Как ведет себя вода при нагревании

# физика | Почему вода легче… воды?

Одно из самых распространенных веществ на Земле: вода. Она, как и воздух, необходима нам, но мы ее порой совсем не замечаем. Она просто есть. Но, оказывается, обыкновенная вода может менять свой объем и весить то больше, то меньше. При испарении воды, ее нагревании и охлаждении происходят поистине удивительные вещи, о которых мы и узнаем сегодня.

Сегодня речь пойдет об объеме и весе воды. Оказывается, один и тот же объем воды не всегда весит одинаково. И если налить воду в стакан и она не прольется через край — это еще не значит, что она поместится в нем при любых обстоятельствах.

1. При нагревании вода увеличивается в объеме

Поставьте наполненную водой банку в кастрюлю, наполненную сантиметров на пять кипящей водой, и на слабом огне поддерживайте кипение. Вода из банки начнет переливаться через край. Это происходит потому, что при нагревании вода, подобно другим жидкостям, начинает занимать больше пространства. Молекулы отталкиваются друг от друга с большей интенсивностью и это ведет к увеличению объема воды.

2. При охлаждении вода сжимается

Дайте воде в банке остыть при комнатной температуре, или налейте новую воду, и поставьте ее в холодильник. Через некоторое время вы обнаружите, что полная прежде банка уже не полна. При охлаждении до температуры 3,89 градусов по Цельсию вода уменьшает свой объем по мере снижения температуры. Причиной тому стало снижение скорости движения молекул и их сближение друг с другом под воздействием охлаждения.

Казалось бы, все очень просто: чем холоднее вода, тем меньший объем она занимает, но…

3. …объем воды вновь возрастает при замерзании

Наполните банку водой до краев и накройте куском картона. Поставьте ее в морозилку и дождитесь замерзания. Вы обнаружите, что картонную «крышку» вытолкнуло. На температурном интервале между 3,89 и 0 градусов по Цельсию, то есть на подходе к точке своего замерзания, вода вновь начинает расширяться. Она является одним из немногих известных веществ, обладающих подобным свойством.

Если использовать плотную крышку, то лед просто разнесет банку. Приходилось ли вам слышать о том, что даже водопроводные трубы может разорвать льдом?

4. Лед легче воды

Поместите пару кубиков льда в стакан с водой. Лед будет плавать на поверхности. Вода при замерзании увеличивается в объеме. И, вследствие этого, лед легче воды: его объем составляет около 91% соответствующего объема воды.

Это свойство воды существует в природе не зря. У него есть вполне определенное предназначение. Говорят, что зимой реки замерзают. Но на самом деле это не совсем верно. Обычно замерзает лишь небольшой верхний слой. Это ледяной покров не тонет, поскольку он легче жидкой воды. Он замедляет замерзание воды на глубине реки и служит своеобразным одеялом, оберегая рыб и другую речную да озерную живность от лютых зимних морозов. Изучая физику, начинаешь понимать, что очень многое в природе устроено целесообразно.

5. Водопроводная вода содержит минералы

Влейте в небольшую стеклянную миску 5 столовых ложек обычной водопроводной воды. Когда вода испарится, на миске останется белая кайма. Эта кайма сформирована минералами, которые были растворены в воде, когда она проходила слои грунта.

Посмотрите внутрь своего чайника и вы увидите там минеральный налет. Такой же налет образуется и на отверстии для стока воды в ванне.

Попробуйте испарить дождевую воду, чтобы самостоятельно проверить, содержит ли она минералы.

Если совместить воду с другими жидкостями, то можно обнаружить, что с некоторыми вода не смешивается. Благодаря таким свойствам веществ можно сделать красивейшую сахарную радугу.

Источник

Что происходит с водой при нагревании

Содержание статьи

• Что происходит с водой при нагревании
• Почему испаряется вода
• Почему вода закипает

Удивительные свойства воды

Воде присущи поразительные свойства, которые сильно отличают ее от прочих жидкостей. Но это и хорошо, иначе, обладай вода «обычными» свойствами, планета Земля была бы абсолютно другой.

Для подавляющего большинства веществ характерно при нагревании расширяться. Что довольно легко объяснить с позиции механической теории теплоты. Согласно ей, при нагревании атомы и молекулы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах колебания атомов достигают большей амплитуды, и им необходимо больше свободного пространства. Как результат – происходит расширение тела.

Тот же самый процесс происходит и с жидкостями, и с газами. То есть, за счет повышения температуры увеличивается скорость теплового движения свободных молекул, и тело расширяется. При охлаждении же, соответственно, происходит сжатие тела. Это свойственно практически для всех веществ. За исключением воды.

При охлаждении в интервале от 0 до 4оС вода расширяется. И сжимается – при нагревании. Когда отметка температуры воды достигает 4оС, в этот момент вода имеет максимальную плотность, которая равна 1000 кг/м3. Если температура ниже или выше этой отметки, то плотность всегда немного меньше.

Благодаря этому свойству при понижении температуры воздуха осенью и зимой в глубоких водоемах происходит интересный процесс. Когда вода охлаждается, она опускается ниже, на дно, однако лишь до того момента, пока ее температура не станет +4оС. Именно по этой причине в больших водоемах более холодная вода находится ближе к поверхности, а более теплая – опускается на дно. Так что когда зимой поверхность воды замерзает, более глубокие слои продолжают сохранять температуру 4оС. Благодаря этому моменту рыба может спокойно зимовать в глубинах покрывшихся льдом водоемов.

Влияние расширения воды на климат

Исключительные свойства воды при нагревании серьезным образом влияют на климат Земли, поскольку около 79% поверхности нашей планеты покрыто водой. За счет солнечных лучей происходит нагревание верхних слоев, которые затем опускаются ниже, а на их месте оказываются холодные слои. Те тоже, в свою очередь, постепенно нагреваются и опускаются ближе ко дну.

Таким образом, слои воды непрерывно меняются, что приводит к равномерному прогреванию, пока не достигается температура, соответствующая максимальной плотности. Затем, нагреваясь, верхние слои становятся менее плотными и уже не опускаются вниз, а остаются наверху и просто постепенно становятся теплее. За счет этого процесса огромные толщи воды довольно легко прогреваются солнечными лучами.

Источник

Вода при замерзании расширяется или сжимается: простая физика

Взаимные превращения механической и внутренней энергии

Если в тексте задачи указан процент одного вида энергии, перешедший в другой, то он указывается в виде десятичной дроби перед этой энергией, которой тело обладало вначале.

Частные случаи закона сохранения энергии

Пример №3. Свинцовая дробинка, летящая со скоростью 100 м/с, попадает в доску и входит в нее. 52% кинетической энергии дробинки идет на ее нагревание. На сколько градусов нагрелась дробинка? Удельная теплоемкость свинца 130 Дж/(кг∙К).

Запишем закон сохранения энергии для этого случая:

Примеры КПД

При неупругом ударе о стенку пуля нагрелась

Тело падает с некоторой высоты и в момент падения нагревается

В результате того, что пуля пробивает стену, ее скорость уменьшается, 50% выделившейся при этом энергии идет на нагревание пули

Летящая пуля при ударе о стенку расплавилась. Начальная температура пули меньше температуры плавления

Капля воды, падая с некоторой высоты, в момент удара испарилась. Температура капли у поверхности земли меньше температуры кипения. На нагрев пошло 60% выделившейся механической энергии

Вследствие сгорания топлива ракета поднялась на некоторую высоту

Вследствие сгорания топлива снаряд приобрел некоторую скорость, и на это было затрачено 25% энергии

Внимание! Если в задаче указано время, в течение которого происходит один тепловой процесс, а спрашивают о времени протекания другого, то считайте, что мощность нагревателя или холодильника постоянна:

Пример №4. Для нагревания на электроплитке некоторого количества воды от 20 до 100 оС потребовалась 21 минута. Сколько времени после этого необходимо для полного испарения воды? Удельная теплоемкость воды 4200 Дж (кг∙К), удельная теплота парообразования 2,24 МДж/кг.

От чего зависит вскипание жидкости?

Закипание жидкости напрямую зависит от температуры. Чем сильнее нагревается емкость, тем интенсивнее прогревается содержимое внутри нее.

За счет этого вода быстрее вскипает, достигнув температуры кипения.

Вскипание также зависит от давления воздуха, которое оказывается на поверхность. Если оно падает, то и температура закипания снижается. Вскипание наступает быстрее. Если давление увеличивается, то и температура вскипания уменьшается. Для закипания потребуется большее температурное воздействие.

Вскипание зависит также от диаметра дна кастрюли. Чем оно больше, тем скорее содержимое закипит внутри нее.

Многое зависит от вида применяемого источника нагревания. Вода вскипает через разный временной промежуток, если для ее нагрева используется газовая или электрическая плита.

При скольки градусах вскипает?

На газовой плите вода в таре для варки закипает что с открытой, что с закрытой крышкой при одном и том же температурном значении. Она составляет 100 С.

Крышка влияет на скорость вскипания. За счет нее между паром и водой сохраняется нужный теплообмен. Крышка задерживает нагретый воздух над водой.

Его молекулы не улетучиваются и не уносят энергию, которая была затрачена на нагрев. Она возвращается обратно в воду, и она быстрее достигает 100 С, после чего начинает кипеть.

При открытой крышке молекулы воздуха активно улетучиваются в помещение. Водная поверхность быстрее теряет энергию, идущую на ее нагрев.

Она не возвращается обратно в нее. Из-за этого она дольше достигает температуры в 100 С.

Вода закипает в таре на электроплите что с открытой, что с закрытой крышкой при 100 С. Как и в случае с газовой плитой играет роль не разный температурный показатель кипения воды, а теплообмен.

При закрытой крышке пар над водой интенсивнее передает ей энергию. Она быстрее достигает 100-градусного значения. При открытой крышке теплообмен низкий. Большая часть энергии улетучивается в пространство.

Как понять, что жидкость кипит?

По мере приближения к точке кипения в воде появляется все больше пузырьков. Сначала их можно увидеть на стенках сосуда, а потом они начинают всплывать на поверхность, отчего она становится неровной. Пропустить этот момент сложно из-за характерного бурления.

Присмотревшись, над поверхностью воды можно будет увидеть поднимающийся пар. Если нет цели заставить воду выкипать, стоит снять её с плиты.

Даже спустя некоторое время после этого испарение будет продолжаться, потому что температура не сразу опустится ниже точки кипения. Например, от чашки горячего чая еще некоторое время идет пар.

Чем закрыть батареи отопления

Характеристики кипения воды

Изменение агрегатного состояния при повышении температуры

Если воду нагревать в открытой емкости, она закипит при температуре 100 °C. Если измерять температуру кипящей воды, окажется, что она остается равной 100 °C пока не испарится последняя капля. Таким образом, постоянное потребление тепла используется для полного испарения воды, т. е. изменения ее агрегатного состояния. Эта энергия также называется латентной (скрытой) теплотой. Если подача тепла продолжается, температура образовавшегося пара снова начнет подниматься.

Описанный процесс приведен при давлении воздуха 101,3 кПа у поверхности воды. При любом другом давлении воздуха точка кипения воды сдвигается от 100 °C.

Если бы мы повторили описанный эксперимент на высоте 3000 м. — мы бы обнаружили, что вода там закипает уже при 90 °C. Причиной такого поведения является понижение атмосферного давления с высотой.

Чем ниже давление на поверхности воды, тем ниже будет температура кипения. И наоборот, температура кипения будет выше при повышении давления на поверхности воды. Это свойство используется, например, в скороварках.

График справа показывает зависимость температуры кипения воды от давления.

Температура кипения воды как функция давления

Давление в системах отопления намеренно повышается. Это помогает предотвратить образование пузырьков газа в критических рабочих режимах, а также предотвращает попадание наружного воздуха в систему.

Тепловые процессы при нагревании и охлаждении

Все фазовые переходы, а также процессы нагревания и остывания вещества можно отобразить графически. Посмотрите на график фазовых переходов вещества:

Он показывает зависимость температуры вещества от времени в процессе его нагревания и остывания. Опишем процессы, отображаемые на графике, в таблице.

Устройство	Полезная энергия (работа), затраченная энергия (полная работа)	КПД
Электронагреватель, электроплитка, электрочайник, кипятильник.
Газовая горелка, паровая турбина, спиртовка, плавильная печь.
Ружье с пороховым зарядом, пушка

с_т — удельная теплоемкость вещества в твердом состоянии.

