Процесс кипения воды с точки зрения физики

Все, что окружает нас в повседневной жизни, можно представить в виде физических и химических процессов. Мы постоянно производим массу манипуляций, которые выражаются формулами и уравнениями, даже не подозревая об этом. Одним из таких процессов является кипение. Это то явление, которое используют абсолютно все хозяйки во время приготовления пищи. Оно кажется нам абсолютно обыденным. Но давайте взглянем на процесс кипения с точки зрения науки.

Еще со школьного курса физики известно, что вещество может быть в жидком и газообразном состоянии. Процесс трансформации жидкости в состояние пара — кипение. Это происходит только при достижении или превышении определенного температурного режима. Участвует в данном процессе и давление, его необходимо обязательно учитывать. У каждой жидкости существует собственная температура кипения, запускающая процесс образования пара.

В этом заключается существенная разница между кипением и испарением, происходящим при любом температурном режиме жидкости.

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. Эти пары называют насыщенными. По мере нагревания жидкости увеличивается давление в пузырьках воздуха и они увеличиваются в размерах. Естественно, что они начинают подниматься наверх.

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.

Температура кипения

Как мы уже упоминали, каждая жидкость имеет свой температурный режим, при котором начинается процесс закипания. Причем в течение всего процесса температура вещества остается неизменной, вся выделенная энергия затрачивается на парообразование. Поэтому у нерадивых хозяек сгорают кастрюли — все их содержимое выкипает и начинает нагреваться сама емкость.

Температура кипения находится в прямо пропорциональной зависимости от давления, оказываемого на всю жидкость, точнее, на ее поверхность. В школьном курсе физике указано, что вода начинает кипеть при температуре в сто градусов по Цельсию. Но мало кто помнит, что данное утверждение верно только в условиях нормального давления. За норму принято считать величину в сто один килопаскаль. Если увеличить давление, то кипение жидкости будет происходить при другой температуре.

Это физическое свойство используют производители современных бытовых приборов. Примером может послужить скороварка. Всем хозяйками известно, что в подобных устройствах пища готовится гораздо быстрее, чем в обычных кастрюлях. С чем это связано? С давлением, которое образуется в скороварке. Оно в два раза превышает норму. Поэтому и кипение воды происходит приблизительно при ста двадцати градусов по Цельсию.

Если вы когда-либо были в горах, то наблюдали обратный процесс. На высоте вода начинает закипать при девяноста градусах, что существенно затрудняет процесс приготовления пищи. С этими трудностями хорошо знакомы местные жители и альпинисты, проводящие в горах все свободное время.

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.

Вода: интересные факты о физических процессах

В лабораторных опытах физики всегда берут жидкость без примесей и создают абсолютно идеальные внешние условия. Но в жизни все происходит немного иначе, ведь зачастую мы подсаливаем воду или добавляем в нее различные приправы. Какова будет температура кипения в этом случае?

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.

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.

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.

Пронаблюдаем это явление на опыте. Начнем нагревать воду в открытом стеклянном сосуде, периодически измеряя ее температуру. Через некоторое время мы увидим, как дно и стенки сосуда покроются пузырьками (рис. 82, а). Они образуются в результате расширения мельчайших пузырьков воздуха, существующих в углублениях и микротрещинах не полностью смачиваемых стенок сосуда.

По мере роста температуры интенсивность испарения воды внутрь этих пузырьков возрастает. Поэтому количество водяного пара, а вместе с ним и давление внутри пузырьков постепенно увеличиваются. При приближении температуры нижних слоев воды к 100 °С давление внутри пузырьков сравнивается с давлением, существующим вокруг них, после чего пузырьки начинают расширяться. 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 наверх пузырьки уже не сокращаются в размерах, а лопаются на поверхности воды, выбрасывая пар наружу (рис. 82, б). Возникает характерное бульканье — вода кипит.

Кипением называется интенсивное парообразование, при котором внутри жидкости растут и поднимаются вверх пузырьки пара. Оно начинается после того, как давление 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.

Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.

Температура кипения зависит от давления, оказываемого на свободную поверхность жидкости. При увеличений этого давления рост и подъем пузырьков внутри жидкости начинается при большей температуре, при уменьшении давления — при меньшей температуре.

Температуру кипения различных веществ при нормальном атмосферном давлении можно найти в таблице 11.

Всем известно, что вода кипит при 100 °С. 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 «варения» происходит значительно быстрее, чем в обычном кипятке. Этим и объясняется название «скороварка».

И наоборот, при понижении давления температура кипения воды становится меньше 100 °С. Например, в горных районах (на высоте 3 км, где давление атмосферы составляет 70 кПа) вода кипит при 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 белок при температуре ниже 100 °С не сворачивается.

Уменьшение температуры кипения жидкости может играть и полезную роль. Так, например, при нормальном атмосферном давлении жидкий фреон кипит при температуре около 30 °С. При уменьшении же давления температуру кипения фреона можно сделать ниже 0 °С. Это используется в испарителе холодильника. Благодаря работе компрессора в нем создается пониженное давление, и фреон начинает превращаться в пар, отнимая теплоту от стенок камеры. Благодаря этому и происходит понижение температуры внутри холодильника.

Из таблицы 11 видно, насколько сильно могут отличаться температуры кипения различных веществ при одном и том же атмосферном давлении. Например, жидкий кислород кипит при –183 °С, а железо — при 2750 °С.

Различие в температурах кипения разных веществ находит широкое применение в технике, например в процессе перегонки нефти. При нагревании нефти до 360 °С та ее часть (мазут), которая имеет большую температуру кипения, остается в ней, а те ее части, у которых температура кипения ниже 360 °С, испаряются. Из образовавшегося пара получают бензин и некоторые другие виды топлива.

1. Что такое кипение? 2. Почему закипающая вода «шумит»? 3. Становится ли жидкость горячее в процессе кипения? 4. Где кипящая вода горячее: на уровне моря, на вершине горы или в глубокой шахте? 5. На чем основан принцип действия кастрюли-скороварки? 6. Используя рисунок 83, объясните, как можно заставить кипеть воду при обычной комнатной температуре. 7. За счет чего происходит понижение температуры внутри холодильника?

Экспериментальное задание. Возьмите большую кастрюлю с водой. Поместите в нее маленькую кастрюлю (тоже с водой) так, чтобы она плавала, не касаясь дна большой кастрюли. Поставьте их на плиту и начните нагревать. Что будет с водой в маленькой кастрюле, когда в большой кастрюле она будет кипеть? Почему? Бросьте в большую кастрюлю горсть соли. Что после этого произойдет с водой в маленькой кастрюле? Объясните наблюдаемое явление. Что можно сказать о температуре кипения соленой воды?

Эксперименты по изучению особенностей кипения воды

Презентация к уроку

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

1.Стадии кипения воды.

Кипение – переход жидкости в пар, происходящий с образованием в объеме жидкости пузырьков пара или паровых полостей. Пузырьки растут вследствие испарения в них жидкости, всплывают, и содержащийся в пузырьках насыщенный пар переходит в паровую фазу над жидкостью.

Кипение начинается, когда при нагреве жидкости давление насыщенного пара над её поверхностью становится равным внешнему давлению. Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, называется температурой кипения (Ткип). Для каждой жидкости температура кипения имеет свое значение и в стационарном процессе кипения не меняется.

Строго говоря, Ткип соответствует температуре насыщенного пара (температуре насыщения) над плоской поверхностью кипящей жидкости, так как сама жидкость всегда несколько перегрета относительно Ткип. При стационарном кипении температура кипящей жидкости не меняется. С ростом давления Ткип увеличивается

1.1.Классификация процессов кипения.

Кипение классифицируют по следующим признакам:

1) пузырьковое и пленочное.

Кипение, при котором пар образуется в виде периодически зарождающихся и растущих пузырей, называется пузырьковым кипением. При медленном пузырьковом кипении в жидкости (а точнее, на стенках или на дне сосуда) появляются пузырьки, наполненные паром.

При увеличении теплового потока до некоторой критической величины отдельные пузырьки сливаются, образуя у стенки сосуда сплошной паровой слой, периодически прорывающиеся в объём жидкости. Такой режим называется плёночным.

Если температура дна сосуда значительно превышает температуру кипения жидкости, то скорость образования пузырей на дне становится столь большой, что они объединяются вместе, образуя сплошную паровую прослойку между дном сосуда и непосредственно самой жидкостью. В этом режиме плёночного кипения тепловой поток от нагревателя к жидкости резко падает (паровая плёнка проводит тепло хуже, чем конвекция в жидкости), и в результате скорость выкипания уменьшается. Режим плёночного кипения можно наблюдать на примере капли воды на раскалённой плите.

2) по виду конвекции у поверхности теплообмена ? при свободной и вынужденной конвекции;

При нагревании вода ведет себя неподвижно, и теплота от нижних слоев к верхним передается посредством теплопроводности. По мере нагревания, однако, характер теплопередачи меняется, поскольку запускается процесс, который принято называть конвекцией. Нагреваясь вблизи дна, вода расширяется. Соответственно, удельный вес придонной разогретой воды оказывается легче, чем вес равного объема воды в поверхностных слоях. Это приводит всю водную систему внутри кастрюли в нестабильное состояние, которое компенсируется за счет того, что горячая вода начинает всплывать к поверхности, а на ее место опускается более прохладная вода. Это свободная конвекция. При вынужденной конвекции теплообмен создается с помощь перемешивания жидкости и движение в воде создается за искусственным теплоносителем-мешалкой, насосом, вентилятором и тому подобное.

3) по отношению к температуре насыщения ? без недогрева и кипение с недогревом. При кипении с недогревом пузырьки воздуха растут у основания сосуда, отрываются и схлопываются. Если недогрева нет, то пузырьки отрываясь, растут и всплывают на поверхность жидкости.

4) по ориентации поверхности кипения в пространстве ? на горизонтальных наклонных и вертикальных поверхностях;

Некоторые слои жидкости непосредственно прилегающие к более горячей теплообменной поверхности, нагреваются выше и поднимаются как более легкие пристенные вдоль вертикальной поверхности. Таким образом, вдоль горячей поверхности возникает непрерывное движение среды, скорость которой определяет интенсивность теплообмена поверхности с основной массой практически неподвижной среды

5) по характеру кипения ? развитое и неразвитое, неустойчивое кипение;

С ростом плотности теплового потока растет коэффициент парообразования. Кипение переходит в развитое пузырьковое. Увеличение частоты отрыва приводит к тому, что пузыри догоняют друг друга и сливаются. С увеличением температуры поверхности нагрева число центров парообразования резко возрастает, все большее количество оторвавшихся пузырьков всплывает в жидкости, вызывая ее интенсивное перемешивание. Такое кипение носит развитый характер.

1.2.Разделение процесса кипения по стадиям.

Кипячение воды представляет собой сложный процесс, состоящий из четырех ясно отличимых одна от другой стадий.

Первая стадия начинается с проскакивания со дна чайника маленьких пузырьков воздуха, а также появления групп пузырьков на поверхности воды у стенок чайника.

Вторая стадия характеризуется увеличение объема пузырьков. Затем постепенно количество пузырьков, возникающих в воде и рвущихся на поверхность, всё более увеличивается. На первой стадии кипения слышим тонкий, едва различимый сольный звук.

Третья стадия кипения характерна массовым стремительным подъёмом пузырьков, которые вызывают сначала легкое помутнение, а затем даже “побеление” воды, напоминая собой быстро бегущую воду родника. Это так называемое кипение “ белым ключом”. Оно — крайне непродолжительное. Звук становится похожим на шум небольшого пчелиного роя.

Четвертая — это интенсивное бурление воды, появление на поверхности больших лопающихся пузырей, а затем брызганьем. Брызги будут означать, что вода очень сильно перекипела. Звуки резко усиливаются, но их равномерность нарушается, они как бы стремятся опередить друг друга, нарастают хаотически.

2.Из Китайской церемонии чаепития.

На востоке отношение к чаепитию особое. В Китае и Японии чайная церемония была частью встреч философов и художников. Во время традиционного восточного чаепития произносились мудрые речи, рассматривались произведения искусства. Чайная церемония специально оформлялась для каждой встречи, подбирались букеты цветов. Использовалась специальная посуда для заварки чая. Особенное отношение было к воде, которая бралась для заваривания чая. Важно правильно вскипятить воду, обращая внимание на “циклы огня”, которые воспринимаются и воспроизводятся в кипятке. Вода не должна доводиться до бурного кипения, так как в результате этого уходит энергия воды, которая, соединяясь с энергией чайного листа, и производит в нас искомое чайное состояние.

Есть четыре стадии внешнего вида кипятка, которые соответственно называются “рыбий глаз”, “крабий глаз”, “жемчужные нити” и “бурлящий источник”. Этим четырем стадиям соответствуют четыре характеристики звукового сопровождения закипания воды: тихий шум, средний шум, шум и сильный шум, которым в разных источниках тоже иногда даются разные поэтические названия.

Кроме того, отслеживают и стадии образования пара. Например, легкая дымка, туман, густой туман. Туман и густой туман указывают на переспелость кипятка, который уже не подходит для заваривания чая. Считается, что энергия огня в нем уже настолько сильна, что подавила энергию воды, и в результате вода не сможет должным образом войти в контакт с чайным листом и дать соответствующее качество энергии человеку, пьющему чаю.

В результате правильного заваривания получаем вкусный чай, заваривать который водой, не нагретой до 100 градусов, можно несколько раз, наслаждаясь тонкими оттенками послевкусия от каждого нового заваривания.

В России стали появляться чайные клубы, которые прививают культуру чаепития Востока. В чайной церемонии, которая называется Лу Юй, или кипячение воды на открытом огне можно наблюдать все стадии кипения воды. Такие эксперименты с процессом кипения воды можно провести в домашних условиях. Предлагаю несколько экспериментов:

– изменения температуры на дне сосуда и на поверхности жидкости;
изменение температурной зависимости стадий кипения воды;
— изменение объема кипящей воды с течением времени;
— распределения температурной зависимости от расстояния до поверхности жидкости.

3.Эксперименты по наблюдению процесса кипения.

3.1. Исследование температурной зависимости стадий кипения воды.

Проводилось измерение температуры на всех четырех стадиях кипениях жидкости. Были получены следующие результаты:

– первая стадия кипения воды (РЫБИЙ ГЛАЗ) длилась с 1-ой по 4-ую минуты. Пузырьки на дне появились при температуре 55 градусов (фото 1).

Фото1.

– вторая стадия кипения воды (КРАБИЙ ГЛАЗ) длилась с5-ой по7-ую минуты при температуре около 77 градусов. Мелкие пузырьки на дне увеличивались в объеме, напоминая глаза краба. (фото 2).

Фото 2.

– третья стадия кипения воды (ЖЕМЧУЖНЫЕ НИТИ) длилась с 8-ой по10-ую минуты. Множество мелких пузырьков образовывали ЖЕМЧУЖНЫЕ НИТИ, которые поднимались к поверхности воды, не достигая её. Процесс начался при температуре в 83 градуса (фото 3).

Фото 3.

– четвертая стадия кипения воды (БУРЛЯЩИЙ ИСТОЧНИК) длилась с 10-ой по12-ую минуты. Пузырьки росли, поднимались на поверхность воды, и лопались, создавая бурление воды. Процесс проходил при температуре 98 градусов (фото 4). Фото 4.

