מים לא רותחים (רק)
ב-100 מעלות!

באיזו טמפרטורה מים רותחים? 100 מעלות? לא בדיוק, לא תמיד. צפו בסרטון ששובר את המוסכמה וגם מדדו בעצמכם והצטרפו אלינו לניסוי הרתיחה הגדול:

 רתיחה

בכתבה קודמת הסברנו מה ההבדל בין רתיחה והתאדות, וציינו את העובדה שהתאדות מתרחשת כל הזמן, בכל טמפרטורה, מפני השטח של הנוזל. לכן, למשל, כביסה יכולה להתייבש על החבל כאשר הטמפרטורה בחוץ היא רק 20 מעלות. רתיחה היא מקרה מיוחד של התאדות נמרצת, שמתרחשת מכל נפח הנוזל, לא רק מפני השטח שלו, ומתאפיינת בביעבוע של אדי החומר המתאדה בתוך הנוזל.

הטמפרטורה המדויקת שבה מתרחשת רתיחה שונה מנוזל לנוזל ונקבעת על ידי שני גורמים: הראשון הוא כוחות המשיכה בין חלקיקי הנוזל, המחזיקים אותם יחד. ככל שכוחות המשיכה חזקים יותר, כך נוזלים יתנדפו בצורה נמרצת פחות, ובהתאם לכך גם ירתחו בטמפרטורה גבוהה יותר. אם ניקח לדוגמה את הנוזלים אצטון, אלכוהול (אתנול), מים ושמן בישול נראה כי טיפה של אצטון תתאדה ותתנדף לאוויר בתנאי החדר (נאמר 25 מעלות ולחץ אוויר של אטמוספרה אחת) מהר מאלכוהול, שיתנדף מהר ממים שמתנדפים מהר (בהרבה) משמן. גם טמפרטורות הרתיחה שלהם עולות בהתאמה: אצטון רותח ב-56 מעלות צלזיוס, אלכוהול ב-78 מעלות, מים ב-100 מעלות ושמן בישול בסביבות 300 מעלות (תלוי בסוג). סדר זה מייצג גם את עוצמת כוחות המשיכה בין חלקיקי הנוזלים: באצטון הכוחות החלשים ביותר, ובשמן – החזקים ביותר.

הגורם השני שמשפיע על טמפרטורות הרתיחה הוא לחץ האוויר: ככל שלחץ האוויר נמוך יותר, נוזל ירתח בטמפרטורה נמוכה יותר ולהיפך – בלחץ גבוה טמפרטורת הרתיחה עולה. 

בגובה פני הים מים רותחים בדיוק ב-100 מעלות צלזיוס | צילום: עידן גליקזליג

לחץ אדים

כדי להבין מדוע לחץ האוויר משפיע על טמפרטורות רתיחה של נוזלים, נתבונן בהגדרה המדעית לרתיחה ונסביר אותה. מבחינה מדעית, רתיחה של נוזלים מוגדרת: "אידוי מהיר של נוזלים שמתרחש כאשר לחץ האדים של הנוזל משתווה ללחץ החיצוני", שימו לב שההגדרה לא כוללת ביעבוע, למרות שביעבוע הוא תופעה שמתרחשת תמיד כשתנאי ההגדרה מתקיימים.

אבל מה זה לחץ אדים? כפי שהסברנו בכתבה הקודמת, אידוי מתרחש בכל טמפרטורה מפני השטח של נוזלים, מה שאומר שאם ניקח לדוגמה בקבוק, ונמלא אותו עד מחציתו במים ונאטום אותו, וגם נחבר אליו מד לחץ, נראה כי הלחץ בתוך הבקבוק עולה עם הזמן. זה קורה בגלל התאדות המים: הם הופכים לגז בבקבוק, ותוספת הגז הזו מעלה את הלחץ בתוכו. אבל כעבור זמן מה, האוויר בתוך הבקבוק יהיה רווי באדי מים, המים יפסיקו להתאדות. ליתר דיוק ההתאדות לא נפסקת, אלא שקצב ההתאדות של המים הנוזלים ישתווה לקצב ההתעבות של אדי המים. במצב כזה הלחץ בבקבוק יפסיק לעלות. עליית הלחץ בבקבוק כתוצאה מהתאדות המים בתוכו מוגדרת כלחץ האדים של המים, כלומר – כלחץ שיוצרים אדי המים המתאדים.

ככל שהמים יותר חמים, המולקולות שלהם נעות מהר יותר, ולכן בטמפרטורות גבוהות יותר, יותר מולקולות מצליחות להשתחרר מהכוחות האוחזים בהן במצב נוזלי ולהתאדות לאוויר. בהתאם לכך, ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר כך לחץ האדים של נוזלים הוא גבוה יותר.

לחץ האדים של מים בטמפרטורות שונות  

כפי שאפשר לראות בטבלה – בכל טמפרטורה מתחת ל-100^o צלזיוס לחץ האדים, כלומר עוצמת הלחץ שיוצרים המים המתאדים, נמוכה מאטמוספרה אחת, שזה לחץ האוויר הרגיל בכדור הארץ בגובה פני הים. עובדה זו מסבירה מדוע המים לא רותחים או מבעבעים בטמפרטורות אלו ובלחץ רגיל: בכל הטמפרטורות  הנמוכות לחץ האוויר גדול מלחץ האדים ולכן הוא מונע מבועות של אדי מים להתנפח בתוך המים. במידה מסוימת זה כמו בלון מגומי עבה שלוחץ על האוויר שבתוכו ולא מאפשר לנפח אותו. לעומת זאת, בטמפרטורה של 100^oC לחץ האדים של המים שווה בדיוק לאטמוספרה אחת – שזה כאמור גם לחץ האוויר החיצוני בגובה פני הים. במצב כזה אדי המים יכולים לנפח בועות בתוך המים ולגרום לרתיחה מבעבעת.

מסקנה נוספת מהטבלה היא שלא חייבים לחמם מים כדי לגרום לתופעה של רתיחה: אם שואבים את האוויר שמעל המים, ומגיעים ללחץ אוויר השווה ללחץ האדים של המים – המים ירתחו. כפי שהראינו בסרטון, כאשר לקחנו מים בטמפרטורת החדר,  כ-25 מעלות ושאבנו את האוויר שמעליהם – הם התחילו לרתוח בלי חימום כלל!

מים רותחים בטמפרטורת החדר בתוך פעמון זכוכית שהאוויר נשאב מתוכו | צילום: עידן גליקזליג

בנוסף, בגלל שבמקומות שונים בכדור הארץ לחץ האוויר שונה – זה אומר שגם המים ירתחו בטמפרטורות  שונות. ככל שהמקום גבוה יותר מעל פני הים, כך לחץ האוויר בו נמוך יותר, ומים ירתחו בטמפרטורה נמוכה יותר מ-100 מעלות. וככל שהמקום נמוך יותר מתחת לפני הים, כך לחץ האויר בו גבוה יותר, ומים ירתחו בו בטמפרטורה גבוהה מ-100 מעלות. 

מחוץ לכדור הארץ, אגב, במקומות שאין אטמוספרה בכלל, כמו על הירח למשל, אין גם לחץ אוויר, ומים ירתחו בטמפרטורה נמוכה מאוד, ואפילו מתחת לאפס מעלות צלזיוס. זו הסיבה שאנו זקוקים לחליפת חלל, ששומרת על לחץ האוויר. בלעדיה נוזלי הגוף ירתחו מיד, והאסטרונאוט ימות. 

השפעת הגובה (ביחס לפני הים) על טמפרטורת הרתיחה של מים

השפעת הגובה היא כה משמעותית, עד שקשה למצוא מקומות, פרט לחוף הים עצמו, שבהם המים רותחים בדיוק ב-100 מעלות. אפילו בבניין רב קומות על שפת הים, המים לא ירתחו ב-100 מעלות בדיוק. שלא לדבר על מקומות כמו ירושלים, שגובהה הממוצע כ-715 מטרים מעל פני הים, אתר החרמון בגובה של כ-2,000 מטרים, או מקסיקו סיטי (2,240 מטרים) שם המרק והקפה והתה חמים פחות בהשוואה למקומות אחרים כי המים רותחים שם רק ב-92 מעלות.

בהר הצופים בירושלים המים רותחים בטמפרטורה של כ-97.5 מעלות | צילום עידן גליקזליג

לעומת זאת, ים המלח הוא המקום היבשתי הנמוך בעולם, ויש עוד שני שיאים שהוא מחזיק בהם: המקום שבו לחץ האוויר הוא הגבוה ביותר, ולכן גם המקום שבו המים רותחים בטמפרטורה הגבוהה ביותר.

לחץ אוויר גבוה אפשר להשיג גם באמצעים מלאכותיים – למשל "סיר לחץ" שהוא סיר אטום, המאפשר בישול בלחץ גבוה ובו המים מגיעים לטמפרטורה גבוהה מ-100 מעלות.

סיר לחץ מאפשר בישול בטמפרטורות גבוהות מ-100 מעלות | צילום: עידן גליקזליג

ובאיזו טמפרטורה רותחים המים אצלכם בבית? הצטרפו אלינו לניסוי מדע שיתופי: מדדו את הטמפרטורה בעזרת מדחום מתאים (כזה שמסוגל למדוד טמפרטורה של 100 מעלות), צלמו ודווחו לנו באתר המדע השיתופי של ניסוי הרתיחה. התוצאות שמתקבלות מוצגות על גבי מפת ישראל, כך שצפוייה להתקבל מעין מפה 'טופוגרפית' – רק שבמקום גובה, נראה הבדלים בטמפרטורת הרתיחה של מים. ממתינים לכם!