Почему вода кипит в вакууме и взрывается при сильном нагреве

15 717
19 мая 2022 в 8:00
Автор: Ян Альшевский

Почему вода кипит в вакууме и взрывается при сильном нагреве

Все давно привыкли к тому, что вода кипит при 100 градусах по Цельсию и превращается в лед, когда температура опускается до уровня ниже 0 градусов. Реальность, правда, такова, что оба утверждения и верны, и неверны одновременно. Да и сама шкала Цельсия не так проста, как кажется: очевидно, что, когда кто-то придумал воду, он не задумывался о появлении на свет спустя много тысячелетий шведа Андерса Цельсия и не подгонял характеристики воды под созданную ученым шкалу.

Но и это еще не все чудные открытия. Не все знают или помнят, что оригинальная шкала Цельсия выглядела иначе. Да, астроном назначил температуре кипения значение в 0 градусов, а таяния льда — в 100. В привычное же нам положение шкалу перевернул Карл Линней почти сразу после смерти Цельсия.

Продолжаем давать простые ответы на сложные вопросы

Ранее мы изучили возможность включить фары на скорости света, рассуждали на тему, сработает ли кока-кола против ржавчины, почему птиц и электриков не бьет током, когда они сидят на проводах, что будет, если Луна упадет на Землю, почему перец острый, действительно ли горячая вода замерзает в холодильнике быстрее, чем холодная и почему в СВЧ-печи взрываются яйца.

Также существуют другие шкалы измерения температур: на слуху фаренгейты и кельвины, хотя есть и множество прочих. Фаренгейты назвали в честь немецкого ученого, который предложил свой вариант в том же веке, что и Цельсий. Белорусу сложно понять, почему температура таяния льда равна +32°F, а кипения — +212. Мы не будем вдаваться в подробности, лишь напомним, что пересекаются фаренгейты и цельсии на уровне −40 градусов. При этом +40 по Фаренгейту — это всего 4 градуса тепла по Цельсию. Магия!

Андерс Цельсий

Кельвины, как и другие «экзотические» шкалы, не используются в повседневной жизни: в данном случае точкой отсчета принимают абсолютный ноль, который выглядит как −273,15 на более привычной нам шкале и −459,67 в фаренгейтах. Так что с кельвинами было бы так: «Дорогой, а сегодня на улице тепло?»«Да, днем обещают 300 градусов в тени». Но вернемся к цельсиям.

Само понятие температуры можно рассматривать как выдуманный феномен: когда-то ученые решили, что температура кипения, например, будет составлять 100 градусов по Цельсию. Это как минимум удобно. Но с таким же успехом это могли быть 200 или 451 градус, просто точкой отсчета выбрали бы что-то иное — и мы точно так же привыкли бы.

К тому же в дело вступают разные законы физики и химии, которые вносят свою лепту. Поэтому, когда говорят о температуре кипения воды, имеют в виду «нормальные условия»: 100 градусов на уровне моря при обычном атмосферном давлении. Так что кипение воды подразумевает определенную температуру при определенном давлении, а не только температуру.

И тут в игру включается «кипяток». Внезапно оказывается, что кипяток, которым называют воду, достигшую точки кипения, в ряде случаев оказывается вполне прохладным. Скалолаз, добравшийся до самой высокой точки Эвереста, обнаружит, что температура бурлящей жидкости составляет всего около 70 градусов по Цельсию — все из-за снижающегося давления, которое и влияет на точку кипения (по этой причине готовка на высоте занимает больше времени). А на «совсем большой» высоте жидкой воды в открытом виде быть не может: она будет закипать моментально (и скоро мы доберемся до условий вакуума).

Работает это и в обратную сторону: по мере погружения под землю давление будет расти, так как атмосферный столб становится выше и тяжелее. Поэтому шахтер, который пробурит дыру к докембрийскому слою, сможет вскипятить чаек при температуре примерно 115 градусов — говорят, что рост составляет около 1 градуса по Цельсию на каждые 300 метров ниже уровня моря. Минск, кстати, местами расположился на высоте около 281 метра над уровнем моря, так что вода здесь закипает чуть быстрее, чем в Неманской низменности.

Все эти игры с давлением позволяют создавать перегретые жидкости — воду, которая ведет себя неправильно. Такая, например, не булькает в скороварках, в которых создается высокое давление, препятствующее кипению с одновременно высокой температурой.

Однако роль играет не только давление, но и состав воды. По этой причине, кстати, вскипяченная и теплая вода может остыть быстрее, нежели некипяченая с более низкой температурой. Причина заключается в избавлении от примесей, которые становятся точками образования кристаллов, когда речь идет о сверхохлажденной воде: если их нет, воде сложнее застыть (но стоит появиться одному кристаллику, и процесс не остановить).

То же касается и перегретой воды — ее проще получить с дистиллированным вариантом, хотя перегреть можно и другие жидкости. Основная проблема в этом случае — резкий выброс энергии (эдакое «взрывное кипение»). Судя по всему, это касается в первую очередь микроволновок с их особенностями передачи энергии объектам внутри: часть воды нагревается до температуры кипения, часть нет. При перемешивании или просто погружении другого объекта в воду «холодный» слой нагревается и моментально вскипает.

Некоторые эксперименты показывают, что при нормальном атмосферном давлении сверхочищенная вода противится кристаллизации до температуры около −48 градусов. Говорят, такую также можно найти в слоистых и кучевых облаках, хотя давление там куда меньше. Пилоты такую воду не жалуют: при контакте с поверхностями самолета она моментально образует лед. И это одна из характеристик переохлажденной воды: она достаточно нестабильна и замерзает быстрее «обычной» — почти моментально.

Если давление снижать, то и точка замерзания сместится вверх: чем ниже давление, тем раньше вода и кипит, и замерзает (при более низкой и более высокой температуре соответственно). Поэтому при определенном уровне давления и температуры вода попросту не сможет стать жидкой, а при нагреве сразу перейдет из твердого состояния в газообразное (мы не рассматриваем другие химические соединения, например «сухой лед»).

Если исходить из сказанного, ответ на вопрос, почему вода кипит в вакууме, напрашивается сам собой: практически полное отсутствие давления опускает точку кипения до минимальных значений. Причина — в накопленной молекулами воды кинетической энергии, готовой выплеснуться (пойти бурбалками, так сказать), но сдерживаемой давлением атмосферы.

Заодно давайте избавимся от заблуждения касательно «пузырьков воздуха» в кипящей воде. На самом деле внутри них вовсе не высвобождаемый «кислород», а пар — те самые разогнавшиеся молекулы воды. Поэтому не стоит опускать кипятильник в аквариум с рыбками.

И еще один важный момент: кипящая в вакууме вода вовсе не горячая, если она не получает дополнительную энергию от внешнего источника (например, плиты). А сбросив «напряжение», ту самую накопленную кинетическую энергию, она начинает еще и остывать: нет воздуха, который передавал бы свое тепло. В обычных условиях кипящая вода также отдает энергию, однако получает ее быстрее, поэтому и нагревается. Чудный мир физики!

15.6" 1920 x 1080 IPS, 60 Гц, несенсорный, AMD Ryzen 5 5600H 3300 МГц, 8 ГБ DDR4, SSD 512 ГБ, видеокарта NVIDIA GeForce GTX 1650 4 ГБ GDDR6, без ОС, цвет крышки черный
15.6" 1920 x 1080 IPS, 144 Гц, несенсорный, Intel Core i5 11400H 2700 МГц, 8 ГБ DDR4, SSD 512 ГБ, видеокарта NVIDIA GeForce RTX 3050 4 ГБ, без ОС, цвет крышки черный
15.6" 1920 x 1080 IPS, 165 Гц, несенсорный, Intel Core i5 10500H 2500 МГц, 16 ГБ DDR4, SSD 512 ГБ, видеокарта NVIDIA GeForce RTX 3050 Ti 4 ГБ, Windows 10, цвет крышки черный

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. ng@onliner.by

Автор: Ян Альшевский