Как кипит вода при пониженном давлении
Арсений С.
1 апреля · 25,0 K
Вода закипает, когда давление насыщенного пара превысит атмосферное. Поэтому понятно, что при уменьшении атмосферного давления температура кипения падает. Из-за этого например в горах довольно трудно что-то сварить.
Температура кипения зависит от давления, под которым находится вода: чем больше давление, тем выше температура, при которой начинается кипение воды.
Температура кипения воды при давлении в мм рт. ст
680 – 96,9, 700 – 97,7, 760 – 100,0, 735 – 99,1, 800 – 101,5
По этому высоко в горах нет смысла варить суп – не сварится. Кипение – это момент, когда давление насыщенного пара… Читать дальше
Изменяется ли температура воды в процессе кипения при постоянном давлении?
Нет и да. На уровне школьной программы температура кипящей жидкости – не только воды – не меняется. Вода закипает при определенной температуре (зависящей от давления, но определенной в каждом случае) и эта температура не меняется, потому что вся энергия подводимая к воде расходуется на ее кипение.
Чуть за пределами школы все немного сложнее. Дело в том, что само по себе кипение воды это не совсем линейный процесс. Практически в месте образования пузырька вода сперва нагревается до температуры выше температуры кипения, образуется пузырек заполненный паром, на этот фазовый переход тратится энергия и перегретая было вода в этом месте снова немного остывает.
Таким образом средняя температура кипящей воды не меняется, но в каждой отдельной точке она постоянно колеблется от чуть больше до чуть меньше температуры кипения.
Если мы говорим об обычной воде, в которой присутствуют растворенные газы, например, то эти колебания очень незначительны, где-то в районе десятых долей градуса. Для сверхчистой воды эта разница намного больше, но и кипение происходит почти мгновенно по всему объему и напоминает взрыв.
Почему температура кипения жидкости зависит от внешнего давления?
IT, телеком, телефония, базы данных, интеграционные решения, естествознание…
Чтобы понять почему это происходит нужно понять как происходит кипение. Пусть сосуд с жидкостью стоит на открытом огне. Жидкость в единицу времени получает Q1 джоулей теплоты, но и отдаёт в окружающую среду Q2 джоулей. Если Q1 > Q2, то происходит увеличение температуры жидкости, или одним словом, нагревание. Как жидкость отдаёт тепло? Двумя способами: через стенки сосуда и испаряясь. Первый способ нас мало интересует, а вот испарение может происходить по разному. До начала кипения испарение происходит только с поверхности, а при кипении пузырьки насыщенного пара образуются по всему объёму, всплывают и лопаются. При кипении Q2 резко возрастает и быстро достигает Q1. По этому при кипении температура жидкости в среднем остаётся постоянной. Кипение, таким образом, это точка баланса между подводимым и отводимым теплом. Можно сделать огонь под сосудом чуть сильнее или слабее, в результате изменится интенсивность кипения, но температура жидкости останется прежней.
Чтобы пузырёк пара вырос и всплыл под действием архимедовой силы, нужно, чтобы давление в нём превзошло давление в жидкости (а это атмосферное + давление столба жидкости, меньшее к поверхности и бо́льшее у дна. Давление насыщенного пара зависит именно от температуры (это объясняется в термодинамике).
При нормальном атмосферном давлении (760мм.рт.ст) пузырьки пара в воде начинают всплывать и доплывать до поверхности при температуре, которую и стали для ровного счёта считать 100°С (замерзание и кипение воды были выбраны реперными точками для шкалы Цельсия).
Если атмосферное давление выше нормы, то нагревать воду до всплывания пузырьков придётся дольше и до более высокой температуры. И наоборот, если меньше, то пузырьки сорвутся раньше, при меньшей температуре. Вот и всё объяснение.
Логично предположить, что может существовать такое давление, при котором жидкая фаза будет вообще невозможна. Например, тихим солнечным днём положенный на поверхности Марса водяной лёд сразу будет испаряться. Нет жидкой фазы — нет и кипения.
Прочитать ещё 1 ответ
Повлияет ли на Землю частица, нагретая до температуры Большого взрыва?
Сусанна Казарян, США, Физик
Чтобы вопрос содержал физический смысл необходимо уточнить понятие “частицы”, а подсказка автора — “температура частицы”, указывает, что это не электрон (он точечный и не может иметь температуры). Для примера возьмём протон, состоящий из трех валентных кварков (uud), связанных цветовыми силами в море кварк-антикварковых пар и глюонов. Звучит жутко непонятно, но всё просто.
Температура (T) термодинамической системы (протон) пропорциональна средней кинетической энергии (E) частиц системы или другими словами T = ⅔(E/k), где k — постоянная Больцмана. Среднюю кинетическую энергию (E = mv²/2) определим из приближений: вклад глюонов нулевой из-за отсутствия у них массы; вклад виртуальных кварк-антикварковых пар моря так же — ноль, по определению; валентные кварки квазисвободны и скорости (v) их близки к скорости света (v ≈ с); средняя масса кварков равна m = 3 МэВ/с². Подставив численные значения, получим T ≈ 10¹⁰ К или 10 млрд К.
