Температура кипения воды: почему в горах она ниже 100 °C
Вода кипит, когда давление её пара сравнивается с давлением вокруг. В горах воздух давит слабее, поэтому для кипения хватает температуры ниже 100 °C.
Дальше вы узнаете, что происходит внутри пузырька, при какой высоте вода кипит около 92 °C и почему сильный огонь ускоряет испарение, но не делает открытую кастрюлю заметно горячее.
В статье вы узнаете:
100 °C является точкой кипения при нормальном атмосферном давлении
Молекулы воды постоянно двигаются. Некоторые на поверхности получают достаточно энергии и улетают в воздух. Этот спокойный процесс называется испарением и идёт даже в стакане при комнатной температуре.
При нагревании молекулы двигаются быстрее, а давление водяного пара растёт. Кипение начинается, когда пар внутри возникающего пузырька может сопротивляться давлению окружающей жидкости и воздуха. Тогда пузырёк не схлопывается, поднимается и выпускает пар.
Температура кипения показывает, при какой температуре давление насыщенного пара жидкости сравнивается с внешним давлением. Меньше внешнее давление, ниже нужная температура.
Привычные 100 °C относятся к чистой воде при давлении 101,325 кПа, которое называют нормальной атмосферой. NIST хранит экспериментальные зависимости давления пара воды от температуры. Из них видно, что одна жидкость получает разные точки кипения при разных давлениях. [NIST Chemistry WebBook]
Единица °C названа в честь шведского астронома Андерса Цельсия. Связь современной шкалы со свойствами воды удобна, но сама цифра 100 не является вечной характеристикой каждой кастрюли. Нужно ещё назвать давление.
Первые пузырьки и кипение могут быть разными событиями
Холодная водопроводная вода содержит растворённые газы. При нагревании их растворимость уменьшается, поэтому на дне и стенках появляются мелкие пузырьки воздуха. Они ещё не доказывают, что вся вода достигла точки кипения.
Затем у горячего дна возникают пузырьки водяного пара. Если верхние слои заметно холоднее, пар конденсируется по пути, и пузырьки исчезают с характерным шумом. Когда вся масса воды приблизилась к местной точке кипения, крупные пузырьки доходят до поверхности.
После начала устойчивого кипения лишнее тепло в основном уходит на превращение воды в пар. Температура открытой кастрюли остаётся около местной точки кипения, пока в ней есть жидкая вода. Более сильная конфорка делает кипение бурнее и быстрее выкипает воду.
Поэтому ручка плиты после закипания управляет прежде всего скоростью передачи энергии и испарения. Она не превращает открытую воду при обычном давлении в жидкость температурой 130 °C. Для этого нужно изменить давление.
В горах над кастрюлей находится меньший столб воздуха
Атмосферное давление создаёт вес воздуха над поверхностью. На уровне моря столб воздуха выше и тяжелее. При подъёме часть атмосферы остаётся ниже, поэтому давление уменьшается.
При высоте около 610 м, или 2000 футов, Министерство сельского хозяйства США приводит точку кипения воды 208 °F, то есть примерно 97,8 °C. На высоте около 2286 м, или 7500 футов, вода кипит примерно при 198 °F, то есть 92,2 °C. [USDA, готовка на высоте]
Разница в несколько градусов кажется небольшой, пока вода только нагревается. Для готовки она действует всё время. Кастрюля при 92 °C может кипеть бурно и выглядеть совершенно готовой к работе, но продукт получает меньше тепла, чем в кипящей воде при 100 °C.
Погода тоже немного меняет давление. Во время прохождения области низкого давления точка кипения чуть снижается, при высоком давлении повышается. Для кухни разница обычно мала, а для точного измерения температуры и лабораторной работы давление уже нужно записывать.
Растворённая соль повышает точку кипения, но обычная щепотка в домашней кастрюле меняет её слабо. Чтобы получить заметный подъём, понадобилась бы такая концентрация, что вкус блюда сообщил бы о методе раньше термометра.
Бурное кипение в горах не компенсирует более низкую температуру
Приготовление зависит от температуры внутри продукта и времени. Белки яйца сворачиваются постепенно, крахмал в крупе и макаронах впитывает воду и меняет структуру, соединительная ткань мяса размягчается. Более холодная кипящая вода замедляет эти процессы.
Поворот ручки на максимум после закипания не возвращает потерянные градусы. Энергия быстрее создаёт пар, а еда остаётся окружена водой около местной точки кипения. Практическое решение состоит в увеличении времени, использовании крышки для уменьшения потерь и выборе рецепта, рассчитанного на высоту.
Таймер варки яиц вкрутую отсчитывает выбранное время, но не знает высоту, размер яйца, начальную температуру и способ старта. В горах готовность лучше проверять по адаптированному рецепту, а не добавлять одну универсальную минуту ко всем случаям.
Кипение также не означает, что продукт мгновенно нагрелся до температуры воды. Тепло должно пройти от поверхности к центру. Большая картофелина и маленькое яйцо находятся в одной кастрюле, но прогреваются по-разному.
Скороварка повышает давление и возвращает воде градусы
Герметичная скороварка удерживает часть пара. Давление внутри растёт, пузырьку становится труднее расшириться, поэтому вода остаётся жидкой при температуре выше обычных 100 °C. Более горячая вода и пар ускоряют приготовление.
Вакуумная установка делает обратное. Если откачать воздух, вода может закипеть при комнатной температуре. Она не станет от этого обжигающе горячей: слово «кипит» описывает переход фаз при данном давлении, а не одну обязательную температуру.
Калькулятор времени нагрева воды оценивает энергию по объёму, начальной и целевой температуре, мощности и КПД. Если заданная цель выше местной точки кипения в открытой ёмкости, модель перестаёт описывать реальность: вода начнёт превращаться в пар раньше.
Важно! Не открывайте скороварку под давлением и не пытайтесь собирать герметичный нагреватель самостоятельно. Горячий пар передаёт много энергии и способен вызвать тяжёлый ожог.
Итог: вода кипит при 100 °C только около нормального атмосферного давления. В горах давление ниже, поэтому пузырькам легче расти и кипение начинается раньше. Кастрюля шумит так же убедительно, а готовит медленнее. Скороварка решает задачу противоположным способом и повышает давление.
Есть что добавить?
Напишите своё мнение, комментарий или предложение.