с_ж — удельная теплоемкость вещества в жидком состоянии.

с_п — удельная теплоемкость вещества в газообразном состоянии.

Внимание! На участках 2–3 и 9–10 вещество частично находится в жидком и твердом состояниях, а на 4–5 и 7–8 — в жидком и газообразном

Частные случаи тепловых процессов

Процесс	Что происходит	Количество выделенной теплоты
1–2	Нагревание твердого тела
2–3	Плавление при температуре плавления (tпл)
4–5	Кипение при температуре кипения (tкип)
6–7	Охлаждение пара
7–8	Кипение при температуре кипения (tкип)
9–10	Отвердевание при температуре плавления (tпл)

c_л — удельная теплоемкость льда, tл — начальная температура льда.

c_в — удельная теплоемкость воды.

Подсказки к задачам

Единицы измерения
Температуру можно оставлять в градусах Цельсия, так как изменение температуры в градусах Цельсия равно изменению температуры в Кельвинах.
Кипяток
Вода, которая при нормальном атмосферном давлении имеет температуру в 100 оС.
Объем воды 5 л

m = 5 кг, так как:m=ρV=103·5·10−3м3=5кг Внимание! Равенство V (л) = m (кг) справедливо только для воды.

Пример №1. Какое количество теплоты нужно сообщить льду массой 2 кг, находящемуся при температуре –10 оС, чтобы превратить его в воду и нагреть ее до температуры +30 оС?

Можно выделить три тепловых процесса:

1. Нагревание льда до температуры плавления.
2. Плавление льда.
3. Нагревание воды до указанной температуры.

Поэтому количество теплоты будет равно сумме количеств теплоты для каждого из этих процессов:

Удельные теплоемкости и удельную теплоту плавления смотрим в таблицах:

• Удельная теплоемкость льда = 2050 Дж/(кг∙К).
• Удельная теплоемкость воды = 4200 Дж/(кг∙К).
• Удельная теплота плавления льда = 333,5∙103 Дж/кг.

Молекулы воды требуют больше места

Причиной тому, что происходят эти процессы расширения и сжатия различных веществ, являются молекулы. Те из них, которые получают больше энергии (это происходит в теплом помещении), двигаются намного быстрее, чем молекулы, находящиеся в холодном помещении. Частицы, которые имеют большую энергию, сталкиваются намного активнее и чаще, им необходимо больше места для движения. Чтобы сдержать то давление, которое оказывают молекулы, материал начинает увеличиваться в размерах. Причем это происходит достаточно стремительно. Итак, вода при замерзании расширяется или сжимается? Почему это происходит?

Вода не подчиняется этим правилам. Если мы начинаем охлаждать воду до четырех градусов Цельсия, то она уменьшает свой объем. Но если температура продолжает падать, то вода вдруг начинает расширяться! Существует такое свойство, как аномалия плотности воды. Это свойство возникает при температуре в четыре градуса Цельсия.

Теперь, когда мы выяснили, расширяется или сжимается вода при замерзании, давайте узнаем, как вообще возникает эта аномалия. Причина таится в частицах, из которых она состоит. Молекула воды создана из двух атомов водорода и одного – кислорода. Формулу воды все знают еще с начальных классов. Атомы в этой молекуле притягивают электроны по-разному. У водорода создается положительный центр тяжести, а у кислорода, наоборот – отрицательный. Когда молекулы воды сталкиваются друг с другом, то атомы водорода одной молекулы переходят на атом кислорода совершенно другой молекулы. Этот феномен называется водородной связью.

Почему у прохладной вес больше, чем у теплой?

Масса у прохладной воды больше, чем у разогретой, по той причине, что при нагревании ускоряется процесс движения молекул.

Они активнее взаимодействуют друг с другом, постоянно сталкиваясь и разлетаясь в противоположные направления.

Из-за этого расстояние между водными молекулами становится больше, и их самих меньше. Все это сказывается на уменьшении плотности.

В прохладной молекулярные частицы не особо подвижны. От этого она более плотная. Межмолекулярное расстояние небольшое. Они мало взаимодействуют друг с другом.

