Когда считать воду закипевшей. Как понять, что вода закипела? Кипение в вакууме

Температуру кипения необходимо знать, потому что при ее достижении вода превращается в пар, то есть переходит из одного агрегатного состояния в другое.

Мы привыкли к тому, что в кипящей воде можно дезинфицировать посуду, варить продукты, но это не всегда так. В некоторых условиях температура жидкости будет слишком низкой для всего этого.

Суть процесса

Прежде всего надо определиться с понятием кипения. Что это такое? Это процесс, при котором вещество превращается в пар. Причем процесс этот происходит не только на поверхности, но и по всему объему вещества.

При кипении начинают образовываться пузырьки, внутри которых находится воздух и насыщенный пар. Шум закипающего чайника, кастрюли указывает на то, что пузырьки воздуха начали всплывать, затем опускаться и лопаться. Когда емкость хорошо прогреется со всех сторон, шум прекратится, значит, жидкость полностью закипела.

Процесс проходит при определенной температуре и давлении и является с точки зрения физики фазовым переходом первого рода.

Обратите внимание! Испарение может происходить при любой температуре, кипение же – при строго определенной.

В таблицах температура кипения воды или другой жидкости при нормальном атмосферном давлении приводится как одна из основных физических характеристик. Температура кипения (Тк) на самом деле равняется температуре пара, который находится в насыщенном состоянии прямо на границе между водой и воздухом. Сама вода, если быть точным, нагрета чуть-чуть больше.

На процесс кипения также ощутимо влияют:

• наличие в воде примесей газа;
• звуковые волны;
• ионизация.

Есть и другие факторы, заставляющие образовываться пузырьки быстрее или медленнее. Следует также отметить, что у каждых веществ своя Тк. Бытует мнение, что если добавить в воду соль, то она закипит быстрее. Это действительно так, но время изменится совсем немного. Для ощутимых результатов придется добавить очень много соли, что полностью испортит блюдо.

Различные условия

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

Важно! Если внешнее давление увеличивать, то температура кипения тоже возрастет, а если уменьшать, то станет меньше.

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.

Кипение при повышенном давлении

Повышение давления приведет к увеличению Тк воды. При 15 атмосферах кипение начнется только при 200 градусах, при 80 атм. – 300 градусов. В дальнейшем рост температуры будет очень медленным. Максимальное значение стремится к 374,15 ℃, что соответствует 218,4 атмосферам.

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.

Процесс кипения воды состоит из трёх стадий:
– начало первой стадии – проскакивание со дна чайника или любого другого сосуда, в котором вода доводится до кипения, крошечных пузырьков воздуха и появления на поверхности воды новых образований пузырьков. Постепенно количество таких пузырьков увеличивается.

– на второй стадии кипения воды происходит массовый стремительный подъём пузырьков вверх, вызывающий сначала лёгкое помутнение воды, которое затем переходит в «побеление», при котором вода внешне напоминает струю родника. Это явление называется кипением белым ключом и крайне непродолжительно.

– третья стадия сопровождается интенсивными процессами бурления воды, появления на поверхности крупных лопающихся пузырей и брызг. Большое количество брызг означает, что вода сильно перекипела.

Кстати, если Вы любите попить чайку, заваренного на чистой природной воде, то для этого можно сделать заказ, не выходя из дома, на сайте, к примеру: http://www.aqualeader.ru/. После чего компания по доставке воды привезет ее на дом.

Простые наблюдатели уже давно обратили внимание на тот факт, что все три стадии кипения воды сопровождаются различными звуками. Вода на первой стадии издаёт едва различимый тонкий звук. Во второй стадии звук переходит в шум, напоминающий гул пчелиного роя. На третьей стадии звуки кипящей воды теряют равномерность и становятся резкими и громкими, хаотически нарастая.

