Непостоянная величина, или какова температура кипения воды

Различные условия

При нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст., или 101 кПа, 1 атм.) вода начинает кипеть, нагревшись до 100 ℃. Это знают все.

Уравнение зависимости температуры кипения воды от давления довольно сложное. Зависимость эта не линейная. Иногда пользуются барометрической формулой для расчета, делая некоторые приближения, и уравнением Клапейрона-Клаузиуса.

Удобнее воспользоваться таблицами из справочников, в которых приведены данные, полученные экспериментальным путем. По ним можно построить график и, проведя экстраполяцию, вычислить требуемое значение.

В горах вода закипит, не успев нагреться до 100 ℃. На самой высокой вершине мира Джомолунгме (Эверест, высота над уровнем моря 8848 м) температура закипания воды равняется приблизительно 69 ℃. Но даже если опуститься немного ниже, то все равно вода будет кипеть не при ста градусах, пока мы не достигнем давления в 101 к Па. На Эльбрусе, который ниже Эвереста, чайник с водой закипит при 82 ℃ – там давление равно 0,5 атм.

Поэтому в горных условиях для приготовления пищи потребуется значительно больше времени, а некоторые продукты вообще не сварятся в воде, их придется готовить другим способом. Иногда неопытные туристы удивляются, почему яйца так долго варятся, а кипяток не обжигает. Все дело в том, что этот кипяток недостаточно нагрет.

В автоклавах и скороварках, наоборот, давление увеличивают. Это заставляет воду кипеть при более высокой температуре. Пища сильнее разогревается, и готовка происходит быстрее. Поэтому скороварки так и назвали. Нагрев до высокой температуры полезен еще и тем, что происходит дезинфекция жидкости, в ней погибают микробы.

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.

А есть ли польза в кипяченой воде

Разбираясь в том, полезна ли кипяченая вода для питья, стоит отметить, что она мягче, чем водопроводная. Считается, что употребление воды, которая кипятилась один раз, улучшает умственную и физическую активность, выводит из организма токсины, улучшает циркуляцию крови.

Некоторые народные целители рекомендуют употреблять теплую кипяченую воду, особенно натощак. Говоря о том, чем полезна кипяченая вода в таком виде, они выделяют ее способность улучшать обменные процессы и ускорять расщепление жиров. На самом же деле таким действием обладает любая чистая вода, если вы ее подогреете, потому суть не в кипячении.

Полезна или вредна кипяченая вода? Этот процесс действительно делает ее лучше для организма, чем водопроводная или колодезная, в которой находится немало бактерий и агрессивных частиц. Но кипячение не делает воду такой, в каком виде она является полностью полезной и безопасной. Использовать его рекомендуется лишь в том случае, если другого способа очистить воду у вас нет. Тогда оно поможет снизить риск отравлений и прочих негативных последствий. Но кипятить воду рекомендуется не менее 8-10 минут, на что не рассчитаны наши привычные электрические чайники. Употребляя кипяченую воду, помните, что ее нежелательно хранить в емкости, где она кипятилась. Лучше всего перелить ее в стеклянную емкость. В чайнике обязательно нужно удалить накипь перед тем, как включать его.

Еще один важный вопрос заключается в том, вредно ли кипятить воду второй раз. Тут стоит учесть следующие моменты:

• Кипячение лишает воды вкуса. Вода, которую вы кипятите несколько раз, будет совсем невкусной. Возможен ее неприятный металлический привкус.
• Кипячение не убивает примеси и соли. Чем чаще вода кипятится, тем больше кислорода из нее испаряется, и тем выше становится концентрация этих солей. Напиток становится токсичным и, хотя токсичность эта мала, она имеет свойство накапливаться, поэтому негативное влияние будет присутствовать.
• Обычно мы кипятим хлорированную воду. Хлор, как мы уже говорили, нагреваясь, вступает в реакцию с органическими веществами и образует опасные токсины. Чем чаще вода кипятится, тем выше их концентрация. Исходя из этого ответ на вопрос о том, повторное кипячение воды – вредно или нет, может быть положительным.

Таким образом, кипяченая несколько раз вода сохраняет в себе крайне мало той пользы, которая нужна нашему организму от употребления воды. И чем больше ее кипятить, тем более «мертвой» она становится. Выяснив, вредно ли кипятить воду несколько раз, можно сделать вывод, что лучше ограничиваться однократным кипячением.

Стадии кипячения воды

Выделяется три стадии:

• Первоначальное кипение. Кинетирование жидкости характеризуется ростом количества пузырьков на нагретой поверхности, поднимающихся из дискретных точек, температура которых лишь немного выше жидкостной. Неправильная поверхность емкости может создавать дополнительные места зарождения пузырьков, в то время как исключительно гладкая поверхность, такая как пластик, поддается перегреву. В этих условиях нагретая вода может показывать задержку кипения и температура несколько превышает температуру кипения без образования пузырьков.
• Критический тепловой поток. Когда температура поднимается выше критической, на поверхности образуется пар. Поскольку эта паровая пленка гораздо менее способна переносить тепло от поверхности, температура быстро возрастает, жидкость переходит в режим кипения. Точка, в которой это происходит, зависит от характеристик кипящей воды и рассматриваемой поверхности нагрева.
• Переходное состояние. Переходное состояние можно определить как нестабильное кипение, которое происходит на поверхности. Образование пузырьков в нагретой воде представляет собой сложный физический процесс, который часто включает кавитационные и акустические эффекты, такие как шипение широкого спектра, слышимое в чайнике или другой емкости, еще не нагретой до того момента, когда появятся пузырьки.

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.

Кипение в вакууме

Что будет, если воздух начнет все более и более разряжаться, стремясь к вакууму? Понятно, что температура кипения тоже начнет уменьшаться. И когда же сможет закипеть вода?

Если понизить давление до 10–15 мм рт. ст. (в 50–70 раз), то температура кипения уменьшится до 10–15 ℃. Такой водой можно охладиться.

При дальнейшем снижении давления Тк будет уменьшаться и может достигнуть температуры замерзания. В этом случае в жидком состоянии вода просто не сможет существовать. Она будет переходить изо льда сразу в газ. Это случится примерно при 4,6 мм рт. ст.

Достичь абсолютного вакуума невозможно, но сильно разряженную атмосферу можно получить, если откачивать из сосуда с водой воздух. В результате такого эксперимента можно увидеть, когда именно закипает жидкость.

Давление понижается не только при откачке воздуха. Оно снижается возле быстро вращающегося винта, например, корабельного. В этом случае возле его поверхности тоже начинается кипение. Такой процесс назвали кавитацией. Во многих случаях такое явление нежелательно, но иногда оно приносит пользу. Так, кавитацию используют в биомедицине, промышленности и при очистке поверхностей ультразвуком.

Стадии кипения воды

Выделяется три стадии кипения воды:

• Первоначальное кипение. Кинетирование жидкости характеризуется ростом количества пузырьков на нагретой поверхности, поднимающихся из дискретных точек, температура которых лишь немного выше жидкостной. Неправильная поверхность емкости может создавать дополнительные места зарождения пузырьков, в то время как исключительно гладкая поверхность, такая как пластик, поддается перегреву. В этих условиях нагретая вода может показывать задержку кипения и температура несколько превышает температуру кипения без образования пузырьков.
• Критический тепловой поток. Когда температура поднимается выше критической, на поверхности образуется пар. Поскольку эта паровая пленка гораздо менее способна переносить тепло от поверхности, температура быстро возрастает, жидкость переходит в режим кипения. Точка, в которой это происходит, зависит от характеристик кипящей воды и рассматриваемой поверхности нагрева.
• Переходное состояние. Переходное состояние можно определить как нестабильное кипение, которое происходит на поверхности. Образование пузырьков в нагретой воде представляет собой сложный физический процесс, который часто включает кавитационные и акустические эффекты, такие как шипение широкого спектра, слышимое в чайнике или другой емкости, еще не нагретой до того момента, когда появятся пузырьки.

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.

Что такое кипячёная вода?

Кипяченая 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.

Механизм кипения воды

Разобраться, сколько нужно градусов, чтобы вода закипела, поможет изучение механизма этого физического явления. Кипение представляет собой процесс преобразования жидкости в пар и проходит в несколько этапов:

1. При нагревании жидкости из микротрещин в стенках сосуда выходят пузырьки с воздухом и водяным паром.
2. Пузыри немного расширяются, но жидкость в сосуде настолько холодна, что это приводит к конденсации пара в пузырях.
3. Пузырьки начинают лопаться до тех пор, пока вся толща жидкости не станет достаточно горячей.
4. Через некоторое время происходит уравнивание давления воды и пара в пузырях. На этом этапе отдельные пузырьки могут подниматься на поверхность и выпускать пар.
5. Пузырьки начинают интенсивно подниматься, начинается бурление с характерным звуком. Начиная с этого этапа, температура в сосуде не меняется.
6. Процесс кипения будет продолжаться до тех пор, пока вся жидкость не перейдет в газообразное состояние.

Температура пара при кипении воды

Температура пара при кипении воды такая же, как и самой воды. Это значение не будет меняться до тех пор, пока не испарится вся жидкость в сосуде. В процессе кипения образуется влажный пар. Он насыщен жидкими частицами, равномерно распределенными по всему объему газа. Далее высокодисперсные частицы жидкости конденсируются, а насыщенный пар превращается в сухой.

Также существует перегретый пар, который намного горячее, чем кипяток. Но его можно получить только с помощью специальной аппаратуры.

Как будет меняться температура кипения воды: влияние факторов

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 на кипение воды

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.

В горной местности давление уменьшается, а под землей (в шахте) увеличивается.

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 воды 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.

Для варки мяса, как и других продуктов, нужны привычные 100  градусов. В обратном случае все компоненты бульона просто останутся сырыми.

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 при закипании воды

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.

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.

Полезна или вредна?

Мнение о плюсах и минусах употребления дистиллята разделяется. Одни утверждают о пользе, подтверждая это на собственном организме. Другие уверены в обратном, называя её «мёртвой водой».

Фактически дистиллят является чистейшей водой на Земле.

Здесь нет минералов, полезных веществ, но и вредные шлаки и отравляющие компоненты тоже отсутствуют.

Ошибочно может показаться, что её употребление полезно для организма, но это не так.

Отрицательная сторона регулярного употребления дистиллированной воды в том, что организм перестаёт получать нужное количество минералов и веществ, необходимых для нормального функционирования.

Например, недостаток свободных молекул кислорода, снижает скорость процессов химического окисления соединений. В результате нарушается концентрация клеточного сока, приводящая к сбоям в ритмах жизнедеятельности микроклеток.

Из этого складывается самый распространённый миф о вреде дистиллированной воды. По его версии, регулярное употребление:

• «вымывает» из организма полезные вещества,
• способствует разрушению зубов,
• становится причиной сбоя в работе внутренних органов.

На самом деле это происходит из-за недостатка минералов и других жизненно необходимых элементов, пополняемых обычной питьевой водой.

Употреблять дистиллят не рекомендуется по следующим причинам:

• Отсутствие полезных веществ.
• Отсутствие свободных молекул кислорода.
• При регулярном потреблении нарушается клеточный состав.
• Не соответствует нужным показателям водородного баланса.

Важно! Употребление дистиллированной воды разрешается при условии восполнения утраченных компонентов другими продуктами. Фактически выполнить это условие современному человеку (при его ритме жизни) практически невозможно

При похудении

Самой распространённой методикой считается один день в неделю полностью отказываться от пищи, и пить только дистиллят. Объём за сутки находится в диапазоне двух-трёх литров.

Вариантов таких диет много, единственное, что женщина должна сделать обязательно – проконсультироваться с терапевтом.

Чаще всего тот посоветует пройти полное обследование организма и только после этого выдаст заключение: пропишет полноценный, щадящий курс или выставит противопоказания.

Важно! Женщины, самостоятельно «садящиеся» на такие диеты, часто страдают головокружением, подают в голодные обмороки, жалуются на проблемы с зубами. За несколько дней может развиться критическое нарушение водно-электролитного равновесия

Когда категорически запрещено?

Если для взрослого человека литр выпитой дистиллированной воды вреда не принесёт, то отдельным группам граждан употреблять запрещается.

К ним относятся:

• Беременные женщины, плод которых получает пищу только за счёт организма матери.

• Несовершеннолетние, чей растущий организм ещё не сформировался и требует обеспечения полноценным составом полезных веществ.
• Спортсмены и лица, ведущие активный образ жизни.
• Страдающие хроническими, инфекционными и другими заболеваниями.

Справка! Запрет для этих людей обоснован отсутствием микроэлементов и полезных веществ в дистиллированной воде.

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.

Заключение

Теперь можно утверждать, что температура кипения воды не является незыблемой константой. Поэтому неудивительно, что на Эвересте она составляет порядка 69 градусов. Напротив, океаническая вода закипает только при 101С по причине своей солености.

Каноническое же значение, равное 100С, подразумевает проведение измерения с кристально чистой H2O и нормальным давлением. Разумеется, соблюсти оба требования на практике принципиально невозможно.

• https://vodasila.ru/o-vode/kak-budet-menyatsya-temperatura-kipeniya-vody
• https://vseowode.ru/prosto-o-vode/temperatura-kipeniya.html
• https://liveposts.ru/articles/education-articles/fizika/temperatura-kipeniya-vody-etapy-zakipaniya-zhidkosti
• https://o-vode.net/kakaya-byvaet/kipyachenaya/temperatura-kipeniya-v