Каждый, кто изучал физику в школе, на вопрос, при какой температуре кипит вода, не задумываясь, ответит: «100 °С», даже если его оценки были ниже среднего. Но почему тогда альпинисты жалуются, что на высоте у них возникает проблема с приготовлением пищи и завариванием чая? Расскажем об этом подробнее.
Кипение - физический процесс превращения жидкости в пар. Температура кипения жидкости напрямую зависит от ее состава и атмосферного давления. Поэтому чем выше мы поднимаемся в горы, тем меньше становится давление, и воде, чтобы закипеть, нужна температура поменьше.
При 0 высоте над уровнем моря температура кипения воды действительно 100 °С. Но с каждым подъемом на 500 метров температура кипения воды снижается на 2–3 °С. На высоте 1000 м вода закипит при температуре 96,7 °С. На 2000 м ей для закипания нужны лишь 93,3 °С.
На Эльбрусе - самой высокой вершине Европы (5642 м), где в конце лета температура достигает –7°С, - вода закипит при 80,8 °С.
На вершине кавказского Казбека (5033 м) для кипячения воды нужно уже 83 °С.
В Гималаях, где высота гор достигает почти 9 тыс. метров над уровнем моря, воде потребуется еще меньшая температура, чтобы закипеть. На самой высокой горе Гималаев - Аннапурне - вода закипит примерно при 70,7 °С.
В горах Казахстана различна температура закипания воды:
- На самой высокой горе Казахстана Хан-Тенгри (7010 м) - 75,5 °С.
- На пике Талгар (4979) - 83,3 °С.
- На Актау (4690) - 84,3 °С.
- На Белухе (4506) - 84,9 °С.
При повышении давления увеличивается и температура кипения воды. Поэтому в специальной посуде, которая обеспечивает высокое давление при готовке, например в скороварке, пища готовится намного быстрее.
Не случайно жители горных местностей являются одними из главных покупателей бытовых скороварок. А для любителей горных походов выпускают специальную посуду, которая обеспечивает высокую температуру закипания воды.
Как известно, при закипании вода проходит несколько стадий:
- образование пузырьков воздуха при повышении температуры;
- увеличение пузырьков и их подъем на поверхность;
- помутнение поверхности из-за скопившихся на ней пузырьков;
- бурление воды из-за разрыва пузырьков и образование пара.
Следует отметить, что температура кипения соленой воды выше, чем у пресной, так как ионы соли между молекулами воды придают им большую прочность. Как результат, чтобы разорвалась связь и образовался пар, нужна температура повыше. Например, 40 г соли увеличат температуру кипения литра воды почти на 1 °С.
Отвечая на вопрос, при какой температуре кипит вода, не забывайте о том, что многое зависит от атмосферного давления и состава воды.
Кипячение воды является одним из частых повседневных дел. Однако в горных районах этот процесс имеет свои особенности. В различных по высоте над уровнем моря точках закипание воды происходит при разных температурах.
Как точка кипения воды зависит от атмосферного давления
Кипящая вода характеризуется ярко выраженными внешними признаками: бурлением жидкости, образованием маленьких пузырьков внутри посуды и поднимающимся паром. При нагревании молекулы воды получают дополнительную энергию от источника тепла. Они становятся более мобильными и начинают вибрировать.В конечном счете жидкость достигает такой температуры, при которой на стенках посуды образуются пузырьки пара. Эта температура имеет название точка кипения. Как только вода начинает кипеть, температура не меняется, пока вся жидкость не превратится в газ.
Молекулы воды, выходящие в виде пара, оказывают давление на атмосферу. Это называется давлением пара. С увеличением температуры воды оно увеличивается, а молекулы, двигаясь быстрее, преодолевают связывающие их межмолекулярные силы. Давлению пара противостоит другая сила, созданная воздушной массой: атмосферное давление. Когда давление пара достигает или превышает окружающее давление, преодолевая его, вода начинает кипеть.
Точка кипения воды также зависит от ее чистоты. Вода, которая содержит примеси (соль, сахар) закипит при более высокой температуре, чем чистая.
Особенности кипения воды в горах
Воздушная атмосфера оказывает давление на все объекты на земле. На уровне моря оно одинаково везде и равно 1 атм., или 760 мм рт. ст. Это нормальное атмосферное давление, и вода закипает при температуре 100оС. Давление пара при такой температуре воды также равно 760 мм рт. ст.Чем выше над уровнем моря, тем воздух становится более разреженным. В горах его плотность и давление уменьшаются. Из-за уменьшения внешнего давления на воду требуется меньше энергии, чтобы разорвать межмолекулярные связи. Это подразумевает меньше тепла, и вода закипит при более низкой температуре.
С каждым километром высоты вода кипит при температуре, которая меньше исходной на 3,3оС (или примерно минус 1 градус на каждые 300 метров). На высоте 3 км над уровнем моря атмосферное давление составляет около 526 мм рт. ст. Вода закипит, когда давление пара будет равно атмосферному, а именно 526 мм рт. ст. Это условие достигается при температуре 90оС. На высоте 6 км давление меньше нормального примерно в два раза, а температура кипения - около 80оС.
На вершине Эвереста, высота которого 8848 м, вода закипает при температуре около 72оС.
В горах на высоте 600 м, где вода закипает при 98оС, понимание процесса кипения особенно актуально при приготовлении пищи. Некоторые продукты можно довести до готовности, увеличив время варки. Однако для продуктов, требующих хорошей термальной обработки и длительного времени приготовления, лучше всего использовать скороварку.
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».
Наконец, на четвертой стадии кипения вода начинает интенсивно бурлить, появляются большие лопающиеся пузыри и брызги (как правило, брызги означают, что вода сильно перекипела).
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 чтобы узнать, насколько это важное физическое явление, и как все-таки избавиться от излишней сырости в доме?
Какую пользу может принести талая вода для желающего похудеть? Об этом вы узнаете , оказывается, худеть можно без особых усилий!
Температура пара при кипении воды ^
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 ^
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.
По мере увеличения температуры молекулы в соленой воде начинаются двигаться быстрее, но при этом их становится меньше, ввиду чего они сталкиваются реже. В результате образуется меньше пара, давление которого ниже, нежели у пара пресной воды.
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.
А здесь ошиблись на 3 порядка «Удельная теплота испарения воды равна 2260 Дж/кг.» Правильно кДж, т.е. в 1000 раз больше.
Чем объясняется высокая температура кипения воды?
Из-за чего вода кипит при высокой температуре?
Перегретый пар, это пар с температурой выше 100С(ну если вы не в горах или вакууме, а при нормальных условиях), его получают пропуская пар через раскаленные трубки, либо проще — от кипящего раствора соли или щелочи(опасно — щелочь крепче Na2CO3(например поташ — K2CO3 почему остатки NaOH за день-два становятся не опасными для глаз, в отличие от окарбонатившихся на воздухе остатков KOH)омыляет глаза, не забудьте надеть плавательные очки!), но р-ры такие кипят толчками, нужны кипелки и тонкий слой на дне, воду можно добавлять при выкипании, выкипает только она.
так из соленой воды можно получить при кипении пар с температурой около 110С, не хуже такого-же из горячей 110С трубы, пар этот содержит лишь воду и нагрет, каким способом он не помнит, но на 10С имеет «запас хода» в сравнении с паром из чайника пресной воды.
Его можно называть сухим, т.к. согрев(контактируя как в трубе, или даже излучением, свойственным не только солнцу но и любому телу в некоторой(температурно зависимой) степени) некий предмет, пар может охладившись до 100С все еще оставаться газом, и только дальнейшее охлаждение ниже 100С вызовет его конденсацию в каплю воды, и почти вакуум(давление насыщенного пара воды около 20мм рт ст из 760мм рт ст(1 атм), тоесть в 38 раз ниже атмосферного давления, это происходит и с неперегретым, насыщенным паром с температурой 100С в прогревшемся сосуде(чайник из носика которого валит пар), и не только с водой, а с любым кипящим веществом, например медицинский эфир кипит ужЕ при температуре тела, и может кипеть в колбе в ладони, из горлышка которой будут «фонтанировать» его парЫ, заметно преломляющие свет, если теперь второй ладонью закрыть колбу, и убрать нагрев нижней ладони, заменив ее подставкой с температурой ниже 35С, эфир перестанет кипеть, а его насыщенный пар, вытолкнувший при кипении весь воздух из колбы, сконденсируется в каплю эфира, создав вакуум не сильнее чем тот от которого эфир закипает, то-есть примерно равный давлению насыщенного пара эфира при температуре самой холодной точки внутри колбы, или присоединенного к ней без утечек второго сосуда или шланга с закрытым дальним концом, так устроен прибор Криофор, демонстрирующий принцип холодной стенки, как сладкая липучка — пчёл, захватывающей все молекулы пара в системе.(«вакуумный спирт» так гонят, без нагрева)
А при более 1700 Цельсия вода очень так хорошо разлогается на кислород и водород…бада-бум получается, ни нада ею плескать на всякие там горящие металлическо-сикамбричнеские конструкции
Обычная вода закипает при 100 градусах - в справедливости этого утверждения мы не сомневаемся, а градусник легко это подтверждает. Однако есть люди, которые могут скептически улыбнуться, так как знают - вода не всегда и не везде кипит ровно при 100 градусах .
А разве такое возможно? Да, возможно, но только при определенных условиях.
Сразу нужно сказать, что вода может закипать при температурах как ниже, так и выше +100 °С. Так что не стоит удивляться выражению «Вода вскипела при + 73 °С» или «Кипение воды началось при +130 °С» - обе эти ситуации не просто возможны, но и относительно легко осуществимы.
Но, чтобы понять, как достичь только что описанных эффектов, необходимо разобраться в механизме кипения воды и любых других жидкостей.
При нагреве жидкости у дна и на стенках сосуда начинают образовываться пузырьки, наполненные паром и воздухом. Однако температура окружающей воды слишком мала, отчего пар в пузырьках конденсируется и сжимается, а под давлением воды эти пузырьки лопаются. Данный процесс происходит до тех пор, пока весь объем жидкости не прогреется до температуры кипения - в этот момент давление пара и воздуха внутри пузырей сравнивается с давлением воды. Такие пузырьки уже способны подняться к поверхности жидкости, выпустив там пар в атмосферу - это и есть кипение. Во время кипения температура жидкости больше не поднимается, так как наступает термодинамическое равновесие: сколько тепла потрачено на нагрев, столько же тепла и отводится паром с поверхности жидкости.
Ключевой момент в закипании воды и любой другой жидкости - равенство давления пара в пузырях и давления воды в сосуде. Из этого правила можно сделать простой вывод - жидкость может закипать при совершенно разных температурах, а добиться этого можно изменением давления жидкости. Как известно, давление в жидкостях складывается из двух составляющих - ее собственного веса и давления воздуха над ней. Получается, что снизить или повысить температуру кипения воды можно изменением атмосферного давления либо давления внутри сосуда с подогреваемой жидкостью.
В действительности так и происходит. Например, в горах кипяток вовсе не так горяч, как на равнинах, - на высоте 3 км, где давление воздуха падает до 0,7 атмосферы, вода закипает уже при +89,5 градусов. А на Эвересте (высота - 8,8 км, давление - 0,3 атмосферы) вода закипает при температуре чуть больше +68 градусов. Да, приготовление пищи при таких температурах - дело весьма трудное, и если бы не специальные средства, то на таких высотах это было бы и вовсе невозможно.
Чтобы повысить температуру кипения, необходимо поднять давление атмосферы или хотя бы плотно закрыть сосуд с водой. Этот эффект используется в так называемых скороварках - плотно закрытая крышка не дает выходить пару, из-за чего давление в ней повышается, а значит, растет и температура кипения. В частности, при давлении в 2 атмосферы вода закипает только при +120 градусах. А в паровых турбинах, где поддерживается давление в десятки атмосфер, вода не закипает и при +300-400 °С!
Однако существует еще одна возможность нагрева воды до больших температур без кипения. Замечено, что образование первых пузырьков начинается на шероховатостях сосуда, а также вокруг более или менее крупных частиц присутствующих в жидкости загрязнителей. Поэтому если нагревать абсолютно чистую жидкость в идеально отполированном сосуде , то при нормальном атмосферном давлении можно заставить эту жидкость не вскипать при очень высоких температурах. Образуется так называемая перегретая жидкость , отличающаяся крайней нестабильностью - достаточно минимального толчка или попадания пылинки, чтобы жидкость мгновенно вскипела (а на деле - буквально взорвалась) сразу во всем объеме.
Обычную воду при некоторых усилиях можно нагреть до +130 °С и она не вскипит. Для получения больших температур уже необходимо применение особого оборудования, но предел наступает при +300 °С - перегретая вода при такой температуре может существовать доли секунды, после чего происходит взрывоподобное вскипание .
Интересно, что перегретую жидкость можно получить и иным способом - подогреть ее до относительно низких температур (чуть ниже +100 °С) и резко понизить давление в сосуде (например, поршнем). В этом случае также образуется перегретая жидкость, способная вскипеть при минимальном воздействии. Данный метод используется в пузырьковых камерах , регистрирующих заряженные элементарные частицы. При пролете сквозь перегретую жидкость частица вызывает ее локальное вскипание, а внешне это отображается как возникновение трека (следа, тонкой черточки) из микроскопических пузырьков. Однако в пузырьковых камерах применяется отнюдь не вода, а различные сжиженные газы.
Итак, вода далеко не всегда закипает при +100 °С - все зависит от давления внешней среды или внутри сосуда. Поэтому в горах без специальных средств нельзя получить «нормальный» кипяток, а в котлах тепловых электростанций вода не кипит даже при +300 °С.
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
Загрузка...