Фото 4.

3.2. Исследование изменения объема кипящей воды с течением времени.

С течением времени, объём кипящей воды изменяется. Первоначальный объем воды в кастрюле составлял 1 л. Через 32 минуты объем уменьшился вдвое. Это хорошо видно на фото 5, отмечено красными точками.

Фото 5.

Фото 6.

За следующие 13 минут кипения воды её объем уменьшился на одну треть, эта линия так же отмечена красными точками (фото 6).

По результатам измерений была получена зависимость изменения объема кипящей воды с течением времени.

Зависимость изменения объема кипящей воды от времени.
Измерение	1	2	3	4	5	6	7	8
Объем, л	1	0.75	0.50	0.25	0.125	0.08	0.04
Время, мин		16	32	45	50	65	69	80

Рис.1. График изменения объема кипящей воды от времени

Вывод: Изменение объема обратно пропорционально времени кипения жидкости(рис.1) до тех пор, пока от первоначального объема не осталось1/25 часть. На последней стадии уменьшение объема замедлилось. Здесь играет роль режим плёночного кипения. Если температура дна сосуда значительно превышает температуру кипения жидкости, то скорость образования пузырей на дне становится столь большой, что они объединяются вместе, образуя сплошную паровую прослойку между дном сосуда и непосредственно самой жидкостью. В этом режиме скорость выкипания жидкости уменьшается.

3.3. Исследование распределения температурной зависимости от расстояния до поверхности жидкости.

В кипящей жидкости устанавливается определённое распределение температуры (рис 2), у поверхности нагрева жидкость заметно перегрета. Величина перегрева зависит от ряда физико-химических свойств и самой жидкости, а так же граничных твёрдых поверхностей. Тщательно очищенные жидкости, лишённые растворённых газов (воздуха), можно при соблюдении особых мер предосторожности перегреть на десятки градусов.

Рис. 2.График зависимости изменения температуры воды у поверхности от расстояния до поверхности нагрева.

По результатам измерений можно получить график зависимости изменения температуры воды от расстояния до поверхности нагрева.

Вывод: с увеличением глубины жидкости температура меньше, причем на небольших расстояниях от поверхности до 1 см температура резко уменьшается, а потом почти не меняется.

3.4.Исследование изменения температуры на дне сосуда и у поверхности жидкости.

Было проведено 12 измерений. Воду нагревали от температуры 7 градусов до момента закипания. Измерения температуры проводились через каждую минуту. По результатам измерения было получено два графика изменения температуры у поверхности воды и на дне.

Рис.3.Таблица и график по результатам наблюдений. (Фото автора)

Выводы: изменение температуры воды на дне сосуда и на поверхности различно. На поверхности температура меняется строго по линейному закону и достигает температуры кипения позже на три минуты, чем на дне. Это объясняется тем, что на поверхности жидкость соприкасается с воздухом и отдаёт часть своей энергии, поэтому прогревается не так, как на дне кастрюли.

Выводы по результатам работы.

Было выяснено, что вода при нагревании до температуры кипения проходит три стадии, зависящие от теплообмена внутри жидкости с образованием и ростом внутри жидкости пузырьков пара. При наблюдении за поведением воды отмечены характерные особенности каждой стадии.

Изменение температуры воды на дне сосуда и на поверхности различно. На поверхности температура меняется строго по линейному закону и достигает температуры кипения позже на три минуты, чем на дне. Это объясняется тем, что на поверхности жидкость соприкасается с воздухом и отдаёт часть своей энергии.

Так же было определено экспериментально, что с увеличением глубины жидкости температура меньше, причем на небольших расстояниях от поверхности до 1 см температура резко уменьшается, а потом почти не меняется.

