Условие задачи
Объясните, почему высоко в горах вода закипает при температуре ниже 100 °С.
Решение
Дисциплина: физика (термодинамика). Вот подробное объяснение с подробным решением задачи.
Вода кипит тогда, когда её парциальное давление насыщенного пара становится равно внешнему давлению окружающей среды. При этом внутри жидкости образуются пузырьки пара, способные расти, если внешнее давление не «сдавливает» их.
1. При нормальном атмосферном давлении на уровне моря (приблизительно 101325 Паскаль) температура, при которой давление насыщенного пара воды становится равным атмосферному давлению, составляет около 100 °С. Это означает, что при 100 °С давление водяного пара равно 101325 Паскаль, и вода начинает закипать.
2. В горах атмосферное давление ниже, поскольку давление воздуха уменьшается с высотой. Например, на высоте несколько тысяч метров давление может составлять порядка 70–80 тысяч Паскаль или даже меньше.
3. При уменьшении внешнего давления для достижения равенства с давлением насыщенного пара требуется меньшая температура. Другими словами, при пониженном давлении вода достигает давления пара, равного внешнему давлению, уже при температуре ниже 100 °С.
4. Процесс можно описать через уравнение Клапейрона–Клаузиуса, которое в упрощённом виде имеет вид:
d(ln P) / dT ≃ L / (R ⋅ T²)
где P – давление насыщенного пара, T – абсолютная температура в Кельвинах, L – удельная теплота фазового перехода (испарения), R – универсальная газовая постоянная. Это уравнение показывает, что изменение давления насыщенного пара зависит от температуры. При меньшем внешнем давлении равновесие устанавливается при более низких температурах.
Вывод: На больших высотах атмосфера оказывает меньшее давление на жидкость, поэтому водяной пар может формироваться и достигать давления, равного внешнему, при температуре ниже 100 °С. Это и объясняет, почему вода закипает при более низких температурах в горах.
Таким образом, основная причина – снижение атмосферного давления с увеличением высоты, что приводит к снижению температуры кипения.