Молекулярная физика. Кипение жидкости

Все, что окружает нас в повседневной жизни, можно представить в виде физических и химических процессов. Мы постоянно производим массу манипуляций, которые выражаются формулами и уравнениями, даже не подозревая об этом. Одним из таких процессов является кипение. Это то явление, которое используют абсолютно все хозяйки во время приготовления пищи. Оно кажется нам абсолютно обыденным. Но давайте взглянем на процесс кипения с точки зрения науки.

Кипение - это что такое?

Еще со школьного курса физики известно, что вещество может быть в жидком и газообразном состоянии. Процесс трансформации жидкости в состояние пара - кипение. Это происходит только при достижении или превышении определенного температурного режима. Участвует в данном процессе и давление, его необходимо обязательно учитывать. У каждой жидкости существует собственная температура кипения, запускающая процесс образования пара.

В этом заключается существенная разница между кипением и испарением, происходящим при любом температурном режиме жидкости.

Как происходит кипение?

Если вы когда-нибудь кипятили воду в стеклянной посуде, то наблюдали за образованием пузырьков на стенках емкости в процессе нагревания жидкости. Они образовываются благодаря тому, что в микротрещинах посуды скапливается воздух, который при нагревании начинает расширяться. Пузырьки состоят из паров жидкости, находящихся под давлением. Эти пары называют насыщенными. По мере нагревания жидкости увеличивается давление в пузырьках воздуха и они увеличиваются в размерах. Естественно, что они начинают подниматься наверх.

Но, если жидкость еще не достигла температуры кипения, то в верхних слоях пузырьки охлаждаются, давление снижается и они оказываются на дне емкости, где снова нагреваются и поднимаются вверх. Этот процесс знаком каждой хозяйке, вода будто начинает шуметь. Как только температура жидкости в верхних и нижних слоях сравнивается, пузырьки начинаются подниматься на поверхность и лопаться - происходит кипение. Это возможно только тогда, когда давление внутри пузырьков становится одинаковым с давлением самой жидкости.

Как мы уже упоминали, каждая жидкость имеет свой температурный режим, при котором начинается процесс закипания. Причем в течение всего процесса температура вещества остается неизменной, вся выделенная энергия затрачивается на парообразование. Поэтому у нерадивых хозяек сгорают кастрюли - все их содержимое выкипает и начинает нагреваться сама емкость.

Температура кипения находится в прямо пропорциональной зависимости от давления, оказываемого на всю жидкость, точнее, на ее поверхность. В школьном курсе физике указано, что вода начинает кипеть при температуре в сто градусов по Цельсию. Но мало кто помнит, что данное утверждение верно только в условиях нормального давления. За норму принято считать величину в сто один килопаскаль. Если увеличить давление, то кипение жидкости будет происходить при другой температуре.

Это физическое свойство используют производители современных бытовых приборов. Примером может послужить скороварка. Всем хозяйками известно, что в подобных устройствах пища готовится гораздо быстрее, чем в обычных кастрюлях. С чем это связано? С давлением, которое образуется в скороварке. Оно в два раза превышает норму. Поэтому и кипение воды происходит приблизительно при ста двадцати градусов по Цельсию.

Если вы когда-либо были в горах, то наблюдали обратный процесс. На высоте вода начинает закипать при девяноста градусах, что существенно затрудняет процесс приготовления пищи. С этими трудностями хорошо знакомы местные жители и альпинисты, проводящие в горах все свободное время.

Еще немного о кипении

Многие слышали такое выражение, как "точка кипения" и, вероятно, удивились, что мы его не упомянули в статье. На самом деле мы уже его описали. Не спешите перечитывать текст. Дело в том, что в физике точка и температура процесса кипения считаются идентичными.

В научном мире разделение в данной терминологии производится только в случае смешения различных жидких веществ. В такой ситуации определяется именно точка кипения, причем наименьшая из всех возможных. Именно она и берется за норму для всех составных частей смеси.

Вода: интересные факты о физических процессах

В лабораторных опытах физики всегда берут жидкость без примесей и создают абсолютно идеальные внешние условия. Но в жизни все происходит немного иначе, ведь зачастую мы подсаливаем воду или добавляем в нее различные приправы. Какова будет температура кипения в этом случае?

