Кипение воды при пониженном давлении опыт

Ïîíÿòèå òåìïåðàòóðû ïîÿâèëîñü åùå â ãëóáîêîé äðåâíîñòè. Ñ òåõ ïîð îíî íå ïðåòåðïåëî ñóùåñòâåííûõ èçìåíåíèé. Êàê â äðåâíîñòè, ñ÷èòàëîñü, ÷òî òåìïåðàòóðà ýòî ìåðà «íàãðåòîñòè» òåëà, òàê è òåïåðü. Âçãëÿäû äðåâíèõ ó÷åíûõ è ñîâðåìåííûõ ðàçíÿòñÿ ëèøü â îïèñàíèè åå ñóùíîñòè.  äðåâíîñòè ëþäè ïîëàãàëè, ÷òî òåìïåðàòóðà åñòü ðåçóëüòàò íàëè÷èÿ ó òåëà îñîáîé íåâåñîìîé ìàòåðèè – òåïëîðîäà. Ñåé÷àñ æå èçâåñòíî, ÷òî òåìïåðàòóðà åñòü ìåðà âíóòðåííåé ýíåðãèè òåëà – ýíåðãèè, îáóñëîâëåííîé õàîòè÷åñêèì äâèæåíèåì ìîëåêóë, ÷àñòèö èç êîòîðûõ ñîñòîÿò òåëà.

Ñàìîå õîëîäíîå ìåñòî âî âñåëåííîé

Ðåêîðäíî íèçêàÿ òåìïåðàòóðà çà âñå âðåìÿ íàáëþäåíèé íà Çåìëå áûëà çàôèêñèðîâàíà â Àíòàðêòèäå íà ðîññèéñêîé ñòàíöèè Âîñòîê 21 èþëÿ 1983 ã. Òåìïåðàòóðà -89,2 °Ñ áûëà èçìåðåíà ïîëÿðíèêàìè è çàíåñåíà â æóðíàë íàáëþäåíèé. Ýòîò ðåêîðä äîëãîå âðåìÿ íå áûë ïîáèò.  äåêàáðå 2013 ã., àìåðèêàíñêèå ó÷åíûå äîëîæèëè îá îòêðûòèè îáëàñòè â Àíòàðêòèäå, ãäå òåìïåðàòóðà ÷àñòî óñòàíàâëèâàåòñÿ íèæå ðåêîðäíîé. Ïî èõ äàííûì â ýòîé îáëàñòè òåìïåðàòóðà ìîæåò äîñòèãàòü ýêñòðåìàëüíûõ çíà÷åíèé äî -93,2 °Ñ. Ïðè òàêîé òåìïåðàòóðå ÷åëîâåêà æäåò ëåòàëüíûé èñõîä ïðèìåðíî ÷åðåç äâå ìèíóòû, íî äàæå òàêóþ òåìïåðàòóðó òðóäíî ïðåäñòàâèòü, õîòü îíà è íàõîäèòüñÿ ñîâñåì áëèçêî, íà íàøåé ïëàíåòå Çåìëå.

Íî âî âñåëåííîé åñòü ìåñòà êóäà ìåíåå äðóæåëþáíûå è òåìïåðàòóðû òàì äîñòèãàþò çàïðåäåëüíûõ è íåâîîáðàçèìûõ îòìåòîê.

Òóìàííîñòü Áóìåðàí㠗 ìîëîäàÿ ïëàíåòàðíàÿ òóìàííîñòü è ñàìûé õîëîäíûé îáúåêò â èçâåñòíîé íàì Âñåëåííîé. Òóìàííîñòü ëåæèò â ñîçâåçäèè Öåíòàâð â 5 òûñÿ÷àõ ñâåòîâûõ ëåò îò Çåìëè. Îíà ñôîðìèðîâàëàñü âîêðóã ÿðêîé öåíòðàëüíîé çâåçäû, êîãäà îíà ñáðîñèëà îáëàêî ãàçà íà îäíîì èç ïîñëåäíèõ ýòàïîâ ñâîåé æèçíè. Ýòà òóìàííîñòü ðàñøèðÿåòñÿ è âûáðàñûâàåò îõëàæäåííûé ãàç ñî ñêîðîñòüþ 500 000 êì/÷. Çà ñ÷åò îãðîìíîé ñêîðîñòè âûáðîñà ìîëåêóëû ãàçà îõëàäèëèñü äî —271 °Ñ. Ýòî ÿâëÿåòñÿ ñàìîé íèçêîé èç îôèöèàëüíî çàðåãèñòðèðîâàííûõ åñòåñòâåííûõ òåìïåðàòóð. È, êàçàëîñü áû, êóäà åùå ìåíüøå, íî è ýòà òåìïåðàòóðà íå ÿâëÿåòñÿ ñàìîé íèçêîé.