Некоторые люди полагают, что теплая весит больше прохладной. Это ошибочное утверждение. Кто-то считает, что поскольку нагретая вода занимает больший объем, чем ненагретая, то и весит от этого больше.

Но горячая только лишь распределяется по всему объему емкости и поднимается вверх. При этом она делается менее плотной.

Также некоторые исходят из собственных физических ощущений, поскольку кипяток нагревает емкость, а также обжигает кожу. Все это создает ощущение его большего веса по сравнению с нетеплой водой.

Давление

Определение давления
Давление — это статическое давление жидкостей и газов, измеренное в сосудах, трубопроводах относительно атмосферного
давления (Па, мбар, бар).

Статическое давление
Статическое давление — это давление неподвижной жидкости.
Статическое давление = уровень выше соответствующей точки измерения + начальное давление в расширительном баке.

Динамическое давление
Динамическое давление — это давление движущегося потока жидкости.

Давление нагнетания насоса
Это давление на выходе центробежного насоса во время его работы.

Перепад давления
Давление, развиваемое центробежным насосом для преодоления общего сопротивления системы. Оно измеряется между входом и выходом центробежного насоса.

Рабочее давление
Давление, имеющееся в системе при работе насоса.

Допустимое рабочее давление
Максимальное значение рабочего давления, допускаемого из условий безопасности работы насоса и системы.

Интересный феномен

Горячая вода замерзает быстрее холодной. Если мы возьмем два одинаковых стакана и нальем в один горячей воды, а в другой столько же холодной, то мы заметим, что горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная. Это не логично, согласитесь? Горячей воде нужно остыть, чтобы начинать замерзать, а холодной этого не нужно. Как объяснить данный факт? Ученые по сей день не могут объяснить эту загадку. Данный феномен имеет название «Эффект Мпембы». Открыт был в 1963 году ученым из Танзании при необычном стечении обстоятельств. Студент хотел сделать себе мороженое и заметил, что горячая вода замерзает быстрее. Об этом он поделился со своим учителем физики, который сначала не поверил ему.

С какой силой расширяются вещества при нагреве?

.. вопрос в том не затратиться ли на тепло больше энергии, чем …..

Затратится. Обязательно затратится… …Попробую объяснить в том-же стиле, в котором объяснял дочке когда-то…)))) Итак, мы знаем, что температура — ото хаотичное движение частиц.Т.е., атомы дёргаются»туда-сюда»… Мы трогаем пальцами тело… Его дёргающиеся атомы толкаются с атомами наших пальцев и они тоже начинают дёргаться… Мы чувствуем тепло. Чем больше мы подведём энергии (тепла), тем сильнее они будут дёргаться. (Это и есть температура). При «абсолютном нуле» атомы совсем остановились! Всё. Отвести от них энергию (убрать тепло) нельзя — она закончилась. При этом атомы притянулись друг к другу на наиближайшее расстояние! (Ничего не мешает им это сделать)… Начинаем подводить энергию (нагревать). Атомы получают энергию… (В чистом виде, а не в тех, которые ощущаются нашими органами чувств. ). Что они могут с ней делать. Только двигаться. (Они больше ничего не умеют)) ) Итак, получая её, они начинают «шевелиться»… Сперва чуть-чуть…Потом всё сильнее и сильнее… Амплитуда возрастает…На это им нужно больше места… И постепенно, они «расшатываются», увеличивая расстояние между собой… (Тепловое расширение)… Если подводить энергию дальше (продолжать греть), то неизбежно наступит тот момент, когда эта их тряска разрушит кристаллическую решётку. Атомы накопят столько энергии, что преодолеют гравитационные силы и оторвутся друг от друга. (Переход в другое агрегатное состояние — ЖИДКОСТЬ. ). Если и дальше греть — они уже не дёргаются!! Они уже летают, «сталкиваются и рикошетят»… И наступит тот момент, когда их энергия позволит им разлетаться друг от друга на вообще огромные расстояния (ГАЗ. )

А энергия-то, которую мы подводили (тепло)… ОНА НИКУДА НЕ ДЕЛАСЬ. Она была просто «поделена между частицами) и каждая частица обладает её частью. (Потому и летает!)))). Теоретически её можно забрать у них обратно…И они потихоньку будут терять свою скорость… (А что они ещё могут терять при неизменной массе. ))))). По мере отвода энергии они будут сближаться… Всё «поехало обратно»… …И вот они опять «слиплись» в кристаллическую решётку (Но всё ещё немного дёргаются… Мы пока не всю энергию у них отобрали… Поэтому гравитационные силы не могут их притянуть совсем уж «до упора друг в друга» (Тело расширено)… Но вот мы отобрали всю… Она у них закончилась… Дёргаться у них уже нет сил. (При чём, в прямом смысле! Чтобы приложить СИЛУ, необходимо затратить ЭНЕРГИЮ! А её у них уже нет. )))). Гравитация радостно стянула их друг к другу, пока не слиплись… Всё. Покой. ОБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ. -273. … По проклятому Цельсию. ….)))))))

Так вот… Энергия НИКУДА НЕ ДЕЛАСЬ. Её не стало нибольше, ни меньше. Сколько мы «влили», столько и отвели потом. А вот, если бы отвели раньше… Если бы в середине этого процесса мы отобрали у атомов энергию посредством механики, а не тепла, то они просто, потеряв её, быстрее сблизились бы….(Тело остыло).

Я к чему… Энергия — она и есть энергия. Это для наших органов чувств она может быть механической, или тепловой… Для атомов же она одинакова!! (На их уровне «тепло» — это движение! ) И когда тело, расширяясь, выполнит какую-то работу — ото означает отвод ПОДВЕДЁННОЙ ВАМИ РАНЕЕ энергии. Тело при этом ОСТЫВАЕТ. … П.С. Как пример… Летящая пуля обладает энергией! Резко её остановите. (Удар в броню). Энергия, которая до этого тратилась на полёт пули дальше не может обеспечивать этот полёт. Но атомы пули обладают этой энергией.. И они начнут её использовать единственным доступным им методом: двигаться — пуля раскалится. П.П.С. Предваряю: не путайте понятия «энергия», «сила» и «работа». Эти понятия разные. Хоть и связанные… (Просто, большинство «Перпетуммобилистов» как раз этим и грешат….

Способы посадки

Есть несколько способов посадки смородины. На каком из них остановиться – дело вкуса. Некоторые приносят больше урожая, но требуют и большей заботы.

Классический

Используя традиционный способ, кустики высаживают под углом 45-60 градусов. Проследите за тем, чтобы корневая шейка оказалась заглубленной сантиметров на десять.

Веерный

При этом варианте выращивания ветки будут крепиться на укороченных шпалерах. Кусты сажают вертикально, как и при традиционном способе. Почву вокруг уплотняют, а стебли обрезают наполовину.

Шпалерный

При применении этого способа, в день посадки удаляют все прикорневые почки и побеги. Сажают вертикально, заглубляя корневую шейку на ту же глубину.

Опыт 3.

Определи, имеет ли чистая вода запах.

Цель опыта определить имеет ли вода запах.

Понюхаем воду в стакане. Никакого запаха мы не ощущаем.

Вывод: вода не имеет запаха.

Опыт 4. Насыпь в один стакан с водой немного соли, а в другой столько же измельчённого мела. Помешай. Что произошло? О чём говорит этот опыт?

Цель опыта определить, может ли вода растворять различные вещества.

Поместим в стакан с водой немного соли и размешаем. Соль исчезла, она растворилась в воде. В другой стакан бросим измельчённый мел и размешаем. Мел не растворился.

Вывод: вода может растворять многие вещества, но не всё.

Опыт 5. Из специальной бумаги по рисунку-инструкции сделай фильтр. Пропусти через фильтр загрязнённую воду. Что наблюдаешь?

Цель опыта проверить, можно ли очистить загрязнённую воду.

Нальём в стакан загрязнённую воду чрез бумажный фильтр. Вода в стакане окажется чистой, а фильтр станет грязным.

Вывод: воду можно очистить от примесей с помощью фильтров.

Опыт 6. Колбу с трубкой, заполненную подкрашенной водой, опустим в горячую воду. Мы увидим, что вода в трубке поднимается. Почему?

Цель опыта узнать, как ведёт себя вода при нагревании.

