Twoja wyszukiwarka

JAN GAJ
LABORATORIUM WIEDZY I ŻYCIA - WRZĄTEK, KTÓRY NIE PARZY
Wiedza i Życie nr 12/2000
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 12/2000

Dlaczego woda wrze? Czy na Giewoncie jajko gotowałoby się dłużej? Czy wrzenie może doprowadzić do zamarznięcia wody? Nie znasz odpowiedzi na te pytania? Zapraszamy Cię do przeczytania tego artykułu.

Dziś laboratorium urządzimy sobie w kuchni. Nie potrzebujemy wyszukanego sprzętu ani trudno dostępnych substancji, powinny nam wystarczyć woda, sól, nieduży, lecz wysoki garnek i hermetycznie zamykana butelka. Świetnie nada się taka z szeroką szyjką i podgumowaną zakrętką. Jeśli masz to wszystko pod ręką - możemy przystąpić do doświadczeń.

Zamykamy wrzątek w butelce

Nie jest to takie łatwe, ponieważ musimy doprowadzić wodę w butelce do wrzenia, nie stawiając jej bezpośrednio na kuchence, co nie byłoby bezpieczne. Dlatego umieszczamy otwartą butelkę z wodą w garnku, do którego nalewamy tyle wody, żeby wystawała z niej szyjka, i stawiamy wszystko na palniku kuchenki. Po doprowadzeniu wody w garnku do wrzenia obserwujemy wodę w butelce. Mogą się w niej pojawiać pęcherzyki uwalniającego się z wody powietrza, ale nie oczekujmy wrzenia wewnątrz butelki, dopóki nie nasypiemy do garnka sporej ilości soli (do kilkunastu łyżek na szklankę). Po rozpuszczeniu się soli temperatura wody wrzącej w garnku wzrośnie (nawet o 10°C), co wystarczy do wywołania wrzenia w butelce. Teraz przychodzi najważniejszy moment. Musimy założyć zakrętkę na szyjkę butelki, ale jej nie zakręcać, aby resztki powietrza zostały wyparte przez parę wodną. Po kilku minutach zakręcamy wieczko (aby się nie sparzyć, warto użyć rękawic kuchennych), a następnie wyjmujemy butelkę z wrzącej wody. Teraz trzeba tylko zgromadzić widzów. Będziemy im pokazywać

chłodny wrzątek

Po wytarciu butelki ze słonej wody gąbką lub wilgotną ściereczką możemy postawić ją w spokojnym miejscu i obserwować, że woda w niej stale wrze, choć niezbyt intensywnie. Nie musimy się spieszyć, wrzenie będzie trwało jeszcze wiele minut pomimo obniżania się temperatury. Jeżeli chcemy zaimponować profanom, powiemy: woda wrze w butelce tak niemrawo, bo jest... za ciepła. Wszelkie protesty tłumimy w zarodku, odwracając butelkę do góry dnem i polewając ją z góry zimną wodą (uwaga: ten eksperyment wykonujemy w okularach ze względu na niebezpieczeństwo implozji1).

Jeżeli tylko starannie wykonaliśmy nasze doświadczenie i zamknięcie jest szczelne, woda zacznie silniej wrzeć pod wpływem oziębiania. Eksperyment ten można kontynuować całkiem długo, wrzenie, choć powolne, można jeszcze zaobserwować, kiedy woda ochłodzi się wystarczająco, żeby można było bez trudu trzymać butelkę gołą ręką.

Jak wytłumaczyć to, co się tu dzieje? Ważnym pojęciem, które pomoże nam zrozumieć zachodzące zjawiska, jest para nasycona. W warunkach naszego doświadczenia nad wodą w zamkniętej butelce znajduje się para nasycona pozostająca w równowadze z cieczą. Gęstość tej pary, a także wywierane przez nią ciśnienie, zależy od temperatury. Zgodnie z jednym z podstawowych praw fizyki statystycznej - rozkładem kanonicznym 2- prawdopodobieństwo, że cząsteczka znajdzie się w obszarze pary, jest mniejsze, bo energia cząsteczek w tym obszarze jest większa trzeba wykonać pracę oderwania cząsteczki od jej sąsiadek, żeby wyprowadzić ją z cieczy do pary (makroskopowo wyraża się to koniecznością ogrzania wody, żeby odparowała). Ta różnica energii liczy się w stosunku do energii drgań cieplnych cząsteczek, a więc w niskich temperaturach staje się relatywnie duża dlatego gęstość (i ciśnienie) pary nasyconej szybko maleje z obniżaniem temperatury. Wartości liczbowe ciśnienia wodnej pary nasyconej wynoszą od około 20 hPa (hektopaskali) w temperaturze pokojowej do około 1000 hPa w temperaturze 100°C.

W typowych warunkach nad powierzchnią wody znajduje się powietrze. Jego ciśnienie, około 1000 hPa, jest na ogół większe niż ciśnienie pary nasyconej, dzięki czemu z tak ściskaną wodą nie dzieje się nic szczególnego. Gdybyśmy podgrzali wodę powyżej 100°C, ciśnienie pary nasyconej byłoby większe niż ciśnienie zewnętrzne i woda zaczęłaby gwałtownie parować w całej objętości - nastąpiłby wybuch.

To nie jest takie akademickie, jak się może wydawać bardzo czystą wodę da się, postępując ostrożnie, przegrzać nawet o kilkadziesiąt stopni i wtedy rzeczywiście może dojść do wybuchu. Każdy, kto widział eksplodujący szybkowar, wie o czym mówię. Na szczęście w praktyce kuchennej woda wykorzystuje znakomity mechanizm samoregulacji: przy osiągnięciu 100°C zaczyna się parowanie w całej objętości, czyli wrzenie. To szybkie, choć nie wybuchowe parowanie wymaga dostarczenia energii na wyrywanie cząsteczek z cieczy można użyć palnika gazowego, dzięki czemu temperatura zatrzymuje się na 100°C i zaczyna wzrastać dopiero wtedy, kiedy cała woda wyparuje (kto o tym nie pamięta, może spalić czajnik). Pozwól, Czytelniku, że podsumuję ten przydługi wywód następująco: wrzenie następuje wtedy3, kiedy ciśnienie pary nasyconej zrównuje się z ciśnieniem zewnętrznym.

A więc to dlatego na szczycie Mont Blanc woda wrze w niższej temperaturze powiesz z pewnością. Oczywiście, bowiem słup powietrza nad Mont Blanc jest o 4 km niższy niż ten nad Warszawą i wywiera mniejsze ciśnienie, około 600 hPa. Aby ciśnienie pary nasyconej wody osiągnęło tę zmniejszoną wartość, potrzeba już tylko temperatury około 86°C, a w takiej temperaturze ugotowanie jajka na miękko musi trwać znacznie dłużej. Na Kasprowym Wierchu różnica będzie mniejsza (woda wrze tam przy około 94°C), bo pozbywamy się tylko 2 km słupa powietrza.

Po tych wszystkich wyjaśnieniach nasuwa się pytanie:

Czy woda może wrzeć w temperaturze pokojowej?

Należałoby się spodziewać, że tak. Na poparcie mamy wynik doświadczenia z polewaniem zimną wodą odwróconej butelki: obniżenie temperatury dna spowodowało skroplenie znajdującej się wewnątrz pary i obniżenie ciśnienia. Pomimo że góra (temperatura wody) nie chciała przyjść do Mahometa (temperatury wrzenia), doprowadziliśmy Mahometa do góry, obniżając ciśnienie nad powierzchnią cieczy do zrównania go z ciśnieniem pary nasyconej - nastąpiło wrzenie. Jednak wątpię, żeby udało Ci się powtórzyć tę sztuczkę w temperaturze pokojowej. Kiedy na drugi dzień położyłem na dnie odwróconej butelki trochę lodu w nadziei, że doprowadzę wodę w butelce do wrzenia, nie odniosłem sukcesu. Prawdopodobnie nie udało mi się dostatecznie szybko obniżyć ciśnienia i zwykłe odparowanie wody z powierzchni wystarczyłoby dla uzupełnienia tego, co skropliłem. Może przyczyniła się też do tego niewystarczająca szczelność zamknięcia butelki? Jedyne, co zaobserwowałem, to gromadzenie się kropel w wyniku kondensacji pary na wewnętrznej powierzchni dna butelki. Krople te powoli rosły, a następnie spadały do wody w butelce.

Nie poddawajmy się jednak zbyt łatwo, doświadczenie to można wykonać także w wersji zminiaturyzowanej przy użyciu strzykawki (oczywiście bez igły). Trzeba w tym celu nabrać trochę wody do strzykawki (powiedzmy jedną trzecią jej pojemności), a następnie zatkać mocno palcem wylot i odciągnąć tłok, wytwarzając próżnię nad znajdującą się w strzykawce wodą powinniśmy zaobserwować krótkotrwałe wrzenie. Podobne wyniki możemy osiągnąć z innymi cieczami pozostawiam Ci, Czytelniku, pole do poszukiwań.

Najciekawsza jest laboratoryjna wersja tego doświadczenia - pod kloszem pompy próżniowej. Po obniżeniu ciśnienia pod kloszem obserwujemy wrzenie wody w umieszczonej tam parowniczce. W miarę wrzenia temperatura wody obniża się, bo potrzebną na parowanie energię woda czerpie ze swego wnętrza. Przy dostatecznie szybkim pompowaniu dochodzi do zamarznięcia wody w trakcie wrzenia!

1). Implozja
Piszę to w trosce o bezpieczeństwo eksperymentatorów, choć prawdopodobieństwo takiego wypadku jest znikome - nigdy nic takiego mi się nie zdarzyło.


2). Rozkład kanoniczny
Rozkład kanoniczny określa prawdopodobieństwo, że układ fizyczny zajmie któryś ze stanów, jakie ma do dyspozycji. Obowiązuje on dla układu w stanie równowagi pozostającego w kontakcie (słabo sprzężonego) z termostatem determinującym jego temperaturę. Prawdopodobieństwo Pi zajęcia i-tego stanu zależy wyłącznie od jego energii Ei i jest proporcjonalne do funkcji wykładniczej

gdzie kT jest miarą energii kinetycznej chaotycznego ruchu cieplnego (T jest temperaturą w skali bezwzględnej a k = 1.38x10-23 J/K jest stałą Boltzmanna). Współczynnik A wyznacza się z warunku normalizacji rozkładu prawdopodobieństwa (suma prawdopodobieństw po wszystkich stanach równa się 1).


3). Wrzenie następuje wtedy

Ciśnienie pary nasyconej wody w funkcji temperatury

Temperatura wrzenia wody w funkcji ciśnienia

Prof. dr hab. JAN GAJ pracuje w Instytucie Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego.