De l'énergie est nécessaire pour convertir l'eau en vapeur. C'est ce qu'on appelle la chaleur latente de vaporisation et pour l'eau, elle est de 2,26 MJ / kg. Ainsi, pour faire bouillir 1 kg (environ un litre) d'eau à 100 ° C, la bouilloire devrait fournir 2,26 MJ. En supposant que la bouilloire a une puissance de 1 kW, cela prendrait 2 260 secondes.

Étant donné l'intérêt inattendu pour cette question, permettez-moi de vous expliquer un peu ce qui arrive à l'eau. Supposons que nous commencions avec de l'eau à température ambiante et que nous allumions la bouilloire. Nous prendrons la puissance de l'élément pour $ W $ (unités de joules par seconde) donc nous avons $ W $ J / s dans l'eau. Cette puissance peut être utilisée à deux fins:

1. pour chauffer l'eau

2. pour évaporer (faire bouillir) l'eau

Soit le taux d'augmentation de température par seconde $ \ Delta T $ , alors la puissance utilisée pour cette augmentation est $ C \, \ Delta T $ , où $ C $ est la chaleur spécifique de l'eau. Soit le taux d'évaporation $ \ Delta M $ kg / s, alors la puissance utilisée pour évaporer l'eau est $ L \, \ Delta M $ , où $ L $ est la chaleur latente de vaporisation. Ces deux doivent correspondre à la puissance fournie donc:

$$ W = C \, \ Delta T + L \, \ Delta M $$ span>

Lorsque nous commençons à chauffer et que l'eau est froide, le taux d'évaporation est très faible donc nous pouvons l'ignorer et dire $ \ Delta M \ approx 0 $ . Dans ce cas, nous trouvons que l'eau se réchauffe à un taux de:

$$ \ Delta T = \ frac {W} {C} $$ span >

Lorsque l'eau bout, le taux d'augmentation de la température est nul car l'eau ne peut pas (beaucoup) chauffer plus que 100 ° C donc $ \ Delta T = 0 $ span>. Dans ce cas, nous constatons que l'eau s'évapore à un taux de:

$$ \ Delta M = \ frac {W} {L} $$

Donc, au début, l'eau devient principalement plus chaude à un taux de $ W / C $ degrés par seconde, et quand l'eau bouillante est se transformant en vapeur à une vitesse de $ W / L $ kilogrammes par seconde. Entre les deux, l'eau deviendra à la fois plus chaude et s'évaporera à une vitesse inférieure à ces deux limites.

Étant donné qu'aucune des réponses données jusqu'à présent ne répond vraiment à la question, voici mes 2 cents:

Entre la convection (le flux d'eau à différentes températures autour de la bouilloire), et le fait que le l'élément chauffant est au fond, l'eau est à différentes températures à différentes parties de la bouilloire à tout moment. Habituellement, le plus chaud est en bas, si la bouilloire est au-dessus d'un élément chauffant. En effet, vous pouvez voir avec un pot en verre d'eau que les bulles se forment en fait au fond (ou très ) du fond.

De plus, il y a un facteur qui n'est pas si important pour les bouilloires, mais sinon peut être pertinent: points de nucléation. Lorsqu'un changement de phase (comme du liquide au gaz) se produit, il commence normalement à un endroit qui présente une sorte de perturbation, peut-être un grain d'impureté dans l'eau, une fluctuation de température localement significative, une légère imperfection à la surface du (à l'intérieur du fond de la bouilloire, ce genre de chose. C'est pourquoi, même si l'abaissement de la température augmente la solubilité du CO2 dans H2O, la chute d'un glaçon dans la soude libère beaucoup de gaz: l'abondance de points de nucléation à la surface de la glace permet au CO2 dissous de se dissoudre et de former des bulles .

Donc, chauffer une tasse d'eau dans un micro-ondes où le volume d'eau est suffisamment petit pour être chauffé uniformément, et il est chauffé de l'intérieur plutôt que de l'extérieur, l'est possible pour toute la tasse d'atteindre 100 ° C en même temps. Si l'intérieur de la tasse est vraiment lisse et que l'eau est vraiment pure, elle pourrait même surchauffer jusqu'à un peu au-dessus de 100 ° C. À ce stade, une légère perturbation (comme mettre une cuillère ou du sucre, ou le déplacer et faire des vagues) peut créer un point de nucléation et entraîner une grande partie de la tasse bouillante en même temps. C'est à la fois très cool et assez dangereux: si vous vous rendez dans une salle d'urgence d'une grande ville, vous constaterez qu'ils traitent de temps en temps des personnes au visage gravement brûlé à cause de cet effet.

