Teplota varu

Rozbalit box

Obsah boxu

Teplota varu (též bod varu, značka t_v) je teplota, při které kapalina vře a mění své skupenství na plynné v celém svém objemu. Fyzikálně je definována jako teplota, při které se tlak par kapaliny vyrovná tlaku okolního plynu. Na rozdíl od trojného bodu, který je pevně danou kombinací tlaku a teploty, teplota varu představuje ve fázovém diagramu čáru, neboť silně závisí na okolním tlaku.

⏳ Historie a objevy

Studium fázových přechodů a varu je součástí termodynamiky a fyzikální chemie. Pozorování varu a jeho závislosti na tlaku se datuje do raných vědeckých experimentů. Již v 17. století Denis Papin vynalezl Papinův hrnec, který demonstroval zvýšení teploty varu vody při vyšším tlaku, což umožnilo rychlejší vaření. Koncept kritického bodu, kde se hranice mezi kapalinou a plynem stírá, byl objeven Cagniardem de la Tour v 19. století. Stanovení referenčních bodů, jako je bod varu vody, bylo klíčové pro vývoj teplotních stupnic, například Celsiovy (100 °C pro var vody za normálního tlaku) a Fahrenheitovy (212 °F).

🧪 Fyzikální principy

Var je proces, při kterém se kapalina intenzivně vypařuje nejen z volného povrchu, ale i z celého svého objemu, kde se tvoří bubliny páry. Tyto bubliny stoupají k povrchu a uvolňují se do okolního prostoru. K tomuto jevu dochází, když se tlak nasycených par uvnitř kapaliny vyrovná vnější tlaku působícímu na povrch kapaliny.

Energie potřebná pro změnu skupenství z kapalného na plynné při konstantní teplotě varu se nazývá skupenské teplo varu. Dokud se veškerá kapalina nezmění na páru, teplota látky zůstává při bodu varu konstantní, i když je jí stále dodáváno teplo. Teprve poté, co se celá látka přemění na plyn, začne se její teplota opět zvyšovat.

🌡️ Faktory ovlivňující teplotu varu

Teplota varu není konstantní pro všechny podmínky, ale je ovlivněna několika klíčovými faktory:

Tlak okolního prostředí

   Teplota varu je přímo závislá na tlaku nad povrchem kapaliny. S rostoucím tlakem se teplota varu zvyšuje a naopak. Například voda za normálního atmosférického tlaku (přibližně 101 325 Pa) vře při 100 °C. Na Mount Everestu (8 848 metrů nad mořem), kde je tlak výrazně nižší (asi 33 kPa), vře voda již při přibližně 71 °C. V tlakovém hrnci naopak díky vyššímu tlaku (až 300 kPa) vře voda při teplotách přesahujících 130 °C, což urychluje vaření pokrmů.

Přítomnost rozpuštěných látek (nečistoty)

   Přítomnost rozpuštěných látek (tzv. nečistot) v kapalině obvykle zvyšuje její teplotu varu, což je jev známý jako ebulioskopie. Například slaná voda vře při vyšší teplotě než čistá voda.

Mezimolekulární síly

   Síla mezimolekulárních sil v kapalině hraje klíčovou roli. Látky s silnějšími mezimolekulárními silami (např. vodíkové vazby u vody) vyžadují více energie k překonání těchto sil a přechodu do plynného skupenství, a proto mají vyšší teplotu varu.

🔬 Měření teploty varu

Měření teploty varu je důležitá metoda pro identifikaci látek a ověření jejich čistoty.

Laboratorní metody

   Nejjednodušší metodou je použití teploměru ponořeného do zahřívané kapaliny. Jakmile kapalina dosáhne varu a začnou se tvořit souvislé bubliny, odečte se hodnota na teploměru. Pro malá množství látek lze použít speciální baničky nebo destilační přístroje pro přesnější měření.

Automatické přístroje

   Moderní laboratoře využívají automatické přístroje, které dokážou přesně a spolehlivě stanovit bod varu, často v kombinaci s měřením teploty tání.

💡 Praktické aplikace

Znalost a kontrola teploty varu má četné praktické aplikace v různých oblastech:

Vaření a potravinářství

   V kuchyni se využívá závislost teploty varu na tlaku u tlakových hrnců pro rychlejší přípravu pokrmů. Naopak ve vakuových nádobách lze vařit při nižších teplotách, což je důležité například při výrobě krystalového cukru, sirupů nebo kondenzovaného mléka, aby se zabránilo degradaci látek citlivých na teplo.

Chemický a průmyslový proces

   Destilace je klíčová separační technika, která využívá rozdílných teplot varu složek směsi k jejich oddělení. Používá se v petrochemickém průmyslu pro rafinaci ropy, v chemické výrobě pro získávání čistých látek (např. ethanolu) a v mnoha dalších odvětvích.

Chlazení a kryogenika

   Látky s velmi nízkou teplotou varu, jako je kapalný dusík (-196 °C), se používají jako chladivo v kryogenice, pro uchovávání biologických vzorků nebo pro chlazení elektroniky.

Meteorologie a výškoměry

   Závislost teploty varu vody na atmosférickém tlaku se dříve využívala k měření nadmořských výšek pomocí hypsometrů.

🌍 Teplota varu různých látek

Teplota varu je charakteristická pro každou čistou látku za daného tlaku. Níže jsou uvedeny příklady teplot varu vybraných látek při normálním atmosférickém tlaku (přibližně 101,3 kPa):

Voda: 100 °C
Ethanol: 78,3 °C
Dusík: -195,8 °C (77,35 K)
Rtuť: 357 °C
Železo: 2 861 °C
Hliník: 2 470 °C
Wolfram: 5 550 °C
Dietylether: 34,5 °C

🚀 Související jevy

Vypařování

   Proces, při kterém se kapalina mění na plyn pouze z volného povrchu, probíhá při jakékoli teplotě, na rozdíl od varu, který probíhá v celém objemu při specifické teplotě.

Kondenzace

   Opačný proces k varu, kdy se plyn mění na kapalinu, často ochlazením nebo zvýšením tlaku.

Kritický bod

   Bod na fázovém diagramu, který zakončuje křivka vypařování. Nad kritickou teplotou nelze látku zkapalnit pouhým zvýšením tlaku; mizí rozdíl mezi kapalnou a plynnou fází. Pro vodu je kritický bod při 374 °C a tlaku 22 MPa.

Trojný bod

   Unikátní stav, při kterém koexistují všechna tři skupenství látky (pevné, kapalné a plynné) v termodynamické rovnováze. Pro vodu nastává trojný bod při tlaku 611,7 Pa a teplotě 0,01 °C (273,16 K).

Pro laiky

Představte si, že ohříváte vodu v hrnci na sporáku. Když je voda studená, nic se neděje. Postupně se ohřívá a z povrchu se začínají zvedat malé neviditelné částečky páry – to je vypařování. Ale když se voda dostane na určitou teplotu, začne se dít něco zvláštního: začnou se v ní tvořit bublinky. Tyto bublinky nejsou vzduch, ale je to vodní pára, která vzniká přímo uvnitř vody. Bublinky stoupají nahoru a praskají na povrchu, a celá voda se začne "hýbat" – tomu říkáme var.

Ta speciální teplota, při které to začne, je teplota varu. Pro čistou vodu je to obvykle 100 °C. Ale pozor! Pokud vaříte vodu vysoko v horách, kde je menší tlak vzduchu, voda vře už při nižší teplotě, třeba při 80 °C. Proto se tam čaj hůře louhuje. Naopak, když vaříte v tlakovém hrnci, kde je tlak vyšší, voda vře při vyšší teplotě, třeba 120 °C, a jídlo se uvaří rychleji. Je to, jako by se voda rozhodla, že se změní na páru, až když na ni okolí "netlačí" moc silně. Čím menší tlak, tím dříve (při nižší teplotě) se rozhodne vařit.