Кипение воды при пониженном давлении объяснение
Внимание! Администрация сайта rosuchebnik.ru не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.
- Участник: Ярославцев Максим Александрович
- Руководитель: Трубенко Фаина Ивановна
Опыт 1. А.В. Перышкин. Физика 8, § 18.
Техника безопасности | Правила безопасности при работе со спиртовкой и стеклянной посудой. | ||
Цель эксперимента | Наблюдать процесс кипения воды и описать основные явления, которые сопровождают процесс кипения воды. | ||
Гипотеза: | Процесс кипения сопровождается рядом удивительных явлений | ||
Оборудование: | Фото | ||
| | ||
Описание опыта | Результаты опыта | Объяснение | |
В лапке штатива закрепляем колбу с водой, снизу поместим спиртовку. Зажигаем спиртовку и наблюдаем за процессами, происходящими в колбе. | 1. Идет обильное испарение с поверхности жидкости, над горлышком колбы образуется туман. | 1. Пар невидимый, но при попадании в холодную среду (наружный воздух) происходит конденсация пара и образуется туман. | |
2. На внутренней поверхности стенок образуются и начинают расти пузырьки. | 2. Пузырьки содержат воздух, растворенный в воде и водяной пар, который образуется за счет испарения воды внутрь пузырьков. | ||
3. Пузырьки увеличиваются в размерах, отрываются от стенок колбы, поднимаются вверх и исчезают. | 3.В холодных непрогретых слоях воды происходит конденсация пара. | ||
4. Возникает шум предшествующий закипанию воды. | 4. Шум вызван попеременным уменьшением и увеличением пузырьков в размерах, вода постепенно полностью прогревается. | ||
5. Пузырьки всплывают на поверхность, лопаются, слышно как булькает вода, кипит. | 5.Пузырьки всплывают на поверхность под действием архимедовой силы, насыщенный пар из пузырьков выбрасывается в атмосферу. | ||
Опыт 2. Кипение воды при пониженном давлении
Жидкость закипит, если давление насыщенного пара в пузырьках будет больше суммы гидростатического давления жидкости и атмосферного давлении:
рнас. п. > ρgh + ратм.
Из этого выражения вытекает, что изменив внешнее давление над водой можно изменить температуру кипения воды: при уменьшении внешнего давления температура кипения понижается, а при увеличении давления — повышается. Докажем этот вывод на опыте.
| Техника безопасности | Правила безопасности при работе со стеклянной посудой | ||
Цель эксперимента | Наблюдать процесс кипения воды в условиях пониженного давления | ||
Гипотеза: | При уменьшении внешнего давления температура кипения понижается | ||
Опыт 2 | |||
Оборудование: | Фото | ||
| | ||
Описание опыта | Результаты опыта | Объяснение | |
А) Измеряем начальную температуру в колбе. | Начальная температура воды 30 °С. | Когда из колбы выкачиваем воздух, то давление над жидкостью уменьшается, процесс роста пузырьков начинается при меньшем давлении, что сказывается на понижение температуры кипения. | |
б) В лапке штатива закрепляем колбу с водой, закрываем резиновой пробкой со стеклянной трубкой. Соединим с помощью резинового шланга колбу с насосом. Из колбы выкачиваем воздух. | В воде образуются пузырьки, они поднимаются на поверхность воды, лопаются, вода закипает | ||
в) Измеряем температуру воды после кипения. | Конечная температура воды 29 °С (понижение температуры вызвано теплоотдачей воды окружающей среде). | ||
Опыт 3. Задача № 862 (снег заменен холодной водой)
(А.Е. Марон, Е.А. Марон, С. В. Позойский. Сборник вопросов и задач Физика 7-9 к учебнику А.В. Перышкина)
Оборудование: | Фото | ||
| | ||
Описание опыта | Результаты опыта | Объяснение | |
В колбе доведем воду до кипения. Убираем спиртовку, закрываем колбу плотно резиновой пробкой. Переворачиваем колбу с водой, надежно ее закрепляем в лапке штатива. Сверху колбу обливаем холодной водой | В воде образуются пузырьки воздуха, вода закипает. | Холодная вода охлаждает горячий воздух над водой в колбе, его давление над жидкостью уменьшается. Вода кипит при температуре ниже 100°С. | |
Применение рассматриваемого явления на практике. |
|
Природные явления | Гейзеры – одно из самых удивительных явлений природы, это периодически фонтанирующие источники горячей воды с паром. |
Интересные факты в рассматриваемом явлении | Интересная задача из задачника 861(опыт со шприцем). Ее можно продемонстрировать на оборудовании L-микро. Наблюдение кипения спирта: пробирку со спиртом помещают в сосуд с кипящей водой, фиксируют температуру кипения воды, с помощью шприца повышают давление над спиртом, на графике при этом видно увеличение температуры кипения спирта (в углу графика t кип. при обычном и повышенном давлениях). |
Кипение дистиллированной воды. Дистиллированная вода – это очищенная вода H2O, в которой практически не содержится каких-либо примесей. В чистую колбу наливаем дистиллированную воду и начинаем нагревать на медленном огне. С помощью электронного термометра измеряем температуру пара над водой (рис.1). Видим, что при температуре 100 °С вода не кипит. Убираем спиртовку, и в перегретую воду бросим кусочки мела (рис.2), на ее поверхности сразу образуются пузырьки. Видим бурное закипание воды (рис.3). рис. 1 рис.2 рис.3 | |
|
Ссылка на видео https://cloud.mail.ru/public/4k82/e7MeqkpeB (Облако Mail.Ru)
Видео содержит все фрагменты:
- Кипение воды;
- Кипение при пониженном давлении (с помощью насоса и холодной воды);
- Кипение дистиллированной воды.
