Для чего нужно знать температуру кипения

Непостоянная величина, или какова температура кипения воды

Кипение воды без ее нагревания – явление обыденное. Его обязательно демонстрировали на школьных уроках физики.

Как же можно достичь кипения воды, не прибегая к воздействию на нее температуры, и почему это возможно – целевые вопросы, затрагиваемые в этой публикации.

Что это такое?

Температура кипения воды – это граница ее фазового перехода из жидкого состояния в газообразное (пар). Причем в этот момент все тепло поглощается этим пограничным процессом, не позволяя воде продолжать греться. Она не нагревается выше 100С, в отличие от пара.

От чего зависит?

Это параметр зависим от следующих факторов:

Чему равна в нормальных условиях?

Состояние, при котором давление составляет 760 мм. рт. ст (101,325 кПа) при 0С, принимают нормальным. Чистая вода в таком состоянии закипает при 100С.

Почему H2O закипает именно при 100 градусах?

Нагрев приводит к отделению растворенного воздуха от H2O и образованию микроскопических пузырей. Чем горячее она становится, тем больше вырастает их объем и количество. При этом их пространство заполняется паром, давление которого также растет.

Постепенно пар становится насыщенным. Пузыри укрупняются и, ускоряясь, покидают воду.

Этому процессу свойственны следующие этапы:

На последней стадии объем паровых пузырей максимален. Давление пара и атмосферы соизмеримы, что и провоцирует фазовый переход и сильное бурление. Если значение давления атмосферы близко к нормальному, то описанный процесс протекает именно при 100С.

Может ли кипеть при нагреве более или менее 100С?

Из вышесказанного следует утвердительный ответ. Достаточно искусственно повысить давление, окружающее воду, или растворить в ней какое-нибудь вещество. Опыт показывает, что температура кипения воды повысится на 1С при добавлении в ее состав 40 граммов пищевой соли.

Напротив, в разряженном воздухе температура закипания снижается (ориентировочно около 0,2С на каждые 5 мм. рт. ст.).

Заключение

Теперь можно утверждать, что температура кипения воды не является незыблемой константой. Поэтому неудивительно, что на Эвересте она составляет порядка 69 градусов. Напротив, океаническая вода закипает только при 101С по причине своей солености.

Каноническое же значение, равное 100С, подразумевает проведение измерения с кристально чистой H2O и нормальным давлением. Разумеется, соблюсти оба требования на практике принципиально невозможно.

Источник

Просто о сложном: все о кипении воды в чайнике, температуре и других нюансах процесса

Кипячение воды в чайнике – насущное ежедневное занятие. Однако далеко не каждый знает, от чего зависит температура закипания, сколько времени понадобится, чтобы в тех или иных условиях довести чайник до нее и каковы причины возникающих при этом различных неполадок.

Рассмотрим детально основные аспекты этого процесса: какова температура кипения воды в чайнике, от чего зависит закипание жидкости и т.д.

От чего зависит закипание в домашних и других условиях?

Кипением называется усиленное образование пара в массе и на поверхности воды.

Однако традиционное испарение вещества происходит при любых условиях. Закипание же происходит только по достижении определенных условий – температуры и внешнего давления.

Например, для воды в нормальных условиях (760 мм. рт. ст.) этот показатель равняется 100С. С другой стороны, он легко изменяется. Кроме того, на точку кипения влияют различные, растворенные в воде примеси. В большинстве случаев это соли – естественные, придающие жесткость, либо искусственно добавленные, например, пищевая поваренная.

Отметка в 100С – приведена для дистиллированной H2O в нормальных условиях. Стандартно используемая вода – из водопровода, ручья, озера, колодца и т. д. – в действительности является водным раствором различных солей. Поэтому температура ее закипания несколько выше справочного значения.

На существенных возвышенностях, ввиду падения атмосферного давления, кипение начинается раньше. Однако процесс варения – как способ приготовления пищи – не становится быстрее, а, напротив, возрастает и становится затрудненным.

Каждые 300 метров подъема от уровня моря снижают точку закипания на один градус. Альпинисты знают, что высоко в горах котелок закипает при 85-90С и даже ниже.

При скольки градусах закипает?

Независимо от типа используемого прибора в нормальных условиях вода закипает при следующих значениях температуры (в наиболее распространенных единицах измерения):

Однако следует учесть, что в различных приборах, несмотря на одинаковую точку закипания, время для достижения процесса все же различное.

Как с уменьшением давления снижается температура закипания, так с увеличением она возрастает. Этот принцип нашел практическое применение в кухонных приборах – скороварках.

Показатель кипения в них достигает рекордных для повседневных условий – 120-130С. Это позволяет ускорить процесс готовки пищи (в противоположность горной местности – когда кипит, но не варится).

За какое время?

Время закипания жидкости зависит сразу от нескольких факторов:

Обычный 2-х-литровый чайник на газовой конфорке справится с задачей в среднем за 15 минут. Стандартная электрическая модель потратит на эту процедуру примерно такой же период времени. Более совершенный электрочайник с мощной нагревательной встроенной поверхностью вскипит за 3-5 минут.

Современные водонагревательные приборы, такие как, кулеры, превращают холодную воду в кипяток мгновенно. Благодаря им чай, кофе и другой горячий напиток можно получить моментально.

Как определить, что H2O начинает кипеть?

Существует несколько способов проверить, что вода в чайнике вот-вот начнет кипеть:

Какова t пара кипящей жидкости?

Образующийся во время кипения чайника пар имеет одинаковую температуру с кипящей водой. Так как вся энергия в этом процессе направлена именно на его превращение.

Поэтому пока вся жидкость не испарится, нагрев пара останется на одинаковом с ней уровне. При этом пар может получить дополнительную энергию, а значит, и повысить температуру, но только в замкнутом пространстве, например, в скороварке.

Факты и причины

С кипячением воды иногда возникают сложности и вопросы:

Почему иногда подпрыгивает крышка?

В некоторых случаях крышка чайника подпрыгивает во время кипения в нем воды.

Причин этому бывает несколько:

Вода сразу же перестает кипеть?

Процесс кипения динамичен – требует постоянного подвода энергии для поддержки заданной температуры.

Электрический чайник не доводит влагу до кипения?

Причин того, почему электрический чайник выключается, не доводя воду до кипения, может быть несколько:

Кроме того, если используется стандартный чайник, причиной того, почему вода в нем нагревается, но никак не может закипеть, является неисправность самого электронагревательного прибора.

Заключение

Закипание воды в чайнике зависит прежде всего от атмосферного давления и наличия растворенных солей. Стандартно кипение происходит при 100С. На время закипания влияет объем, свойства материала и характеристики конструкции емкости, тип и мощность нагревательного элемента.

Перед закипанием шум затихает, а пузыри увеличиваются в размере и достигают поверхности. При этом пар, образующийся из чайника, имеет одинаковую с кипящей водой температуру.

Источник

Температура кипения воды: этапы закипания жидкости

Кипение — это быстрое испарение жидкости, происходящее, когда жидкость нагревается до определенной температурной точки. При температуре кипения давление паров жидкости равно давлению, оказываемому на жидкость окружающей атмосферой. Чем выше давление, тем выше температура кипения.

Кипячение воды используется как способ ее обеззараживания. Чувствительность различных микроорганизмов к теплу изменяется, но если вода удерживается при 70° C (158° F) в течение десяти минут, многие организмы погибают, но некоторые из них более устойчивы к теплу и требуют одной минуты при температуре кипения воды.

Также кипячение применяется для приготовлении пищи. Продукты, пригодные для варки, включают в себя:

Температура закипания воды

Существует два основных типа кипения воды: первоначальное, когда образуются небольшие пузырьки пара в отдельных точках, и критический тепловой поток, где кипящая поверхность нагревается выше некоторой критической температуры, и на поверхности образуется пленка пара. Переходное кипение является промежуточной, неустойчивой формой с элементами обоих типов.

Температура кипящей воды обычно считается равной 100° C или 212° F при давлении 1 атмосферы (уровень моря). Однако, это значение не является константой. Многое зависит от атмосферного давления, которое изменяется в зависимости от высоты. Также на точку вскипания влияют такой фактор, как изменение состава воды.

Например, в городе Денвере, штат Колорадо, США, который находится на высоте около одной мили над уровнем моря, вода кипит приблизительно при 95° C или 203° F. Аналогичным образом, увеличение давления, как в скороварке, повышает температуру содержимого выше точки вскипания под открытым небом.

Добавление водорастворимого вещества, такого как соль или сахар также увеличивает градус закипания. При приемлемых концентрациях эффект очень мал и отличие трудно заметить. Однако, добавив достаточное количество соли или сахара, можно заметить повышение температуры кипячения. Из-за изменений в составе и давлении точка кипения почти никогда не составляет точно 100° C.

Стадии кипячения воды

Выделяется три стадии:

Если поверхностное нагревание жидкости значительно сильнее, чем внутри нее, тогда тонкий слой пара, который имеет низкую теплопроводность, изолирует поверхность. Это состояние паровой пленки, изолирующей поверхность от жидкости, характеризует кипение пленки.

Использование кипячения как метода

Как метод дезинфекции воды, кипячение ее при 100° C (212° F), является самым старым и наиболее эффективным способом, поскольку оно не влияет на вкус, эффективно, несмотря на наличие загрязнений или частиц, присутствующих в нем, и представляет собой одноступенчатый процесс, который устраняет большинство микробов. Рекомендуется только в качестве метода экстренной помощи или для получения питьевой воды в пустыне или в сельской местности, поскольку кипячение не может удалить химические токсины или примеси.

Кипячение также часто используется для удаления излишней соли из определенных продуктов, таких как бекон.

Контраст с испарением

При любой заданной температуре все молекулы в жидкости не имеют одинаковой кинетической энергии. Некоторые частицы на поверхности жидкости могут иметь достаточную энергию для выхода из межмолекулярных связей и стать газом. Это называется испарением.

Испарение происходит только на поверхности, а кипячение происходит по всей жидкости. Когда жидкость достигает своей точки кипения, в ней образуются пузырьки газа, которые поднимаются на поверхность и вырываются из нее в воздушное пространство.

Видео

Интересный эксперимент с водой вы можете увидеть в этом видео.

Источник

Кипение воды: почему, как и когда

Кипение воды — довольно обыденный, но от этого не менее интересный процесс. В этой статье опишем:

Механизм кипения

Кипение — процесс парообразования, то есть перехода вещества из жидкой фазы в газообразную. От испарения кипение отличается тем, что процесс парообразования происходит не только на поверхности, но и по всему объёму жидкости. И если испарение происходит при любой температуре, то кипение — при строго определенной температуре (которая называется температурой кипения) и давлении.

Что же происходит с водой при кипячении?

Для того чтобы жидкость закипела, нужно чтобы ей было куда испаряться (так называемые центры кипения). Конечно, жидкость может испаряться с поверхности, но этот процесс не является кипением. Для кипения необходимо что-то, куда жидкость могла бы испаряться внутри своего объёма — пустое пространство. Как правило, это растворённый в жидкости воздух, который располагается, например, в мельчайших неровностях тары. Также часто пузыри воздуха находятся в порах накипи в чайнике.

Итак, мы имеем воду и растворенные в ней пузырьки (помимо воздуха, там находится насыщенный пар, поскольку в этот пузырёк происходит испарение). Что происходит при нагревании? При увеличении температуры увеличивается объём пузырьков. Под действием силы Архимеда (которая гласит, что на тело, погружённое в жидкость действует выталкивающая сила, равная весу объёма жидкости, вытесненного телом) они отрываются от внутренней поверхности сосуда и начинают всплывать.

