Кипение воды¶

Кипение воды — фазовый переход первого рода, при котором вода переходит из жидкого состояния в газообразное (пар) с образованием пузырьков пара по всему объёму жидкости. Процесс сопровождается поглощением тепловой энергии (скрытой теплоты парообразования) при постоянной температуре, которая для чистой воды при атмосферном давлении (101,325 кПа) составляет 100 °C. Кипение является одним из основных способов тепловой обработки продуктов и применяется в кулинарии, промышленности и лабораторной практике.

¶Физика процесса

¶Перегрев и зарождение пара

При нагреве воды в закрытом сосуде температура жидкости повышается до тех пор, пока давление насыщенного пара над поверхностью не сравняется с внешним давлением. На практике кипение начинается не ровно при 100 °C: для зарождения пузырьков пара требуется преодолеть силы поверхностного натяжения, поэтому вода часто перегревается на несколько градусов выше точки кипения. В гладкой чистой посуде перегрев может достигать 5–10 °C, что приводит к внезапному «вскипанию» с бурной реакцией. Для предотвращения перегрева используют шероховатые поверхности, кипящие камешки или деревянную ложку — любые неровности служат центрами кристаллизации пара.

¶Скрытая теплота парообразования

Во время кипения подводимое тепло расходуется не на повышение температуры, а на разрушение межмолекулярных связей в жидкой фазе. Скрытая теплота парообразования воды при 100 °C составляет около 2257 кДж/кг. Именно поэтому кипящая вода не нагревается выше 100 °C, даже при интенсивном нагреве, — вся дополнительная энергия уходит на испарение. Это свойство делает кипячение эффективным способом стерилизации: поддержание температуры 100 °C убивает большинство патогенных бактерий и вирусов.

¶Влияние давления

Температура кипения зависит от внешнего давления. При понижении давления вода кипит при более низкой температуре: на высоте 2000 м над уровнем моря (например, в горах Кавказа или Алтая) вода закипает уже при ~93 °C, а на высоте Эвереста — при ~70 °C. В вакуумных испарителях воду кипятят при 40–60 °C, что используется в пищевой промышленности для щадящей концентрации соков. Повышение давления, напротив, повышает точку кипения — этот принцип лежит в основе работы скороварок и автоклавов.