Вода в чайнике это вода в каком состоянии

Обновлено: 06.05.2024

Ход урока

1.Стадии кипения воды.

Кипение – переход жидкости в пар, происходящий с образованием в объеме жидкости пузырьков пара или паровых полостей. Пузырьки растут вследствие испарения в них жидкости, всплывают, и содержащийся в пузырьках насыщенный пар переходит в паровую фазу над жидкостью.

Кипение начинается, когда при нагреве жидкости давление насыщенного пара над её поверхностью становится равным внешнему давлению. Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, называется температурой кипения (Ткип). Для каждой жидкости температура кипения имеет свое значение и в стационарном процессе кипения не меняется.

Строго говоря, Ткип соответствует температуре насыщенного пара (температуре насыщения) над плоской поверхностью кипящей жидкости, так как сама жидкость всегда несколько перегрета относительно Ткип. При стационарном кипении температура кипящей жидкости не меняется. С ростом давления Ткип увеличивается

1.1.Классификация процессов кипения.

Кипение классифицируют по следующим признакам:

1) пузырьковое и пленочное.

Кипение, при котором пар образуется в виде периодически зарождающихся и растущих пузырей, называется пузырьковым кипением. При медленном пузырьковом кипении в жидкости (а точнее, на стенках или на дне сосуда) появляются пузырьки, наполненные паром.

При увеличении теплового потока до некоторой критической величины отдельные пузырьки сливаются, образуя у стенки сосуда сплошной паровой слой, периодически прорывающиеся в объём жидкости. Такой режим называется плёночным.

Если температура дна сосуда значительно превышает температуру кипения жидкости, то скорость образования пузырей на дне становится столь большой, что они объединяются вместе, образуя сплошную паровую прослойку между дном сосуда и непосредственно самой жидкостью. В этом режиме плёночного кипения тепловой поток от нагревателя к жидкости резко падает (паровая плёнка проводит тепло хуже, чем конвекция в жидкости), и в результате скорость выкипания уменьшается. Режим плёночного кипения можно наблюдать на примере капли воды на раскалённой плите.

2) по виду конвекции у поверхности теплообмена ? при свободной и вынужденной конвекции;

При нагревании вода ведет себя неподвижно, и теплота от нижних слоев к верхним передается посредством теплопроводности. По мере нагревания, однако, характер теплопередачи меняется, поскольку запускается процесс, который принято называть конвекцией. Нагреваясь вблизи дна, вода расширяется. Соответственно, удельный вес придонной разогретой воды оказывается легче, чем вес равного объема воды в поверхностных слоях. Это приводит всю водную систему внутри кастрюли в нестабильное состояние, которое компенсируется за счет того, что горячая вода начинает всплывать к поверхности, а на ее место опускается более прохладная вода. Это свободная конвекция. При вынужденной конвекции теплообмен создается с помощь перемешивания жидкости и движение в воде создается за искусственным теплоносителем-мешалкой, насосом, вентилятором и тому подобное.

3) по отношению к температуре насыщения ? без недогрева и кипение с недогревом. При кипении с недогревом пузырьки воздуха растут у основания сосуда, отрываются и схлопываются. Если недогрева нет, то пузырьки отрываясь, растут и всплывают на поверхность жидкости.

4) по ориентации поверхности кипения в пространстве ? на горизонтальных наклонных и вертикальных поверхностях;

Некоторые слои жидкости непосредственно прилегающие к более горячей теплообменной поверхности, нагреваются выше и поднимаются как более легкие пристенные вдоль вертикальной поверхности. Таким образом, вдоль горячей поверхности возникает непрерывное движение среды, скорость которой определяет интенсивность теплообмена поверхности с основной массой практически неподвижной среды

5) по характеру кипения ? развитое и неразвитое, неустойчивое кипение;

С ростом плотности теплового потока растет коэффициент парообразования. Кипение переходит в развитое пузырьковое. Увеличение частоты отрыва приводит к тому, что пузыри догоняют друг друга и сливаются. С увеличением температуры поверхности нагрева число центров парообразования резко возрастает, все большее количество оторвавшихся пузырьков всплывает в жидкости, вызывая ее интенсивное перемешивание. Такое кипение носит развитый характер.

1.2.Разделение процесса кипения по стадиям.

