Коротко
Кипение — это процесс быстрого образования пара внутри жидкости, а не только с её поверхности. Оно начинается при определённой температуре, называемой температурой кипения, и сопровождается появлением пузырьков пара по всему объёму жидкости. Это важный физический процесс, используемый во многих областях, от приготовления пищи до промышленности.
Определение
Кипение — это фазовый переход вещества из жидкого состояния в газообразное (парообразование), происходящий при постоянной температуре по всему объёму жидкости, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков равно внешнему давлению.
Как происходит кипение
Когда жидкость нагревается, молекулы начинают двигаться быстрее. В определённый момент их кинетическая энергия становится достаточной, чтобы преодолеть силы притяжения друг к другу и оторваться от поверхности жидкости. При кипении этот процесс происходит не только на поверхности, но и внутри: в жидкости образуются пузырьки, заполненные паром. Эти пузырьки растут и поднимаются к поверхности, лопаясь и выделяя пар в окружающее пространство.
Температура кипения
Для каждой жидкости существует определённая температура, при которой она начинает кипеть. Эта температура называется температурой кипения. Например, для воды при нормальном атмосферном давлении это 100 °C. При нагревании жидкость сначала доходит до этой температуры, а затем начинает кипеть. Вся энергия, которую мы продолжаем подводить к кипящей жидкости, идёт не на повышение её температуры, а на превращение в пар.
Влияние давления на кипение
Температура кипения жидкости сильно зависит от внешнего давления. Чем ниже внешнее давление, тем легче молекулам преодолевать его и образовывать пузырьки пара. Поэтому в горах, где атмосферное давление ниже, вода закипает при температуре ниже 100 °C. И наоборот, в скороварках, где создаётся повышенное давление, вода кипит при температуре выше 100 °C, что позволяет готовить пищу быстрее.
Скрытая теплота парообразования
В процессе кипения жидкость поглощает большое количество энергии без изменения своей температуры. Эта энергия называется удельной теплотой парообразования. Она необходима для преодоления межмолекулярных связей и совершения работы по расширению пара. Например, для превращения 1 кг воды в пар при 100 °C требуется гораздо больше энергии, чем для нагревания того же количества воды от 0 °C до 100 °C.
Как найти и применять
- Определи жидкость, которую нагревают.
- Узнай её температуру кипения при заданном давлении.
- Проверь, достигнута ли эта температура.
- Если температура достигнута и процесс идёт с образованием пузырьков по всему объёму – это кипение.
Разбор задач
Задача 1
Почему вода в открытой кастрюле на вершине горы Эльбрус (высота ~5600 м) закипит при более низкой температуре, чем вода в той же кастрюле на уровне моря?
1. На уровне моря атмосферное давление составляет примерно 101325 Па (1 атмосфера). При этом давлении вода кипит при 100 °C. 2. На высоте горы Эльбрус атмосферное давление значительно ниже, чем на уровне моря. 3. Поскольку температура кипения жидкости снижается с уменьшением внешнего давления, вода на вершине Эльбруса закипит при температуре, меньшей 100 °C. Это связано с тем, что молекулам воды легче преодолевать пониженное внешнее давление, чтобы образовать пузырьки пара.
Ответ: Вода на вершине Эльбруса закипит при более низкой температуре из-за пониженного атмосферного давления.
Где это встречается
- Приготовление пищи — Кипение воды используется для варки, бланшировки и стерилизации продуктов. Позволяет быстро и равномерно передавать тепло пище.
- Паровые котлы и турбины — Вода кипит, образуя пар высокого давления, который вращает турбины для выработки электроэнергии на электростанциях.
- Холодильники и кондиционеры — Хладагент внутри системы кипит при очень низкой температуре, отбирая тепло из охлаждаемого объёма и создавая холод.
- Дистилляция — Кипение используется для разделения смесей жидкостей с разными температурами кипения, например, для получения чистой воды или спирта.
Типичные ошибки
| Неверно | Верно | Почему |
|---|---|---|
| Кипение — это когда вода булькает. | Кипение — это интенсивное парообразование по всему объёму жидкости при постоянной температуре. | Бульканье может быть вызвано и другими процессами, например, выходом растворённых газов при нагревании, что не является кипением. |
| Чем сильнее кипит вода, тем выше её температура. | Температура кипящей воды остаётся постоянной, вся подводимая энергия идёт на парообразование. | После достижения температуры кипения вся дополнительная энергия расходуется на фазовый переход, а не на дальнейший нагрев жидкости. |
| Кипение и испарение — это одно и то же. | Испарение происходит при любой температуре только с поверхности жидкости, а кипение — при определённой температуре по всему объёму. | Это два разных вида парообразования с ключевыми отличиями в механизме и условиях протекания. |
Не путать
- Испарение — Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре, пузырьки пара внутри не образуются. Кипение — по всему объёму, при строго определённой температуре и образовании пузырьков.
- Конденсация — Конденсация — это обратный процесс, переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Кипение — из жидкого в газообразное.
Откуда взялось понятие
Основные принципы кипения и его зависимость от давления были изучены учёными в XVII-XIX веках, в частности, Даниилом Фаренгейтом и Денисом Папеном.
Как запомнить
Кипение — это пузырьки пара по всему объёму, всегда при одной температуре.
Проверь себя
3 задания-
При какой температуре кипит вода в открытой кастрюле при нормальном атмосферном давлении?
Ответ
При 100 °C. -
Что произойдёт с температурой воды после того, как она закипит, если продолжать её нагревать?
Ответ
Температура кипящей воды останется постоянной. -
Почему альпинисты испытывают трудности с приготовлением пищи на больших высотах?
Ответ
Вода там кипит при более низкой температуре, поэтому пища готовится дольше или не доготавливается.
Частые вопросы
Почему пузырьки при кипении сначала уменьшаются, а потом растут?
При нагревании на дне и стенках сосуда сначала образуются пузырьки растворённых газов, которые при подъёме в более холодные слои воды могут уменьшаться. Затем, когда температура достигает точки кипения, образуются именно пузырьки пара, которые растут по мере подъёма и поступления в них новой порции пара.
Может ли вода закипеть при температуре ниже 0 °C?
Да, может. При очень низком давлении (вакууме) вода может кипеть при температуре ниже 0 °C. Это явление используется, например, в сублимационной сушке.
Что такое бурное кипение?
Бурное кипение — это интенсивное кипение, при котором образуется очень много крупных пузырьков пара, и жидкость активно перемешивается. Это происходит при значительном подводе тепла.
В чём опасность перегретой жидкости?
Перегретая жидкость — это жидкость, нагретая выше температуры кипения, но не кипящая из-за отсутствия центров парообразования. При малейшем возмущении (толчке, попадании частицы) такая жидкость может мгновенно и бурно закипеть, что опасно из-за внезапного выброса пара и брызг.
Спросить про это понятие
Кипение
Где это изучается
8 параграфовОдна и та же тема разложена по разным учебникам — можно сравнить формулировки и выбрать более понятную.
Понятия рядом
Их разбирают в тех же параграфах, что и это понятие.