Из хронологии Вселенной следует, что это соответствует температуре Вселенной в Адронную эпоху, когда возраст Вселенной был немногим менее 1 секунды. Таким образом, все протоны, в том числе протоны в составе ядер атомов наших тел и планеты Земля, “нагреты” до температуры 10 млрд градусов Кельвина, что в 1000 раз выше температуры в центре Солнца, и ничего — живём без проблем.
Максимальные температуры достигнутые человеком на сегодня равны около 4 трлн градусов К или 4×10¹² К для кварк-глюонной плазмы при столкновениях ядер атомов золота на скоростях близких к скорости света (Брукхейвен, Нью-Йорк). Такая температура была в Кварковую эпоху, когда Вселенной было менее 1 мксек.
⋇ Читатель со звёздочкой может спросить: “Если всё так, то почему нет теплового излучения от протонов, раскалённых до 10 млрд °C ?”. Подумайте. Пишите.
Прочитать ещё 7 ответов
Источник
Внимание! Администрация сайта rosuchebnik.ru не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.
- Участник: Ярославцев Максим Александрович
- Руководитель: Трубенко Фаина Ивановна
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 | ||
| | ||
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:
рнас. п. > ρgh + ратм.
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.
| Техника безопасности | 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 | |
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 | ||
| | ||
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. |
|
Природные явления | 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). рис. 1 рис.2 рис.3 | |
|
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.
Тема: Тепловые явления
Источник
Какова температура кипения воды в вакууме и от чего она зависит?
Кипение – это переход жидкого вещества в газообразное состояние. Процесс сопровождается образованием пара и происходит, когда достигается определенная температура.
Испарение может происходить при любой степени нагрева, тогда как вода закипает только по достижении 100 °C при нормальном атмосферном давлении. Но в вакууме вода тоже кипит. Начинается это раньше, чем в обычных условиях.
О том, какова температура кипения воды в вакууме, читайте в статье.
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.
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.
| Давление, Pa | Температура кипения воды | ||
| °C | °F | °K | |
| 101 325 | 100 | 212 | 373 |
| 84 660 | 95 | 205 | 368 |
| 70 060 | 90 | 194 | 363 |
| 47 340 | 80 | 176 | 353 |
| 31 550 | 70 | 158 | 343 |
| 19 900 | 60 | 140 | 333 |
| 12 300 | 50 | 122 | 323 |
| 7 350 | 40 | 104 | 313 |
| 4 230 | 30 | 86 | 303 |
| 3 380 | 27 | 80 | 300 |
| 3 048 | 25 | 76 | 298 |
| 2 710 | 22 | 72 | 295 |
| 2 370 | 20 | 69 | 293 |
| 2 030 | 18 | 64 | 291 |
| 1 670 | 15 | 59 | 288 |
| 1 350 | 12 | 53 | 285 |
| 1 010 | 7 | 45 | 280 |
| 605 | 32 | 273 | |
| 340 | -6 | 21 | 267 |
| 170 | -15 | 6 | 258 |
| 35 | -31 | -24 | 242 |
| 0,16 | -47 | -35 | 226 |
| 0,3 | -51 | -60 | 222 |
| 0,03 | -56 | -70 | 217 |
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.
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.
Источник
Зависимость температуры кипения воды от давления:
Температура кипения — это температура, при которой происходит кипение жидкости, которая находится под постоянным давлением. Согласно уравнению Клапейрона — Клаузиуса с ростом давления температура кипения увеличивается, а с уменьшением давления температура кипения соответственно уменьшается.
Если жидкость получает теплоту, то она будет нагреваться и через некоторое время начнет кипеть. По наблюдениям этот процесс сопровождается образованием в объеме жидкости пузырьков насыщенного пара. С повышением температуры их количество на стенках сосуда возрастает, а размеры увеличиваются. При определенной температуре давление пара в пузырьках становится равным давлению в жидкости, и они под действием силы Архимеда начинают всплывать. Когда такой пузырек достигает поверхности жидкости, он лопается и выбрасывает пар наружу.
Кипение — это внутреннее парообразование, которое происходит во всем объеме жидкости при температуре, когда давление насыщенного пара равно давлению в жидкости.
Установлено, что при кипении температура жидкости остается постоянной— при достижении температуры кипения все предоставленное количество теплоты идет на парообразование. Если жидкость не получает теплоту, кипение прекратится, поскольку не будет поступать энергия для внутреннего парообразования.
Кипение осуществляется при температуре, когда давление насыщенного пара в пузырьках равно давлению в жидкости.
Каждое вещество имеет собственную температуру кипения. Очевидно, что ее значение определяется давлением насыщенного пара при данной температуре, поскольку кипение наступает тогда, когда давление насыщенного пара уравнивается с давлением в жидкости. Поэтому температура кипения жидкостей зависит от внешнего давления — чем оно выше, тем выше должна быть температура кипения, и наоборот.
Температура кипения воды при этом давлении:
o C
Удельный объем насыщенного пара:
м 3 /кг
Удельная теплота парообразования:
кДж/кг
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
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.
| Техника безопасности | ||
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 | ||
|
| |
| ||
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
Источник