводится одинаковое количество тепловой энергии), а коэффициент шероховатости поверхности стремится к нулю. В этом случае при н. у.

кипение в ламинарном погранслое будет начинаться одновременно по всей площади поверхности и происходить моментально, сразу испаряя весь единичный объём жидкости, находящейся на её поверхности. Это идеальные условия, в реальной жизни такого не бывает.

В реальности

Давайте выясним, какова начальная температура кипения воды. В зависимости от давления она тоже меняет свои значения, однако основной момент здесь кроется вот в чём.

Если даже мы возьмём самую гладкую, на наш взгляд, кастрюлю и поднесём её под микроскоп, то в его окуляре мы увидим неравномерные края и острые частые пики, выступающие над основной поверхностью. Теплота к поверхности кастрюли, будем считать, подводится равномерно, хотя в реальности это тоже не совсем верное утверждение.

Сколько градусов при этом на пиках поверхности и в её низинах? Пики поверхности при бесперебойном подведении теплоты прогреваются быстрее низин и так называемых впадин. Более того, окруженные со всех сторон водой с низкой температурой, они лучше отдают энергию молекулам воды. Коэффициент температуропроводности пиков в полтора-два раза выше, чем у низин.

Температуры

Вода: интересные факты о физических процессах

Соленая вода требует более высокой температуры для закипания, чем пресная. Это связано с примесями натрия и хлора. Их молекулы сталкиваются между собой, и на их нагревание требуется значительно более высокая температура. Существует определенная формула, позволяющая вычислить температуру кипения соленой воды. Учтите, что шестьдесят граммов соли на один литр воды, увеличивают температуру кипения на десять градусов.

А может ли кипеть вода в вакууме? Ученые доказали, что может. Вот только температура кипения в этом случае должна достигать предела трехсот градусов по Цельсию. Ведь в вакууме давление составляет всего лишь четыре килопаскаля.

Все мы кипятим воду в чайнике, поэтому знакомы с таким неприятным явлением, как «накипь». Что это такое и почему она образуется? На самом деле все просто: пресная вода имеет разную степень жесткости. Она определяется количеством примесей в жидкости, чаще всего в ней содержатся различные соли. В процессе кипячения они трансформируются в осадок и в больших количествах превращаются в накипь.

Как происходит кипение?

Если вы когда-нибудь кипятили воду в стеклянной посуде, то наблюдали за образованием пузырьков на стенках емкости в процессе нагревания жидкости. Они образовываются благодаря тому, что в микротрещинах посуды скапливается воздух, который при нагревании начинает расширяться. Пузырьки состоят из паров жидкости, находящихся под давлением.

Но, если жидкость еще не достигла температуры кипения, то в верхних слоях пузырьки охлаждаются, давление снижается и они оказываются на дне емкости, где снова нагреваются и поднимаются вверх. Этот процесс знаком каждой хозяйке, вода будто начинает шуметь. Как только температура жидкости в верхних и нижних слоях сравнивается, пузырьки начинаются подниматься на поверхность и лопаться — происходит кипение. Это возможно только тогда, когда давление внутри пузырьков становится одинаковым с давлением самой жидкости.

Еще немного о кипении

Многие слышали такое выражение, как «точка кипения» и, вероятно, удивились, что мы его не упомянули в статье. На самом деле мы уже его описали. Не спешите перечитывать текст. Дело в том, что в физике точка и температура процесса кипения считаются идентичными.

В научном мире разделение в данной терминологии производится только в случае смешения различных жидких веществ. В такой ситуации определяется именно точка кипения, причем наименьшая из всех возможных. Именно она и берется за норму для всех составных частей смеси.

Может ли кипеть спирт?

Кипение спирта используется в процессе самогоноварения и называется дистилляцией. Этот процесс напрямую зависит от количества воды в спиртовом растворе. Если взять за основу чистый этиловый спирт, то температура его кипения будет приближена к семидесяти восьми градусам по Цельсию.

Если вы добавляете в спирт воду, то температура кипения жидкости увеличивается. В зависимости от концентрации раствора он будет закипать в промежутке от семидесяти восьми градусов до ста градусов по Цельсию. Естественно, что в процессе кипения спирт превратится в пар за более короткий временной интервал, чем вода.

Загрузка ...
Adblock detector