Кипение воды при комнатной температуре (в вакууме). Boiling of water at room temperature (in vacuum)

Температура кипения жидкостей (и не только жидкостей) зависит от внешнего давления. И это само собой разумеется, поскольку жидкость закипает тогда, когда давление ее насыщенных паров достигает внешнего давления. В свою очередь, давление насыщенных паров жидкости увеличивается при возрастании температуры и уменьшается при ее понижении. (Т.е., чем ниже внешнее давление, тем ниже температура, при которой давление паров жидкости становится равным внешнему давлению).

Кипение воды при комнатной температуре я наблюдал несколько раз - в ситуациях, когда такой эффект не планировался.

Во-первых, во время фильтрования осадка хинолиновой соли фосфорномолибденовой кислоты - фильтры Шотта, колба Бунзена и водоструйный насос. Иногда во время фильтрования содержимое колбы Бунзена (фильтрат) закипало. Дело в том, что в колбе создавалось неплохое разрежение. Водоструйный насос по определению не может создавать вакуум более глубокий, чем давление насыщенных паров водопроводной воды (иначе вода в насосе закипит), но вода в кране была холодная, а фильтрат - теплым, да еще и с добавкой ацетона: не удивительно, почему фильтрат кипел.

Водоструйный насос
Water jet pump

Второй случай - кипение воды внутри герметично закрытой колбы, заполненной водяными парами [1]. В колбу наливают воду, - примерно на треть объема или менее (желательно брать круглодонную колбу, плоскодонная может лопнуть, не выдержав внешнего атмосферного давления). Доводят воду до кипения, дают время, чтобы водяные пары вытеснили воздух и плотно закрывают колбу пробкой. Сразу же снимают колбу с плитки, переворачивают, ждут, пока кипение воды прекратится, после этого поливают колбу холодной водой. От контакта с холодной водой содержимое колбы резко вскипает. Дело в том, что в колбе пространство над водой заполнено водяными парами. Контакт стенок с холодной водой ведет к резкому охлаждению и конденсации водяных паров. В результате давление в колбе падает, вода снизу - неожиданно вскипает.

В описанном опыте кипение воды было результатом сознательных действий. Но, работая в лаборатории, приходилось наблюдать такой эффект не раз, когда его никто не ожидал. Например, кипятишь что-то в мерной колбе, а потом колбу нужно охладить и довести ее содержимое до метки при комнатной температуре. Чтобы не ждать долго и нудно, охлаждаешь колбу под струей воды из-под крана, а чтобы водопроводная вода не попала внутрь, колбу предварительно закрываешь пробкой. В результате от струи холодной воды содержимое колбы вскипает. Кстати, мерная колба - плоскодонная, а нередко - с тонкими стенками, т.е., она запросто может лопнуть от вакуума внутри колбы.

Третий вариант - уже сознательное создание вакуума с помощью шприца, внутри которого наблюдается кипение воды (или других жидкостей). Просто набираем в шприц немного воды, выдавливаем воздух, закрываем носик шприца пальцем и максимально выдвигаем поршень (стараясь при этом не нарушить герметичность - чтобы между стенками шприца и поршнем не проскочил внутрь воздух). Холодная вода внутри шприца закипает [2].

Долгое время мечтал закипятить воду, просто присоединив колбу к вакуумному насосу (к солидному - мембранному, не к водоструйке). Недавно такая возможность появилась. Для начала налил немного воды в пластиковую бутылочку, бутылочку поместил в колбу Бунзена, закрыл колбу, подсоединил к насосу, включил откачивание. Примерно на 25 гПа началось бурное, импульсное кипение, вода стала выплескиваться из бутылочки, а через несколько секунд давление в системе выросло (за счет водяных паров), и кипение почти прекратилось - насос не справлялся с откачкой. По-хорошему, между наосом и колбой с водой нужно было поставить ловушку с жидким азотом для вымораживания паров, но, ни азота, ни ловушки под рукой не оказалось.

Когда я сбросил вакуум, стенки бутылочки резко запотели. Обычно такое происходит при резком сбрасывании давления - за счет расширения имеет место охлаждение газа и конденсация паров воды (или другой жидкости). Тут же эффект конденсации наоборот наблюдался при резком сжатии (нарастании давления).

Повторил опыт дважды: раз налил в саму колбу Бунзена немного воды, во второй раз - больше, слоем в несколько сантиметров. В обоих случаях наблюдалось бурное вскипание жидкости, которое потом перешло в более спокойное кипение. При сбрасывании вакуума стенки колбы сильно запотевали.

__________________________________________________
¹ См. статью: Кипение воды при комнатной температуре [ссылка вариант 1] [ссылка - вариант 2]

² См. Статьи из подборки: Кипение. Эффект Лейденфроста / Boiling. Leidenfrost effect [ссылка]