Кипение воды довольно обыденный, но от этого не менее интересный процесс. В этой статье опишем:
- почему вода кипит;
- как ведёт себя закипающая вода и откуда появляются хлопки перед закипанием;
- сколько градусов составляет кипящая вода;
- какая вода закипит быстрее: соленая или пресная и от чего это зависит.
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.
(Пока оценок нет)
Загрузка...