Откуда берутся пузырьки при кипении воды в чайнике

Обновлено: 20.05.2024

Участник: Козыра Георгий Константинович
Руководитель: Скулкина Татьяна Геннадьевна

Кипение – это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре. Для дальнейшего развития технологий в современном мире важным является понимание процесса кипения.

Заглянув под крышку кастрюли, стоящей на плите, мы вряд ли подумаем о том, какое значение для человека имеет процесс, происходящий внутри кастрюли. Конечно, мы не задумаемся о перспективных кипящих реакторах на АЭС, о компрессионных холодильных машинах, о способах плавления тугоплавких материалов или о приборах для стерилизации медицинских инструментов. Между тем, что же объединяет все эти разные физические тела и явления? Конечно, процесс кипения.

Кипение – это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

Для дальнейшего развития технологий в современном мире важным является понимание процесса кипения. Меня заинтересовали некоторые любопытные факты о процессе кипения, которые я узнал при изучении физики в 8 классе. Эти факты послужили основой для проведения собственного физического эксперимента.

Описание опыта представлено в учебном пособии авторов Марон А.Е., Марон Е.А., Позойский С.В. Сборник вопросов и задач к учебнику А.В. Перышкина. 8 кл. – М. : Дрофа, 2016, страница 9, задача №51.

Цель опыта: выяснить, можно ли нагреть (вскипятить воду) в бумажном сосуде.

Гипотеза: в бумажном сосуде можно нагревать воду.

Оборудование: бумажный стакан, штатив с муфтой и лапкой, спиртовка, спички, вода, подкрашенная перманганатом калия.

Ход проведения опыта

Я закрепил бумажный стакан в лапке штатива, влил в него около 100 мл воды, подкрашенной перманганатом калия (марганцовкой). Снизу поместил спиртовку, зажег ее и начал нагревать.

Результаты опыта

Вода комнатной температуры прогрелась до 65 °С, а бумажный стакан не сгорел. Вскипятить воду не удалось вследствие того, что закончился спирт, находившийся в спиртовке. Значит, моя гипотеза о том, что в бумажном сосуде можно нагреть воду, подтвердилась. Как объяснить результаты опыта?

Как мы знаем из учебника Перышкина А.В., вода при нормальном атмосферном давлении кипит при температуре 100°С (страница 55, Физика. 8 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин.– М.: Дрофа, 2014.), бумага же воспламеняется при температуре около 230°С. Теплопроводность бумажного стакана низкая, а с внутренней стороны он контактирует с водой, которая охлаждает его.

Значит, вместо чайника можно в походе обойтись с помощью бумажных стаканов или пищевых бумажных упаковок. Туристу будет очень удобно.

Цель опыта: выяснить, может ли вода кипеть при температуре, ниже, чем 100 0С, и если может, то при каком условии.

Гипотеза: воду можно вскипятить при температуре, ниже чем 100°С.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, насос Комовского, стеклянная колба, пробка со стеклянной трубкой, подогретая в чайнике вода, прихватка.

Ход проведения опыта

Я закрепил колбу в лапке штатива. Подогрел в чайнике воду. Налил около 200 мл теплой воды в колбу, закрыл пробкой со стеклянной трубкой. Трубку присоединил к шлангу насоса. Начал откачивать воздух из колбы.

Результаты опыта

В результате вода закипела! Объяснение опыта находится на странице 55 нашего учебника по физике (Физика. 8 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин.– М.: Дрофа, 2014.). Температура кипения жидкости зависит от давления, которое оказывается на поверхность жидкости. При кипении давление насыщенного пара внутри пузырьков превосходит внешнее давление. Если внешнее давление увеличивается, увеличивается и температура кипения. При уменьшении давления уменьшается и температура кипения жидкости.

Значит, моя гипотеза подтвердилась. При уменьшении внешнего давления мне удалось вскипятить теплую воду, не подогревая ее до 100°С.

Всем нам известно, что высоко в горах, где атмосферное давление понижено, вода кипит при температурах, меньших 100°С.

Цель опыта: выяснить,

Гипотеза: вода в небольшом сосуде, помещенная в кастрюлю с кипящей водой, тоже закипит.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, электрическая плитка, кастрюля емкостью 4 л с водой, стеклянная колба, вода, подкрашенная перманганатом калия, электронный термометр, прихватка.

Ход проведения опыта

Я вскипятил воду на электрической плитке. В стеклянную колбу налил около 150 мл подкрашенной воды и поместил ее в кипящую воду. Нагревал около 10 минут, вода в колбе не закипела даже при температуре внутри колбы около 100°С.

Результаты опыта

При кипени необходимо выполнить 2 условия: 1) нагреть жидкость до температуры кипения 2) обеспечить приток энергии. Как мы знаем из учебника п.1718, при кипении жидкости происходит поглощение энергии. В моем случае удалось нагреть воду в стеклянной колбе до температуры кипения, но поглощение энергии обеспечить не удалось, так как между водой в кастрюле и сосуде не происходил теплообмен: обе воды оказались нагреты до 100°С. Значит, моя гипотеза не подтвердилась.

Проведя опыты, я выяснил, что некоторые, казалось бы, невероятные факты легко объясняются при условии знаний особенностей процесса кипения. Процессы кипения имеют важное практическое значение в таких областях, как теплоэнергетика, атомная энергетика, медицина.

С ростом температуры объём пузырьков быстро увеличивается, что влечёт за собой увеличение выталкивающей силы. Когда сила Архимеда, действующая на пузырёк, становится больше силы тяжести его содержимого, он начинает всплывать ( рис. 60.2 ). Достигнув поверхности жидкости, пузырьки лопаются, поскольку давление насыщенного пара, которым они заполнены, немного превышает внешнее давление. Пар выходит наружу — жидкость кипит. Таким образом, жидкость начинает кипеть при такой температуре, при которой давление насыщенного пара равно (точнее, чуть больше) внешнему давлению.

Если понижать давление над поверхностью жидкости, она будет кипеть при более низкой температуре. Так, например, при температуре 20 °C давление насыщенного водяного пара 2,338 кПа . Если, используя насос, понизить давление над поверхностью жидкости до этого значения, то вода закипит при комнатной температуре.

Понижение температуры кипения жидкости при уменьшении внешнего давления используют при работе холодильника. При нормальном атмосферном давлении жидкий фреон кипит при температуре около 30 °С . Уменьшая давление, температуру кипения фреона можно сделать ниже 0 °С . При работе компрессора в испарителе холодильника создаётся пониженное давление, и фреон начинает превращаться в пар, отнимая часть внутренней энергии от стенок камеры.

При увеличении внешнего давления температура кипения жидкости возрастает. Так, например, в кастрюлях-скороварках создаётся давление около 200 кПа, а температура кипения воды при этом достигает 120 °С . В таких условиях продолжительность приготовления пищи существенно сокращается.

Если же воду поместить в герметически закрытый сосуд, во всех частях которого температура одинакова, то она не закипит при нагревании до температуры кипения, равной при нормальном атмосферном давлении 100 °С . Действительно, в этом случае над водой находится её насыщенный пар, давление которого равно давлению внутри пузырьков. А, как отмечалось ранее, кипение жидкости начинается тогда, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков хотя бы немного превышает внешнее давление.

Отметим, что жидкость не будет кипеть, если каким-либо образом удалить из неё и со стенок равномерно прогретого сосуда воздух. Например, воду, подготовленную таким образом, можно нагреть выше 100 °С , однако она не закипит. Такую жидкость, температура которой выше температуры её кипения в обычных условиях, называют перегретой.

Перегретую жидкость используют в пузырьковых камерах для визуализации треков заряженных частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света.

С перегретой жидкостью необходимо обращаться очень осторожно. Любое возмущение (резкое перемещение сосуда, появление источника газа или какого-либо предмета в жидкости) может привести к её немедленному взрывообразному вскипанию.

1. Чем отличается кипение от испарения?

2. При каком условии происходит кипение жидкости?

3. Почему температура кипящей при определённом внешнем давлении жидкости остаётся постоянной?