Тема: Тепловые явления
Источник
Описание:
Кипение — процесс интенсивного парообразования, проходящий при определённой температуре — температуре кипения.
Все мы прекрасно знаем, что вода закипает при температуре 100˚С. Почему же жидкости закипают?
Всё дело в микропузырьках газа, которые находятся внутри жидкости. В ходе нагревания внутри этих пузырьков начинает накапливаться пар. С увеличением температуры количество пара внутри пузырьков растёт и пузырьки начинают увеличиваться.
В момент, когда давление внутри пузырька сравнивается с наружным давлением, пузырёк отрывается от стенки сосуда и поднимается вверх. На поверхности жидкости он лопается и выпускает накопленный пар во внешнюю среду (при этом выпущенный пар «уносит» с собой часть энергии, тем самым охлаждая жидкость). Таким образом кипение при постоянном давлении может происходить только при определённой температуре.
Если же мы увеличим интенсивность нагрева жидкости, то количество пузырьков увеличиться и кипение будет протекать более интенсивно, а значит пар будет «уносить» ещё большее количество энергии, тем самым мешая дальнейшему повышению температуры жидкости. В таком равновесном состоянии жидкость будет находиться вплоть до полного её выкипания.
Если простыми словами, то: как бы вы не увеличивали огонь под кастрюлей с водой (хоть пионерский костер под ней разложите), температура воды в кастрюле не увеличится, если она уже закипела. Эта температура (температура кипения) будет оставаться постоянной, а увеличится только скорость кипения.
А можно ли изменить температуру кипения?
Можно! Температура кипения напрямую зависит от внешнего давления. При понижении давления время насыщения пузырьков паром уменьшиться (потому что им нужно «накачаться» до меньшего давления), а это значит, что пузырьки начнут всплывать активнее и кипение будет происходить при более низкой температуре!
Как же вскипятить воду при комнатной температуре? Очень просто! Для этого нужно лишь понизить внешнее давление до 0,04 атмосферного. Жаль только, что чай в таком кипятке завариться не сможет.
С подобной проблемой сталкиваются альпинисты: на высоте 2 километров над уровнем моря, вода начинает закипать при температуре 95 ˚С, а на высоте 5 километров при температуре 83 ˚С. В таком кипятке приготовление пищи значительно затягивается, а варка некоторых продуктов становится в принципе невозможной. (еда приготавливается из-за высокой температуры, а не от кипения)
Объяснение опыта:
В данном случае, с помощью специального насоса, из склянки с водой откачивается воздух. При этом давление внутри склянки падает. Чем ниже давление – тем заметнее становятся пузырьки внутри жидкости. Когда же давление уменьшается примерно до 0,04 атмосферного – жидкости внутри склянки закипает.
Это интересно:
А вы знали, что скороварки также работают благодаря связи температуры кипения жидкости с внешним давлением? В отличие от нашего опыта, в скороварках используется обратный принцип работы: давление внутри скороварки умышленно повышается, что приводит к увеличению температуры кипения. Таким образом пища готовиться гораздо быстрее, нежели при использовании привычных нам кастрюль.
Закипятить воду при комнатной температуре может каждый из вас в домашних условиях. Для этого достаточно налить в медицинский шприц немного воды и, заткнув пальцем выходное отверстие, оттянуть поршень. Давление в шприце понизится и образуются пузырьки по всему объему жидкости – вода закипела.
Источник
Кипение – процесс перехода вещества из жидкого в газообразное состояние (парообразование в жидкости). Кипение не является испарением: оно отличается тем, что может происходить только при определенном давлении и температуре.
Кипячение – нагревание воды до температуры кипения.
- Как происходит процесс кипения воды?