La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne . Lorsque vous avez une bouilloire d'eau à 100 ° C, certaines molécules d'eau auront une énergie supérieure à la moyenne, et d'autres en auront moins. Les molécules plus que la moyenne sont celles qui se transformeront en vapeur, emportant leur énergie et abaissant la moyenne (et donc la température) de l'eau restante.

C'est pourquoi vous commencez à voir de la vapeur avant la bouilloire atteint 100 ° C, pourquoi vous devez continuer à ajouter de la chaleur une fois que la bouilloire a atteint cette température et pourquoi l'eau de la bouilloire ne bout pas en même temps.

Si vous voulez voir toute l'eau d'un récipient se transformer immédiatement en vapeur, vous avez besoin d'un récipient transparent que vous pouvez sceller. Remplissez le récipient à 50% d'eau et fermez-le bien. Placez le récipient sur une flamme nue et laissez-le chauffer. Pendant qu'il chauffe, éloignez-vous et observez le contenant avec des jumelles à une certaine distance (par exemple, 50-100 m devraient le faire). En supposant que le récipient est solide, l'eau chauffera à une température bien supérieure à 100 C avant de se rompre, ce qui signifie qu'une fois qu'elle se rompra, l'eau exposée à l'atmosphère sera sensiblement surchauffée. À ce stade, une grande partie de l'eau se transformera immédiatement en vapeur. L'expansion vigoureuse qui en résulte projettera des morceaux du récipient dans toutes les directions à grande vitesse, c'est pourquoi vous voulez être loin.

En d'autres termes, n'essayez pas cela dans votre cuisine.

Résumé

• La température de l'eau correspond au concept d'énergie cinétique moyenne. Les molécules réelles présentent une distribution de diverses énergies cinétiques.
• Il faut une quantité d'énergie pour faire bouillir une quantité d'eau.
• Pour qu'une certaine quantité d'eau bouillonne approximativement instantanément, tout son les molécules devraient être à peu près à la même énergie cinétique, ce qui est improbable thermodynamiquement.
• Par conséquent, une quantité d'eau ne «accumule» pas d'énergie lorsqu'elle est chauffée, puis s'évapore soudainement. Il y a plutôt une attrition graduelle des molécules en mouvement rapide.
• Ainsi, nous avons besoin des concepts de chaleur latente de vaporisation, ainsi que du concept de température thermodynamique pour comprendre pourquoi l'eau ne bout pas d'un seul coup.

Discussion

Ce qui empêche l'eau d'exploser d'un seul coup lorsqu'elle atteint la température d'ébullition est que la notion de température correspond à l'énergie cinétique moyenne du liquide.

L'eau, à son point d'ébullition, est un mélange de molécules qui se déplacent à différentes vitesses et donc énergies cinétiques (selon une distribution représentée ici). Seul un petit nombre de molécules ont exactement cette énergie qui correspond à 100 degrés Celsius. La plupart en ont moins, ou plus.

La raison pour laquelle l'eau chauffe jusqu'au point d'ébullition puis y reste est que les molécules qui ont une grande quantité d'énergie cinétique se libèrent de l'attraction qui les maintient ensemble et s'évaporent . Cette évaporation est une forme de rétroaction négative qui maintient la température stable: les molécules qui partent sont invariablement celles avec une énergie cinétique élevée, qui laisse derrière elles les lentes, et qui maintient l'énergie cinétique moyenne (température) vers le bas. Si le flux de chaleur entrant est augmenté, cela augmente le taux d'ébullition, tandis que la température reste stable.

Une quantité d'eau "explosera" si une grande quantité de chaleur est appliquée instantanément, et / ou s'il y a un autre événement tel qu'une dépressurisation soudaine. (Bien sûr, par exemple, une explosion nucléaire peut soudainement vaporiser un lac.)

Cela nous amène à une autre raison pour laquelle l'eau bouillie n'explosera généralement pas tout à la fois en vapeur. La vaporisation nécessite de l'énergie: la "chaleur latente de vaporisation". La vaporisation instantanée d'une quantité d'eau nécessite que toute l'énergie soit disponible en même temps. Alors que le mécanisme de chauffage typique utilisé pour faire bouillir l'eau fournit de la chaleur lentement au fil du temps. Le temps nécessaire pour faire bouillir l'eau peut être calculé comme l'énergie totale requise pour la faire bouillir divisée par l'intensité de la chaleur transférée dans l'eau. (La puissance du radiateur, modifiée par l'efficacité du transfert de chaleur.)

Si une certaine quantité d'eau nécessite 10 000 J d'énergie pour s'évaporer, et que le radiateur est de 1000 W, dont 150 W sont fournis dans le l'eau (supposons que cette efficacité de 15% soit constante sur toute la période de vaporisation, ce qui est certainement irréaliste), puis l'ébullition prend environ 66 secondes: 10000 $ J / 150W \ environ 66s $ (un Watt de puissance / intensité est un Joule d'énergie par seconde).

Cependant, si nous suivons cette explication de la chaleur latente uniquement, nous n'avons aucune raison de croire que l'eau ne pourrait pas accumuler de chaleur pendant 66 secondes, puis se vaporiser soudainement . Nous devons prendre en compte la distribution variable des énergies cinétiques des molécules d'eau, ce qui rend extrêmement improbable qu'elles atteignent toutes l'énergie requise pour s'échapper presque simultanément.

Ce qu'il faut mentionner en plus de ce qui a été dit dans les réponses déjà données, c'est qu'à 100 ° C, la pression de vapeur de l'eau est égale à la pression atmosphérique standard. Or, un verre d'eau à température ambiante n'est pas en équilibre thermique tant que l'humidité relative de la pièce n'est pas de 100%. Cela conduit à l'évaporation de l'eau dans la pièce. Mais l'eau ne peut s'évaporer que de la surface. Comme les molécules d'air ne peuvent pas facilement pénétrer dans l'eau, cela signifie que l'eau est maintenue à la pression atmosphérique. Dans la majeure partie de l'eau, il n'est pas possible que de la vapeur d'eau se forme, car la pression de vapeur d'équilibre est inférieure à la pression ambiante.

Si nous élevons la température au point d'ébullition, alors nous atteignons le point où des bulles constituées de vapeur d'eau peuvent se former et grossir. Ainsi, l'eau qui était métastable sous forme liquide (elle ne pouvait s'évaporer que lentement de la surface), deviendra maintenant instable pour changer rapidement de phase. Désormais, la nucléation des bulles peut être supprimée ou améliorée. Comme mentionné dans la réponse de Jeffiekins, en chauffant de l'eau dans un micro-ondes sans plateau tournant, vous pouvez chauffer de l'eau au-delà de son point d'ébullition. Lorsque vous retirez l'eau du micro-ondes, la petite secousse le fera bouillir de manière explosive.

Une expérience plus sûre consiste à laisser bouillir une grande quantité d'eau (disons 4 litres) pendant environ 5 minutes, puis vous attendez quelques minutes, puis vous laissez bouillir à nouveau. La deuxième fois qu'il bouillira avec moins de bulles d'air dans l'eau, vous pouvez voir des bulles beaucoup plus grosses apparaître. Ensuite, vous éteignez le chauffage et attendez quelques secondes que l'eau semble parfaitement immobile. Vous mettez ensuite des macaronis ou du riz dans l'eau. Cela fera bouillir l'eau de manière explosive en raison de l'introduction de bulles d'air.

Une bouilloire contient un élément chauffant - qui dépasse dans l'eau ou dans la base de la bouilloire. L'élément chauffant chauffe l'eau qui est immédiatement en contact avec l'élément par conduction thermique.

Puisque l'eau est libre de se déplacer dans la bouilloire et que l'eau plus chaude est moins dense que l'eau plus froide, l'eau qui est chauffée par l'élément monte vers le haut permettant à l'eau plus froide d'entrer en contact avec l'élément.

En continuant, l'eau se rapproche en moyenne du point d'ébullition, mais l'eau qui entre en contact avec l'élément commence à se transformer en vapeur. Cela se produit lentement au début, mais devient plus violent lorsque l'eau est chauffée.

Au moment où le thermostat de la bouilloire éteint la bouilloire, l'eau qui atteint l'élément chauffant se transforme instantanément en vapeur, mais le reste de l'eau n'a pas encore reçu assez d'énergie pour se transformer en vapeur.

Donc, la réponse se résume vraiment à, pardonnez le jeu de mots, que l'eau dans la bouilloire ne chauffe pas uniformément et donc chaque molécule d'eau peut avoir des énergies différentes de celles des autres molécules.

Si vous pouviez chauffer uniformément l'eau, alors, théoriquement, tout se transformerait instantanément en vapeur. Mais une bouilloire ne chauffe pas uniformément l'eau, donc ce n'est pas le cas.