Всплывая, пузырек попадает в верхние слои жидкости, которые ещё недостаточно прогрелись. В результате этого давление в пузырьке падает, и он схлопывается. В этом случае слышатся характерные щелчки, называемые кавитационными. Их слышно, когда вода только начинает закипать, но ещё не вскипела.

Когда все слои жидкости достаточно прогреются, пузырьки перестают схлопываться и всплывать на поверхность. Вода начинает булькать.

Существует такое понятие, как перегретая вода. Это такое ее состояние, когда она достигла температуры кипения, но не может закипеть в связи с отсутствием центров кипения (такое бывает с очень чистой водой). Вызвать кипение этой воды можно поместив в неё какое-либо тело, например, ложку в кастрюлю, или насыпав туда сахар.

Еще одно интересное свойство воды — это кипение без нагрева. Как вызвать кипение воды, не нагревая ее? Нужно понизить давление пара (например, откачать из плотно закрытой тары воздух).

Температура закипания воды

Температура кипения характерна для каждого вещества и зависит не только от вида жидкости, но и от атмосферного давления воздуха. В процессе кипения температура воды остаётся постоянной и равняется температуре кипения, поскольку вся энергия затрачивается на парообразование.

В нормальных условиях точка кипения воды составляет 100 градусов Цельсия или 212 градусов по Фаренгейту.

Как изменить температуру кипения

В некоторых случаях возникает необходимость изменить температуру кипения воды. Можно как понизить, так и повысить ее.

Влияние давления

Интересно проследить процесс кипения воды в зависимости от высоты над уровнем моря.

При температуре кипения давление насыщенного пара равняется внешнему (то есть атмосферному давлению). Следовательно, изменяя внешнее давления, можно влиять на температуру кипения. Изменить давление можно, например, поднявшись высоко в горы. Атмосферное давление станет ниже, чем в обычной ситуации. И температура кипения воды станет ниже.

На вершине Эвереста давление настолько низкое, что вода закипает при 60 градусах. При такой температуре уже невозможно готовить, поэтому для питания в горах берут с собой готовую пищу.

Можно не только понижать, но и повышать температуры кипения воды. Для этого используют специальные приспособления. Например, для этой цели предназначена посуда, которая в быту называется скороваркой. Представляет она из себя кастрюлю с толстыми стенками и плотно прилегающей крышкой. В крышке имеется клапан с грузиком, выпускающий лишний пар.

В закрытом сосуде давление будет складываться из атмосферного давления и давления пара, который находится над жидкостью. Таким образом, общее внешнее давление станет больше и это позволит поднять температуру кипения. Однако слишком высоко поднимать давление опасно, поскольку это может вызвать разрыв тары. Чтобы это предотвратить и существует клапан, который выпускает лишний пар, когда давление становится слишком высоким.

Есть подобное устройство, которое позволяет нагревать жидкость ещё сильнее чем в скороварке. На профессиональном языке это устройство называется автоклав. Чаще всего его используют для стерилизации.

Кипение соленой воды

Согласно второму закону Рауля соленая вода (в том числе морская, а также минеральная вода) должна кипеть при более высокой температуре чем пресная. Происходит это по ряду причин. Упрощенно эту теорию можно объяснить так: в соленой жидкости молекулы h2o связываются с ионами соли. Этот процесс называется гидратацией. В результате этого процесса образуются крепкие связи, которые сильнее, чем связи между молекулами воды в несоленой жидкости. Поэтому молекулам солёной воды нужна большая температура (и соответственно больше времени) на закипание, чем молекулам пресной воды.