Процесс кипения происходит с поглощение теплоты. При нагревании жидкости большая часть энергии идет на разрыв связей между молекулами воды. При этом растворенный в воде газ выделяется на дне и стенках сосуда, образуя воздушные пузырьки. Достигнув определенных размеров, пузырек поднимается на поверхность и схлопывается с характерным звуком. Если таких пузырьков много, то вода “шипит”. Пузырек воздуха поднимается на поверхность воды и лопается, если выталкивающая сила, больше силы тяжести. Кипение представляет собой непрерывный процесс, при кипении температура воды равна 100 градусов и не меняется в процессе выкипания воды.

Науколандия

Статьи по естественным наукам и математике

Процесс кипения

Если жидкость нагревать, то при определенной температуре она закипит. При кипении в жидкости образуются пузырьки, которые поднимаются наверх и лопаются. В пузырьках содержится воздух, в котором присутствует водяной пар. Когда пузырьки лопаются, то пар вырывается, и, таким образом, жидкость интенсивно испаряется.

Разные вещества, находящиеся в жидком состоянии, кипят при своей, характерной для них температуре. Причем эта температура зависит не только от характера вещества, но и от атмосферного давления. Так вода при нормальном атмосферном давлении кипит при 100 °C, а в горах, где давление ниже, вода кипит при более низкой температуре.

Когда жидкость закипает, то дальнейший подвод к ней энергии (тепла) не увеличивает ее температуру, а просто поддерживает кипение. То есть энергия тратится на поддержание процесса кипения, а не на поднятие температуры вещества. Поэтому в физике вводится такое понятие как удельная теплота парообразования (L). Она равна количеству тепла, необходимому для того, чтобы полностью выкипел 1 кг жидкости.

Понятно, что у различных веществ своя удельная теплота парообразования. Так у воды она равна 2,3 · 10 6 Дж/кг. У эфира, который кипит при 35 °C, L = 0,4 · 10 6 Дж/кг. У ртути, кипящей при 357 °C, L = 0,3 · 10 6 Дж/кг.

В чем же заключается процесс кипения? Когда вода нагревается, но еще не достигнута температура ее кипения, в ней начинают образовываться маленькие пузырьки. Обычно они образуются на дне емкости, так как обычно нагревают под дном, и там температура выше.

Пузырьки содержат воздух. Это значит, что из воды при повышении температуры выделяется растворенный в ней воздух. В пузырьки испаряется вода.

Пузырьки легче окружающей их воды и поэтому начинают подниматься в верхние слои. Однако здесь температура еще ниже, чем у дна. Поэтому пар конденсируется, пузырьки становятся меньше и тяжелее, снова опускаются вниз. Так происходит до тех пор, пока вся вода не прогреется до температуры кипения. В это время слышен шум, предшествующий кипению.

Когда достигнута температура кипения, пузырьки уже не опускаются вниз, а всплывают на поверхность и лопаются. Из них вырывается пар. В это время слышен уже не шум, а бульканье жидкости, которое говорит о том, что она закипела.

Таким образом, при кипении, также как при испарении, происходит переход жидкости в пар. Однако, в отличие от испарения, которое происходит только на поверхности жидкости, кипение сопровождается образованием пузырьков, содержащих пар, по всему объему. Также в отличие от испарения, которое происходит при любой температуре, кипение возможно лишь при определенной, характерной для данной жидкости температуре.

Почему чем выше атмосферное давление, тем температура кипения жидкости больше? Воздух давит на воду, и, следовательно, создается давление внутри воды. Когда образуются пузырьки, в них пар также давит, причем сильнее, чем внешнее давление. Чем больше давление из вне на пузырьки, тем сильнее в них должно быть внутреннее давление. Поэтому они образуются при более высокой температуре. А значит, и вода кипит при более высокой температуре.

Молекулярная физика. Кипение жидкости.

Кипение — это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

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:

При какой температуре кипит вода

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.

В таблицах температура кипения воды или другой жидкости при нормальном атмосферном давлении приводится как одна из основных физических характеристик. Температура кипения (Тк) на самом деле равняется температуре пара, который находится в насыщенном состоянии прямо на границе между водой и воздухом. Сама вода, если быть точным, нагрета чуть-чуть больше.

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.

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

В горах вода закипит, не успев нагреться до 100 ℃. На самой высокой вершине мира Джомолунгме (Эверест, высота над уровнем моря 8848 м) температура закипания воды равняется приблизительно 69 ℃. 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.

Кипение при повышенном давлении

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.

Достичь абсолютного вакуума невозможно, но сильно разряженную атмосферу можно получить, если откачивать из сосуда с водой воздух. В результате такого эксперимента можно увидеть, когда именно закипает жидкость.

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.

Процесс кипения воды с точки зрения физики

Вывод: температура и время кипения для всех жидкостей разное.

Глава 2.

2.1. Гейзер.

Гейзеры — это источники, в которых через определенные промежутки времени происходят извержения кипящей воды. Грохоча и взрываясь столб кипятка, окруженный густым паром, взлетает вверх большим фонтаном, иногда даже достигая 80 м. Фонтан бьет какое-то время, затем вода исчезает, пар рассеивается, и наступает состояние покоя.[1.]

Сразу же после извержения гейзера бассейн освобождается от воды, и на дне его можно увидеть заполненное водой жерло, уходящее глубоко под землю. Перед началом извержения вода поднимается, медленно заполняет бассейн, бурлит, выплескивается, затем со взрывом высоко взлетает фонтан кипятка.

Школьников. С учетом результатов констатирующего этапа исследования нами была разработана программа с целью развития одаренных детей. В формирующем этапе приняли участие только испытуемые экспериментальной группы. В ходе реализации программы были решены следующие задачи: 1. создание условий для развития интеллектуальной одаренности; 2. согласование самооценки и уровня притязаний одаренных детей; 3. развитие волевых качеств одаренных детей; 4. развитие коммуникативных способностей одаренных детей; 5. создание условий для стабилизации эмоционального состояния одаренных детей. Были использованы следующие формы работы: занятия; тренинг личностного роста; социально-психологический тренинг; индивидуальные и групповые консультации с родителями. Содержание программы представлено в Таблице 6. Таблица 6. Содержание программы развития одаренных детей. 1 Создание условий для развития интеллектуальной одаренности секция «Интеллектуал»: задания на сообразительность и логическое мышление, такие как «Найди закономерность и продолжи ряд», «Определи «лишнюю» фигуру», «Реши задачу», «Соотнеси по смыслу», «Закончи мысль в высказывании», «Разгадай ребус», «Заполни логические таблицы» и т.п. олимпиада для интеллектуально одаренных детей «Самый умный». 2 Согласование самооценки и уровня притязаний одаренных детей игры на осознания ребенком своих личностных качеств, способностей, потенциала: игра «Встреча сказочных героев», игра «Подводная лодка», игра; задания на самостоятельную оценку ребенком своей деятельности; индивидуальные консультации для родителей по проблемам личностного развития одаренного ребенка. 3 Развитие волевых качеств одаренных детей подвижные игры на развитие воли «Сапоги – скороходы», «Золотые ворота», ««Любопытная Варвара». 4 Развитие коммуникативных способностей одаренных детей упражнения в рамках социально-психологического тренинга: упражнение «Зови меня», упражнение «Все мы разные», упражнения «Посиделки», «Номерки», «Испорченный телефон» и т.д. 5 Создание условий для стабилизации эмоционального состояния одаренных детей игры по стабилизации эмоционального состояния «Корабль и ветер», «Театр масок», «На море», «Белки и орехи» и т.д. упражнения на релаксацию; индивидуальные консультации с родителями «Страхи одаренных детей»; групповая консультация с родителями «Эмоциональное благополучие одаренного ребенка». В ходе реализации мероприятий дети и их родители проявили заинтересованность. Дети активно посещали секцию «Интеллектуал», не пропускали занятия. Кроме того, интерес проявили и родители, в ходе консультации задавали много вопросов, демонстрируя готовность создавать необходимые условия для благополучного развития детей. В целом по окончании формирующего этапа дети и родители отметили значимость такого рода занятий для разностороннего развития детей.

