Температура кипения воды¶

Кипение воды — это процесс интенсивного парообразования, происходящий по всему объёму жидкости при достижении ею определённой температуры, зависящей от внешнего давления. При стандартном атмосферном давлении (101,325 кПа, или 760 мм ртутного столба) температура кипения чистой воды составляет 100 °C (212 °F). Это значение является фундаментальной физической константой, используемой в науке и технике.

¶Физическая природа явления

Кипение отличается от испарения тем, что при испарении молекулы покидают жидкость только с поверхности, а при кипении внутри объёма образуются пузырьки пара, которые растут и поднимаются вверх. Для образования пузырька необходимо, чтобы давление насыщенного пара внутри него превышало внешнее давление (атмосферное плюс гидростатическое давление столба жидкости). Когда температура достигает точки, при которой давление пара сравнивается с внешним давлением, начинается бурное парообразование.

Температура кипения — это температура, при которой давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению. Следовательно, чем выше внешнее давление, тем выше температура кипения, и наоборот.

¶Зависимость от давления

Зависимость температуры кипения от давления описывается уравнением Клапейрона — Клаузиуса. Практически это означает, что:

• При пониженном давлении вода закипает при температуре ниже 100 °C. Например, на высоте 2000 метров над уровнем моря (давление около 80 кПа) вода закипает примерно при 93 °C. На вершине Эвереста (8848 м, давление около 34 кПа) температура кипения падает до примерно 70 °C. Это явление объясняет, почему в горах пища варится дольше.
• При повышенном давлении вода закипает при температуре выше 100 °C. В скороварке при давлении около 2 атмосфер вода закипает при температуре около 120 °C, что значительно ускоряет приготовление пищи. В паровых котлах электростанций вода может кипеть при температурах 300–400 °C под давлением в десятки атмосфер.

Для точного расчёта температуры кипения при конкретном давлении используются таблицы насыщенного водяного пара, применяемые в теплотехнике.

¶Влияние примесей

Наличие растворённых веществ изменяет температуру кипения. Это явление называется эбуллиоскопией. Растворённые нелетучие вещества (соли, сахар, кислоты) повышают температуру кипения пропорционально их моляльной концентрации. Так, морская вода (содержащая около 3,5 % солей) закипает при температуре около 100,7 °C. Раствор сахара или соли в бытовых условиях также закипает при температуре несколько выше 100 °C, однако на практике разница в 1–2 градуса несущественна для кулинарии.

Важно отметить, что дистиллированная вода и водопроводная вода закипают при одинаковой температуре (100 °C), если давление одинаково, поскольку концентрация примесей в водопроводной воде слишком мала для заметного эффекта.

¶Роль центров парообразования

В реальных условиях вода может быть перегрета выше температуры кипения без закипания, если в ней отсутствуют центры парообразования (микроскопические пузырьки газа, неровности стенок сосуда, пылинки). Это состояние называется метастабильным. При резком встряхивании или добавлении зародыша (например, крупинки сахара) происходит бурное вскипание. В микроволновой печи перегрев воды без пузырьков — известная опасность, так как при извлечении посуды вода может внезапно вскипеть и обжечь.

В обычном чайнике накипь и неровности стенок служат естественными центрами парообразования, поэтому вода закипает предсказуемо при 100 °C.

¶Изотопный состав воды

Температура кипения зависит от изотопного состава молекул воды. Тяжёлая вода (D₂O, содержащая дейтерий вместо протия) кипит при 101,4 °C. Вода с повышенным содержанием изотопа кислорода-18 кипит при несколько более высокой температуре. Однако в природной воде концентрация этих изотопов мала, и отклонение температуры кипения от 100 °C не превышает сотых долей градуса.

¶Практическое значение

Знание температуры кипения воды имеет критическое значение в ряде областей:

• Кулинария: варка продуктов, стерилизация, приготовление на пару. В высокогорных регионах требуется более длительная тепловая обработка из-за снижения температуры кипения.
• Медицина: стерилизация инструментов кипячением эффективна только при температуре 100 °C, что убивает большинство вегетативных форм бактерий, но не всегда споры.
• Энергетика: работа паровых турбин, ядерных реакторов и теплоэлектростанций основана на использовании пара высокого давления.
• Метеорология: процесс конденсации и кипения определяет круговорот воды в природе.

¶Стандартные условия

Для устранения неоднозначности в научных измерениях принято понятие «стандартная температура кипения» — температура, при которой жидкость кипит при давлении 1 бар (100 000 Па). Для воды эта температура составляет 99,97 °C. Значение 100 °C традиционно относится к давлению 760 мм рт. ст. (101,325 кПа), которое называется нормальным атмосферным давлением.

Температура кипения воды является одной из реперных точек температурных шкал. В шкале Цельсия 100 °C изначально было определено как точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении, а 0 °C — как точка её замерзания. В 1954 году определение шкалы было изменено, и реперной точкой стала тройная точка воды (0,01 °C, 611,73 Па), однако точка кипения сохранила своё практическое значение.

¶Источники

1. Кикоин И. К., Кикоин А. К. «Молекулярная физика». — М.: Наука, 1976.
2. Варгафтик Н. Б. «Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей». — М.: Наука, 1972.
3. Физическая энциклопедия / под ред. А. М. Прохорова. — М.: Советская энциклопедия, 1988.