Кипение воды: температура и физика процесса

Кипение воды — это процесс интенсивного парообразования, происходящий по всему объёму жидкости при достижении ею определённой температуры, называемой температурой кипения. При нормальном атмосферном давлении (101,325 кПа, или 760 мм ртутного столба) вода кипит при температуре 100 °C (212 °F). Это значение является одной из ключевых реперных точек температурных шкал Цельсия и Кельвина.

Физическая сущность процесса

Кипение представляет собой фазовый переход первого рода, при котором жидкость переходит в газообразное состояние (пар). В отличие от испарения, происходящего только с поверхности жидкости при любой температуре, кипение характеризуется образованием пузырьков пара во всём объёме. Пузырьки формируются на центрах парообразования — микроскопических пузырьках газа, неровностях стенок сосуда, взвешенных частицах. Внутри пузырька давление насыщенного пара должно превышать внешнее давление (атмосферное плюс гидростатическое давление столба жидкости), иначе пузырёк схлопнется.

Для достижения кипения жидкости необходимо сообщить скрытую теплоту парообразования. Для воды эта величина составляет около 2260 кДж/кг, что значительно выше, чем у большинства других жидкостей. Именно поэтому вода остаётся относительно холодной при кипении, а пар способен переносить большие количества тепловой энергии.

Зависимость температуры кипения от давления

Температура кипения воды напрямую зависит от внешнего давления. Эта зависимость описывается кривой фазового равновесия «жидкость—пар» и является прямо пропорциональной: чем выше давление, тем выше температура кипения.

• Пониженное давление: в горах атмосферное давление падает, что приводит к снижению температуры кипения. На высоте 1000 метров вода закипает примерно при 96,7 °C, на вершине Эльбруса (5642 м) — около 82 °C, а на высоте 8000 метров — примерно при 75 °C. Это явление учитывается в кулинарии и альпинизме, так как при более низкой температуре продукты варятся дольше.
• Повышенное давление: в скороварках давление повышается до 2 атмосфер, что поднимает температуру кипения до 120 °C и выше. Это ускоряет приготовление пищи. В паровых котлах электростанций вода кипит при температурах 300–400 °C под давлением в десятки атмосфер.

Критическая точка воды, при которой исчезает различие между жидкостью и паром, находится при температуре 374,15 °C и давлении 22,12 МПа (около 218 атмосфер).

Влияние примесей

Растворённые в воде вещества повышают температуру кипения. Это явление называется эбуллиоскопией и описывается вторым законом Рауля. Повышение температуры кипения пропорционально моляльной концентрации растворённого вещества. Так, морская вода (солёность около 3,5 %) кипит при температуре около 100,7 °C. Добавление сахара или соли в кулинарии также незначительно повышает температуру кипения, но на практике это слабо влияет на процесс варки.

Механизм образования пузырьков

Процесс кипения условно делят на несколько стадий. Сначала на дне сосуда появляются мелкие пузырьки воздуха и пара. При дальнейшем нагреве пузырьки увеличиваются в размерах, отрываются от дна и всплывают, но в более холодных верхних слоях жидкости конденсируются, издавая характерный шум (стадия «белого ключа»). Когда температура всей жидкости достигает температуры кипения, пузырьки перестают схлопываться, достигают поверхности и лопаются, выбрасывая пар в атмосферу. С этого момента температура жидкости перестаёт повышаться, даже если подвод тепла увеличивается — вся поступающая энергия расходуется на парообразование.

Кипение в быту и технике

В быту кипячение воды используется для обеззараживания: большинство патогенных микроорганизмов погибает при нагреве до 100 °C в течение нескольких минут. Однако споры некоторых бактерий (например, возбудителя ботулизма) выдерживают кипячение, поэтому для стерилизации применяют автоклавы с температурой выше 100 °C.

В технике кипение воды лежит в основе работы паровых турбин тепловых и атомных электростанций, систем отопления, теплообменников. Явление кризиса кипения (образование сплошной паровой плёнки на поверхности нагрева) может привести к перегреву оборудования и авариям, поэтому в теплотехнике тщательно рассчитывают режимы теплоотвода.

Интересные особенности

При кипении дистиллированной воды в идеально чистом сосуде возможен перегрев выше 100 °C без закипания (метастабильное состояние). В этом случае вскипание происходит резко и бурно при малейшем возмущении, что может вызвать выброс горячей жидкости. Для предотвращения такого эффекта в лабораториях используют кипелки — пористые кусочки фарфора или стеклянные капилляры.

Вода — единственное распространённое вещество, чья температура кипения при нормальных условиях используется как реперная точка шкалы Цельсия. Изначально шкала была построена на точках таяния льда (0 °C) и кипения воды (100 °C) при нормальном атмосферном давлении.

Источники

• Кипение // Большая российская энциклопедия (физический раздел)
• Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике
• Физическая энциклопедия / под ред. А. М. Прохорова, статья «Кипение»