Àáñîëþòíûé íîëü

×òî òàêîå àáñîëþòíûé íîëü? Äåéñòâèòåëüíî ëè òàêàÿ òåìïåðàòóðà ìîæåò ñóùåñòâîâàòü âî Âñåëåííîé? Ìîæåì ëè ìû îõëàäèòü ÷òî-ëèáî äî àáñîëþòíîãî íóëÿ â ðåàëüíîé æèçíè?

Àáñîëþòíûé íîëü — ýòî òåìïåðàòóðà -273,15 ãðàäóñîâ Öåëüñèÿ, -459,67 ïî Ôàðåíãåéòó è ïðîñòî 0 ïî Êåëüâèíó. Ýòî òî÷êà, ãäå òåïëîâîå äâèæåíèå ïîëíîñòüþ îñòàíàâëèâàåòñÿ. Íî òàêàÿ òåìïåðàòóðà íèãäå íå âñòðå÷àåòñÿ â èçâåñòíîé íàì âñåëåííîé, òàê ÷òî ðå÷ü ïîéäåò î ëàáîðàòîðíûõ óñëîâèÿõ äîñòèæåíèÿ àáñîëþòíîãî íóëÿ.

Âñå îñòàíàâëèâàåòñÿ?

 êëàññè÷åñêîì ðàññìîòðåíèè âîïðîñà ïðè àáñîëþòíîì íóëå îñòàíàâëèâàåòñÿ âñå, íî çäåñü íå îáîéòèñü áåç êâàíòîâîé ìåõàíèêè. Îäíèì èç ïðåäñêàçàíèé êâàíòîâîé ìåõàíèêè, ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî íåâîçìîæíî èçìåðèòü òî÷íîå ïîëîæåíèå èëè èìïóëüñ ÷àñòèöû ñ ñîâåðøåííîé îïðåäåëåííîñòüþ. Ýòî èçâåñòíî êàê ïðèíöèï íåîïðåäåëåííîñòè Ãåéçåíáåðãà.

Åñëè áû âû ìîãëè îõëàäèòü ãåðìåòè÷íóþ êîìíàòó äî àáñîëþòíîãî íóëÿ, ïðîèçîøëè áû ñòðàííûå âåùè. Äàâëåíèå âîçäóõà óïàëî áû ïðàêòè÷åñêè äî íóëÿ, è ïîñêîëüêó äàâëåíèå âîçäóõà îáû÷íî ïðîòèâîñòîèò ãðàâèòàöèè, âîçäóõ ñêîëëàïñèðóåò â î÷åíü òîíêèé ñëîé íà ïîëó.

Íî äàæå â ýòîì ñëó÷àå, åñëè âû ñìîæåòå èçìåðèòü îòäåëüíûå ìîëåêóëû, âû îáíàðóæèòå êîå-÷òî ëþáîïûòíîå: îíè âèáðèðóþò è âðàùàþòñÿ, ñîâñåì íåìíîãî — êâàíòîâàÿ íåîïðåäåëåííîñòü â ðàáîòå. ×òîáû ïîñòàâèòü òî÷êè íàä i: åñëè âû èçìåðèòå âðàùåíèå ìîëåêóë óãëåêèñëîãî ãàçà ïðè àáñîëþòíîì íóëå, âû îáíàðóæèòå, ÷òî àòîìû êèñëîðîäà îáëåòàþò óãëåðîä ñî ñêîðîñòüþ íåñêîëüêî êèëîìåòðîâ â ÷àñ — êóäà áûñòðåå, ÷åì âû ïðåäïîëàãàëè.

Áëèæå ÷åì íàì êàæåòñÿ

Òàê ÷òî æå ïîëó÷àåòñÿ? Ãäå ñàìàÿ íèçêàÿ òåìïåðàòóðà âî âñåëåííîé?

Íà ïåðâûé âçãëÿä, êàæåòñÿ, ÷òî òàêàÿ òåìïåðàòóðà ìîæåò ñóùåñòâîâàòü ãäå-òî î÷åíü äàëåêî â òåìíûõ ãëóáèíàõ êîñìîñà, êîòîðûå åùå íå äîñòóïíû íàì äàæå äëÿ íàáëþäåíèÿ, íî êàê íå ñòðàííî, ìåñòî, ãäå òåìïåðàòóðà áëèçêà ê àáñîëþòíîìó íóëþ íàìíîãî áëèæå, ÷åì íàì êàæåòñÿ. Íà Çåìëå ó÷åíûå â ëàáîðàòîðèÿõ âñå áëèæå è áëèæå ïîäáèðàþòñÿ ê îòìåòêå àáñîëþòíîãî íóëÿ. Ìàêñèìàëüíî áëèçêî ê «Àáñîëþòíîìó íóëþ» ïîäîáðàëèñü â ÑØÀ. Àìåðèêàíñêèå ôèçèêè Ýðèê Êîðíåëë (Eric Allin Cornell) è Êàðë Âèìàí (Carl Wieman), â 1995 ãîäó ïðè îõëàæäåíèè àòîìîâ ðóáèäèÿ, äîñòèãëè òåìïåðàòóðû, ìåíåå ÷åì íà 1/170 ìëðä. äîëþ ãðàäóñà âûøå àáñîëþòíîãî íóëÿ.

Описание:

Кипение — процесс интенсивного парообразования, проходящий при определённой температуре – температуре кипения.

Все мы прекрасно знаем, что вода закипает при температуре 100˚С. Почему же жидкости закипают?

Всё дело в микропузырьках газа, которые находятся внутри жидкости. В ходе нагревания внутри этих пузырьков начинает накапливаться пар. С увеличением температуры количество пара внутри пузырьков растёт и пузырьки начинают увеличиваться.

В момент, когда давление внутри пузырька сравнивается с наружным давлением, пузырёк отрывается от стенки сосуда и поднимается вверх. На поверхности жидкости он лопается и выпускает накопленный пар во внешнюю среду (при этом выпущенный пар “уносит” с собой часть энергии, тем самым охлаждая жидкость). Таким образом кипение при постоянном давлении может происходить только при определённой температуре.

Если же мы увеличим интенсивность нагрева жидкости, то количество пузырьков увеличиться и кипение будет протекать более интенсивно, а значит пар будет “уносить” ещё большее количество энергии, тем самым мешая дальнейшему повышению температуры жидкости. В таком равновесном состоянии жидкость будет находиться вплоть до полного её выкипания.

Если простыми словами, то: как бы вы не увеличивали огонь под кастрюлей с водой (хоть пионерский костер под ней разложите), температура воды в кастрюле не увеличится, если она уже закипела. Эта температура (температура кипения) будет оставаться постоянной, а увеличится только скорость кипения.

А можно ли изменить температуру кипения?

Можно! Температура кипения напрямую зависит от внешнего давления. При понижении давления время насыщения пузырьков паром уменьшиться (потому что им нужно “накачаться” до меньшего давления), а это значит, что пузырьки начнут всплывать активнее и кипение будет происходить при более низкой температуре!

Как же вскипятить воду при комнатной температуре? Очень просто! Для этого нужно лишь понизить внешнее давление до 0,04 атмосферного. Жаль только, что чай в таком кипятке завариться не сможет.

С подобной проблемой сталкиваются альпинисты: на высоте 2 километров над уровнем моря, вода начинает закипать при температуре 95 ˚С, а на высоте 5 километров при температуре 83 ˚С. В таком кипятке приготовление пищи значительно затягивается, а варка некоторых продуктов становится в принципе невозможной. (еда приготавливается из-за высокой температуры, а не от кипения)

Объяснение опыта:

В данном случае, с помощью специального насоса, из склянки с водой откачивается воздух. При этом давление внутри склянки падает. Чем ниже давление – тем заметнее становятся пузырьки внутри жидкости. Когда же давление уменьшается примерно до 0,04 атмосферного – жидкости внутри склянки закипает.

Это интересно:

А вы знали, что скороварки также работают благодаря связи температуры кипения жидкости с внешним давлением? В отличие от нашего опыта, в скороварках используется обратный принцип работы: давление внутри скороварки умышленно повышается, что приводит к увеличению температуры кипения. Таким образом пища готовиться гораздо быстрее, нежели при использовании привычных нам кастрюль.

Закипятить воду при комнатной температуре может каждый из вас в домашних условиях. Для этого достаточно налить в медицинский шприц немного воды и, заткнув пальцем выходное отверстие, оттянуть поршень. Давление в шприце понизится и образуются пузырьки по всему объему жидкости – вода закипела.