Около некоторых из них почва теплая, а иногда даже горячая.

2.2. Процесс кипения на службе человека

Процессы кипения имеют большое практическое применение в теплоэнергетике, химической технологии, атомной энергетике и ряде других областей современной техники.

Процесс кипения жидкости при перепаде давления используется в компрессионных холодильных машинах, где кипит хладагент. В мировой ядерной энергетике весьма перспективным становится использование кипящих реакторов на АЭС. В России, на Белоярской АЭС имени И. В. Курчатова успешно эксплуатируются два кипящих реактора мощностью 100 и 200 МВт.

втоклав, например, в медицине, аппарат для стерилизации паром под давлением хирургического перевязочного материала, инструментов, большинства питательных сред для выращивания микроорганизмов, для обеззараживания инфицированного материала, операционных халатов и т. п. Изобретенный французским физиком Папином (1647 – 1714) котел с предохранительным клапаном, в котором пары достигали высокого давления, а вода такой температуры, что позволяла плавить трудноплавкие вещества сегодня используют как вулканизатор.

На сегодняшнем этапе развития науки важным является понимание процесса кипения магнитной жидкости в магнитном поле. Ученые считают, что в конечном итоге это даст возможность создать управляемые теплообменные аппараты с использованием магнитных жидкостей в качестве теплоносителя.

Заключение

Неоднократно наблюдая, за приготовлением пищи опытными поварами, мы отмечали для себя тот факт, что как только вода в кастрюле закипит, уменьшают огонь. Сегодня мы можем с физической точки зрения обосновать этот профессиональный шаг поваров. Зная, что во время кипения температура не меняется и продолжительность варки, начиная с момента закипания, не зависит от мощности нагревателя, это дает экономию топлива. На сегодняшний день мы можем объяснить причину длительного закипания соленой воды с повышением температуры кипения.

Но до детального изучения темы мы считали, что использование знаний о процессе кипения ограничиваются только этой областью. Однако, изучая литературу, в которой описывается востребованность знаний о процессе кипения жидкости, мы все больше удивлялись факту многообразия его применения от энергетики до атомной физики.

Выполняя опыты по измерению температуры кипящих жидкостей, их растворов, мы убедились, что многие, казалось очевидные факты, противоречат опытным данным, но легко объясняются при условии знаний о явлении кипения.

Из проведенных опытов можно сделать вывод, что температура кипения остается постоянной во время кипения и зависит от количества и вида примесей, атмосферного давления и других внешних условий. Мы считаем, что тема этой работа имеет перспективу на дальнейшее, более глубокое и детальное исследование.

1. Большая Советская Энциклопедия. (В 30 томах). Гл. ред. А.М. Прохоров. Изд.3-е.М., «Советская энциклопедия», 1973.

2. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: Молекулярная физика. Термодинамика.10 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики. – 3-е изд. – М.: Дрофа, 1998.

3. Научно-популярный физико-математический журнал «Квант», №2 1985, №6 1987.

4. Перышкин А. В. «Физика-8», М. Дрофа, 2013г

5. Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3-х т. /Под ред. Г.С. Ландсберга. Т.I. Механика. Теплота. Молекулярная физика. – 10-е изд., перераб. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985

Источники:

http://phscs.ru/physics8/boiling
http://xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai/%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8/590923/
http://scienceland.info/physics8/boiling-process
http://www.calc.ru/Molekulyarnaya-Fizika-Kipeniye-Zhidkosti.html
http://gidpovode.ru/polza/temperatura-kipeniya.html
http://school-science.ru/2/11/30826