- Температура пара при кипении воды
- Температура кипения соленой воды
- Температура кипения воды в вакууме при различном давлении
- Температура кипения воды в вакууме
- Температура кипения воды в чайнике
- Температура кипения воды в горах
- Температуры кипения воды на разных высотах
- Температура кипения дистиллированной воды
- Удельная теплота кипения воды
Как происходит процесс кипения воды? ^
Кипение воды является сложным процессом, который происходит в четыре стадии. Рассмотрим пример кипения воды в открытом стеклянном сосуде.
На первой стадии кипения воды на дне сосуда появляются небольшие пузырьки воздуха, которые также можно заметить и на поверхности воды по бокам.
Эти пузырьки образуются в результате расширения небольших пузырей воздуха, которые находятся в мелких трещинах сосуда.
На второй стадии наблюдается увеличение объема пузырьков: все больше пузырьков воздуха рвется на поверхность. Внутри пузырьков находится насыщенный пар.
Как только повышается температура, возрастает давление насыщенных пузырьков, в результате чего они увеличиваются в размере. Как следствие, повышается действующая на пузыри архимедова сила.
Именно благодаря этой силе пузырьки стремятся к поверхности воды. Если верхний слой воды не успел прогреться до 100 градусов С (а это и есть температура кипения чистой воды без примесей), то пузырьки опускаются вниз в более горячие слои, после чего они снова устремляются назад на поверхность.
Ввиду того, что пузыри постоянно уменьшаются и увеличиваются в размере, внутри сосуда возникают звуковые волны, которые создают характерный для кипения шум.
На третьей стадии на поверхность воды поднимается огромное количество пузырьков, что вначале вызывает небольшое помутнение воды, которая затем «бледнеет». Данный процесс продолжается недолго и имеет название «кипение белым ключом».
Наконец, на четвертой стадии кипения вода начинает интенсивно бурлить, появляются большие лопающиеся пузыри и брызги (как правило, брызги означают, что вода сильно перекипела).
Из воды начинает образовываться водяной пар, при этом вода издает специфические звуки.
Почему «цветут» стены и «плачут» окна? Очень часто в этом виноваты строители, неправильно рассчитавшие точку росы. Читайте статью Точка росы: определение чтобы узнать, насколько это важное физическое явление, и как все-таки избавиться от излишней сырости в доме?
Какую пользу может принести талая вода для желающего похудеть? Об этом вы узнаете прямо тут, оказывается, худеть можно без особых усилий!
Температура пара при кипении воды ^
Пар – это газообразное состояние воды. Когда пар поступает в воздух, то он, как и другие газы, оказывает на него определенное давление.
В процессе парообразования величина температуры пара и воды будет оставаться постоянной до тех пор, пока не испарится вся вода. Такое явление объясняется тем, что вся энергия (температура) направлена на превращение воды в пар.
В данном случае образуется сухой насыщенный пар. Высокодисперсные частицы жидкой фазы в таком паре отсутствуют. Также пар может быть насыщенным влажным и перегретым.
Насыщенный пар с содержанием взвешенных высокодисперсных частиц жидкой фазы, которые равномерно распределены по всей массе пара, называется влажным насыщенным паром.
В начале закипания воды образуется именно такой пар, который затем переходит в сухой насыщенный. Пар, температура которого больше температуры кипящей воды, а точнее перегретый пар, можно получить только с использованием специального оборудования. При этом такой пар будет близок по своим характеристикам к газу.
Температура кипения соленой воды ^
Температура кипения соленой воды превышает температуру кипения пресной воды. Как следствие соленая вода закипает позднее пресной. В соленой воде присутствуют ионы Na+ и Cl-, которые занимают определенную область между молекулами воды.
В соленой воде молекулы воды присоединяются к ионам соли – данные процесс имеет название «гидратация». Связь между молекулами воды значительно слабее связи, образовавшейся в процессе гидратации.
Поэтому при кипении из молекул пресной воды парообразование происходит быстрее.
На закипание воды с растворенной солью потребуется больше энергии, в качестве которой в данном случае выступает температура.
По мере увеличения температуры молекулы в соленой воде начинаются двигаться быстрее, но при этом их становится меньше, ввиду чего они сталкиваются реже. В результате образуется меньше пара, давление которого ниже, нежели у пара пресной воды.
Для того чтобы в соленой воде давление стало выше атмосферного и начался процесс кипения, необходима более высокая температура. При добавлении 60 граммов соли в воду объемом 1 литр температура кипения увеличится на 10 С.
Температура кипения воды в вакууме при различном давлении ^
Давление (P) — кПа | Температура (t) — °С |
10 | 45.82 |
20 | 60.07 |
30 | 69.11 |
40 | 75.88 |
50 | 81.34 |
60 | 85.95 |
70 | 89.96 |
80 | 93.51 |
Температура кипения воды в вакууме ^
Известно, что при нормальном атмосферном давлении вода закивает при температуре 100 градусах C. Нормальное атмосферное давление составляет 101,325 кПа.
