Кипение

Пузырьки в нагреваемой воде появляются не одновременно. Сначала возле стенок видны мелкие пузырьки, затем слышен шум, а позже пузырьки устойчиво поднимаются и достигают поверхности. Почему не каждый пузырёк означает кипение? Почему после закипания нагреватель продолжает работать, а температура воды почти не растёт?

На этом уроке мы исследуем механизм кипения. Формулу количества теплоты парообразования пока не используем: сначала нужно понять само явление.

Сначала прогноз

Отметь, с какими утверждениями ты согласен, и кратко запиши причину.

1. Любые пузырьки в воде означают, что вода уже кипит.
2. В пузырьках кипящей воды находится только воздух.
3. Если увеличить мощность плитки, температура кипящей воды обязательно возрастёт.
4. Вода всегда кипит ровно при $100\ ^\circ\mathrm{C}$.

Не исправляй ответы сразу. Вернись к ним после наблюдений и графика.

Безопасное наблюдение

Кипяток, горячий пар, стеклянный стакан и электрическая плитка могут причинить ожог. В кабинете установку собирает и ведёт только учитель.

• Стакан остаётся открытым и заполнен не более чем наполовину.
• Термометр закреплён в штативе и не касается дна или стенок.
• Учащиеся не подходят к установке, не трогают провод и не наклоняются над паром.
• После опыта горячую посуду не переносят до остывания.
• Домашний опыт с плиткой, кипятком или закрытым сосудом проводить нельзя.

Что наблюдать при нагревании

Записывай не только температуру, но и видимые признаки.

Это учебный модельный набор данных. В реальном опыте показания могут немного отличаться из-за давления, теплопотерь, положения термометра и точности отсчёта.

Построй и прочитай график

Сначала нанеси точки из таблицы на бумагу или в тетрадь. Подпиши оси и единицы. Только после этого сравни свой результат с учебным графиком.

До чтения объяснения ответь:

1. На каком интервале линия почти горизонтальна?
2. Какие три соседних значения температуры совпадают?
3. Какой вывод можно сделать, если нагреватель всё это время работает?

Сверь свой вывод

Если построить график $T(t)$ по таблице, сначала получится возрастающий участок, а примерно с пятой минуты — почти горизонтальный участок, или плато:

$$T_5 \approx T_6 \approx T_7 \approx 100\ ^\circ\mathrm{C}.$$

Из графика можно сделать два разных вывода.

1. До кипения температура воды возрастает: переданная энергия увеличивает её внутреннюю энергию.
2. Во время установившегося кипения энергия продолжает передаваться веществу, но при примерно постоянном внешнем давлении температура жидкости почти не меняется. Энергия расходуется на переход вещества из жидкости в пар.

Плато не означает, что нагреватель перестал передавать энергию. Оно означает, что изменился главный результат передачи энергии: теперь идёт фазовый переход.

Точное определение

Кипение — интенсивное парообразование, при котором пузырьки пара образуются и растут в жидкости, поднимаются и выходят через свободную поверхность.

Температуру, при которой жидкость кипит при данном внешнем давлении, называют температурой кипения.

В определении важны три признака:

• процесс идёт не только на поверхности, а во всём объёме жидкости;
• образуются паровые пузырьки;
• температура кипения зависит от вещества и внешнего давления.

Что находится в пузырьках

Это учебная модель, а не фотография частиц или внутренности реального пузырька.

В начале нагревания из воды могут выделяться растворённые газы. Поэтому первые мелкие пузырьки нельзя автоматически называть признаком установившегося кипения.

При дальнейшем нагревании на неровностях стенок возникают удобные центры парообразования. Жидкость испаряется внутрь пузырьков. При установившемся кипении пузырьки заполнены главным образом паром самой жидкости.

Пока верхние слои воды холоднее, часть пара внутри поднимающегося пузырька конденсируется, и пузырёк уменьшается. Этим объясняют характерный шум перед кипением. Когда вода прогрелась, паровые пузырьки растут, достигают поверхности и выпускают пар наружу.

Испарение и кипение

Любое кипение является парообразованием, но не любое парообразование является кипением.

Почему важнее говорить «при данном давлении»

Пузырёк может устойчиво расти, когда давление пара внутри достаточно, чтобы противодействовать внешнему давлению. Поэтому изменение внешнего давления изменяет температуру кипения:

• если внешнее давление уменьшается, температура кипения понижается;
• если внешнее давление увеличивается, температура кипения повышается.

Значение около $100\ ^\circ\mathrm{C}$ для воды относится к нормальному атмосферному давлению. Это не неизменная температура для любых условий.

Наблюдение зависимости от давления

Сначала сделай прогноз: что произойдёт с тёплой водой, если уменьшить внешнее давление над ней, не повышая температуру?

В классе это показывает только учитель. В большой исправный пластиковый шприц без иглы набирают немного воды температурой $40$–$50\ ^\circ\mathrm{C}$, закрывают штатным колпачком и плавно оттягивают поршень. Шприц направляют от людей. Если оборудование ненадёжно или поршень заедает, используют заранее проверенную видеозапись опыта.

При уменьшении давления может появиться интенсивное парообразование при температуре заметно ниже $100\ ^\circ\mathrm{C}$. Одиночные пузырьки сами по себе ещё могут быть связаны с выделением растворённых газов, поэтому вывод делают по повторяемому наблюдению при изменении давления:

меньше внешнее давление → ниже температура кипения.

Самостоятельно и дома этот опыт не проводят.

Высокогорье и скороварка

В высокогорье атмосферное давление ниже. Вода может кипеть при температуре ниже $100\ ^\circ\mathrm{C}$. Пузырьки видны, но температура воды ниже, поэтому приготовление некоторых продуктов занимает больше времени.

В исправной скороварке давление выше атмосферного. Температура кипения воды повышается, и продукты могут нагреваться при более высокой температуре. Это объяснение принципа действия, а не инструкция: прибор нельзя открывать под давлением, и пользоваться им нужно только по инструкции производителя.

Разбери три ситуации

Сначала запиши свои ответы, затем переходи к разбору.

Ситуация 1

При нагревании у стенки появились мелкие пузырьки, но они не доходят до поверхности. Можно ли утверждать, что началось установившееся кипение?

Ситуация 2

После начала устойчивого кипения мощность плитки увеличили. Показание термометра почти не изменилось, но пузырьков стало больше. Как это объяснить?

Ситуация 3

В двух открытых сосудах вода кипит: один находится у моря, второй высоко в горах. Где температура кипящей воды ниже и почему?

---

Разбор ситуаций

1. Нет. Ранние пузырьки могут содержать выделившиеся растворённые газы, а пар в пузырьках может конденсироваться в более холодных слоях. Нужны устойчивое образование паровых пузырьков по объёму и их выход на поверхность.
2. При постоянном внешнем давлении температура установившегося кипения практически постоянна. Дополнительная энергия усиливает переход жидкости в пар, поэтому паровых пузырьков образуется больше.
3. Высоко в горах внешнее давление ниже, поэтому температура кипения воды ниже.

Частые ошибки

Проверь себя

1. Назови три признака установившегося кипения.
2. Почему первые мелкие пузырьки ещё не доказывают, что вода кипит?
3. Что находится внутри пузырьков при установившемся кипении?
4. Что означает горизонтальный участок графика $T(t)$ при продолжающемся нагревании?
5. Как изменится температура кипения при уменьшении внешнего давления?
6. Почему в высокогорье пища в кипящей воде может готовиться дольше?
7. Чем кипение отличается от испарения и что у них общего?

Сначала ответь самостоятельно. Только затем сверяйся с ключом.

---

Ответы

1. Паровые пузырьки образуются и растут в жидкости, устойчиво поднимаются, достигают поверхности; процесс идёт по объёму при температуре кипения для данного давления.
2. Они могут содержать выделившиеся растворённые газы, а пар может конденсироваться в более холодных слоях.
3. Главным образом пар самой жидкости.
4. При примерно постоянном внешнем давлении температура жидкости почти постоянна, а поступающая энергия расходуется на фазовый переход.
5. Понизится.
6. Атмосферное давление и температура кипения ниже, поэтому продукт нагревается при меньшей температуре.
7. Испарение идёт со свободной поверхности при разных температурах, кипение — по объёму при температуре кипения для данного давления; оба процесса являются парообразованием.

Короткий итог

• Кипение — интенсивное парообразование по всему объёму жидкости.
• При установившемся кипении пузырьки заполнены главным образом паром жидкости.
• При постоянном внешнем давлении температура кипящей жидкости практически постоянна.
• Уменьшение давления понижает, а увеличение давления повышает температуру кипения.
• Значение $100\ ^\circ\mathrm{C}$ для воды требует оговорки о нормальном атмосферном давлении.
• Формула теплоты парообразования относится к следующему уроку.