"Une marmite surveillée ne bout jamais" peut sembler être le truisme ultime lors de la cuisson, mais dans les bonnes circonstances, la marmite bout encore plus vite que prévu. Que ce soit en camping ou en chimie, prédire le point d'ébullition peut être difficile.
TL; DR (trop long; n'a pas lu)
La détermination du point d'ébullition en fonction de la pression peut être effectuée à l'aide d'équations, d'estimations, de nomographes, de calculatrices en ligne, de tableaux et de graphiques.
Comprendre le point d'ébullition
L'ébullition se produit lorsque la pression de vapeur d'un liquide est égale à la pression atmosphérique de l'atmosphère au-dessus du liquide. Par exemple, au niveau de la mer, l'eau bout à 212°F (100°C). À mesure que l'altitude augmente, la quantité d'atmosphère au-dessus du liquide diminue, de sorte que la température d'ébullition du liquide diminue. En général, plus la pression atmosphérique est basse, plus la température d'ébullition de tout liquide est basse. Outre la pression atmosphérique, la structure moléculaire et l'attraction entre les molécules du liquide ont un impact sur le point d'ébullition. Les liquides avec des liaisons intermoléculaires faibles bout, en général, à des températures plus basses que les liquides avec des liaisons intermoléculaires fortes.
Calcul du point d'ébullition
Le calcul du point d'ébullition basé sur la pression peut être effectué à l'aide de plusieurs formules différentes. Ces formules varient en complexité et en précision. En général, les unités de ces calculs seront dans le système métrique ou System International (SI), ce qui donne des températures en degrés Celsius (oC). Pour convertir en Fahrenheit (oF), utilisez la conversion :
T(^oF)=\frac{9}{5}T(^oC)+32
où T signifie température. Quant à la pression atmosphérique, les unités de pression s'annulent, donc quelles unités sont utilisées, que ce soit mmHg, bars, psi ou une autre unité, est moins important que d'être sûr que toutes les mesures de pression sont les mêmes unités.
Une formule pour calculer le point d'ébullition de l'eau utilise le point d'ébullition connu au niveau de la mer, 100°C, le la pression atmosphérique au niveau de la mer et la pression atmosphérique au moment et à l'altitude où l'ébullition prend endroit.
À des altitudes plus élevées, le point d'ébullition inférieur de l'eau nécessite de cuire les aliments plus longtemps pour garantir des températures internes adéquates. Pour plus de sécurité, utilisez un thermomètre à viande pour vérifier les températures.
La formule:
BP_{corr}=BP_{obs}-(P_{obs}-760\text{ mmHg})\times 0.045^o\text{C/mmHg}
peut être utilisé pour trouver une température d'ébullition inconnue pour l'eau.
Dans cette formule, BPcorr signifie le point d'ébullition au niveau de la mer, BPobs est la température inconnue et Pobs signifie la pression atmosphérique à l'endroit. La valeur 760mmHg est la pression atmosphérique standard en millimètres de mercure au niveau de la mer et 0,045oC/mmHg est le changement approximatif de la température de l'eau avec chaque changement de pression d'un millimètre de mercure.
Si la pression atmosphérique est égale à 600 mmHg et que le point d'ébullition est inconnu à cette pression, alors l'équation devient
100°\text{C}=BP_{obs}-(600\text{ mmHg}-760\text{ mmHg})\times 0.045°\text{C/mmHg}
Le calcul de l'équation donne :
100°\text{C}=PA_{obs}-(-160\text{ mmHg})\times 0,045°\text{C/mmHg} = PA_{obs}+7,2
Les unités de mmHg s'annulent, laissant les unités en degrés Celsius. Résolu pour le point d'ébullition à 600 mmHg, l'équation devient :
BP_{obs}=100°\text{C}-7,2°\text{C}=92,8°\text{C}
Ainsi, le point d'ébullition de l'eau à 600 mmHg, à une altitude d'environ 6 400 pieds au-dessus du niveau de la mer, sera de 92,8 °C, soit :
92.8\times\frac{9}{5}+32=199°\text{F}
Mises en garde
Équations pour le calcul du point d'ébullition
L'équation détaillée ci-dessus utilise une relation de pression et de température connue avec un changement de température connu avec un changement de pression. Autres méthodes de calcul des points d'ébullition des liquides en fonction de la pression atmosphérique, comme l'équation Clausius-Clapeyron :
\ln{\frac{P_1}{P_2}}=-\frac{L}{R}\times (\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2})
intégrer des facteurs supplémentaires. Dans l'équation de Clausius-Clapeyron, par exemple, l'équation incorpore le logarithme naturel (ln) du départ pression divisée par la pression finale, la chaleur latente (L) du matériau et la constante universelle des gaz (R). La chaleur latente est liée à l'attraction entre les molécules, une propriété du matériau qui influence le taux de vaporisation. Les matériaux avec des chaleurs latentes plus élevées nécessitent plus d'énergie pour bouillir car les molécules ont une attraction plus forte les unes vers les autres.
Estimation du point d'ébullition
En général, une approximation de la baisse du point d'ébullition de l'eau peut être faite en fonction de l'altitude. Pour chaque augmentation de 500 pieds d'altitude, le point d'ébullition de l'eau baisse d'environ 0,9°F.
Détermination du point d'ébullition à l'aide de nomographes
Un nomographe peut également être utilisé pour estimer les points d'ébullition des liquides. Les nomographes utilisent trois échelles pour prédire le point d'ébullition. Un nomographe montre une échelle de température de point d'ébullition, une échelle de température de point d'ébullition au niveau de la mer et une échelle de pression générale.
Pour utiliser le nomographe, reliez deux valeurs connues à l'aide d'une règle et lisez la valeur inconnue sur la troisième échelle. Commencez par l'une des valeurs connues. Par exemple, si le point d'ébullition au niveau de la mer est connu et que la pression barométrique est connue, reliez ces deux points avec une règle. Le prolongement de la ligne des deux connus connectés montre quelle devrait être la température du point d'ébullition à cette altitude. Inversement, si la température du point d'ébullition est connue et que le point d'ébullition au niveau de la mer est connu, utilisez une règle pour relier les deux points, en prolongeant la ligne pour trouver la pression barométrique.
Utiliser les calculatrices en ligne
Plusieurs calculateurs en ligne fournissent des températures de point d'ébullition à différentes altitudes. Beaucoup de ces calculatrices ne montrent que la relation entre la pression atmosphérique et le point d'ébullition de l'eau, mais d'autres montrent des composés communs supplémentaires.
Utilisation de graphiques et de tableaux
Des graphiques et des tableaux des points d'ébullition de nombreux liquides ont été développés. Dans le cas des tableaux, le point d'ébullition du liquide est indiqué pour différentes pressions atmosphériques. Dans certains cas, le tableau ne montre qu'un seul liquide et le point d'ébullition à différentes pressions. Dans d'autres cas, plusieurs liquides à des pressions différentes peuvent être représentés.
Les graphiques montrent les courbes de point d'ébullition en fonction de la température et de la pression barométrique. Les graphiques, comme le nomographe, utilisent des valeurs connues pour créer une courbe ou, comme avec l'équation de Clausius-Clapeyron, utilisent le logarithme naturel de la pression pour développer une ligne droite. La ligne graphique montre les relations connues des points d'ébullition, étant donné un ensemble de valeurs de pression et de température. Connaissant une valeur, suivez la ligne de valeur jusqu'à la ligne de pression-température représentée graphiquement, puis tournez-vous vers l'autre axe pour déterminer la valeur inconnue.