Как происходит кипение воды кратко
Обновлено: 03.07.2024
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.
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
источник тепла передает свою тепловую энергию (к примеру воде)
от тепла предметы расширяются, но вода расширится (увеличится объем воды) не может из за сосуда в котором находится (к примеру чайник или паровоз)
раз объем не увеличивается а тепле приходит то увеличивается внутренне давление воды, а от давления повышается температура всех веществ
при дальнейшем нагревании внутреннее давление воды превысит атмосферное и жидкость превращается в газ (пар)
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:
- сначала вода нагревается до нужной температуры (при нормальном атмосферном давлении — это 100 градусов Цельсия),
- потом происходит её превращение в пар, в течение которого показания термометра уже не меняются.
Однако источник тепла нужен даже на этой стадии, ведь парообразование тоже требует энергетических затрат.
Какие факторы влияют на закипание?
На кипение влияет множество факторов:
- количество воды;
- наличие примесей;
- емкость, в которой она содержится;
- температура окружающей среды;
- высота, где происходит кипячение;
- давление атмосферы;
- мощность источника тепла.
Чем выше изначальная температура воды и воздуха вокруг, тем быстрее начнётся кипение: на нагревание будет затрачено меньше энергии, а значит, меньше времени уйдёт на её получение.
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.
Соответственно, влияние оказывает также высота, на которой происходит кипячение, ведь с высотой давление уменьшается, как и температура кипения, потому что слой атмосферы сверху становится тоньше.
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.
Чтобы узнать количество времени (секунд) точно до закипания, можно воспользоваться формулой: t= (c1m1t°C1+ c2m2t°C2 +Lm) / N
Величины:
- c1, L — табличные величины, теплоемкость и удельная теплота парообразования воды;
- m1 — ее масса;
- t°C — разница между изначальной и нужной для кипения температурой;
- N — мощность нагревательного прибора;
- m2 и c2 — характеристики емкости, в которой проводится кипячение (масса и теплоемкость).
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.
Присмотревшись, над поверхностью воды можно будет увидеть поднимающийся пар. Если нет цели заставить воду выкипать, стоит снять её с плиты.
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.
Обычный чайник несильно отличается от металлической кастрюли похожей конфигурации и размера, поэтому время закипания у них приблизительно одинаково.
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.
На этом уроке мы уделим внимание такому виду парообразования, как кипение, обсудим его отличия от рассмотренного ранее процесса испарения, введем такую величину, как температура кипения, и обсудим, от чего она зависит. В конце урока введем очень важную величину, описывающую процесс парообразования – удельную теплоту парообразования и конденсации.
Интересно
Появление быстро лопающихся, бурлящих пузырей на поверхности указывает нам на то, что вода закипела. Стоит разобраться, что такое кипение, из каких фаз оно состоит и почему в воде образуются пузыри.
Что такое кипение?
Кипение – это процесс активного образования пара, который происходит внутри и на поверхности жидкости. Он может возникать только при условии определенного давления и температуры жидкости.
Вопреки распространенному мифу, соль не ускоряет кипение, а лишь увеличивает количество пузырьков – создает много парообразовательных центров
Исходя из этого, температура, при которой закипает жидкость, называется ее температурой или точкой кипения. У всех веществ данный показатель разный. Например, вода кипит при 100℃, спирт – при 78℃, ртуть – при 357℃.
Интересный факт: в горах вода будет закипать быстрее. Это связано с понижением атмосферного давления с высотой. Так, на высоте 9000 м над уровнем моря вода начнет кипеть при температуре 75℃.
Фазы кипения
Самый простой пример кипения – постепенное нагревание кастрюли с водой на кухонной плите. В скором времени можно заметить множество мелких пузырьков, которые поднимаются на поверхность. Они состоят из воздуха, газов, которые присутствуют в воде. Если кастрюля накрыта крышкой, на ней изнутри появится пар. Это значит, что жидкость нагревается – первая фаза (60-75℃).
Логично, что на самом дне емкости вода будет нагреваться быстрее, так как ближе всего находится к источнику тепла. Срабатывает режим конвекции: нагретая жидкость поднимается вверх, а более прохладная – опускается вниз. Происходит смешивание воды.
Стадии кипения воды
Далее нижний слой жидкости начинает понемногу испаряться – вторая фаза (75-90℃). Этот процесс сопровождается характерными звуками в виде жужжания, отрывистых гудков и т.п. Исходят они как раз из лопающихся в массе воды пузырей, которые уже стали намного крупнее. Поднимаясь со дна кастрюли, они соприкасаются с холодной водой и пар внутри пузырька конденсируется.
Если подача тепла не прекращается, вся вода становится примерно одинаковой температуры, начинается третья фаза. Теперь пузыри не конденсируются, могут свободно достигать поверхности и взрываться там. До этого момента шум воды нарастает, а затем начинает стихать. Лишь сейчас можно говорить о том, что жидкость кипит (100℃).
Интересно, что в бытовых условиях невозможно перейти к следующей фазе. Температура кипения достигнута, и вода будет просто испаряться. Но, например, в лаборатории можно продолжить повышение температуры с помощью горелки. При этом количество пузырьков станет настолько огромным, что все вместе они образуют столбы пара.
В данном случае говорят о пузырьковом кипении. Последующий нагрев запускает переходный режим. Что интересно, чем сильнее при этом повышается температура, тем медленнее происходит передача тепла воде. Дело в том, что на дне кастрюли формируется слой пара, который хуже передает тепло.
Эффект Лейденфроста
Постепенно он становится сплошным. Запускается фаза пленочного кипения – вода над слоем пара получает тепло очень медленно. Яркий пример этого явления – капля воды, пролитая на очень хорошо разогретую сковородку. Если температура емкости превышает температуру кипения воды, то капля не испарится мгновенно, а свернется в шарик и сможет просуществовать около минуты.
Данное явление описано немецким ученым Иоганном Готлобом Лейденфростом в 1756 г., поэтому сейчас оно так и называется – эффект Лейденфроста. Секрет бегающих по сковороде капель довольно прост. Попадая на разогретую поверхность, нижняя часть капли мгновенно испаряется и образует слой пара, который изолирует остальную жидкость на некоторое время.
Почему в кипящей воде образуются пузыри?
Что же вызывает появление пузырей в кипящей воде? В емкости имеются микроскопические трещины и впадины. Они служат центрами парообразования. Именно на этих шероховатых участках разрушаются водородные связи между молекулами.
Быстро убегающая молочная пенка – множество накопившихся пузырьков под пленкой
Наружу высвобождается определенный объем пара. Пузырек постепенно увеличивается и отрывается от поверхности, однако на его месте образуется новый. Если поверхность емкости очень гладкая, вода может нагреться до 100℃, но так и не перейдет в стадию кипения. Такую жидкость называют перегретой. Она может вскипеть мгновенно в случае попадания примесей или толчка посуды.
Пузыри в кипящей воде – это растворенный в ней воздух. Его молекулы собираются в центрах парообразования, которыми служат микротрещины на дне емкости. Постепенно пузыри увеличиваются в размерах, отрываются от дна и лопаются на поверхности, а на их месте возникают новые.
Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Читайте также: