Таблиця залежності температури кипіння води від тиску
§ 12. Кипіння рідини
КИПІННЯ РІДИНИ. У попередньому параграфі ви дізналися, що одним зі способів пароутворення є випаровування. Пароутворення також відбувається у процесі кипіння. На відміну від випаровування, під час кипіння перетворення на пару відбувається як на поверхні, так і всередині рідини.
Розглянемо особливості перебігу процесу кипіння. Поступово під час нагрівання води на внутрішній поверхні посудини утворюються маленькі бульбашки повітря, яке завжди присутнє у воді (рис. 12.1, а).
Під час нагрівання вода випаровується вздовж поверхні бульбашки в її середину. З підвищенням температури бульбашка заповнюється не тільки повітрям, розчиненим у воді, а й водяною парою (рис. 17.1, б). Зі збільшенням кількості водяної пари всередині бульбашок їхній об’єм поступово збільшується. Відповідно, зростає і виштовхувальна сила, бульбашки відриваються від поверхні посудини та рухаються до поверхні рідини.
Якщо вода ще не прогріта і верхні її шари залишаються холодними, бульбашки стискаються, створюючи характерний шум, який ми чуємо перед початком кипіння рідини (рис. 17.1, в). Якщо продовжувати нагрівати воду, процес пароутворення відбувається інтенсивніше. Кількість пари всередині бульбашок стає більшою, відповідно підвищується і її тиск. Як наслідок, об’єм бульбашок зростає і за певної температури рідини бульбашки спливають на поверхню та лопаються, а водяна пара, що містилася в бульбашках, виходить назовні (рис. 17.1, г).
Кипіння — процес утворення пари не тільки на поверхні рідини, а й у її об’ємі.
Рис. 12.1. Кипіння рідини
Рис. 12.2. Графік залежності температури води від часу кипіння
ТЕМПЕРАТУРА КИПІННЯ. Температуру, за якої рідина кипить, називають температурою кипіння. У процесі кипіння температура рідини не змінюється. За нормального атмосферного тиску над поверхнею рідини термометр, вміщений у воду під час її кипіння, показує одну й ту саму температуру, приблизно 100 °С. Тому на графіку залежності температури води від часу кипіння відповідає відрізок ВС (рис. 12.2).
Це відбувається тому, що вся енергія, яка надається рідині, витрачається на збільшення її внутрішньої енергії та руйнування зв’язків між молекулами.
Внутрішня енергія пари завжди більша за внутрішню енергію рідини при тій самій температурі. Різні речовини мають свою температуру кипіння (табл. 12.1).
Температура кипіння різних речовин
(за нормального атмосферного тиску)
Речовина
Температура кипіння t, °С
§ 14. Кипіння. Питома теплота пароутворення
До якої температури можна нагріти воду? Чи є сенс збільшувати потужність пальника, щоб прискорити готування борщу? Як закип’ятити воду за допомогою снігу? На всі ці запитання ви зможете відповісти самі після вивчення цього параграфа.
1. Знайомимося з процесом кипіння
Проведемо експеримент. Закріпимо колбу з водою в лапці штатива і щільно закоркуємо, лишивши в корку два отвори. В один отвір вставимо трубку для виходу пари, у другий помістимо термометр (рис. 14.1). Почнемо нагрівати воду в колбі.
Через якийсь час дно та стінки колби вкриються бульбашками (рис. 14.2, а), які утворені розчиненими у воді газами та водяною парою*. Річ у тім, що зі збільшенням температури розчинність газів зменшується і «зайвий» газ виділяється всередину бульбашок, також усередину бульбашок випаровується вода. Зі зростанням температури тиск газу всередині бульбашок теж зростає, і щойно він перевищить зовнішній тиск, бульбашки почнуть збільшуватися.
Після досягнення бульбашкою певного об’єму архімедова сила відриває її від дна посудини й бульбашка піднімається (рис. 14.2, б). На місцях бульбашок, що відірвалися, залишається невелика кількість газу — зародки нових бульбашок.