Все стадии кипения воды легко проверяются опытом. Начав нагревать воду в открытой стеклянной ёмкости и периодически замеряя температуру, спустя краткий промежуток времени мы начнём наблюдать пузырьки, покрывающие дно и стенки ёмкости.

Давайте подробнее остановимся на пузырьке, возникающем около дна. Постепенно наращивая объём, пузырёк увеличивает и площадь соприкосновения с прогревающейся водой, которая ещё не достигла высокой температуры. В результате этого находящиеся внутри пузырька пар и воздух охлаждаются, вследствие чего давление их уменьшается, и тяжесть воды лопает пузырёк. Именно в этот момент вода издаёт характерный для закипания звук, возникающий из-за столкновений воды с дном ёмкости в тех местах, где лопаются пузырьки.

По мере приближения температуры в нижних слоях воды к 100 градусам Цельсия внутрипузырьковое давление уравнивается с давлением воды на них, в результате чего пузырьки постепенно расширяются. Увеличение объёма пузырьков приводи и к увеличению действия на них выталкивающей силы, под действием которой наиболее объёмные пузырьки отрываются от стенок ёмкости и стремительно поднимаются вверх. В том случае, если верхний слой воды ещё не достиг 100 градусов, то пузырёк, попадая в более холодную воду, теряет часть водяных паров, конденсирующихся и уходящих в воду. При этом пузырьки снова уменьшаются в размере и опускаются вниз под действием силы тяжести. Возле дна они снова набирают объём и поднимаются вверх, и именно эти изменения пузырьков в размерах создают характерный шум закипающей воды.

К моменту, когда весь объём воды достигает 100 градусов, поднимающиеся пузырьки уже не уменьшаются в размере, а лопаются на самой поверхности воды. При этом происходит выброс пара наружу, сопровождаемый характерным бульканьем – это означает, что вода кипит . Температура, при которой жидкость достигает кипения, зависит от давления, которое испытывает её свободная поверхность. Чем больше это давление – тем большая требуется температура, и наоборот.

То, что вода закипает при 100 градусах Цельсия – общеизвестный факт. Но стоит учесть, что такая температура справедлива только при условии нормального атмосферного давления (около 101 килопаскаля). С увеличением давления температура, при которой жидкость достигает кипения, тоже возрастает. К примеру, в кастрюлях-скороварках пища варится под давлением, приближающимся к 200 килопаскалям, при котором температура кипения воды составляет 120 градусов. В воде с такой температурой варение протекает гораздо быстрее, чем при обычной температуре кипения – отсюда и такое название кастрюли.

Соответственно, понижение давления понижает и температуру кипения воды. К примеру, жители горных районов, обитающие на высоте 3 километров, добиваются кипения воды быстрее жителей равнин – все стадии кипения воды происходят быстрее, поскольку для этого необходимо всего 90 градусов при давлении 70 килопаскалей. Но сварить, к примеру, куриное яйцо жители гор не могут, поскольку минимальная температура, при которой белок сворачивается – как раз 100 градусов Цельсия.

Чтобы быстрее приготовить еду, большинство хозяек добавляют в кастрюлю соль, до начала закипания воды. По их мнению, это ускорит процесс приготовления пищи. Другие, наоборот, утверждают, что водопроводная вода вскипает намного быстрее. Чтобы дать ответ на такой вопрос, требуется обратиться к физическим и химическим законам. Почему соленая вода закипает быстрее, чем обычная, и действительно ли это так? Давайте узнаем! Подробности в статье ниже.

Почему соленая вода закипает быстрее: физические законы кипения

Для того чтобы понять, какие процессы начинают происходить при нагревании жидкости, необходимо знать, что ученые подразумевают под технологией процесса кипения.

Любая вода, обычная или соленая, начинает закипать совершенно одинаково. Этот процесс проходит через несколько этапов:

• на поверхности начинают образовываться мелкие пузыри;
• увеличение габаритов пузырей;
• их оседание на дно;
• жидкость становится мутной;
• процесс кипения.

Почему соленая вода закипает быстрее?

Сторонники подсоленной воды говорят, что при нагревании срабатывает теория теплоотдачи. Однако тепло, выделяемое после разрушения молекулярной решетки, не дает большого эффекта. Гораздо важнее технологический процесс гидратации. В это время происходит образование сильных молекулярных связей. Итак, почему соленая вода закипает быстрее?

Когда они становятся очень прочными, воздушным пузырькам намного сложнее двигаться. Для движения вверх или вниз требуется много времени. Другими словами, если в воде находится соль, происходит замедление процесса воздушной циркуляции. В результате соленая вода закипает немного медленнее. Пузырькам воздуха не дают двигаться молекулярные связи. Вот, почему не закипает быстрее, чем не соленая.

А может можно обойтись без соли?

Спор о том, насколько быстро закипает соленая или водопроводная вода может длиться бесконечно. Если посмотреть на практическое применение, большой разницы не будет. Это легко объяснимо законами физики. Вода начинает закипать, когда температура достигает 100 градусов. Это значение может стать другим в случае изменения параметров плотности воздуха. Например, вода высоко в горах начинает кипеть при температуре ниже 100 градусов. В бытовых условиях важнейшим показателем становится мощность газовой горелки, а также температура нагрева электрической плиты. От этих параметров зависит быстрота нагрева жидкости, а также время, необходимое для закипания.

На костре вода начинает закипать через несколько минут, так как сжигаемые дрова, выделяют намного больше тепла, чем газовая плита, да и площадь нагреваемой поверхности намного больше. Отсюда можно сделать простой вывод: чтобы добиться быстрого закипания, требуется включить газовую конфорку на максимальную мощность, а не добавлять соль.

Любая вода начинает кипеть при одинаковой температуре (100 градусов). Но скорость закипания может быть разной. Соленая вода начнет кипеть позже из-за воздушных пузырьков, которым намного сложнее разорвать молекулярные связи. Надо сказать, что закипание дистиллированной воды происходит быстрее, чем обычной, водопроводной. Дело в том, что в очищенной, дистиллированной воде отсутствуют сильные молекулярные связи, нет посторонних примесей, поэтому она начинает нагреваться намного быстрее.

Заключение

Время закипания обычной или соленой воды отличается несколькими секундами. Оно не оказывает никакого влияния на быстроту приготовления пищи. Поэтому не стоит пытаться сэкономить время на закипании, лучше начать строго соблюдать законы кулинарии. Чтобы блюдо получилось вкусным, его нужно солить в определенное время. Вот, почему соленая вода закипает быстрее далеко не всегда!

Многие хозяйки, пытаясь ускорить процесс приготовления пищи, солят воду сразу после того, как поставили кастрюлю на плиту. Они свято верят, что поступают правильно, и готовы привести в свою защиту множество аргументов. Так ли это на самом деле и какая вода закипает быстрее – соленая или пресная? Для этого совсем необязательно ставить эксперименты в лабораторных условиях, достаточно развеять мифы, которые десятилетиями царят на наших кухнях, с помощью законов физики и химии.

Распространенные мифы о кипении воды

В вопросе кипения воды людей условно можно разделить на две категории. Первые убеждены, что соленая вода закипает гораздо быстрее, а вторые с этим утверждение абсолютно не согласны. В пользу того, что на доведение до кипения соленой воды нужно меньше времени, приводятся следующие аргументы:

• плотность воды, в которой растворена соль, намного выше, поэтому теплоотдача от конфорки больше;
• во время растворения в воде кристаллическая решетка поваренной соли разрушается, что сопровождается выделением энергии. То есть, если в холодную воду добавить соль, то жидкость автоматически станет теплее.

Те, кто опровергает гипотезу о том, что соленая вода закипает быстрее, аргументируют это так: во время растворения соли в воде происходит процесс гидратации.

На молекулярном уровне образуются более прочные связи, для разрушения которых требуется больше энергии. Поэтому для закипания соленой воды требуется больше времени.

Кто же прав в этом споре, и действительно ли так важно солить воду в самом начале приготовления пищи?

Процесс кипения: физика «на пальцах»

Чтобы разобраться, что именно происходит с соленой и пресной водой при нагревании, нужно понимать, что такое процесс кипения. Вне зависимости от того, вода соленая или нет, закипает она одинаково и проходит через четыре стадии:

• образование мелких пузырьков на поверхности;
• увеличение пузырьков в объеме и их оседание на дне емкости;
• помутнение воды, вызванное интенсивным движением пузырьков с воздухом вверх-вниз;
• непосредственно процесс кипения, когда на поверхность воды поднимаются большие пузыри и с шумом лопаются, выделяя пар – воздух, который находится внутри и нагревается.

Теория теплоотдачи, к которой апеллируют сторонники соления воды в начале приготовления пищи, в этом случае «работает», но эффект от нагрева воды за счет ее плотности и выделения тепла при разрушении кристаллической решетки незначителен.

Намного важнее процесс гидратации, при котором образуются устойчивые молекулярные связи.

Чем они прочнее, тем сложнее пузырьку воздуха подняться на поверхность и опуститься на дно емкости, на это уходит больше времени. В итоге если в воду добавлена соль, то циркуляция пузырьков с воздухом замедляется. Соответственно, соленая вода закипает медленнее, так как молекулярные связи удерживают воздушные пузырьки в соленой воде чуть дольше, чем в пресной.

Солить или не солить? Вот в чем вопрос

Кухонные споры по поводу того, какая вода быстрее закипает соленая или несоленая, можно вести бесконечно. В итоге с точки зрения практического применения нет особой разницы, посолили вы воду в самом начале или же после того, как она закипела. Почему же это не имеет особого значения? Чтобы разобраться в ситуации, нужно обратиться к физике, которая дает исчерпывающие ответы на этот, казалось бы, непростой вопрос.

Всем известно, что при стандартном атмосферном давлении в 760 мм ртутного столба вода закипает при 100 градусах по Цельсию. Температурные параметры могут меняться при условии изменения плотности воздуха – все знают, что в горах вода закипает при более низкой температуре. Поэтому когда речь заходит о бытовом аспекте, в этом случае гораздо важнее такой показатель, как интенсивность горения газовой конфорки или же степень нагрева электрической кухонной поверхности.

Именно от этого зависит процесс теплообмена, то есть, скорость нагрева самой воды. И, соответственно, время, затраченное на то, чтобы она закипела.

Например, на открытом огне, если вы вздумаете приготовить ужин на костре, вода в котелке закипит за считанные минуты благодаря тому, что дрова при сжигании выделяют больше тепла, чем газ в плите, а площадь нагрева поверхности значительно больше. Потому совсем необязательно солить воду для того, чтобы она быстрее закипела – достаточно включить конфорку плиты на максимум.

Температура кипения соленой воды точно такая же, как и у пресной, и у дистиллированной. То есть, она составляет 100 градусов при нормальном атмосферном давлении. А вот скорость закипания при равных условиях (например, если за основу взята обычная конфорка газовой плиты) будет различаться. Для того, чтобы закипела соленая вода, понадобится больше времени за счет того, что пузырькам с воздухом тяжелее разрывать более прочные молекулярные связи.

К слову, разница во времени закипания существует между водопроводной и дистиллированной водой – во втором случае жидкость без примесей и, соответственно, без «тяжелых» молекулярных связей, будет нагреваться быстрее.

Правда, разница во времени составляет всего несколько секунд, которые не делают погоды на кухне и практически никак не влияют на скорость приготовления пищи. Потому руководствоваться нужно не желанием сэкономить время, а законами кулинарии, предписывающими солить каждое блюдо в определенный момент для сохранения и усиления его вкусовых качеств.