Каждый знает, что температура кипения воды при обычном атмосферном давлении (около 760 мм рт. ст.) составляет 100 °С. Но не всем известно, что вода может закипать при различной температуре. Точка закипания зависит от ряда факторов. Если срабатывают определенные условия, вода может закипеть и при +70 °С, и при +130 °С, и даже при 300 °С! Рассмотрим причины более подробно.
От чего зависит температура кипения воды?
Закипание воды в емкости происходит по определенному механизму. В процессе нагрева жидкости на стенках емкости, в которую она налита, появляются пузырьки воздуха. Внутри каждого пузырька находится пар. Температура пара в пузырьках изначально значительно выше нагреваемой воды. Но ее давление в этот период выше, чем внутри пузырьков. Пока вода не прогрелась, пар в пузырьках сжимается. Затем под воздействием внешнего давления пузырьки лопаются. Процесс длится до тех пор, пока температуры жидкости и пара в пузырьках не сравняются. Именно теперь шарики с паром могут подняться на поверхность. Вода начинает закипать. Далее процесс нагрева прекращается, так как излишки тепла выводятся паром наружу в атмосферу. Это термодинамическое равновесие. Вспомним физику: давление воды состоит из веса самой жидкости и давления воздуха над сосудом с водой. Таким образом, меняя один из двух параметров (давление жидкости в сосуде и давление атмосферы), можно изменить температуру закипания.
Какова температура кипения воды в горах?
В горах температура кипения жидкости постепенно падает. Это связано с тем, что атмосферное давление при восхождении на гору постепенно понижается. Чтобы вода закипела, давление в пузырьках, которые появляются в процессе нагрева воды, должно быть равным атмосферному. Поэтому с увеличением высоты в горах на каждые 300 м температура кипения воды снижается приблизительно на один градус. Такой кипяток не такой горячий, как кипящая жидкость на равнинной местности. На большой высоте сложно, а иногда и невозможно заварить чай. Зависимость кипения воды от давления выглядит таким образом:
Высота над уровнем моря | ||||||||
Температура закипания |
А в других условиях?
А какова температура кипения воды в вакууме? Вакуум представляет собой разреженную среду, в которой давление значительно ниже атмосферного. Температура кипения воды в разреженной среде также зависит от остаточного давления. При давлении в вакууме 0,001 атм. жидкость закипит при 6,7 °С. Обычно остаточное давление составляет около 0,004 атм., поэтому при таком давлении вода закипает при 30 °С. При увеличении давления в разреженной среде, температура кипения жидкости будет повышаться.
Почему в герметической емкости вода кипит при более высокой температуре?
В герметически закрытом сосуде температура кипения жидкости связана с давлением внутри емкости. В процессе нагрева происходит выделение пара, который оседает конденсатом на крышке и стенках сосуда. Таким образом, увеличивается давление внутри сосуда. Например, в скороварке давление достигает 1,04 атм., поэтому жидкость кипит в ней при 120 °С. Обычно в таких емкостях давление можно регулировать при помощи встроенных клапанов, следовательно, и температуру тоже.
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:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
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 100 0 С. 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 110 0 С. При давлении воздуха 2,0 атм. вода закипит при 120 0 С 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 120-130 0 С. 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:
В среднем, при подъеме на 300 м температура кипения воды уменьшается на 1 0 С и достаточно высоко в горах опускается до 80 0 С, 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 – 100 0 С.
Кипение — это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.
Во время кипения температура жидкости и пара над ней не меняется. Она сохраняется неизменной до тех пор, пока вся жидкость не выкипит. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия уходит на превращение ее в пар.
Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения .
Температура кипения зависит от давления, оказываемого на свободную поверхность жидкос-ти. Это объясняется зависимостью давления насыщенного пара от температуры. Пузырек пара растет, пока давление насыщенного пара внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из внешнего давления и гидростатического давления столба жидкости.
Чем больше внешнее давление, тем больше температура кипения .
Всем известно, что вода кипит при температуре 100 ºC. Но не следует забывать, что это справедливо лишь при нормальном атмосферном давлении (примерно 101 кПа). При увеличении дав-ления температура кипения воды возрастает. Так, например, в кастрюлях-скороварках пищу варят под давлением около 200 кПа . Температура кипения воды при этом достигает 120°С. В воде такой температуры процесс варки происходит значительно быстрее, чем в обычном кипятке. Этим и объясняется название «скороварка».
И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Напри-мер, в горных районах (на высоте 3 км , где давление составляет 70 кПа) вода кипит при температуре 90 °С. Поэтому жителям этих районов, использующим такой кипяток, требуется значительно больше времени для приготовления пищи, чем жителям равнин. А сварить в этом кипятке, например, кури-ное яйцо вообще невозможно, так как при температуре ниже 100 °С белок не сворачивается.
У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, т. к. при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному. Например, при температуре кипения 100 °С давление насыщенных паров воды равно 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а паров — всего лишь 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипит ртуть при 357°С при нормальном давлении.
Теплота парообразования.
Теплота парообразования (теплота испарения) — количество теплоты , которое необходимо сообщить веществу (при постоянном давлении и постоянной температуре) для полного превращения жидкого вещества в пар.
Количество теплоты, необходимое для парообразования (или выделяющееся при конденса-ции). Чтобы вычислить количество теплоты Q , необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования r ум-ножить на массу m :
При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты.
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