Верхні шари рідини певний час холодніші за нижні, тому у верхніх шарах водяна пара в бульбашках конденсується і бульбашки різко зменшуються в об’ємі — схлопуються. Цей процес супроводжується шумом і утворенням численних дрібних бульбашок. Вода стає каламутною — говорять, що вона «кипить білим ключем».
Коли рідина прогріється (температури верхніх і нижніх шарів зрівняються), бульбашки, піднімаючись, уже не зменшуватимуться в об’ємі, а навпаки, збільшуватимуться, адже весь час усередину бульбашок активно випаровується вода (рис. 14.2, в). Досягнувши поверхні рідини, бульбашки лопаються і викидають назовні значну кількість водяної пари (рис. 14.2, г). Вода при цьому вирує і клекоче — ми кажемо, що вона закипіла. Термометр у цей момент показує температуру 100 °С.
Рис. 14.1. Пристрій для спостереження та вивчення процесу кипіння рідини: 1 — скляна колба; 2 — гумовий корок з отворами; 3 — трубка для відведення водяної пари; 4 — термометр
Рис. 14.2. Спостереження процесу закипання води
* Насправді мікробульбашки газу в рідині є завжди, проте помітними вони стають тільки за досить високої температури.
Кипіння — це процес пароутворення, який відбувається в усьому об’ємі рідини та супроводжується утворенням і зростанням бульбашок пари.
2. З’ясовуємо, від чого залежить температура кипіння
Продовжимо експеримент (див. пункт 1 параграфа). Будемо нагрівати далі воду, що вже кипить, і спостерігати за показами термометра. Побачимо, що стовпчик термометра застиг на позначці 100 °С. Отже, під час кипіння температура рідини не змінюється.
Температуру, за якої рідина кипить, називають температурою кипіння.
Чому під час готування їжі (рис. 14.3), після того як рідина закипить, доцільно зменшити потужність нагрівника?
З’ясуємо, від чого залежить температура кипіння рідини. Спочатку припинимо вихід пари з колби, міцно затиснувши трубку, яка відводить пару (рис. 14.4). Пара збиратиметься над поверхнею води, тиск над рідиною збільшиться, кипіння на якийсь час припиниться, а температура рідини почне підвищуватися. Отже, температура кипіння залежить від зовнішнього тиску. Зі збільшенням зовнішнього тиску температура кипіння рідини зростає (рис. 14.5).
Якщо в колбу налити теплу воду і за допомогою насоса почати відкачувати з колби повітря, через деякий час на внутрішній поверхні колби побачимо бульбашки газу. Якщо відкачувати повітря й далі, вода закипить (рис. 14.6), але вже за температури, нижчої від 100 °С. Зі зменшенням зовнішнього тиску температура кипіння рідини знижується.
Рис. 14.3. До запитання в § 14
Рис. 14.4. У разі затиснення трубки для відведення пари тиск усередині колби збільшується, і це приводить до підвищення температури кипіння рідини
Рис. 14.5. Каструля-скороварка: завдяки клапанам і герметичній кришці підтримується високий тиск у просторі над рідиною, тому температура кипіння води в такій каструлі становить близько 120 °С
Рис. 14.6. Спостереження зниження температури кипіння води за умови зменшення зовнішнього тиску
Спостерігаючи кипіння інших рідин, наприклад спирту, олії, ефіру, можна помітити, що за однакового тиску вони киплять за різних температур, які відрізняються від температури кипіння води. Тобто температура кипіння залежить від роду рідини. Про температуру кипіння деяких рідин за нормального атмосферного тиску ви можете дізнатися з табл. 4 Додатка.
Температура кипіння також залежить від наявності в рідині розчиненого газу. Якщо довго кип’ятити воду, в такий спосіб видаливши з неї розчинений газ, то повторно за нормального тиску цю воду можна буде нагріти до температури, яка перевищує 100 °С. Таку воду називають перегрітою*.
3. Вводимо поняття питомої теплоти пароутворення
Процес кипіння — це процес переходу рідини в пару, і цей процес іде з поглинанням енергії. Тому для підтримування кипіння до рідини потрібно підводити певну кількість теплоти. Ця енергія йде на розривання міжмолекулярних зв’язків і утворення пари.
