11. Кипение воды

Определения и обозначения

Кипение — быстрое испарение воды, происходящее одновременно на поверхности и внутри жидкости с образованием пузырьков пара. Проще говоря, вода превращается в пар не только там, где соприкасается с воздухом. Это понятие помогает отличить кипение от обычного испарения, которое идёт с поверхности.

Температура кипения — температура, при которой вода начинает кипеть; при обычном атмосферном давлении она равна примерно 100 °C. Атмосферное давление — это давление воздуха вокруг нас. Знание температуры кипения позволяет понять, когда вода закипит, и сравнить условия, например на равнине и в горах.

Пузырьки пара — участки водяного пара внутри нагреваемой воды, которые поднимаются к поверхности и лопаются. Они появляются при кипении, потому что вода внутри пузырька находится в газообразном состоянии. По движению пузырьков можно наблюдать, как кипит вода, но само их появление ещё не всегда означает кипение.

Водяной пар — газообразное состояние воды, образующееся при испарении и кипении. Пар невидим; видимое облачко над чайником состоит из крошечных капелек воды, возникших при охлаждении пара. Это понятие объясняет, куда исчезает вода, когда долго кипит.

Как это устроено

При нагревании вода получает тепло от плиты или другого источника. Частицы воды начинают двигаться быстрее, поэтому измеряемая термометром температура постепенно повышается. Пока вода не закипела, частицы могут покидать её главным образом с поверхности, где им легче перейти в воздух. Поэтому испарение идёт и при нагревании, и у воды, которая не кипит.

Когда вода достигает температуры кипения, пар начинает образовываться не только на поверхности, но и внутри жидкости. Это происходит потому, что при такой температуре в воде могут возникать и сохраняться участки пара. Температура, при которой это происходит, зависит от давления воздуха: при обычном давлении она составляет около 100 °C. Если давление меняется, меняется и температура кипения.

Внутри воды появляются пузырьки водяного пара. Они поднимаются вверх, а по мере движения могут увеличиваться: часть окружающей воды переходит в пар, и давление пара внутри пузырька возрастает. На раннем этапе нагревания могут появляться и пузырьки растворённого воздуха, поэтому важно смотреть не на один пузырёк, а на то, началось ли устойчивое бурление.

Достигнув поверхности, пузырьки лопаются и выпускают пар. Их постоянное движение перемешивает воду, поэтому она бурлит и издаёт характерный звук. Пар уходит в воздух, а при охлаждении часть его становится видимым облачком из капелек. Так кипение можно распознать по совокупности признаков: пузырьки идут из глубины, лопаются на поверхности, вода бурлит.

Во время кипения при обычном давлении температура воды почти не повышается, хотя нагрев продолжается. Тепло в основном нужно для того, чтобы превращать жидкую воду в пар, а не для дальнейшего повышения температуры. Поэтому на термометре сохраняется значение около 100 °C, пока вода кипит. Если нагрев прекратить, кипение постепенно ослабеет, потому что источник больше не передаёт воде тепло.

До начала кипения температура воды повышается. После достижения примерно 100 °C график становится горизонтальным: вода кипит, а её температура почти не меняется.

Нагревание и кипение воды

Сравнивайте признаки в одной строке, чтобы увидеть, чем нагревание до кипения отличается от самого кипения. Например, пузырьки пара по всему объёму и бурление указывают на кипение. При этом для температуры около 100 °C предполагается обычное атмосферное давление.

Разбор задач

Задача 1

Воду нагревали в открытом сосуде. Термометр показывал 20 °C, затем 60 °C и наконец 100 °C; после этого вода продолжала кипеть, но показания термометра не менялись. Нужно определить, когда началось кипение и почему перестала повышаться температура. Сравним показания с температурой кипения воды при обычном давлении.

1. При 20 °C вода ещё только нагревается, а при 60 °C её температура также ниже точки кипения.
2. На отметке около 100 °C вода достигает температуры кипения, и начинается устойчивое образование пара внутри жидкости.
3. Дальнейшее тепло расходуется преимущественно на превращение воды в пар, поэтому показания термометра почти не меняются.

Ответ: кипение началось, когда температура достигла примерно 100 °C. Температура перестала повышаться, потому что тепло главным образом превращает воду в пар.

Задача 2

Ученик заметил в нагреваемой воде пузырьки, которые поднимались и исчезали до поверхности. Он спрашивает, можно ли уже считать воду кипящей. Одного появления пузырьков недостаточно: до кипения из воды могут выходить растворённые газы, например воздух.

1. Сначала учитываем, что в воде есть растворённый воздух, который при нагревании может выделяться пузырьками.
2. Если пузырьки исчезают до поверхности и вода не бурлит, это не доказывает, что началось кипение.
3. Проверяем температуру и наблюдаем, появились ли пузырьки пара по всему объёму, которые поднимаются и лопаются на поверхности.

Ответ: только по таким пузырькам нельзя заключить, что вода кипит. Это могут быть пузырьки растворённого воздуха; для вывода нужно учитывать температуру и признаки устойчивого кипения.

Задача 3

В горах вода закипела при 92 °C. Нужно объяснить, почему температура оказалась ниже 100 °C, и предсказать, как это повлияет на приготовление пищи. Температура кипения зависит от атмосферного давления, поэтому сравним давление в горах и на равнине.

1. На высоте атмосферное давление ниже, чем у поверхности моря.
2. При меньшем давлении вода достигает состояния кипения при более низкой температуре, поэтому она может закипеть при 92 °C.
3. Кипящая вода в горах холоднее, чем кипящая вода при обычном давлении на равнине. Из-за этого пища обычно готовится дольше: для её приготовления требуется больше времени при более низкой температуре.

Ответ: вода в горах закипела при 92 °C из-за пониженного атмосферного давления. Приготовление пищи может занять больше времени.

Типичные ошибки

Считать любое появление пузырьков признаком кипения. Так думают, потому что пузырьки заметны и при нагревании; однако сначала из воды может выделяться растворённый воздух. Проверьте себя: при настоящем кипении пузырьки пара поднимаются из жидкости и лопаются на поверхности, а вода бурлит.

Утверждать, что при кипении температура постоянно повышается. Это кажется логичным, если нагреватель продолжает работать. Но при обычном давлении температура кипящей воды почти не меняется, поскольку тепло в основном идёт на образование пара. Проверьте показания термометра после достижения примерно 100 °C.

Путать кипение с испарением. Оба процесса превращают воду в пар, поэтому их легко смешать. Испарение идёт с поверхности при разных температурах, а кипение — во всём объёме и при определённой температуре. Спросите себя, откуда образуется пар: только с поверхности или также из пузырьков внутри воды.

Наклоняться близко к кипящей воде или брать горячий сосуд голыми руками. Можно не заметить опасность, потому что пар не всегда хорошо виден, а сосуд выглядит обычным. Горячая вода и пар способны вызвать ожог. Проверяйте себя: держитесь на расстоянии и пользуйтесь прихваткой или попросите взрослого помочь.

Связь с другими темами

Для изучения кипения нужно уметь измерять температуру термометром и понимать, что такое нагревание и испарение воды. Эта тема связана с переходами воды между твёрдым, жидким и газообразным состояниями: при кипении жидкость становится паром. Знания пригодятся при приготовлении пищи, наблюдении за работой чайника и паровых устройств. В быту они также помогают соблюдать осторожность рядом с горячей водой и паром.

Что запомнить

• Кипение — это испарение воды одновременно по всему объёму и с поверхности.
• При кипении в воде образуются пузырьки водяного пара.
• При обычном атмосферном давлении вода кипит примерно при 100 °C.
• Во время кипения вода бурлит, а пузырьки пара поднимаются и лопаются.
• При кипении температура воды почти не изменяется.
• Получаемое тепло расходуется главным образом на превращение воды в пар.
• Температура кипения зависит от атмосферного давления.