4. Может ли вода кипеть при температуре ниже 100 °С ? выше 100 °С ?

Кипячение воды в чайнике – насущное ежедневное занятие. Однако далеко не каждый знает, от чего зависит температура закипания, сколько времени понадобится, чтобы в тех или иных условиях довести чайник до нее и каковы причины возникающих при этом различных неполадок.

Рассмотрим детально основные аспекты этого процесса: какова температура кипения воды в чайнике, от чего зависит закипание жидкости и т.д.

От чего зависит закипание в домашних и других условиях?

Кипением называется усиленное образование пара в массе и на поверхности воды.

Однако традиционное испарение вещества происходит при любых условиях. Закипание же происходит только по достижении определенных условий – температуры и внешнего давления.

Например, для воды в нормальных условиях (760 мм. рт. ст.) этот показатель равняется 100С. С другой стороны, он легко изменяется. Кроме того, на точку кипения влияют различные, растворенные в воде примеси. В большинстве случаев это соли – естественные, придающие жесткость, либо искусственно добавленные, например, пищевая поваренная.

Отметка в 100С – приведена для дистиллированной H2O в нормальных условиях. Стандартно используемая вода – из водопровода, ручья, озера, колодца и т. д. – в действительности является водным раствором различных солей. Поэтому температура ее закипания несколько выше справочного значения.

На существенных возвышенностях, ввиду падения атмосферного давления, кипение начинается раньше. Однако процесс варения – как способ приготовления пищи – не становится быстрее, а, напротив, возрастает и становится затрудненным.

Каждые 300 метров подъема от уровня моря снижают точку закипания на один градус. Альпинисты знают, что высоко в горах котелок закипает при 85-90С и даже ниже.

Противоположный эффект возникает в естественных низменностях и при росте атмосферного давления – точка кипения превышает несколько привычный показатель.

При скольки градусах закипает?

Независимо от типа используемого прибора в нормальных условиях вода закипает при следующих значениях температуры (в наиболее распространенных единицах измерения):

Цельсия, 0С	Фаренгейта, 0F	Кельвина, К
100	212	373,15

Однако следует учесть, что в различных приборах, несмотря на одинаковую точку закипания, время для достижения процесса все же различное.

Например, быстрее всего вода закипит в современном электрическом чайнике в теплозащитном корпусе с мощным круговым ТЭНом на 2-3 кВт. Среднее значение по времени будет у обычного чайника с закрытой крышкой. Дольше всех придет к результату емкость без крышки.

Как с уменьшением давления снижается температура закипания, так с увеличением она возрастает. Этот принцип нашел практическое применение в кухонных приборах – скороварках.

Показатель кипения в них достигает рекордных для повседневных условий – 120-130С. Это позволяет ускорить процесс готовки пищи (в противоположность горной местности – когда кипит, но не варится).

За какое время?

Время закипания жидкости зависит сразу от нескольких факторов:

объема;
конструкции и материала емкости;
типа нагревателя и его характеристик;
исходной температуры;
сырая или кипяченая вода находится в чайнике;
атмосферного давления;
присутствие накипи на внутренних стенках;
наличия растворенных солей.

Обычный 2-х-литровый чайник на газовой конфорке справится с задачей в среднем за 15 минут. Стандартная электрическая модель потратит на эту процедуру примерно такой же период времени. Более совершенный электрочайник с мощной нагревательной встроенной поверхностью вскипит за 3-5 минут.

Современные водонагревательные приборы, такие как, кулеры, превращают холодную воду в кипяток мгновенно. Благодаря им чай, кофе и другой горячий напиток можно получить моментально.

Как определить, что H2O начинает кипеть?

Существует несколько способов проверить, что вода в чайнике вот-вот начнет кипеть:

Постепенно нарастающий шум во время нагрева начинает утихать.
Температура воды близка к точке кипения.
На поверхность начинают всплывать и раскрываться большие пузыри пара.

Чайник или иная емкость для кипячения воды накрывается крышкой, чтобы повысить задержку тепла внутри. С открытой водной поверхности будут уходить частицы с максимальной энергией, уменьшая тем самым ее температуру и удлиняя период достижения точки кипения.

