Нагревание воды в чайнике это тепловое явление
Обновлено: 17.05.2024
Уточняю задачу: Необходимо вскипятить часть воды налитой в чайник, но чтобы оставшаяся часть воды в чайнике была холодной. При этом нельзя вставлять в чайник любые перегородки, делить его на секции. И никаких фокусов – только физика!
Если вы читали предыдущие мои статьи, то уже поняли, что задача решается. Но чтобы её решить, придётся вспомнить некоторые физические законы.
Нагревание тел
Из жизненного опыта мы знаем, что физические тела и вещества меняют свою температуру, в зависимости от условий. Если к холодному телу поднести пламя огня или более горячее вещество, оно нагреется. При незначительном нагревании свойства вещества не меняются, за исключением изменения их объёма – нагретые вещества расширяются.
Что же тогда происходит при нагревании?
Мы уже знаем, что вещество состоит из молекул, которые пребывают в постоянном движении. Поскольку эти микроскопические частицы двигаются, то они обладают кинетической энергией. Кроме того, молекулы взаимодействуют между собой, поэтому у них есть и потенциальная энергия. В совокупности эти энергии составляют внутреннюю энергию. Температура тела – это не что иное, как измерение его внутренней энергии.
Чем выше температура – тем больше внутренняя энергия тела. Это значит, что молекулы ускоряют своё движение, увеличивая запас кинетической энергии.
Закон сохранения энергии гласит: энергия не может исчезнуть или возникнуть из ничего. Она может передаваться от тела к телу или превращаться в другие её виды. Эти превращения мы наблюдаем буквально на каждом шагу. Например, внутренняя энергия клеток нашего организма превращается в потенциальную энергию мышц, которая при нашем движении превращается в кинетическую.
Передача энергии
Накопленную энергию можно передавать другим телам. Например, если бильярдные шары соударяются, то часть кинетической энергии от катящегося шара передаётся неподвижному. После получения этой энергии неподвижный шар начинает катиться. Приблизительно такая же картина происходит при ударе молотом по какому-нибудь предмету – часть кинетической энергии молота передаётся молекулам, увеличивая их кинетическую энергию, то есть, нагревая предмет.
Нагреть предмет можно и другим механическим способом – деформируя его, то есть, выполняя над ним работу. Но проще всего нагреть тело путём передачи тепла от более горячего предмета. Можно ещё нагреть через контакт тела с более тёплым предметом, нагреть проводник электрическим током, облучением радиоволнами высокой частоты, повысить температуру в результате химической реакции. В любом случае мы придём к одному и тому же результату – повысим внутреннюю энергию тела.
Теплопроводность
Способность передавать внутреннюю энергию (тепло) посредством контакта от одного тела к другому – называется теплопроводностью. У разных веществ разная теплопроводность. Например, у металлов очень высокая теплопроводность, что объясняется близостью размещения атомов и молекул. Самая низкая теплопроводность у газов из-за малой их плотности.
Тепло в твёрдых телах распространяется постепенно – от горячего участка к холодному. Если нагревать на огне металлический пруток, то лишь через некоторое время тепло дойдёт до руки.
Конвекция
Несмотря на низкую теплопроводность жидкостей и газов, они нагреваются очень быстро. Это происходит потому, что нагретые нижние слои поднимаются вверх, а их замещают более холодные массы. Такое перемешивание называется конвекцией. Когда мы кипятим воду, то горячие пузырьки пара стремительно вырываются на поверхность, активно перемешивая жидкость. Если бы не существовало конвекции, то нагреть комнату было бы невозможно.
Лучевое нагревание
Хороший пример – солнечное тепло. Все тела, оставленные на солнце, нагреваются его лучами. Но существуют и невидимые лучи – инфракрасные. Ощутить действие инфракрасного излучения можно, приблизив руку к печке, батарее отопления или к другому нагретому телу.
Разогрев пищи в микроволновке происходит также в результате облучения, но это не инфракрасные лучи, а высокочастотные волны.
