Кипение: что это, свойства, измерения, интересные факты

В этой статье поговорим о кипении, разберём стадии этого процесса и узнаем, как происходит измерение кипения. Значение кипения для человечества выходит далеко за рамки школьного учебника физики и играет фундаментальную роль в нашей цивилизации. Оно оказывает глубокое влияние на все аспекты нашей жизни, от повседневной кулинарии до сложнейших промышленных технологий и научных исследований.

Что собой представляет кипение?

Кипение – это интенсивный процесс парообразования, происходящий внутри жидкости и на её поверхности при определённой температуре, называемой температурой кипения. Для перехода воды из жидкого в газообразное состояние (испарения) молекулам воды необходима дополнительная энергия, получаемая из внешнего источника тепла, например, огня, плиты или микроволновой печи. Получается, с помощью того же твердотельного термостата это действие невозможно.

При кипении температура жидкости остаётся постоянной, пока вся жидкость не перейдёт в парообразное состояние. Поглощаемая жидкостью тепловая энергия расходуется на преодоление сил межмолекулярного взаимодействия и переход молекул из жидкого состояния в газообразное (на изменение энтальпии парообразования).

Процесс образования пузырьков начинается с зародышей парообразования – микроскопических неоднородностей на поверхности сосуда, или включений в самой жидкости. На этих зародышах образуются небольшие пузырьки пара, которые при достижении определённого размера отрываются и всплывают на поверхность. Стоит отметить, что процесс образования пузырьков характерен не только для кипения, ещё, например, для взаимодействия муравьиной кислоты, безопасность которой относительна, с цинком.

Стадии кипения воды

Кипение воды – это не мгновенный процесс, а последовательность стадий, каждая из которых характеризуется своими особенностями. Наблюдение за этими стадиями позволяет лучше понять физические процессы, происходящие при нагревании жидкости. Начальная стадия – нагрев. Вода поглощает тепловую энергию, её температура постепенно повышается. Как мы уже говорили выше, необходим источник тепла, например, лабораторная плитка, применение которая находит даже на кухне.

По достижении определённой температуры (ниже точки кипения) в воде начинают образовываться небольшие пузырьки. Это вторая стадия. Это не пар, а растворённые в воде газы (в основном, кислород и азот), которые при нагревании теряют растворимость и выделяются. Эти пузырьки поднимаются к поверхности и лопаются. Эта стадия не является кипением, хотя визуально может показаться, что вода начинает «кипеть».

Третья стадия – нуклеация. По достижении точки кипения (100 градусов при нормальном атмосферном давлении) в воде начинают образовываться пузырьки водяного пара. Четвёртая стадия – активное кипение. На этой стадии образуется большое количество паровых пузырьков. При дальнейшем увеличении мощности нагрева начинается пятая стадия – кипение с бурным парообразованием. Не забывайте, что не вся лабораторная посуда, купить которую можно у нас, подходит для таких манипуляций.

Как происходит измерение?

Измерение температуры кипения, как и уход за лабораторной посудой из пластика, цена которой на нашем сайте вполне демократична, кажется простым. Однако на деле довольно это тонкий процесс, зависящий от нескольких факторов. Кипение – это фазовый переход вещества из жидкого состояния в газообразное. Это происходит при достижении определённой температуры, называемой температурой кипения. Однако она не является постоянной величиной и зависит от нескольких параметров.

Использование термометра – наиболее распространённый метод. Термометр помещают в жидкость, которую необходимо нагревать. Важно обеспечить хороший теплообмен между термометром и жидкостью, для чего термометр должен быть полностью погружён в жидкость. Ещё один метод – дифференциальный сканирующий калориметр. ДСК измеряет тепловой поток, необходимый для поддержания постоянной скорости нагревания образца. Резкий скачок теплового потока указывает на температуру кипения.

Эбулиоскопия основана на измерении повышения температуры кипения растворителя при добавлении в него растворённого вещества. По изменению температуры кипения можно определить молярную массу растворённого вещества. Стоит отметить, что слишком быстрое нагревание может привести к перегреву жидкости, что исказит результаты измерения. Поэтому нагревание должно происходить плавно и равномерно.

Интересные факты кипения

Кипение – процесс, знакомый каждому с детства. Однако за кажущейся простотой скрываются интересные и порой неожиданные явления. Температура кипения – не константа. Мы привыкли считать, что вода кипит при 100 градусов Цельсия. Но это верно только при нормальном атмосферном давлении. На высоте, где давление ниже, вода закипит при более низкой температуре. На вершине Эвереста, например, она закипит уже при 70 градусах! И, наоборот, под высоким давлением температура кипения повышается.

В идеально чистой посуде, без каких-либо зародышей кристаллизации (например, пылинок или царапин), вода может перегреться. Это значит, что её температура превысит точку кипения, но кипение не начнётся. При малейшем возмущении, например, при добавлении крупинки соли или перемешивании, происходит мгновенное и бурное закипание, которое может привести к выбросу кипятка.

Звучит парадоксально, но ледяная вода тоже может закипеть! При очень низком давлении, даже лёд может перейти в газообразное состояние, минуя жидкую фазу – это явление называется сублимацией. Вообще, куда не посмотри в лаборатории, обо всём можно изложить интересные факты. Например, колба Бунзена, купить в интернет-магазине которую можно у нас, была названа в честь немецкого химика Роберта Бунзена, а чашка Петри – в честь немецкого бактериолога Юлиуса Рихарда Петри.