Среди многочисленных приспособлений для приготовления пищи нередко встречаются очень интересные с точки зрения не только кулинарии, но и физики. Одно из таких устройств – молоковарка –специальная кастрюля для кипячения молока. Она состоит из двух кастрюль, вложенных одна в другую. Между стенками через специальное отверстие заливают воду, а во внутреннюю кастрюлю – молоко (см. рисунки).

При нагревании в такой кастрюле молоко пастеризуется, но не закипает и не «убегает», даже если вода между стенками кастрюль бурно кипит. Возникает вопрос: почему? Ведь молоко примерно на 90% состоит из воды и кипит практически при той же температуре, что и вода. Объяснение этого явления связано с решением старинной задачи «Будет ли кипеть вода в кастрюле, которая плавает в другой кастрюле с кипящей водой?».

Эту задачу и её решение можно встретить, например, в книге «1001 задача по физике». Вот какое решение там приводится. «Очевидно, вода в плавающей кастрюле нагревается до температуры кипения. Однако это ещё не означает, что она закипит: ведь для того, чтобы жидкость, достигшая температуры кипения, и в самом деле закипела, необходим дальнейший подвод теплоты к этой жидкости. Вода в большой кастрюле получает необходимое количество теплоты от нагревателя; вода же в плавающей кастрюле может получить теплоту лишь от воды в большой кастрюле. Однако при достижении температуры кипения теплообмен между жидкостями прекращается, поскольку их температуры становятся одинаковыми. Поэтому вода в плавающей кастрюле кипеть не будет».

Любознательному читателю придёт в голову вопрос о влиянии стенок внутренней кастрюли на кипение воды в ней. Из приведенного решения следует, что это влияние не существенно, так как всё равно теплопередача не происходит. И тогда стенки плавающей кастрюли можно сделать как угодно тонкими или убрать вообще: то есть считать маленькую кастрюлю просто мысленно выделенной частью большой кастрюли! Получается парадокс: без маленькой кастрюли кипит вся вода в большой кастрюле, а с маленькой кастрюлей (даже мысленно выделенной) она кипит не вся.

В чём же разгадка противоречия? Дело в том, что в мысленно выделенной части воды, как и во всём объёме большой кастрюли, вода не кипит тоже! Энциклопедия определяет кипение как «переход жидкости в пар, происходящий с образованием в объёме жидкости пузырьков пара». Поскольку в большой кастрюле пузырьки образуются только в придонном объёме кипящей воды, то и вода кипит только в придонном слое, а во всей остальной толще (с точки зрения физики) наблюдается не кипение, а всплытие образовавшихся около дна пузырьков.

Какова же роль стенок внутренней кастрюли? В том, что поднимающиеся со дна внешней кастрюли пузыри не могут проникнуть в объём, ограниченный стенками внутренний кастрюли. Если этих стенок нет, то пузыри беспрепятственно заполняют весь объём жидкости и создаётся впечатление, что кипит вся вода в кастрюле (бытовое представление о кипении). Тем не менее объёмное кипение можно наблюдать и в быту, например, нагревая воду в микроволновой печи в неметаллических кастрюлях. В этом случае плавающая внутренняя кастрюля от кипения не спасает. Вода будет поглощать микроволны по всему своему объёму и закипит в обеих кастрюлях.

(C) 2010. Эпштейн Вячеслав Григорьевич (г. Харьков)

Каждый знает, что температура кипения воды при обычном атмосферном давлении (около 760 мм рт. ст.) составляет 100 °С. Но не всем известно, что вода может закипать при различной температуре. Точка закипания зависит от ряда факторов. Если срабатывают определенные условия, вода может закипеть и при +70 °С, и при +130 °С, и даже при 300 °С! Рассмотрим причины более подробно.

От чего зависит температура кипения воды?

Закипание воды в емкости происходит по определенному механизму. В процессе нагрева жидкости на стенках емкости, в которую она налита, появляются пузырьки воздуха. Внутри каждого пузырька находится пар. Температура пара в пузырьках изначально значительно выше нагреваемой воды. Но ее давление в этот период выше, чем внутри пузырьков. Пока вода не прогрелась, пар в пузырьках сжимается. Затем под воздействием внешнего давления пузырьки лопаются. Процесс длится до тех пор, пока температуры жидкости и пара в пузырьках не сравняются. Именно теперь шарики с паром могут подняться на поверхность. Вода начинает закипать. Далее процесс нагрева прекращается, так как излишки тепла выводятся паром наружу в атмосферу. Это термодинамическое равновесие. Вспомним физику: давление воды состоит из веса самой жидкости и давления воздуха над сосудом с водой. Таким образом, меняя один из двух параметров (давление жидкости в сосуде и давление атмосферы), можно изменить температуру закипания.

Какова температура кипения воды в горах?

В горах температура кипения жидкости постепенно падает. Это связано с тем, что атмосферное давление при восхождении на гору постепенно понижается. Чтобы вода закипела, давление в пузырьках, которые появляются в процессе нагрева воды, должно быть равным атмосферному. Поэтому с увеличением высоты в горах на каждые 300 м температура кипения воды снижается приблизительно на один градус. Такой кипяток не такой горячий, как кипящая жидкость на равнинной местности. На большой высоте сложно, а иногда и невозможно заварить чай. Зависимость кипения воды от давления выглядит таким образом:

А в других условиях?

А какова температура кипения воды в вакууме? Вакуум представляет собой разреженную среду, в которой давление значительно ниже атмосферного. Температура кипения воды в разреженной среде также зависит от остаточного давления. При давлении в вакууме 0,001 атм. жидкость закипит при 6,7 °С. Обычно остаточное давление составляет около 0,004 атм., поэтому при таком давлении вода закипает при 30 °С. При увеличении давления в разреженной среде, температура кипения жидкости будет повышаться.

Почему в герметической емкости вода кипит при более высокой температуре?

В герметически закрытом сосуде температура кипения жидкости связана с давлением внутри емкости. В процессе нагрева происходит выделение пара, который оседает конденсатом на крышке и стенках сосуда. Таким образом, увеличивается давление внутри сосуда. Например, в скороварке давление достигает 1,04 атм., поэтому жидкость кипит в ней при 120 °С. Обычно в таких емкостях давление можно регулировать при помощи встроенных клапанов, следовательно, и температуру тоже.

Вода, нагретая на уровне моря до 100°С (212°F), начинает кипеть. Это означает, что внутри объема жидкости происходит образование пузырьков водяного пара и подъем их к поверхности. Вода закипает, потому что при данной температуре давление насыщения водяного пара слегка превышает атмосферное давление.

На больших высотах над уровнем моря атмосферное давление существенно уменьшается и вода кипит при более низких температурах. И наоборот, если давление над жидкостью увеличивается, например, когда вода находится ниже уровня моря или в скороварке, кипение происходит при более высокой температуре. Иллюстрация под текстом показывает температуры кипения на различных высотах над уровнем моря.

Фактор тепла и высоты

Ближний график справа показывает взаимосвязь между давлением насыщенного пара и температурой. При высоких температурах давление насыщенного пара быстро растет. Вода закипает, когда давление насыщенного пара начинает слегка превышать атмосферное давление. Именно поэтому при падении атмосферного давления уменьшается и температура кипения. На дальнем графике справа приведена зависимость температуры кипения воды от высоты над уровнем моря. Чем больше высота, тем ниже температура, при которой вода начинает кипеть.

Кинетическая энергия

В процессе перехода воды в газообразное состояние важную роль играет кинетическая энергия (энергия движения) молекул. Когда энергетический уровень высок, многие молекулы испаряются, разрывая связи, удерживающие их в жидком состоянии. При низком давлении (верхний рисунок под текстом) молекулы приобретают достаточно энергии для формирования газовых пузырьков кипения без добавления большого количества тепла. Ближе к уровню моря необходимо больше тепла (красная стрелка на нижнем рисунке под текстом), чтобы парообразование имело место.

Уменьшение времени приготовления пищи

В скороварках, как, например, той, что показана на рисунке справа, создается постоянное повышенное давление. На уровне моря эти герметичные кастрюли увеличивают температуру кипения воды до 121 °С (250°F). Более высокая температура кипения означает, что продукты будут готовиться быстрее, экономя время.

На продольных разрезах вверху показаны механизмы скороварки, предупреждающие чрезмерное повышение давления. Все они - предохранительный клапан (левый рисунок), регулятор давления (средний рисунок) и уплотнение ободка (правый рисунок) - помогают контролировать давление путем выпуска пара в атмосферу.

О чем Эйнштейн рассказал своему повару Вольке Роберт

Почему кипит вода?

Почему кипит вода?

«Я и моя жена никак не можем прийти к согласию вот по какому вопросу: закипит ли вода в кастрюле быстрее, если ее накрыть крышкой? Она говорит, что да, закипит быстрее, потому что без крышки большое количество тепла просто теряется. Я считаю, что закипит позже, потому что крышка повышает давление внутри и точка кипения воды тоже возрастает - будто в скороварке. Так кто из нас прав?»

Ваша жена выиграла, хотя вы тоже отчасти правы.

Когда вода в кастрюле нагревается и ее температура поднимается, над ее поверхностью появляется все больше водяного пара. Так получается потому, что все больше молекул воды на ее поверхности получают достаточно энергии, чтобы «сбежать» из жидкости в воздушную среду. Возрастающий объем водяного пара уносит с собой всевозрастающее количество энергии, которая в другом случае была бы потрачена на дальнейшее нагревание воды. Более того, чем ближе точка кипения, тем больше энергии уносит с собой каждая молекула водяного пара и тем важнее становится задача не потерять эти молекулы. Крышка кастрюли частично блокирует потерю всех этих молекул. Чем плотнее прилегает крышка, тем больше «горячих» молекул останется в кастрюле и тем раньше закипит вода.

Ваше же утверждение, согласно которому благодаря крышке повышается давление внутри кастрюли, словно в скороварке, и, таким образом, повышается точка кипения (соответственно, откладывается и собственно момент закипания), теоретически верно, но в реальности все обстоит иначе. Даже плотно прилегающая тяжелая крышка поднимет давление внутри менее чем на 0,1 %, что, в свою очередь, повысит температуру кипения на сотые доли градуса. Получается, что вы скорее отсрочите момент кипения, гипнотизируя кастрюлю взглядом, нежели накрывая ее крышкой.