Температура пара

В обычных условиях температура пара равняется температуре воды. Как мы уже выяснили, температура кипящей воды — это постоянная величина, поскольку вся энергия расходуется на парообразование и более сильного нагрева, чем температура кипения, не происходит. Температура пара равняется температуре воды, поскольку ничего его более не нагревает. А вот если нагреть пар отдельно от воды, то температура его повысится, и мы получим так называемый перегретый пар. Перегретый пар становится невидим и может быть очень опасен для человеческого здоровья.

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия нагретого водяного пара активно используется в промышленности. В частности, на основе энергии пара работает такое устройство как паровая турбина. Она представляет собой насаженный на вал массивный диск, на котором закреплены лопасти. На эти лопасти поступает пар, нагретый в паровом котле и имеющий температуру около 600 градусов. Этот пар расширяется в сопло, происходит превращение его внутренней энергии в кинетическую энергию направленного движения. Струя пара, обладающая большой кинетической энергией поступает из сопло на лопасти турбины, приводя турбину во вращение.

Уменьшение времени приготовления пищи

Для того чтобы уменьшить время приготовления пищи, достаточно увеличить температуры кипения жидкости. А как это можно сделать, выше уже было сказано. Отлично для этого подойдут такие популярные кухонные принадлежности как скороварка и мультиварка. Каждое из этих устройств плотно закрывается крышкой, что позволяет увеличить давление и температуру кипения. А специальный клапан удалит излишки пара. Необходимо понимать, что клапан ни в коем случае нельзя закрывать, поскольку это может вызвать разрыв посуды.

Использование кипячения как метода очистки

Кипячение является популярным методом очистки воды. Однако нужно понимать, что далеко не все бактерии и примеси уничтожаются при обычных ста градусах. Поэтому в очистке воды не стоит полагаться на одно только кипячение.

Кроме того, кипячение длительное время являлось основным методом стерилизации медицинских инструментов. И для этой цели кипячение при нормальных условиях не является эффективным.

Кипячение можно использовать для очистки предметов (в том числе посуды, кухонных поверхностей) от загрязнений. Кипяток хорошо расплавляет многие вещества. Какие же вещества можно расплавить в кипящей воде? Все вещества, имеющие температуру плавления ниже 100 градусов Цельсия. А это, в частности, многие жиры.

Источник

Температура кипения воды в зависимости от давления: 4 фактора, таблица для расчёта

Многие люди думают, что температура кипения воды составляет 100°C. Однако этот показатель может меняться в зависимости от атмосферного давления.

Например, на горе Эверест на подъеме 8842 метра над уровнем моря вода закипит при +70°C. А в глубокой шахте при достижении температуры + 103°C

В данной статье мы выясним, как будет меняться температура кипения воды в зависимости от давления: в горах, шахте, вакууме. Рассмотрим особенности процесса кипячения с точки зрения физики и химии.

Как будет меняться температура кипения воды: 4 фактора

Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.

Стоит отметить, что она всегда остается неизменной. Поэтому, если увеличить огонь под кипящей кастрюлей с водой, выкипать будет быстрее, но температура при этом не увеличится, так как средняя кинетическая энергия молекул остаётся неизменной.

Рассмотрим 4 фактора, которые влияют на изменение t°:

Рассмотрим более подробно каждый из факторов.

Влияние атмосферного давления

Согласно исследованиям и уравнению Клапейрона — Клаузиуса, градус кипения напрямую зависит от атмосферного давления. С его ростом температура кипения увеличивается, а с уменьшением, наоборот, становится все ниже и ниже.

Атмосферное давление — это давление атмосферы, действующее на все находящиеся на ней предметы и земную поверхность. Оно может меняться в зависимости от места и времени и измеряется барометром.

При нормальном атмосферном давлении 760 мм ртутного столба вода кипит при + 100 °C

В горной местности давление уменьшается, а под землей (в шахте) увеличивается.

Для наглядности предоставлена таблица № 1 из большого химического справочника, источник: Волков А. И, Жарский И. В.

Таблица № 1. «Температура кипения воды от давления».

Единицы измерения давления в таблице: кПа.