Соленая вода требует более высокой температуры для закипания, чем пресная. Это связано с примесями натрия и хлора. Их молекулы сталкиваются между собой, и на их нагревание требуется значительно более высокая температура. Существует определенная формула, позволяющая вычислить температуру кипения соленой воды. Учтите, что шестьдесят граммов соли на один литр воды, увеличивают температуру кипения на десять градусов.

А может ли кипеть вода в вакууме? Ученые доказали, что может. Вот только температура кипения в этом случае должна достигать предела трехсот градусов по Цельсию. Ведь в вакууме давление составляет всего лишь четыре килопаскаля.

Все мы кипятим воду в чайнике, поэтому знакомы с таким неприятным явлением, как "накипь". Что это такое и почему она образуется? На самом деле все просто: пресная вода имеет разную степень жесткости. Она определяется количеством примесей в жидкости, чаще всего в ней содержатся различные соли. В процессе кипячения они трансформируются в осадок и в больших количествах превращаются в накипь.

Может ли кипеть спирт?

Кипение спирта используется в процессе самогоноварения и называется дистилляцией. Этот процесс напрямую зависит от количества воды в спиртовом растворе. Если взять за основу чистый этиловый спирт, то температура его кипения будет приближена к семидесяти восьми градусам по Цельсию.

Если вы добавляете в спирт воду, то температура кипения жидкости увеличивается. В зависимости от концентрации раствора он будет закипать в промежутке от семидесяти восьми градусов до ста градусов по Цельсию. Естественно, что в процессе кипения спирт превратится в пар за более короткий временной интервал, чем вода.

Наш мир живёт по законам, которые легко объяснимы благодаря законам химии и физики. О том, какой именно процесс произошёл с каким-то телом или веществом, можно судить по характеру изменений. А по каким признакам можно узнать, кипение воды - это физическое или химическое явление?

Характеристики явлений

Основным признаком всех физических явлений считается неизменность состава тел. Проще говоря, все вещества, которые участвовали в процессе, по его окончании сохраняют свой первоначальный состав. Изменяться может форма вещества или его агрегатное состояние. Например, состав воды остаётся одним и тем же, будь она в твёрдом, жидком либо парообразном состоянии. При понижении температуры вода может превратиться в лёд, а при повышении – снова перейти в жидкое состояние.

Во время химических реакций происходит превращение одних веществ в другие, и при этом приобретаются новые свойства.

Например, при сжигании бумаги, кроме золы, образуется некоторое количество влаги и углекислого газа. Причём получить бумагу обратно уже невозможно. Также сюда относится ржавление железа. Его реакция с кислородом, входящим в состав воздуха, ведёт к образованию оксида железа, который имеет совсем другие свойства, нежели первоначальный металл.

В отличие от физических явлений, химические протекают с изменением цвета, запаха, температуры, выделением различных газов. Каждое вещество имеет свой состав и обладает какими-то особенными свойствами. Одна из главных задач химии – изучение строения тел, а также особенностей их превращения во время реакций. Очень часто химические реакции осуществляются одновременно с физическими. Поэтому физические свойства тел зависят и от химических реакций, протекающих в них.

Что такое испарение

Процесс парообразования принято называть испарением. Объясняется оно таким образом. При ударах молекул друг о друга их скорость изменяется. Часто она увеличивается до такой степени, что превышает притяжение близлежащих молекул. Это позволяет молекуле, которая передвигается с большой скоростью, отрываться от поверхности. Следует сказать, что процесс парообразования является постоянным, независимо от температуры воздуха.

Молекулы, оторвавшиеся от поверхности, некоторое время находятся над ней в виде пара. Благодаря хаотичному движению определённое их количество может вернуться снова в воду. Поэтому на скорость испарения влияет ветер, который своей силой переносит пар в сторону. В закрытой ёмкости парообразование моментально прекращается, поскольку оторвавшиеся молекулы через определённое время снова попадают в воду.

Поскольку это явление не влияет на изменение состава, можно выразить сомнения относительно распространённого мнения, что испарение воды – это химический процесс. Скорость парообразования зависит также от следующих факторов:

1. Если притяжение молекул в жидкости понижается, то интенсивность парообразования возрастает.
2. С увеличением площади поверхности, занимаемой жидкостью, увеличивается и скорость испарения.
3. Повышенная температура оказывает существенное влияние на скорость движения молекул, а, следовательно, и на интенсивность парообразования.

Что такое кипение

Очень интересно происходит также кипение воды. Какое это явление? Его суть заключается в интенсивном парообразовании, происходящем во время повышения температуры жидкости, появлении в ней пара в виде пузырьков, которые, всплывая на поверхность, разрываются. При кипении температура воды не меняется, и этот градус называют температурой кипения.

Кипение – процесс перехода вещества из жидкого в газообразное состояние (парообразование в жидкости). Кипение не является испарением : оно отличается тем, что может происходить только при определенном давлении и температуре.

Кипячение – нагревание воды до температуры кипения.

Кипение воды является сложным процессом, который происходит в четыре стадии . Рассмотрим пример кипения воды в открытом стеклянном сосуде.

На первой стадии кипения воды на дне сосуда появляются небольшие пузырьки воздуха, которые также можно заметить и на поверхности воды по бокам.

Эти пузырьки образуются в результате расширения небольших пузырей воздуха, которые находятся в мелких трещинах сосуда.

На второй стадии наблюдается увеличение объема пузырьков: все больше пузырьков воздуха рвется на поверхность. Внутри пузырьков находится насыщенный пар.

Как только повышается температура, возрастает давление насыщенных пузырьков, в результате чего они увеличиваются в размере. Как следствие, повышается действующая на пузыри архимедова сила.

Именно благодаря этой силе пузырьки стремятся к поверхности воды. Если верхний слой воды не успел прогреться до 100 градусов С (а это и есть температура кипения чистой воды без примесей), то пузырьки опускаются вниз в более горячие слои, после чего они снова устремляются назад на поверхность.

Ввиду того, что пузыри постоянно уменьшаются и увеличиваются в размере, внутри сосуда возникают звуковые волны, которые создают характерный для кипения шум.

На третьей стадии на поверхность воды поднимается огромное количество пузырьков, что вначале вызывает небольшое помутнение воды, которая затем «бледнеет». Данный процесс продолжается недолго и имеет название «кипение белым ключом».

Наконец, на четвертой стадии кипения вода начинает интенсивно бурлить, появляются большие лопающиеся пузыри и брызги (как правило, брызги означают, что вода сильно перекипела).

Из воды начинает образовываться водяной пар, при этом вода издает специфические звуки.

Почему «цветут» стены и «плачут» окна? Очень часто в этом виноваты строители, неправильно рассчитавшие точку росы. Читайте статью чтобы узнать, насколько это важное физическое явление, и как все-таки избавиться от излишней сырости в доме?

Какую пользу может принести талая вода для желающего похудеть? Об этом вы узнаете , оказывается, худеть можно без особых усилий!

Температура пара при кипении воды ^

Пар – это газообразное состояние воды. Когда пар поступает в воздух, то он, как и другие газы, оказывает на него определенное давление.

В процессе парообразования величина температуры пара и воды будет оставаться постоянной до тех пор, пока не испарится вся вода. Такое явление объясняется тем, что вся энергия (температура) направлена на превращение воды в пар.

В данном случае образуется сухой насыщенный пар. Высокодисперсные частицы жидкой фазы в таком паре отсутствуют. Также пар может быть насыщенным влажным и перегретым .

Насыщенный пар с содержанием взвешенных высокодисперсных частиц жидкой фазы , которые равномерно распределены по всей массе пара, называется влажным насыщенным паром .

В начале закипания воды образуется именно такой пар, который затем переходит в сухой насыщенный. Пар, температура которого больше температуры кипящей воды, а точнее перегретый пар, можно получить только с использованием специального оборудования. При этом такой пар будет близок по своим характеристикам к газу .

Температура кипения соленой воды ^

Температура кипения соленой воды превышает температуру кипения пресной воды . Как следствие соленая вода закипает позднее пресной . В соленой воде присутствуют ионы Na+ и Cl-, которые занимают определенную область между молекулами воды.

В соленой воде молекулы воды присоединяются к ионам соли – данные процесс имеет название «гидратация». Связь между молекулами воды значительно слабее связи, образовавшейся в процессе гидратации.

Поэтому при кипении из молекул пресной воды парообразование происходит быстрее.

На закипание воды с растворенной солью потребуется больше энергии, в качестве которой в данном случае выступает температура.

По мере увеличения температуры молекулы в соленой воде начинаются двигаться быстрее, но при этом их становится меньше, ввиду чего они сталкиваются реже. В результате образуется меньше пара, давление которого ниже, нежели у пара пресной воды.

Для того чтобы в соленой воде давление стало выше атмосферного и начался процесс кипения, необходима более высокая температура. При добавлении 60 граммов соли в воду объемом 1 литр температура кипения увеличится на 10 С.

Эти знания быстро улетучиваются, и постепенно люди прекращают обращать внимание на сущность привычных явлений. Иногда бывает полезно вспомнить теоретические знания.

Определение

Что такое кипение? Это физический процесс, в ходе которого происходит интенсивное парообразование как на свободной поверхности жидкости, так и внутри ее структуры. Одним из признаков кипения является образование пузырьков, которые состоят из насыщенного пара и воздуха.

Стоит отметить существование такого понятия, как температура кипения. От давления также зависит скорость образования пара. Оно должно быть постоянным. Как правило, основной характеристикой жидких химических веществ является температура кипения при нормальном атмосферном давлении. Тем не менее на данный процесс также могут оказать влияние такие факторы, как интенсивность звуковых волн, ионизация воздуха.

Стадии кипения воды

Непременно начинает образовываться пар во время такой процедуры, как нагревание. Кипение подразумевает прохождение жидкости через 4 стадии:

1. На дне сосуда, а также на его стенках начинают образовываться небольшие пузырьки. Это является результатом того, что в трещинках материала, из которого изготовлена емкость, содержится воздух, который расширяется под воздействием высокой температуры.
2. Пузырьки начинают увеличиваться в объеме, в результате чего они вырываются на поверхность воды. Если верхний слой жидкости еще не достиг температуры кипения, полости опускаются ко дну, после чего снова начинают стремиться вверх. Этот процесс приводит к образованию звуковых волн. Именно поэтому во время кипения воды мы можем услышать шум.
3. На поверхность выплывает наибольшее количество пузырьков, что создает впечатление После этого жидкость бледнеет. Учитывая визуальный эффект, данную стадию кипения называют "белым ключом".
4. Наблюдается интенсивное бурление, которое сопровождается образованием больших пузырей, которые быстро лопаются. Этот процесс сопровождается появлением брызг, а также интенсивным образованием пара.

Удельная теплота парообразования

Практически ежедневно мы сталкиваемся с таким явлением, как кипение. Удельная теплота парообразования представляет собой физическую величину, которая определяет количество теплоты. С ее помощью жидкое вещество может быть обращено в пар. Для того чтобы рассчитать данный параметр, нужно разделить показатель теплоты испарения на массу.

Как происходит измерение

Показатель удельной измеряется в лабораторных условиях путем проведения соответствующих экспериментов. Они включают в себя следующие действия:

• отмеряется необходимое количество жидкости, которое затем переливается в калориметр;
• проводится первоначальный замер температуры воды;
• на горелку устанавливается колба с заранее помещенным в нее исследуемым веществом;
• пар, выделяемый исследуемым веществом, запускается в калориметр;
• производится повторный замер температуры воды;
• калориметр подвергается взвешиванию, что позволяет вычислить массу сконденсированного пара.

Пузырьковый режим кипения

Разбираясь с вопросом о том, что такое кипение, стоит отметить, что оно имеет несколько режимов. Так, при нагревании пар может образовываться в виде пузырей. Они периодически растут и лопаются. Такой режим кипения называется пузырьковым. Обычно полости, наполненные паром образуются именно у стенок сосуда. Это связано с тем, что они, как правило, перегреты. Это необходимое условие для кипения, ведь в противном случае пузырьки будут схлопываться, не достигая больших размеров.

Пленочный режим кипения

Что такое кипение? Проще всего объяснить этот процесс как парообразование при определенной температуре и постоянном давлении. Помимо пузырькового режима, выделяют также пленочный. Его сущность состоит в том, что при усилении теплового потока отдельные пузырьки объединяются, образуя паровой слой на стенках сосуда. При достижении критического показателя они прорываются на поверхность воды. Данный режим кипения отличается тем, что степень теплопередачи от стенок сосуда к самой жидкости значительно снижается. Причиной этому становится та самая паровая пленка.

Температура кипения

Стоит отметить, что существует зависимость температуры кипения от давления, которое оказывается на поверхность нагреваемой жидкости. Так, принято считать, что вода кипит при нагревании до 100 градусов Цельсия. Тем не менее данный показатель можно считать справедливым лишь в том случае, если показатель атмосферного давления будет считаться нормальным (101 кПа). Если же оно будет увеличиваться, температура кипения также поменяется в сторону повышения. Так, например, в популярных кастрюлях-скороварках давление равно примерно 200 кПа. Таким образом, температура кипения повышается на 20 пунктов (до 20 градусов).

Примером низкого атмосферного давления можно считать горные районы. Так, учитывая, что там оно достаточно небольшое, вода начинает закипать при температуре около 90 градусов. Жителям подобных районов приходится тратить намного больше времени на приготовление пищи. Так, например, чтобы сварить яйцо, придется нагреть воду не меньше, чем на 100 градусов, иначе белок не свернется.

Кипение вещества зависит от показателя давления насыщенного пара. Влияние его на температуру обратно пропорционально. Например, ртуть закипает при нагревании до 357 градусов Цельсия. Это можно объяснить тем, что давление насыщенных паров равно всего лишь 114 Па (для воды данный показатель составляет 101 325 Па).

Кипение в разных условиях

В зависимости от условий и состояния жидкости, температура кипения может существенно отличаться. Например, стоит добавить в жидкость соль. Ионы хлора и натрия размещаются между молекулами воды. Таким образом, на закипание требуется на порядок больше энергии, а соответственно - времени. Кроме того, такая вода образует намного меньше пара.

Чайник используется для кипячения воды в бытовых условиях. Если используется чистая жидкость, то температура данного процесса составляет стандартные 100 градусов. При аналогичных условиях закипает дистиллированная вода. Тем не менее будет затрачено немного меньше времени, если учесть отсутствие посторонних примесей.

Чем отличается кипение от испарения

Всякий раз, когда происходит кипение воды, пар выделяется в атмосферу. Но эти два процесса нельзя отождествлять. Они являются лишь способами парообразования, которое происходит при определенных условиях. Так, кипение - это первого рода. Данный процесс является более интенсивным, чем обусловлено образованием паровых очагов. Также стоит отметить, что процесс испарения происходит исключительно на поверхности воды. Кипение же касается всего объема жидкости.

От чего зависит испарение

Испарение представляет собой процесс преобразования жидкого или твердого вещества в газообразное состояние. Происходит "вылетание" атомов и молекул, связь которых с остальными частицами оказывается ослабленной под воздействием определенных условий. Скорость испарения может изменяться под влиянием следующих факторов:

• площадь поверхности жидкости;
• температура самого вещества, а также окружающей среды;
• скорость движения молекул;
• вид вещества.

Энергия кипения воды широко используется человеком в быту. Данный процесс стал настолько обыденным и привычным, что никто не задумывается о его природе и особенностях. Тем не менее с кипением связан целый ряд интересных фактов:

• Наверное, все замечали, что в крышке чайника есть отверстие, но мало кто задумывается о его предназначении. Оно проделывается с той целью, чтобы частично выпускать пар. В противном случае вода может расплескаться через носик.
• Продолжительность варки картофеля, яиц и прочих продуктов питания не зависит от того, насколько мощным является нагреватель. Имеет значение лишь тот факт, как долго они находились под воздействием кипящей воды.
• На такой показатель, как температура кипения, никак не влияет мощность нагревательного прибора. Она может сказаться лишь на скорости испарения жидкости.
• Кипение связано не только с нагреванием воды. При помощи данного процесса можно также заставить жидкость замерзнуть. Так, в процессе кипения нужно производить непрерывную откачку воздуха из сосуда.
• Одна из самых актуальных проблем для хозяек заключается в том, что молоко может "убежать". Так, риск этого явления значительно повышается во время ухудшения погоды, которое сопровождается падением атмосферного давления.
• Самый горячий кипяток получается в глубоких подземных шахтах.
• Путем экспериментальных исследований ученым удалось установить, что на Марсе вода закипает при температуре 45 градусов Цельсия.

Может ли вода кипеть при комнатной температуре?

Путем несложных подсчетов ученым удалось установить, что вода может закипеть при на уровне стратосферы. Аналогичные условия можно воссоздать при помощи вакуумного насоса. Тем не менее подобный опыт можно провести и в более простых, приземленных условиях.

В литровой колбе нужно вскипятить 200 мл воды, а когда емкость заполнится паром, ее нужно плотно закрыть, снять с огня. Поместив ее над кристаллизатором, нужно дождаться окончания процесса кипения. Далее колбу обливают холодной водой. После этого в емкости снова начнется интенсивное кипение. Это связано с тем, что под воздействием низкой температуры пар, находящийся в верхней части колбы, опускается.