Что такое теплота парообразования

Удельная теплота парообразования и конденсации

Твердые кристаллические вещества переходят в жидкое состояние посредством плавления. Чтобы расплавить вещество, необходимо сообщить ему некоторое количество теплоты. И, наоборот, при кристаллизации (переходе жидкости в твердое состояние) энергия выделяется в окружающую среду.

Проведем аналогию с переходом жидкости в пар. Этот переход может быть осуществлен двумя способами: испарением или кипением. Кипение является тем же испарением, но более интенсивным. Очевидно, что для того, чтобы происходил процесс кипения, жидкости необходимо сообщать какое-то количество теплоты. Это количество теплоты будет идти на образование пара.

В данном уроке мы познакомимся с новым определением – удельной теплотой парообразования и конденсации. Вы узнаете формулу для расчета количества теплоты, необходимого для парообразования жидкости и научитесь ею пользоваться.

Удельная теплота парообразования

Вы уже знаете, что кипение происходит при определенной для каждой жидкости температуре. Количество теплоты, которое потребуется сообщить этим жидкостям одинаковой массы для превращения их в пар тоже будет различно.

Опытным путем было выяснено следующее. Если мы возьмем воду массой $1 space кг$ при температуре $100 degree C$, то нам потребуется затратить $2.3 cdot 10^6 space Дж$ энергии для полного превращения этой воды в пар.

Температура кипения во время всего процесса остается постоянной. Следовательно, нам необходимо подводить к кипящей жидкости определенное количество теплоты. Для воды это энергия в $2.3 cdot 10^6 space Дж$.

Удельная теплота парообразования – это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой $1 space кг$ в пар без изменения температуры.

  • Обозначается буквой $L$
  • Единица измерения удельной теплоты парообразования – $1 frac<Дж><кг>$
  • При температуре кипения внутренняя энергия вещества в парообразном состоянии больше внутренней энергии вещества такой же массы в жидком состоянии

Удельная теплота парообразования некоторых жидкостей

В таблице 1 приведены экспериментально полученные величины удельной теплоты парообразования некоторых жидкостей.

Вещество $L, frac<Дж><кг>$
Вода $2.3 cdot 10^6$
Аммиак (жидкий) $1.4 cdot 10^6$
Спирт $0.9 cdot 10^6$
Эфир $0.4 cdot 10^6$
Ртуть $0.3 cdot 10^6$
Воздух (жидкий) $0.2 cdot 10^6$

Таблица 1. Удельная теплота парообразования некоторых веществ (при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении)

Удельная теплота парообразования эфира равна $0.4 cdot 10^6 frac<Дж><кг>$. Что это означает?

Возьмем $1 space кг$ эфира при его температуре кипения ($35 degree C$). Для того, чтобы полностью превратить его в пар, нам потребуется $0.4 cdot 10^6 space Дж$.

Обратите внимание, что удельная теплота парообразования показывает количество теплоты, необходимое для превращения жидкости, взятой при ее температуре кипения, в пар.

Удельная теплота конденсации

Нужно ли сообщать пару энергию при его конденсации? Давайте рассмотрим простой опыт (рисунок 1).

Нальем в сосуд воду и закроем его пробкой. Через пробку проведем трубку и направим ее на кусочек охлажденного стекла. Доведем воду до кипения с помощью горелки.

Пар, поднимающийся над кипящей водой, будет конденсироваться, соприкасаясь с холодным стеклом. Если мы дотронемся до стекла, то обнаружим, что оно очень сильно нагрелось.

Так энергия пара передается стеклу. В результате этой потери энергии пар конденсируется. Если бы температура стекла была равна температуре пара, то теплопередача бы не происходила, и конденсат не образовывался бы.

Это говорит о том, что при конденсации пар отдает, выделяет энергию.

Более точные опыты также показывают, что

Конденсируясь, пар отдает то количество энергии, которое пошло на его образование.

Значит, при превращении $1 space кг$ водяного пара в воду при температуре $100 degree C$ выделяется $2.3 cdot 10^6 space Дж$ энергии.

Это довольно большая энергия, поэтому человечество стремится ее использовать. Например, на крупных тепловых электростанциях паром, который уже прошел через турбины, нагревают воду. Ее, в свою очередь, используют для отопления зданий и бытовых нужд.

Расчет количества теплоты, необходимого для парообразования

Чтобы вычислить количество теплоты $Q$, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования $L$ умножить на массу $m$:
$Q = Lm$.

Из этой формулы при расчетах мы можем выражать массу ($m = frac$) и удельную теплоту парообразования ($L = frac$).

Для расчета количества теплоты, которое выделит пар массой $m$ при температуре кипения в ходе конденсации, используется эта же формула.

Примеры задач

  1. У вас есть вода массой $2 space кг$ с температурой $20 degree C$. Рассчитайте, какое количество энергии потребуется для ее превращения в пар.

Дано:
$m = 2 space кг$
$t_1 = 20 degree C$
$t_2 = 100 degree C$
$c = 4200 frac<Дж><кг cdot degree C>$
$L = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж><кг>$

Показать решение и ответ

Решение:

Сначала нам потребуется нагреть воду до температуры кипения, затратив на это количество энергии $Q_1$:
$Q_1 = cm (t_2 – t_1)$.

$Q_1 = 4200 frac<Дж> <кг cdot degree C>cdot 2 space кг cdot (100 degree C – 20 degree C) = 8400 frac<Дж> cdot 80 degree C = 672 space 000 space Дж approx 0.7 cdot 10^6 space Дж$.

Теперь рассчитаем количество энергии $Q_2$, затраченное для превращения воды в пар:
$Q_2 = Lm$.

$Q_2 = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж> <кг>cdot 2 space кг = 4.6 cdot 10^6 space Дж$.

Рассчитаем общее количество энергии, которое нам потребуется:
$Q = Q_1 + Q_2 = 0.7 cdot 10^6 space Дж + 4.6 cdot 10^6 space Дж = 5.3 cdot 10^6 space Дж$.

Ответ: $Q = 5.3 cdot 10^6 space Дж$.

  1. Вычислите, какое количество энергии выделится при охлаждении водяного пара массой $2 space кг$ от $100 degree C$ до $0 degree C$.

Дано:
$m = 2 space кг$
$t_1 = 100 degree C$
$t_2 = 0 degree C$
$c = 4200 frac<Дж><кг cdot degree C>$
$L = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж><кг>$

Решение:

Температура $100 degree C$ – это температура парообразования воды и конденсации водяного пара. При понижении температуры пар сначала сконденсируется в жидкость, а жидкость продолжит охлаждаться.
Количество теплоты, выделенное при этом будет равно:
$Q = Q_1 + Q_2$, где
$Q_1$ – количество выделенной теплоты при конденсации пара,
$Q_2$ – количество теплоты, выделенное при охлаждении жидкости до $0 degree C$.

$Q_1 = Lm$.
$Q_1 = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж> <кг>cdot 2 space кг = 4.6 cdot 10^6 space Дж$.

$Q_2 = cm (t_1 – t_2)$.
$Q_2 = 4200 frac<Дж> <кг cdot degree C>cdot 2 space кг cdot (100 degree C – 0 degree C) = 8400 frac<Дж> cdot 100 degree C = 840 space 000 space Дж approx 0.8 cdot 10^6 space Дж$.

$Q = 4.6 cdot 10^6 space Дж + 0.8 cdot 10^6 space Дж= 5.4 cdot 10^6 space Дж$.

Ответ: $Q = 5.4 cdot 10^6 space Дж$.

  1. Из чайника выкипела вода объемом $0.5 space л$. Начальная температуры этой воды составляла $10 degree C$. Какое количество энергии оказалось излишне затраченным? Плотность воды – $1000 frac<кг><м^3>$.

Дано:
$V = 0.5 space л$
$rho = 1000 frac<кг><м^3>$
$L = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж><кг>$

СИ:
$0.5 cdot 10^ <-3>space м^3$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

После закипания воды в чайнике огонь выключают. Если его не выключить, то процесс кипения продолжится, и вода из чайника будет испаряться. Так как превращение воды в пар не является целью кипячения воды, энергию, которая ушла на парообразование можно считать излишне затраченной. Рассчитаем ее по формуле: $Q = Lm$.

Массу мы можем выразить через плотность и объем:
$m = rho V$.

Тогда наша формула примет вид:
$Q = Lrho V$.

$Q = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж> <кг>cdot 1000frac<кг> <м^3>cdot 0.5 cdot 10^ <-3>space м^3 = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж> <кг>cdot 0.5 space кг = 1.15 cdot 10^6 space Дж$.

Удельная теплота парообразования

Конспект по физике для 8 класса «Удельная теплота парообразования». ВЫ УЗНАЕТЕ: Что такое удельная теплота парообразования. Как вычислить количество теплоты, необходимое для парообразования или выделяющееся при конденсации.

Удельная теплота парообразования

Если после закипания воды выключить нагреватель, то кипение сразу же прекратится. Чтобы вода не переставала кипеть, её температура не должна уменьшаться, т. е. вода должна получать достаточное количество теплоты.

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПАРООБРАЗОВАНИЯ

Для перехода разных веществ из жидкого состояния в газообразное требуется разное количество теплоты.

Так, опытным путём было установлено, что для превращения в пар 1 кг воды при температуре 100 °С требуется 2,3 • 10 6 Дж энергии. Чтобы превратить в пар спирт массой 1 кг при температуре кипения, требуется 0,9 • 10 6 Дж энергии.

Для превращения в пар 2 кг воды при температуре 100 °С необходимо передать вдвое большее количество теплоты, чем в случае испарения 1 кг воды, т. е. 4,6 • 10 6 Дж. Аналогично для превращения в пар спирта массой 2 кг при температуре кипения потребуется 1,8 • 10 6 Дж энергии.

Таким образом, количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар при температуре кипения, пропорционально массе жидкости.

Количество теплоты зависит также от рода жидкости. Поэтому формулу для определения количества теплоты, необходимого для превращения жидкости массой m в пар при температуре кипения, следует записать в виде:

Q = Lm, (1)
где L — некоторая величина, характеризующая тепловые свойства жидкости.

Обсудим физический смысл величины L. Если массу жидкости принять равной единице, то согласно формуле (1) величина L будет численно равна количеству теплоты, необходимому для превращения в пар жидкости массой 1 кг при температуре кипения:

L = Q / m, (2)

Физическую величину, показывающую, какое количество теплоты необходимо для превращения в пар жидкости массой 1 кг при постоянной температуре, называют удельной теплотой парообразования.

Удельную теплоту парообразования обозначают буквой L. Её единица — джоуль на килограмм (Дж/кг).

Таким образом, если для превращения воды массой 1 кг в пар при температуре 100 С требуется затратить 2,3 • 10 6 Дж энергии, то удельная теплота парообразования воды равна 2,3 • 10 6 Дж/кг. При этом затраченная энергия пойдёт на увеличение внутренней энергии вещества.

Удельная теплота парообразования показывает, на сколько увеличивается внутренняя энергия вещества массой 1 кг при переходе из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения. Таким образом, при температуре кипения внутренняя энергия вещества в парообразном состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в жидком состоянии.

Энергия, необходимая для перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, значительно превышает энергию, необходимую для нагревания этого вещества до температуры кипения, или энергию, необходимую для плавления этого вещества.

Например, для плавления 1 кг льда с температурой 0 °С требуется 340 кДж энергии. Для нагревания полученной воды массой 1 кг от 0 до 100 °С необходимо уже 420 кДж. А для того чтобы превратить эту воду в 1 кг пара с температурой, равной тем же 100 °С, требуется 2260 кДж (≈2,3 • 10 6 Дж) энергии.

ВЫДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПРИ КОНДЕНСАЦИИ

Если водяной пар соприкасается с холодными предметами, происходит его конденсация. Пар отдаёт то количество теплоты, которое пошло на его образование.

Например, если для превращения 1 кг воды в пар при температуре 100 °С требуется затратить 2,3 • 10 6 Дж энергии, то при конденсации 1 кг водяного пара при той же температуре выделяется точно такое же количество теплоты.

Какое количество энергии необходимо для превращения в пар воды массой 3 кг, взятой при температуре 10 °С? Запишем условие задачи и решим её.

Ответ: Q = 8,034 • 10 6 Дж, или 8034 кДж.

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Удельная теплота парообразования».

Кипение. Удельная теплота парообразования

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Кипение. Удельная теплота парообразования»

Мы узнали, что существуют два вида парообразования — это испарение и кипение. Напомним, что под испарением подразумевается парообразование, идущее со свободной поверхности жидкости. На этом уроке более подробно рассмотрим второй вид парообразования — кипение жидкости.

Итак, вы уже знаете, что испарение жидкости идёт при любой температуре и вызывает её охлаждение. Но возникает закономерный вопрос: а как будет происходить испарение, если жидкости передавать энергию, то есть подводить теплоту?

Ответим на него, проведя такой опыт. Поставим на электроплитку стакан с водой. По термометру будем следить за изменением температуры воды в стакане с течением времени.

Вначале температура воды сначала растёт. На дне стакана появляется множество маленьких пузырьков. Их размеры постепенно увеличиваются, так как вода испаряется внутрь пузырьков и давление пара в пузырьках при нагревании повышается. Пузырьки отрываются ото дна и стенок и движутся вверх под действием архимедовой силы. Поскольку вода ещё полностью не прогрелась и температура верхних слоёв воды меньше, чем нижних, пар в пузырьках начинает конденсироваться. Их объём уменьшается, пузырьки сжимаются, и мы слышим характерный шум. Когда вода прогреется по всему объёму, пузырьки с паром уже смогут подняться до поверхности.

Если давление пара внутри пузырька больше, чем над жидкостью, он разрывается, и пар выходит наружу. Посмотрим на термометр. Он показывает температуру, близкую к ста градусам, и она практически не меняется. А пузырьков все больше и больше поднимается, и лопается у поверхности, выбрасывая пар в атмосферу. Вода кипит.

Кипение — это процесс парообразования, идущий по всему объёму жидкости при определённой температуре.

Действительно, любой пузырёк можно рассматривать как сосуд с паром внутри жидкости, с поверхности стенок которого идёт испарение и обратный процесс — возврат молекул в жидкость, то есть конденсация.

Температура, при которой происходит кипение жидкости, называется температурой кипения.

Температура кипения у разных жидкостей различна. Это и понятно, ведь различна энергия взаимодействия их молекул.

Как видно из таблицы, более летучие жидкости — это эфир или спирт — кипят при более низкой температуре, чем, например, вода. Это связано с тем, что давление насыщенных паров этих жидкостей уже при комнатной температуре достаточно велико, поскольку их молекулы слабее связаны между собой силами притяжения, чем молекулы других веществ.

А случайно ли мы, говоря о температуре кипения жидкости, указываем давление?

Нет, не случайно. Пузырьки кипящей жидкости лопаются при условии, что давление пара в них не меньше, чем давление снаружи. Значит, чем меньше внешнее давление, тем при более низкой температуре закипит жидкость.

Подтвердим это опытом. Нальём в колбу тёплой воды при температуре пятьдесят градусов. Закроем колбу и подсоединим к откачивающему насосу. Теперь откачаем воздух из колбы.

Вода закипит, хотя её температура меньше 100 о С. Но это не значит, что в такой воде можно сварить яйцо. Яйцо варится не потому, что вода кипит, а потому, что она горячая. А если в специальных условиях создать, например, высокое давление над поверхностью воды, то в ней можно будет расплавить олово, но вода так и не будет кипеть.

Зависимость температуры кипения от внешнего давления используется в практических целях. Например, для стерилизации медицинских инструментов их помещают в герметически закрытые камеры-автоклавы, вода в которых кипит при температуре значительно выше, чем сто градусов.

А мощные паровые турбины работают при давлении, в двести раз большем атмосферного, и температуре, в шесть раз превышающей температуру кипения воды при нормальном давлении. А это существенно повышает их коэффициент полезного действия.

В быту мы используем кастрюли-скороварки. В них давление пара в два раза больше атмосферного и температура кипения воды достигает ста двадцати градусов, что существенно уменьшает время приготовления пищи, по сравнению с обычной кастрюлей.

Но вернёмся к парообразованию. Итак, мы с вами видели, что во время кипения воды, её температура практически не меняется. Но ведь энергия (от нагретой плитки) жидкостью поглощается. Тогда возникает закономерный вопрос: Куда же уходит эта энергия?

Энергия, полученная жидкостью, идёт на превращение её в пар. Пока нагреваемая жидкость не кипит, парообразование происходит только с её поверхности. Часть сообщаемой жидкости энергии расходуется на компенсацию потери жидкостью энергии при испарении, а часть — на увеличение внутренней энергии жидкости, о чём свидетельствует увеличение её температуры.

При достижении температуры кипения парообразование происходит уже во всём объёме жидкости. Переход жидкости в газообразное состояние связан с увеличением расстояний между молекулами и соответственно с преодолением притяжения между ними. На совершение работы по преодолению сил притяжения между молекулами и расходуется энергия, подводимая к жидкости. Так происходит до тех пор, пока вся жидкость не превратится в пар. Вот почему температура жидкости остаётся постоянной, пока она кипит.

Таким образом, чтобы превратить в пар жидкость при температуре кипения, необходимо передать ей определённое количество теплоты. Эта энергия характеризуется величиной, называемой удельной теплотой парообразования.

Удельная теплота парообразования равна количеству теплоты, которое нужно сообщить веществу массой один килограмм для превращения его из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения.

Обозначается удельная теплота парообразования латинской буквой L:

Значения удельной теплоты парообразования определяются экспериментально.

А что значит: удельная теплота парообразования спирта равна 900 000 Дж/кг? Это значит, что для превращения 1 кг спирта из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения необходимо затратить 900 000 Дж теплоты.

Очевидно, что если необходимо превратить в пар при температуре кипения не 1 кг спирта, а, например, 5, то потребуется затратить количество теплоты в 5 раз больше.

Таким образом, чтобы найти количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу массой m, для его перехода из жидкого состояния в газообразное, необходимо удельную теплоту парообразования этого вещества умножить на его массу:

Q = Lm

Как показывают многочисленные опыты, при конденсации пара выделяется некоторое количество теплоты, значение которой равно значению количества теплоты, полученного жидкостью при парообразовании при той же температуре.

Пример решения задач.

Задача 1. Определите, какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы двести грамм воды, находящейся при температуре двадцать градусов Цельсия, полностью превратить в пар при ста градусах?

Что такое удельная теплота парообразования и как ее определить

Всем известно, что вода в чайнике закипает при температуре 100 ˚С. Но обращали ли вы внимание, что температура воды в процессе кипения не меняется? Вопрос – куда девается образующаяся энергия, если мы постоянно держим емкость на огне? Она уходит на преобразование жидкости в пар. Таким образом, для перехода воды в газообразное состояние требуется постоянное поступление теплоты. То, сколько ее нужно для преобразования килограмма жидкости в пар такой же температуры, определяется физической величиной, которая называется удельная теплота парообразования воды.

Физический смысл величины

Для кипения требуется энергия. Большая ее часть используется для разрыва химических связей между атомами и молекулами, в результате чего образуются пузырьки пара, а меньшая идет на расширение пара, то есть на то, чтобы образовавшиеся пузырьки могли лопнуть и выпустить его. Так как жидкость всю энергию вкладывает в переход в газообразное состояние, ее «силы» иссякают. Для постоянного возобновления энергии и продления кипения нужно подводить к емкости с жидкостью все новое и новое тепло. Обеспечить его приток может кипятильник, газовая горелка либо любой другой нагревательный прибор. Во время кипения температура жидкости не растет, идет процесс образования пара такой же температуры.

Разным жидкостям требуется разное количество теплоты для перехода в пар. Какое именно – показывает удельная теплота парообразования.

Понять, как определяется эта величина, можно из примера. Берем 1 л воды и доводим ее до кипения. Затем замеряем количество тепла, понадобившегося для выпаривания всей жидкости, и получаем значение удельной теплоты парообразования для воды. Для других химических соединений этот показатель будет другим.

В физике удельная теплота парообразования обозначается латинской буквой L. Измеряется она в джоулях на килограмм (Дж/кг). Вывести ее можно путем деления теплоты, израсходованной на испарение, на массу жидкости:

Данная величина очень важна для производственных процессов на основе современных технологий. Например, на нее ориентируются при производстве металлов. Оказалось, что если железо расплавить, а потом сконденсировать, при дальнейшем затвердении образуется более прочная кристаллическая решетка.

Чему равна

Значение удельной теплоты для различных веществ (r) определили в ходе лабораторных исследований. Вода при нормальном атмосферном давлении закипает при 100 °C, а теплота испарения воды составляет 2258,2 кДж/кг. Данный показатель для некоторых других веществ приведен в таблице:

Вещество t кипения, °C r, кДж/кг
Азот -196 198
Гелий -268,94 20,6
Водород -253 454
Кислород -183 213
Углерод 4350 50000
Фосфор 280 400
Метан -162 510
Пентан 36 360
Железо 2735 6340
Медь 2590 4790
Олово 2430 2450
Свинец 1750 8600
Цинк 907 1755
Ртуть 357 285
Золото 2 700 1 650
Этиловый спирт 78 840
Метиловый спирт 65 1100
Хлороформ 61 279

Однако этот показатель может изменяться под действием определенных факторов:

  1. Температура. При ее повышении теплота испарения уменьшается и может быть равной нулю.
    t, °C r, кДж/кг
    2500
    10 2477
    20 2453
    50 2380
    80 2308
    100 2258
    200 1940
    300 1405
    374 115
    374,15
  2. Давление. С понижением давления теплота парообразования растет, и наоборот. Температура кипения же прямо пропорциональна давлению и может достигать критического значения 374 °C.
    p, Па t кип., °C r, кДж/кг
    0,0123 10 2477
    0,1234 50 2380
    1 100 2258
    2 120 2202
    5 152 2014
    10 180 1889
    20 112 1638
    50 264 1638
    100 311 1316
    200 366 585
    220 373,7 184,8
    Критическое 221,29 374,15
  3. Масса вещества. Количество задействованной в процессе теплоты прямо пропорционально массе образовавшегося пара.

