Чем объясняется аномально высокая температура кипения воды

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:

Источник

Аномальные свойства воды: причины, значение

Люди привыкли к воде и считают ее обычным веществом. Они часто воспринимают ее как нечто само собой разумеющееся до тех пор, пока засуха не начнет угрожать посевам и запасам питьевой воды, или сильное наводнение не создаст угрозу жизни и имуществу. Многие не осознают, что структура воды и ее аномальные свойства обеспечивают существование жизни на Земле.

Один из ранних греческих философов, Фалес Милетский (640-546 гг. до н. э.), исследовал универсальный характер воды. Он считал ее основным элементом, из которого рождается все. Обилие воды было очевидным, но Фалес заметил, что она является единственным веществом, естественным образом присутствующим на Земле одновременно в трех разных состояниях: твердом, жидком и газообразном. В холодный зимний день снег и лед покрывают поля, рядом течет река, а над головой плывут облака.

Формы материи

Все вещества существуют в трех различных состояниях, которые зависят от температуры и давления. Твердые тела обладают определенной формой и имеют кристаллическую внутреннюю структуру. По этому определению вещество, подобное стеклу, будет считаться высоковязкой жидкостью, поскольку оно не обладает кристаллическим строением. Твердые тела склонны противостоять внешним воздействием. Они могут быть преобразованы в жидкость путем нагрева. Температура замерзания воды при давлении в 1 атмосферу равна 0 °С, ниже которой она существует в виде льда.

Жидкость, в отличие от твердого тела, не обладает твердостью и не имеет определенной формы. У нее есть объем, и она принимает форму сосуда, в котором хранится. Внешнее воздействие вынуждает ее течь. Вода представляет собой жидкость между температурами замерзания и кипения (100 °С). Жидкости могут переходить в газообразную фазу при нагреве выше точки кипения.

Газ не имеет ни формы, ни определенного объема. Он принимает форму и занимает объем сосуда, в котором находится. Газ расширяется и сжимается с изменением температуры и давления и способен легко диффундировать в другие газы.

Точки кипения и замерзания

Твердая фаза

Как правило, с понижением температуры вещества становятся более плотными, и вода не является исключением. Ее плотность при 25 °C составляет 0,997 г/мл и увеличивается с до максимальной (1 г/мл) при T = 4 °C. В метрической системе измерения килограмм определяется как масса 1 л воды с максимальной плотностью. Между 4 °C и точкой замерзания 0 °C происходит удивительная вещь, которая наблюдается у очень небольшого числа веществ. Вода постепенно расширяется, становясь менее плотной. Плотность льда при 0 °C составляет около 0,917 г/мл. Молекулы воды образуют кристаллы в форме тетраэдра (четырехсторонней фигуры, каждая грань которой представляет собой равносторонний треугольник). Поскольку плотность твердой фазы меньше, чем жидкой, лед плавает. При замораживании объем воды увеличивается на 1%.

Очень важно, что лед расширяется и плавает на поверхности. Из-за этого зимой лопаются водопроводы и появляются выбоины на дорогах. Замерзание и таяние воды в значительной степени ответственно за разрушение скал и образование почв. Кроме того, если бы озера и потоки замерзали снизу вверх, то водная жизнь вообще перестала бы существовать, а климатические и погодные условия резко изменились.

Теплоемкость

Еще одним аномальным свойством воды является ее чрезвычайно высокая способность поглощать тепло без значительного повышения температуры. Например, летнее солнце на пляже нагревает песок до такой степени, что становится невозможно по нему ходить. Вода при этом остается прохладной. Оба вещества поглощают равное количество тепловой энергии, но температура песка выше. Пустой железный котелок, висящий над огнем, быстро раскалится докрасна, но если он заполнен водой, то его нагрев происходит постепенно. Высокая теплоемкость воды делает ее хорошей охлаждающей жидкостью в конденсаторах и автомобильных радиаторах, предотвращающих двигатели от перегрева. Ее значение в 5 раз превышает теплоемкость песка и примерно в 10 раз – железа.

Умеренный климат в прибрежных районах является результатом поглощения в течение дня огромного количества солнечной тепловой энергии водой и медленного высвобождения ее ночью. Внутренние районы вдали от побережья обычно испытывают гораздо более высокие экстремальные температуры. Огромные океаны на Земле (около 75% площади поверхности) отвечают за смягчение климата на нашей планете, поддерживая существование жизни.

Теплота плавления и испарения

С теплоемкостью связана теплота фазового перехода. Это количество тепловой энергии, поглощаемой или высвобождаемой веществом, которое изменяется в фазе (от жидкого до твердого состояния, или наоборот, и от жидкого до газообразного, или наоборот) без изменения температуры. Необычайно высокие значения удельной теплоты плавления (332,4 кДж/кг) и испарения (2256,2 кДж/кг) – очередные аномальные физические свойства воды. При замерзании выделяется такое же количество тепла, которое поглощается в процессе плавления.

