Кипение воды в замкнутом сосуде

Что считать вакуумом?

Слово «вакуум» означает абсолютную пустоту, или пространство, свободное от вещества. Когда нет вещества, нечему и кипеть.

В науке и технике под ним понимают пространство, где давление значительно ниже атмосферного.

Критерием глубины вакуума является степень разрежения. Она определяется отношением давления в объеме к величине атмосферного. Единица измерения, принятая международной системой мер – Паскаль, но применяются и другие.

Нормальное атмосферное давление, измеренное на уровне моря, принято равным 760 мм ртутного столба, или 101325 Па. Например, разрежение, при котором давление равно 100 Па, считается низким,  0,00001 Па – высоким.

Как кипит H2O в таких условиях?

В любом сосуде, заполненном водой, всегда присутствуют частички воздуха. Они остаются на микроскопических трещинах, имеющихся на стенках емкости. По мере нагрева пузырьки увеличиваются, и становятся видимыми невооруженным взглядом, особенно на стенках сосуда и его дне. По сути, это капли насыщенного пара, растворенные в воде.

На определенном этапе пузырьки под действием силы Архимеда начинают выталкиваться наружу. Вода бурлит, но еще не кипит. Это связано с тем, что нагрев происходит неравномерно.

Когда температура на дне сосуда уже достигла 100 °C, а на поверхности воды ещё нет, сила поверхностного натяжения и атмосферное давление препятствуют выходу частиц за пределы емкости. Они возвращаются назад, теряя температуру.

Когда степень нагрева поверхностного и придонного слоя выравнивается, вещество закипает. В вакууме частицам легче покинуть объем сосуда. Этому препятствует только поверхностное натяжение, поэтому кипение начинается при более низкой температуре.

Почему может кипеть при отрицательных температурных значениях?

Когда среда разрежена, вода закипает раньше. Кипение начнется, как только разрежение достигнет величины, при которой температура кипения становится меньше температуры окружающей среды.

Ниже в таблице приведены округленные данные зависимости температуры кипения от давления.

Вода, отдавая пар, остывает. Он конденсируется и возвращается обратно в жидкое состояние. При дальнейшей откачке воздуха разрежение становится таким, что H2O мгновенно вскипает.

Температура понижается до отрицательной, водяной пар кристаллизуется, образуя лед. Поскольку это сопровождается увеличением объема, образованию льда препятствует внешнее давление.

Чем оно меньше, тем раньше образуется лед. Поэтому, даже при низком разрежении вода неизбежно превратится в пар, затем в лед.

Как быстро закипает?

Все зависит от степени разрежения. При недостаточной откачке воздуха холодная вода кипеть не будет.

Как только его станет меньше, она начнет переходить в паровую фазу.

Происходить это будет длительное время из-за конденсации. Теоретически можно достичь динамического равновесия, когда скорость испарения и скорость конденсации водяного пара равны.

При высоком разрежении закипание наступит практически мгновенно. Затем пар кристаллизируется из-за понижения температуры до отрицательного значения. Этот процесс тоже не займет много времени. Теплопроводность пара значительно выше, чем у воды, остывает он быстрее.

Полезное видео

Наглядно кипение воды в вакууме представлено в видео:

Заключение

Исследования поведения воды в условиях разреженного воздуха очень важны. К примеру, в освоении космического пространства. Там процессы происходят в безвоздушной среде, атмосфера как таковая отсутствует. Есть и другие области деятельности человека, где без таких знаний не обойтись.

А какова Ваша оценка данной статье?

Кипение – процесс перехода вещества из жидкого в газообразное состояние (парообразование в жидкости). Кипение не является испарением: оно отличается тем, что может происходить только при определенном давлении и температуре.

Кипячение – нагревание воды до температуры кипения.

[содержание]

Как происходит процесс кипения воды?

Кипение воды является сложным процессом, который происходит в четыре стадии. Рассмотрим пример кипения воды в открытом стеклянном сосуде.

На первой стадии кипения воды на дне сосуда появляются небольшие пузырьки воздуха, которые также можно заметить и на поверхности воды по бокам.

Эти пузырьки образуются в результате расширения небольших пузырей воздуха, которые находятся в мелких трещинах сосуда.

[wpmfc_short code=»Block1″]

На второй стадии наблюдается увеличение объема пузырьков: все больше пузырьков воздуха рвется на поверхность. Внутри пузырьков находится насыщенный пар.

Как только повышается температура, возрастает давление насыщенных пузырьков, в результате чего они увеличиваются в размере. Как следствие, повышается действующая на пузыри архимедова сила.

Именно благодаря этой силе пузырьки стремятся к поверхности воды. Если верхний слой воды не успел прогреться до 100 градусов С (а это и есть температура кипения чистой воды без примесей), то пузырьки опускаются вниз в более горячие слои, после чего они снова устремляются назад на поверхность.

[note]Ввиду того, что пузыри постоянно уменьшаются и увеличиваются в размере, внутри сосуда возникают звуковые волны, которые создают характерный для кипения шум.[/note]

На третьей стадии на поверхность воды поднимается огромное количество пузырьков, что вначале вызывает небольшое помутнение воды, которая затем «бледнеет». Данный процесс продолжается недолго и имеет название «кипение белым ключом».

Наконец, на четвертой стадии кипения вода начинает интенсивно бурлить, появляются большие лопающиеся пузыри и брызги (как правило, брызги означают, что вода сильно перекипела).

Из воды начинает образовываться водяной пар, при этом вода издает специфические звуки.

Почему «цветут» стены и «плачут» окна? Очень часто в этом виноваты строители, неправильно рассчитавшие точку росы. Читайте статью Точка росы: определение чтобы узнать, насколько это важное физическое явление, и как все-таки избавиться от излишней сырости в доме?

Какую пользу может принести талая вода для желающего похудеть? Об этом вы узнаете прямо тут, оказывается, худеть можно без особых усилий!

Температура пара при кипении воды

Пар – это газообразное состояние воды. Когда пар поступает в воздух, то он, как и другие газы, оказывает на него определенное давление.

В процессе парообразования величина температуры пара и воды будет оставаться постоянной до тех пор, пока не испарится вся вода. Такое явление объясняется тем, что вся энергия (температура) направлена на превращение воды в пар.

В данном случае образуется сухой насыщенный пар. Высокодисперсные частицы жидкой фазы в таком паре отсутствуют. Также пар может быть насыщенным влажным и перегретым.

[wpmfc_short code=»Block2″]

Насыщенный пар с содержанием взвешенных высокодисперсных частиц жидкой фазы, которые равномерно распределены по всей массе пара, называется влажным насыщенным паром.

В начале закипания воды образуется именно такой пар, который затем переходит в сухой насыщенный. Пар, температура которого больше температуры кипящей воды, а точнее перегретый пар, можно получить только с использованием специального оборудования. При этом такой пар будет близок по своим характеристикам к газу.

Температура кипения соленой воды

Температура кипения соленой воды превышает температуру кипения пресной воды. Как следствие соленая вода закипает позднее пресной. В соленой воде присутствуют ионы Na+ и Cl-, которые занимают определенную область между молекулами воды.

В соленой воде молекулы воды присоединяются к ионам соли – данные процесс имеет название «гидратация». Связь между молекулами воды значительно слабее связи, образовавшейся в процессе гидратации.
[tip]Поэтому при кипении из молекул пресной воды парообразование происходит быстрее.[/tip]

На закипание воды с растворенной солью потребуется больше энергии, в качестве которой в данном случае выступает температура.

По мере увеличения температуры молекулы в соленой воде начинаются двигаться быстрее, но при этом их становится меньше, ввиду чего они сталкиваются реже. В результате образуется меньше пара, давление которого ниже, нежели у пара пресной воды.

Для того чтобы в соленой воде давление стало выше атмосферного и начался процесс кипения, необходима более высокая температура. При добавлении 60 граммов соли в воду объемом 1 литр температура кипения увеличится на 10 С.

[wpmfc_short code=»Block3″]

Температура кипения воды в вакууме при различном давлении

Температура кипения воды в вакууме

Известно, что при нормальном атмосферном давлении вода закивает при температуре 100 градусах C. Нормальное атмосферное давление составляет 101,325 кПа.

При снижении окружающего давления вода закипает и испаряется быстрее. Вакуум – свободное от вещества пространство. Технический вакуум – среда, содержащая газ под давлением, которое значительно ниже атмосферного.

В вакууме остаточное давление составляет примерно 4 кПа. При таком показателе давления точкой кипения воды будет 300 С. Чем выше давление в вакууме, тем больше величина температуры кипения воды.

Температура кипения воды в чайнике

Кипяток – вода, доведенная до температуры кипения. Как правило, для получения кипятка используются чайники. Остывшая вода, прежде доведенная до кипения, называется кипяченой.

В процессе кипения воды обильно выделяется пар. Процесс парообразования сопровождается выделением из состава жидкости свободных молекул кислорода. Чистая пресная вода закипает в чайнике при температуре 100 градусов С.

В кипятке погибает большинство болезнетворных бактерий за счет длительного воздействия высокой температуры на воду. При кипении из солей, содержащихся в жесткой воде, образуется осадок, который известен нам как накипь.

Обычно кипяченую воду применяют для заваривания кофе и чая, а также для дезинфекции овощей и фруктов и т.д.

Хороший способ поправить свое здоровье — это пить минеральную воду. Узнайте больше про щелочные минеральные воды Украины названия которых наиболее известны, насколько они полезны, сколько стоят? Это интересно!

Какие сейчас цены на насосы для повышения давления воды, и как определить, стоит ли он своих денег? Об этом можно прочитать здесь, сделайте правильный выбор!

Кстати, а вы знаете, какой состав у морской воды? Об этом можно прочитать в статье:
https://pro8odu.ru/vidy-vody/seawater/pochemu-nelzya-pit-morskuyu-vodu.html, это очень интересно!

Температура кипения воды в горах

Как уже упоминалось выше, величина температуры кипения воды напрямую зависит от внешнего давления. Чем ниже будет атмосферное давление, тем меньше станет показатель температуры кипения.

Известно, что атмосферное давление значительно падает над уровнем моря. Поэтому в горах давление будет намного ниже, чем на уровне моря.

[important]Чем выше горы, тем ниже атмосферное давление, и соответственно тем ниже температура кипения воды.[/important]

Любой альпинист знает, что в горах сложно заварить чай, поскольку вода недостаточно нагревается. Также в горах требуется больше времени, чтобы сварить пищу.

Поэтому была составлена специальная таблица, отражающая температуру закипания воды в зависимости от высоты.

Температуры кипения воды на разных высотах

Данные показатели могут меняться, если в состав воды входят примеси. При наличии нелетучих примесей температура кипения воды будет увеличиваться.

Температура кипения дистиллированной воды

Дистиллированная вода – это очищенная вода H2O, в которой практически не содержится каких-либо примесей. Обычно ее используют в медицинских, технических или исследовательских целях.

Дистиллированная вода не предназначена для питья или приготовления пищи. Такую воду производят в специальном оборудовании – дистилляторах, где происходит выпаривание пресной воды и последующая конденсация пара.

Данный процесс называется «дистилляция». После дистилляции все присутствовавшие в воде примеси остаются в выпаренном остатке.

Температура кипения дистиллированной воды будет такой же, как и у обычной водопроводной воды — 100 градусов Цельсия. Разница же заключается в том, что дистиллированная вода будет закипать быстрее по времени, нежели пресная.

Однако этот показатель практически не отличается от времени закипания обычной воды: разница состоит в считанных долях секунды.

Удельная теплота кипения воды

Удельная теплота кипения воды или парообразования – это физическая величина, отражающая количество теплоты, необходимое для превращения 1 л кипящей воды в пар.

Процесс кипения воды, как и любого другого вещества, происходит с поглощением теплоты. Значительная часть проводимой теплоты необходима для разрыва связей между молекулами воды.

Другая часть теплоты расходуется на процессы, происходящие при расширении пара. В результате поглощения теплоты увеличивается энергия взаимодействия между частицами пара.

Эта энергия становится больше энергии взаимодействия молекул воды. Таким образом, при одинаковой температуре внутренняя энергия пара становится выше внутренней энергии жидкости.

Единица удельной теплоты парообразования в системе СИ: [ L] = 1 Дж/кг.

Удельная теплота испарения воды равна 2260 кДж/кг.

Небольшое видео — измерение температуры кипения воды: