Почему в горах вода кипит раньше

Условие

В городе у моря вода в открытой кастрюле кипит примерно при 100 градусах Цельсия. В горах на высоте около 3000 метров она закипает при температуре около 90 градусов, и еда варится заметно дольше. Объясни, почему температура кипения зависит от высоты, и почему в скороварке та же еда готовится быстрее.

Что известно и что ищем

• Известны две высоты и две температуры кипения: около 100 градусов у моря и около 90 в горах.
• Ищем объяснение связи температуры кипения с давлением и практическое следствие.
• Дополнительно нужно объяснить, что происходит с самим процессом кипения.

Ход решения

• Шаг 1. Вспоминаем, что такое кипение: это испарение не только с поверхности, а по всему объёму, с образованием пузырьков пара внутри жидкости. Пузырёк растёт и всплывает, когда давления пара внутри него хватает, чтобы преодолеть внешнее давление и давление столба жидкости.
• Шаг 2. Отсюда связь с атмосферным давлением. Чем выше мы поднялись, тем меньше воздушный столб над нами и тем ниже атмосферное давление. В горах пузырьку проще «победить» внешнее давление, поэтому кипение начинается раньше — при меньшей температуре.
• Шаг 3. Объясняем, почему еда варится дольше. Варит не сам процесс кипения, а температура: пока температура ниже, частицы в продукте перемещаются медленнее и химические превращения идут не так быстро. В горах вода хоть и кипит, но она «холоднее», поэтому время приготовления растёт.
• Шаг 4. Разбираем скороварку. У неё герметичная крышка с клапаном, поэтому давление внутри выше атмосферного. Вода кипит при большей температуре, чем 100 градусов, и еда готовится быстрее. Это тот же закон, только в обратную сторону.
• Шаг 5. Проверяем рассуждение мысленным опытом. Если поставить воду под колокол насоса и откачивать воздух, вода закипит при комнатной температуре. Значит, зависимость именно от давления, а не от высоты как таковой.

Проверь себя

• Ответ: в горах атмосферное давление ниже, поэтому вода кипит раньше и при меньшей температуре; в скороварке давление выше, там вода кипит при температуре больше 100 градусов.
• Проверка вывода: тот же закон объясняет, почему высоко в горах не удаётся сварить яйцо «вкрутую» и почему на этом основана работа автоклава в медицине.
• Ловушка: считать, что в горах вода кипит «до 90 градусов, а дальше греться не хочет». Вода получает энергию, но тратит её на превращение в пар, поэтому температура держится на температуре кипения.

Как объяснить ребёнку

«Пузырьку пара нужно пробиться наружу сквозь воду и воздух над ней. У моря воздуха над нами много, он давит сильнее — пузырьку труднее, поэтому вода ждёт, пока не нагреется до ста градусов. В горах воздуха над нами меньше, давить нечем — вода закипает уже при девяноста. Скороварка делает наоборот: запирает пар и давит сильнее, поэтому вода там горячее».

Тема для отчёта родителю

«Кипение и испарение: зависимость температуры кипения от давления».

Формулировка задания — наш аналог по теме, а не текст из учебника.