Температура кипения воды: как отличается и от чего зависит

Известно, что вода кипит при 100 °С. Однако практика показывает, что вода может закипеть и при комнатной температуре, и при 130 °С. В каких условиях это бывает, поведали экспериментаторы.

Что такое кипение воды и что на него влияет

В науке кипение определяется как смена агрегатного состояния вещества при нагревании, переход из жидкого состояния в парообразное, то есть с выделением пара. При какой температуре закипает вода? Физика утверждает, что чистая пресная вода при нормальном давлении в 1 атмосферу (760 мм ртутного столба) кипит при 100 °С. Но технические справочники, а также экспериментаторы Яков Перельман, Илья Мельников доказывают, что эти параметры могут быть другими при определенных условиях.

Процесс кипения воды в быту видим ежедневно. При внимательном наблюдении можем выделить такие стадии кипения:

• Через несколько мгновений после того как поставили чайник на огонь, видим образование в нем небольших пузырьков на дне и стенках. Это от нагревания из микротрещин посуды выделяется нагретый воздух.
• Далее пузырьки расширяются и стремятся вверх. Увеличиваются они уже за счет пара, в который превращается вода при нагревании. Поднимаются, потому что плотность пара меньше, чем воды. При этом холодные верхние слои воды опускаются вниз, сталкиваются с пузырями. Так возникают звуковые волны — характерные звуки чайника при закипании.
• Пузырьков становится все больше, появляется эффект мутной воды, известный как белое кипение.
• Наконец начинается интенсивное бурление воды: пузыри лопаются, появляется обильный пар и брызги. Вода кипит.

Какая температура кипения воды в чайнике? В чайник заливаем чистую воду, без солей и иных добавок. Кипятим ее при нормальных условиях, то есть при атмосферном давлении на поверхности Земли в одну атмосферу. По закону физики следует, что вода закипела при температуре 100 °С.

После того как вода закипела, ее температура остается постоянной. При достижении температуры кипения все дополнительное количество теплоты идет на образование пара, вода просто испаряется. Авторы книги «Физика для всех» объясняют процесс испарения так: пар над водой перемешивается с более холодными высокими слоями воздуха без пара. Это будет продолжаться непрерывно, пока вся вода не испарится.

На практике воду приходится кипятить не только в обычных условиях. Например, туристы в горах знают, что вода закипает при температуре ниже 100 °С, что мешает заварить крепкий чай и приготовить горячую пищу.

Опытным путем выявлено, что при более высоком давлении, превышающем 1 атмосферу, температура кипения воды значительно повышается. При низком давлении, например, при создании вакуума, наблюдается обратный процесс: вода может закипеть при температуре значительно ниже 100 °С.

Замечено также, что на температуру кипения воды влияет ее состав. Так, соленая вода требует большего нагревания для кипения.

От чего зависит температура кипения? Практика и научные эксперименты доказывают, что температура кипения воды зависит от условий — нормального, повышенного или пониженного атмосферного давления, а также от наличия в жидкости посторонних примесей, солей и добавок.

Как влияют условия и состав воды на температуру кипения

Какая температура кипения воды в горах? При подъеме в горы воздух становится более разреженным: при увеличении высоты над уровнем моря атмосферное давление понижается. Наблюдается такая закономерность: при подъеме на каждые 300 м температура кипения воды понижается примерно на 1 °С, на высоте 1 000 м она составит около 96,3 °С (погрешности обусловлены составом воды).

В горах Казахстана температура закипания воды будет такой:

• На пике Хан-Тенгри (7010 м) — около 77,2 °С.
• На пике Талгар (4979 м) — 83,5 °С.
• На Актау (4690 м) — 84,4 °С.
• На Белухе (4506 м) — 84,9 °С.

Автор книги «Занимательная физика» Яков Перельман утверждает, что правильным будет обратный расчет, если помнить, что температура кипения воды падает на 3 °С с каждым километром высоты. Тогда по температуре кипения воды можно определить, на какой высоте в горах находятся туристы.

Опытным путем можно определить, как меняется температура кипения при дальнейшем понижении атмосферного давления, например, при создании вакуума (откачивая воздух из какой-то емкости, куда помещен сосуд с водой). При давлении в 0,5 атмосфер вода закипит при температуре 80,8 °С, а при давлении в 0,03 атмосфер можно наблюдать прохладный кипяток — кипение воды комнатной температуры 17,2 °С. Этот эффект нашел практическое применение в технологии вакуумной сушки, когда добиваются испарения влаги при невысокой температуре.

При повышении атмосферного давления вода закипает при более высоких температурах, чем 100 °С. Яков Перельман приводит пример, что в шахте, где давление выше, чем на поверхности, получают кипяток горячее — 101 °С на глубине 300 м, на глубине 600 м — 102 °С.

При давлении 1,5 атмосферы температура кипения будет 110,8 °С, при 2 — 120 °С, при 3 — 132,8 °С. Такой эффект применяется в жизни для более быстрого приготовления блюд в скороварках, где создается давление в 2–3 атмосферы.

Зависит температура кипения воды от ее состава. В воде с добавлением соли ее молекулы Na+ и Cl- заполняют часть пространства между молекулами воды. При этом нарушается связь между ними, что препятствует нагреванию воды. Поэтому для кипения соленой воды требуется более высокая температура. Так, если в 1 л воды добавить 60 г соли, то температура кипения увеличится на 10 °С.

Автор книги «Невероятные физические опыты» Илья Мельников приводит опытное доказательство такого факта. Если в кастрюле с чистой кипящей водой держать на пару бутылочку с водой, то вода в бутылочке не закипит, стекло при такой температуре препятствует кипению. Но если в воду в кастрюле добавить соль, то температура кипения повысится, что доведет к кипению воды в бутылочке.

Такие вот метаморфозы происходят с водой. В обычных условиях температура ее кипения может быть эталоном, но измените условия, и она будет или прохладным, или очень горячим кипятком.