Вода кипит когда давление

Вода кипит когда давление

Непосредственные наблюдения за поведением жидкости свидетельствуют, что при некоторых температуре и давлении в жидкостях начинается процесс кипения. Разберемся в механизме этого явления.

Обычно в жидкости или на стенках сосуда, в котором она находится, присутствуют пузырьки растворенного в ней воздуха. При нагревании жидкости растворимость содержащихся в ней газов понижается. В результате число таких пузырьков значительно увеличивается. Газовые пузырьки в процессе закипания играют роль аналогичную той, которую играют ионы или пылинки при конденсации. В эти пузырьки происходит испарение окружающей их жидкости, вследствие чего пузырьки наполняются насыщенным паром, давление которого с повышением температуры увеличивается.

Пока температура жидкости такова, что давление насыщенного пара внутри пузырька меньше внешнего давления над жидкостью, пузырек не может расти. При некоторой температуре давление насыщенного пара внутри пузырька становится равным давлению, оказываемому на пузырек извне. Это давление равно сумме атмосферного давления, гидростатического давления, обусловленного столбом жидкости над пузырьком и дополнительного давления, связанного с кривизной поверхности пузырька (давление Лапласа). Расчеты показывают, что вклад гидростатического давления и давления Лапласа существенной роли в этом процессе не играют. Чаще всего мы имеем дело с процессом кипения при нормальном атмосферном давлении , а для того чтобы гидростатическое давление вносило вклад, сравнимый с давлением атмосферы, столб воды должен составлять хотя бы несколько метров, чего обычно в реальной ситуации не бывает. Давление Лапласа существенно тогда, когда радиус пузырьков порядка , что значительно меньше размеров пузырьков, образующихся в процессе кипения.

При некоторой температуре, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным внешнему давлению, точнее говоря, несколько больше, пузырьки, быстро увеличиваясь в размерах, устремляются вверх и прорываются наружу. С этого момента жидкость начинает кипеть.

Рассмотрев механизм закипания жидкости, подчеркнем, что кипение существенно отличается от испарения. Во-первых, испарение происходит при любой температуре, кипение же для каждой жидкости при определенном давлении имеет место при строго определенной температуре, называемой точкой кипения. Если процесс кипения начался, температура жидкости, несмотря на продолжающееся сообщение теплоты, не повышается. Она так и останавливается на точке кипения до тех пор, пока не выкипит вся жидкость. Во-вторых, в процессе кипения жидкость испаряется не только с поверхности, но и с поверхности пузырьков внутри жидкости.

Итак, для того, чтобы жидкость закипела, нужно довести ее температуру до такого значения, при котором давление насыщенного пара внутри содержащихся в жидкости пузырьков хотя бы чуточку превышало внешнее давление.

Из приведенных рассуждений видно, что с уменьшением внешнего давления должна понижаться и температура кипения жидкости.

Принято считать, что точке кипения воды при нормальном атмосферном давлении соответствует температура 100º С. Однако жителям высокогорных селений хорошо известен факт закипания воды при значительно более низкой температуре. Так на вершине Эльбруса вода закипает уже при 82º С. Физическим фактором, ответственным за изменение температуры кипения, является уменьшение внешнего давления в высокогорных районах. Вода кипит при 100º С только при давлении 760 мм Hg. При давлении 0,5 атм она закипает при 82º С, а при давлении 10-15 мм Hg вода закипает в интервале температур 10-15º С. Можно получить даже «кипяток», имеющий температуру замерзающей воды. Для этого придется понизить внешнее давление до 4,6 мм Hg.

Интересный результат можно наблюдать, если в колбу поместить небольшое количество воды при комнатной температуре и начать откачивать из колбы воздух. Исход опыта зависит от скорости откачки. Если откачка производится достаточно медленно, то вода должна рано или поздно закипеть. Если же откачка производится достаточно быстро, то вода, напротив, замерзает. В результате откачки воздуха, а вместе с ним и паров воды, усиливается процесс испарения, в ходе которого вода остывает. При медленной откачке понижение температуры жидкости компенсируется за счет поступления теплоты извне, поэтому температура вода остается постоянной. Если же откачка производится быстро, то вода не успевает получить тепло от окружающей среды. Так как температура воды начинает понижаться, возможность ее закипания также уменьшается. Дальнейшее продолжение быстрой откачки воздуха из колбы со временем приведет к понижению температуры жидкости до точки замерзания.

Отмечая факт понижения температуры кипения с уменьшением давления, естественно ожидать, что с повышением давления температура кипения будет повышаться. Действительно, при давлении 15 атм кипение воды начинается при 200º С, а давление в 80 атм вызывает кипение воды даже при 300º С.

Рис. 6.6

Итак, определенному внешнему давлению соответствует своя температура кипения, или каждой температуре кипения соответствует вполне определенное давление. Напомним, что это давление называется упругостью пара (кипение начинается, когда упругость насыщенного пара внутри пузырьков жидкости равна внешнему давлению). Поэтому кривая, изображающая зависимость температуры кипения от давления, одновременно представляет собой кривую зависимости упругости пара от температуры. Вид этой кривой изображен на рис. 6.6. Из рис. 6.6 видно, что упругость пара с изменением температуры меняется очень быстро, а температура кипения с изменением давления — довольно медленно. Эта же кривая описывает и процесс конденсации. Превратить пар в воду можно либо сжатием, либо охлаждением. Только для точек, лежащих на приведенной кривой, возможно одновременное сосуществование жидкости и ее пара. Если исключить теплообмен такой двухфазной системы с окружающей средой, то количество жидкости и пара в закрытом сосуде будет оставаться неизменным. Таким образом, кривая кипения и конденсации — это кривая равновесия жидкости и пара. Она делит поле диаграммы на две части. Влево и вверх (область высоких температур и невысоких давлений) расположена область устойчивого состояния пара, вправо и вниз — область устойчивого состояния жидкости.

Отметим еще, что кривая равновесия жидкость-пар качественно имеет один и тот же вид для различных жидкостей. Во всех случаях упругость пара быстро растет с повышением температуры.

Источник

Кипение воды в различных состояниях и условиях

Кипение — способ образования пара, происходящий при определенных значениях температуры и атмосферного давления. Изменение одного из этих условий ведет к коррекции другого. Известно, что обычно вода закипает при +100?С. При создании же вакуума, например, в специальных сушильных шкафах, этот показатель снижается и при 100 мбар составляет всего +46?С.

Как происходит кипение?

При нагреве на дне и стенках посуды с водой появляются пузырьки пара. Температура в них значительно выше, чем в остальной жидкости, а давление ниже. Когда оно становится одинаковым и внутри, и снаружи, вода начинает кипеть. Во время этого процесса, несмотря на продолжающийся нагрев, температура жидкости мало изменяется. Кипение продолжается, пока вся она не обратится в пар.

Что происходит с изменением давления?

При повышении этого показателя, соответственно, увеличивается и температура. Так, в герметично закрытой пароварке кипение происходит при +120?С.

Понижение атмосферного давления в естественных условиях можно наблюдать при восхождении в горы. На высоте 6000 метров температура кипения воды составляет +80?. Заварить чай там довольно сложно. Зато в подземной шахте кипяток будет более горячий, чем где-либо еще.

Вакуум

Дальнейшее снижение давления естественным путем невозможно, но оно достигается в лабораторных условиях. Такая разреженная среда называется вакуум. При давлении в нем 0,001 атмосфер вода закипит при температуре +6,7?. Эти свойства используются в работе вакуумных сушильных шкафов. В условиях герметизации и отсутствия воздуха удаление остатков влаги из продуктов происходит при более низкой температуре, что позволяет сохранить в них полезные вещества.

Космос

Здесь кипячение выглядит по-другому. При повышении температуры жидкость не поднимается к поверхности, а остается на дне и продолжает нагреваться дальше. Вода, более удаленная от источника тепла, изменяется мало. Формирующиеся пузырьки пара не поднимаются на поверхность, а объединяются в один большой, который колышется в жидкости.

Источник

Кипение воды

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

• Штатив;
• Колба с водой;
• Спиртовка;
• Спички

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:

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.

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

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.

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).

Техника безопасности
Штатив; Колба с водой; Насос; Резиновый шланг 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
Штатив; Колба с водой; Спиртовка; Спички стакан с холодной водой		Закипания перегретой жидкости используется в пузырьковой камере – современном приборе для регистрации частиц высокой энергии. Получение сахара из сахарного тростника или свеклы: воду из сиропа удаляют с помощью выпаривания при низком давлении. Зная температуру кипения воды можно по таблицам давления пара при разных температурах узнать атмосферное давление. Специально приспособленные для таких измерений термометры называют гипсотермометрами. Кипение при повышенном давлении широко используется на практике: в медицине для стерилизации инструментов, в пищевой промышленности для консервирования, в химической промышленности (производство гербицидов, органических полупродуктов и красителей, в процессах синтеза). Для этого используют автоклав. Ректификационное разделение нефти, жидких смесей, расплавов металлов на составные части.
Рассказывают, что вождь одной из африканских деревень, чтобы определить, кто из двух подозреваемых говорит правду, приказал каждому лизнуть горячий нож. Удивительно, с помощью такого «Детектор лжи» всегда находили виновного, у лжеца пересыхало во рту, и он получал сильный ожог языка. Из истории каслинских литейщиков. (Здесь важна быстрота реакции человека). Сначала человек опускал руку в ведро с водой, а затем быстро погружал в кипящий металл и так же быстро вытаскивал руку. Рука оставалась целой. (Правда в примерах 3, 4 идет речь о пленочном кипении). Кипит ли вода внутри макарон при варке? Объясните, можно ли с помощью поршневого насоса поднять кипящую воду? Ответ обоснуйте. Сырая и кипяченая вода имеют одинаковую начальную температуру. Какая из них быстрее закипит при прочих равных условиях? Ответ обоснуйте. Почему использование скороварок особенно ценно в условиях горной местности? Интересны задачи №828, 830831, 832,833 из А.Е. Марон, Е.А. Марон, С. В. Позойский Сборник вопросов и задач Физика 7-9 к учебнику А.В. Перышкина.

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.

Источник