Испарение и конденсация

Испарение и конденсация

Водяной пар конденсируется и превращается в капли жидкой воды. Маленькие капельки по форме напоминают полусферу, но по мере того, как они увеличиваются, сливаясь с другими каплями, их форма становится менее правильной.

Между точками замерзания и кипения вода существует в виде жидкости. Но если вы и удивляетесь, когда видите несколько крошечных льдинок, плавающих в воде при комнатной температуре, то не должны удивиться, если узнаете, что некоторая часть жидкости превращается в пар прямо на ваших глазах. Вы не видите пар, но он всегда есть. Это происходит со всеми жидкостями: у некоторых из молекул появляется непреодолимое желание взлететь в воздух в виде газа или пара в процессе, который называется испарение или парообразование.

Температура – это мера скорости молекул (или других частиц) в веществе.

Но температура указывает только среднюю скорость. Самые быстрые частицы, которые оказываются на поверхности жидкости, просто взлетают и испаряются. Даже масло, на котором мы готовим, испаряется при комнатной температуре, но достаточно медленно, поэтому для нас это незаметно.

Сколько молекул жидкости испаряются при определенной температуре? Скорость испарения выражается в давлении паров жидкости, потому что летящие молекулы, которые вырываются из нее, ударяются о стенки сосуда, и, следовательно, воздействуют на них. Давление газа внутри сосуда при любой температуре прямо пропорционально количеству молекул.

Чем сильнее молекулы связаны друг с другом...

Чем сильнее молекулы связаны друг с другом в жидкости, тем меньше они испаряются и тем ниже давление паров жидкости. В силу имеющихся водородных связей, для испарения воды требуется намного больше энергии (и более высокая температура), чем для испарения других жидкостей. Поэтому у нее относительно низкое давление паров. Давление паров спирта и бензина выше, чем у воды, поэтому они испаряются быстрее.

Когда мы нагреваем жидкость, все больше и больше молекул получают достаточно энергии, чтобы оторваться от поверхности. Скорость испарения и давление паров увеличиваются. Когда давление паров достигает величины давления, действующего на поверхность жидкости в окружающей среде (чаще всего в атмосфере), испарение становится парообразованием, и жидкость закипает. Точка кипения – это температура, при которой давление паров становится равно давлению окружающей среды. Конечно, мы не можем увидеть давление паров, но на этом этапе у многих молекул, которые находятся далеко от поверхности, накапливается достаточно энергии, чтобы вырваться наружу. Так как они находятся глубоко, единственное, что они могут – образовать пузырьки, и это наш зрительный ориентир происходящего.

Кипение

Во время приготовления на плите, когда источник тепла обычно находится под кастрюлей, парообразование сначала происходит внизу, а затем на боковых стенках сосуда. Внутри кастрюли создается небольшая разность температур в нижнем и верхнем слоях воды. Вода внизу нагревается сильнее всего и поднимается на поверхность, а более холодные слои воды опускаются вниз. Такое движение называется конвекционным потоком. Сначала эти потоки перемещаются медленно, но по мере нагревания воды их скорость увеличивается. Высыпьте щепотку молотого черного перца в кастрюлю с холодной водой, перемещайте и подождите, чтобы вода успокоилась, а затем включите конфорку. Когда вода начнет нагреваться, вы увидите, как крупинки будут всплывать и опускаться вместе с потоками. Если приглядеться, можно увидеть и другие изменения, происходящие в процессе нагревания воды. Первое, что вы увидите – большое количество крошечных пузырьков на дне и на стенках кастрюли. Но погодите! У них нет ничего общего с процессом кипения; это просто растворенный воздух вырывается из воды, потому что газы растворяются в горячей воде хуже, чем в холодной.

Затем начинает происходить что-то странное: кастрюлька начинает шипеть и булькать. Самые первые пузырьки пара образуются на микроскопических трещинах или выпуклостях, имеющихся на внутренней поверхности кастрюли вне зависимости от гладкости ее стенок, которые действуют, как центры парообразования. Самые первые пузырьки схлопываются почти сразу же после появления, когда сталкиваются с неподвижной и более холодной водой над ними. Это явление известно как схлопывание кавитационных пузырьков; эти крошечные взрывы и производят шипение или быстрое постукивание.

Так как температура воды продолжает повышаться, бурление затихает, потому что пузырьки воздуха на дне и стенках кастрюли становятся достаточно большими и всплывают вместе с конвекционными потоками в верхние, более прохладные слои жидкости в кастрюле, где и схлопываются. Если вы бросили щепотку молотого перца в воду, как мы предлагали, пора посмотреть, как крупинки всплывают и опускаются с потоками. Если присмотреться, можно увидеть, что поверхность на самом деле вибрирует (французы говорят fremissant), когда горячая вода всплескивается зубчиками на поверхности перед охлаждением и снова опускается.

Наконец бурление и шипение прекращается, и пузырьки, образовавшиеся на дне кастрюли, становятся достаточно большими и потоками устремляются на поверхность, где лопаются и выпускают пар в воздух. Это и есть начало настоящего процесса кипения Так как дно кастрюли становится все горячее, все увеличивающиеся пузырьки в большом количестве поднимаются на поверхность и образуют крутой кипяток, сопровождающийся тихим бульканьем. Ученые называют эту фазу пузырьковым кипением, потому что пузырьки образуются в центрах парообразования. Вода не выходит за пределы этой фазы в силу ограниченной мощности нагревания средней плиты.

Но при повышении скорости нагревания (увеличении мощности в ваттах или БТЕ в час) пузырьки устремляются из центров зарождения.

Что такое бурление? В некоторых кулинарных книгах пытаются дать определение по температуре воды: оно наблюдается на определенное количество градусов ниже 100 °C/ 212 °F, хотя никак не могут договориться, на сколько градусов. Но температура бурлящей кастрюли с едой будет разной в зависимости от характеристик самой кастрюли, конфорки и еды (ее температура неравномерна).

Именно поэтому имеет смысл определить бурление в соответствии с тем, что происходит в кастрюле.

Назовем бурлением тот момент, когда первые отдельные пузырьки начинают подниматься на поверхность.

На стручках зеленой фасоли видны две разновидности пузырьков, участвующих в процессе кипения. Большие, самостоятельно всплывающие пузырьки наполнены паром, образовавшимся возле дна кастрюльки. Мелкие пузырьки, облепившие стручки – это воздух, выдавливаемый при повышении температуры из межклеточных пространств фасоли.

Фазы кипения

Кипение – это испарение, которое быстрее происходит в горячем нижнем слое жидкости, чем в более холодном поверхностном. Кипение начинается в центрах парообразования: на крохотных шершавых поверхностях под действием поверхностного натяжения жидкости происходит улавливание маленьких пузырьков воздуха. Пар накачивает воздух в пузырьки, которые, в конце концов, отрываются от поверхности.

Бросьте в бурлящую воду щепотку соли, и кипение усилится, но не потому, что соль изменила точку кипения, а потому что стало больше центров парообразования (песчинки действуют точно так же).

Кипение – это не простое однородное явление. Бурление, например, это еще не настоящее кипение, и, кроме знакомого всем крутого кипятка, существуют еще две количественные фазы кипения. Более поздние фазы проявляются только в перегретой воде, которую можно получить только с помощью специальных газовых горелок, поэтому на кухне они случаются лишь изредка и при этом не видны.

1. Бурление – это не кипение, хотя оно происходит при температуре, близкой к точке кипения. Пузырьки пара образуются на горячем дне, но по большей части быстро схлопываются, потому что окружающая их вода остывает, и внутри пузырьков конденсируется пар. Как только температура достигает точки кипения, некоторые пузырьки всплывают на поверхность.

2. Пузырьковое кипение образует знакомый нам крутой кипяток. Все тепло, которое переходит от кастрюли в жидкость, поступает в образующие пар молекулы жидкости возле дна, и поднимает их в бесчисленные наполненные паром пузырьки. Энергия, поступающая от конфорки, не повышает температуру воды; оно просто создает больше пузырьков.

3. Облачно-нитевое кипение. Облачно-нитевое кипение происходит, когда пузырьки пара поднимаются со дна кастрюли так быстро, что сливаются в непрерывные «нити» пара, часто несколько нитей сливаются в одно большое “облако” пара. Эта фаза кипения бывает только в жидкостях, перегретых выше температуры точки кипения; в кухне такое можно наблюдать только при кипении густых соусов.

4. Пленочное кипение. Пленочное кипение – это редчайшая из фаз, потому что она происходит только в жидкости, перегретой настолько, что сплошное одеяло пара закрывает всю греющуюся поверхность. Так как для пленочного кипения необходимо огромное количество тепла, оно никогда не происходит на кухне, кроме редкого исключения, называемого эффектом Лейденфроста.


Микроскопические трещины и неровности посуды служат центрами образования пузырьков пара при кипении — совсем как частицы в растворе служат центрами образования кристаллов льда при замораживании.

Обычно мы считаем, что температура кипятка – 100 °C / 212 °F, и, в общем, это верно для чистой воды на уровне моря. Но на дне кастрюльки, где образуются пузырьки пара, вода может быть перегретой выше обычной точки кипения на 2- 6 °C/ 4-11 °F.

Температура, при которой закипает чистая вода, зависит от нескольких факторов. Один из них – атмосферное давление, которое немного изменяет точку кипения при смене погоды. Но если вы будете готовить на кухне, которая находится на большой высоте над уровнем моря, разница в атмосферном давлении будет заметной и, следовательно, точка кипения тоже снизится примерно на 1 °C / 2 °F на каждые 300 м /1000 футов высоты. В Денвере, штат Колорадо (высота над уровнем моря примерно 1 600 м / 5 249 футов), вода закипает уже при 93-95 °C / 199-203 °F, в зависимости от погоды. На вершине горы Эверест вода закипает при 69 °C / 156 °F.

Точка кипения также зависит от того, какие вещества растворены в воде. Можно снизить точку замерзания воды, растворив в ней соль или некоторые другие вещества, а увеличение концентрации раствора повышает точку кипения, потому что при этом снижается активность воды. Меньшее количество молекул высвобождается и испаряется, и давление пара снижается. Это явление называется подъемом точки кипения. Например, морская вода, в которой содержится 3,5 % соли, закипает при 103 °C /217 °F на уровне моря. Высококонцентрированный (95 %) раствор сахара, который используется при изготовлении карамели, закипает при 135-145 °C / 275-293 °F.

Зона повторного испарения. Туман рассеивается, когда капельки воды снова превращаются в пар.

Облако. Водяной пар конденсируется и превращается в туман. Относительная влажность снижается. Температура воздуха становится приблизительно 95 °C/203 °F.

Зона турбулентности. Пар смешивается с воздухом. Влажность все еще около 100 %. Температура воздуха снижается до 99 °C / 210 °F.

Зона выпускания пара. Водяной пар вырывается, имея температуру 100 °C / 212 °F. Относительная влажность 100 %.

Выпускание пара

Представьте классический чайник, в котором начинает закипать вода. Сначала из носика появляется чистые пары воды или пар, и так как пар невидим, нам кажется, что здесь ничего нет. Но в других зонах, кроме этой, пар смешивается с воздухом, и воздух начинает расширяться. Любой газ при расширении охлаждается, и молекулы воды в нем начинают замедлять движение настолько, что некоторые из них сливаются в крошечные капли, образуя видимое облако или туман. Клуб пара, который вырывается из носика, по сути, и есть это самое турбулентное облако.


Еще статьи