Практическим примером использования удельной теплоты плавления воды является использование льда для охлаждения напитков в изолированном кулере. В процессе таяния лед поглощает тепловую энергию напитков, сохраняя их прохладными. Емкость с водой в теплице в холодную зимнюю ночь смягчит температуру в помещении из-за тепла, выделяемого при замерзании. Конденсация пара высвобождает то же количество тепла, которое поглощается в процессе испарения. Удельная теплота испарения в 5 раз превышает теплоту, необходимую для повышения температуры от 0 до 100 °C. Аномальное свойство воды хранить большое количество накопленной тепловой энергии делает паровое отопление эффективным. В процессе конденсации пар высвобождает накопленную тепловую энергию. Дневная гроза в жаркий летний день – еще один пример высвобождения тепловой энергии в верхних слоях атмосферы при конденсации горячего влажного воздуха. Даже ураган является примером влияния перераспределения огромного количества тепловой энергии, поглощенной тропическими океанами.

Системы испарительного охлаждения работают наоборот. Вода в процессе испарения поглощает тепловую энергию из воздуха, охлаждая его.

Универсальный растворитель

Растворитель способен растворять другое вещество с образованием гомогенной смеси (раствора) на молекулярном уровне. Еще одним аномальным свойством воды в химии благодаря ее полярной природе является ее способность растворять другие полярные соединения – соли, спирты, карбоксильные соединения и т. д. В воде растворяется больше веществ, чем в любом другом растворителе. В ней можно найти более половины известных химических элементов, некоторые в высоких концентрациях, а другие – только в следовых количествах. Например, концентрация насыщения хлорида натрия составляет около 36 г на 100 мл, а карбоната кальция – около 0,0015 г. Способность воды растворять вещество зависит от его химического состава, силы химических связей элементов, температуры и рН.

Неполярные соединения, в том числе большинство углеводородов, растворяются в низких или следовых количествах. Например, масла, как правило, плавают на поверхности воды.

Поверхностное натяжение

К аномальным свойствам воды относят и ее самое высокое (после ртути) поверхностное натяжение по сравнению с любой другой жидкостью. Это сила притяжения молекул, расположенных под поверхностью и тех, которые находятся на границе раздела жидкость-воздух. Она удерживает воду от растекания. Полярные соединения, как правило, имеют гораздо более высокое поверхностное натяжение, чем неполярные. И вода не является исключением. При 20 °С данный показатель равен 0,07286 Н/м (у этилового спирта – 0,0228 Н/м).

Без внешнего воздействия капля H₂O принимает форму сферы, поскольку эта фигура обладает наименьшей площадью поверхности на единицу объема. Капли дождя являются крошечными пулями, которые при длительном воздействии разрушают горные породы. По этой же причине объекты, более тяжелые, чем вода, могут удерживаться на ее поверхности. Насекомые способны ходить по ней, а лезвие бритвы – плавать.

Водородная связь определяет аномальное свойство воды смачивать большинство поверхностей. Такие вещества считаются гидрофильными. Вода способна подниматься по стенкам стакана и других емкостей. Другие вещества, такие как масла, жиры, воск и синтетика (полипропилен и т. д.), не намокают. Они являются гидрофобными. Мембранные фильтровальные картриджи с размером пор менее 1 мкм изготавливают из гидрофобных полимеров с помощью смачивающих агентов, снижающих поверхностное натяжение воды, чтобы последняя могла проникнуть и оставаться в них. Это явление называется капиллярным эффектом. Он отвечает за движение воды в почве и по корням растений и крови по кровеносным сосудам.

Аномальные свойства воды и их значение для жизни

H₂O является неотъемлемым компонентом существования всего живого. Это объясняет недавний интерес к обнаружению воды в других частях Вселенной. Все известные биохимические процессы происходят в водной среде. Большинство живых существ содержат 70–80% H₂O по весу.

Кроме того, вода играет значительную роль в процессе фотосинтеза. Растения используют лучистую энергию солнца для превращения воды и углекислого газа в углеводы: 6CO₂ + 6H₂O + 672 ккал → C₆H₁₂O₆ + 6O₂. Фотосинтез – самая основная и важная химическая реакция на Земле. Он поставляет питательные вещества, прямо или косвенно, всем живым организмам и является основным источником атмосферного кислорода.

Аномальные свойства воды и их причины

Способность элементов формировать соединения зависит от способности их атомов отдавать или принимать электроны. Элементы первого типа становятся положительно заряженными ионами (катионами), а второго – отрицательно заряженными анионами.

Способность элемента взаимодействовать с другими элементами для образования соединений называется валентностью. Она соответствует количеству полученных или отданных электронов. Для неорганических соединений алгебраическая сумма валентных чисел элементов равна нулю. Электростатическое притяжение противоположно заряженных ионов с образованием соединения называется ионной связью.

Элементы, которые образуют воду (водород и кислород), существуют отдельно в молекулах H₂ и O₂, содержащих по два атома. Они удерживаются вместе благодаря обмену электронной парой в химической связи, называемой ковалентной. Она намного сильнее ионной. Два атома, удерживаемые вместе ковалентной связью, образуют намного более устойчивую молекулу, чем ее составные части. В ней водород объединяется кислородом посредством общих электронных пар. Это уникальное распределение электронов в образованном химическом соединении заставляет атомы H располагаться по отношению к O под углом 104,5°.

Аномальные физические свойства воды объясняются ее структурой и химической связью.

Атом кислорода оказывает относительно сильное воздействие на общую пару электронов, в результате чего атомы водорода становятся электроположительными, а атом кислорода – электроотрицательной областью. Поскольку положительно и отрицательно заряженные участки распределены неравномерно по отношению к центральной точке, молекула воды является полярной.

Такая ее природа заставляет ее становиться электростатически привлекательной для других молекул H₂O, а также ионов и контактных поверхностей с заряженными участками. Электроположительные атомы водорода притягиваются к электроотрицательным атомам кислорода соседних молекул воды. Это явление называется водородной связью. Ее прочность составляет всего около 10% ковалентной, но она отвечает за большинство аномальных физических свойств воды. К ним относятся высокие температуры замерзания и кипения, теплоемкость, удельная теплота плавления и испарения, растворимость и поверхностное натяжение.

Водородная связь отвечает за поддержание целостности молекулы H₂O во время химических реакций. В то время как другие соединения подвергаются ионизации, сама вода сохраняет свою химическую целостность. Лишь относительно небольшое число молекул ионизируется в водород и гидроксильные ионы. Поэтому H₂O является относительно плохим проводником электрического тока. Специфическое сопротивление теоретически чистой воды составляет 18,3 МОм∙см, в то время как питьевая имеет удельное сопротивление менее 10 000 Ом∙см. Таким образом можно легко проверить чистоту H₂O.

Аномальные свойства воды объясняются наличием водородных связей, из-за которых имеет место низкая плотность льда. Вдоль них при замерзании располагаются молекулы, что приводит к расширению вещества. По этой причине лед плавает на поверхности воды. Повышенное давление снижает температуру плавления. Давление, создаваемое лезвием конька, топит лед, создавая слой, обеспечивающий изящное скольжение. Даже при чрезвычайно низких температурах высокое давление ослабляет кристаллическую решетку. Это является причиной того, что огромные ледяные массы, такие как ледники, постепенно движутся.

Дипольный момент

Полярная природа молекулы воды заставляет ее ориентироваться в электрическом или магнитном поле. Электроотрицательный атом кислорода выстраивается к положительному полюсу, а электроположительные атомы водорода – в направлении отрицательного. Вода имеет исключительно большой дипольный момент, представляющий собой произведение расстояния между зарядами, умноженное на величину заряда.

По мере увеличения диэлектрической проницаемости сила между зарядами уменьшается. Высокая диэлектрическая постоянная уменьшает силу притяжения ионов, что объясняет аномальные химические свойства воды растворять самые разнообразные вещества.

Заключение

Для людей вода – это обычное вещество, которое часто принимается как должное. Несмотря на то что аномальные свойств воды объясняются на атомном уровне, ее значение действительно велико. Очевидно, что она необходима для существования жизни на Земле. Аномальные свойства воды, кратко говоря, позволяют ей служить медиатором химических и биохимических процессов, формировать нашу природную среду и участвовать в создании климата и погоды.

Источник

Температура кипения воды в зависимости от давления: 4 фактора, таблица для расчёта

Многие люди думают, что температура кипения воды составляет 100°C. Однако этот показатель может меняться в зависимости от атмосферного давления.

Например, на горе Эверест на подъеме 8842 метра над уровнем моря вода закипит при +70°C. А в глубокой шахте при достижении температуры + 103°C

В данной статье мы выясним, как будет меняться температура кипения воды в зависимости от давления: в горах, шахте, вакууме. Рассмотрим особенности процесса кипячения с точки зрения физики и химии.

Как будет меняться температура кипения воды: 4 фактора

Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.

Стоит отметить, что она всегда остается неизменной. Поэтому, если увеличить огонь под кипящей кастрюлей с водой, выкипать будет быстрее, но температура при этом не увеличится, так как средняя кинетическая энергия молекул остаётся неизменной.

Рассмотрим 4 фактора, которые влияют на изменение t°:

Рассмотрим более подробно каждый из факторов.

Влияние атмосферного давления

Согласно исследованиям и уравнению Клапейрона — Клаузиуса, градус кипения напрямую зависит от атмосферного давления. С его ростом температура кипения увеличивается, а с уменьшением, наоборот, становится все ниже и ниже.

Атмосферное давление — это давление атмосферы, действующее на все находящиеся на ней предметы и земную поверхность. Оно может меняться в зависимости от места и времени и измеряется барометром.

При нормальном атмосферном давлении 760 мм ртутного столба вода кипит при + 100 °C

В горной местности давление уменьшается, а под землей (в шахте) увеличивается.

Для наглядности предоставлена таблица № 1 из большого химического справочника, источник: Волков А. И, Жарский И. В.

Таблица № 1. «Температура кипения воды от давления».

Единицы измерения давления в таблице: кПа.

1 кПа = 1000 Па = 0,00986923 атм = 7, 50062 мм. рт. ст

Нормальное атмосферное давление составляет 765 мм. РТ. Ст. = 101,325 Р, кПа

Температура кипения в горах

При подъеме над поверхностью Земли (в горах), температура кипения воды падает, так как снижается атмосферное давление (на каждые 10, 5 м на 1 мм РТ. С). Пузырькам легче всплывать – процесс происходит быстрее.

Поэтому высоко в горах альпинисты не могут приготовить нормальную пищу, а используют законсервированные продукты.

Для варки мяса, как и других продуктов, нужны привычные 100 градусов. В обратном случае все компоненты бульона просто останутся сырыми.

Таблица № 2. «Как будет меняться t° кипения с высотой».

Температура кипения воды в шахте

Если спуститься в шахту, то давление будет увеличиваться.

Применение герметической крышки

Герметичные крышки не позволяет образовавшемуся пару ускользнуть. В среднем температура закипания воды увеличивается от 5-20 градусов.

В хозяйстве для приготовления блюд часто используют кастрюли, сковородки с герметичной крышкой. Таким образом, уменьшается время приготовления пищи за счет высокой температуры, а блюда получаются более вкусными. В горных районах с низким давлением это необходимая вещь для приготовления пищи. Так же используют мультиварки и сотейники.

Кипячение воды в вакууме

Вакуум — это среда с газом, с пониженным давлением.

Температура кипения воды в вакууме зависит от того, какое давление в нём.

Разные виды вакуумов поддерживают разное давление. Например, в низком вакууме давление составляет от 760 до 25 мм. РТ. Ст. В абсолютном вакууме давление полностью отсутствует. Для точного расчета нужно знать модель вакуума и давление, которое он поддерживает.

Кипение солёной воды

Солёная вода закипает при более высокой температуре за счет своих свойств.

Соль увеличивает плотность воды, соответственно на процесс требуется больше времени.

t° повышается примерно на 1 градус при добавлении 40 грамм соли на литр воды.

Температура кипения воды в чайнике

Чистая пресная вода закипает в чайнике при t° 100 градусов °C при условиях нормального атм. давления 760 мм ртутного столба.

Удельная теплоемкость

Удельной теплоемкостью вещества называется количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг этого вещества, чтобы его температура изменилась на 1 градус Цельсия.

Это количество теплоты необходимое для нагревания массы вещества на один градус.

формула удельной теплоемкости

С — удельная теплоемкость;

— масса нагреваемого охлаждающегося вещества;

— ΔT — разность конечной и начальной температур вещества.

Процесс кипячения воды: 3 основных стадии

Кипение – это интенсивное парообразование, которое происходит при нагревании жидкости по всему объёму при определённой температуре.

Весь процесс кипения воды сопровождается выделением пара. Это одно из состояний воды. При парообразовании температура пара и воды остаются постоянными до тех пор, пока жидкость не изменит свое агрегатное состояние. Это явление объясняется тем, что при кипении вся энергия расходуется в преобразование воды в пар.

В воде растворены молекулы воздуха (газов). При нагревании газ превращается в воздушные пузырьки. При достижении достаточной температуры они лопаются, создаётся характерный шум.

Процесс можно разделить на 3 стадии:

Что такое кипячёная вода?

Это вода, ранее доведенная до температуры кипения. Сырая вода в своем составе может содержать различные бактерии, микроорганизмы. В водопроводе больших городов много хлора и различных других химических веществ. Процесс кипячения обезвреживает многие микробы. Однако не все бактерии и тяжёлые металлы убиваются в кипящей воде, поэтому питьевая вода происходит предварительную проверку пригодности.

Выводы и рекомендации

Кипячение необходимый процесс для человечества. С помощью него приготавливают пищу, стирают загрязненную одежду, проводят дезинфекцию.

Градус кипения напрямую зависит от давления, свойств воды и емкости.

Источник