Закипание воды при пониженном давлении
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 Áóìåðàíã 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.
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
Многие люди думают, что температура кипения воды составляет 100 градусов Цельсия. Однако этот показатель может меняться в зависимости от атмосферного давления.
Например, на горе Эверест на подъеме 8842 метра над уровнем моря вода закипит при +70°C. А в глубокой шахте при достижении температуры + 103°C
В данной статье мы выясним, как будет меняться температура кипения воды в зависимости от давления: в горах, шахте, вакууме. Рассмотрим особенности процесса кипячения с точки зрения физики и химии.
Как будет меняться температура кипения воды: 4 фактора
Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.
Стоит отметить, что она всегда остается неизменной. Поэтому, если увеличить огонь под кипящей кастрюлей с водой, выкипать будет быстрее, но температура при этом не увеличится, так как средняя кинетическая энергия молекул остаётся неизменной.
Рассмотрим 4 фактора, которые влияют на изменение t°:
- Пониженное атмосферное давление (наблюдается в горной местности) – t° уменьшается.
- Повышенное атмосферное давление (наблюдается в шахте) – t° наоборот увеличивается.
- Применения герметической крышки, вакуума. За счёт герметической крышки или посуды пар не выходит градус кипения увеличивается. При использовании вакуума температура зависит от давления, которое создано внутри его.
- Свойства воды. Соленая вода начинает кипеть при более высокой температуре, чем пресная.
Рассмотрим более подробно каждый из факторов.
Влияние атмосферного давления
Согласно исследованиям и уравнению Клапейрона — Клаузиуса, градус кипения напрямую зависит от атмосферного давления. С его ростом температура кипения увеличивается, а с уменьшением, наоборот, становится все ниже и ниже.
Атмосферное давление — это давление атмосферы, действующее на все находящиеся на ней предметы и земную поверхность. Оно может меняться в зависимости от места и времени и измеряется барометром.
При нормальном атмосферном давлении 760 мм ртутного столба вода кипит при + 100 °C
В горной местности давление уменьшается, а под землей (в шахте) увеличивается.
Для наглядности предоставлена таблица № 1 из большого химического справочника, источник: Волков А. И, Жарский И. В.
Таблица № 1. «Температура кипения воды от давления».
| Р, кПа | t, °C | Р, кПа | t, °C | Р, кПа | t, °C |
| 5,0 | 32,88 | 91,5 | 97,17 | 101,325 | 100,00 |
| 10,0 | 45,82 | 92,0 | 97,32 | 101,5 | 100,05 |
| 15,0 | 53,98 | 92,5 | 97,47 | 102,0 | 100,19 |
| 20,0 | 60,07 | 93,0 | 97,62 | 102,5 | 100,32 |
| 25,0 | 64,98 | 93,5 | 97,76 | 103,0 | 100,46 |
| 30,0 | 69,11 | 94,0 | 97,91 | 103,5 | 100,60 |
| 35,0 | 72,70 | 94,5 | 98,06 | 104,0 | 100,73 |
| 40,0 | 75,88 | 95,0 | 98,21 | 104,5 | 100,87 |
| 45,0 | 78,74 | 95,5 | 98,35 | 105,0 | 101,00 |
| 50,0 | 81,34 | 96,0 | 98,50 | 105,5 | 101,14 |
| 55,0 | 83,73 | 96,5 | 98,64 | 106,0 | 101,27 |
| 60,0 | 85,95 | 97,0 | 98,78 | 106,5 | 101,40 |
| 65,0 | 88,02 | 97,5 | 98,93 | 107,0 | 101,54 |
| 70,0 | 89,96 | 98,0 | 99,07 | 107,5 | 101,67 |
| 75,0 | 91,78 | 98,5 | 99,21 | 108,0 | 101,80 |
| 80,0 | 93,51 | 99,0 | 99,35 | 108,5 | 101,93 |
| 85,0 | 95, 15 | 99,5 | 99,49 | 109,0 | 102,06 |
| 90,0 | 96,71 | 100,0 | 99,63 | 109,5 | 102,19 |
| 90,5 | 96,87 | 100,5 | 99,77 | 110,0 | 102,32 |
| 91,0 | 97, 02 | 101,0 | 99,91 | 115,0 | 103,59 |
Единицы измерения давления в таблице: кПа.
1 кПа = 1000 Па = 0,00986923 атм = 7, 50062 мм. рт. ст
Нормальное атмосферное давление составляет 765 мм. РТ. Ст. = 101,325 Р, кПа
Температура кипения в горах
При подъеме над поверхностью Земли (в горах), температура кипения воды падает, так как снижается атмосферное давление (на каждые 10, 5 м на 1 мм РТ. С). Пузырькам легче всплывать – процесс происходит быстрее.
Поэтому высоко в горах альпинисты не могут приготовить нормальную пищу, а используют законсервированные продукты.
Для варки мяса, как и других продуктов, нужны привычные 100 градусов. В обратном случае все компоненты бульона просто останутся сырыми.
Таблица № 2. «Как будет меняться t° кипения с высотой».
| Высота над уровнем моря | t° кипения |
| 100,0 | |
| 500 | 98,3 |
| 1000 | 96,7 |
| 1500 | 95,0 |
| 2000 | 93, 3 |
| 2500 | 91,7 |
| 3000 | 90,0 |
| 3500 | 88,3 |
| 4000 | 86,7 |
| 4500 | 85,0 |
| 5000 | 83,3 |
| 6000 | 80,0 |
Температура кипения воды в шахте
Если спуститься в шахту, то давление будет увеличиваться.
Температура кипения воды в шахте зависит от глубины (при спуске на 300 м вода закипит при t 101°C, при глубине 600 метров -102 °C
Применение герметической крышки
Герметичные крышки не позволяет образовавшемуся пару ускользнуть. В среднем температура закипания воды увеличивается от 5-20 градусов.
В хозяйстве для приготовления блюд часто используют кастрюли, сковородки с герметичной крышкой. Таким образом, уменьшается время приготовления пищи за счет высокой температуры, а блюда получаются более вкусными. В горных районах с низким давлением это необходимая вещь для приготовления пищи. Так же используют мультиварки и сотейники.
Кипячение воды в вакууме
Вакуум — это среда с газом, с пониженным давлением.
Виды вакуумов:
- низкий;
- средний;
- высокий;
- сверхвысокий;
- экстремальный;
- космическое пространство;
- абсолютный.
Температура кипения воды в вакууме зависит от того, какое давление в нём.
Разные виды вакуумов поддерживают разное давление. Например, в низком вакууме давление составляет от 760 до 25 мм. РТ. Ст. В абсолютном вакууме давление полностью отсутствует. Для точного расчета нужно знать модель вакуума и давление, которое он поддерживает.
Кипение солёной воды
Солёная вода закипает при более высокой температуре за счет своих свойств.
Соль увеличивает плотность воды, соответственно на процесс требуется больше времени.
t° повышается примерно на 1 градус при добавлении 40 грамм соли на литр воды.
Температура кипения воды в чайнике
Чистая пресная вода закипает в чайнике при t° 100 градусов °C при условиях нормального атм. давления 760 мм ртутного столба.
Удельная теплоемкость
Удельной теплоемкостью вещества называется количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг этого вещества, чтобы его температура изменилась на 1 градус Цельсия.
Это количество теплоты необходимое для нагревания массы вещества на один градус.
формула удельной теплоемкости
С — удельная теплоемкость;
Q — кол-во теплоты;
— масса нагреваемого охлаждающегося вещества;
— ΔT — разность конечной и начальной температур вещества.
Процесс кипячения воды: 3 основных стадии
Кипение – это интенсивное парообразование, которое происходит при нагревании жидкости по всему объёму при определённой температуре.
Весь процесс кипения воды сопровождается выделением пара. Это одно из состояний воды. При парообразовании температура пара и воды остаются постоянными до тех пор, пока жидкость не изменит свое агрегатное состояние. Это явление объясняется тем, что при кипении вся энергия расходуется в преобразование воды в пар.
В воде растворены молекулы воздуха (газов). При нагревании газ превращается в воздушные пузырьки. При достижении достаточной температуры они лопаются, создаётся характерный шум.
Процесс можно разделить на 3 стадии:
- Появление небольших пузырьков вдоль стенок сосуда. Их количество стремительно увеличивается.
- Массовый подъем пузырьков и увлечения их объема. Помутнение воды, затем «побеление».
- Интенсивное бурление. Пузырьки увеличиваются в размере, поднимаются и лопаются, выпуская пар. Слышен характерный звук кипения.
Что такое кипячёная вода?
Это вода, ранее доведенная до температуры кипения. Сырая вода в своем составе может содержать различные бактерии, микроорганизмы. В водопроводе больших городов много хлора и различных других химических веществ. Процесс кипячения обезвреживает многие микробы. Однако не все бактерии и тяжёлые металлы убиваются в кипящей воде, поэтому питьевая вода происходит предварительную проверку пригодности.
Выводы и рекомендации
Кипячение необходимый процесс для человечества. С помощью него приготавливают пищу, стирают загрязненную одежду, проводят дезинфекцию.
Градус кипения напрямую зависит от давления, свойств воды и емкости.
Подготовлено специалистами www.vodasila.ru
Автор Марюшина Мария
Источник