Опыты кипение при пониженном давлении

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.

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.