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.

Факты и причины

С кипячением воды иногда возникают сложности и вопросы:

Почему иногда подпрыгивает крышка?

В некоторых случаях крышка чайника подпрыгивает во время кипения в нем воды.

Причин этому бывает несколько:

Емкость заполнена до самого края. Поверхность бурлящей воды выталкивает крышку.
Отверстия в крышке слишком малы и не рассчитаны на то, чтобы выпустить весь пар, образующий в чайнике. Во время интенсивного кипения паровое давление внутри превышает атмосферное. Крышка начинает приподниматься.
Реальный объем налитой воды превышает оптимальный. Образуется пара больше, чем его могут выпустить технологические отверстия (носик, а также пазухи на крышке). В результате крышка выталкивается паровым давлением.

Вода сразу же перестает кипеть?

Процесс кипения динамичен – требует постоянного подвода энергии для поддержки заданной температуры.

Как только прекращается подача энергии на его нагревательный элемент, или чайник просто снимают с плитки, вода перестает получать необходимую энергию. На этом кипение прекращается, и начинается постепенный процесс остывания.

Электрический чайник не доводит влагу до кипения?

Причин того, почему электрический чайник выключается, не доводя воду до кипения, может быть несколько:

Кроме того, если используется стандартный чайник, причиной того, почему вода в нем нагревается, но никак не может закипеть, является неисправность самого электронагревательного прибора.

Часто электроплита ломается и перестает выдавать рабочую температуру, тем не менее, сохраняя минимальный, хотя и недостаточный для закипания нагрев.

Заключение

Закипание воды в чайнике зависит прежде всего от атмосферного давления и наличия растворенных солей. Стандартно кипение происходит при 100С. На время закипания влияет объем, свойства материала и характеристики конструкции емкости, тип и мощность нагревательного элемента.

Перед закипанием шум затихает, а пузыри увеличиваются в размере и достигают поверхности. При этом пар, образующийся из чайника, имеет одинаковую с кипящей водой температуру.

Добрый день. У меня такая серия вопросов.
Когда вода кипит в кастрюле, она бурлит из-за того, что со дна поднимаются пузыри пара, правильно? А пар - это же перегретый влажный воздух, так? Тогда откуда он берется на дне кастрюли под слоем воды

Подтверждение

Пар - это агрегатное состояние воды, как и лед, а не перегретый влажный воздух. При температуре в 100 градусов Н2О переходит в газообразное состояние и поднимается вверх. Школьный курс физики.

"Кипе́ние — процесс интенсивного парообразования, который происходит в жидкости, как на свободной её поверхности, так и внутри её структуры. При этом в объёме жидкости возникают границы разделения фаз, то есть на стенках сосуда образуются пузырьки, которые содержат воздух и насыщенный пар."

"По мере нагрева жидкости на греющей поверхности образуются пузырьки пара, внутрь которых испаряется жидкость. При определенной температуре давление насыщенного пара внутри пузырька становится равным наружному давлению. В этот момент пузырек отрывается от стенки, и жидкость начинает кипеть."

Белькаэр, вы не поверите , но любая жидкость при нагревании со временем достигает температуры, при которой она начинает кипеть. Во время кипения пузыри пара образуются во всем объеме жидкости, поднимаются на ее поверхность и лопаются, высвобождая горячий пар в воздух. Вода кипит при температуре 100°С (212°F).

При температуре кипения каждая молекула имеет достаточно энергии для преодоления сил, удерживающих ее вместе с другими молекулами в виде жидкости. Например, сосуд с кипящей водой содержит воду в жидком состоянии, которая превращается в водяной пар. Поверхностный водяной пар сразу же покидает кипящую воду. Что касается парообразования в толще воды, то там водяной пар формирует пузыри, каждый из которых, поднимаясь вверх, несет в себе миллиарды молекул воды.

Кипящая вода совершает фазовый переход из жидкого состояния в газообразное в процессе, называющемся парообразованием. Жидкости превращаются в пар и при температурах, меньших температуры кипения, в процессе, называющемся испарением. В отличие от кипения испарение происходит только с поверхности в том случае, когда молекулы имеют достаточно энергии, чтобы покинуть жидкость. Хотя испарение с ростом температуры интенсифицируется, пузыри пара образуются только во время кипения.

