Почему температура кипения воды в горах отличается от равнины?

В горах часто можно наблюдать интересный феномен - вода закипает при температуре значительно ниже 100°C. Это связано с особенностями физики процесса кипения. Давайте разберемся!

Физические основы кипения жидкостей

В физике кипением называют процесс перехода жидкости в газообразное состояние. При этом в жидкости образуются пузырьки насыщенного пара, которые поднимаются на поверхность. Кипение начинается, когда давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению.

Согласно уравнению Клапейрона-Клаузиуса, с ростом внешнего давления температура кипения повышается , а с его понижением - соответственно снижается :

T_кип = К × P_вн

Где T_кип - температура кипения жидкости, К - коэффициент пропорциональности, P_вн - внешнее давление.

В горах атмосферное давление значительно ниже, чем на равнинах, поскольку воздух там более разреженный. Поэтому в соответствии с приведенным уравнением вода в горах закипает при более низких температурах.

Например, на высоте 5642 м (гора Эльбрус) вода уже кипит при +82°C. А на высоте 8848 м (Эверест) - всего при +69°C! Для сравнения: самые низкие из известных температур кипения у гелия (-268°C), а самые высокие - у вольфрама (+5930°C).

Помимо давления, на температуру кипения жидкости влияет и ее состав. Например, чтобы закипятить морскую воду, требуется более высокая температура из-за высокого содержания солей. Примерное правило: повышение концентрации солей в воде на 60 г/л увеличивает температуру ее кипения на 10°C.

Практические следствия пониженного кипения в горах

Из-за более низкой температуры кипения в горах возникает ряд практических проблем и особенностей.

• Во-первых, это затрудняет процесс приготовления пищи в походных условиях. Чтобы сварить суп или макароны, воду часто приходится доводить до температуры выше 100°C для того, чтобы она хотя бы закипела.
• Во-вторых, при использовании термосов или закрытых кипятильников вода внутри может сильно перегреться, не закипая при этом. Это чревато ожогами при открывании сосуда и выходе перегретого пара.
• В-третьих, по температуре кипения воды в полевых условиях можно приблизительно определить высоту над уровнем моря, на которой находишься. Каждое снижение температуры кипения на 1°C соответствует подъему на 300 метров по вертикали. Это полезно знать туристам и альпинистам.

Чтобы быстрее закипятить воду в горах, опытные путешественники рекомендуют использовать специальные приспособления вроде скороварок, увеличивающих давление пара над водой. Также помогают дополнительные источники тепла вроде горючего в полевой горелке.

Однако перегрев воды выше +90°С все равно требует осторожности из-за опасности получения ожогов. При открывании емкости происходит мгновенное вскипание перегретой воды с брызгами и выбросом пара.

Помимо пониженного кипения в горах, существует еще несколько удивительных аномалий, связанных с этим процессом.

Сверхнагретая вода выше 100°C без кипения

Оказывается, воду можно нагреть до температуры выше 100°C, и при этом она не будет кипеть. Это происходит, если вода находится в очень чистом и гладком сосуде без центров парообразования.

Однако при малейшем толчке или встряхивании сверхнагретая вода мгновенно вскипает. Эффект иногда используют фокусники в своих трюках и розыгрышах неосторожных зрителей.

Мгновенное вскипание воды при комнатной температуре

Если поместить обычную воду в вакуум, она может закипеть даже при комнатной температуре. Достаточно резко понизить внешнее давление до 0,03 атм - и начнется бурление пузырьков пара в холодной воде.

Этот эффект часто демонстрируют в шоу научных развлечений. Зрелище кипящей холодной воды неизменно вызывает изумление у публики.

Фракционная перегонка сверхчистых жидкостей

Оказывается, у сверхчистых, обезвоженных органических жидкостей температура кипения может существенно отличаться от табличных значений для обычных образцов.

Например, химически чистый бензол можно фракционно перегнать в диапазоне температур от +90°C до +118°C. Это объясняют накоплением в жидкости особых ассоциатов молекул.