Кипение
При длительном тепловом воздействии на воду она нагревается до температуры 100 градусов, после чего начинается процесс интенсивного парообразования. Этот процесс называется кипением. Для поддержания кипения необходимо постоянно поддерживать температуру (для воды – 100 градусов по Цельсию). Это необходимо потому, что на парообразование расходуется значительная часть энергии.
Температура кипения у разных жидкостей разная. Она зависит также от давления. Чем выше давление, тем выше точка кипения. На этом принципе работает скороварка. В обычных условиях кипящую воду невозможно нагреть выше 100 градусов, а в скороварке, благодаря высокому давлению вода нагревается до более высоких температур, что способствует быстрому приготовлению пищи.
Как в чайнике вскипятить половину объёма воды?
Переходим к вопросу, поставленному в заглавии статьи. Нагревая воду обычным способом (снизу) мы не сможем решить задачу, так как в результате конвекции вода постоянно будет перемешиваться, пока не закипит.
Однако нам ничего не мешает вскипятить часть воды, нагревая её сверху, например небольшим бытовым кипятильником.
При таком способе кипячения нагреваться будут только верхние слои воды, то есть, слои, расположенные над кипятильником. Они же и будут перемешиваться в результате конвекции, происходящей только над кипятильником. В конце концов, верхние слои воды вскипят, а нижние останутся холодными.
Если быть точным, то надо сказать, что вода, находящаяся ниже уровня кипятильника, немного нагреется в результате теплопроводности. Но в любом случае этого тепла явно не хватит для закипания. Поэтому кипеть будет только условная половина объёма воды. На дно нашего чайника можно даже положить куски льда, и он не растает, пока верхние слои воды будут кипеть.
Какое физическое явление связано с работой выключателя электрочайника?
Прочитайте текст и выполните задания 14 и 15.
Электрический чайник
Электрические чайники давно и прочно вошли в жизнь современных людей. Они используются не только в офисах, но и в домашних условиях, постепенно вытесняя классические чайники обычной конструкции. Несмотря на огромное разнообразие моделей, каждый электрочайник имеет общий принцип работы.
Для изготовления современных электрочайников, чаще всего, используется термостойкая пластмасса или нержавеющая сталь. Большинство моделей оборудовано функцией автоматического отключения. Вся работа электрочайника основана на нагревании воды, помещенной в специальную колбу. Сам процесс нагревания осуществляется нагревательным элементом, закрепленным к корпусу разными способами. При повреждении крепежных элементов может возникнуть проблема протекания воды. В большинстве современных электрических чайников, устанавливаются дисковые нагревательные элементы.
При закипании воды, происходит соприкосновение пара через небольшое отверстие с биметаллическим элементом. В результате, пластинка изгибается и оказывает воздействие на выключатель. В некоторых моделях имеется специальная защита, которая срабатывает и отключает электрочайник в случае полного выкипания воды. Уровень воды в электрочайнике контролируется с помощью индикатора. Для того, чтобы сэкономить электроэнергию и как можно дольше сохранить тепло, многие конструкции чайников используют принцип термоса. В этом случае, происходит не только нагревание воды в колбе, но и последующее поддержание ее постоянной температуры. Это особенно актуально для больших семей, где постоянно требуется горячая вода.
В основании самого чайника имеются специальные контакты, которые соединяются вместе с контактами, расположенными на подставке — таким образом происходит замыкание цепи и разогрев нагревательного элемента. После этого электричество проходит через термовыключатель — устройство, которое позволяет чайнику выключаться при достижении определенной температуры (как правило, температуры кипения). Также в стандартной цепи есть и выключатель тепловой защиты, который включен постоянно и задействуется только в том случае, если пользователь включил пустой чайник. С обозначенных выключателей электричество проходит непосредственно на электронагревательных элемент (который также называют ТЭН).
При включении прибора посредством нажатия на выключатель на электрический тэн подается напряжение от сети, на основании чего происходит физический процесс нагрева элемента тэна (спирали, которая расположена внутри корпуса тэна). Далее нагретая вода становиться легче холодной и поднимается к верху, а холодная опускается вниз. Такое действие происходит до тех пор, пока электрический тэн передает свою тепловую мощность окружающей его в колбе воде. В идеале вода должна нагреваться до 100 градусов по Цельсию, но на практике нагрев происходит до 93 – 97 градусов, т. к. в воде присутствуют различные примеси, увеличивающие ее плотность.
К слову сказать, именно ответы на такие, незамысловатые с виду, вопросы отыскать, как правило, совсем не просто.
Нет, не за это мы любим физику и физиков!
Фото: Depositphotos
Итак, чайник, только поставленный на огонь, начинает громко шуметь. Кстати, с электрическим чайником происходит то же самое: шумит. Значит, не в том дело, что чайник поставлен на огонь. Дело в том, что вода в нем нагревается.
А вот после того, как вода, наконец, закипает, характерный шум прекращается. То есть шум имеет место быть, но изменяется характер этого шума. Мы слышим бурление воды, мы слышим, как свистит пар, вырывающийся из носика чайника. Эти шумы объяснить может и первоклассник. А вот что производит шум в самом начале нагрева воды? Ответим на этот первоклассный вопрос.
Вода — плохой проводник тепла, это известный факт из области законов физики. Вода в чайнике нагревается быстро только за счет перемешивания, или, по-научному говоря, конвекции. Поэтому в невесомости, без перемешивания, чайник бы нагревался очень долго. Фото: Depositphotos
Но когда нагревание только начинается, конвекция в чайнике еще не установилась. Поэтому слой воды, который находится рядом с нагревающей поверхностью (то ли у днища чайника, то ли около нагревательного элемента), очень быстро нагреется до температуры кипения. А те слои воды, которые располагаются от нагревателя подальше, все еще будут достаточно холодными. Вследствие этого в придонном слое, уже нагревшемся до кипения, образуются пузырьки пара.
Схлопывание пузырьков воздуха в жидкости называется кавитацией.
Кавитация встречается не только при нагревании воды в чайнике. Пузырьки образуются также на поверхностях, быстро движущихся в жидком потоке. При определенном значении скорости вязкой жидкости в ней образуются пустоты. А если в жидкости растворен воздух, то этот воздух испарится внутрь образовавшейся пустоты.
Так вокруг вращающегося в воде винта корабля образуется шлейф из воздушных пузырьков. Эти пузырьки либо отрываются от шлейфа и всплывают, либо лопаются, когда винт настигает их. Причем схлопывание этих пузырьков происходит на поверхности винта и приводит не только к характерному звуку (который хорошо прослушивается с помощью эхолотов), но и наносит по поверхности довольно сильный удар.
Кавитация не только вредна, но и приносит пользу. Она используется, например, для очистки поверхностей. Источник ультразвука погружают в жидкость, в результате чего на очищаемой поверхности массово образуются и лопаются пузырьки. Серия микровзрывов — и поверхность идеально чиста.
Кавитация находит применение в медицине. Жира растоворение без всякого мучения
Фото: Источник
Человеческое тело не менее чем на 70% состоит из воды. Значит, кавитация возможна и здесь. Если правильно настроить источник ультразвука, то кавитационный эффект можно сфокусировать на человеческих органах и, например, разрушить камни в различных органах без сложных операций. Или производить растворение жира. Эффективное похудение — мечта многих женщин.
Эффективная коррекция фигуры с помощью кавитационных технологий
Фото: Источник
Однако мы далеко в сторону ушли от закипающего чайника. Увлекательная наука физика, но давайте не слишком увлекаться.
Движение пузырьков с паром от дна чайника к поверхности воды инициирует конвекцию. В чайнике начинается перемещение вверх горячей, а значит, более легкой, воды. Соответственно, вода холодная опускается вниз, для нагревания. Начинается круговорот воды. Благодаря ему происходит интенсивное перемешивание, и вода очень быстро нагревается.
Мир физических явлений чрезвычайно разнообразен. Физика обладает необыкновенным свойством: изучая самые простые явления можно вывести общие законы.
Замечательным местом для наблюдения физических явлений и проведения экспериментов является самая обычная кухня. Что же общего: физика и кружка чая? На кухне можно, и поэкспериментировать, и понаблюдать, а потом, хорошо поразмыслив, найти тесную взаимосвязь увиденного и полученного с тем, что мы изучаем на уроках физики. Конечно, всё охватить просто невозможно. Спектр наших вопросов очень разнообразный. Он охватывает различные физическими явления, которые наиболее часто встречаются на кухне: конвекция, теплопроводность, кипение, диффузия, индукция, электромагнитное излучение
Цель работы:
исследовать явления, происходящие на кухне и выявить их взаимосвязь с физическими явлениями и законами.
Проблемный вопрос :
Какие физические явления встречаются на кухне?
1.Найти и проанализировать информацию о физических явлениях, происходящих на кухне.
2.На базе домашней кухни провести эксперименты.
3.Объяснить наблюдаемые явления, основываясь на физические законы, сделать выводы.
4. Подготовить проект.
Большинство процессов, происходящих на кухне, являются ярко выраженным доказательством физических явлений и законов.
Актуальность работы:
заключается в том, чтобы уметь замечать, применять полученные знания на практике, в жизни.
Объект исследования : кухня
Предмет исследования:
физические явления, происходящие на кухне.
Значимость исследования: успешно изучая физику можно эффективно применять знания в конкретных условиях.
ГЛАВА I
1.1 ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ на кухне.
Ежедневно мы проводим на кухне 1−2 часа. Кто-то меньше , кто-то больше. При этом мы редко задумываемся о физических явлениях , когда готовим завтрак , обед или ужин. А ведь большей их концентрации в бытовых условиях , чем на кухне , в квартире и быть не может.
Итак, какие же явления мы встречаем на кухне?
Тепловые явления – это явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, с изменением температуры.
Кипение – это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.
При нагревании какой-либо жидкости мы увидим ряд особенностей. Прежде всего обратим внимание на то, что с поверхности жидкости происходит испарение. Водяной пар смешивается с холодным воздухом и конденсируется в виде маленьких капель. При повышении температуры мы заметим появление в жидкости многочисленных мелких пузырьков. Они постепенно увеличиваются в размерах. При нагревании воздух выделяется из воды в виде пузырьков. Эти пузырьки содержат не только воздух, но и водяной пар. Поднимающиеся пузырьки, попадая в более холодные слои воды, уменьшаются в размерах. Спустившись вниз, в более горячие слои воды, пузырьки начинают снова подниматься к поверхности. Это увеличение и уменьшение пузырьков в размерах сопровождается характерным шумом, предшествующим закипанию воды. Под действием архимедовой силы они всплывают на поверхность и лопаются. Находящийся в них насыщенный пар выходит наружу. Шум прекращается, и мы слышим бульканье – жидкость закипела. Кипение от начала до конца происходит при определенной и постоянной для каждой жидкости температуре. Поэтому при варке пищи нужно уменьшать огонь после того, как вода закипит. Это даст экономию топлива, а температура воды все равно сохраняется постоянной во время кипения.
Теплопроводность одно из самых частых явлений на кухне, которое мы можем наблюдать — это нагрев чайника или воды в кастрюле.
Теплопроводность – явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте. Теплопроводность и ее регулировка важны в процессе приготовления пищи. Часто во время тепловой обработки продукта необходимо поддерживать высокую температуру, поэтому на кухне используют металлы, так их теплопроводность и прочность выше, чем у других материалов. Из металла делают кастрюли, сковородки, противни. Когда они соприкасаются с источником тепла, это тепло легко передается еде.
Среди видов теплопроводности есть и конвекция.
Конвекция – это вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками.
Рассмотрим применение конвекции на кухне. Когда мы готовим пищу на плите, то жидкость из холодной превращается в теплую. Почему так происходит? Все дело в том, что здесь проявляется явление конвекция. Жидкость при конвекции нагревается снизу-вверх. Нагретые слои жидкости – менее плотные и поэтому более легкие – вытесняются вверх более тяжелыми холодными слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, в свою очередь, нагреваются от источника тепла и вновь вытесняются менее нагретой водой. Благодаря такому движению вся жидкость равномерно прогревается.
Диффузия . С этим явлением на кухне мы сталкиваемся постоянно. Это процесс взаимного проникновения молекул или атомов двух граничащих веществ. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения тела (объему), и разности концентраций, температур смешиваемых веществ. Если есть разница температуры, то она задает направление распространения (градиент) — от горячего к холодному. В итоге происходит самопроизвольное выравнивание концентраций молекул или атомов.
А если бросить в кипяток крупинки чая или заварной пакетик и не размешивать, то можно увидеть, как распространяется чайный настой в объеме чистой воды. Это диффузия жидкостей.
Индукция. На кухне все чаще можно встретить индукционные плиты, в основе работы которых заложено это явление. Английский физик Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию в 1831 году и с тех пор без нее невозможно представить нашу жизнь. Фарадей обнаружил возникновение электрического тока в замкнутом контуре из-за изменения магнитного потока, проходящего через этот контур.
Под стеклокерамической нагревательной панелью (нейтральна к электромагнитным колебаниям) такой плиты находится индукционная катушка, по которой течет электроток с частотой 20−60 кГц, создавая переменное магнитное поле, наводящее вихревые токи в тонком слое (скин-слое) дна металлической посуды. Из-за электрического сопротивления посуда нагревается. Эти токи не более опасны, чем раскаленная посуда на обычных плитах. Посуда должна быть стальной или чугунной, обладающей ферромагнитными свойствами (притягивать магнит).
Итак, мы познакомились с физическими явлениями, которые наиболее часто встречаются на кухне: конвекция, теплопроводность, кипение, диффузия, индукция, электромагнитное излучение. Каждое из них выполняет определенную роль на кухне. Так с помощью конвекция жидкость вся равномерно прогревается. Кипение сообщает, что пища приготовилась и набрала определенную температуру. С помощью теплопроводности можно дольше сохранять тепло. При заваривании чая мы наблюдаем за явлением - диффузия. Приготовим еду на индукционной плите и разогреем в микроволновой печи.
Для того чтобы превратить жидкость в пар, существует два способа: испарение и кипение. В прошлых уроках мы подробно разобрали, как происходит процесс испарения. В его ходе образуется пар, который в зависимости от условий может быть насыщенным или ненасыщенным.
Явление кипения мы часто наблюдаем в повседневной жизни. Для того чтобы приготовить чай или кофе, сначала мы доводим воду до кипения. Чтобы сварить суп, мы ждем, когда закипит вода в кастрюле.
В данном уроке мы рассмотрим, как физика описывает этот процесс, изучим изменения, происходящие при кипении и установим зависимости от других величин.
Процесс кипения
Проведем опыт: будем нагревать воду в открытом стеклянном сосуде и измерять ее температуру.
Отметим, что до того, момента как мы начнем нагревать воду, с поверхности воды идет испарение. Пар при этом не виден глазу, но, тем не менее, существует.
Начнем нагревать воду. Мы заметим, что в воде начинают появляться пузырьки (рисунок 1, а). С повышением температуры они начинают увеличиваться в размерах.
В воде всегда растворено некоторое количество воздуха. При повышении температуры этот воздух выделяется из воды в виде пузырьков. Внутри них – воздух и водяной пар. Водяной пар там присутствует, потому что окружающая вода испаряется внутрь этих пузырьков воздуха.
Когда пузырьки поднимаются в верхние слои жидкости (более холодные), они уменьшаются в размерах. Происходит это из-за конденсации пара внутри пузырьков. Под действием силы тяжести они опускаются вниз в более горячую воду.
И снова начинают подниматься к поверхности. Происходит попеременное увеличение и уменьшение пузырьков, в ходе которых они двигаются в жидкости. При этом мы слышим шум. Он предшествует закипанию воды.
Вода постепенно прогревается по всему объему. Пузырьки перестают уменьшаться в размерах (рисунок 1, б). Под действием архимедовой силы, они всплывают на поверхность и лопаются. Насыщенный пар, содержащийся в них, смешивается с окружающим воздухом. Прекращается шум, остается только бульканье – вода закипела. Температура воды равна $100 \degree C$.
Кипение – это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.
Температура кипения
Если испарение происходит при любой температуре, то кипение происходит при некоторой определенной температуре. При этом:
- разные жидкости закипают при разной температуре
- кипение от начала до конца происходит при постоянной температуре
Температура кипения – это температура, при которой жидкость кипит.
Во время кипения температура жидкости не меняется.
Вспомните, при приготовлении того же супа после закипания воды огонь уменьшают. Теперь он просто поддерживает эту самую температуру кипения. Это дает экономию топлива.
Температура кипения зависит от давления на поверхность жидкости. Давление насыщенного пара в пузырьках при кипении всегда больше внешнего давления.
Соответственно, если мы увеличим внешнее давление, то температура кипения увеличивается. Если уменьшим – температура кипения тоже снизится.
Давление воздуха зависит от высоты. При ее увеличении над уровнем моря давление воздуха постепенно уменьшается. Значит, уменьшается и температура кипения жидкости. Если при нормальном атмосферном давлении вода закипает при $100 \degree C$, то в горах она закипит при температуре $90 \degree C$.
Получится ли сварить в таких условиях обычное куриное яйцо? Нет. Белок так и не сможет свернуться – это невозможно при температуре ниже $100 \degree C$.
Температура кипения некоторых веществ
В таблице 1 представлены экспериментально полученные значения температуры кипения для различных веществ.
| Вещество | $t_, \degree C$ | Вещество | $t_, \degree C$ |
| Водород | -253 | Вода | 100 |
| Кислород | -183 | Ртуть | 357 |
| Эфир | 35 | Свинец | 1740 |
| Спирт | 78 | Медь | 2567 |
| Молоко | 100 | Железо | 2750 |
В обычных условиях кислород является газом. Из таблицы мы видим, что его температура кипения равна $-183 \degree C$. При температуре ниже этой кислород будет жидким.
С другой стороны, вещества, которые мы обычно наблюдаем в твердом состоянии, имеют очень высокую температуру кипения. Например железо плавится и превращается в жидкость при температуре $1539 \degree C$. А чтобы заставить жидкое железо кипеть, необходимо довести его температуры в $2750 \degree C$.
Графики кипения жидкостей
На рисунке 2 показаны графики зависимости температуры $T$ от времени $t$ трех разных жидкостей: воды, спирта и эфира. Масса жидкостей одинакова, мощности нагревателей идентичны.
На рисунке видно, что горизонтальные участки графиков соответствуют процессам кипения. Они параллельны оси времени, температура на них остается постоянной. Чтобы определить, какой график соответствует каждой жидкости, нам нужно обратиться к таблице 1.
Температура кипения первой жидкости равна $35 \degree C$. Значит, график под номером 1 – это график нагревания и кипения эфира.
$70 \degree C$ – температура кипения спирта. Значит, 2 – график нагревания и кипения спирта.
График 3 соответствует воде, ведь ее температура кипения равна $100 \degree C$. Обратите внимание, что жидкости не нагреются выше своей температуры кипения. Например, при $100 \degree C$ вода полностью перейдет в пар. Пар же может иметь более высокую температуру.
Читайте также: