Почему мы «чувствуем» пар при температуре 100 °C более горячим, чем вода при температуре 100 °C?

TL;DR: вы, вероятно, не подвергались воздействию воды с температурой 100 ° C ни на одном из этапов, и даже если бы вы это сделали, вы не могли бы разумно почувствовать ее температуру из-за получения ожога третьей степени. Горячая вода и пар опасны, но принципиально разные, поэтому сравнивать их все равно, что сравнивать гориллу с акулой .

Я не совсем уверен, что вы здесь сравниваете, но если вы возьмете достаточно большой кусок своей кожи и подвергнете его воздействию воды 100 ° C (в любой фазе) в течение достаточно долгого времени, чтобы ваши датчики температуры действительно дали разумный результат , вы получите сильный ожог. В таком случае у меня есть несколько причин не доверять вашим сообщениям о том, какую температуру вы чувствуете. (Обратите внимание, что под ощущением я подразумеваю ваше непосредственное ощущение температуры, а не последствия полученных в результате травм и тому подобного.) Например, в этой статье Healthline сообщается, что 1 с воздействия воды с температурой 69 ° C достаточно для третья- ожог степени, который разрушает ваши нервные окончания и, таким образом, в основном безболезненныйв долгосрочной перспективе (и я сомневаюсь, что кто-либо может различить нюансы сильной боли, имевшей место раньше).

Теперь, что вы на самом деле испытали?

• Потягивая чашку горячего чая, вы не получаете 100-градусную воду. Даже если вы заваривали чай кипяченой водой, последняя, ​​вероятно, изначально не имела однородной температуры 100 °C. Затем он охлаждался во время заваривания чая, наливания и при контакте с чашкой. Потягивание приводит к контакту очень небольшого количества воды с вашей кожей, которая быстро охлаждается при контакте с кожей и воздухом (из-за того, что она такая маленькая). Кроме того, у вас может быть дополнительный защитный слой слюны или чего-то подобного, который необходимо нагреть, прежде чем произойдет что-то важное (указано Шмуэлем Ньюмарком ). То, что воспринимают ваши датчики температуры, в основном зависит от количества воды.

• Я не уверен, каков ваш паровой опыт, но погрузить любую часть тела в чистую газообразную воду с температурой 100 ° C довольно сложно (и опасно). Пар, который образуется над кастрюлями или чайниками с кипящей водой и чем-либо еще, что в просторечии называется паром.представляет собой смесь газообразной воды, воздуха и жидких капель воды. Последнее — это то, что вы можете видеть на самом деле; чистая газообразная вода прозрачна. И наоборот, если вы можете это увидеть, это не чистая газообразная вода, и я был бы впечатлен, если бы вам действительно удалось почувствовать температуру своей кожей. Вместо этого, если вы вскипятите чайник с водой, выходящий пар уже значительно остынет из-за контакта с воздухом и других факторов. Тем не менее, это может вызвать сильные ожоги. Если ваше воздействие достаточно мягкое, чтобы этого не произошло, это зависит от деталей, то есть от того, насколько горячим был пар, сколько его было и т. д.

В общем, ваше восприятие температуры зависит от количества тепла, выделяемого на временной шкале, соответствующей вашим тепловым датчикам. Это в свою очередь зависит от:

• Температура всего, с чем вы соприкасаетесь. Обратите внимание, что температура — это не просто «средняя кинетическая энергия» (см. этот вопрос ).
• Теплоемкость, т. е. количество энергии, запасенной при температуре. Жидкая вода имеет примерно в два раза большую теплоемкость на единицу массы, чем газообразная вода. Различия в теплоемкости на единицу объема намного больше, поскольку газ намного менее плотный. Для газообразной воды также существует скрытая теплота испарения , которую она может передать вашему телу путем конденсации.
• Теплопроводность, т. е. скорость передачи тепла между различными слоями вещества и от вещества к вашей коже. Теплопроводность жидкой воды примерно в тридцать раз выше, чем у газообразной воды. Однако газообразная вода гораздо менее вязкая и, таким образом, может легко проникать в ваши поры, чтобы передать тепло вашей коже, что считается основным фактором, влияющим на тяжесть ожогов паром (Новости науки: Понимание ожогов паром ) .

Эти испаренные молекулы, обладающие той же энергией, что и вода (при той же температуре), плюс скрытая теплота парообразования, — это то, что я называю паром. Таким образом, у него больше энергии, но такая же температура.

