При кипении воды в чайнике образуется пар. Почему это происходит?

При кипении вода превращается в пар потому, что молекулы воды при нагревании получают достаточно энергии, чтобы вырваться из жидкой фазы и перейти в газообразное состояние.

Разберём по шагам, что происходит в чайнике.

1. Нагрев воды

Когда чайник включают, нагревательный элемент передаёт воде тепловую энергию.
Молекулы воды начинают двигаться всё быстрее — растёт их средняя кинетическая энергия. Это мы наблюдаем как повышение температуры воды.

2. Подход к температуре кипения

Для воды при нормальном атмосферном давлении (около 1 атмосферы) температура кипения — примерно 100 °C.
Пока вода ещё не кипит, часть молекул уже вырывается с поверхности воды в газ (это обычное испарение), но этот процесс медленный и идёт при любой температуре, даже при комнатной.

Ключевой момент в кипении: не только поверхность, а весь объём воды участвует в переходе в пар.

3. Что такое кипение

Кипение начинается тогда, когда давление насыщенного водяного пара при данной температуре становится равным атмосферному давлению. Для воды при нормальном давлении это и есть примерно 100 °C.

В этот момент внутри объёма воды начинают образовываться пузырьки водяного пара. Они появляются в микронеровностях нагревательного элемента, стенок чайника или вокруг растворённых газов — это так называемые центры парообразования.

4. Образование пузырьков пара

Почему появляются именно пузырьки?

• В каких-то точках вода локально чуть перегревается.

• Часть молекул воды в этих местах имеет достаточно энергии, чтобы перейти в газообразное состояние.

• Собравшись вместе, эти молекулы образуют небольшой объём пара — пузырёк.

Чтобы пузырёк существовал и не схлопывался, давление пара внутри него должно быть не меньше, чем суммарное давление жидкости и внешнего воздуха вокруг. При температуре кипения это условие достигается, и пузырёк может расти.

5. Подъём пузырьков и “пар над чайником”

Пузырьки пара легче окружающей воды, поэтому поднимаются вверх. Поднимаясь, они иногда лопаются ещё в толще воды, иногда — уже у поверхности.

Когда пузырьки лопаются у поверхности, внутрь чайника и дальше наружу выходит водяной пар — газообразная вода.

Важно различать:

• Невидимый водяной пар — собственно газ, который выходит из носика чайника сразу у выхода.

• Белое “облако” над чайником — это уже не пар как газ, а крошечные капельки конденсировавшейся воды, которые образуются, когда горячий пар смешивается с более холодным воздухом и частично конденсируется. То есть мы глазами чаще видим не сам пар, а туман из микрокапелек.

6. Роль энергии (теплоты парообразования)

После того как вода нагрелась до 100 °C, она не начинает сразу становиться “горячее”, даже если чайник продолжает греть. Вместо этого поступающая энергия тратится на разрыв связей между молекулами в жидкости — на переход воды из жидкого состояния в газообразное.

Эта энергия называется удельной теплотой парообразования. Она не повышает температуру, а идёт именно на фазовый переход — превращение воды в пар.

7. Почему кипение идёт активно именно при определённой температуре

Кипение — это массовое парообразование по всему объёму. Оно возможно, когда:

• температура достаточно высока,

• давление насыщенного пара воды при этой температуре сравнялось с внешним давлением.

Если, например, уменьшить внешнее давление (как в горах или в вакууме), вода закипит при более низкой температуре, потому что равенство “давление пара = внешнее давление” наступит раньше.

Итак, кратко: при кипении молекулы воды получают достаточно энергии, чтобы преодолеть силы притяжения между собой в жидкой фазе, образуют пузырьки водяного пара внутри жидкости, эти пузырьки поднимаются и лопаются, и в результате вода переходит в газообразное состояние — пар. Именно это мы и наблюдаем в кипящем чайнике.