Оглавление
Закипание воды знакомо всем. Этот процесс представляет собой предвестника вкусного обеда, ароматного чая или хорошо выстиранного белья. При всем при этом обыденное кипение воды – весьма сложный механизм, на который влияют многие факторы. Подробнее о них, а также других аспектах, связанных с кипением воды, я расскажу в своей статье.
Что представляет собой кипение?
Под кипением понимается переход вещества из жидкого агрегатного состояния в газ. В случае с водой уместно говорить о ее трансформации в пар при следующих условиях:
- температура – 100 градусов;
- давление – обычное для равнины.
Безопасной считается та вода, которая интенсивно кипит.
Ниже я привел сведения о том, как можно определить примерную температуру воды в процессе закипания:
- Появление первых пузырьков свидетельствует о температуре около 60 градусов Цельсия.
- Вяло кипящая вода выступает признаком температуры в 80-90 градусов Цельсия.
- Активное кипение явно указывает на температуру в 100 градусов Цельсия.
Отличие кипения от испарения
Испарение жидкости имеет место всегда, в то время как кипение возможно только при условии определенных показателей температуры и давления.
Стадии и этапы кипения
Кроме стадий кипения выделяют еще и этапы. Они отличаются температурой, которую достигает жидкость на каждом из них:
- Теплая вода. Ее температура идентична температуре человеческого тела, либо чуть выше ее (29-40°C на 1-ой стадии и 40-46°C на 2-ой стадии). На этом этапе вода доступна для прикосновения.
- Горячая вода. Она достигает температуры 54-57°C и может обжечь кожу при контакте.
- Закипающая вода. Ее температура находится в пределах от 71 до 82°C. На этом этапе вода начинает двигаться, но ее движение больше напоминает дрожь без пузырьков.
- Вода, кипящая на медленном огне. Она закипит, когда достигнет температуры 85-93°C. При этом образуются мелкие пузырьки.
- Медленное (или слабое) кипение. Речь идет о достижении водой температуры в 96°C, когда в ней появляются крупные пузыри. Движение жидкости становится более интенсивным.
- Настоящее (бурное) кипение – достижение водой температуры в 100°C. На этой стадии она бурлит и быстро двигается на фоне образования пара или испарения.
Классификация кипения
| Признак классификация/тип кипения | Описание |
| Пленочное и пузырьковое | Последнее описывается как кипение, при котором пар образуется в виде пузырей, периодически зарождающихся и растущих. Пленочное кипение имеет место при увеличении теплового потока до критической величины, при котором отдельные пузырьки сливаются, образуя сплошной паровой слой у стенки сосуда. Этот слой периодически прорывается в объем жидкости. В том случае, когда температура донной части сосуда в значительной степени выше температуры кипения жидкости, скорость появления пузырьков на дне становится настолько высокой, что они объединяются в одну сплошную прослойку, находящуюся между донной частью сосуда и жидкостью. При этом типе пленочного кипения тепловой поток, передаваемый жидкости нагревателем, резко падает ввиду того, что паровая пленка проводит тепло хуже по сравнению с тепловой конвенцией. Это приводит к снижению скорости вскипания. |
| При свободной и вынужденной конвекции | Во время нагревания вода остается неподвижной. Тепло от нижних ее слоев в верхние переходит посредством теплопроводности. Однако в процессе нагревания характер теплопередачи меняется под воздействием конвекции. Нагретая вблизи дна вода начинает расширяться. При этом ее удельный вес становится меньше веса такого же объема воды в верхних слоях. Это дестабилизирует всю водную систему внутри емкости. Стабилизация ее состояния достигается за счет того, что горячая вода всплывает к поверхности, а ее место занимают более прохладные слои. В этом случае речь идет о свободной конвекции. При вынужденной же конвекции теплообмен происходит в результате перемешивания жидкости, и движение в ней происходит за счет наличия искусственного теплоносителя-мешалки, насоса, вентилятора и т.п. |
| Температура насыщения без недогрева и кипение с недогревом | В последнем случае пузырьки, наполненные воздухом и растущие у основания емкости, отрываются и схлопываются. При отсутствии недогрева отрывающиеся пузырьки растут и всплывают на поверхностный слой. |
| Ориентация поверхности кипения в пространстве на вертикальных и горизонтальных поверхностях | Те слои жидкости, которые прилегают непосредственно к горячей теплообменной поверхности, нагреваются, становятся более легкими и поднимаются вдоль вертикальной поверхности. Вдоль горячей поверхности появляется постоянное движение, на скорость которого влияет интенсивность теплообмена. |
| Характер кипения (развитое, неразвитое или неустойчивое). |
Рост плотности теплового потока провоцирует увеличение коэффициента парообразования. Как итог, кипение переходит в развитое пузырьковое. При увеличении частоты отрыва пузырьков они начинают догонять друг друга и сливаться. Количество центров парообразования резко увеличивается при росте температуры поверхности нагрева. При этом все больше пузырьков отрывается и всплывает, провоцируя интенсивное перемешивание жидкости. В этом случае уместно говорить о развитом кипении.
|
Особенности процесса
Ниже я подробно описал особенности закипания воды и в чайнике, и в кастрюле.
В чайнике
Когда вода закипит, прибор не требуется выключать, ведь это происходит автоматически.
Обычный (не электрический) чайник мало чем отличается от металлической кастрюли, которая схожа с ним по размерам и форме. Ввиду этого время закипания воды в них примерно одинаковое. Когда вода в чайнике закипает, человек может слышать свист, возникающий при прохождении пара через крышку в его носике.
В кастрюле
Лучше не наполнять кастрюлю водой до самого верха, ведь в этом случае брызги выплеснутся на плиту при закипании. О последнем подскажет громкое бурление, после появления которого воду можно убирать с огня.
Как долго закипает вода?
Время закипания воды напрямую зависит от:
- объема, который требуется вскипятить;
- чистоты воды (чем меньше примесей, тем быстрее наступит закипание);
- свойств сосуда (длительность нагрева, способность отдавать тепло и т.д.);
- температуры воздуха в помещении, а также огня, конфорки и другого источника тепла;
- атмосферного давления (в условиях его высоких показателей вода закипает дольше).
Точно рассчитать время, в течение которого вода закипит, можно по формуле:
t = (c1m1t°C1+c2m2t2°C2+Lm)/N,
где:
c1 и L – теплоемкость и удельная теплота парообразования воды соответственно;
m1 – масса воды;
t°C – разница между изначальной температурой и той, что требуется для кипения;
N – мощность нагревательного прибора;
m2 и c2 – масса и теплоемкость емкости, используемой для кипячения.
Как быстро вода остывает после закипания?
В том случае, когда речь идет о большом объеме воды, ее остывание при прочих равных займет больше времени. Оно значительно сократиться, если воздух вокруг будет холодным.
Температура воды будет снижаться, до тех пор пока не сравняется с температурой окружающей среды.
Что влияет на закипание воды?
- Чем выше первоначальная температура воды и воздуха окружающей среды, тем быстрее она закипит. Это связано с тем, что на нагревание уходит меньше энергии.
- Часть тепла забирает емкость, в которой нагревается жидкость. Она должна достичь нужной температуры еще до того, как это сделает ее содержимое.
- Для кипячения лучше использовать посуду с тонкими стенками, которая выполнена из легкого металла, хорошо проводящего тепло.
- Большая масса воды требует больше времени на нагревание и кипячения.
- Температура кипения всех веществ значительно снижается в вакууме. Это связано с понижением давления.
Факторы, указывающие на то, что вода кипит
Сначала они появляются на дне и стенках посуды. Далее они отделяются и устремляются вверх. При этом можно услышать бурление. Как только оно становится активным, емкость с водой можно снимать с плиты. В этот момент вода уже будет иметь температуру в 100 градусов, и если оставить ее греться дальше, то она начнет выкипать, переходя в пар.
После снятия с огня вода продолжит активно испаряться в течение еще какого-то времени.
Интересные факты
- Вода закипает при температуре 75 градусов Цельсия в горных районах. Это обусловлено пониженным атмосферным давлением. Она подходит для заваривания чая. Но сварить крупу, а тем более приготовить мясо в ней вряд ли получится.
- Соленая вода закипит при температуре, превышающей 100 градусов. Чем выше концентрация солей в жидкости, тем выше температура ее закипания. Так, воду из природных источников можно вскипятить при температуре 105 или 110 градусов Цельсия.
- Кипятить в вакууме воду, например, для кофе – не лучшая идея, ведь она закипит, достигнув 30 градусов, и кофе не заварится.
- Дистиллированная вода кипит при той же температуре, что и обычная. Однако она закипает немного быстрее.
- Во время кипения и длительного воздействия высоких температур в воде погибает большая часть болезнетворных бактерий.
- Вода без соли закипает быстрее. Но если соль добавить в самом начале кипения, то кипяченую воду можно будет получить быстрее.
Заключение
Именно от этих факторов зависят особенности течения данного процесса, которые несколько отличаются друг от друга.
Даже минимальные знания о механизме кипения воды могут быть весьма полезны. Они наверняка найдут практическое применение, ведь почти каждый человек сталкивается с необходимостью вскипятить воду.
Интересное видео по теме:
Вопрос-ответ
В любой емкости присутствуют микроскопические трещины и впадины, которые выступают центрами образования пара. На этих участках и разрушаются водородные связи между молекулами.
Жидкость, которая нагревается в емкости с очень гладкими поверхностями, может достичь температуры в 100 градусов, но так и не закипеть. В этом случае речь идет о перегретой жидкости.
Это температура, при которой кипит определенная жидкость.
В момент, когда атмосферное давление станет равным давлению паров жидкости.
Это ускорит ее закипание. Кроме этого, пары будут превращаться в капельки воды, конденсируясь обратно в кастрюлю.