Соотношение испарения и конденсации

Физики выяснили, что на обратный испарению процесс – конденсацию – пар тратит ровно столько же энергии, сколько пошло на его образование. Это наблюдение подтверждает закон сохранения энергии.

В противном случае было бы возможно создание установки, в которой жидкость испарялась бы, а потом конденсировалась. Разница между теплотой, необходимой для испарения, и теплотой, достаточной для конденсации, приводила бы к накоплению энергии, которая могла бы быть использована для других целей. По сути, был бы создан вечный двигатель. Но это противоречит физическим законам, а значит, невозможно.

Удельная теплота парообразования — определение, формулы и способы применения

Удельная теплота парообразования

Кипение — одна из основных разновидностей интенсивного парообразования, происходящего при повышении температуры жидкости. Нагревание происходит не только на поверхности жидкостного вещества, но и внутри него. Выделившаяся теплота распределяется неравномерно:

  • бо́льшая часть уходит на разделение молекул вещества;
  • меньшая часть тратится на работу, которая осуществляется при расширении частиц пара.

В результате внутренняя энергия газообразного вещества становится намного больше внутренней энергии жидкости.

Процесс кипения

Сам процесс кипения представляет собой процедуру перехода жидкостного вещества в пар. Для наглядного описания нагревания вещества и его перехода из первого агрегатного состояния в другое используются графики функций. В течение перехода происходит испарение с преобразованием воздушных пузырьков. Размеры пузырьков определяются их собственной формой и местоположением. Если они образовались на дне сосуда, то их величина и единицы определяются смачиваемостью стенок этой ёмкости. Чем более неоднородна поверхность сосуда, тем больше размер пузырьков воздуха.

При превышении допустимых размеров пузырек начинается лопаться. Во время этого процесса образуются разрывы и завихрения. Жидкость, из которой состоит оболочка воздушного пузырька, направляется внутрь. Столбик жидкости выбрасывается вверх, создавая звуковые волны различной частоты. Они сопровождаются обильным шумом. Этот режим кипения именуется пузырьковым.

А также существует пленочный режим кипения. Он наступает при увеличении тепловых потоков до предельно допустимых значений. Вокруг стенок сосуда образуется сплошной слой пара, представляющий собой непрерывную плёнку. Она не способна проводить большое количество тепла. Вся температура скапливается вокруг неё, из-за чего происходит резкое повышение температуры. Подобный эффект можно наблюдать при попадании капель воды на раскалённую поверхность.

В некоторых случаях жидкость может переходить из одного режима кипения в другой. Это может произойти при резком изменении величины теплового потока, возникающего во время передачи внутренней энергии. Если он превысил критическую отметку, устанавливаемую индивидуально для каждого вещества, то пузырьковый режим образования пара автоматически сменяется на пленочный. Обратный процесс происходит при повторном понижении значений теплового потока. На скорость сменяемости режимов также влияет объём нагреваемой жидкости.

Особенности реакции

Процесс парообразования можно подробно рассмотреть на примере кипения воды. Для проведения опыта понадобится 1 л жидкости комнатной температуры. В самом начале эксперимента вода насыщена кислородом. Нагревание следует производить в чайнике или иной ёмкости похожего строения. Для поддержания кипения воды нужно постоянно подводить теплоту. Выделяют следующие стадии кипения:

В начале нагревания начинают образовываться воздушные пузырьки.