Водяной пар в воздухе не обязательно должен иметь температуру 100 °C или выше. Скорее это температура окружающего воздуха. Вы можете думать об этом как о воде, растворенной в воздухе. Он существует при всех температурах и вызывает (вернее, является ) влажность. Количество воды, которое можно растворить в воздухе, зависит от температуры.

Теперь из-за изменений температуры может случиться так, что в части воздуха растворено больше воды, чем она может удержать. В этом случае вода конденсируется в капли, которые вы видите как пар, облака или туман — между ними нет принципиальной разницы. Если вы кипятите воду, вы действительно выпускаете в воздух пакеты водяного пара с температурой 100 ° C, но они сразу же остывают при смешивании с воздухом, что вызывает конденсацию, приводящую к видимым облакам, которые мы обычно ассоциируем с паром. Они не раскалены до 100°C (и внутри них ничего не нагревается); если бы они были, ваш воздух тоже имел бы такую ​​температуру, и вы бы мало что видели. (Нагрев также вызывает восходящий поток воздуха, который уносит с собой эти капли и предотвращает их немедленное возвращение в воду.)

Но теперь, когда это произошло, позвольте мне упомянуть, что это общепринятый факт из второстепенных учебников, который преподается и изучается в Индии. Вот ссылка на соответствующий школьный материал: https://byjus.com/questions/what-produces-more-severe-burns-boiling-water-or-steam/ .

И кипящая вода, и горячий пар довольно опасны, и насколько они опасны, зависит от того, как долго вы подвергаетесь их воздействию, при какой температуре и т.д. Поскольку один является жидкостью, а другой (в основном) газом, встречи с ними нельзя сравнивать напрямую (в отличие, например, от помещения руки в две разные жидкости). С таким же успехом можно подумать, выиграет ли горилла бой с акулой . Мы могли бы посмотреть, сколько зарегистрированных травм мы получаем от любого из них, но это больше говорит о том, насколько небрежно люди относятся к соответствующим веществам.

То, что мы определяем как «горячее» или «холодное», — это передача энергии — сколько (количество) и как быстро (скорость передачи) — и как она повышает нашу температуру. Чем больше энергии быстро передается от объекта, тем горячее он ощущается.

Во-первых, пар находится в испарившейся фазе, поэтому у него больше энергии. При 100 градусах Цельсия вода может существовать как в газообразном, так и в жидком состояниях. Однако для испарения жидкой воды требуется затрата энергии. Эта энергия (называемая энергией испарения) специфична для каждого материала, но если ее добавить, она не повысит температуру, а просто испарит жидкость в газ. Таким образом, испаряя воду с температурой 100°С, вы получаете водяной пар с температурой 100°С. Точно так же вы можете сконденсировать этот пар, удаляя то же количество энергии, которое требуется для его испарения. В этом случае вы бы восстановили воду при температуре 100 градусов.

Когда вы прикасаетесь к чему-то горячему, оно будет передавать вам тепло до тех пор, пока температуры не выровняются. Поэтому, когда вы прикасаетесь к горячей воде, вода просто передает всю энергию, необходимую для достижения температуры поверхности вашей руки (чего не произойдет, вы уберете руку гораздо раньше). Однако, когда вы касаетесь пара, он также передает вам энергию конденсации, что на самом деле представляет собой много энергии. Эта энергия резко повышает температуру вашей руки, и вы чувствуете, что она «горячая».

Рассмотрим простое уравнение теплопередачи: скорость теплопередачи$H$является

$L$для нашего случая несущественно. Что важно, так это$k$, константа теплопроводности - эта константа зависит от материала. Чем выше эта константа, тем быстрее передается тепло, поэтому передается больше тепла, и температура вашей руки увеличивается.

Следующий,$A$представляет площадь контакта между поверхностями. Как отмечает @Wrzlprmft, пар легче проникает в поры кожи. Это обеспечит передачу большего количества тепла, так как общая площадь контакта больше.

Мы также можем максимизировать теплопередачу, увеличив разницу температур,$T_\text{hot}-T_\text{cold}$. Чем больше эта разница, тем больше тепловой поток. Обратите внимание, что по мере прохождения тепла эта разница будет уменьшаться. В случае воды,$T_\text{hot}$опускается и$T_\text{cold}$становится выше. Однако с паром при 100°C энергия конденсации сначала покидает пар, не изменяя температуру газа, поэтому$T_\text{hot}-T_\text{cold}$сжимается медленнее;$T_\text{hot}$не меняется, а значит, теплообмен идет быстрее. Кроме того, энергия конденсации, за неимением лучшего слова, довольно велика, а это означает, что с такой высокой скоростью будет передано много.

TLDR: причина, по которой пар кажется более горячим, заключается в том, что он может передавать нам больше энергии быстрее (то есть без снижения своей температуры за счет передачи энергии конденсации), тогда как вода не может. Наше ощущение того, что горячее, определяется тем, сколько энергии и как быстро объект передает эту энергию для повышения нашей температуры.

Редактировать: я забыл упомянуть, что в отличие от воды, пар может быть плотно упакован, потому что это газ. В зависимости от того, насколько сжат пар в данном объеме, вы можете почувствовать, что пар при 100°C теплее или холоднее, чем вода при 100°C. Для целей моего ответа я предположил, что пар плотный и плотно упакованный, что в конечном итоге может компенсировать более низкую постоянную теплопроводности пара.

Если вы на самом деле почувствуете как жидкую воду при 100°C, так и настоящий пар (а не водяной пар в воздухе) при 100°C, то вода будет казаться более горячей.

Обратите внимание, что из чайника выходит не пар. Обратите внимание, что сауна не заполняется паром.

Потому что вода вызовет ожог первой степени за 0,25 секунды, вызывая боль. Но ожогу потребуется почти 30 секунд, чтобы перейти в третью степень, где боль прекратится из-за полного разрушения нервов.

Пар, находясь при той же температуре, не будет остывать при контакте с кожей. Он будет оставаться при 100°C, превращаясь в жидкость, высвобождая ту же энергию, что и при охлаждении простой воды со 100°C до 0°C, в 4 раза больше.

Прямой паровой ожог вызывает ожоги третьей степени в течение 5 секунд, прекращая боль.
Таким образом, пар «чувствует» себя менее горячим, чем вода, при температуре 100°С.

Я сильно подозреваю, что ОП спрашивает, разница в ощущении между умеренно горячим ненавистником (чайная вода 70 ° C) и струями водяного пара над кипящим котлом (~ 20 ° C выше комнатной температуры)

Основываясь на некотором опыте теплообмена, эти эффекты могут быть довольно легко определены количественно, если мы пренебрежем конвективным переносом тепла в воде и паре и предположим, что тепловые свойства плоти примерно такие же, как у жидкой воды. В этом случае, если жидкая вода при 100°С внезапно соприкоснется с плотью при 37°С, температура поверхности раздела изменится и достигнет среднего значения (100 + 37)/2 = 68,5°С. Довольно жарко.

Теперь о случае пара при 100°С, внезапно попавшего в контакт с мясом при 37°С. В этом случае на поверхности мяса начнет образовываться слой сконденсированной жидкой воды, и толщина этого сконденсированного слоя$\delta(t)$будет увеличиваться с течением времени. Скорость тепловыделения от конденсации (на единицу площади поверхности) будет$q=\rho \lambda \frac{d\delta}{dt}$, где$\rho$- плотность жидкой воды, а$\lambda$это теплота парообразования. Все это тепло будет передаваться через конденсированный слой к поверхности по уравнению:

Снова предполагая постоянную температуру поверхности тела, если мы решим уравнение. 1 для толщины слоя конденсата в зависимости от времени получаем:

Если мы решим эти уравнения для дробного приближения f и температуры поверхности тела, исходя из значений c = 4,184 кДж/кг-C и$\lambda$= 2500 кДж/кг, получаем фракционное приближение 0,68 и температуру поверхности тела 80 С. Это превышает значение для контакта с водой при 100 С, 68,5 С, более чем на 10 С.

Первый пункт:

То, насколько горячим или холодным что-то ощущается, зависит не только от температуры. Температура — это всего лишь (расширенная) мера количества содержащейся тепловой энергии. Скорее, важным свойством является теплопроводность твердых тел при теплопроводности и аналогичные коэффициенты теплопередачи для жидкостей и газов при конвекции. То есть способность материала отдавать энергию вашей руке, когда вы к ней прикасаетесь. Посмотрите, например, на аэрогель: раскаленный до тысячи градусов по Цельсию, прямо из печи, его можно держать в руке из-за очень низкой теплопроводности.

Второй пункт:

Пар действительно содержит больше энергии, чем вода, когда они имеют одинаковую температуру. Потому что пар помимо своей тепловой энергии также поглощает скрытую тепловую энергию для фазового перехода от жидкости к газу. Когда вы прикасаетесь к ней, то и для воды, и для пара вы должны поглотить достаточно энергии, чтобы снизить температуру до температуры вашей руки. Но для пара вам сначала нужно поглотить энергию, чтобы снова преобразовать его из газа в жидкость. Таким образом, вы в целом поглощаете больше энергии, касаясь пара. Если это произойдет быстро — быстрее, чем ваша рука может отвести энергию от поверхности кожи, — тогда температура вашей кожи повысится, и вы можете обжечься.

Если вы чувствуете себя горячее, потому что, хотя температура такая же, на самом деле оно «горячее» в том смысле, что в нем больше тепла, которое можно излить на вашу кожу. Пар обжигает вас трижды, потому что процесс превращения пара обратно в воду сам по себе выделяет некоторое количество тепла в вашу плоть без изменения температуры. В воде с температурой 100° вы охлаждаете воду своей плотью, и, наоборот, вода сжигает вашу плоть. В паре 104° вы охлаждаете пар своей плотью до 100°, ЗАТЕМ конденсируете его своей плотью, от пара 100° до воды 100°, а ЗАТЕМ охлаждаете воду 100° своей плотью.

Это противоположно кипячению, и вы замечаете, что когда вы кипятите воду, вы продолжаете добавлять тепло, но температура воды не превышает 100°C. Тепло, которое вы добавляете, идет не на повышение температуры, а на само кипение.

Для преобразования жидкой воды с температурой 100°C в пар с температурой 100°C требуется в 500% больше энергии, чем для доведения замерзшей воды с 0°C до температуры 100°C.

• Чтобы поднять 1 г от 0°C до 100°C, требуется 418 джоулей.
• Чтобы испарить 1 г воды при температуре 100°С, требуется 2260 Дж.

Проверьте это, замерив время кастрюли с водой. Чтобы выпарить литр воды, потребуется в 5 раз больше времени, чем для ее кипячения!

Таким образом, когда вы конденсируете пар на своей руке, каждая капля высвобождает в 5 раз больше энергии, чем капля воды, пролитая на вашу руку.

Мы почти можем сказать, что сконденсировать 1 г пара на вашей руке все равно что пролить на нее воду с теоретической температурой 500°C, потому что почти вся энергия диссоциации молекул пара высвобождается в виде тепла, когда атомы воды снова сливаются.

Я думаю, вы, вероятно, немного запутали вопрос. Пар при 100 °C не будет горячее, чем вода при 100 °C, потому что его теплопроводность намного ниже . Однако в целом пар может казаться намного горячее воды при 100 °C, потому что пар может быть намного горячее 100 °C. На самом деле пар может быть даже достаточно горячим, чтобы зажечь бумагу .

Обратите внимание, что пар не кажется более горячим, чем вода (если вы считаете пар при температуре 100 градусов, что имеет место для пара под давлением воздуха, в отличие от пара в кастрюлях под давлением). Испаряющиеся капельки пара имеют ту же температуру, что и кипящая вода, из которой они исходят. Возможно, выделяется очень небольшое количество скрытого тепла. Но недостаточно, чтобы его температура значительно повысилась. Но даже когда он имел более высокую температуру, чем вода, капли пара слишком сильно растворялись в воздухе, чтобы причинить какой-либо вред.
Если вы опустите руку в кипящую чашку с водой, вы, вероятно, закричите. Если вы войдете в сауну, заполненную (с)командой (с температурой воздуха 100 градусов по Цельсию), хотя вы, вероятно, не будете кричать (если не будете смотреть на других людей). Это означает, что пар (когда он не находится в движении) является худшим проводником тепла, чем вода. Он состоит из маленьких капелек воды, но поскольку их не так много в единице объема, он не будет вытягивать из вас много тепла. Только если вы выпустите пар на кожу, вы закричите. В этом случае все капли будут натирать вашу кожу как один слой воды, заставляя ее вытягивать из вас тепло.

Короче говоря, у пара гораздо меньшая теплопроводность, чем у воды, поэтому пар высасывает из вас меньше тепла, чем вода. Почему пар хуже проводит тепло, чем вода? из-за воздуха, окружающего пар. Воздух очень плохо проводит тепло, поэтому в итоге и капли, и воздух (пар) будут хуже проводить тепло, чем вода. Если бы вы смотрели только на капли, то, очевидно, это могло бы вытягивать из вас тепло. К счастью, капли не большие 1 (см). Это будет горячий дождь и наверняка навредит вам.