Wrzenie kojarzy się z kuchenką i gorącym garnkiem, tymczasem wodę można zagotować w dłoni, bez grama dodatkowego ciepła. Wystarczy plastikowa strzykawka, odrobina letniej wody i mocne pociągnięcie tłoka.

Co nam będzie potrzebne?

  • plastikowa strzykawka o pojemności 20–60 ml, bez igły (np. z apteki)
  • ciepła woda z kranu, ok. 40–50°C (musi być przyjemnie ciepła, nie parząca)
  • kubek lub miska na wodę
  • termometr kuchenny (opcjonalnie)
  • gumowy lub silikonowy korek do zatkania końcówki; może być też kawałek gumki z kapsla albo palec w rękawiczce
  • ręcznik papierowy

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Nalej ciepłą wodę do kubka i zmierz jej temperaturę. Jeśli nie masz termometru, sprawdź palcem, czy woda jest wyraźnie ciepła, ale nie parzy. Zbyt gorąca woda może uszkodzić strzykawkę i poparzyć, a zimna da znacznie słabszy efekt.

Krok 2: Wciśnij tłok strzykawki do samego końca i zanurz końcówkę w wodzie. Powoli wyciągnij tłok, tak aby nabrać około jednej czwartej do jednej trzeciej objętości strzykawki. Skieruj końcówkę do góry i lekko stuknij w korpus, a potem wypchnij tłokiem wszystkie pęcherzyki powietrza, zostawiając w środku samą wodę.

Krok 3: Zatkaj końcówkę korkiem lub palcem w rękawiczce. Zadbaj o to, żeby zatyczka była szczelna, bo każde zasysane powietrze popsuje doświadczenie. Przytrzymaj ją mocno drugą dłonią.

Krok 4: Szybkim, zdecydowanym ruchem pociągnij tłok w dół, tak aby nad wodą powstała duża pusta przestrzeń. Natychmiast zobaczysz w wodzie mnóstwo pęcherzyków, które rosną i unoszą się ku powierzchni, a woda wygląda tak, jakby wrzała. Zatrzymaj tłok w tej pozycji kilka sekund i obserwuj.

Krok 5: Zwolnij tłok. Zostanie on wciągnięty z powrotem, a pęcherzyki znikną. Powtórz próbę kilka razy i przyłóż palec do strzykawki: woda, która „wrze”, wcale nie jest gorąca. Na koniec wypróbuj dokładnie tę samą procedurę z wodą zimną i porównaj liczbę pęcherzyków.

Wyjaśnienie naukowe

Woda wrze wtedy, gdy ciśnienie jej pary nasyconej zrówna się z ciśnieniem otoczenia. Przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym, czyli około 1013 hPa, dzieje się to w temperaturze 100°C. Nie jest to jednak stała natury: im niższe ciśnienie panuje nad wodą, tym niższa temperatura wrzenia. Kiedy pociągasz tłok, zwiększasz objętość zamkniętej przestrzeni, a ciśnienie w strzykawce gwałtownie spada. Gdy spadnie do kilkudziesięciu hPa, woda o temperaturze 40–50°C zaczyna wrzeć, choć nie dostarczyłeś jej ani jednego dżula dodatkowego ciepła.

Pęcherzyki, które widzisz, to głównie para wodna, a nie powietrze. Cząsteczki wody o największej energii przechodzą w stan gazowy i wypełniają również pustą przestrzeń nad cieczą. Parowanie zabiera jednak energię, więc woda w strzykawce lekko się wychładza. To dokładnie ten sam mechanizm, który powoduje, że mokra skóra na wietrze wydaje się zimna. Po zwolnieniu tłoka ciśnienie rośnie, para ponownie skrapla się w wodę, a wrzenie ustaje.

Zjawisko to ma wiele praktycznych konsekwencji. Wysoko w górach ciśnienie jest niższe, dlatego na szczycie Mont Blanc woda wrze już w około 84°C, a ugotowanie jajka lub makaronu zajmuje znacznie więcej czasu. Z kolei w szybkowarze ciśnienie podnosi się do około 2 atmosfer i woda wrze w ok. 120°C, więc potrawy gotują się szybciej. Podobną zasadę wykorzystuje się w przemyśle spożywczym: soki i mleko zagęszcza się w wyparkach próżniowych, w których woda odparowuje w niskich temperaturach, bez psucia smaku i witamin. Z kolei w autoklawach szpitalnych wysokie ciśnienie pozwala sterylizować narzędzia w temperaturze powyżej 120°C. Siłę ciśnienia atmosferycznego pokazuje doświadczenie półkule magdeburskie z przyssawek , a o pracy pary wodnej przeczytasz w artykule o parowozie z puszki .

Warianty

Wrzenie zimnej wody: powtórz doświadczenie z wodą o temperaturze ok. 20°C, a następnie z wodą schłodzoną w lodówce. Zauważysz, że im zimniejsza woda, tym trudniej wywołać wrzenie i tym słabsze ono jest. Wynika to z faktu, że ciśnienie pary nasyconej zimnej wody jest niższe, więc ciśnienie w strzykawce musi spaść dużo głębiej. Możesz też spróbować z wodą o temperaturze zbliżonej do ciała, ok. 37°C, co jest bezpieczną wartością.

Zmiana wielkości strzykawki: porównaj efekt dla strzykawki 20 ml i 60 ml. Większa strzykawka pozwala uzyskać niższe ciśnienie, bo ten sam ruch tłoka tworzy większą pustą przestrzeń. Policz, ile razy zwiększyła się objętość gazu, i spróbuj oszacować końcowe ciśnienie na podstawie prawa Boyle’a, zgodnie z którym iloczyn ciśnienia i objętości gazu jest stały.

Marshmallow w strzykawce: zamiast wody włóż do strzykawki piankę marshmallow i zatkaj końcówkę. Wyciągnięcie tłoka sprawi, że pianka urośnie, bo zamknięte w niej pęcherzyki powietrza rozprężają się przy niższym ciśnieniu. Po zwolnieniu tłoka wróci do poprzedniej wielkości. Więcej o pianach i ich właściwościach znajdziesz w artykule o piankach marshmallow .

Często zadawane pytania

Czy woda w strzykawce naprawdę wrze? Tak, w sensie fizycznym jest to prawdziwe wrzenie, czyli powstawanie pęcherzyków pary wewnątrz cieczy. Różnica polega na tym, że nie następuje ono w temperaturze 100°C, tylko w znacznie niższej, bo ciśnienie nad wodą spadło. Woda nadal jest letnia, więc nie ma ryzyka poparzenia, a pęcherzyki zawierają głównie parę wodną. To dowód, że wrzenie zależy nie tylko od temperatury, ale i od ciśnienia.

Dlaczego efekt jest słabszy, gdy w strzykawce zostało powietrze? Powietrze nad wodą też wywiera ciśnienie, a gdy pociągasz tłok, rozprężone powietrze wciąż utrzymuje wyższe ciśnienie niż sama para. Dlatego ciśnienie nie spada tak nisko, żeby woda mogła wrzeć w niskiej temperaturze. Warto więc starannie wypchnąć wszystkie pęcherzyki przed zatkaniem końcówki. Im mniej powietrza, tym wyraźniejsze wrzenie.

Czy w ten sposób można ugotować jajko lub zaparzyć herbatę? Nie, ponieważ woda wrząca pod niskim ciśnieniem ma niską temperaturę, a to właśnie temperatura odpowiada za gotowanie i parzenie. Na dużych wysokościach, na przykład w Himalajach, wodę trudno doprowadzić do temperatury wyższej niż około 70–80°C, dlatego alpiniści używają szybkowarów. Wrząca woda w strzykawce jest więc ciekawa, ale praktycznie nie nadaje się do gotowania.