Закипание воды при повышенном давлении

Зависимость температуры кипения от давления

Температура кипения воды равна 100 °C; можно подумать, что это неотъемлемое свойство воды, что вода, где бы и в каких условиях она ни находилась, всегда будет кипеть при 100 °C.

Но это не так, и об этом прекрасно осведомлены жители высокогорных селений.

Вблизи вершины Эльбруса имеется домик для туристов и научная станция. Новички иногда удивляются, «как трудно сварить яйцо в кипятке» или «почему кипяток не обжигает». В этих случаях им указывают, что вода кипит на вершине Эльбруса уже при 82 °C.

В чем же тут дело? Какой физический фактор вмешивается в явление кипения? Какое значение имеет высота над уровнем моря?

Этим физическим фактором является давление, действующее на поверхность жидкости. Не нужно забираться на вершину горы, чтобы проверить справедливость сказанного.

Помещая подогреваемую воду под колокол и накачивая или выкачивая оттуда воздух, можно убедиться, что температура кипения растет при возрастании давления и падает при его уменьшении.

Вода кипит при 100 °C только при определенном давлении – 760 мм Hg.

Кривая температуры кипения в зависимости от давления показана на рис. 98. На вершине Эльбруса давление равно 0,5 атм, этому давлению и соответствует температура кипения 82 °C.

А вот водой, кипящей при 10–15 мм Нg, можно освежиться в жаркую погоду. При этом давлении температура кипения упадет до 10–15 °C.

Можно получить даже «кипяток», имеющий температуру замерзающей воды. Для этого придется снизить давление до 4,6 мм Hg.

Интересную картину можно наблюдать, если поместить открытый сосуд с водой под колокол и откачивать воздух. Откачка заставит воду закипеть, но кипение требует тепла. Взять его неоткуда, и воде придется отдать свою энергию. Температура кипящей воды начнет падать, но так как откачка продолжается, то падает и давление. Поэтому кипение не прекратится, вода будет продолжать охлаждаться и в конце концов замерзнет.

Такое кипение холодной воды происходит не только при откачке воздуха. Например, при вращении гребного корабельного винта давление в быстро движущемся около металлической поверхности слое воды сильно падает и вода в этом слое закипает, т.е. в ней появляются многочисленные наполненные паром пузырьки. Это явление называется кавитацией (от латинского слова cavitas – полость).

Снижая давление, мы понижаем температуру кипения. А увеличивая его? График, подобный нашему, отвечает на этот вопрос. Давление в 15 атм может задержать кипение воды, оно начнется только при 200 °C, а давление в 80 атм заставит воду закипеть лишь при 300 °C.

Итак, определенному внешнему давлению соответствует определенная температура кипения. Но это утверждение можно и «перевернуть», сказав так: каждой температуре кипения воды соответствует свое определенное давление. Это давление называется упругостью пара.

Кривая, изображающая температуру кипения в зависимости от давления, является одновременно и кривой упругости пара в зависимости от температуры.

Цифры, нанесенные на график температуры кипения (или на график упругости пара), показывают, что упругость пара меняется очень резко с изменением температуры. При 0 °C (т.е. 273 K) упругость пара равна 4,6 мм Hg, при 100 °C (373 K) она равна 760 мм, т. е, возрастает в 165 раз. При повышении температуры вдвое (от 0 °C, т.е. 273 K, до 273 °C, т.е. 546 K) упругость пара возрастает с 4,6 мм Hg почти до 60 атм, т.е. примерно в 10000 раз.

Поэтому, напротив, температура кипения меняется с давлением довольно медленно. При изменении давления вдвое – от 0,5 атм до 1 атм, температура кипения возрастает от 82 °C (т.е. 355 K) до 100 °C (т.е. 373 K) и при изменении вдвое от 1 атм до 2 атм – от 100 °C (т.е. 373 K) до 120 °C (т.е. 393 K).

Та же кривая, которую мы сейчас рассматриваем, управляет и конденсацией (сгущением) пара в воду.

Превратить пар в воду можно либо сжатием, либо охлаждением.

Как во время кипения, так и в процессе конденсации точка не сдвинется с кривой, пока превращение пара в воду или воды в пар не закончится полностью. Это можно сформулировать еще и так: в условиях нашей кривой и только при этих условиях возможно сосуществование жидкости и пара. Если при этом не подводить и не отнимать тепла, то количества пара и жидкости в закрытом сосуде будут оставаться неизменными. Про такие пар и жидкость говорят, что они находятся в равновесии, и пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

Кривая кипения и конденсации имеет, как мы видим, еще один смысл – это кривая равновесия жидкости и пара. Кривая равновесия делит поле диаграммы на две части. Влево и вверх (к большим температурам и меньшим давлениям) расположена область устойчивого состояния пара. Вправо и вниз – область устойчивого состояния жидкости.

Кривая равновесия пар – жидкость, т.е. кривая зависимости температуры кипения от давления или, что то же самое, упругости пара от температуры, примерно одинакова для всех жидкостей. В одних случаях изменение может быть несколько более резким, в других – несколько более медленным, но всегда упругость пара быстро растет с увеличением температуры.

Уже много раз мы пользовались словами «газ» и «пар». Эти два слова довольно равноправны. Можно сказать: водяной газ есть пар воды, газ кислород есть пар кислородной жидкости. Все же при пользовании этими двумя словами сложилась некоторая привычка. Так как мы привыкли к определенному относительно небольшому интервалу температур, то слово «газ» мы применяем обычно к тем веществам, упругость пара которых при обычных температурах выше атмосферного давления. Напротив, о паре мы говорим тогда, когда при комнатной температуре и давлении атмосферы вещество более устойчиво в виде жидкости.