При снижении окружающего давления вода закипает и испаряется быстрее. Вакуум – свободное от вещества пространство. Технический вакуум – среда, содержащая газ под давлением, которое значительно ниже атмосферного.
В вакууме остаточное давление составляет примерно 4 кПа. При таком показателе давления точкой кипения воды будет 300 С. Чем выше давление в вакууме, тем больше величина температуры кипения воды.
Температура кипения воды в чайнике ^
Кипяток – вода, доведенная до температуры кипения. Как правило, для получения кипятка используются чайники. Остывшая вода, прежде доведенная до кипения, называется кипяченой.
В процессе кипения воды обильно выделяется пар. Процесс парообразования сопровождается выделением из состава жидкости свободных молекул кислорода. Чистая пресная вода закипает в чайнике при температуре 100 градусов С.
В кипятке погибает большинство болезнетворных бактерий за счет длительного воздействия высокой температуры на воду. При кипении из солей, содержащихся в жесткой воде, образуется осадок, который известен нам как накипь.
Обычно кипяченую воду применяют для заваривания кофе и чая, а также для дезинфекции овощей и фруктов и т.д.
Хороший способ поправить свое здоровье — это пить минеральную воду. Узнайте больше про щелочные минеральные воды Украины названия которых наиболее известны, насколько они полезны, сколько стоят? Это интересно!
Какие сейчас цены на насосы для повышения давления воды, и как определить, стоит ли он своих денег? Об этом можно прочитать здесь, сделайте правильный выбор!
Кстати, а вы знаете, какой состав у морской воды? Об этом можно прочитать в статье:
https://pro8odu.ru/vidy-vody/seawater/pochemu-nelzya-pit-morskuyu-vodu.html, это очень интересно!
Температура кипения воды в горах ^
Как уже упоминалось выше, величина температуры кипения воды напрямую зависит от внешнего давления. Чем ниже будет атмосферное давление, тем меньше станет показатель температуры кипения.
Известно, что атмосферное давление значительно падает над уровнем моря. Поэтому в горах давление будет намного ниже, чем на уровне моря.
Чем выше горы, тем ниже атмосферное давление, и соответственно тем ниже температура кипения воды.
Любой альпинист знает, что в горах сложно заварить чай, поскольку вода недостаточно нагревается. Также в горах требуется больше времени, чтобы сварить пищу.
Поэтому была составлена специальная таблица, отражающая температуру закипания воды в зависимости от высоты.
Температуры кипения воды на разных высотах ^
Высота над уровнем моря (метры) | Температура закипания воды (0С) |
100.0 | |
500 | 98.3 |
1000 | 96.7 |
1500 | 95.0 |
2000 | 93.3 |
2500 | 91.7 |
3000 | 90.0 |
3500 | 88.3 |
4000 | 86.7 |
4500 | 85.0 |
5000 | 83.8 |
6000 | 80 |
Данные показатели могут меняться, если в состав воды входят примеси. При наличии нелетучих примесей температура кипения воды будет увеличиваться.
Температура кипения дистиллированной воды ^
Дистиллированная вода – это очищенная вода H2O, в которой практически не содержится каких-либо примесей. Обычно ее используют в медицинских, технических или исследовательских целях.
Дистиллированная вода не предназначена для питья или приготовления пищи. Такую воду производят в специальном оборудовании – дистилляторах, где происходит выпаривание пресной воды и последующая конденсация пара.
Данный процесс называется «дистилляция». После дистилляции все присутствовавшие в воде примеси остаются в выпаренном остатке.
Температура кипения дистиллированной воды будет такой же, как и у обычной водопроводной воды — 100 градусов Цельсия. Разница же заключается в том, что дистиллированная вода будет закипать быстрее по времени, нежели пресная.
Однако этот показатель практически не отличается от времени закипания обычной воды: разница состоит в считанных долях секунды.
Удельная теплота кипения воды ^
Удельная теплота кипения воды или парообразования – это физическая величина, отражающая количество теплоты, необходимое для превращения 1 л кипящей воды в пар.
Процесс кипения воды, как и любого другого вещества, происходит с поглощением теплоты. Значительная часть проводимой теплоты необходима для разрыва связей между молекулами воды.
Другая часть теплоты расходуется на процессы, происходящие при расширении пара. В результате поглощения теплоты увеличивается энергия взаимодействия между частицами пара.
Эта энергия становится больше энергии взаимодействия молекул воды. Таким образом, при одинаковой температуре внутренняя энергия пара становится выше внутренней энергии жидкости.
Единица удельной теплоты парообразования в системе СИ: [ L] = 1 Дж/кг.
Удельная теплота испарения воды равна 2260 кДж/кг.
Небольшое видео — измерение температуры кипения воды:
Источник