  1. В начале нагревания начинают образовываться воздушные пузырьки. Они появляются главным образом на дне чайника и поверхности воды рядом с его стенками. Следует отметить, что их образование происходит задолго до процесса кипения. Первая стадия сопровождается негромким скрипящим звуком.
  2. Во время второй стадии происходит увеличение объёма пузырьков воздуха. Со временем их количество начинает повышаться с геометрической прогрессией. Постепенно звук, сопровождающий процедуру парообразования, начинает становиться громче.
  3. Раздутые пузырьки постепенно поднимаются на поверхность со дна чайника. Затем скорость их движения увеличивается. В результате стремительного поднятия пузырьков изменяется цвет воды. Она становится мутной или бледной. Этот процесс именуется «белым ключом». Третья стадия кипения длится в течение минуты. Она сопровождается умеренным шумом.
  4. Последняя стадия парообразования сопровождается интенсивным бурлением воды. Пузырьки окончательно достигают поверхности и начинают постепенно лопаться, выбрасывая маленькие потоки жидкости. Звук становится чрезвычайно громким и неравномерным. Ударные волны начинают устремляться в атмосферы. Отражаясь от стенок чайника, они издают громкий шум, оповещая о том, что вода достигла своей критической точки кипения, которая равняется 100 °C. Стоит отметить, дальнейшее повышение температурного режима не происходит. Если во время эксперимента человек увеличит величину тепловых потоков, то он только сможет усилить интенсивность кипения жидкости, но не температуру.

Зависимость температуры от давления

Процесс парообразования других жидкостей происходят аналогично кипению воды. Единственным отличием являются разные показатели кипения вещества. Температура кипения прямо пропорциональна давлению (при увеличении давления она становится больше, при уменьшении она автоматически понижается). При решении физических задач градус кипения даётся при стандартном атмосферном давлении.

Зависимость температуры кипения от давления лежит в основе работы скороварок. Это приспособление увеличивает атмосферное давление для более быстрого приготовления. Обратный эффект можно наблюдать в горах. На большой высоте величина давления уменьшается в 2 раза, что затрудняет процедуру приготовления еды для альпинистов.

Основа работы скороварок

Различие температур кипения жидкостей активно используется при переработке нефти. В её состав входит огромное количество керосина, бензина, мазута и лигроина. При создании нефтепродуктов необходимо отделить компоненты друг от друга. Для этого сырое вещество начинают нагревать. При достижении температуры кипения одна из жидкостей начинает испаряться. Таким образом, отделив лишние элементы, можно сделать состав нефти однородным.

Процесс конденсации

При конденсации газообразное вещество переходит в жидкое состояние. Это явление возникает при условии, что температура вещества ниже температуры кипения. Во время конденсации выделяется столько же энергии, сколько и во время испарения. Примером этого процесса может служить:

Образование росы

  • образование росы;
  • инея;
  • снега или дождя.

Конденсация также может происходить как в плёночном, так и капельном виде. Она способна осуществляться и во время парообразования жидкости. Частицы пара при перемещении над поверхностью жидкости начинают лопаться и возвращаются в жидкое состояние. Если же молекулы пара не вступают в прямой контакт с жидким веществом, то конденсация происходит в результате охлаждения газа в верхних слоях атмосферы.

Капли конденсата начинают объединяться в небольшие скопления. Примером подобного явления является процесс образования облаков на небе.

Предназначение и применение

Расчет удельной теплоты

Важнейшей характеристикой процесса кипения и конденсации является удельная ТП. Она показывает количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкостного вещества в пар. Эта величина рассчитывается без учёта потерь теплоты. Теплоемкость измеряется путём определения количества теплоты, которое было затрачено за период нагревания жидкости до температуры кипения.

В современной физике она обозначается буквой L (лямбда). Измеряется эта характеристика в Дж/кг. В следующей таблице представлены значения удельной теплоты парообразования для основных жидкостей:

Наименование вещества Величина удельной теплоты образования пара Дж/кг
Азот 198000
Алюминий 10900000
Аммиак 1370000
Ацетон 525000
Бензол 394000
Вода 225 000
Водород 454000
Гелий 20600
Двуокись серы 390000
Диметилэфир 467000
Диэтилэфир 384000
Железо чистое 6340000
Золото 1650000
Кислород 213000
Криптон 108000
Медь 4 790000
Метан 510000
Метиловый спирт 1 100000
Неон 86300
Никель 6480000
Олово 2450000
Пентан 360000
Пропиловый спирт 750000
Ртуть 285000
Свинец 8 600000
Сера 290000
Эфир 4105
Углерод 50000000
Фосфор 400000

Удельная теплота преобразования применяется в производственных масштабах. С её помощью происходит создание железных материалов и плавление железа. Когда этот металл находится в жидком состоянии, он обладает кристаллической решёткой. При ее помощи мастер определяет количество теплоты, требуемое для нагревания железа, не влияя на состояние её кристаллической решётки.

В нефтяном секторе также применяется теплота парообразования, характеризующая оборудование для переработки нефти.

В нефтяном секторе также применяется теплота парообразования,

В теоретической физике УТП используется преимущественно для решения задач на тепловые явления. Если в условии задания указано, что жидкость достигла своей температуры кипения, то можно найти величину количества теплоты. Согласно формуле, удельная теплота парообразования, умноженная на исходную массу вещества, будет равна количеству теплоты, которое выделилось во время кипения жидкости. В математическом виде формула записывается следующим образом: Q = L * m. Q — количество теплоты (Дж), L — удельная ТП (Дж/кг), m — масса жидкого вещества (кг).

Если в задаче рассматривается процесс конденсации, то для нахождения количества теплоты необходимо применить аналогичную формулу. Ответ записывается с противоположным знаком, но очень часто его не учитывают, указывая лишь модуль полученного числа.

Теплота плавления и парообразования

Изобретению уже известного вам жидконаполненного калориметра (см. § 06-в) предшествовало создание в ХVIII веке французами П.Лапласом и А.Лавуазье ледяного калориметра. Если при пользовании первым калориметром измеряют изменение температуры жидкости, то при пользовании вторым калориметром измеряют массу растаявшего льда. В ХVIII веке только так и можно было поступить, так как не было общепринятых методов измерения температуры.

Лаплас и Лавуазье опирались на труды своих предшественников, шотландца Д.Блэка и голландца И.Вильке, которые решили ввести в физику новое понятие: скрытая теплота.

Вильке, например, в 1772 году нагревал смесь воды и льда и обнаружил, что часть теплоты «исчезает». То есть пламя греет, а температура смеси не повышается (см. левую часть рисунка). В 1803 году Блэк описал постоянство температуры тающего льда, несмотря на приток теплоты. Отсюда он пришёл к понятию «скрытой теплоты плавления», как он её назвал.

Позже он установил наличие и «скрытой теплоты парообразования», поскольку вода кипит при постоянной температуре, несмотря на приток теплоты (см. правую часть рисунка). На основе своих наблюдений Блэк чётко разграничил термины «количество теплоты» и «количество температуры». Первый термин сохранился в физике до наших дней, хотя мы чаще говорим «тело получило 100 Дж теплоты» вместо «тело получило 100 Дж количества теплоты». Второй термин в наши дни употребляется исключительно как «температура».

Усилиями физиков конца XVIII–начала XIX веков установлено, что количество теплоты прямо пропорционально массе расплавившегося вещества или массе испарившейся жидкости. То есть во сколько раз больше масса вещества, которое перешло в другое состояние, во столько же раз больше нужно теплоты.

Далее показан современный вид формул для расчёта теплоты плавления и теплоты парообразования. Они, наряду с уже известной вам основной калориметрической формулой Q = cmΔt°, по сей день лежат в основе всех методов калориметрических измерений.

Количество теплоты, необходимое для плавления, зависит от массы плавящегося вещества и удельной теплоты плавления:

Q = λ·m Q – количество теплоты, Дж
λ – удельная теплота плавления, Дж/кг
m – масса вещества, кг

Удельная теплота плавления – физическая величина, показывающая количество теплоты, требуемое для превращения в жидкость 1 кг вещества без изменения его температуры. Коэффициенты «λ» для различных веществ, как правило, различны. Они измерены опытным путём и занесены в специальные таблицы (см. ниже).

Точные калориметрические измерения и опыты показывают, что при кристаллизации вещества (это процесс, обратный плавлению) выделяется такое же количество теплоты, какое было затрачено на образование расплава. Это – проявление закона сохранения энергии.

Количество теплоты, необходимое для парообразования, зависит от массы испаряющегося вещества и удельной теплоты парообразования:

Q = r·m Q – количество теплоты, Дж
r – удельная теплота парообразования, Дж/кг
m – масса вещества, кг

Удельная теплота парообразования – физическая величина, показывающая количество теплоты, требуемое для превращения в пар 1 кг вещества без изменения его температуры. Коэффициенты «r» для различных веществ, как правило, различны. Они измерены опытным путём и занесены в специальные таблицы (см. ниже).

Точные калориметрические измерения и опыты показывают, что при конденсации вещества (это процесс, обратный парообразованию) выделяется такое же количество теплоты, какое было затрачено на образование пара. Это – проявление закона сохранения энергии.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: