Как температура кипения зависит от внутреннего давления. Кипение жидкостей

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.

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:

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.

Парообразование может происходить не только в результате испарения, но и при кипении. Рассмотрим кипение с энергетической точки зрения.

В жидкости всегда растворено некоторое количество воздуха. При нагревании жидкости количество растворенного в ней газа уменьшается, вследствие чего часть его выделяется в виде маленьких пузырьков на дне и стенках сосуда и на взвешенных в жидкости нерастворенных твердых частичках. Происходит испарение жидкости во внутрь этих воздушных пузырьков. Со временем пары в них становятся насыщенными. При дальнейшем нагревании увеличиваются давление насыщенного пара внутри пузырьков и их объем. Когда давление пара внутри пузырьков становится равным атмосферному, они под действием выталкивающей силы Архимеда поднимаются на поверхность жидкости, лопаются, и из них выходит пар. Парообразование, происходящее одновременно и с поверхности жидкости и внутри самой жидкости в воздушные пузырьки, называется кипением. Температура, при которой давление насыщенных паров в пузырьках становится равно внешнему давлению, называется температурой кипения .

Так как при одинаковых температурах давления насыщенных паров разнообразных жидкостей разные, то при различных температурах они становятся равными атмосферному давлению. Это приводит к тому, что разные жидкости кипят при различных температурах. Данное свойство жидкостей используется при возгонке нефтепродуктов. При нагревании нефти первыми испаряются наиболее ценные, летучие ее части (бензин), которые таким образом отделяются от "тяжелых" остатков (масел, мазута).

Из того, что кипение наступает, когда давление насыщенных паров равно внешнему давлению на жидкость, следует, что температура кипения жидкости зависит от внешнего давления. Если оно увеличено, то жидкость кипит при более высокой температуре, так как для достижения такого давления насыщенным парам необходима более высокая температура. Наоборот, при пониженном давлении жидкость кипит при более низкой температуре. В этом можно убедиться на опыте. Нагреем воду в колбе до кипения и уберем спиртовку (рис. 37, а). Кипение воды прекращается. Закрыв пробкой колбу, начнем насосом удалять из нее воздух и пары воды, уменьшая тем самым давление на воду, которая в"результате этого закипает. Заставив ее кипеть в открытой колбе, накачиванием воздуха в колбу увеличим давление на воду (рис. 37, б). Кипение ее прекращается. При давлении 1 атм вода кипит при 100° С, а при 10 атм - при 180° С. Эта зависимость используется, например в автоклавах, в медицине для стерилизации, в кулинарии для ускорения варки пищевых продуктов.

Чтобы жидкость начала кипеть, ее следует нагреть до температуры кипения. Для этого надо жидкости сообщить энергию, например количество теплоты Q = cm(t° к - t° 0) . При кипении температура жидкости остается постоянной. Так происходит потому, что сообщаемое при кипении количество теплоты затрачивается не на увеличение кинетической энергии молекул жидкости, а на работу разрыва молекулярных связей, т. е. на парообразование. При конденсации пар по закону сохранения энергии отдает в окружающую среду такое количество теплоты, которое было затрачено на парообразование. Конденсация происходит при температуре кипения, которая в процессе конденсации остается постоянной. (Объясните почему).

Составим уравнение теплового баланса при парообразовании и конденсации. Пар, взятый при температуре кипения жидкости, по трубке А. поступает в воду, находящуюся в калориметре (рис. 38, а), конденсируется в ней, отдавая ей затраченное на его получение количество теплоты. Вода и калориметр получают при этом количество теплоты не только от конденсации пара, но и от жидкости, которая при этом получается из него. Данные физических величин приведены в табл. 3.

Конденсирующийся пар отдал количество теплоты Q п = rm 3 (рис. 38, б). Жидкость, полученная из пара, охладившись от t° 3 до θ°, отдала количество теплоты Q 3 = c 2 m 3 (t 3 ° - θ°).

Калориметр и вода, нагреваясь от t° 2 до θ° (рис. 38, в), получили количество теплоты

Q 1 = c 1 m 1 (θ° - t° 2); Q 2 = c 2 m 2 (θ° - t° 2).

На основании закона сохранения и превращения энергии

Q п + Q 3 = Q 1 + Q 2 ,

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.

При кипении жидкость начинается интенсивно превращаться в пар, в ней образуются паровые пузырьки, поднимающиеся на поверхность. При нагревании сначала пар появляется только на поверхности жидкости, затем этот процесс начинается по всему объему. Появляются мелкие пузырьки на дне и стенках посуды. При повышении температуры давление внутри пузырей возрастает, они увеличиваются и поднимаются вверх.

Когда температура достигает так называемой точки кипения, начинается бурное образование пузырьков, их становится много, жидкость закипает. Образуется пар, температура которого остается постоянной, пока не вся вода. Если парообразование происходит в обычных условиях, при стандартом давлении 100 мПа, его температура равна 100оС. Если же искусственно увеличить давление, можно получить перегретый пар. Ученым удалось нагреть водяной пар до температуры 1227оС, при дальнейшем нагреве диссоциация ионов превращает пар в плазму.

При заданном составе и постоянном давлении температура кипения любой жидкости постоянна. В учебниках и пособиях по можно увидеть таблицы, указывающие температуру кипения различных жидкостей и даже металлов. Например, вода закипает при температуре 100оС, при 78,3оС, эфир при 34,6оС, золото при 2600оС, а серебро при 1950оС. Это данные для стандартного давления 100 мПа, оно рассчитывается на уровне моря.

Как изменить температуру кипения

Если давление снижается, температура кипения уменьшается, даже если состав остается прежним. Это значит, что если подняться с котелком воды на гору высотой 4000 метров и поставить ее на костер, вода закипит при 85оС, для этого понадобится гораздо меньше дров, чем внизу.

Хозяйкам будет интересно сравнение со скороваркой, в которой давление искусственно увеличивается. кипения воды при этом также увеличивается, за счет чего пища готовится гораздо быстрее. Современные скороварки позволяют плавно изменять температуру кипения от 115 до 130оС и более.

Еще один секрет температуры кипения воды заключается в ее составе. Жесткая вода, в состав которой входят различные соли, закипает дольше и требует для нагрева больше энергии. Если добавить в литр воды две столовые ложки соли, температура кипения ее увеличится на 10оС. То же самое можно сказать о сахаре, 10% сахарный сироп закипает при температуре 100,1оС.