Следующая глава >

Содержание >

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.

Источник

Для чего человек начал кипятить воду перед её непосредственным употреблением? Правильно, чтобы обезопасить себя от многих болезнетворных бактерий и вирусов. Эта традиция пришла на территорию средневековой России ещё до Петра Первого, хотя считается, что именно он завёз первый самовар в страну и ввёл обряд неспешного вечернего чаепития. На самом деле некое подобие самоваров наш народ использовал ещё в древней Руси для приготовления напитков из трав, ягод и корений. Кипячение требовалось здесь в основном для извлечения полезных экстрактов растений, нежели для обеззараживания. Ведь в ту пору даже не было известно о микромире, где эти бактерии с вирусами обитают. Однако благодаря кипячению нашу страну обходили стороной мировые пандемии страшных заболеваний, таких как холера или дифтерия.

температура кипения воды в зависимости от давления

Шкала Цельсия

Великий метеоролог, геолог и астроном из Швеции Андерс Цельсий изначально использовал значение в 100 градусов для обозначения точки замерзания воды при нормальных условиях, а температура кипения воды была принята за нуль градусов. И уже после его смерти в 1744 году не менее известная личность, ботаник Карл Линней и приемник Цельсия Мортен Штремер, перевернули эту шкалу для удобства её использования. Однако, по другим сведениям, это сделал сам Цельсий незадолго до своей кончины. Но в любом случае стабильность показаний и понятная градуировка повлияли на повсеместное распространение её использования среди самых престижных на то время научных профессий — химиков. И, несмотря на то что в перевернутом виде отметка шкалы в 100 градусов устанавливала точку стабильного кипения воды, а не начала её замерзания, шкала стала носить имя первостепенного её создателя, Цельсия.

Ниже атмосферы

Однако не всё так просто, как кажется на первый взгляд. Взглянув на любую диаграмму состояния в P-T- или P-S-координатах (энтропия S функциональна от температуры в прямой зависимости), мы увидим, как тесно связаны между собой температура и давление. Так же и температура кипения воды в зависимости от давления меняет свои значения. И любому альпинисту прекрасно знакомо это свойство. Каждый, кто хоть раз в жизни постигал высоты свыше 2000-3000 метров над уровнем моря, знает, насколько тяжело дышится на высоте. Это из-за того, что чем выше мы поднимаемся, тем разреженнее становится воздух. Атмосферное давление падает ниже одной атмосферы (ниже н. у., то есть ниже «нормальных условий»). Падает и температура кипения воды. В зависимости от давления на каждой из высот она может закипать как при восьмидесяти, так и при шестидесяти градусах Цельсия.

100 градусов

Скороварки

Однако следует помнить, что хоть основные микробы и погибают при температурах выше шестидесяти градусов Цельсия, многие могут выжить при восьмидесяти и более градусах. Именно поэтому мы добиваемся кипячения воды, то есть доводим её температуру до 100 °С. Однако есть интересные кухонные приборы, позволяющие сократить время и нагреть жидкость до высоких температур, без её кипячения и потери массы посредством испарения. Понимая, что температура кипения воды в зависимости от давления может изменяться, инженеры из США на основе французского прототипа представили миру в 1920-х годах скороварку. Принцип её действия основан на том, что крышка плотно прижимается к стенкам, без возможности отвода пара. Внутри создаётся повышенное давление, и вода закипает при более высоких температурах. Однако такие девайсы довольно опасны и нередко приводили к взрыву и серьёзным ожогам пользователей.

начальная температура кипения воды

В идеале

Давайте рассмотрим, как наступает и проходит сам процесс. Вообразим себе идеально гладкую и бесконечно большую поверхность нагрева, где распределение теплоты происходит равномерно (к каждому квадратному миллиметру поверхности подводится одинаковое количество тепловой энергии), а коэффициент шероховатости поверхности стремится к нулю. В этом случае при н. у. кипение в ламинарном погранслое будет начинаться одновременно по всей площади поверхности и происходить моментально, сразу испаряя весь единичный объём жидкости, находящейся на её поверхности. Это идеальные условия, в реальной жизни такого не бывает.

кипение воды сколько градусов

В реальности

Давайте выясним, какова начальная температура кипения воды. В зависимости от давления она тоже меняет свои значения, однако основной момент здесь кроется вот в чём. Если даже мы возьмём самую гладкую, на наш взгляд, кастрюлю и поднесём её под микроскоп, то в его окуляре мы увидим неравномерные края и острые частые пики, выступающие над основной поверхностью. Теплота к поверхности кастрюли, будем считать, подводится равномерно, хотя в реальности это тоже не совсем верное утверждение. Даже когда кастрюля стоит на самой крупной конфорке, на плите градиент температур распределяется неравномерно, и всегда существуют локальные зоны перегрева, отвечающие за раннее кипение воды. Сколько градусов при этом на пиках поверхности и в её низинах? Пики поверхности при бесперебойном подведении теплоты прогреваются быстрее низин и так называемых впадин. Более того, окруженные со всех сторон водой с низкой температурой, они лучше отдают энергию молекулам воды. Коэффициент температуропроводности пиков в полтора-два раза выше, чем у низин.

какова температура кипения воды при нормальном давлении

Температуры

Именно поэтому начальная температура кипения воды составляет порядка восьмидесяти градусов Цельсия. При этом значении пики поверхности подводят достаточное количество теплоты, необходимого для мгновенного вскипания жидкости и образования первых пузырьков, видимых глазу, которые робко начинают подниматься к поверхности. А какова температура кипения воды при нормальном давлении — спрашивают многие. Ответ на этот вопрос можно без труда найти в таблицах. При атмосферном давлении стабильное кипение устанавливается при 99,9839 °С.