IT News
Last update Вс, 29 Янв 2017 11pm
Почему в горах вода закипает быстрее?
Вода, нагретая на уровне моря до 100°С (212°F), начинает кипеть. Это означает, что внутри объема жидкости происходит образование пузырьков водяного пара и подъем их к поверхности. Вода закипает, потому что при данной температуре давление насыщения водяного пара слегка превышает атмосферное давление.
На больших высотах над уровнем моря атмосферное давление существенно уменьшается и вода кипит при более низких температурах. И наоборот, если давление над жидкостью увеличивается, например, когда вода находится ниже уровня моря или в скороварке, кипение происходит при более высокой температуре. Иллюстрация под текстом показывает температуры кипения на различных высотах над уровнем моря.
Фактор тепла и высоты
Ближний график справа показывает взаимосвязь между давлением насыщенного пара и температурой. При высоких температурах давление насыщенного пара быстро растет. Вода закипает, когда давление насыщенного пара начинает слегка превышать атмосферное давление. Именно поэтому при падении атмосферного давления уменьшается и температура кипения. На дальнем графике справа приведена зависимость температуры кипения воды от высоты над уровнем моря. Чем больше высота, тем ниже температура, при которой вода начинает кипеть.
Кинетическая энергия
В процессе перехода воды в газообразное состояние важную роль играет кинетическая энергия (энергия движения) молекул. Когда энергетический уровень высок, многие молекулы испаряются, разрывая связи, удерживающие их в жидком состоянии. При низком давлении (верхний рисунок под текстом) молекулы приобретают достаточно энергии для формирования газовых пузырьков кипения без добавления большого количества тепла. Ближе к уровню моря необходимо больше тепла (красная стрелка на нижнем рисунке под текстом), чтобы парообразование имело место.
Уменьшение времени приготовления пищи
В скороварках, как, например, той, что показана на рисунке справа, создается постоянное повышенное давление. На уровне моря эти герметичные кастрюли увеличивают температуру кипения воды до 121 °С (250°F). Более высокая температура кипения означает, что продукты будут готовиться быстрее, экономя время.
На продольных разрезах вверху показаны механизмы скороварки, предупреждающие чрезмерное повышение давления. Все они — предохранительный клапан (левый рисунок), регулятор давления (средний рисунок) и уплотнение ободка (правый рисунок) — помогают контролировать давление путем выпуска пара в атмосферу.
Зависимость температуры кипения воды от высоты над уровнем моря
Калькулятор рассчитывает температуру кипения воды в зависимости от температуры воздуха и высоты над уровнем моря
После создания пары калькуляторов на тему давления вообще (Конвертер единиц давления) и атмосферного давления в частности (Барометрическое нивелирование), захотелось узнать, как рассчитать температуру кипения воды в зависимости от высоты. Я откуда-то знал, что на высоте вода кипит при температуре ниже 100°С — а вот при какой точно температуре она кипит — вопрос.
Задача состоит из двух этапов — установить зависимость атмосферного давления от высоты и зависимость температуры кипения от давления. Начнем с последнего, как с более интересного.
Кипение представляет собой фазовый переход первого рода (вода сменяет агрегатное состояние из жидкого на газообразное).
Фазовый переход первого рода описывается уравнением Клапейрона:
,
где
— удельная теплота фазового перехода, которая численно равна количеству теплоты сообщаемой единице массы вещества для осуществления фазового перехода,
— температура фазового перехода,
— изменение удельного объема при переходе
Клаузиус упростил уравнение Клапейрона для случаев испарения и возгонки, предположив, что
Из пункта один следует, что состояние пара можно описать уравнением Менделеева-Клапейрона
,
а из пункта два — что удельным объемом жидкости можно пренебречь.
Таким образом, уравнение Клапейрона принимает вид
,
где удельный объем можно выразить через
,
и окончательно
разделяя переменные, получим
называемое уравнением Клаузиуса-Клапейрона.
Собственно, это и есть искомая зависимость температуры кипения от давления.
Проведем еще пару преобразований
,
здесь
— молярная масса воды, 18 г/моль
— универсальная газовая постоянная, 8.31 Дж/(моль × К)
— удельная теплота испарения воды 2.3 × 10 6 Дж/кг
Теперь осталось установить зависимость атмосферного давления от высоты. Здесь мы воспользуемся барометрической формулой (другой у нас все равно нет):
или
,
здесь
— молярная масса воздуха, 29 г/моль
— универсальная газовая постоянная, 8.31 Дж/(моль×К)
— ускорение силы тяжести, 9.81 м/(с×с)
— температура воздуха
Значения, относящиеся к воздуху, пометим индексом v, к воде — h
Приравняв и избавившись от экспоненты, получим
Ну и итоговая формула
Калькулятор зависимости температуры кипения от высоты:
При какой температуре закипает вода в горах
Как точка кипения воды зависит от атмосферного давления
Кипящая вода характеризуется ярко выраженными внешними признаками: бурлением жидкости, образованием маленьких пузырьков внутри посуды и поднимающимся паром. При нагревании молекулы воды получают дополнительную энергию от источника тепла. Они становятся более мобильными и начинают вибрировать.
В конечном счете жидкость достигает такой температуры, при которой на стенках посуды образуются пузырьки пара. Эта температура имеет название точка кипения. Как только вода начинает кипеть, температура не меняется, пока вся жидкость не превратится в газ.
Молекулы воды, выходящие в виде пара, оказывают давление на атмосферу. Это называется давлением пара. С увеличением температуры воды оно увеличивается, а молекулы, двигаясь быстрее, преодолевают связывающие их межмолекулярные силы. Давлению пара противостоит другая сила, созданная воздушной массой: атмосферное давление. Когда давление пара достигает или превышает окружающее давление, преодолевая его, вода начинает кипеть.
Точка кипения воды также зависит от ее чистоты. Вода, которая содержит примеси (соль, сахар) закипит при более высокой температуре, чем чистая.
Особенности кипения воды в горах
Воздушная атмосфера оказывает давление на все объекты на земле. На уровне моря оно одинаково везде и равно 1 атм., или 760 мм рт. ст. Это нормальное атмосферное давление, и вода закипает при температуре 100оС. Давление пара при такой температуре воды также равно 760 мм рт. ст.
Чем выше над уровнем моря, тем воздух становится более разреженным. В горах его плотность и давление уменьшаются. Из-за уменьшения внешнего давления на воду требуется меньше энергии, чтобы разорвать межмолекулярные связи. Это подразумевает меньше тепла, и вода закипит при более низкой температуре.
С каждым километром высоты вода кипит при температуре, которая меньше исходной на 3,3оС (или примерно минус 1 градус на каждые 300 метров). На высоте 3 км над уровнем моря атмосферное давление составляет около 526 мм рт. ст. Вода закипит, когда давление пара будет равно атмосферному, а именно 526 мм рт. ст. Это условие достигается при температуре 90оС. На высоте 6 км давление меньше нормального примерно в два раза, а температура кипения — около 80оС.
На вершине Эвереста, высота которого 8848 м, вода закипает при температуре около 72оС.
В горах на высоте 600 м, где вода закипает при 98оС, понимание процесса кипения особенно актуально при приготовлении пищи. Некоторые продукты можно довести до готовности, увеличив время варки. Однако для продуктов, требующих хорошей термальной обработки и длительного времени приготовления, лучше всего использовать скороварку.
При какой температуре кипит вода высоко в горах
Каждый, кто изучал физику в школе, на вопрос, при какой температуре кипит вода, не задумываясь, ответит: «100 °С», даже если его оценки были ниже среднего. Но почему тогда альпинисты жалуются, что на высоте у них возникает проблема с приготовлением пищи и завариванием чая? Расскажем об этом подробнее.
Кипение — физический процесс превращения жидкости в пар. Температура кипения жидкости напрямую зависит от ее состава и атмосферного давления. Поэтому чем выше мы поднимаемся в горы, тем меньше становится давление, и воде, чтобы закипеть, нужна температура поменьше.
При 0 высоте над уровнем моря температура кипения воды действительно 100 °С. Но с каждым подъемом на 500 метров температура кипения воды снижается на 2–3 °С. На высоте 1000 м вода закипит при температуре 96,7 °С. На 2000 м ей для закипания нужны лишь 93,3 °С.
На Эльбрусе — самой высокой вершине Европы (5642 м), где в конце лета температура достигает –7°С, — вода закипит при 80,8 °С.
На вершине кавказского Казбека (5033 м) для кипячения воды нужно уже 83 °С.
Фото: Da-Voda.com: UGC
В Гималаях, где высота гор достигает почти 9 тыс. метров над уровнем моря, воде потребуется еще меньшая температура, чтобы закипеть. На самой высокой горе Гималаев — Аннапурне — вода закипит примерно при 70,7 °С.
В горах Казахстана различна температура закипания воды:
При повышении давления увеличивается и температура кипения воды. Поэтому в специальной посуде, которая обеспечивает высокое давление при готовке, например в скороварке, пища готовится намного быстрее.
Не случайно жители горных местностей являются одними из главных покупателей бытовых скороварок. А для любителей горных походов выпускают специальную посуду, которая обеспечивает высокую температуру закипания воды.
Фото: solarsoul.net: UGC
Как известно, при закипании вода проходит несколько стадий:
Следует отметить, что температура кипения соленой воды выше, чем у пресной, так как ионы соли между молекулами воды придают им большую прочность. Как результат, чтобы разорвалась связь и образовался пар, нужна температура повыше. Например, 40 г соли увеличат температуру кипения литра воды почти на 1 °С.
Отвечая на вопрос, при какой температуре кипит вода, не забывайте о том, что многое зависит от атмосферного давления и состава воды.
Уникальная подборка новостей от нашего шеф-редактора
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:
