Что влияет на температуру кипения
От чего зависит кипение воды
Чтобы приготовить различные вкусные блюда, часто необходима вода, и, если ее нагревать, то она рано или поздно закипит. Каждый образованный человек при этом знает, что вода начинает кипеть при температуре, равной ста градусам Цельсия, и при дальнейшем нагревании ее температура не меняется. Именно это свойство воды используется в кулинарии. Однако далеко не всем известно, что это бывает не всегда так. Вода может закипать при разной температуре в зависимости от условий, в которых она находится. Давайте попробуем разобраться, от чего зависит температура кипения воды, и как это нужно использовать.
При нагревании температура воды приближается к температуре кипения, и по всему объему образуются многочисленные пузырьки, внутри которых находится водяной пар. Плотность пара меньше, чем плотность воды, поэтому сила Архимеда, действующая на пузырьки, поднимает их на поверхность. При этом объем пузырьков то увеличивается, то уменьшается, поэтому закипающая вода издает характерные звуки. Достигая поверхности, пузырьки с водяным паром лопаются, по этой причине кипящая вода интенсивно булькает, выпуская водяной пар.
Температура кипения в явном виде зависит от давления, оказываемого на поверхность воды, что объясняется зависимостью давления насыщенного пара, находящегося в пузырьках, от температуры. При этом количество пара внутри пузырьков, а вместе с этим и их объем, увеличиваются до тех пор, пока давление насыщенного пара не будет превосходить давление воды. Это давление складывается из гидростатического давления воды, обусловленного гравитационным притяжением к Земле, и внешнего атмосферного давления. Поэтому температура кипения воды увеличивается при возрастании атмосферного давления и уменьшается при его уменьшении. Только в случае нормального атмосферного давления 760 мм.рт.ст. (1 атм.) вода кипит при 100 0 С. График зависимости температуры кипения воды от атмосферного давления представлен ниже:
Из графика видно, что если увеличить атмосферное давление до 1,45 атм, то вода будет кипеть уже при 110 0 С. При давлении воздуха 2,0 атм. вода закипит при 120 0 С и так далее. Увеличение температуры кипения воды может быть использовано для ускорения и улучшения процесса приготовления горячих блюд. Для этого изобрели скороварки – кастрюли с особой герметично закрывающейся крышкой, снабженные специальными клапанами для регулирования температуры кипения. Из-за герметичности давление в них повышается до 2-3 атм., что обеспечивает температуру кипения воды 120-130 0 С. Однако при этом нужно помнить, что использование скороварок сопряжено с опасностью: пар, выходящий из них, имеет большое давление и высокую температуру. Поэтому нужно быть максимально осторожными, чтобы не получить ожог.
Обратный эффект наблюдается, если атмосферное давление понижается. В этом случае температура кипения тоже уменьшается, что и происходит при увеличении высоты над уровнем моря:
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.
А у вас молоко убежало.
О кипении
В жидкости всегда имеется растворенный газ, степень растворения которого понижается с ростом температуры. При нагревании жидкости снизу газ начинает выделяться в виде пузырьков у стенок сосуда. Это центры парообразования. В эти пузырьки происходит испарение жидкости. Поэтому в них, кроме воздуха, находится насыщенный пар, давление которого с ростом температуры быстро увеличивается, и пузырьки растут в объеме, а следовательно, увеличиваются действующие на них силы Архимеда. Когда выталкивающая сила станет больше силы тяжести пузырька, он начинает всплывать. Но пока жидкость не будет равномерно прогрета, по мере всплытия объем пузырька уменьшается при попадании в менее нагретые слои (давление насыщенного пара уменьшается с понижением температуры), пар в нём конденсируется, теплота которая выделяется при конденсации ускоряет прогревание жидкости по всему объёму. И, не достигнув свободной поверхности, пузырьки исчезают (захлопываются), вот почему мы слышим характерный шум перед закипанием. Когда температура жидкости выравняется, объем пузырька при подъеме будет возрастать, так как давление насыщенного пара не изменяется, а внешнее давление на пузырек, представляющее собой сумму давления жидкости, находящейся над пузырьком, и атмосферного давления уменьшается. Пузырек достигает свободной поверхности жидкости, лопается, и насыщенный пар выходит наружу — жидкость закипает. Давление внутри пузырька с паром складывается из давления насыщенных паров, гидростатического и лапласовского давления (капиллярного). Если последним можно пренебречь, то условием для кипения будет равенство давления насыщенного пара и атмосферного давления.
Таким образом, для кипения жидкости должны выполняться условия:
1.2 Факторы, влияющие на температуру кипения жидкости
Температура кипения воды равна 100°С; можно подумать, что это неотъемлемое свойство воды, что вода, где бы и в каких условиях она ни находилась, всегда будет кипеть при 100°С.
Но это не так, и об этом прекрасно осведомлены жители высокогорных селений.
Вблизи вершины Эльбруса имеется домик для туристов и научная станция. Новички иногда удивляются, «как трудно сварить яйцо в кипятке» или «почему кипяток не обжигает». В этих условиях им указывают, что вода кипит на вершине Эльбруса уже при 82°С.
Физическим фактором, влияющим на температуру кипения является давление, действующее на поверхность жидкости.
Помещая подогреваемую воду под колокол и накачивая или выкачивая оттуда воздух, можно убедиться, что температура кипения растет при возрастании давления и падает при его уменьшении.
Итак, определенному внешнему давлению соответствует определенная температура кипения. Но это утверждение можно и «перевернуть», сказав так: каждой температуре кипения воды соответствует свое определенное давление.
При повышении атмосферного давления температура кипения повышается, в среднем на 1°С при изменении давления на 26 мм. рт. ст.
Как правило, температура кипения при нормальном атмосферном давлении приводится как одна из основных характеристик химически чистых веществ. А если мы добавим в жидкость сахар или соль?
Таким образом, температура кипения зависит от наличия примесей, обычно увеличиваясь с ростом концентрации примесей.
Зависимость температуры кипения и времени закипания жидкости от наличия в ней примесей
Муниципальная бюджетная общеобразовательная организация «Новониколаевская СОШ №3»
МБОУ СОШ №6 г. Котово
Секция: экспериментальное исследование физических явлений, математических феноменов и технологических эффектов
ЗАВИСИМОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ КИПЕНИЯ
И ВРЕМЕНИ ЗАКИПАНИЯ ЖИДКОСТИ
ОТ НАЛИЧИЯ В НЕЙ ПРИМЕСЕЙ
Савченко Лады Андреевны,
учащейся 8 «Б» класса
Муниципальной бюджетной общеобразовательной организации
«Новониколаевская средняя общеобразовательная школа № 3»
р. п. Новониколаевский
Введение_________________________________________________ 3 стр.
Основная часть___________________________________________ 5 стр.
- теоретическое обоснование ____________________________ 5 стр. практическое исследование ____________________________ 10 стр.
Заключение_____________________________________________ 13 стр.
Приложение 1. Фазовая диаграмма воды ____________________ 15 стр.
Приложение 2. Таблица 1 «Зависимость времени закипания воды
от наличия примесей в ней»._______________________________ 16 стр.
Приложение 3. Диаграмма 1 «Зависимости времени закипания
воды от её качества и способа нагревания».___________________ 17 стр.
Приложение 4. Таблица 2 «Зависимость времени закипания и температуры кипения воды от количества примесей в ней».______ 18 стр.
Приложение 5. График 1 «Зависимость температуры кипени воды
от концентрации примесей в ней».__________________________ 19 стр.
Приложение 6. График 2 «Зависимость времени закипания воды от концентрации примесей в ней»._____________________________ 20 стр.
Список использованных источников информации_____________ 21 стр.
Процесс кипения является одним из основных процессов химической технологии. Кипение играет ключевую роль в таких энергоёмких процессах как перегонка и ректификация, на которые приходится значительная доля энергетических затрат на химических предприятиях.
Минимизировать энергетические затраты возможно при наличии точных методов расчёта процесса теплоотдачи. Это требует более детального исследования процесса пузырькового кипения растворов жидкостей и совершенствования методов расчёта теплоотдачи при кипении таких растворов.
Целью данной работы является исследование зависимости времени закипания и температуры кипения воды от её качества и определение экономически выгодного способа нагревания воды.
В ходе выполнения данного исследование необходимо решить задачи:
· выявить зависимость времени закипания воды от её качества при нагревании
б) на газовой горелке;
· дать оценку зависимости времени закипания воды от её качества;
· определить экономически выгодный способ нагревания воды.
Методы решения основных задач: анализ теоретической литературы работа с Интернет-ресурсами, эксперимент, наблюдение.
Здоровье каждого человека – в его руках. Анализируя результаты данной работы, я пришла к выводу, что можно, не неся больших материальных затрат, снабжать свой организм качественной водой, тем самым сохранять хорошее здоровье, а также экономить денежные средства из бюджета семьи. Результаты работы также заинтересуют тех граждан страны, которые стремятся к экономии семейного бюджета.
1. Теоретическое обоснование
Вода — прозрачная бесцветная жидкость, не имеющая запаха и вкуса. Химическая формула: Н2O. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном — водяным паром. Около 71 % поверхности земного шара покрыто водой[6].
Изучение физических свойств воды началось в 17 веке, задолго до того, как был определен её химический состав. Известно, что при атмосферном давлении вода кипит при 100 0С, а лед плавится при 00С. Но по химической структуре вода должна бы кипеть, а лед плавиться не при этих температурах, а при очень низких, которых на Земле не бывает. И тогда вода существовала бы в одном агрегатном состоянии – в виде пара. Но ведь жизнь всех живых организмов связана с водой в жидком состоянии.
Высокая удельная теплоемкость воды предопределяет большое ее влияние на климат. Основным терморегулятором климата являются воды океанов и морей: накапливая тепло летом, они отдают его зимой. Отсутствие водоемов на местности обычно приводит к образованию резко континентального климата. Благодаря влиянию океанов на значительной части земного шара обеспечивается перевес осадков на суше над испарением, и организмы растений и животных получают нужное им для жизни количество воды. Водная и воздушная оболочки земного шара постоянно обмениваются углекислотой с горными породами, растительным и животным миром, что также способствует стабилизации климата. Высокая удельная теплоемкость воды имеет большое биологическое значение. Вода нагревается впятеро медленнее песка. А чтобы нагреть на 1 0С литр воды, тепла потребуется в 3300 раз больше, чем для нагрева литра воздуха. Зато, когда вода остывает, она отдает столько же тепла, сколько взяла нагреваясь. Из-за этой исключительной способности воды обитателям водоемов никогда не угрожает ни сильный перегрев, ни чрезмерное охлаждение. С ростом температуры вещества его удельная теплоемкость, как правило, возрастает, но не у воды. Так, с повышением температуры от 0° до 37°С удельная теплоемкость воды падает, а в интервале от 37° до 100°С – растет. Поэтому она одинакова, например, при температурах 25° и 45°С, 10° и 74°С. При температуре 37°С реакции обмена веществ происходят наиболее интенсивно, т. е. создается наивыгоднейшее энергетическое состояние для человеческого организма. Известно, что при охлаждении вода сжимается, но достигнув 4 0С, она начинает уже расширяться, хотя температура и далее понижается. Поэтому вода самая плотная и тяжелая именно при + 4 0С. Эта особенность воды имеет биологическое значение: зимой, охладившись до 4 0С, вода опускается на дно и здесь сохраняется в течение всей зимы (в пресных водоемах), позволяя жить рыбам. Охладившиеся сильнее слои воды всплывают, т. к. их плотность и вес меньше, и превращаются в лед, таким образом, предохраняя водоем и его обитателей от глубокого промерзания.
В прямой зависимости от давления находится температура плавления и кипения воды. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм.) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды (приложение 1).
При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар.
Удельная теплота парообразования воды почти в 7 раз выше ее удельной теплоты плавления. Эти свойства воды во многом определяют климат нашей планеты. Для испарения воды с поверхности океана даже в тропиках необходимо значительно больше солнечной энергии, чем для таяния льда. [7] Но, несмотря на всестороннюю изученность свойств воды, она по-прежнему остается одним из удивительных и загадочных веществ.
Растворы, системы, состоящие из двух или более компонентов. По своему агрегатному состоянию растворы могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Смесь бензина и воды не является раствором, поскольку эти жидкости не растворяются друг в друге, оставаясь в виде двух жидких фаз с границей раздела. Компоненты растворов сохраняют свои уникальные свойства и не вступают в химические реакции между собой с образованием новых соединений. Так, при смешивании двух объемов водорода с одним объемом кислорода получается газообразный раствор. Компонент, присутствующий в растворе в большем количестве, принято называть растворителем, остальные компоненты – растворенными веществами. Повышение температуры кипения будет, в общем, тем большим, чем выше концентрация раствора, и для разбавленных растворов его можно считать пропорциональным концентрации.[3]
Температура кипения вещества зависит также от наличия примесей, обычно увеличиваясь с ростом концентрации примесей. Если в жидкости растворено летучее вещество, то температура кипения раствора понижается. И наоборот, если в растворе содержится вещество менее летучее, чем растворитель, то температура кипения раствора будет выше, чем у чистой жидкости. Если предварительно освободить жидкость от растворенного в ней газа, то ее можно перегреть, т. е. нагреть выше температуры кипения. Это неустойчивое состояние жидкости. Достаточно небольших сотрясений и жидкость закипает, а ее температура сразу понижается до температуры кипения
2. Практическое исследование
Анализируя результаты эксперимента, установила:
1) в электрочайнике вода закипает быстрее, чем на газовой горелке;
2) дольше всего нагревается раствор сахара в воде, быстрее – дистиллированная вода;
3) это соотношение (п.2) выполняется для нагревания, как электрочайником, так и на газовой горелке.
4) по времени закипания исследуемых образцов делаю вывод о качестве воды: самой качественной является дистиллированная вода, водопроводная вода обладает плохим качеством.
По результатам исследования можно заключить, что сделанное мною предположение о зависимости времени закипания воды от её качества, её «чистоты» является верным: быстрее всего закипает дистиллированная вода, как самая качественная из рассмотренных вариантов, дольше всего закипает раствор сахара в воде, т. е. является самой некачественной.
Мы живем в период мирового экономического кризиса, и когда мировая экономика придёт в нормальное состояние предугадать невозможно. В связи с этим материальные траты желательно уменьшить, а значит, не каждая семья может позволить себе тратить средства на приобретение очищенной воды. Поэтому вопрос о том, чем экономически выгоднее кипятить воду – электрочайником или в чайнике, поставленном на газовую горелку, будем решать для отстоявшейся воды, так как эта вода имеет хорошее качество в нашем исследовании и не требует дополнительных материальных затрат.
Время, затраченное на нагревание 0,5 литра отстоявшейся воды в электрочайнике мощностью 0,9 кВт, составило 3,05 минуты или 0,051 часа. На газовой горелке этот объем воды был доведён до кипения за 3,22 минуты или 0,0537 часа.
Зная мощность электрочайника и время его работы, можно определить расход электроэнергии в кВт*час (формула 1), а умножив эту энергию на тариф, получим стоимость затраченной электроэнергии (формула 2).
А = Р*t* ( 1 ) Стоимость = Р*t *тариф ( 2 )
Стоимость = 0,9 кВт*0,051ч*3,70 руб., /(кВт*ч) = 0,16983руб.
Х = (0,02 м3 * 4,25396 руб.) / 1 м3 = 0,0850792 руб. – стоимость нагревания 0,5 л воды на газовой горелке. В условиях экономического кризиса нагревать воду намного выгоднее на газовой горелке.
В результате изучения и исследования данной темы можно сделать вывод о том, что цели и задачи, поставленные в начале данной работы, были реализованы.
Целью данной работы являлось исследование зависимости температуры кипения и времени кипения жидкости от наличия примесей, а также определение экономически выгодного способа нагревания воды. В ходе выполнения исследования было установлено, что наличие примесей напрямую влияет на время закипания жидкостей. Доказано, что из-за разности плотности примесей и воды время на закипание разное. Было установлено, что дольше всего закипает вода, содержащая больший процент примесей.
На основании проведенных исследований выяснила, что водопроводная вода имеет плохое качество. Самой качественной водой из исследуемых образцов является отстоявшаяся вода. Она быстрее всего закипает как в электрочайнике, так и на газовой горелке, что подтверждает ее качество.
Но в условиях мирового экономического кризиса, когда материальные затраты желательно уменьшить, не каждая семья позволит себе тратить средства на приобретение очищенной воды, поэтому экономически оправдано использование отстоявшейся воды. Поэтому экономически выгодный способ нагревания воды был определён для отстоявшейся воды. Оказалось, экономически выгоднее нагревать воду на газовой горелке, с учетом действующих тарифов на электроэнергию и газ.
Результаты данной работы показывают, что отстоявшаяся вода является водой хорошего качества. Ученики, не неся больших материальных затрат, могут обеспечивать свой организм качественной водой, тем самым сохранять хорошее здоровье, а также экономить денежные средства из бюджета семьи. Результаты работы будут интересны тем гражданам страны, которые стремятся к экономии семейного бюджета не в ущерб своему здоровью.
Также по результатам исследования было установлено, что наличие примесей влияет и на температуру кипения воды. Температура кипения воды возрастает с ростом концентрации примесей. Из данных результатов можно также сделать важный вывод для экономии семейного бюджета. Так как температура кипения соленой воды и сахарного сиропа повышается, то, следовательно, сокращается время приготовления пищи в данных растворах, что позволяет сокращать энергетические затраты. Конечно, для приготовления отдельно взятой кастрюли такая экономия незначительна, но в течение года может получиться значительная сумма.
Фазовая диаграмма воды
Таблица 1 «Зависимость времени закипания воды от наличия примесей в ней».