Можно ли вскипятить воду, подогревая её паром при температуре 100 °С? Атмосферное давление считать нормальным.

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно рассмотреть физические процессы, связанные с кипением и теплопередачей.

Кипение – это процесс интенсивного парообразования, происходящий не только на поверхности жидкости, но и в её объёме. Для того чтобы вода начала кипеть, её температура должна достигнуть определённого значения, называемого температурой кипения. При нормальном атмосферном давлении (101,3 кПа) температура кипения воды составляет 100 °С.

Передача тепла от одной системы к другой может осуществляться тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. В данном случае нас интересует конденсация пара и последующая передача тепловой энергии воде.

Пар при температуре 100 °С может конденсироваться на поверхности холодной жидкости, передавая ей теплоту. При этом выделяемая теплота конденсации равна удельной теплоте парообразования $ r $, которая для воды составляет 2260 кДж/кг. Это означает, что при конденсации 1 кг водяного пара выделяется 2260 кДж энергии, которая может быть передана воде.

Вода нагревается в результате получения тепловой энергии. Количество теплоты, необходимое для нагрева массы жидкости $ m $ от начальной температуры $ t_1 $ до конечной температуры $ t_2 $, можно рассчитать по формуле:

$$ Q = cm(t_2 - t_1), $$

где $ c $ – удельная теплоёмкость воды, равная $ 4,2 \ \text{кДж/(кг·°С)} $.

Если вода уже нагрета до 100 °С, то дальнейшее её нагревание невозможно, так как жидкость не может иметь температуру выше температуры кипения при данных условиях (давление и состав окружающей среды).

Однако энергия, продолжающая поступать в воду, не теряется. Вместо повышения температуры происходит изменение агрегатного состояния жидкости: она начинает превращаться в пар. Процесс превращения жидкости в пар при постоянной температуре называется испарением, а в случае кипения – парообразованием.

Для перехода воды в пар при температуре кипения требуется энергия. Это энергия называется теплотой парообразования $ r $, о которой говорилось ранее. Энергия, поступающая от конденсирующегося пара, может быть использована для обеспечения процесса кипения.

Таким образом, пар при температуре 100 °С действительно может передавать теплоту воде. Это тепло может быть использовано либо для нагревания воды (если её температура ниже 100 °С), либо для её кипения (если температура воды уже достигла 100 °С). Поэтому, отвечая на вопрос задачи: да, воду можно вскипятить, подогревая её паром при температуре 100 °С, если температура воды уже достигла температуры кипения.