Кипение — это быстрое испарение жидкости, происходящее, когда жидкость нагревается до определенной температурной точки. При температуре кипения давление паров жидкости равно давлению, оказываемому на жидкость окружающей атмосферой. Чем выше давление, тем выше температура кипения.
Кипячение воды используется как способ ее обеззараживания. Чувствительность различных микроорганизмов к теплу изменяется, но если вода удерживается при 70° C (158° F) в течение десяти минут, многие организмы погибают, но некоторые из них более устойчивы к теплу и требуют одной минуты при температуре кипения воды.
Также кипячение применяется для приготовлении пищи. Продукты, пригодные для варки, включают в себя:
- овощи;
- крахмалистые продукты, такие как рис;
- макаронные изделия;
- яйца;
- мясо и т. д.
Температура закипания воды
Существует два основных типа кипения воды: первоначальное, когда образуются небольшие пузырьки пара в отдельных точках, и критический тепловой поток, где кипящая поверхность нагревается выше некоторой критической температуры, и на поверхности образуется пленка пара. Переходное кипение является промежуточной, неустойчивой формой с элементами обоих типов.
Температура кипящей воды обычно считается равной 100° C или 212° F при давлении 1 атмосферы (уровень моря). Однако, это значение не является константой. Многое зависит от атмосферного давления, которое изменяется в зависимости от высоты. Также на точку вскипания влияют такой фактор, как изменение состава воды.
Например, в городе Денвере, штат Колорадо, США, который находится на высоте около одной мили над уровнем моря, вода кипит приблизительно при 95° C или 203° F. Аналогичным образом, увеличение давления, как в скороварке, повышает температуру содержимого выше точки вскипания под открытым небом.
Добавление водорастворимого вещества, такого как соль или сахар также увеличивает градус закипания. При приемлемых концентрациях эффект очень мал и отличие трудно заметить. Однако, добавив достаточное количество соли или сахара, можно заметить повышение температуры кипячения. Из-за изменений в составе и давлении точка кипения почти никогда не составляет точно 100° C.
Как будет меняться температура кипения воды: 4 фактора
Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.
Стоит отметить, что она всегда остается неизменной. Поэтому, если увеличить огонь под кипящей кастрюлей с водой, выкипать будет быстрее, но температура при этом не увеличится, так как средняя кинетическая энергия молекул остаётся неизменной.
Рассмотрим 4 фактора, которые влияют на изменение t°:
- Пониженное атмосферное давление (наблюдается в горной местности) – t° уменьшается.
- Повышенное атмосферное давление (наблюдается в шахте) – t° наоборот увеличивается.
- Применения герметической крышки, вакуума. За счёт герметической крышки или посуды пар не выходит градус кипения увеличивается. При использовании вакуума температура зависит от давления, которое создано внутри его.
- Свойства воды. Соленая вода начинает кипеть при более высокой температуре, чем пресная.
Рассмотрим более подробно каждый из факторов.
Влияние атмосферного давления
Согласно исследованиям и уравнению Клапейрона — Клаузиуса, градус кипения напрямую зависит от атмосферного давления. С его ростом температура кипения увеличивается, а с уменьшением, наоборот, становится все ниже и ниже.
Атмосферное давление — это давление атмосферы, действующее на все находящиеся на ней предметы и земную поверхность. Оно может меняться в зависимости от места и времени и измеряется барометром.
При нормальном атмосферном давлении 760 мм ртутного столба вода кипит при + 100 °C
В горной местности давление уменьшается, а под землей (в шахте) увеличивается.
Для наглядности предоставлена таблица № 1 из большого химического справочника, источник: Волков А. И, Жарский И. В.