Кипячение воды представляет собой сложный процесс, состоящий из четырех ясно отличимых одна от другой стадий.

Первая стадия начинается с проскакивания со дна чайника маленьких пузырьков воздуха, а также появления групп пузырьков на поверхности воды у стенок чайника.

Вторая стадия характеризуется увеличение объема пузырьков. Затем постепенно количество пузырьков, возникающих в воде и рвущихся на поверхность, всё более увеличивается. На первой стадии кипения слышим тонкий, едва различимый сольный звук.

Третья стадия кипения характерна массовым стремительным подъёмом пузырьков, которые вызывают сначала легкое помутнение, а затем даже “побеление” воды, напоминая собой быстро бегущую воду родника. Это так называемое кипение “ белым ключом”. Оно — крайне непродолжительное. Звук становится похожим на шум небольшого пчелиного роя.

Четвертая — это интенсивное бурление воды, появление на поверхности больших лопающихся пузырей, а затем брызганьем. Брызги будут означать, что вода очень сильно перекипела. Звуки резко усиливаются, но их равномерность нарушается, они как бы стремятся опередить друг друга, нарастают хаотически.

2.Из Китайской церемонии чаепития.

На востоке отношение к чаепитию особое. В Китае и Японии чайная церемония была частью встреч философов и художников. Во время традиционного восточного чаепития произносились мудрые речи, рассматривались произведения искусства. Чайная церемония специально оформлялась для каждой встречи, подбирались букеты цветов. Использовалась специальная посуда для заварки чая. Особенное отношение было к воде, которая бралась для заваривания чая. Важно правильно вскипятить воду, обращая внимание на “циклы огня”, которые воспринимаются и воспроизводятся в кипятке. Вода не должна доводиться до бурного кипения, так как в результате этого уходит энергия воды, которая, соединяясь с энергией чайного листа, и производит в нас искомое чайное состояние.

Есть четыре стадии внешнего вида кипятка, которые соответственно называются “рыбий глаз”, “крабий глаз”, “жемчужные нити” и “бурлящий источник”. Этим четырем стадиям соответствуют четыре характеристики звукового сопровождения закипания воды: тихий шум, средний шум, шум и сильный шум, которым в разных источниках тоже иногда даются разные поэтические названия.

Кроме того, отслеживают и стадии образования пара. Например, легкая дымка, туман, густой туман. Туман и густой туман указывают на переспелость кипятка, который уже не подходит для заваривания чая. Считается, что энергия огня в нем уже настолько сильна, что подавила энергию воды, и в результате вода не сможет должным образом войти в контакт с чайным листом и дать соответствующее качество энергии человеку, пьющему чаю.

В результате правильного заваривания получаем вкусный чай, заваривать который водой, не нагретой до 100 градусов, можно несколько раз, наслаждаясь тонкими оттенками послевкусия от каждого нового заваривания.

В России стали появляться чайные клубы, которые прививают культуру чаепития Востока. В чайной церемонии, которая называется Лу Юй, или кипячение воды на открытом огне можно наблюдать все стадии кипения воды. Такие эксперименты с процессом кипения воды можно провести в домашних условиях. Предлагаю несколько экспериментов:

– изменения температуры на дне сосуда и на поверхности жидкости;
изменение температурной зависимости стадий кипения воды;
- изменение объема кипящей воды с течением времени;
- распределения температурной зависимости от расстояния до поверхности жидкости.

3.Эксперименты по наблюдению процесса кипения.

3.1. Исследование температурной зависимости стадий кипения воды.

Проводилось измерение температуры на всех четырех стадиях кипениях жидкости. Были получены следующие результаты:

– первая стадия кипения воды (РЫБИЙ ГЛАЗ) длилась с 1-ой по 4-ую минуты. Пузырьки на дне появились при температуре 55 градусов (фото 1).

Фото1.

– вторая стадия кипения воды (КРАБИЙ ГЛАЗ) длилась с5-ой по7-ую минуты при температуре около 77 градусов. Мелкие пузырьки на дне увеличивались в объеме, напоминая глаза краба. (фото 2).

Фото 2.

Фото 3.

– четвертая стадия кипения воды (БУРЛЯЩИЙ ИСТОЧНИК) длилась с 10-ой по12-ую минуты. Пузырьки росли, поднимались на поверхность воды, и лопались, создавая бурление воды. Процесс проходил при температуре 98 градусов (фото 4). Фото 4.

Фото 4.

3.2. Исследование изменения объема кипящей воды с течением времени.

С течением времени, объём кипящей воды изменяется. Первоначальный объем воды в кастрюле составлял 1 л. Через 32 минуты объем уменьшился вдвое. Это хорошо видно на фото 5, отмечено красными точками.

Фото 5.

Фото 6.

За следующие 13 минут кипения воды её объем уменьшился на одну треть, эта линия так же отмечена красными точками (фото 6).

По результатам измерений была получена зависимость изменения объема кипящей воды с течением времени.

Зависимость изменения объема кипящей воды от времени.
Измерение	1	2	3	4	5	6	7	8
Объем, л	1	0.75	0.50	0.25	0.125	0.08	0.04	0
Время, мин	0	16	32	45	50	65	69	80

Рис.1. График изменения объема кипящей воды от времени

Вывод: Изменение объема обратно пропорционально времени кипения жидкости(рис.1) до тех пор, пока от первоначального объема не осталось1/25 часть. На последней стадии уменьшение объема замедлилось. Здесь играет роль режим плёночного кипения. Если температура дна сосуда значительно превышает температуру кипения жидкости, то скорость образования пузырей на дне становится столь большой, что они объединяются вместе, образуя сплошную паровую прослойку между дном сосуда и непосредственно самой жидкостью. В этом режиме скорость выкипания жидкости уменьшается.

3.3. Исследование распределения температурной зависимости от расстояния до поверхности жидкости.

В кипящей жидкости устанавливается определённое распределение температуры (рис 2), у поверхности нагрева жидкость заметно перегрета. Величина перегрева зависит от ряда физико-химических свойств и самой жидкости, а так же граничных твёрдых поверхностей. Тщательно очищенные жидкости, лишённые растворённых газов (воздуха), можно при соблюдении особых мер предосторожности перегреть на десятки градусов.

Рис. 2.График зависимости изменения температуры воды у поверхности от расстояния до поверхности нагрева.

По результатам измерений можно получить график зависимости изменения температуры воды от расстояния до поверхности нагрева.

Вывод: с увеличением глубины жидкости температура меньше, причем на небольших расстояниях от поверхности до 1 см температура резко уменьшается, а потом почти не меняется.

3.4.Исследование изменения температуры на дне сосуда и у поверхности жидкости.

Было проведено 12 измерений. Воду нагревали от температуры 7 градусов до момента закипания. Измерения температуры проводились через каждую минуту. По результатам измерения было получено два графика изменения температуры у поверхности воды и на дне.

Рис.3.Таблица и график по результатам наблюдений. (Фото автора)

Выводы: изменение температуры воды на дне сосуда и на поверхности различно. На поверхности температура меняется строго по линейному закону и достигает температуры кипения позже на три минуты, чем на дне. Это объясняется тем, что на поверхности жидкость соприкасается с воздухом и отдаёт часть своей энергии, поэтому прогревается не так, как на дне кастрюли.

Выводы по результатам работы.

Было выяснено, что вода при нагревании до температуры кипения проходит три стадии, зависящие от теплообмена внутри жидкости с образованием и ростом внутри жидкости пузырьков пара. При наблюдении за поведением воды отмечены характерные особенности каждой стадии.

Изменение температуры воды на дне сосуда и на поверхности различно. На поверхности температура меняется строго по линейному закону и достигает температуры кипения позже на три минуты, чем на дне. Это объясняется тем, что на поверхности жидкость соприкасается с воздухом и отдаёт часть своей энергии.

Так же было определено экспериментально, что с увеличением глубины жидкости температура меньше, причем на небольших расстояниях от поверхности до 1 см температура резко уменьшается, а потом почти не меняется.

Процесс кипения происходит с поглощение теплоты. При нагревании жидкости большая часть энергии идет на разрыв связей между молекулами воды. При этом растворенный в воде газ выделяется на дне и стенках сосуда, образуя воздушные пузырьки. Достигнув определенных размеров, пузырек поднимается на поверхность и схлопывается с характерным звуком. Если таких пузырьков много, то вода “шипит”. Пузырек воздуха поднимается на поверхность воды и лопается, если выталкивающая сила, больше силы тяжести. Кипение представляет собой непрерывный процесс, при кипении температура воды равна 100 градусов и не меняется в процессе выкипания воды.

Кипение воды – процесс интенсивного образования пара, происходящий как на свободной поверхности жидкости, так и внутри её структуры. От испарения его отличает подчиненность определённым параметрам – температуре и давлению. Скорость закипания зависит от степени взаимодействия на молекулярном уровне.

Многие считают, что вода начинает кипеть при 100°С. Но это верно лишь для обычных условий. В действительности, температурные показатели закипания – это диапазон величин, зависящий и от самой жидкости, и от давления (наружного и внутреннего). Парообразование может происходить и при 80°С, и при 130°С. При какой температуре закипает вода в чайнике? Попытаемся ответить на этот вопрос в данной статье.

Температура пара кипящей воды в чайнике

Паром называется газообразное состояние воды. Взаимодействуя с окружающим воздухом, он может оказывать на него давление. В процессе образования пара температура его и воды будет оставаться неизменной до тех пор, пока жидкость полностью не испариться. Это обусловлено тем, что вся мощь градусов идёт на парообразование. Подобное обстоятельство позволяет образовываться сухому насыщенному пару.

Внимание! Температура пара и кипящей жидкости всегда одинакова. Более горячий пар уместно получить, лишь применив специальные установки. Для закипания обыкновенной воды требуется нагреть её до 100°С.

При какой температуре закипает соленая вода

Солёная вода требует более высоких градусов для закипания, чем обычная жидкость. Это объясняется особенностью её состава. Всё пространство между водными молекулами занимают ионы, что приводит к гидратации. Напомним, данным термином называется присоединение молекул воды к ионам соли. Гидратация усиливает межмолекулярную связь, что отодвигает время закипания.

Нагреваясь, солёная вода непрерывно теряет молекулы. Соответственно, сталкиваться они будут значительно реже. Для инициации парообразования понадобится больший временной период, чем для рядовой жидкости. В общем и целом, можно уверенно утверждать, что солёная вода начинает кипеть при температуре приблизительно на 10°С выше, чем пресная.

Градус закипания дистиллированной воды

Дистиллированная вода – это вода, которую очистили от растворённых в ней минералов, органики и прочих примесей. Обычно её используют в химических лабораториях и в промышленности. Также она применяется в медицинских и исследовательских целях.

Важно! Дистиллированную воду запрещается пить или использовать для приготовления пищи.

Получается такая вода путём дистилляции. Обычную воду помещают в специальный агрегат-дистиллятор. Он выпаривает её и конденсирует пар. В конце у вас будет отдельно дистиллят, и отдельно примеси.

Температура, при которой из дистиллированной воды делается кипяток, равна показателю кипения водопроводной, т.е. всё тем же 100°С. Разница заключается в том, что закипать очищенная от солей жидкость начинает чуть быстрее.

Как влияет давление на процесс закипания воды

Давление (и атмосферное, и внутри жидкости) может существенно повлиять на процесс парообразования. Так, температурой кипения воды на высокой горе является 70°С, что значительно осложняет готовку. Чтобы приготовить пищу на высоте, требуется намного больше времени, поскольку, как это не парадоксально, закипевшая жидкость не будет достаточно горячей. Сварить куриное яйцо не получится совсем. Невозможно и приготовление мясных блюд.

Внимание! Употреблять еду на природе можно только, если она термически обработана и качественно проварена. Отправляясь в горный поход, следует заранее предвидеть такой нюанс и принять все необходимые меры по страховке себя от потенциальных неожиданных ситуаций.

Точка кипения воды на морском побережье — 100°С. При подъёме в гору, через каждые пройденные три сотни метров температура кипения будет уменьшаться на 1°С. Вследствие этого, жителям горных районов рекомендуется использовать автоклавы, чтобы жидкость получалась достаточно горячей. Это стоит помнить не только домохозяйкам, но и служащим лабораторий. Ведь все знают, что для стерилизации продуктов и инструментов необходимы более 100°С. Иначе оборудование не будет стерильным, ведь некоторые микробы являются термостойкими, и может принести в дальнейшем множество осложнений.

