Кипение или вскипание — это быстрый фазовый переход из жидкости в газ или пар ; обратный процесс кипения — конденсация . Кипение происходит, когда жидкость нагревается до точки кипения , так что давление паров жидкости становится равным давлению, оказываемому на жидкость окружающей атмосферой. Кипение и испарение — это две основные формы испарения жидкости .
Существует два основных типа кипения: пузырьковое кипение , при котором в дискретных точках образуются небольшие пузырьки пара, и кипение с критическим тепловым потоком , при котором кипящая поверхность нагревается выше определенной критической температуры и на поверхности образуется пленка пара. Переходное кипение — это промежуточная, нестабильная форма кипения с элементами обоих типов. Температура кипения воды составляет 100 °C или 212 °F, но она ниже из-за пониженного атмосферного давления, наблюдаемого на больших высотах.
Кипячение воды используется как метод сделать ее пригодной для питья, убивая микробы и вирусы, которые могут в ней присутствовать. Чувствительность различных микроорганизмов к теплу различна, но если воду выдержать при температуре 100 °C (212 °F) в течение одной минуты, большинство микроорганизмов и вирусов инактивируются. Десяти минут при температуре 70 °C (158 °F) также достаточно для инактивации большинства бактерий. [1]
Кипящая вода также используется в нескольких методах приготовления пищи , включая варку, приготовление на пару и припускание .
Самый низкий тепловой поток, наблюдаемый при кипении, достаточен только для того, чтобы вызвать [естественную конвекцию], где более теплая жидкость поднимается из-за своей немного меньшей плотности. Это состояние возникает только тогда, когда перегрев очень низок, что означает, что горячая поверхность вблизи жидкости имеет почти ту же температуру, что и точка кипения.
Пузырчатое кипение характеризуется ростом пузырьков или хлопков на нагретой поверхности (гетерогенное зародышеобразование), которые поднимаются из отдельных точек на поверхности, температура которых лишь немного выше температуры жидкости. В общем случае число мест зародышеобразования увеличивается с ростом температуры поверхности.
Неровная поверхность кипящего сосуда (т. е. повышенная шероховатость поверхности) или добавки к жидкости (т. е. поверхностно-активные вещества и/или наночастицы ) способствуют пузырьковому кипению в более широком диапазоне температур, [2] [3] [4], в то время как исключительно гладкая поверхность, такая как пластик, сама по себе склонна к перегреву . В этих условиях нагретая жидкость может показывать задержку кипения , и температура может несколько превышать точку кипения без кипения.
Гомогенное зародышеобразование, когда пузырьки образуются из окружающей жидкости, а не на поверхности, может происходить, если жидкость теплее в центре и холоднее на поверхностях контейнера. Это можно сделать, например, в микроволновой печи, которая нагревает воду, а не контейнер.
Критический тепловой поток (CHF) описывает тепловой предел явления, при котором во время нагрева происходит фазовый переход (например, образование пузырьков на металлической поверхности, используемой для нагрева воды ), что внезапно снижает эффективность теплопередачи , тем самым вызывая локальный перегрев поверхности нагрева. Когда поверхность кипения нагревается выше критической температуры, на поверхности образуется пленка пара. Поскольку эта пленка пара гораздо менее способна отводить тепло от поверхности, температура очень быстро повышается за этой точкой в переходный режим кипения . Точка, в которой это происходит, зависит от характеристик кипящей жидкости и рассматриваемой поверхности нагрева. [3]
Переходное кипение можно определить как неустойчивое кипение, которое происходит при температурах поверхности между максимально достижимыми при пузырьковом кипении и минимально достижимыми при пленочном кипении.
Образование пузырьков в нагретой жидкости — сложный физический процесс, который часто включает кавитацию и акустические эффекты, такие как широкополосное шипение, которое можно услышать в чайнике, еще не нагретом до точки кипения, когда пузырьки поднимаются на поверхность.
Если поверхность, нагревающая жидкость, значительно горячее самой жидкости, то будет иметь место пленочное кипение, при котором тонкий слой пара, обладающий низкой теплопроводностью , изолирует поверхность. Это состояние паровой пленки, изолирующей поверхность от жидкости, характеризует пленочное кипение .
«Кипение в бассейне» относится к кипению, при котором нет принудительного конвективного потока. Вместо этого поток происходит из-за градиентов плотности. Он может испытывать любой из режимов, упомянутых выше.
«Кипение потока» происходит, когда кипящая жидкость циркулирует, как правило, по трубам. [5] Его движение может осуществляться насосами, например, на электростанциях, или градиентами плотности, например, в термосифоне или тепловой трубе. Потоки при кипении потока часто характеризуются параметром доли пустот, который указывает долю объема в системе, которая является паром. Можно использовать эту долю и плотности для расчета качества пара , которое относится к массовой доле, которая находится в газовой фазе. Кипение потока может быть очень сложным, с сильным влиянием плотности, скорости потока и теплового потока, а также поверхностного натяжения. Одна и та же система может иметь области, которые являются жидкими, газовыми и двухфазными потоками. Такие двухфазные режимы могут привести к некоторым из лучших коэффициентов теплопередачи любой системы.
Ограниченное кипение относится к кипению в ограниченных геометриях, обычно характеризуемых числом Бонда , которое сравнивает расстояние между зазорами с длиной капилляра. Ограниченные режимы кипения начинают играть важную роль, когда Bo < 0,5. Этот режим кипения доминирует над «пузырьками парового ствола», остающимися после выхода пара. [6] Эти пузырьки действуют как семена для роста пара. Ограниченное кипение обычно имеет более высокий коэффициент теплопередачи, но более низкий CHF, чем кипение в большом объеме. CHF возникает, когда сила импульса пара на двухфазном интерфейсе уравновешивает объединенные силы поверхностного натяжения и гидростатические силы, что приводит к необратимому росту сухого пятна. [7] Ограниченное кипение особенно перспективно для охлаждения электроники.
Температура кипения элемента при заданном давлении является характерным атрибутом элемента. Это также верно для многих простых соединений, включая воду и простые спирты . После начала кипения и при условии, что кипение остается стабильным, а давление постоянным, температура кипящей жидкости остается постоянной. Этот атрибут привел к принятию точек кипения в качестве определения 100 °C.
Смеси летучих жидкостей имеют температуру кипения, характерную для этой смеси, производящей пар с постоянной смесью компонентов - смесь с постоянной температурой кипения . Это свойство позволяет разделять смеси жидкостей или частично разделять их путем кипячения и наиболее известно как средство отделения этанола от воды.
Большинство типов охлаждения и некоторые типы кондиционирования воздуха работают, сжимая газ, чтобы он стал жидким, а затем позволяя ему кипеть. Это поглощает тепло из окружающей среды, охлаждая холодильник или морозильник или охлаждая воздух, поступающий в здание. Типичные жидкости включают пропан , аммиак , углекислый газ или азот .
Как метод дезинфекции воды, доведение ее до точки кипения 100 °C (212 °F) является старейшим и наиболее эффективным способом, поскольку он не влияет на вкус, он эффективен, несмотря на присутствующие в нем загрязняющие вещества или частицы, и представляет собой одноэтапный процесс, который устраняет большинство микробов, ответственных за возникновение заболеваний кишечника . [8] Температура кипения воды составляет 100 °C (212 °F) на уровне моря и при нормальном барометрическом давлении. [9] В местах, где имеется надлежащая система очистки воды , он рекомендуется только как метод экстренной обработки или для получения питьевой воды в дикой местности или в сельской местности, поскольку он не может удалить химические токсины или примеси. [10] [11]
Устранение микроорганизмов путем кипячения следует кинетике первого порядка — при высоких температурах это достигается за меньшее время, а при более низких температурах — за большее время. Тепловая чувствительность микроорганизмов различна: при 70 °C (158 °F) видам Giardia (вызывающим лямблиоз ) может потребоваться десять минут для полной инактивации, большинству кишечных микробов и E. coli ( гастроэнтерит ) требуется менее минуты; при температуре кипения Vibrio cholerae ( холера ) требуется десять секунд, а вирусу гепатита А (вызывающему симптом желтухи ) — одна минута. Кипячение не гарантирует устранения всех микроорганизмов; споры бактерий Clostridium могут выживать при 100 °C (212 °F), но не передаются через воду и не поражают кишечник. Таким образом, для здоровья человека полная стерилизация воды не требуется. [8]
Традиционный совет кипятить воду в течение десяти минут в основном служит для дополнительной безопасности, поскольку микробы начинают уничтожаться при температуре выше 60 °C (140 °F), а доведение ее до точки кипения также является полезным показателем, который можно увидеть без помощи термометра , и к этому времени вода дезинфицируется. Хотя точка кипения уменьшается с увеличением высоты, этого недостаточно, чтобы повлиять на процесс дезинфекции. [8] [12]
.jpg/1280px-Flickr_-_cyclonebill_-_Pasta_(1).jpg)
Варка — это метод приготовления пищи в кипящей воде или других жидкостях на основе воды, таких как бульон или молоко . [13] Кипячение — это слабое кипение, в то время как при варке жидкость движется, но едва пузырится. [14]
Температура кипения воды обычно считается 100 °C (212 °F; 373 K), особенно на уровне моря. Давление и изменение состава жидкости могут изменить температуру кипения жидкости. Приготовление пищи на большой высоте обычно занимает больше времени, поскольку температура кипения зависит от атмосферного давления . На высоте около одной мили (1600 м) вода закипает при температуре около 95 °C (203 °F; 368 K). [15] В зависимости от типа пищи и высоты кипящая вода может быть недостаточно горячей для правильного приготовления пищи. [16] Аналогично, увеличение давления, как в скороварке, повышает температуру содержимого выше точки кипения на открытом воздухе. [ требуется ссылка ]
Также известное как «варка в пакете», это включает в себя разогрев или приготовление готовой пищи, запечатанной в толстый пластиковый пакет. Пакет с едой, часто замороженной, погружается в кипящую воду на предписанное время. [17] Полученные блюда можно готовить с большим удобством, поскольку в процессе не пачкаются кастрюли или сковородки. Такие блюда доступны как для походов, так и для домашних обедов.
При любой заданной температуре молекулы в жидкости имеют различную кинетическую энергию. Некоторые высокоэнергетические частицы на поверхности жидкости могут иметь достаточно энергии, чтобы вырваться из межмолекулярных сил притяжения жидкости и стать газом. Это называется испарением.
Испарение происходит только на поверхности, а кипение происходит во всем объеме жидкости. Когда жидкость достигает точки кипения, в ней образуются пузырьки газа, которые поднимаются на поверхность и вырываются в воздух. Этот процесс называется кипением. Если кипящую жидкость нагреть сильнее, то температура не поднимется, но жидкость закипит быстрее.
Это различие касается исключительно перехода из жидкого состояния в газообразное; любой переход непосредственно из твердого состояния в газообразное всегда называется сублимацией , независимо от того, происходит ли при этом точка кипения или нет.