Досліди показують: кількість теплоти, необхідна для перетворення рідини на пару, залежить від роду рідини.
Питома теплота пароутворення — це фізична величина, що характеризує певну речовину й дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати рідині масою 1 кг, щоб за незмінної температури перетворити її на пару.
Питому теплоту пароутворення позначають символом r** і обчислюють за формулою:
де Q — кількість теплоти, отримана рідиною; m — маса одержаної пари.
Із формули для визначення питомої теплоти пароутворення дістанемо одиницю цієї величини в CI — джоуль на кілограм:
Питому теплоту пароутворення визначають дослідним шляхом (рис. 14.7) і заносять до таблиць (див. табл. 5 Додатка).
* Аналогічно за відсутності центрів кристалізації можна отримати переохолоджену воду, температура якої менша від 0 °С.
** Для позначення питомої теплоти пароутворення використовують також символ L.
Рис. 14.7. Дослід із визначення питомої теплоти пароутворення води (див. задачу 2 у пункті 5 § 14)
4. Обчислюємо кількість теплоти, яка необхідна для пароутворення або виділяється в ході конденсації
Щоб обчислити кількість теплоти, необхідну для перетворення рідини на пару за незмінної температури, слід питому теплоту пароутворення цієї рідини помножити на її масу:
Якщо перед трубкою для відведення пари помістити якийсь холодний предмет, то пара конденсуватиметься на ньому (рис. 14.8). Ретельні вимірювання показують, що в ході конденсації пари виділяється та сама кількість теплоти, що йде на утворення цієї пари.
Рис. 14.8. Дослід, що демонструє конденсацію пари
5. Учимося розв’язувати задачі
Задача 1. Яка кількість теплоти необхідна, щоб довести до кипіння й повністю випарувати 3 кг води, взятої за температури 0 °С?
Аналіз фізичної проблеми. Побудуємо схематичний графік залежності температури води від часу нагрівання (рис. 14.9).
У перший момент температура води (t0) була 0 °С — точка О на графіку. У ході нагрівання температура води збільшуватиметься прямо пропорційно кількості отриманої теплоти Q1, а отже, і часу нагрівання (ділянка ОА). Нагрівшись до 100 °С (температура кипіння води), вода починає кипіти, і її температура не буде змінюватися доти, доки вся вода не випарується (ділянка АВ графіка). Вода при цьому одержує певну кількість теплоти Q2. Питому теплоємність с води і питому теплоту пароутворення r знайдемо відповідно в табл. 1, 5 Додатка.
Рис. 14.9. До задачі в § 14
Задача 2. Під час досліду з визначення питомої теплоти пароутворення води водяна пара, що має температуру 100 °С, надходить до калориметра, в якому міститься 500 г води за температури 20 °С (див. рис. 14.7). Після закінчення досліду температура води в калориметрі становила 50 °С, а її маса збільшилася на 25 г. За даними досліду обчисліть питому теплоту пароутворення води. Вважайте, що теплообмін із довкіллям відсутній.
Підбиваємо підсумки
Процес пароутворення, який відбувається в усьому об’ємі рідини та супроводжується утворенням і зростанням бульбашок пари, називають кипінням.
Температура кипіння рідини залежить від зовнішнього тиску, роду рідини та наявності розчинених у рідині газів.
Питома теплота пароутворення — це фізична величина, що характеризує певну речовину й дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати рідині масою 1 кг, щоб за незмінної температури перетворити її на пару.
Кількість теплоти, яка необхідна для перетворення рідини на пару, дорівнює кількості теплоти, яку виділяє ця пара, конденсуючись. Цю кількість теплоти обчислюють за формулою Q = rm.
Контрольні запитання
1. Що таке кипіння? 2. Які явища спостерігаються в рідині перед тим, як вона починає кипіти? 3. Яка сила змушує бульбашку газу підніматися на поверхню рідини? 4. Чи змінюється температура рідини під час кипіння? 5. Від яких чинників залежить температура кипіння рідини? 6. На що витрачається енергія, яку одержує рідина під час кипіння? 7. Що називають питомою теплотою пароутворення? 8. За якою формулою можна обчислити кількість теплоти, яка поглинається під час пароутворення або виділяється під час конденсації?
Вправа №14
1. Відомо, що температура кипіння води на вершині гори Еверест становить близько 70 °С. Як ви думаєте, чому?
2. Питома теплота пароутворення води становить 2,3 МДж/кг. Що це означає?
3. Яку кількість теплоти необхідно передати воді масою 10 кг, узятій за температури кипіння, щоб перетворити її на пару?
4. Чому опік парою є небезпечнішим, ніж опік окропом?
5. На скільки збільшиться внутрішня енергія 10 кг льоду, узятого за температури 0 °С, у результаті перетворення його на пару, що має температуру 100 °С?
6. У каструлі з водою, що кипить, розміщено відкриту колбу з водою. Чи кипить вода в колбі?
7. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про практичне застосування кипіння.
Експериментальні завдання
1. У прозору скляну пляшку обережно налийте невелику кількість гарячої води. Погойдайте воду в пляшці, збільшуючи таким чином площу вільної поверхні води, а отже, швидкість випаровування. Новоутворена пара витисне з пляшки частину повітря. Щільно закоркуйте пляшку, переверніть і остудіть її дно за допомогою холодної води або снігу. Вода в пляшці закипить. Поясніть це явище.
2. Візьміть одноразовий шприц без голки, приблизно наполовину заповніть його теплою водою. Щільно затуліть отвір пальцем. Повільно витягайте поршень та спостерігайте за кипінням води (див. рисунок). Поясніть спостережуване явище.
Відеодослід. Перегляньте відеоролик і поясніть спостережуване явище.
Температура кипіння води: як відрізняється і від чого залежить
Відомо, що вода кипить за 100 °С. Однак практика показує, що вода може закипіти і за кімнатної температури, і за 130 °С. За яких умов це буває, розповіли експериментатори.
Що таке кипіння води і що на нього впливає
У науці кипіння визначається як зміна агрегатного стану речовини під час нагрівання, перехід із рідкого стану в пароподібний, тобто з виділенням пари. За якої температури закипає вода?
Фізика стверджує, що чиста прісна вода за нормального тиску в 1 атмосферу (760 мм ртутного стовпа) кипить за 100 °С. Але технічні довідники, а також експериментатори Яків Перельман, Ілля Мельников доводять, що ці параметри можуть бути іншими за певних умов.
Процес кипіння води в побуті бачимо щодня. При уважному спостереженні можемо виділити такі стадії кипіння:
- За кілька миттєвостей після того, як поставили чайник на вогонь, бачимо утворення в ньому невеличких бульбашок на дні та стінках. Це від нагрівання з мікротріщин посуду виділяється нагріте повітря.
- Далі бульбашки розширюються і прагнуть вгору. Збільшуються вони вже за рахунок пари, на яку перетворюється вода під час нагрівання. Піднімаються, бо густина пари менша, ніж води. При цьому холодні верхні шари води опускаються вниз, стикаються з бульбашками. Так виникають звукові хвилі – характерні звуки чайника при закипанні.
- Бульбашок стає все більше, з’являється ефект каламутної води, відомий як біле кипіння.
- Нарешті починається інтенсивне бурління води: бульбашки лопаються, з’являється рясна пара і бризки. Вода кипить.
Яка температура кипіння води в чайнику? У чайник заливаємо чисту воду, без солей та інших добавок. Кип’ятимо її за нормальних умов, тобто за атмосферного тиску на поверхні Землі в одну атмосферу. За законом фізики випливає, що вода закипіла за температури 100 °С.
Після того як вода закипіла, її температура залишається постійною. При досягненні температури кипіння вся додаткова кількість теплоти йде на утворення пари, вода просто випаровується. Автори книги “Фізика для всіх” пояснюють процес випаровування так: пара над водою перемішується з більш холодними високими шарами повітря без пари. Це триватиме безперервно, поки вся вода не випарується.
На практиці воду доводиться кип’ятити не тільки у звичайних умовах. Наприклад, туристи в горах знають, що вода закипає за температури нижче 100 °С, що заважає заварити міцний чай і приготувати гарячу їжу.
Дослідним шляхом виявлено, що за більш високого тиску, що перевищує 1 атмосферу, температура кипіння води значно підвищується. За низького тиску, наприклад, при створенні вакууму, спостерігається зворотний процес: вода може закипіти за температури значно нижчої за 100 °С.
Помічено також, що на температуру кипіння води впливає її склад. Так, солона вода потребує більшого нагрівання для кипіння.
Від чого залежить температура кипіння? Практика і наукові експерименти доводять, що температура кипіння води залежить від умов – нормального, підвищеного або зниженого атмосферного тиску, а також від наявності в рідині сторонніх домішок, солей і добавок.
Як впливають умови та склад води на температуру кипіння
Яка температура кипіння води в горах? Під час підйому в гори повітря стає більш розрідженим: при збільшенні висоти над рівнем моря атмосферний тиск знижується. Спостерігається така закономірність: під час підйому на кожні 300 м температура кипіння води знижується приблизно на 1 °С, на висоті 1 000 м вона становитиме близько 96,3 °С (похибки зумовлені складом води).
У горах Казахстану температура закипання води буде такою:
- На піку Хан-Тенгрі (7010 м) – близько 77,2 °С.
- На піку Талгар (4979 м) – 83,5 °С.
- На Актау (4690 м) – 84,4 °С.
- На Білусі (4506 м) – 84,9 °С.
Автор книги “Цікава фізика” Яків Перельман стверджує, що правильним буде зворотний розрахунок, якщо пам’ятати, що температура кипіння води падає на 3 °С з кожним кілометром висоти. Тоді за температурою кипіння води можна визначити, на якій висоті в горах перебувають туристи.
Дослідним шляхом можна визначити, як змінюється температура кипіння в разі подальшого зниження атмосферного тиску, наприклад, при створенні вакууму (відкачуючи повітря з якоїсь ємності, куди поміщено посудину з водою).
За тиску в 0,5 атмосфер вода закипить за температури 80,8 °С, а за тиску в 0,03 атмосфер можна спостерігати прохолодний окріп – кипіння води кімнатної температури 17,2 °С. Цей ефект знайшов практичне застосування в технології вакуумного сушіння, коли домагаються випаровування вологи за невисокої температури.
При підвищенні атмосферного тиску вода закипає за більш високих температур, ніж 100 °С. Яків Перельман наводить приклад, що в шахті, де тиск вищий, ніж на поверхні, отримують окріп гарячіший – 101 °С на глибині 300 м, на глибині 600 м – 102 °С.
За тиску 1,5 атмосфери температура кипіння буде 110,8 °С, за 2 – 120 °С, за 3 – 132,8 °С. Такий ефект застосовується в житті для більш швидкого приготування страв у скороварках, де створюється тиск у 2-3 атмосфери.
Залежить температура кипіння води від її складу. У воді з додаванням солі її молекули Na+ і Cl- заповнюють частину простору між молекулами води. При цьому порушується зв’язок між ними, що перешкоджає нагріванню води. Тому для кипіння солоної води потрібна вища температура. Так, якщо в 1 л води додати 60 г солі, то температура кипіння збільшиться на 10 °С.
Автор книги “Неймовірні фізичні досліди” Ілля Мельников наводить дослідний доказ такого факту. Якщо в каструлі з чистою киплячою водою тримати на пару пляшечку з водою, то вода в пляшечці не закипить, скло за такої температури перешкоджає кипінню. Але якщо у воду в каструлі додати сіль, то температура кипіння підвищиться, що призведе до кипіння води в пляшечці.
Такі ось метаморфози відбуваються з водою. У звичайних умовах температура її кипіння може бути еталоном, але змініть умови, і вона буде або прохолодним, або дуже гарячим окропом.
Залишити відповідь