Таблица № 1. «Температура кипения воды от давления».
| Р, кПа | t, °C | Р, кПа | t, °C | Р, кПа | t, °C |
| 5,0 | 32,88 | 91,5 | 97,17 | 101,325 | 100,00 |
| 10,0 | 45,82 | 92,0 | 97,32 | 101,5 | 100,05 |
| 15,0 | 53,98 | 92,5 | 97,47 | 102,0 | 100,19 |
| 20,0 | 60,07 | 93,0 | 97,62 | 102,5 | 100,32 |
| 25,0 | 64,98 | 93,5 | 97,76 | 103,0 | 100,46 |
| 30,0 | 69,11 | 94,0 | 97,91 | 103,5 | 100,60 |
| 35,0 | 72,70 | 94,5 | 98,06 | 104,0 | 100,73 |
| 40,0 | 75,88 | 95,0 | 98,21 | 104,5 | 100,87 |
| 45,0 | 78,74 | 95,5 | 98,35 | 105,0 | 101,00 |
| 50,0 | 81,34 | 96,0 | 98,50 | 105,5 | 101,14 |
| 55,0 | 83,73 | 96,5 | 98,64 | 106,0 | 101,27 |
| 60,0 | 85,95 | 97,0 | 98,78 | 106,5 | 101,40 |
| 65,0 | 88,02 | 97,5 | 98,93 | 107,0 | 101,54 |
| 70,0 | 89,96 | 98,0 | 99,07 | 107,5 | 101,67 |
| 75,0 | 91,78 | 98,5 | 99,21 | 108,0 | 101,80 |
| 80,0 | 93,51 | 99,0 | 99,35 | 108,5 | 101,93 |
| 85,0 | 95, 15 | 99,5 | 99,49 | 109,0 | 102,06 |
| 90,0 | 96,71 | 100,0 | 99,63 | 109,5 | 102,19 |
| 90,5 | 96,87 | 100,5 | 99,77 | 110,0 | 102,32 |
| 91,0 | 97, 02 | 101,0 | 99,91 | 115,0 | 103,59 |
Единицы измерения давления в таблице: кПа.
1 кПа = 1000 Па = 0,00986923 атм = 7, 50062 мм. рт. ст
Нормальное атмосферное давление составляет 765 мм. РТ. Ст. = 101,325 Р, кПа
Температура кипения в горах
При подъеме над поверхностью Земли (в горах), температура кипения воды падает, так как снижается атмосферное давление (на каждые 10, 5 м на 1 мм РТ. С). Пузырькам легче всплывать – процесс происходит быстрее.
Поэтому высоко в горах альпинисты не могут приготовить нормальную пищу, а используют законсервированные продукты.
Для варки мяса, как и других продуктов, нужны привычные 100 градусов. В обратном случае все компоненты бульона просто останутся сырыми.
Таблица № 2. «Как будет меняться t° кипения с высотой».
| Высота над уровнем моря | t° кипения |
| 0 | 100,0 |
| 500 | 98,3 |
| 1000 | 96,7 |
| 1500 | 95,0 |
| 2000 | 93, 3 |
| 2500 | 91,7 |
| 3000 | 90,0 |
| 3500 | 88,3 |
| 4000 | 86,7 |
| 4500 | 85,0 |
| 5000 | 83,3 |
| 6000 | 80,0 |
Температура кипения воды в шахте
Если спуститься в шахту, то давление будет увеличиваться.
Температура кипения воды в шахте зависит от глубины (при спуске на 300 м вода закипит при t 101°C, при глубине 600 метров -102 °C
Применение герметической крышки
Герметичные крышки не позволяет образовавшемуся пару ускользнуть. В среднем температура закипания воды увеличивается от 5-20 градусов.
В хозяйстве для приготовления блюд часто используют кастрюли, сковородки с герметичной крышкой. Таким образом, уменьшается время приготовления пищи за счет высокой температуры, а блюда получаются более вкусными. В горных районах с низким давлением это необходимая вещь для приготовления пищи. Так же используют мультиварки и сотейники.
Кипячение воды в вакууме
Вакуум — это среда с газом, с пониженным давлением.
Виды вакуумов:
- низкий;
- средний;
- высокий;
- сверхвысокий;
- экстремальный;
- космическое пространство;
- абсолютный.
Температура кипения воды в вакууме зависит от того, какое давление в нём.
Разные виды вакуумов поддерживают разное давление. Например, в низком вакууме давление составляет от 760 до 25 мм. РТ. Ст. В абсолютном вакууме давление полностью отсутствует. Для точного расчета нужно знать модель вакуума и давление, которое он поддерживает.
Кипение солёной воды
Солёная вода закипает при более высокой температуре за счет своих свойств.
Соль увеличивает плотность воды, соответственно на процесс требуется больше времени.
t° повышается примерно на 1 градус при добавлении 40 грамм соли на литр воды.
Температура кипения воды в чайнике
Чистая пресная вода закипает в чайнике при t° 100 градусов °C при условиях нормального атм. давления 760 мм ртутного столба.
Стадии кипячения воды
Выделяется три стадии:
- Первоначальное кипение. Кинетирование жидкости характеризуется ростом количества пузырьков на нагретой поверхности, поднимающихся из дискретных точек, температура которых лишь немного выше жидкостной. Неправильная поверхность емкости может создавать дополнительные места зарождения пузырьков, в то время как исключительно гладкая поверхность, такая как пластик, поддается перегреву. В этих условиях нагретая вода может показывать задержку кипения и температура несколько превышает температуру кипения без образования пузырьков.
- Критический тепловой поток. Когда температура поднимается выше критической, на поверхности образуется пар. Поскольку эта паровая пленка гораздо менее способна переносить тепло от поверхности, температура быстро возрастает, жидкость переходит в режим кипения. Точка, в которой это происходит, зависит от характеристик кипящей воды и рассматриваемой поверхности нагрева.
- Переходное состояние. Переходное состояние можно определить как нестабильное кипение, которое происходит на поверхности. Образование пузырьков в нагретой воде представляет собой сложный физический процесс, который часто включает кавитационные и акустические эффекты, такие как шипение широкого спектра, слышимое в чайнике или другой емкости, еще не нагретой до того момента, когда появятся пузырьки.
Если поверхностное нагревание жидкости значительно сильнее, чем внутри нее, тогда тонкий слой пара, который имеет низкую теплопроводность, изолирует поверхность. Это состояние паровой пленки, изолирующей поверхность от жидкости, характеризует кипение пленки.
Процесс кипячения воды: 3 основных стадии
Кипение – это интенсивное парообразование, которое происходит при нагревании жидкости по всему объёму при определённой температуре.
Весь процесс кипения воды сопровождается выделением пара. Это одно из состояний воды. При парообразовании температура пара и воды остаются постоянными до тех пор, пока жидкость не изменит свое агрегатное состояние. Это явление объясняется тем, что при кипении вся энергия расходуется в преобразование воды в пар.
В воде растворены молекулы воздуха (газов). При нагревании газ превращается в воздушные пузырьки. При достижении достаточной температуры они лопаются, создаётся характерный шум.
Процесс можно разделить на 3 стадии:
- Появление небольших пузырьков вдоль стенок сосуда. Их количество стремительно увеличивается.
- Массовый подъем пузырьков и увлечения их объема. Помутнение воды, затем «побеление».
- Интенсивное бурление. Пузырьки увеличиваются в размере, поднимаются и лопаются, выпуская пар. Слышен характерный звук кипения.
Что такое кипячёная вода?
Это вода, ранее доведенная до температуры кипения. Сырая вода в своем составе может содержать различные бактерии, микроорганизмы. В водопроводе больших городов много хлора и различных других химических веществ. Процесс кипячения обезвреживает многие микробы. Однако не все бактерии и тяжёлые металлы убиваются в кипящей воде, поэтому питьевая вода происходит предварительную проверку пригодности.
Использование кипячения как метода
Как метод дезинфекции воды, кипячение ее при 100° C (212° F), является самым старым и наиболее эффективным способом, поскольку оно не влияет на вкус, эффективно, несмотря на наличие загрязнений или частиц, присутствующих в нем, и представляет собой одноступенчатый процесс, который устраняет большинство микробов. Рекомендуется только в качестве метода экстренной помощи или для получения питьевой воды в пустыне или в сельской местности, поскольку кипячение не может удалить химические токсины или примеси.
Кипячение также часто используется для удаления излишней соли из определенных продуктов, таких как бекон.
В чем опасность чрезмерного повышения температуры
Помимо губительного воздействия на патогенные микроорганизмы и стимуляцию иммунного ответа, у высокой температуры есть ряд негативных эффектов.
Гипертермия меняет обмен веществ, вызывает потерю воды и солей. При перегреве организма значительно усиливается процесс потоотделения. Потеря жидкости сопровождается сгущением крови, возрастает риск образования тромбов.
Высокая температура представляет большую опасность для людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями. При её повышении на 1˚C пульс возрастает на 8-10 ударов в минуту. Сердце работает с высокой частотой, в неблагоприятных условиях сгущения крови и метаболических нарушений. Иногда при гипертермии у пациентов с кардиальной патологией фиксируются нарушения ритма, что обусловлено активацией симпато-адреналовой системы и электролитным дисбалансом.
У температурящих больных наблюдается частое поверхностное дыхание: увеличивается частота дыхательных движений, но глубина вдоха снижается. К органам и тканям поступает недостаточно кислорода, развивается гипоксия.
Высокая температура ускоряет окислительно-восстановительные процессы, а значит, резко увеличивается потребность клеток в кислороде: при повышении температуры на 0,6˚C уровень основного обмена возрастает приблизительно на 10%. Из-за недостатка кислорода в клетках образуется большое количество «кислых» метаболитов, которые нарушают функцию тканей и органов. Такой сбой обменных процессов, приводящий к «закислению» организма, называется «ацидоз». Вот почему лихорадку может сопровождать интоксикация. Наиболее часто это наблюдается у детей, но если воспалительный процесс протекает длительно, интоксикация возникает и у взрослых.
При повышении активности обменных процессов в первую очередь используются запасы углеводов, после исчерпания их запасов используются жиры и белки. В результате усиленного распада белков возможна их потеря до 300–400 грамм за сутки. Поэтому при лихорадке необходимо давать детям легкоусваиваемые углеводы (например, соки).
При гипертермии угнетается функция желудочно-кишечного тракта: снижается аппетит, уменьшается секреция ферментов, происходит нарушение моторики и процессов всасывания. Вследствие этого возможно развитие синдрома нарушенного всасывания и запоров. Особенно неблагоприятно это сказывается на больных пожилого возраста.
Больным с высокой температурой тела угрожают опасные состояния центральной нервной системы, вследствие повышения проницаемости гематоэнцефалического барьера и недостаточного поступления кислорода к головному мозгу. Гипертермия может сопровождаться возбуждением. Наиболее опасное осложнение, встречающееся у детей с незрелой системой терморегуляции – фебрильные судороги [3][4][5].
Контраст с испарением
При любой заданной температуре все молекулы в жидкости не имеют одинаковой кинетической энергии. Некоторые частицы на поверхности жидкости могут иметь достаточную энергию для выхода из межмолекулярных связей и стать газом. Это называется испарением.
Испарение происходит только на поверхности, а кипячение происходит по всей жидкости. Когда жидкость достигает своей точки кипения, в ней образуются пузырьки газа, которые поднимаются на поверхность и вырываются из нее в воздушное пространство.
Какова t пара кипящей жидкости?
Образующийся во время кипения чайника пар имеет одинаковую температуру с кипящей водой. Так как вся энергия в этом процессе направлена именно на его превращение.
Поэтому пока вся жидкость не испарится, нагрев пара останется на одинаковом с ней уровне. При этом пар может получить дополнительную энергию, а значит, и повысить температуру, но только в замкнутом пространстве, например, в скороварке.
