Плавает ли сосуд с вакуумом

Пробная идея и конструкция

Как некоторые могли заметить во время приготовления чая или яиц, вода в горах кипит не при 100 ° C, а – в зависимости от высоты горы – при более низких температурах. Температура кипения тем ниже, чем меньше давление окружающей среды. 
Конечно, возникает вопрос: может ли вода кипеть при комнатной температуре даже при достаточном давлении? И какие интересные эффекты могут возникнуть? 

Экспериментальная установка на самом деле относительно проста, вам просто нужно добраться до необходимого оборудования:

Когда крышка и все вентиляционные клапаны закрыты, вы можете откачивать. Затем вы можете видеть через глазок, что происходит, и можете отслеживать давление в вакуумной камере и температуру на дне емкости для воды. 
Вид через глазок выглядит так:

Начальная температура воды составляет ° С. Это немного холоднее, чем комнатная температура, но это не имеет значения.

наблюдения

При давлении от 30 до 20 мбар вода начинает кипеть! Пузырьки газа разного размера быстро поднимаются и бурлят на поверхности. Температура падает ниже 10 ° С. 
Тогда пузырьков становится все меньше и меньше, лишь изредка лопаются. Давление и температура продолжают падать. Давление ниже 10 мбар, а температура на дне сосуда составляет 4 ° С. 

Газовые пузырьки накапливаются подо льдом (фото слева). Температура на дне опускается, а вода замерзает все глубже и глубже. Когда вся вода замерзла, температура падает ниже 0 ° С. Давление остается постоянным на уровне около 8 мбар. 

При повторении с дистиллированной водой и водопроводной водой существенных различий не наблюдалось. 

декларация

Отсоединение молекул воды от поверхности и переход в газообразное состояние вещества зависит от двух факторов:кинетической энергии молекулы и давления извне .
Чем больше кинетической энергии имеет частица, тем быстрее она движется и тем легче ее растворить из соединения с соседними молекулами. Температура всей системы (в нашем случае, воды в стакане) – это среднее значение, которое является результатом кинетических энергий всех отдельных частиц. Например, частица уже может иметь энергию для растворения, в то время как остальная вода все еще остается жидкой. Этот эффект позволяет жидкостям испаряться при температурах, намного ниже их температуры кипения. 
Чтобы отделиться от жидкости, частица должна преодолеть не только связь с другими частицами жидкости, но и давление извне. Давление в газах – не более чем сила и частота, с которой частицы ударяются о граничную поверхность. Поэтому молекула воды постоянно бомбардируется молекулами воздуха и должна также преодолеть это давление, чтобы стать газообразной. Чем меньше внешнее давление, тем меньше энергии требуется. 

Зависимость температуры кипения от внешнего давления можно рассчитать и представить графически в виде кривой давления пара . Для воды это выглядит так:

Можно видеть, что при нормальном давлении воздуха (1 бар) температура кипения составляет 100 ° C (красная стрелка), а вода кипит при комнатной температуре около 30 мбар (зеленая стрелка). 

Это также подтверждается нашим экспериментом: между 30 мбар и 20 мбар вода начинает кипеть (начальная температура была ниже 20 ° C, поэтому давление немного ниже). 
Испаренная вода откачивается. Давление остается постоянным до тех пор, пока ничто не может испариться из охлажденной воды при этом давлении. Затем давление снова понижается, и оно снова может испарять воду. Чем холоднее становится вода, тем ниже будет давление.
Но почему вода вообще остывает? Когда мы кипятим воду на плите, мы все время добавляем тепло. Это тепло обеспечивает тепло испарения, которое необходимо растворить молекулам воды. В вакуумной камере тепло не добавляется. Следовательно, испаряющиеся молекулы «берут» энергию (= тепло) у других молекул. Они теряют энергию, и вода остывает. 

Вода обладает особым свойством, известным как аномалия воды : она имеет самую высокую плотность при 4 ° С.Поскольку плотность жидкостей разной плотности (например, воды разных температур) всегда находится на самом дне, температура на дне сосуда по-прежнему составляет 4 ° C, когда поверхность уже достигла точки замерзания.
Поскольку давление продолжает падать, все больше и больше воды испаряется и получает необходимую энергию из остальной воды. Он даже испаряется, когда оставшаяся вода достигает 0 ° C, и не может продолжать охлаждаться без замерзания. Замораживание также высвобождает энергию. Таким образом, вода замерзает, поэтому она может продолжать испаряться. 

Подобно тому, как частицы могут переходить из жидкого в газообразное состояние вещества (испаряться), они также могут переходить из твердого в газообразное состояние. Этот процесс называется сублимацией. Лед может возвышаться при давлениях менее 8 мбар. Так называемая кривая давления сублимации будет следовать кривой давления пара выше точно в точке замерзания (желтая стрелка). 
Здесь лед также остывает, чтобы обеспечить энергию для сублимации. 

Пузырьки в полученном льду изначально заполнены водяным паром низкого давления. В некоторых, вероятно, образуется вакуум, потому что водяной пар конденсируется и замерзает. 

Что ж, теперь мы объяснили и (надеюсь) поняли все наблюдения. Хорошая особенность этого эксперимента в том, что он совсем не сложный, и вы все равно можете сделать много интересных наблюдений. И, конечно же, кипящая вода и пенистое мороженое тоже отлично смотрятся!

Вернуться на главную страницу ! 
Вернуться на страницу физики !