Почему когда кипит вода идут пузырьки

Почему вода при закипании булькает?

Налейте в стакан холодной воды (из "крана") и дайте ей (ему) постоять часа два. Вы увидите, что на стенках стакана осели пузырьки воздуха. Это происходит оттого, что в воде растворимы многие газы (правда различные газы в различной степени). При повышении температуры (вода в стакане чуть нагрелась) растворимость газов уменьшается (обычно в любой воде есть растворенные кислород и азот), и они выделяются в виде пузырьков. В равновесии с водой (и льдом) всегда должен быть водяной пар. Вот вода и испаряется в эти пузырьки, и они увеличиваются в объеме. Когда пузырек становится достаточно большим, он отрывается от той поверхности, на которой образовался. По мере всплывания пузырька столб воды над ним и оказываемое им (столбом воды) давление уменьшаются, и пузырек увеличивается в объеме. Когда он всплыл на самую поверхность воды, то очень короткое время он еще сохраняется в виде пузырька (как мыльные пузыри). У пузырька очень большая поверхность (фактически тоненькая пленка), причем двухсторонняя. Поверхностное натяжение стремится уменьшить поверхность воды, и под его действием пузырек лопается. Давление внутри пузырька здесь не при чем, так как по физическим законам образования пузырька оно в точности равно атмосферному давлению над пузырьком.

IT News

Вы здесь: Главная Познавательное Физика Почему в кипящей воде образуются пузыри пара?

Почему в кипящей воде образуются пузыри пара?

Печать
E-mail

Любая жидкость при нагревании со временем достигает температуры, при которой она начинает кипеть. Во время кипения пузыри пара образуются во всем объеме жидкости, поднимаются на ее поверхность и лопаются, высвобождая горячий пар в воздух. Вода кипит при температуре 100°С (212°F).

При температуре кипения каждая молекула имеет достаточно энергии для преодоления сил, удерживающих ее вместе с другими молекулами в виде жидкости. Например, сосуд с кипящей водой содержит воду в жидком состоянии, которая превращается в водяной пар. Поверхностный водяной пар сразу же покидает кипящую воду. Что касается парообразования в толще воды, то там водяной пар формирует пузыри, каждый из которых, поднимаясь вверх, несет в себе миллиарды молекул воды.

Кипящая вода совершает фазовый переход из жидкого состояния в газообразное в процессе, называющемся парообразованием. Жидкости превращаются в пар и при температурах, меньших температуры кипения, в процессе, называющемся испарением. В отличие от кипения испарение происходит только с поверхности в том случае, когда молекулы имеют достаточно энергии, чтобы покинуть жидкость. Хотя испарение с ростом температуры интенсифицируется, пузыри пара образуются только во время кипения.

Рождение и гибель пузырей

Вода содержит в себе воздух, растворенный или прилипший к попавшим внутрь частицам пыли (рисунок слева). При увеличении температуры воды растворимость воздуха уменьшается, в результате происходит формирование небольших воздушных пузырьков, большинство из которых быстро поднимается вверх и покидает жидкость. Этот процесс не является кипением.
Когда вода приближается к точке кипения, пузыри водяного пара формируются на пылевых частицах и других примесях (так называемых ядрах парообразования). В этих пузырях температура превышает температуру кипения.
Все больше водяного пара проникает в первые пузыри. Но так как окружающая вода все еще слишком холодна, эти пузыри конденсируются во время своего подъема и не достигают поверхности.
Пузыри пара формируются во всем объеме кипящей воды, увеличиваясь в размерах по мере подъема к поверхности. Достигнув поверхности, пузыри лопаются и водяной пар выходит в атмосферу.

Камень для предупреждения выплескивания

Используемые в лабораторной практике дистиллированная вода и другие чистые жидкости, будучи свободными от пыли, недодержат ядер парообразования. В таких жидкостях могут формироваться большие, похожие на пленку пузыри пара, приводящие к опасному выплескиванию кипящей жидкости из сосуда. Специальный пористый камень (снимок справа) предупреждает такое выплескивание, предоставляя свою поверхность для образования многочисленных, постепенно растущих пузырьков пара.

Вы здесь: Главная Познавательное Физика Почему в кипящей воде образуются пузыри пара?

Из чего образуются пузыри при закипании воды?

Если вы когда-нибудь кипятили воду, то наверняка заметили, что при нагревании воды образуются очень маленькие пузырьки, которые поднимаются снизу вверх. Сначала пузырьки немногочисленны, но по мере нагревания воды начинает образовываться все больше пузырьков больших размеров. Дальнейшее повышение температуры приводит к появлению еще более крупных пузырьков, которые образуются довольно часто и сразу же поднимаются вверх. Эта эскалация достигает пика, когда вода начинает кипеть.

Но почему кипящая вода образует пузырьки?

Ответ на этот вопрос связан с химией самой воды. Точнее, это связано со всеми растворенными в воде веществами, а также с характером связи между молекулами воды.

Химические свойства молекул воды

Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O). Оба атома H ковалентно связаны с единственным атомом O. Каждый элемент в природе стремится достичь состояния с минимально возможной энергией. Это состояние достигается путем потери или приобретения электронов для достижения ближайшей конфигурации инертного газа.

Иллюстрация молекулы воды

Атом кислорода имеет шесть электронов в своей валентной (внешней) оболочке. Ближайший инертный газ, неон, имеет восемь электронов в своей валентной оболочке. Таким образом, O имеет сильную тенденцию получить два электрона и достичь стабильной электронной конфигурации (перейти в состояние с наименьшей энергией). Водород имеет один электрон в своей валентной оболочке, в то время как ближайший благородный газ, гелий, имеет два электрона на своей валентной оболочке. Таким образом, H стремится получить один электрон, чтобы достичь стабильной электронной конфигурации.

Оба атома H делят по одному электрону с O, а O делит два электрона, по одному на каждый H. Это ковалентная связь. Кислород имеет сильную тенденцию притягивать к себе общие электроны благодаря свойству, называемому электроотрицательностью. Таким образом, электроны проводят больше времени возле атома O, чем возле атома H, что приводит к частичному отрицательному заряду на O и частичному положительному заряду на H.

Геометрия молекулы воды такова, что заряды не компенсируются, и есть разделение центров заряда (поляризация). Когда две молекулы воды с небольшой поляризацией приближаются друг к другу, частично отрицательный O одной молекулы притягивает частично положительный H другой молекулы, образуя слабую межмолекулярную связь. Это называется водородной связью, и это сила, отвечающая за удержание молекул воды вместе.

Визуализация водородной связи.

Поскольку водородная связь слабая, вода остается жидкой при комнатной температуре, а при повышении температуры молекулы получают больше энергии для преодоления межмолекулярной водородной связи. При 100 °C энергии достаточно для того, чтобы молекулы вырвались на свободу.

Растворенные вещества в воде

Растворение одного вещества в другом возможно только при наличии взаимодействия между молекулами двух веществ. Подобным образом, некоторые газы, например, O₂, CO₂, N₂, NH₃ и SO₂, растворяются в воде, потому что между молекулами воды и молекулами газа существует притягательное взаимодействие.

Есть два способа растворения газов в воде: ван-дер-ваальсова связь и водородная связь.

Гетероядерные молекулы (т.е. имеющие атомы из разных элементов), такие, как NH₃ или CO₂, имеют разницу в электроотрицательности между атомами. N и O более электроотрицательны, чем H и C, соответственно. Таким образом, N и O остаются частично отрицательными, а H и C становятся частично положительными. Это приводит к частичной поляризации молекул NH₃ и CO₂.

Отрицательные концы (N и O) притягиваются к частично положительному H воды; в то же время положительные концы (H и C) притягиваются к частично отрицательному O воды. Это и есть водородная связь. Чем больше поляризация газообразной молекулы, тем лучше она растворяется в воде.

Гомоядерные молекулы (т.е. имеющие атомы одного и того же элемента), такие, как O₂ и N₂, неполярны и плохо растворимы (очень низкая растворимость) в воде. Слабые ван-дер-ваальсовы силы притяжения удерживают эти газы с молекулами воды. Они намного слабее, чем диполь-дипольные взаимодействия.

Слабые силы Ван-дер-Ваальса возникают из-за изменения распределения заряженных электронов вокруг атомов, что приводит к временной индуцированной поляризации.

Растворимость газов в воде уменьшается при повышении температуры.

Последовательность событий при кипении воды

Возьмем жидкую воду при комнатной температуре (25 °С). При этой температуре растворимость O₂ составляет 8,27 мг/л, а CO₂ — 1,5 г/л. При повышении температуры молекулы газа и воды приобретают больше кинетической энергии. Благодаря этой энергии всем молекулам легче преодолеть межмолекулярное притяжение. При температуре 50 °С растворимость O₂ уменьшается до 2,75 мг/л, а растворимость CO₂ — до 0,75 г/л. Это снижение растворимости означает, что газообразные молекулы могут преодолеть слабое межмолекулярное притяжение. Поскольку плотность молекул газа ниже плотности воды, они поднимаются наверх в виде пузырьков. Гомоядерные молекулы, такие как N₂ и O₂, всплывают при низких температурах из-за слабых ван-дер-ваальсовых сил. Дальнейшее повышение температуры приводит к выделению пузырьков полярных молекул, таких как CO₂ и NH₃, которые удерживаются диполь-дипольными взаимодействиями.

Молекулы газа, вырывающиеся из воды.

Это бульканье продолжается до тех пор, пока не будет достигнута точка кипения воды. Нагревание воды происходит не совсем равномерно, то есть существуют области более высоких и более низких температур. При температуре выше 90 °С некоторые молекулы воды вблизи дна получают достаточно энергии для перехода в парообразную фазу. Образуются области газообразной воды, о чем свидетельствуют огромные пузыри, поднимающиеся со дна. Кроме того, из-за энергичного движения молекул конвективный нагрев еще больше повышает температуру. При температуре 100 °С почти все молекулы воды обладают достаточной кинетической энергией для перехода в парообразное состояние, и пузырьки водяного пара начинают стремительно подниматься вверх!

Почему при нагревании воды появляются пузырьки

В самой воде есть кислород, и когда вода начинает кипеть, плюс к этому ещё идёт и испарение, то есть пар выталкивает воздух и образуются, так называемые, пузырьки. Примечательно, что если бы в воде не было воздуха, то соответственно и пузырьков тоже не было бы.

Чтобы вопрос опубликовался, войди или зарегистрируйся

Восстановление пароля

Мы отправили письмо со ссылкой на смену пароля на username@mail.ru.

Если письма нет, проверь папку «Спам».