Вода содержитв себе воздух, растворенный или прилипший к попавшим внутрь частицам пыли . При увеличении температуры воды растворимость воздуха уменьшается, в результате происходит формирование небольших воздушных пузырьков, большинство из которых быстро поднимается вверх и покидает жидкость. Этот процесс не является кипением.
Когда вода приближается к точке кипения, пузыри водяного пара формируются на пылевых частицах и других примесях (так называемых ядрах парообразования). В этих пузырях температура превышает температуру кипения.
Все больше водяного пара проникает в первые пузыри. Но так как окружающая вода все еще слишком холодна, эти пузыри конденсируются во время своего подъема и не достигают поверхности.
Пузыри пара формируются во всем объеме кипящей воды, увеличиваясь в размерах по мере подъема к поверхности. Достигнув поверхности, пузыри лопаются и водяной пар выходит в атмосферу.

Пена formation. It в химических лабораториях часто наблюдалось, что жидкость в стеклянной посуде не кипит при температуре насыщения, которая соответствует атмосферному давлению. Дело в том, что если аккуратно обращаться с чистой жидкостью в чистой стеклянной посуде, то жидкость выше 55°С может перегреться. Но если вы добавите в систему загрязняющие вещества, перенасыщение быстро уйдет, и произойдет быстрое кипение.

Таким образом, на величину общего термического сопротивления- рассматриваемой многослойной стенки большое влияние оказывает воздушная прослойка, которой невозможно избежать даже при самой тщательной пригонке двух стенок. Людмила Фирмаль

Явление перегрева наиболее ярко проявляется в вышеуказанных некипящих и неустойчивых системах, но оно также наблюдается и во всех кипящих системах. Температура кипящей жидкости, которая измеряется на расстоянии от поверхности нагрева, часто на 1 градус выше температуры пара над жидкостью. Пар имеет температуру насыщения. Вблизи поверхности нагрева температура перегрева жидкости колеблется от 17 до 28°С. Эта зона очень узкая.

Большая часть перепада температур обычно происходит на расстоянии менее 1 мм от нагревателя. Описание перегрева кипящей системы состоит в том, что насыщенная температура и насыщенное давление (то есть те, которые находятся в паровом столе), которые обычно используют инженеры, могут быть применены к равновесию пара и жидкости на плоскости. Напишите уравнение равновесия сил, действующих на экваторе сферического парового пузырька радиуса r. это происходит ввиду того, что внутреннее давление Р8 превышает давление окружающей жидкости Р1 на определенную величину, которая уравновешивается поверхностным натяжением, стремящимся сжать пузырьки.

Кроме того, условия полной чистоты и плоских поверхностей недостижимы, поэтому наилучший перегрев наблюдается примерно при 55-110°С. роль твердых загрязнений в предотвращении быстрого кипения можно, вероятно, объяснить большим радиусом кривизны образующихся в них пузырьков. Однако кипячение не требует наличия посторонних примесей, его можно начинать с нагретой поверхности. Многие эксперименты показали, что металлическая поверхность, отполированная наждачной бумагой, имеет более высокий коэффициент теплопередачи, когда поверхность отполирована грубой бумагой, чем при использовании тонкой sandpaper. An пример результата показан на рисунке. 27.2. 1.

Одним из способов влияния состояния поверхности на процесс кипения является удержание пара в углублениях поверхности до начала кипения begins. In вмятины на поверхности нагревателя、 27. 2. Коэффициент теплопередачи от Н-гексана до кипения на плоской поверхности, отполированной 3-мя сортами наждачной бумаги[89]. Наждачная бумага: а-Х-0; б — 0. в-2 (Самый грубый).

Воздух начинает кипеть, но через некоторое время весь воздух рассеивается, и в паровом пространстве остаются только вещества, которые кипят. Если дно углубления круглое, то жидкость заполнит все углубление, когда кипение прекратится. Когда кипение возобновляется, они не действуют как источник пены. Но если дно впадины неровное и есть острые углы, то когда кипение прекратится, жидкость не заполнит всю впадину. Граница раздела между жидкостью и паром перемещается в углублении, но в этом случае поверхностное натяжение действует в том же направлении, что и давление в паровом пространстве, чтобы уравновесить давление жидкости.

Жидкость имеет достаточно малый радиус кривизны поверхности и составляет n / n 2a «r будет равен p/, и стабильных газовых карманов не останется. При дальнейшем нагревании пена снова будет выделяться из этого места. Поведение пузыря. Образование, рост и отделение везикул происходит очень быстро. Исследования с использованием фотографий показали, что общее время между двумя последовательными отделениями пузырьков часто составляет всего несколько сотен минут 1 секунду. Быстрый рост и отделение пузырьков пара вызывает сильную турбулентность жидкости, особенно в зонах высокого перегрева вблизи поверхности нагревателя.

Чугунная стенка толщиной 10 мм и алюминиевая стенка толщиной 20 мм положены друг на друга таким образом, что между ними имеется воздушная прослойка толщиной 0,01 мм. Людмила Фирмаль

Эта турбулентность способствует передаче тепла от поверхности нагревателя к жидкости, которая испаряется на поверхности пены. Быстрый рост пузырьков и турбулентное течение жидкостей способствуют друг другу, и этот механизм может вызвать высокий коэффициент теплопередачи при кипении. Эксперименты показали, что коэффициент теплопередачи пропорционален концентрации активного центра испарения и изменяется в некоторой степени от 0,25 до 0,46, но теоретическая основа этой зависимости неизвестна.

Количество активных центров на поверхности нагревателя увеличивается с увеличением перегрева, но, возможно, об этой зависимости мало что известно, кроме того, что она связана с шероховатостью поверхности и физическими свойствами кипящей жидкости. Точный расчет коэффициента теплопередачи при кипячении будет возможен только после того, как механизм процесса будет полностью выяснен. Зависимость коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении. Недавно предложенные 2 зависимости Розенау [137]и Форстера и Зубера [47] хорошо применимы к описанию коэффициента теплопередачи при кипении. Обе зависимости имеют некоторое обоснование, но в конечном счете они опираются на комбинацию безразмерных групп.

Поэтому нет объяснения с точки зрения механизма кипения. Оба находятся в уравнении. есть видеозапись. ЛКИ = aBeBrc. (27.3） Решающая скорость, которую Розенау применил в Be, будет равна nU. Где/ — частота образования пузырьков в активном центре (пузырь в 1 секунду), n-число активных центров на единицу поверхности, V& — объем пузырька. Количество] nVj имеет размерность скорости. С другой стороны, в уравнении(27.3) скорость Форстера и Зубера равна радиальной скорости поверхности растущего пузыря. Форстер и Зубер обнаружили, что произведение радиальной скорости и радиуса пузырька не зависит от времени.

Число Рейнольдса с этим продуктом также не зависит от времени и может быть вычислено из физических свойств жидкости. Обе вышеприведенные формулы, по-видимому, имеют более прочную основу, чем многие полностью эмпирические формулы, которые им предшествуют, но они еще не обеспечивают полностью надежного способа расчета коэффициента теплопередачи при кипении. Одна из трудностей заключается в том, что мы знаем влияние не одной переменной. При подаче тепла от электронагревателя диаметр провода изменяется.

Если тепло подается из горизонтальной трубы, то средний коэффициент теплопередачи при кипячении будет зависеть от размера трубы, в то время как локальный коэффициент теплопередачи при кипячении будет варьироваться от 100% до нижней части трубы. Влияние поверхностного натяжения на коэффициент теплопередачи при кипении не известно. Вестуотер [170], всесторонний обзор состояния знаний о кипении, показал случай, в котором влияние поверхностного растяжения на коэффициент теплопередачи при кипении описывается уравнением. а = sopz1sgp,(27.4） Индекс n, рассчитываемый разными исследователями, колеблется от 2,5 до 1,275. Влияние перегрева на коэффициент теплопередачи при кипячении различно.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Читайте также: