"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Кипение — образование пузырьков пара во всём объёме жидкости. Оно начинается не только при нагревании до 100 °C: решающим является равенство давления насыщенного пара внешнему давлению. Если давление над водой уменьшить, температура кипения снизится, и вода сможет кипеть даже при комнатной температуре. При обратном повышении давления кипение прекращается.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кипение — парообразование, происходящее во всём объёме жидкости с образованием и ростом пузырьков пара. В отличие от испарения с поверхности, кипение сопровождается движением пузырьков внутри воды. Это определение помогает понять, какое явление наблюдается в шприце.
Температура кипения — температура, при которой давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению. При этой температуре пузырьки пара уже могут не только появляться, но и увеличиваться. Она показывает, при какой температуре жидкость закипит при данных условиях.
Давление насыщенного пара — давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью при определённой температуре. Чем выше температура, тем больше молекул покидает жидкость и тем выше давление пара. Поэтому по этому давлению можно определить, начнётся ли кипение.
Внешнее давление — давление окружающей среды, препятствующее образованию и расширению пузырьков пара в жидкости. Обычно это давление воздуха над поверхностью воды. С его изменением меняется и температура кипения.
Молекулы воды постоянно движутся, и некоторые из них покидают жидкость, образуя пар. При повышении температуры таких молекул становится больше, поэтому давление насыщенного пара растёт. Кипение начинается тогда, когда это давление сравнивается с внешним: пузырёк пара получает возможность расширяться, а не сжиматься окружающей водой.
При нормальном атмосферном давлении вода кипит при 100 °C, потому что именно при этой температуре давление её насыщенного пара примерно равно 101,3 кПа. Если внешнее давление уменьшить, пузырьку будет легче расширяться. Поэтому равенство давлений наступит при меньшей температуре, а температура кипения снизится.
Чтобы понизить давление над водой, можно набрать немного тёплой воды в шприц и закрыть отверстие пальцем. Если потянуть поршень, объём пространства над водой увеличится, а давление воздуха в нём уменьшится. Подобный эффект создают вакуумные насосы и другие устройства, удаляющие часть воздуха.
После уменьшения давления насыщенный пар воды при комнатной температуре может сравняться с внешним давлением. Тогда внутри воды появляются пузырьки водяного пара, а не только растворённого воздуха. Давление пара изнутри заставляет пузырьки увеличиваться, поэтому вода начинает кипеть без нагревания.
Если отпустить поршень или открыть шприц, внешнее давление снова возрастёт. Оно станет больше давления пара внутри пузырьков и сожмёт их, поэтому пузырьки уменьшатся или исчезнут. Кипение прекратится, хотя температура воды почти не изменилась.
| Условия | Внешнее давление | Температура кипения | Наблюдаемое явление |
|---|---|---|---|
| Обычное атмосферное давление | Около 101,3 кПа | 100 °C | Вода кипит при нагревании до 100 °C |
| Пониженное давление, соответствующее температуре около 50 °C | Около 12,3 кПа | 50 °C | Тёплая вода может кипеть при меньшем нагревании |
| Пониженное давление, соответствующее комнатной температуре | Около 2,3 кПа | 20 °C | Вода комнатной температуры закипает |
| Повторное повышение давления | Давление увеличивается | Температура кипения повышается | Пузырьки сжимаются, кипение прекращается |
В таблице сначала находят заданное внешнее давление, а затем смотрят соответствующую ему температуру кипения. Чем меньше давление, тем ниже температура, при которой начинается кипение. Последняя строка показывает обратный процесс: увеличение давления мешает росту пузырьков.
В шприц набрали немного тёплой воды и потянули поршень. Вода начала кипеть. Нужно объяснить наблюдение через изменение давления, а не через нагревание.
Ответ: вода закипела из-за понижения давления над её поверхностью. Дополнительный нагрев для этого не потребовался.
При давлении около 4,2 кПа температура кипения воды составляет примерно 30 °C. Требуется выяснить, будет ли кипеть вода при температуре 25 °C и таком давлении.
Ответ: вода при 25 °C и давлении 4,2 кПа кипеть не будет. Для начала кипения давление нужно уменьшить примерно до 3,2 кПа или ниже, чтобы температура кипения стала не выше 25 °C.
Вода имеет температуру 20 °C. Нужно определить, до какого давления следует понизить давление над ней, чтобы началось кипение. Используем график или таблицу зависимости температуры кипения от давления.
Ответ: давление над водой нужно понизить примерно до 2,3 кПа. В реальном опыте вода может кипеть немного иначе из-за примесей, движения жидкости и неточности измерений.
Ошибка 1. Считать, что вода кипит только при 100 °C. Так думают, потому что это привычное значение для обычного воздуха. Проверьте себя: всегда уточняйте внешнее давление.
Ошибка 2. Путать кипение с испарением. Испарение идёт с поверхности при любой температуре, а кипение — во всём объёме с пузырьками. Проверьте, где происходит образование пара.
Ошибка 3. Объяснять все пузырьки только растворённым воздухом. Воздух действительно может выделяться при нагревании, но при снижении давления образуется и водяной пар. Проверьте, растут ли пузырьки после уменьшения давления.
Ошибка 4. Думать, что при кипении температура обязательно повышается. На испарение нужна энергия, поэтому вода под пониженным давлением может охлаждаться. Проверьте, есть ли внешний источник нагрева и откуда берётся энергия для парообразования.
Для понимания темы нужны знания о давлении, испарении и конденсации, а также о зависимости состояния вещества от температуры. В горах атмосферное давление ниже, поэтому вода там кипит при температуре меньше 100 °C. Зависимость кипения от давления используют в скороварках, вакуумных установках и при перегонке жидкостей.
Почему вода может кипеть без нагревания?
Кипение зависит не только от температуры воды, но и от внешнего давления. Если давление уменьшить, температура кипения станет ниже, и уже тёплая вода может достичь этого условия без дополнительного нагревания.
Почему в шприце вода начинает кипеть при комнатной температуре?
При вытягивании поршня объём воздуха над водой увеличивается, а его давление уменьшается. Температура кипения падает до комнатной, поэтому в воде образуются и растут пузырьки пара.
Всегда ли вода кипит при 100 °C?
Нет. 100 °C — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении около 101,3 кПа. При меньшем давлении вода кипит при более низкой температуре, а при большем — при более высокой.
Чем кипение отличается от испарения?
Испарение происходит только с поверхности жидкости и возможно при любой температуре. Кипение идёт во всём объёме жидкости, где образуются и увеличиваются пузырьки пара.
Почему при кипении под пониженным давлением вода может охлаждаться?
На превращение воды в пар требуется энергия. При отсутствии нагревателя она берётся из внутренней энергии самой воды, поэтому вода теряет энергию и охлаждается.
7. Кипение воды при комнатной температуре