1 кПа = 1000 Па = 0,00986923 атм = 7, 50062 мм. рт. ст

Нормальное атмосферное давление составляет 765 мм. РТ. Ст. = 101,325 Р, кПа

Температура кипения в горах

При подъеме над поверхностью Земли (в горах), температура кипения воды падает, так как снижается атмосферное давление (на каждые 10, 5 м на 1 мм РТ. С). Пузырькам легче всплывать – процесс происходит быстрее.

Поэтому высоко в горах альпинисты не могут приготовить нормальную пищу, а используют законсервированные продукты.

Для варки мяса, как и других продуктов, нужны привычные 100 градусов. В обратном случае все компоненты бульона просто останутся сырыми.

Таблица № 2. «Как будет меняться t° кипения с высотой».

Температура кипения воды в шахте

Если спуститься в шахту, то давление будет увеличиваться.

Применение герметической крышки

Герметичные крышки не позволяет образовавшемуся пару ускользнуть. В среднем температура закипания воды увеличивается от 5-20 градусов.

В хозяйстве для приготовления блюд часто используют кастрюли, сковородки с герметичной крышкой. Таким образом, уменьшается время приготовления пищи за счет высокой температуры, а блюда получаются более вкусными. В горных районах с низким давлением это необходимая вещь для приготовления пищи. Так же используют мультиварки и сотейники.

Кипячение воды в вакууме

Вакуум — это среда с газом, с пониженным давлением.

Температура кипения воды в вакууме зависит от того, какое давление в нём.

Разные виды вакуумов поддерживают разное давление. Например, в низком вакууме давление составляет от 760 до 25 мм. РТ. Ст. В абсолютном вакууме давление полностью отсутствует. Для точного расчета нужно знать модель вакуума и давление, которое он поддерживает.

Кипение солёной воды

Солёная вода закипает при более высокой температуре за счет своих свойств.

Соль увеличивает плотность воды, соответственно на процесс требуется больше времени.

t° повышается примерно на 1 градус при добавлении 40 грамм соли на литр воды.

Температура кипения воды в чайнике

Чистая пресная вода закипает в чайнике при t° 100 градусов °C при условиях нормального атм. давления 760 мм ртутного столба.

Удельная теплоемкость

Удельной теплоемкостью вещества называется количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг этого вещества, чтобы его температура изменилась на 1 градус Цельсия.

Это количество теплоты необходимое для нагревания массы вещества на один градус.

формула удельной теплоемкости

С — удельная теплоемкость;

— масса нагреваемого охлаждающегося вещества;

— ΔT — разность конечной и начальной температур вещества.

Процесс кипячения воды: 3 основных стадии

Кипение – это интенсивное парообразование, которое происходит при нагревании жидкости по всему объёму при определённой температуре.

Весь процесс кипения воды сопровождается выделением пара. Это одно из состояний воды. При парообразовании температура пара и воды остаются постоянными до тех пор, пока жидкость не изменит свое агрегатное состояние. Это явление объясняется тем, что при кипении вся энергия расходуется в преобразование воды в пар.

В воде растворены молекулы воздуха (газов). При нагревании газ превращается в воздушные пузырьки. При достижении достаточной температуры они лопаются, создаётся характерный шум.

Процесс можно разделить на 3 стадии:

Что такое кипячёная вода?

Это вода, ранее доведенная до температуры кипения. Сырая вода в своем составе может содержать различные бактерии, микроорганизмы. В водопроводе больших городов много хлора и различных других химических веществ. Процесс кипячения обезвреживает многие микробы. Однако не все бактерии и тяжёлые металлы убиваются в кипящей воде, поэтому питьевая вода происходит предварительную проверку пригодности.

Выводы и рекомендации

Кипячение необходимый процесс для человечества. С помощью него приготавливают пищу, стирают загрязненную одежду, проводят дезинфекцию.

Градус кипения напрямую зависит от давления, свойств воды и емкости.

Источник