Все знают, что высоко в горах вода кипит при более низкой температуре, чем у подножия горы. И это связано с тем, что там в горах давление ниже. Сегодня мы рассмотрим «под микроскопом», как это давление влияет на закипание воды.
Итак, мы у подножия горы, и есть у нас котелок с водой. Миллионы миллиардов молекул H2O постоянно хватаются за руки с соседями и тут же их отпускают (привет, водородные связи). Хватаются и отпускают. Так и живут.
Однако на поверхности воды могут происходить странные вещи. Во-первых, все молекулы, которые на самой-самой поверхности, уже находятся в непривычной ситуации, так как сверху со стороны воздуха у них нет водяных соседок и там ни с кем за руку не возьмешься.
Поэтому, если какая-нибудь молекула H2O внезапно отпустит всех своих соседок, а за новых по каким-то причинам не успеет схватиться, то она имеет не иллюзорные шансы оторваться от коллектива и вознестись вверх. Там она и будет болтаться. Вместе с другими такими же как она будет создавать давление пара над поверхностью воды.
Эти водяные молекулы-отщепенцы будут болтаться в приповерхностном слое. Улететь дальше им тяжело, так как их поджимает столб воздуха. Их судьба: то конденсироваться, то снова улетать. Количество членов такого «высшего общества» фиксированное и зависит от температуры.
На большой высоте, где давление воздуха ниже, его частицы всё так же будут мешать пару уноситься дальше от поверхности, но с меньшей «силой». Это неудивительно, поднявшись на высоту, скажем пять км, столб частиц воздуха над котелком сократится на эти самые пять км, что весьма заметно. На практике это означает, что при меньшей температуре большему количеству молекул воды позволено перейти в приповерхностный паровой слой.
Таким образом на высоте, где атмосферное давление ниже, молекулам воды проще вырываться из жидкости. Хотя давление насыщенного пара остаётся прежним, достигнуть его теперь проще.
В этом и состоит основная причина разных температур кипения. Нагрев только интенсифицирует движение молекул воды: они, придавленные атмосферой, были вынуждены достигать больших скоростей, чтобы воспарить. А на высоте, благодаря упавшему давлению, молекулам воды для парения можно лететь с меньшими скоростями, что достигается при более низкой температуре. Поэтому они так легко покидают родную котелковую обитель.
#физика #кипение #давление #наука