Колбу с водой поставим в горячую воду и увидим, что вода в колбе поднимается.

Вывод: при нагревании вода расширяется, так как частицы воды начинают двигаться быстрее.

Опыт 7. Ту же колбу поставим в тарелку со льдом. Вода в трубке опускается. Как ты это объяснишь?

Цель опыта узнать, как ведёт себя вода при охлаждении.

Колбу с водой поставим в тарелку со льдом. Вода в колбе опускается.

Вывод: при охлаждении вода сжимается, так как частицы воды начинают двигаться медленнее.

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°:

1. Пониженное атмосферное давление (наблюдается в горной местности) – t° уменьшается.
2. Повышенное атмосферное давление (наблюдается в шахте) – t° наоборот увеличивается.
3. 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.
4. 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.

Таблица № 1. «Температура кипения воды от давления».

Что происходит	График	Формула количества теплоты
Полностью растопили лед, имеющий отрицательную температуру.
Лед, взятый при отрицательной температуре, превратили в воду при комнатной температуре.
Взяли лед при температуре 0 оС и полностью испарили.
Взяли воду при комнатной температуре и половину превратили в пар.

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.

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
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.

1. низкий;
2. средний;
3. высокий;
4. сверхвысокий;
5. экстремальный;
6. космическое пространство;
7. абсолютный.

Температура кипения воды в вакууме зависит от того, какое давление в нём.

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.

Увеличение и уменьшение объема

Изменение объема воды

Когда вода нагревается или охлаждается, ее плотность уменьшается.

Все природные материалы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Единственным исключением из этого правила является вода. Это уникальное ее свойство называется аномалией воды.

Вода имеет наибольшую плотность при +4 °C, при которой 1 дм3 = 1 л имеет массу 1 кг.
Если вода нагревается или охлаждается относительно этой точки, ее объем увеличивается, что означает уменьшение плотности, т. е. вода становится легче.

Это можно отчетливо наблюдать на примере резервуара с точкой перелива.

В резервуаре находится ровно 1000 см3 воды с температурой +4 °C. При нагревании воды некоторое количество выльется из резервуара в мерную емкость. Если нагреть воду до 90 °C, в мерную емкость выльется ровно 35,95 см3, что соответствует 34,7 г.

Как ускорить?

Чтобы в емкости быстрее образовался кипяток, можно использовать следующие способы:

1. Накрыть кастрюлю крышкой. Самый действенный вариант. Крышка не позволит теплу уходить в помещение. Теплоотдача останется высокой. Воде потребуется меньше времени для закипания.
2. Использовать кастрюлю с широким днищем. Чем больше диаметр емкости, тем скорее в ней начнется процесс кипения. В таре с широким дном нагрев более равномерный.
3. Использовать самую большую по размеру газовую или электрическую конфорку. Чем больше по диаметру нагревательный источник, тем интенсивнее будет прогреваться дно емкости.

Соль не ускоряет закипание воды. Она лишь вызывает кратковременный эффект появления пузырьков в ней. Особенно это видно при добавлении соли в уже сильно нагретую воду. Но на время ее закипания это не влияет.

Справка

Этот калькулятор высчитает сколько денег, электроэнергии и времени тратится на нагрев воды. Вам не потребуется ни формул, ни коэффициентов: просто введите ваши данные и получите ответ.

Для расчета потребленной электроэнергии надо указать температуру холодной и горячей воды, а также её объём (массу). Вы можете указать КПД нагревательного прибора, если он вам известен. Если задать КПД 100%, то расчет покажет только полезную мощность затраченную на нагрев воды. При указании реального КПД расчет выдаст полную мощность потребленную от сети.

Чтобы высчитать полную стоимость нагрева воды, необходимо задать ваш тариф на электроэнергию в рублях.

Чтобы оценить сколько времени занимает нагрев, укажите мощность электроприбора, которым вы греете воду, в киловаттах (кВт). Мощность часто указана на корпусе прибора, а также в его руководстве по эксплуатации или паспорте.

Примеры

Кипячение воды в электрочайнике

Обычно я наливаю в чайник воду комнатной температуры 20°C до отметки 1 литр и всегда довожу до кипения (до 100 градусов). Мощность чайника 2 кВт. Простейший расчет показывает, что на кипячение потратится примерно 0,1 кВт ч (киловатт часов) электроэнергии, 3 минуты времени, и, по московским тарифам, пятьдесят копеек денег.

Значит, каждое чаепитие прибавляет пол рубля в счет за электроэнергию, но это значительно меньше цены порции чая или кофе.

Подогрев воды в накопительном водонагревателе

Принимая душ, я каждый раз полностью опустошаю всю горячую воду из накопительного нагревателя, потому как в конце вода становится холодной. Зимой нагреватель греет холодную водопроводную воду от 5 до 45 градусов. Объем бачка 80 литров. При мощности тэнов 2 кВт, свежая вода в бачке будет нагреваться 2 часа, при этом потратится примерно 4 кВт электроэнергии и 20 рублей денег на её оплату. Летом вода греется от 18 до 45.

Значит, зимой каждое принятие душа обходится семейной казне в 20 рублей, а летом — в 15 рублей, если не считать стоимость холодной воды.

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:

1. Появление небольших пузырьков вдоль стенок сосуда. Их количество стремительно увеличивается.
2. Массовый подъем пузырьков и увлечения их объема. Помутнение воды, затем «побеление».
3. 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.

Что это за явление?

Кипение — это процесс перехода воды из жидкого агрегатного состояния в газообразное, то есть ее превращение в пар.

От обычного испарения оно отличается высокой степенью интенсивности: если на испарение воды может потребоваться несколько дней или недель, то выкипеть такой же ее объем сможет за считанные часы.

При необходимости ёмкость можно прикрыть, тогда часть пара будет конденсироваться обратно, становясь капельками воды.

Процесс кипения условно можно разделить на два этапа:

1. сначала вода нагревается до нужной температуры (при нормальном атмосферном давлении — это 100 градусов Цельсия),
2. потом происходит её превращение в пар, в течение которого показания термометра уже не меняются.

Однако источник тепла нужен даже на этой стадии, ведь парообразование тоже требует энергетических затрат.

Теплофизические свойства воды на линии насыщения (100…370°С)

В таблице представлены теплофизические свойства воды H₂O на линии насыщения в зависимости от температуры (в диапазоне от 100 до 370°С). Каждому значению температуры, при которой вода находится в состоянии насыщения, соответствует давление ее насыщенного пара. При этих параметрах жидкость и ее пар находятся в состоянии насыщения или термодинамического равновесия.

В таблице даны следующие теплофизические свойства воды в состоянии насыщенной жидкости:

• давление насыщенного пара при указанной температуре p, Па;
• плотность воды ρ, кг/м 3 ;
• удельная энтальпия воды h, кДж/кг;
• удельная (массовая) теплоемкость C_p, кДж/(кг·град);
• теплопроводность λ, Вт/(м·град);
• температуропроводность a, м 2 /с;
• вязкость динамическая μ, Па·с;
• вязкость кинематическая ν, м 2 /с;
• коэффициент теплового объемного расширения β, К -1 ;
• коэффициент поверхностного натяжения σ, Н/м;
• число Прандтля Pr.

Свойства воды на линии насыщения имеют зависимость от температуры. Ее влияние особенно сказывается на вязкости воды — динамическая вязкость H₂O при повышении температуры значительно снижается. Если, при температуре 100°С значение этого свойства воды в состоянии насыщения равно 282,5·10 -6 Па·с, то при температуре, равной, например 370°С, динамическая вязкость снижается до величины 56,9·10 -6 Па·с.

Другие свойства воды такие, как плотность, теплопроводность, удельная теплоемкость, температуропроводность при росте ее температуры имеют тенденцию к снижению своих значений. Например, плотность воды уменьшается с 958,4 до 450,5 кг/м 3 при нагревании со 100 до 370°С.

Теплопроводность воды в состоянии насыщения при увеличении температуры также снижается (в отличие от нормальных условий и температуре до 100°С, при которых имеет место ее рост в процессе нагрева). Снижение теплопроводности связано с увеличением как температуры, так и давления насыщенной жидкости.

Следует отметить, что удельная энтальпия воды в зависимости от температуры значительно увеличивается при нагревании, как до температуры кипения, так и выше.

Источник