Что такое кипение жидкости

Физика. 10 класс

§ 9-1. Кипение жидкости

В 8-м классе вы узнали, что у жидкости может быть много значений температуры кипения. Дело в том, что в жидкости всегда имеется растворённый в ней газ, с которым тесно связано кипение ( рис. 60.1 ). Если нагревать на плите сосуд с водой, то у его стенок воздух начнёт выделяться в виде пузырьков. В эти пузырьки испаряется вода, поэтому в них в воздухе находится насыщенный водяной пар. С ростом температуры давление насыщенного пара увеличивается гораздо быстрее, чем давление остального газа. Поэтому можно считать, что давление внутри пузырьков в нагретой жидкости практически равно давлению насыщенного пара. На пузырьки, кроме силы тяжести их содержимого, действуют силы гидростатического давления воды и атмосферного давления воздуха. Однако если сосуд не слишком глубокий, то гидростатическое давление значительно меньше атмосферного и им можно пренебречь.

С ростом температуры объём пузырьков быстро увеличивается, что влечёт за собой увеличение выталкивающей силы. Когда сила Архимеда, действующая на пузырёк, становится больше силы тяжести его содержимого, он начинает всплывать ( рис. 60.2 ). Достигнув поверхности жидкости, пузырьки лопаются, поскольку давление насыщенного пара, которым они заполнены, немного превышает внешнее давление. Пар выходит наружу — жидкость кипит. Таким образом, жидкость начинает кипеть при такой температуре, при которой давление насыщенного пара равно (точнее, чуть больше) внешнему давлению.

Перегретую жидкость используют в пузырьковых камерах для визуализации треков заряженных частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света.

С перегретой жидкостью необходимо обращаться очень осторожно. Любое возмущение (резкое перемещение сосуда, появление источника газа или какого-либо предмета в жидкости) может привести к её немедленному взрывообразному вскипанию.

1. Чем отличается кипение от испарения?

2. При каком условии происходит кипение жидкости?

3. Почему температура кипящей при определённом внешнем давлении жидкости остаётся постоянной?

Источник

Физическое явление, знакомое каждому: кипение воды и его особенности

Существует множество физических явлений, над которыми обычно никто не задумывается — настолько они стали привычны и обыденны.

Однако иногда бывает полезно узнать о них подробнее. Одним из таких явлений является кипение воды.

Что это за явление?

Кипение — это процесс перехода воды из жидкого агрегатного состояния в газообразное, то есть ее превращение в пар.

От обычного испарения оно отличается высокой степенью интенсивности: если на испарение воды может потребоваться несколько дней или недель, то выкипеть такой же ее объем сможет за считанные часы.

При необходимости ёмкость можно прикрыть, тогда часть пара будет конденсироваться обратно, становясь капельками воды.

Процесс кипения условно можно разделить на два этапа:

Однако источник тепла нужен даже на этой стадии, ведь парообразование тоже требует энергетических затрат.

Какие факторы влияют на закипание?

На кипение влияет множество факторов:

Также часть тепла забирает ёмкость, в которой содержится вода, ведь она должна дойти до нужной температуры ещё раньше, чем ее содержимое. Поэтому посуда с более тонкими стенками, сделанная из легко проводящего тепло материала, например, металла, лучше подходит для кипячения.

От массы, а значит и от объёма вещества, кипение находится в обратной зависимости. Чем больше вес, тем больше энергии требуется на его нагревание, тем дольше будет необходимо ждать.

При прочих равных условиях вода без соли и других примесей закипает несколько быстрее, чем солёная. Однако, если концентрация соли очень низкая, этой разницы может быть практически незаметно.

Давление также влияет на процесс. Чем оно выше, тем дольше будет закипать вода, потому что давление атмосферы как бы удерживает пузырьки газа внутри, а испаряться она начинает тогда, когда давление пара уравнивается с атмосферным.

Эта разница мало заметна, если сравнивать первый этаж жилого дома с пятым, однако становится ощутима, если речь идёт, например, о подъеме в горы.

В вакууме температура кипения всех веществ очень сильно снижается из-за понижения давления, обычно отличие составляет 100-200 градусов. Для воды она стремится к нулю по мере уменьшения количества воздуха, оставшегося в сосуде.

Не менее важны характеристики источника тепла. Чем больше его мощность, то есть количество выделяемой им энергии за единицу времени, тем быстрее идет процесс кипячения. На практике это означает, что на более сильном огне или при большей температуре конфорки на электроплите вода закипит скорее.

Сколько по времени закипает?

Становится понятно, что время кипения сильно зависит от условий, при которых оно происходит.

Величины:

Даже эта формула учитывает не все, ведь также существуют потери тепла, которое уходит в окружающую среду.

Однако такая точность редко бывает нужна в быту, кроме того, необходимые данные для расчётов получить затруднительно. Чаще всего кипение литра воды на плите при достаточно большом огне занимает около 10 минут. Здесь некоторую роль играет материал, из которого сделана посуда. Быстрее всего нагревается металл.

Как понять, что жидкость кипит?

По мере приближения к точке кипения в воде появляется все больше пузырьков. Сначала их можно увидеть на стенках сосуда, а потом они начинают всплывать на поверхность, отчего она становится неровной. Пропустить этот момент сложно из-за характерного бурления.

Даже спустя некоторое время после этого испарение будет продолжаться, потому что температура не сразу опустится ниже точки кипения. Например, от чашки горячего чая еще некоторое время идет пар.

Как быстро остывает после?

Остывание зависит от тех же факторов, что и нагрев: от объема, температуры окружающей среды.

Например, электрочайник, вскипевший за пять минут, будет остывать около двух часов, чтобы дойти до комнатной температуры.

Если объем воды большой, то остывание при прочих равных займет более длительный промежуток времени, а чем холоднее воздух вокруг, тем быстрее охладится и сам кипяток. Его температура будет опускаться до того момента, пока не сравняется с окружающей.

Нюансы процесса

Кипение воды в чайнике и кастрюле немного различается между собой, но в обоих случаях оно происходит при 100 градусах. Рассмотрим особенности каждого процесса.

В чайнике

В электрическом чайнике процесс пойдёт быстрее, чем при кипячении в кастрюле, он займёт 3-4 минуты, точное время зависит от конкретной модели и ее мощности. Не потребуется даже выключать прибор – он сделает это автоматически.

Свист, которым чайник оповещает, что вода кипит, связан с прохождением пара через крышку на его носике.

В кастрюле

При таком способе кипячения ждать потребуется дольше – около 10 мин. Лучше всего подойдет металлическая кастрюля, она нагреется быстрее, чем емкости из других материалов.

Не стоит наполнять ее до самого верха, потому что в таком случае при кипении брызги будут выплескиваться на плиту. Момент закипания сопровождается громким бурлением. Почти сразу после этого воду можно выключать.

Если накрыть кастрюлю крышкой, можно ускорить нагрев и закипание воды, потому что снизится количество тепла, уходящего в окружающую среду. Однако желательно оставить щель, через которую будет выходить пар.

Видео по теме статьи

О кипении жидкости расскажет видео:

Заключение

Хотя с точки зрения физики кипение — далеко не самый сложный процесс, говорить о нем можно долго, так как он связан со множеством факторов, под воздействием которых особенности его протекания несколько отличаются.

Даже общие знания из этой области могут быть полезны и найдут практическое применение, ведь в быту с необходимостью вскипятить воду регулярно сталкивается каждый.

Источник

Молекулярная физика. Кипение жидкости.

Кипение — это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

В отличие от испарения, которое происходит при любой температуре жидкости, другой вид парообразования — кипение — возможен лишь при совершенно определенной (при данном давлении) температуре — температуре кипения.

При нагревании воды в открытом стеклянном сосуде можно увидеть, что по мере увеличения температуры стенки и дно сосуда покрываются мелкими пузырьками. Они образуются в результате расширения мельчайших пузырьков воздуха, которые существуют в углублениях и микротре­щинах не полностью смачиваемых стенок сосуда.

Пары жидкости, которые находятся внутри пузырьков, являются насыщенными. С ростом температуры давление насыщенных паров возрастает, и пузырьки увеличиваются в размерах. С уве­личением объема пузырьков растет и действующая на них выталкивающая (архимедова) сила. Под действием этой силы наиболее крупные пузырьки отрываются от стенок сосуда и поднимаются вверх. Если верхние слои воды еще не успели нагреться до 100 °С, то в такой (более холодной) воде часть водяного пара внутри пузырьков конденсируется и уходит в воду; пузырьки при этом сокращаются в размерах, и сила тяжести заставляет их снова опускаться вниз. Здесь они опять увеличиваются и вновь начинают всплывать вверх. Попеременное увеличение и уменьшение пузырьков внутри во­ды сопровождается возникновением в ней характерных звуковых волн: закипающая вода шумит.

Когда вся вода прогреется до 100 °С, поднявшиеся вверх пузырьки уже не сокращаются в размерах, а лопаются на поверхности воды, выбрасывая пар наружу. Возникает характерное бульканье — вода кипит.

Кипение начинается после того, как давление насыщенного пара внутри пузырьков сравнивается с давлением в окружающей жидкости.

Во время кипения температура жидкости и пара над ней не меняется. Она сохраняется неизменной до тех пор, пока вся жидкость не выкипит. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия уходит на превращение ее в пар.

Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.

Температура кипения зависит от давления, оказываемого на свободную поверхность жидкос­ти. Это объясняется зависимостью давления насыщенного пара от температуры. Пузырек пара растет, пока давление насыщенного пара внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из внешнего давления и гидростатического давления столба жидкости.

Чем больше внешнее давление, тем больше температура кипения.

Всем известно, что вода кипит при температуре 100 ºC. Но не следует забывать, что это справедливо лишь при нормальном атмосферном давлении (примерно 101 кПа). При увеличении дав­ления температура кипения воды возрастает. Так, например, в кастрюлях-скороварках пищу варят под давлением около 200 кПа. Температура кипения воды при этом достигает 120°С. В воде такой температуры процесс варки происходит значительно быстрее, чем в обычном кипятке. Этим и объясняется название «скороварка».

И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Напри­мер, в горных районах (на высоте 3 км, где давление составляет 70 кПа) вода кипит при температуре 90 °С. Поэтому жителям этих районов, использующим такой кипяток, требуется значительно больше времени для приготовления пищи, чем жителям равнин. А сварить в этом кипятке, например, кури­ное яйцо вообще невозможно, так как при температуре ниже 100 °С белок не сворачивается.

У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, т. к. при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному. Например, при температуре кипения 100 °С давление насыщенных паров воды равно 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а паров ртути — всего лишь 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипит ртуть при 357°С при нормальном давлении.

Теплота парообразования.

Теплота парообразования (теплота испарения) — количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу (при постоянном давлении и постоянной температуре) для полного превращения жидкого вещества в пар.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обра­тить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.

Удельную теплоту парообразования обозначают буквой r и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты, необходимое для парообразования (или выделяющееся при конденса­ции). Чтобы вычислить количество теплоты Q, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования r ум­ножить на массу m:

При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты:

Источник

Что такое кипение жидкости

Явление превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Парообразование может осуществляться в виде двух процессов: испарение и кипение.

Кипение

Второй процесс парообразования — кипение. Наблюдать этот процесс можно с помощью простого опыта, нагревая воду в стеклянной колбе. При нагревании воды в ней через некоторое время появляются пузырьки, в которых содержатся воздух и насыщенный водяной пар, который образуется при испарении воды внутри пузырьков. При повышении температуры давление внутри пузырьков растёт, и под действием выталкивающей силы они поднимаются вверх. Однако, поскольку температура верхних слоёв воды меньше, чем нижних, пар в пузырьках начинает конденсироваться, и они сжимаются. Когда вода прогреется по всему объёму, пузырьки с паром поднимаются до поверхности, лопаются, и пар выходит наружу. Вода кипит. Это происходит при такой температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках равно атмосферному давлению.

Процесс парообразования, происходящий во всем объёме жидкости при определённой температуре, называют кипением. Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения.

Эта температура зависит от атмосферного давления. При повышении атмосферного давления температура кипения возрастает.

Опыт показывает, что в процессе кипения температура жидкости не изменяется, несмотря на то, что извне поступает энергия. Переход жидкости в газообразное состояние при температуре кипения связан с увеличением расстояния между молекулами и соответственно с преодолением притяжения между ними. На совершение работы по преодолению сил притяжения расходуется подводимая к жидкости энергия. Так происходит до тех пор, пока вся жидкость не превратится в пар. Поскольку жидкость и пар в процессе кипения имеют одинаковую температуру, то средняя кинетическая энергия молекул не изменяется, увеличивается лишь их потенциальная энергия.

На рисунке приведён график зависимости температуры воды от времени в процессе её нагревания от комнатной температуры до температуры кипения (АВ), кипения (ВС), нагревания пара (CD), охлаждения пара (DE), конденсации (EF) и последующего охлаждения (FG).

Удельная теплота парообразования

Для превращения разных веществ из жидкого состояния в газообразное требуется разная энергия, эта энергия характеризуется величиной, называемой удельной теплотой парообразования.

Удельная теплота парообразования (L) — это величина, равная отношению количества теплоты, которое нужно сообщить веществу массой 1 кг, для превращения его из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения.

Единица удельной теплоты парообразования — [L] = Дж/кг.

Чтобы рассчитать количество теплоты Q, которое необходимо сообщить веществу массой тп для его превращения из жидкого состояния в газообразное, необходимо удельную теплоту парообразования (L) умножить на массу вещества: Q = Lm.

При конденсации пара выделяется некоторое количество теплоты, причем его значение равно значению количества теплоты, которое необходимо затратить для превращения жидкости в пар при той же температуре.

Конспект урока «Кипение. Удельная теплота парообразования».

Источник

Температура кипения воды: этапы закипания жидкости

Кипение — это быстрое испарение жидкости, происходящее, когда жидкость нагревается до определенной температурной точки. При температуре кипения давление паров жидкости равно давлению, оказываемому на жидкость окружающей атмосферой. Чем выше давление, тем выше температура кипения.

Кипячение воды используется как способ ее обеззараживания. Чувствительность различных микроорганизмов к теплу изменяется, но если вода удерживается при 70° C (158° F) в течение десяти минут, многие организмы погибают, но некоторые из них более устойчивы к теплу и требуют одной минуты при температуре кипения воды.

Также кипячение применяется для приготовлении пищи. Продукты, пригодные для варки, включают в себя:

Температура закипания воды

Существует два основных типа кипения воды: первоначальное, когда образуются небольшие пузырьки пара в отдельных точках, и критический тепловой поток, где кипящая поверхность нагревается выше некоторой критической температуры, и на поверхности образуется пленка пара. Переходное кипение является промежуточной, неустойчивой формой с элементами обоих типов.

Температура кипящей воды обычно считается равной 100° C или 212° F при давлении 1 атмосферы (уровень моря). Однако, это значение не является константой. Многое зависит от атмосферного давления, которое изменяется в зависимости от высоты. Также на точку вскипания влияют такой фактор, как изменение состава воды.

Например, в городе Денвере, штат Колорадо, США, который находится на высоте около одной мили над уровнем моря, вода кипит приблизительно при 95° C или 203° F. Аналогичным образом, увеличение давления, как в скороварке, повышает температуру содержимого выше точки вскипания под открытым небом.

Добавление водорастворимого вещества, такого как соль или сахар также увеличивает градус закипания. При приемлемых концентрациях эффект очень мал и отличие трудно заметить. Однако, добавив достаточное количество соли или сахара, можно заметить повышение температуры кипячения. Из-за изменений в составе и давлении точка кипения почти никогда не составляет точно 100° C.

Стадии кипячения воды

Выделяется три стадии:

Если поверхностное нагревание жидкости значительно сильнее, чем внутри нее, тогда тонкий слой пара, который имеет низкую теплопроводность, изолирует поверхность. Это состояние паровой пленки, изолирующей поверхность от жидкости, характеризует кипение пленки.

Использование кипячения как метода

Как метод дезинфекции воды, кипячение ее при 100° C (212° F), является самым старым и наиболее эффективным способом, поскольку оно не влияет на вкус, эффективно, несмотря на наличие загрязнений или частиц, присутствующих в нем, и представляет собой одноступенчатый процесс, который устраняет большинство микробов. Рекомендуется только в качестве метода экстренной помощи или для получения питьевой воды в пустыне или в сельской местности, поскольку кипячение не может удалить химические токсины или примеси.

Кипячение также часто используется для удаления излишней соли из определенных продуктов, таких как бекон.

Контраст с испарением

При любой заданной температуре все молекулы в жидкости не имеют одинаковой кинетической энергии. Некоторые частицы на поверхности жидкости могут иметь достаточную энергию для выхода из межмолекулярных связей и стать газом. Это называется испарением.

Испарение происходит только на поверхности, а кипячение происходит по всей жидкости. Когда жидкость достигает своей точки кипения, в ней образуются пузырьки газа, которые поднимаются на поверхность и вырываются из нее в воздушное пространство.

Видео

Интересный эксперимент с водой вы можете увидеть в этом видео.

Источник