Физическое явление, знакомое каждому: кипение воды и его особенности
Существует множество физических явлений, над которыми обычно никто не задумывается — настолько они стали привычны и обыденны.
Однако иногда бывает полезно узнать о них подробнее. Одним из таких явлений является кипение воды.
Что это за явление?
Кипение — это процесс перехода воды из жидкого агрегатного состояния в газообразное, то есть ее превращение в пар.
От обычного испарения оно отличается высокой степенью интенсивности: если на испарение воды может потребоваться несколько дней или недель, то выкипеть такой же ее объем сможет за считанные часы.
При необходимости ёмкость можно прикрыть, тогда часть пара будет конденсироваться обратно, становясь капельками воды.
Процесс кипения условно можно разделить на два этапа:
Однако источник тепла нужен даже на этой стадии, ведь парообразование тоже требует энергетических затрат.
Какие факторы влияют на закипание?
На кипение влияет множество факторов:
Также часть тепла забирает ёмкость, в которой содержится вода, ведь она должна дойти до нужной температуры ещё раньше, чем ее содержимое. Поэтому посуда с более тонкими стенками, сделанная из легко проводящего тепло материала, например, металла, лучше подходит для кипячения.
От массы, а значит и от объёма вещества, кипение находится в обратной зависимости. Чем больше вес, тем больше энергии требуется на его нагревание, тем дольше будет необходимо ждать.
При прочих равных условиях вода без соли и других примесей закипает несколько быстрее, чем солёная. Однако, если концентрация соли очень низкая, этой разницы может быть практически незаметно.
Давление также влияет на процесс. Чем оно выше, тем дольше будет закипать вода, потому что давление атмосферы как бы удерживает пузырьки газа внутри, а испаряться она начинает тогда, когда давление пара уравнивается с атмосферным.
Эта разница мало заметна, если сравнивать первый этаж жилого дома с пятым, однако становится ощутима, если речь идёт, например, о подъеме в горы.
В вакууме температура кипения всех веществ очень сильно снижается из-за понижения давления, обычно отличие составляет 100-200 градусов. Для воды она стремится к нулю по мере уменьшения количества воздуха, оставшегося в сосуде.
Не менее важны характеристики источника тепла. Чем больше его мощность, то есть количество выделяемой им энергии за единицу времени, тем быстрее идет процесс кипячения. На практике это означает, что на более сильном огне или при большей температуре конфорки на электроплите вода закипит скорее.
Сколько по времени закипает?
Становится понятно, что время кипения сильно зависит от условий, при которых оно происходит.
Величины:
Даже эта формула учитывает не все, ведь также существуют потери тепла, которое уходит в окружающую среду.
Однако такая точность редко бывает нужна в быту, кроме того, необходимые данные для расчётов получить затруднительно. Чаще всего кипение литра воды на плите при достаточно большом огне занимает около 10 минут. Здесь некоторую роль играет материал, из которого сделана посуда. Быстрее всего нагревается металл.
Как понять, что жидкость кипит?
По мере приближения к точке кипения в воде появляется все больше пузырьков. Сначала их можно увидеть на стенках сосуда, а потом они начинают всплывать на поверхность, отчего она становится неровной. Пропустить этот момент сложно из-за характерного бурления.
Даже спустя некоторое время после этого испарение будет продолжаться, потому что температура не сразу опустится ниже точки кипения. Например, от чашки горячего чая еще некоторое время идет пар.
Как быстро остывает после?
Остывание зависит от тех же факторов, что и нагрев: от объема, температуры окружающей среды.
Например, электрочайник, вскипевший за пять минут, будет остывать около двух часов, чтобы дойти до комнатной температуры.
Если объем воды большой, то остывание при прочих равных займет более длительный промежуток времени, а чем холоднее воздух вокруг, тем быстрее охладится и сам кипяток. Его температура будет опускаться до того момента, пока не сравняется с окружающей.
Нюансы процесса
Кипение воды в чайнике и кастрюле немного различается между собой, но в обоих случаях оно происходит при 100 градусах. Рассмотрим особенности каждого процесса.
В чайнике
В электрическом чайнике процесс пойдёт быстрее, чем при кипячении в кастрюле, он займёт 3-4 минуты, точное время зависит от конкретной модели и ее мощности. Не потребуется даже выключать прибор – он сделает это автоматически.
Свист, которым чайник оповещает, что вода кипит, связан с прохождением пара через крышку на его носике.
В кастрюле
При таком способе кипячения ждать потребуется дольше – около 10 мин. Лучше всего подойдет металлическая кастрюля, она нагреется быстрее, чем емкости из других материалов.
Не стоит наполнять ее до самого верха, потому что в таком случае при кипении брызги будут выплескиваться на плиту. Момент закипания сопровождается громким бурлением. Почти сразу после этого воду можно выключать.
Если накрыть кастрюлю крышкой, можно ускорить нагрев и закипание воды, потому что снизится количество тепла, уходящего в окружающую среду. Однако желательно оставить щель, через которую будет выходить пар.
Видео по теме статьи
О кипении жидкости расскажет видео:
Заключение
Хотя с точки зрения физики кипение — далеко не самый сложный процесс, говорить о нем можно долго, так как он связан со множеством факторов, под воздействием которых особенности его протекания несколько отличаются.
Даже общие знания из этой области могут быть полезны и найдут практическое применение, ведь в быту с необходимостью вскипятить воду регулярно сталкивается каждый.
Молекулярная физика. Кипение жидкости.
Кипение — это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.
В отличие от испарения, которое происходит при любой температуре жидкости, другой вид парообразования — кипение — возможен лишь при совершенно определенной (при данном давлении) температуре — температуре кипения.
При нагревании воды в открытом стеклянном сосуде можно увидеть, что по мере увеличения температуры стенки и дно сосуда покрываются мелкими пузырьками. Они образуются в результате расширения мельчайших пузырьков воздуха, которые существуют в углублениях и микротрещинах не полностью смачиваемых стенок сосуда.
Пары жидкости, которые находятся внутри пузырьков, являются насыщенными. С ростом температуры давление насыщенных паров возрастает, и пузырьки увеличиваются в размерах. С увеличением объема пузырьков растет и действующая на них выталкивающая (архимедова) сила. Под действием этой силы наиболее крупные пузырьки отрываются от стенок сосуда и поднимаются вверх. Если верхние слои воды еще не успели нагреться до 100 °С, то в такой (более холодной) воде часть водяного пара внутри пузырьков конденсируется и уходит в воду; пузырьки при этом сокращаются в размерах, и сила тяжести заставляет их снова опускаться вниз. Здесь они опять увеличиваются и вновь начинают всплывать вверх. Попеременное увеличение и уменьшение пузырьков внутри воды сопровождается возникновением в ней характерных звуковых волн: закипающая вода шумит.
Когда вся вода прогреется до 100 °С, поднявшиеся вверх пузырьки уже не сокращаются в размерах, а лопаются на поверхности воды, выбрасывая пар наружу. Возникает характерное бульканье — вода кипит.
Кипение начинается после того, как давление насыщенного пара внутри пузырьков сравнивается с давлением в окружающей жидкости.
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 жидкости. 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 давления 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. Например, 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, куриное 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 ртути — 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.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.
Удельную теплоту парообразования обозначают буквой r и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).
Количество теплоты, необходимое для парообразования (или выделяющееся при конденсации). Чтобы вычислить количество теплоты Q, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования r умножить на массу m:
При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты:
Кипение
Содержание
Для того, чтобы превратить жидкость в пар, существует два способа: испарение и кипение. В прошлых уроках мы подробно разобрали, как происходит процесс испарения. В его ходе образуется пар, который в зависимости от условий может быть насыщенным или ненасыщенным.
Явление кипения мы часто наблюдаем в повседневной жизни. Для того, чтобы приготовить чай или кофе, сначала мы доводим воду до кипения. Чтобы сварить суп, мы ждем, когда закипит вода в кастрюле.
В данном уроке мы рассмотрим, как физика описывает этот процесс, изучим изменения, происходящие при кипении и установим зависимости от других величин.
Процесс кипения
Проведем опыт: будем нагревать воду в открытом стеклянном сосуде и измерять ее температуру.
Отметим, что до того, момента как мы начнем нагревать воду, с поверхности воды идет испарение. Пар при этом не виден глазу, но, тем не менее, существует.
Начнем нагревать воду. Мы заметим, что в воде начинают появляться пузырьки (рисунок 1, а). С повышением температуры они начинают увеличиваться в размерах.
В воде всегда растворено некоторое количество воздуха. При повышении температуры этот воздух выделяется из воды в виде пузырьков. Внутри них – воздух и водяной пар. Водяной пар там присутствует, потому что окружающая вода испаряется внутрь этих пузырьков воздуха.
Когда пузырьки поднимаются в верхние слои жидкости (более холодные), они уменьшаются в размерах. Происходит это из-за конденсации пара внутри пузырьков. Под действием силы тяжести они опускаются вниз в более горячую воду.
И снова начинают подниматься к поверхности. Происходит попеременное увеличение и уменьшение пузырьков, в ходе которых они двигаются в жидкости. При этом мы слышим шум. Он предшествует закипанию воды.
Кипение – это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.
Температура кипения
Если испарение происходит при любой температуре, то кипение происходит при некоторой определенной температуре. При этом:
Температура кипения – это температура, при которой жидкость кипит.
Во время кипения температура жидкости не меняется.
Вспомните, при приготовлении того же супа после закипания воды огонь уменьшают. Теперь он просто поддерживает эту самую температуру кипения. Это дает экономию топлива.
Температура кипения зависит от давления на поверхность жидкости. Давление насыщенного пара в пузырьках при кипении всегда больше внешнего давления.
Соответственно, если мы увеличим внешнее давление, то температура кипения увеличивается. Если уменьшим – температура кипения тоже снизится.
Температура кипения некоторых веществ
В таблице 1 представлены экспериментально полученные значения температуры кипения для различных веществ.
| Вещество | $t_<кип>, \degree C$ | Вещество | $t_<кип>, \degree C$ |
| Водород | -253 | Вода | 100 |
| Кислород | -183 | Ртуть | 357 |
| Эфир | 35 | Свинец | 1740 |
| Спирт | 78 | Медь | 2567 |
| Молоко | 100 | Железо | 2750 |
Талица 1. Температура кипения некоторых веществ (при нормальном атмосферном давлении)
Графики кипения жидкостей
На рисунке видно, что горизонтальные участки графиков соответствуют процессам кипения. Они параллельны оси времени, температура на них остается постоянной. Чтобы определить, какой график соответствует каждой жидкости, нам нужно обратиться к таблице 1.
$70 \degree C$ – температура кипения спирта. Значит, 2 – график нагревания и кипения спирта.
