Что будет если нагреть воду до 1000 градусов

Физики нагрели воду лазером до 160 тысяч градусов за 0,000000000000075 секунды

K. Beyerlein et al., / PNAS

Физики из Германии, Швеции и США подогрели воду с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах и перевели ее в состояние теплого плотного вещества. При этом температура жидкости выросла на 160 тысяч градусов всего за 75 фемтосекунд, что делает разработанный учеными нагреватель самым быстрым в мире. Статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), кратко о ней сообщает пресс-релиз DESY.

Температура — это мера средней кинетической энергии молекул вещества. Чем быстрее движутся составляющие объект частицы, тем больше энергии они будут передавать при столкновениях с датчиком, прислоненным к объекту или помещенным в его объем (например, с градусником или пальцем), и тем горячее будет казаться объект. Следовательно, для нагревания тела нужно каким-нибудь образом сообщить ему энергию и разогнать его частицы. Этот способ используется и в обычной газовой плите, в которой передача энергии происходит непосредственно при контакте нагретой поверхности с телом, и в микроволновой печке, в которой молекулы воды заставляют колебаться электромагнитные волны. Молекулы воды при этом остаются стабильны на протяжении всего процесса нагревания.

Однако существуют и другие способы быстро разогреть молекулы воды. Например, группа ученых под руководством Карла Калмана (Carl Caleman) предлагает использовать для этого мощный, но короткий импульс рентгеновского лазера на свободных электронах (X-ray Free-Electron Laser). При облучении подобным импульсом электроны оторвутся от своих молекул, межатомные связи разрушатся, вещество ионизируется, и между атомами возникнет сильная отталкивающая сила, которая будет эффективно их разгонять. В результате образец быстро нагреется до внушительной температуры, а жидкость превратится в плазму. При этом плотность ее практически не изменится, поскольку ионизированные молекулы не успеют заметно «разбежаться» за время облучения лазером.

Схема экспериментальной установки

K. Beyerlein et al. / PNAS

Предложенный способ физики сразу же проверили на практике. Для этого они направили на небольшой объем воды лазерное излучение, рождающееся на линейном ускорителе в Национальной лаборатории SLAC (Linac Coherent Light Source). Энергия лазерного импульса достигала 6,86 килоэлектронвольт, средний поток его энергии превышал миллион джоулей на сантиметр квадратный, а продолжительность составляла в разных экспериментах 25 или 75 фемтосекунд (фемтосекунда = 10 −15 секунд). После такого воздействия межатомные связи в молекуле воды разрушались, вещество сильно ионизировалось и разогревалось до температуры порядка 40 тысяч кельвинов (более короткий импульс) или 160 тысяч кельвинов (длинный импульс). При этом скорость ионов кислорода в образце достигала 2544 или 6266 метров в секунду в зависимости от длины импульса, тогда как скорость звука в воде в обычных условиях составляет всего 1500 метров в секунду. Это указывает на то, что вещество перешло в состояние плазмы. В то же время, объем жидкости в течение импульса измениться не успел, поэтому резко возросшая скорость столкновений ионов заставила давление в системе подняться до нескольких миллионов атмосфер. Таким образом, вода перешла в состояние теплого плотного вещества.

Кроме того, исследователи экспериментально измерили, как интенсивность рассеяния ионов зависит от величины импульса рассеяния и температуры вещества, а затем сравнили ее с данными численных расчетов с помощью методов молекулярной динамики. Оказалось, что при увеличении температуры пик рассеяния немного смещается в сторону меньших импульсов. Также ученые численно рассчитали распределение для расстояния между атомами кислорода в воде при комнатной температуре и температуре около 10 тысяч градусов, а также в ионизированной жидкости. Выяснилось, что при больших температурах это распределение размывается, причем в плазме его пик смещается в сторону меньших расстояний. В будущем ученые планируют более подробно изучить экзотическое состояние воды, в которую она переходит при таком быстром разогревании.

Экспериментально измеренная зависимость интенсивности рассеяния от величины импульса рассеяния

K. Beyerlein et al. / PNAS

Численно рассчитанная зависимость интенсивности рассеяния от величины импульса рассеяния

K. Beyerlein et al. / PNAS

Сверху: зависимость функции распределения от расстояния между атомами кислорода в воде при комнатной температуре и температуре 10 тысяч градусов, а также в однократно ионизированной плазме. Снизу: то же, но для плазмы, подвергшейся короткому или длинному лазерному импульсу, и для обычной воды

K. Beyerlein et al. / PNAS

Благодаря большому числу водородных связей вода обладает рядом необычных свойств, которые тяжело поддаются теоретическому анализу. Например, физики до сих пор расходятся во мнениях, почему в диапазоне температур от нуля до четырех градусов вода сжимается при нагревании, вместо того чтобы расширяться. В частности, одна из конкурирующих теорий предполагает, что в жидкости образуются пустотелые многогранники — витриты, — которые деформируются при нагревании. В мае 2015 года британские физики разработали другую модель воды, в которой глобальные свойства жидкости выводятся из ее локального устройства, — по словам ученых, эта модель позволяет одинаково хорошо описывать поведение воды во всем диапазоне температур. Подробнее о необычных свойствах воды можно прочитать в нашем материале «Пять стихий: вода».

В октябре прошлого года ученые из Института прикладной физики РАН с помощью мощного фемтосекундного лазера нагрели поверхность алюминиевой фольги до температуры около трех миллионов градусов, сохраняя при этом ее плотность. Как и в новой работе, это позволило исследователям получить экзотическое состояние вещества, известное как теплое плотное вещество (warm dense matter), и исследовать его свойства.

Свежее

Один из G-объектов в центре Млечного Пути оказался тройкой молодых звезд

Астрономы нашли еще одну галактику без темной материи

Смартфон узнал владельца по походке

Преступления лондонского расчленителя кошек приписали лисицам-падальщицам

Zala Aero показала испытания беспилотника-камикадзе с борта катера

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

5 аномальных фактов о воде

Перед вами пять наиболее интересных фактов о воде.

1. Горячая вода замерзает быстрее холодной

Почему же так происходит?

В 1963 году один танзанский студент по имени Эрасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba) замораживая приготовленную смесь для мороженого, заметил, что горячая смесь застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная. Когда юноша поделился своим открытием с учителем физики, тот лишь посмеялся над ним.

К счастью, ученик оказался настойчивым и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его открытие: в определенных условиях горячая вода действительно замерзает быстрее холодной.

Теперь этот феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название «эффект Мпемба». Правда, за долго до него это уникальное свойство воды было отмечено Аристотелем, Фрэнсисом Бэконом и Рене Декартом.

Ученые так до конца и не понимают природу этого явления, объясняя его либо разницей в переохлаждении, испарении, образовании льда, конвекции, либо воздействием разжиженных газов на горячую и холодную воду.

2. Сверхохлаждение и «мгновенное» замерзание

Все знают, что вода всегда превращается в лед при охлаждении до 0 °C … за исключением некоторых случаев! Таким случаем, например, является сверхохлаждение, которое представляет собой свойство очень чистой воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания.

Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. И поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию.

Процесс кристаллизации может быть спровоцирован, например, пузырьками газа, примесями (загрязнениями), неровной поверхностью емкости. Без них вода будет оставаться в жидком состоянии. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как сверхохлажденная вода моментально превращается в лед.

Заметьте, что «сверхнагретая» вода также остается жидкой, даже будучи нагретой до температуры выше точки закипания.

3. «Стеклянная» вода

Не задумываясь, назовите, сколько различных состояний есть у воды? Если вы ответили три: твердое, жидкое, газообразное, то вы ошиблись. Ученые выделяют как минимум 5 различных состояний воды в жидком виде и 14 состояний в замерзшем виде.

Что же произойдет при дальнейшем понижении температуры?

4. Квантовые свойства воды

На молекулярном уровне вода удивляет ещё больше. В 1995 году проводимый учеными эксперимент по рассеянию нейтронов дал неожиданный результат: физики обнаружили, что нейтроны, направленные на молекулы воды, «видят» на 25% меньше протонов водорода, чем ожидалось.

5. Есть ли у воды память?

Альтернативная официальной медицине гомеопатия утверждает, что разбавленный раствор лекарственного препарата может оказывать лечебный эффект на организм, даже если коэффициент разбавления настолько велик, что в растворе уже не осталось ничего, кроме молекул воды.

Сторонники гомеопатии объясняют этот парадокс концепцией под названием «память воды», согласно которой вода на молекулярном уровне обладает «памятью» о веществе, некогда в ней растворенном и сохраняет свойства раствора первоначальной концентрации после того, как в нём не остается ни одной молекулы ингредиента.

Международная группа ученых во главе с профессором Мэдлин Эннис (Madeleine Ennis) из Королевского университета в Белфасте (Queen’s University of Belfast), критиковавшая принципы гомеопатии, в 2002 году провела эксперимент, чтобы раз и навсегда опровергнуть эту концепцию.

Результат оказался обратным. После чего, ученые заявили, что им удалось доказать реальность эффекта «памяти воды». Однако опыты, проведенные под наблюдением независимых экспертов, результатов не принесли. Споры о существовании феномена «памяти воды» продолжаются.

Вода обладает множеством других необычных свойств, о которых мы не рассказали в этой статье. Например, плотность воды меняется в зависимости от температуры (плотность льда меньше плотности воды); вода обладает довольно большой величиной поверхностного натяжения; в жидком состоянии вода представляет собой сложную и динамически меняющуюся сеть из водных кластеров, и именно поведение кластеров влияет на структуру воды и т.д.

Источник

Температура кипения воды в зависимости от давления: 4 фактора, таблица для расчёта

Многие люди думают, что температура кипения воды составляет 100°C. Однако этот показатель может меняться в зависимости от атмосферного давления.

Например, на горе Эверест на подъеме 8842 метра над уровнем моря вода закипит при +70°C. А в глубокой шахте при достижении температуры + 103°C

В данной статье мы выясним, как будет меняться температура кипения воды в зависимости от давления: в горах, шахте, вакууме. Рассмотрим особенности процесса кипячения с точки зрения физики и химии.

Как будет меняться температура кипения воды: 4 фактора

Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.

Стоит отметить, что она всегда остается неизменной. Поэтому, если увеличить огонь под кипящей кастрюлей с водой, выкипать будет быстрее, но температура при этом не увеличится, так как средняя кинетическая энергия молекул остаётся неизменной.

Рассмотрим 4 фактора, которые влияют на изменение t°:

Рассмотрим более подробно каждый из факторов.

Влияние атмосферного давления

Согласно исследованиям и уравнению Клапейрона — Клаузиуса, градус кипения напрямую зависит от атмосферного давления. С его ростом температура кипения увеличивается, а с уменьшением, наоборот, становится все ниже и ниже.

Атмосферное давление — это давление атмосферы, действующее на все находящиеся на ней предметы и земную поверхность. Оно может меняться в зависимости от места и времени и измеряется барометром.

При нормальном атмосферном давлении 760 мм ртутного столба вода кипит при + 100 °C

В горной местности давление уменьшается, а под землей (в шахте) увеличивается.

Для наглядности предоставлена таблица № 1 из большого химического справочника, источник: Волков А. И, Жарский И. В.

Таблица № 1. «Температура кипения воды от давления».

Единицы измерения давления в таблице: кПа.

1 кПа = 1000 Па = 0,00986923 атм = 7, 50062 мм. рт. ст

Нормальное атмосферное давление составляет 765 мм. РТ. Ст. = 101,325 Р, кПа

Температура кипения в горах

При подъеме над поверхностью Земли (в горах), температура кипения воды падает, так как снижается атмосферное давление (на каждые 10, 5 м на 1 мм РТ. С). Пузырькам легче всплывать – процесс происходит быстрее.

Поэтому высоко в горах альпинисты не могут приготовить нормальную пищу, а используют законсервированные продукты.

Для варки мяса, как и других продуктов, нужны привычные 100 градусов. В обратном случае все компоненты бульона просто останутся сырыми.

Таблица № 2. «Как будет меняться t° кипения с высотой».

Температура кипения воды в шахте

Если спуститься в шахту, то давление будет увеличиваться.

Применение герметической крышки

Герметичные крышки не позволяет образовавшемуся пару ускользнуть. В среднем температура закипания воды увеличивается от 5-20 градусов.

В хозяйстве для приготовления блюд часто используют кастрюли, сковородки с герметичной крышкой. Таким образом, уменьшается время приготовления пищи за счет высокой температуры, а блюда получаются более вкусными. В горных районах с низким давлением это необходимая вещь для приготовления пищи. Так же используют мультиварки и сотейники.

Кипячение воды в вакууме

Вакуум — это среда с газом, с пониженным давлением.

Температура кипения воды в вакууме зависит от того, какое давление в нём.

Разные виды вакуумов поддерживают разное давление. Например, в низком вакууме давление составляет от 760 до 25 мм. РТ. Ст. В абсолютном вакууме давление полностью отсутствует. Для точного расчета нужно знать модель вакуума и давление, которое он поддерживает.

Кипение солёной воды

Солёная вода закипает при более высокой температуре за счет своих свойств.

Соль увеличивает плотность воды, соответственно на процесс требуется больше времени.

t° повышается примерно на 1 градус при добавлении 40 грамм соли на литр воды.

Температура кипения воды в чайнике

Чистая пресная вода закипает в чайнике при t° 100 градусов °C при условиях нормального атм. давления 760 мм ртутного столба.

Удельная теплоемкость

Удельной теплоемкостью вещества называется количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг этого вещества, чтобы его температура изменилась на 1 градус Цельсия.

Это количество теплоты необходимое для нагревания массы вещества на один градус.

формула удельной теплоемкости

С — удельная теплоемкость;

— масса нагреваемого охлаждающегося вещества;

— ΔT — разность конечной и начальной температур вещества.

Процесс кипячения воды: 3 основных стадии

Кипение – это интенсивное парообразование, которое происходит при нагревании жидкости по всему объёму при определённой температуре.

Весь процесс кипения воды сопровождается выделением пара. Это одно из состояний воды. При парообразовании температура пара и воды остаются постоянными до тех пор, пока жидкость не изменит свое агрегатное состояние. Это явление объясняется тем, что при кипении вся энергия расходуется в преобразование воды в пар.

В воде растворены молекулы воздуха (газов). При нагревании газ превращается в воздушные пузырьки. При достижении достаточной температуры они лопаются, создаётся характерный шум.

Процесс можно разделить на 3 стадии:

Что такое кипячёная вода?

Это вода, ранее доведенная до температуры кипения. Сырая вода в своем составе может содержать различные бактерии, микроорганизмы. В водопроводе больших городов много хлора и различных других химических веществ. Процесс кипячения обезвреживает многие микробы. Однако не все бактерии и тяжёлые металлы убиваются в кипящей воде, поэтому питьевая вода происходит предварительную проверку пригодности.

Выводы и рекомендации

Кипячение необходимый процесс для человечества. С помощью него приготавливают пищу, стирают загрязненную одежду, проводят дезинфекцию.

Градус кипения напрямую зависит от давления, свойств воды и емкости.

Источник

Ученым удалось нагреть воду до 100 000 градусов меньше чем за секунду

Самый быстрый водонагреватель в мире превращает воду в плазму за триллионную долю секунды.

Ученые нашли способ нагревать воду от комнатной температуры до 100 000 градусов Цельсия менее чем за десятую часть пикосекунды. В лабораторных условиях они пропускают чрезвычайно интенсивные и ультракороткие вспышки рентгеновских лучей в струе воды и создают новое экзотическое состояние воды, которое невозможно было достичь обычными методами. Одна пикосекунда составляет одну триллионную или одну миллионную долю миллионной доли секунды. Это делает рентгеновский лазер самым быстрым водонагревателем в мире.

«Не обычный способ кипятить вашу воду. Обычно, когда вы нагреваете воду, молекулы просто движутся быстрее и быстрее», — объяснил Карл Калман из Центра свободной электроники (CFEL) в Стенфортде. «Наш нагрев принципиально отличается. Энергичное рентгеновское излучение удаляет электроны из молекул воды, тем самым разрушая баланс электрических зарядов. Таким образом, внезапно атомы ощущают сильную отталкивающую силу и начинают двигаться».

Вода состоит из атомов и молекул, и все молекулы находятся в постоянном движении. Когда к воде добавляется больше тепла, молекулы движутся быстрее. Менее 75 фемтосекунд, это 75 миллионных долей миллиардной доли секунды или 0,000 000 000 000 075 секунд, вода превращается из жидкости в плазму. Плазма — это состояние материи, где электроны удалены из атомов, что приводит к своего рода электрически заряженному газу. Состояние характеризуется уникальными способностями и естественно не встречается на Земле.

«Но пока вода превращается из жидкости в плазму, она все еще остается при плотности жидкой воды, поскольку у атомов не было времени значительно продвинуться», — сказал соавтор Олоф Йонссон из Университета Уппсалы. «Она имеет схожие характеристики, как некоторые плазмы на Солнце и на газовом гиганте Юпитере, но более низкую плотность».

Чтобы подтвердить свои измерения, исследователи также использовали симуляции процесса. Вместе измерения и симуляции позволили им узнать больше о специфических характеристиках воды. Моделирование практически не обнаружило структурных изменений в воде до 25 фемтосекунд после удара рентгеновского импульса. Но при 75 фемтосекундах изменения становятся очевидными. Этот процесс открывает новые пути для экспериментов с нагретыми образцами химического вещества.

«Исследование дает нам лучшее представление о том, что мы делаем с разными образцами», — сказал соавтор Никосор Тимнену из Университета Уппсалы. «Наблюдения также важны для разработки методов создания одиночных молекул или других крошечных частиц с помощью рентгеновских лазеров».

Источник