Что происходит с водой в вакууме
Перейти к содержимому

Что происходит с водой в вакууме

  • автор:

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!

Особенности кипения жидкости в вакууме

Всем известно, что вода закипает при температуре 100 градусов по Цельсию. Но мало кто задумывается, что такая температура кипения воды свойственна при нормальном атмосферном давлении, которое составляет 760 мм рт. ст. А ведь такой показатель, как точка кипения воды зависит от двух параметров – давления и температуры. При изменении одного фактора соответственно меняется второй.

Точка кипения воды в вакууме

Чтобы понять, какими особенностями отличается кипение воды в вакууме, для начала нужно разобраться, что это такое – процесс кипения жидкости как физическое явление. Интенсивное изменение агрегатного состояния жидкости с переходом её в пар, при определённой температуре и давлении, с формированием пузырьков по всему объёму жидкости, в молекулярной физике называют кипением.

Так как вакуум – это закрытое пространство, в котором находиться газ под давлением, значительно ниже атмосферного, температура кипения воды так же изменяется в меньшую сторону. Разреженная среда способствует понижению температуры кипения. Например, понижение давления до 529 мм рт. ст. позволит закипеть воде при температуре всего 90° С. А чтобы преобразование жидкости в пар началось при комнатной температуре, необходимо в закрытом резервуаре с водой создать разряжение, например с помощью вакуумного насоса, до 20 мм рт.ст.

Практическое применение

На практике, такая особенность вакуума, а точнее его пониженного давления очень хорошо проверяется при подъёме в горы. На высоте 4 км над уровнем моря, атмосферное давление настолько ниже нормы, что температура кипения воды составляет всего 87° по Цельсию.

В разных отраслях промышленности, в лабораторных комплексах, в медицине и многих видах производства очень широко распространена технология вакуумной сушки. Из-за низкой точки кипения, и как результата – испарения воды, в специальных сушильных шкафах, после закладки материала, создаётся вакуум и повышается температура. Этот метод сублимированной сушки, основанный на особенностях кипения воды в вакууме, используют при пробоподготовке, проведении анализов, вулканизации, лёгком обжиге и многих других процессах, связанных с дегидратацией.

Вода в космосе замерзнет или испарится?

Жидкая вода в вакууме существовать не может. Без внешнего давления она будет испаряться за счет собственного тепла, пока не замерзнет. То есть часть воды превратится в пар, а часть в лед.

Ото льда в вакууме постоянно отрываются молекулы воды. Этот процесс «сухого» испарения называется сублимацией. При -200 °C сублимация настолько замедляется, что лед сохраняется миллиарды лет.

В таких условиях находятся кометные ядра на периферии Солнечной системы. Но стоит комете приблизиться к Солнцу, его тепло резко ускоряет сублимацию льда и за ядром образуется впечатляющий хвост. Несколько десятков таких приключений — и ото льда ничего не остается.

Что происходит с водой в космосе?

01/04/2013 - 16:51

старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, кандидат физико-математических наук Евгений Михайлович Балдин.

В контексте интереса к космическим двигателям меня интересует следующее — имеются ли данные, испытания, другая информация о превращении молекулы воды (пара) в космосе? Как происходит замерзание, и во что превращается капля воды или молекула?

Замерзание проходит как обычно: на разрыв связей с соседями молекуле воды необходимо потратить энергию, поэтому когда сбежавшая из капли молекула улетает, она понижает температуру покинутого тела. Испарение может происходить одновременно с активным кипением — это зависит от внешнего давления и температуры капли. В конце концов, оставшиеся молекулы, если останутся (это зависит от размера капли), будут вынуждены перейти из жидкого состояния в твёрдое. При низких давлениях (ниже
тройной точки воды — 610 Па) вода может существовать только твёрдом или газообразном состоянии. В условиях вакуума лёд будет продолжать испаряться или иначе сублимироваться, продолжая понижать свою температуру. Для того, чтобы исследовать испарения капли воды в вакууме, нет необходимости выходить в космос — достаточно откачать воздух из объёма и поместить туда каплю.

Фото: анонс — vkusnjasha.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *