Кипение и зависимость от давления
⚡ Физика · 8 класс
Почему температура кипения жидкости меняется при изменении внешнего давления.
Что такое кипение
Кипение — это парообразование, идущее по всему объёму жидкости, а не только с поверхности. При нагревании в жидкости появляются пузырьки пара. Когда давление пара внутри пузырька становится равным внешнему давлению, пузырьки растут, всплывают и лопаются на поверхности. Температуру, при которой это происходит, называют температурой кипения.
Зависимость от давления
Главная идея темы: температура кипения не постоянна. Она зависит от давления над жидкостью. Чем выше внешнее давление, тем труднее пузырькам пара «раздвинуть» жидкость, и тем при более высокой температуре жидкость закипит.
Правило: при повышении внешнего давления температура кипения растёт, при понижении — падает. Поэтому в горах вода кипит при температуре ниже 100 градусов, а в скороварке — выше.
| Условие | Давление | Температура кипения воды |
|---|---|---|
| Высоко в горах | понижено | около 90 °С |
| Нормальное (уровень моря) | нормальное | 100 °С |
| Скороварка | повышено | около 120 °С |
Где это используют
- Скороварка — герметичная кастрюля. Пар повышает давление, вода кипит при 120 градусах, и пища готовится быстрее.
- Высокогорье — там вода кипит при пониженной температуре, и сварить продукты труднее.
- Медицина — в автоклавах инструменты обрабатывают паром под давлением при высокой температуре.
Разбор рассуждения
Почему в горах труднее сварить яйцо? Логика:
высота -> обычно более низкое давление -> более низкая температура кипения -> вода остаётся очень горячей, но её температура ниже обычных 100 °C -> приготовление может занять больше времени
Кипение само по себе не означает «очень горячо»: важна именно температура воды, а она в горах ниже.
Кипение и испарение — в чём разница
Не путай кипение с испарением. Испарение идёт только с поверхности жидкости и при любой температуре, а кипение — по всему объёму и только при определённой температуре. При испарении пузырьки не образуются, при кипении вся жидкость бурлит от поднимающихся пузырьков пара.
| Признак | Испарение | Кипение |
|---|---|---|
| Где идёт | с поверхности | по всему объёму |
| При какой температуре | при любой | только при температуре кипения |
| Пузырьки | нет | есть |
Разные жидкости кипят по-разному
Чистые жидкости имеют разные температуры кипения при одном давлении: например, этанол — около 78 °C, вода — около 100 °C при нормальном атмосферном давлении. Растительное масло — смесь веществ, при нагреве которой возможны разложение и дымление; его нельзя описывать одной универсальной температурой кипения.
Частые ошибки
Распространено мнение, что вода всегда кипит при 100 градусах. Это верно только при нормальном атмосферном давлении. При других условиях температура кипения другая. Также неверно считать, что чем сильнее огонь, тем выше температура кипящей воды: при кипении температура жидкости не растёт, вся подводимая теплота идёт на образование пара.
Быстрее закипеть — не то же, что быстрее сварить
Высоко в горах атмосферное давление обычно ниже. В открытой посуде температура кипения чистой воды поэтому ниже, чем при нормальном давлении. Чтобы дойти до начала кипения от одной исходной температуры, воде требуется меньший прирост внутренней энергии. Но приготовление пищи зависит и от температуры кипящей воды: менее горячая вода может медленнее прогревать продукт.
Редакционная модель времени нагрева
Пусть в двух одинаковых установках 1 кг воды нагревают от 20 °C. В условии первой задачи вода закипает при 100 °C, второй — при 90 °C. Полезная мощность нагрева 700 Вт, потери и теплоёмкость посуды не учитываем, c = 4200 Дж/(кг·К).
В первом случае Q₁ = 4200·1·80 = 336 000 Дж, t₁ = Q₁/P = 480 с. Во втором Q₂ = 4200·1·70 = 294 000 Дж, t₂ = 420 с. Разница — 60 с. Температура 90 °C здесь задана условием, а не приписана любой горной местности.
Это оценка начала кипения, не времени готовности еды. На практике меняются потери тепла, мощность горелки и количество воды. Поэтому одно слово «высота» не позволяет предсказать точное время без условий. Температура кипения определяется внешним давлением и составом, а не высотой напрямую.
Почему сильнее огонь не решает задачу
В открытой посуде при устойчивом кипении чистой воды и постоянном давлении дополнительная мощность в основном увеличивает скорость образования пара, а не поднимает температуру всей жидкости выше точки кипения. При повышенном давлении точка кипения растёт, но пользоваться скороваркой следует только по инструкции, не перекрывая её защиту.
Проверка: из того, что вода начала кипеть раньше, не следует, что яйцо сварится раньше. Для сравнения приготовления нужно знать температуру воды и процесс передачи тепла продукту. Вода при 90 °C остаётся очень горячей; выражение «кипит, но не горячая» неверно.
Справочные материалы: Что такое кипение — исходная тема. Связанные уроки: Уравнение состояния идеального газа, Что такое влажность воздуха.
Кратко о главном
- Кипение идёт по всему объёму жидкости с образованием пузырьков пара.
- Температура кипения зависит от внешнего давления.
- Выше давление — выше температура кипения, и наоборот.
- Во время кипения температура жидкости не меняется.