Уже доказано, что повышение температуры кипения может существенно сократить время, требующееся для приготовления еды, что очень важно в наш прогрессивный век.

Чтобы повысить данный показатель, надо применять герметично закрывающуюся ёмкость. Оптимальным выбором будут скороварки, в которых крышка не пропускает пар, увеличивая внутреннее давление. В процессе нагрева образуется пар, но, поскольку он не может попасть наружу, он конденсируется на внутренней стороне крышки. Это приводит к заметному повышению давления внутри сосуда. В автоклавах давление равняется 1-2 атмосферы, из-за этого жидкость в них начинает кипеть при 120-130°C.

Наибольшая возможная температура кипения воды пока учёными не обнаружена. Это обусловлено её способностью расти до поры, пока атмосферное давление не достигнет своего предела. Паровые турбинные установки подогревают воду до 400°С, но при этом она не кипит, а давление сохраняется в пределах нескольких десятков атмосфер. Аналогичные данные были получены при проведении исследований на больших океанических глубинах.

Агрегатные состояния воды в природе — облака, дождь, снег, лед, град, роса, иней туман … мы знакомы с ними с раннего детства.

Агрегатные состояния воды в обычных условиях в природе

Агрегатные состояния воды ежедневно встречаются нам в окружающей нас природе. Они активно влияют на все аспекты жизнедеятельности человека.

В природе в естественных условиях вода может в изобилии существовать в 3-х основных агрегатных состояниях:

Жидкое – вода, дождь, туман, роса, радуга, облака …;
Газообразное – пар …

К выше сказанному, важно уточнить, что туман и облака, на самом деле, не являются газообразным состоянием воды. Они являются результатом конденсации водяного пара, а не самим паром как таковым. Подробнее про Водяной пар читайте в статье ВОДЯНОЙ ПАР — ГАЗООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДЫ → .

Круговорот воды в природе

Уникальное свойство воды — возможность быть в природных условиях в трех разных базовых агрегатных состояниях, обеспечивает нашей планете жизненно важный процесс – гидрологический цикл или круговорот воды в природе. Если кратко круговорот воды состаит из таких процессов — осадков, испарения и конденсации. Круговорот воды в природе обеспечивает ее присутствие практически во всех уголках нашей планеты, а вода, как известно, источник жизни. Более подробно про него читайте в нашей статье КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ → .

Жидкое состояние воды в природе

Без воды в жидком состоянии большинство живых существ на нашей планете просто погибнет.

Аккумулируется вода в жидком состоянии в хорошо всем нам известных формах — это океаны, моря, реки, озёра, пруды, ставки, каналы, атмосферных осадках …

Отметим интересный факт — вода в жидком состоянии при фиксированном объёме не имеет фиксированной формы.

Твердое состояние воды в природе

Вода из жидкого состояния переходит в твердое при температуре 0º C (плюс/минус в зависимости от давления). Процесс перехода воды из жидкого состояния в твердое имеет интересную аномалию. При понижении температуры молекулы воды, как и в других материях, сближаются друг с другом. Так происходит вплоть до температуры 4º C. При этой температуре у воды максимальная плотность. При дальнейшем понижении температуры плотность начинает уменьшаться. Благодаря именно этому удивительному свойству лёд плавает, а не тонет. Плотность льда составляет приблизительно 90% от плотности воды.

Вода в твердом состоянии имеет как фиксированный объём, так и фиксированную форму.

Газообразное состояние воды в природе

Агрегатные состояния воды — переходные процессы

Процессы перехода воды с одного агрегатного состояния в другое определяются следующим образом:

Кипение и парообразование — переход воды из жидкого состояния в пар;
Конденсация — процесс перехода пара в жидкое состояние воды;
Кристаллизация — переход жидкости в лед;
Плавление – переход льда в жидкость;
Сублимация – переход льда прямо в парообразное состояние;
Десублимация – переход пара сразу в лед, примером может служить иней.

Граничные точки перехода воды в состояния лед/вода и вода/пар определили соответственно как 0 и 100 градусов по Цельсию при условии атмосферного давления 760 мм рт. ст. или 101 325 Па. Всем с детства хорошо известна простая примета, температура за окном опустилась ниже нуля, ждите снега :)

Четвёртое или второе жидкое агрегатное состояние воды

Относительно недавно физики обнаружили новое состояние воды. Это состояние проявляется при температурах в промежутке от 40º до 60º C и проявляется в том, что жидкая вода непрерывно переключается между двумя состояниями, которые имеют разный набор физических свойств.

Данное качество жидкой воды обнаружила физик Лаура Маэстро из Оксфордского университета в Великобритании. Она вместе со своими коллегами провела исследования в ходе которых, при разных температурах измерялись такие физические параметры жидкой воды — показатель преломления, поверхностное натяжение, теплопроводность, диэлектрическая проницаемость … .

Дать объяснение этому феномену учёные пока не смогли. Возможно этот факт связан с другими аномальными свойствами воды, про которые мы подробно писали в нашей статье АНОМАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ВОДЫ, ИЛИ УДИВИТЕЛЬНОЕ РЯДОМ → .

Важно знать …

Необходимо отметить такой, важный для человека факт – при понижении атмосферного давления температура кипения падает. Это необходимо учитывать, например, в условиях высокогорья. Отметим также еще одно явление, которое полезно знать человеку в повседневной жизни — объем воды в твердом состоянии больше чем в жидком. Этот факт иллюстрирует общеизвестный пример – бутылка с водой оставленная на морозе будет разорвана, образовавшимся в ней льдом.

Очевидно, что в разных своих агрегатных состояниях Вода обладает разными базовыми физическими свойствами такими как – текучесть, твердость, летучесть.

Необходимо отметить, что пар определяет такой важный для человека и других живых организмов параметр как «влажность воздуха«. Влажность воздуха напрямую зависит от количества водяного пара в атмосфере, больше пара выше влажность. На земле существуют места как с очень высокой, так и с низкой влажностью атмосферы. Одним из самых влажных мест планеты считается индийский город Черрапунджи (Cherrapunji), а одним из самых сухих Сухие долины в Антарктике.

Выводы

Еще раз сделаем акцент на том, что во многом благодаря именно способности воды находиться в природных естественных условиях в трех разных агрегатных состояниях и существует жизнь на нашей планете.

Вода является неотъемлемой частью жизни человека и всего живого на планете. Она окружает нас повсюду и является частью нас самих. Дождь, снег, роса, туман, облака, иней – это вода, которая находится в разных агрегатных состояниях.

Состояния воды

В природе происходит постоянный круговорот воды, при котором она постоянно переходит из одного состояния в другое.

Условно разделяют 3 состояния воды:

К твердому состоянию воды относят лёд, снег, иней. Жидкими являются вода, роса, туман, дождь. А газообразные – это пар. При этом нужно отметить, что облака не относятся к газообразному состоянию воды, а являются результатом конденсации водяного пара.

Вода уникальна по своему составу и свойствам, а её способность менять свое агрегатное состояние обеспечивает жизненно важный гидрологический цикл планеты. В трех словах круговорот воды можно описать как: осадки, испарение, конденсация.

Изменение состояний воды

Существует 6 процессов, которые обуславливают переход воды из одного агрегатного состояния в другое и определяются следующим образом:

Кипение и парообразование – процесс перехода воды из жидкого состояния в парообразное (пар);
Конденсация – процесс перехода пора в воду (жидкое состояние);
Кристаллизация – процесс перехода воды(жидкое состояние) в лёд (кристаллическое состояние);
Плавление – процесс перехода кристаллического состояния воды (льда) в воду;
Сублимация – процесс, при котором вода из кристаллического состояния переходит в парообразное (изо льда в пар);
Десублимация – процесс обратный сублимации (из пара в лёд). Например, иней.

Питьевая вода переходит из одного состояния в другого при изменении своей температуры. Граничными состояниями являются 0°C и 100°C при атмосферном давлении 760 миллиметров ртутного столбца (101 325 Па). Когда температура воды опускается до 0°C и ниже, то вода переходит в состояние льда, а когда выше 100°C – переходит в пар.

При определении температуры кипения и замерзания воды очень важно учитывать атмосферное давление – так в условиях пониженного давления (высоко в горах) температура кипения понижается. Также интересно знать, что вода в состоянии льда имеет больший объем, чем в состоянии жидком.

Читайте также: