при кипении жидкости постоянны параметры
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.
При кипении жидкости постоянны параметры
Жидкость испаряется с открытой поверхности при любой температуре, при этом испарение происходит на границе раздела жидкости и пара.
Жидкость кипит при определенной температуре, определяемой давлением в газовой фазе, при этом парообразование
происходит во всем объеме жидкости; при кипении бурлит вся толща среды.
Несмотря на внешние различия, молекулярный механизм фазовых превращений при спокойном испарении и бурном кипении один и тот же — в обоих случаях имеет место выход части молекул из объема жидкости в объем, занимаемый паром.
Для кипения жидкости необходимо два условия: 1) наличие в ней парогазовых пузырьков, 2) повышение температуры до определенного предела (температуры кипения) и сообщение жидкости при этой температуре теплоты. Если жидкость полностью лишена пузырьков (зародышей газовой фазы), то в такой идеализированной среде кипения быть не может. В самом деле, кипение — это испарение в объеме жидкости, а для того чтобы оно имело место, необходимы полости (пузырьки), где могли бы накапливаться пары. Кипение может происходить только в том случае, если в жидкости существуют пузырьки (обычно на стенках сосуда). Пузырьки сначала могут быть очень малыми и невидимыми для глаза, но они принципиально необходимы для кипения.
Пока не наступило кипение, система жидкость — пузырьки находится в механическом равновесии. Рассмотрим условия механического равновесия пузырьков, «сидящих» на стенках или дне сосуда. Их два: 1) пузырек не должен всплывать (равновесие по высоте), 2) пузырек не должен раздавливаться (равновесие по объему). Первое условие требует, чтобы архимедова сила 
действующая на пузырек 
плотность жидкости, V — объем пузырька), была меньше той предельной силы сцепления 
которая возможна между пузырьком и стенкой сосуда: 
или
где 
есть то значение объема, при котором пузырек отрывается и всплывает.
Пузырек не раздавливается в том случае, если давление на стенки пузырька снаружи будет уравновешено давлением изнутри. Давление на пузырек складывается из атмосферного 
гидростатического 
(рис. 8.15, а) и капиллярного 
давление изнутри есть результат давления насыщенного пара жидкости 
и давления воздуха 
Равновесие по объему определяется равенством
При увеличении температуры давление насыщенного пара в пузырьке увеличивается, что приводит к расширению пузырька и соответственно уменьшению давления воздуха в нем, при этом условия (81.1) и (81.2) будут выполняться до некоторой определенной температуры. Действительно, при некоторой температуре объем пузырька увеличится настолько, что нарушится равновесие по высоте и пузырек всплывет, оставляя после себя зародыш нового пузырька (рис. 8.15, б). При повторных отрывах пузырьков от одних и тех же мест воздуха в них практически не будет. При всплытии пузырьков 
и их радиус делается достаточно большим, чтобы можно было пренебречь капиллярным давлением. Условие (81.2) для кипящей жидкости определяется равенством
Таким образом, при кипении жидкости давление ее насыщенного пара равно внешнему давлению. Если жидкость кипит при постоянном внешнем давлении, то ее температура остается неизменной. Теплота, подводимая к жидкости в процессе кипения, полностью идет на парообразование.
Можно выполнить условие кипения (81.3), не только нагревая жидкость, но и понижая давление при постоянной температуре. Если выкачивать воздух из колбы с водой (такая демонстрация легко осуществима), то этим можно вызвать кипение. Очевидно, что температура кипящей жидкости будет понижаться и может стать ниже комнатной температуры.
Температуру кипения жидкости при нормальном давлении 
атм) называют нормальной точкой кипения. Более высокой температурой кипения обладают те жидкости, у которых выше критические температуры.
Кипение приводит к уменьшению числа пузырьков в объеме жидкости. Можно еще более понизить количество пузырьков длительным встряхиванием жидкости или ее обработкой давлением до 400 атм. В первом случае пузырьки отрываются от стенок и дна сосуда и всплывают на поверхность, во втором случае содержание пузырьков растворяется в жидкости (пузырьки раздавливаются). Обработанная таким способом жидкость способна значительно перегреваться по отношению к нормальной точке кипения. В частности, при атмосферном давлении удалось нагреть специально обработанную воду до 170° (при нормальной точке кипения 100°С), и вода при этом не кипела.
Выше было сказано, что наличие парогазовых пузырьков — необходимое условие кипения жидкостей. Это справедливо только вдали от критической точки, когда плотности жидкости и пара сильно различаются между собой. Но по мере повышения температуры и давления различие в плотностях жидкости и пара уменьшается, в жидкости вследствие теплового движения молекул усилятся так называемые флюктуации плотности — местные уплотнения и разрежения, возникающие и исчезающие в различных точках среды.
Флюктуации, связанные с понижением плотности, очевидно, и будут служить центрами образования пузырьков, заполненных паром.
Перегретая жидкость закипает очень бурно, часто со взрывом, при этом происходит быстрое охлаждение до нормальной при данном давлении температуры кипения. Перегрев жидкости в известной мере является опасным, особенно в котельных установках, поэтому принимают специальные меры для предотвращения перегрева: в жидкость помещают пористые тела, выделяющие при нагревании воздух (необожженный фарфор, капиллярные трубки и т. д).
Кипение
Цель: раскрыть физическую сущность процесса кипения жидкости; объяснить постоянство температуры жидкости в процессе кипения; дать сравнительную характеристику двум способам парообразования.
– образовательные: усвоение понятия кипения; формирование умений применять основные положения МКТ при объяснении физических явлений;
– развивающие: формирование интеллектуальных умений (анализировать, выделять главное, существенное в изучаемом материале, делать выводы); формирование общеучебных умений; развитие самостоятельности; развитие познавательного интереса;
– воспитательные: содействовать формированию основных мировоззренческих идей: познаваемость мира и его закономерностей; причинно-следственные связи явлений.
Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, термометр электрический с термистором, электроплитка (спиртовка), штатив универсальный, колба с водой (2 шт.), резиновая медицинская груша, пробка для колбы с отверстием и патрубком, палочка стеклянная, соль поваренная, насос воздушный ручной с резиновой трубкой; на каждый стол – комплект карточек заданий.
Ход урока
I. Организационный этап (2 мин)
Учитель. Сегодня мы познакомимся со вторым способом парообразования – кипением. Будем ставить опыты и постараемся дать сравнительную характеристику двум способам парообразования. Откройте тетради, запишите тему сегодняшнего урока.
II. Проверка знаний, их актуализация (10 мин)
Учитель. Прежде чем говорить о кипении, давайте вспомним о парообразовании. Дайте определение явления парообразования. Укажите два способа перехода жидкости в газообразное состояние. (Ответы учащихся.) Чтобы познакомится со вторым способом парообразования – кипением, – проведём эксперимент: поставим на плитку сосуд с водопроводной водой, опустим туда термометр, закреплённый на штативе, и пронаблюдаем за тем, что будет происходить. А в процессе наблюдения продолжим отвечать на вопросы по домашнему заданию.
Какой процесс называют испарением жидкости? Раскройте физическую сущность процесса на молекулярном уровне. • От каких факторов зависит скорость испарения жидкости? Дайте объяснение. • У слона в коже нет ни одной потовой железы. А так и перегреться на жаре, да ещё работая, можно! Но водоём у слона всегда «под рукой», т.е. под хоботом. Набирает слон слюны изо рта хоботом и размазывает по телу. Сразу облегчение чувствуется. Объясните, почему слюна помогает слону в жару от перегрева? • Вы забыли, что на плите находится кипящий чайник? Бывает! Прибежав на кухню, вы обнаруживаете с досадой, что часть воды «сбежала». «Расследование» показывает, что вода перекочевала на различные предметы (особенно на холодные): на стёкла окон, стену со стороны улицы… и осела на них в виде мелких капелек. Вся ли сбежавшая вода осела, сказать трудно. Дайте исчерпывающее физическое объяснение происшествию. И купите чайник со свистком! • А пар воды виден или нет? • В полярных странах при сильных морозах люди часто смазывают лицо жиром. Объясните, зачем? • Поглощается или выделяется энергия при испарении? при конденсации? • Почему температура испаряющейся жидкости в обычных условиях остаётся неизменной?
III. Объяснение нового материала
Учитель. Вернёмся к нашему эксперименту. Испарение с поверхности жидкости усиливается по мере увеличения температуры. Иногда может наблюдаться туман (сам пар не виден). Это водяной пар конденсируется в воздухе при охлаждении, образуя мельчайшие капельки жидкой воды. В начале нагревания вода насыщена воздухом и имеет комнатную температуру. При нагревании воды растворённый в ней газ выделяется на дне и стенках сосуда, образуя воздушные пузырьки.
Они начинают появляться задолго до кипения. Сначала нагревается сосуд, а затем жидкость на дне и у стенок. Пузырьки воздуха расширяются и становятся видимыми. Они начинают укрупняться, причём в пузырьках будет не только воздух, но и водяной пар, т.к. вода начнёт испаряться внутрь этих пузырьков воздуха. Следовательно, начнёт возрастать давление внутри пузырька. С ростом размеров пузырьков возрастает и архимедова сила, выталкивающая их из воды, и они всплывают.
Так как жидкость прогревается способом конвекции, температура нижних слоёв выше температуры верхних слоёв воды. Поэтому в поднимающемся пузырьке водяной пар конденсируется, а объём пузырька уменьшается. Соответственно давление внутри пузырька становится меньше, чем давление, оказываемое на него снаружи (давление атмосферы плюс столба жидкости). Пузырьки начинают схлопываться с характерным шумом, по которому можно легко определить, например, сидя в другой комнате, что вода ещё не прогрелась и не закипела.
При определённой температуре, т.е. когда в результате конвекции прогреется вся жидкость, с приближением к поверхности объём пузырьков резко растёт, т.к. давление внутри больше внешнего давления. На поверхности пузырьки лопаются, и над жидкостью образуется много пара. Вода кипит!
Итак, признаки кипения: много пузырьков, лопающихся на поверхности; много пара.
Условие кипения: давление насыщенного пара внутри пузырька больше атмосферного давления. Значит, температура кипения зависит от внешнего давления на жидкость.
Что же такое кипение? Это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объёму жидкости при определённой температуре. Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения.
Если испарение происходит при любой температуре, то кипение жидкости (от начала и до конца) – при определённой и постоянной для каждой жидкости. Эта температура держится постоянной до тех пор, пока вся жидкость не выкипит.
Во время кипения температура жидкости не меняется! Поэтому, например, при варке пищи нужно уменьшать огонь после того, как вода закипит. Это даёт экономию топлива, а температура воды всё равно сохраняется постоянной во всё время кипения.
Продолжительность варки пищи, начиная с момента закипания, не зависит от мощности нагревателя. Продолжительность определяется временем пребывания продукта при температуре кипения. Мощность нагревателя влияет не на температуру кипения, а только на скорость испарения воды.
Так, температура кипения чистой воды при нормальном атмосферном давлении (около 760 мм рт.ст.) равна 100 °С. Температуры кипения некоторых веществ приведены в таблице, см. учебник (или слайд на доске). Рассмотрим её.
Вещества, которые в обычных условиях мы наблюдаем в твёрдом состоянии, обращаются при плавлении в жидкости, кипящие при очень высокой температуре. Например, медь кипит при температуре 2567 °С. А вещества, которые в обычных условиях являются газами, при достаточном охлаждении обращаются в жидкости, кипящие при очень низкой температуре. Например, жидкий кислород при нормальном атмосферном давлении кипит при температуре –183 °С.
Фронтальная беседа по таблице: У каких веществ минимальная температура кипения? • Чем можно обжечься сильнее: кипящим маслом или кипящей водой? • Попробуйте сформулировать требования к сосуду для хранения жидкого кислорода. • В каком агрегатном состоянии находится при нормальном давлении: спирт при t = 100 °С? кислород при t = –200 °С? железо при t = 2000 °С? эфир при t = 45 °С? вода при t = 173 °С? цинк при t = 980 °С? • Можно ли получить золотой пар? (Ответ. Да, наиболее чистые пары золота образуются при его кипении.)
Температура кипения жидкостей остаётся постоянной (даже если жидкость продолжает получать энергию от нагревателя) потому, что вся подводимая к ней энергия расходуется на превращение её в пар, т.е. на переход вещества из одного состояния в другое. Если нагревание прекратить, то вода перестанет кипеть, а температура начнёт падать.
От чего зависит температура кипения? А вы знаете, что кипением можно управлять?
• Исследуем температуру кипения от внешнего давления. Проведём демонстрацию: колбу с кипящей жидкостью закроем пробкой с вставленной в неё грушей. При нажатии на грушу кипение в колбе прекращается. Как вы думаете, почему?
Учащиеся. Нажав на грушу, мы увеличили давление в колбе, и условие кипения нарушилось.
Учитель. Таким образом, мы показали, что с увеличением давления температура кипения жидкости увеличивается. Значит, мы можем предположить, что в глубокой шахте вода закипит при температуре выше 100 °С, т.к. атмосферное давление будет больше. Действительно, на глубине 300 м вода кипит при 101 °С. А при давлении 14 атм – при 200 °С.
• Демонстрация. В кипящую воду насыпаем поваренную соль. Вода перестаёт кипеть. Добавив ещё немного соли и перемешав стеклянной палочкой, мы получаем насыщенный раствор. Через некоторое время солёная вода закипает, и термометр показывает температуру выше 100 °С.
Вывод: соль повышает температуру кипения.
Опытные хозяйки при консервировании продуктов стерилизуют банки подсоленной водой. Соль, содержащаяся в воде, не испаряется, но стерилизация будет эффективнее, т.к. температура кипения повышена.
• Известно ли вам, что холодная вода тоже может кипеть?
Демонстрация: наполняем колбу наполовину водой комнатной температуры, закрываем её пробкой, в которую плотно входит стеклянная трубка, соединённая резиновой трубкой с воздушным насосом, и откачиваем воздух. По мере уменьшения давления в колбе наблюдаем этапы закипания жидкости, при этом температура остаётся комнатной.
Вывод: с уменьшением атмосферного давления, температура кипения уменьшается.
Температура кипения воды понижается примерно на 1 °С на 324 м подъёма. Так, например, на высоте 7000 м вода кипит при температуре 70 °С. Сварить мясо в этих условиях невозможно.
Сравнительная характеристика двух способов парообразования. Итак, давайте сравним два способа парообразования. Общие признаки: 1) и испарение, и кипение – это явления парообразования, которые зависят от внешнего давления и рода вещества; 2) кипение, как и испарение, происходит с поглощением теплоты. Различия: 1) при испарении пар образуется только на свободной поверхности жидкости, а при кипении жидкости – и на свободной поверхности, и внутри пузырьков воздуха, непрерывно рождающихся в толще; 2) испарение происходит при любой температуре, а кипение (от начала и до конца) – при определённой и постоянной для каждой жидкости.
IV. Закрепление нового материала
Учитель. Сейчас мы проверим, как вы усвоили новый материал. (Раздаёт карточки с вопросами. Желающие поднимают руку и отвечают. Класс обсуждает ответ.)
Вопросы на карточках. • Как вы думаете, на чём основано действие кастрюли-скороварки? Почему она «скоро варит»? (Ответ. При увеличении внешнего давления увеличивается и температура кипения жидкости, а при большей температуре пища готовится быстрее. Давление в такой скороварке около 200 кПа, вода закипает при температуре 120 °С.) • Зачем в крышке чайника делают дырочку? • Что опаснее: 100-градусный пар или 100-градусная вода? (Ответ. Пар, т.к. при соприкосновении с холодным телом – 36 °С против 100 °С – он конденсируется, при этом выделяется дополнительное количество теплоты.) • Можно ли сварить яйцо вкрутую, если вода закипает при температуре ниже 100 °С? • Почему спиртовым термометром измеряют температуру до 100 °С, хотя в таблице указано, что спирт кипит при 78 °С? (Ответ. Трубка со спиртом запаяна. Расширяясь, спирт создаёт повышенное давление, и температура его кипения повышается.) • «Вода кипит при 100 °С» – ошибочное утверждение. Как сказать правильно, что нужно добавить? • Раз прокипячённая вода закипает не так бурно, как сырая. Почему? • Готовя пищу, пастухи-горцы закрывают котёл крышкой, а сверху кладут камни. Зачем? • Для стерилизации медицинского инструмента кипячением используют стерилизаторы (биксы) – металлические коробки с плотно подогнанной крышкой. Почему? Почему эти коробки нужно открывать очень осторожно?
V. Домашнее задание
Для тех, кому интересна тема сегодняшнего урока, предлагаю расширить свои познания и объяснить следующие вопросы, заглянув на книжную полку. (Физическая смекалка. Занимательные задачи и опыты по физике для детей. – М.: Омега, 1994): • Почему убегает молоко? • Можно ли воду вскипятить кипятком? • Можно ли воду вскипятить снегом? • Всегда ли кипяток горяч?
VI. Подведение итогов урока
Учитель. Итак, какое новое явление мы сегодня изучили?
Учитель. Давайте придумаем три прилагательных к слову кипение.
Учащиеся. Бурное, равномерное, постоянное.
Учитель. Придумаем два глагола: что делает кипящая жидкость?
Учащиеся. Бурлит, шумит, булькает.
Учитель. Попробуйте выразить своё отношение к слову. Спасибо за работу всем, но особенно мне понравилось, как работали.
Елена Евгеньевна Стёпина – учитель физики I квалификационной категории, окончила Мичуринский ГПИ в 2000 г., педагогический стаж 11 лет. Замужем, есть сын. Педагогическую деятельность начинала в Тамбовской области. Свою задачу видит в вовлечении детей в совместный труд обучения. Педагогическое кредо: не должно быть обделённых вниманием детей! Каждый хочет быть значительным, социально самоутвердиться. А если он приходит домой с пробелом в знаниях сегодня, завтра, послезавтра, какое уж тут самоутверждение. Ему вообще не захочется переступать порог школы. И в этом будет виноват педагог, не сумевший его научить.