Удельная тепло а парообразования. Скрытая теплота парообразования

Для того чтобы поддерживать кипение воды (или иной жидкости), к ней нужно непрерывно подводить теплоту, например подогревать ее горелкой. При этом температура воды и сосуда не повышается, но за каждую единицу времени образуется определенное количество пара. Из этого следует вывод, что для превращения воды в пар требуется приток теплоты, подобно тому как это имеет место при превращении кристалла (льда) в жидкость (§ 269). Количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар той же температуры, называют удельной теплотой парообразования данной жидкости. Она выражается в джоулях на килограмм .

Нетрудно сообразить, что при конденсации пара в жидкость должно выделяться такое же количество теплоты. Действительно, опустим в стакан с водой трубку, соединенную с кипятильником (рис. 488). Через некоторое время после начала нагревания из конца трубки, опущенной в воду, начнут выходить пузыри воздуха. Этот воздух мало повышает температуру воды. Затем вода в кипятильнике закипит, после чего мы увидим, что пузыри, выходящие из конца трубки, уже не поднимаются вверх, а быстро уменьшаются и с резким звуком исчезают. Это - пузыри пара, конденсирующиеся в воду. Как только вместо воздуха из кипятильника пойдет пар, вода начнет быстро нагреваться. Так как удельная теплоемкость пара примерно такая же, как и воздуха, то из этого наблюдения следует, что столь быстрое нагревание воды происходит именно вследствие конденсации пара.

Рис. 488. Пока из кипятильника идет воздух, термометр показывает почти одну и ту же температуру. Когда вместо воздуха пойдет пар и начнет конденсироваться в стаканчике, столбик термометра быстро поднимется, показывая повышение температуры

При конденсации единицы массы пара в жидкость той же температуры выделяется количество теплоты, равное удельной теплоте парообразования. Это можно было предвидеть на основании закона сохранения энергии. Действительно, если бы это было не так, то можно было бы построить машину, в которой жидкость сначала испарялась, а затем конденсировалась: разность между теплотой парообразования и теплотой конденсации представляла бы приращение полной энергии всех тел, участвующих в рассматриваемом процессе. А это противоречит закону сохранения энергии.

Удельную теплоту парообразования можно определить с помощью калориметра, подобно тому, как это делается при определении удельной теплоты плавления (§ 269). Нальем в калориметр определенное количество воды и измерим ее температуру. Затем некоторое время будем вводить в воду пар испытуемой жидкости из кипятильника, приняв меры к тому, чтобы шел только пар, без капелек жидкости. Для этого пар пропускают сквозь сухопарник (рис. 489). После этого вновь измерим температуру воды в калориметре. Взвесив калориметр, мы можем по увеличению его массы судить о количестве пара, сконденсировавшегося в жидкость.

Рис. 489. Сухопарник - приспособление для задержания капелек воды, движущихся вместе с паром

Пользуясь законом сохранения энергии, можно составить для этого процесса уравнение теплового баланса, позволяющее определить удельную теплоту парообразования воды. Пусть масса воды в калориметре (включая водяной эквивалент калориметра) равна масса пара - , теплоемкость воды - , начальная и конечная температура воды в калориметре - и , температура кипения воды - и удельная теплота парообразования - . Уравнение теплового баланса имеет вид

.

Результаты определения удельной теплоты парообразования некоторых жидкостей при нормальном давлении приведены в табл. 20. Как видно, эта теплота довольно велика. Большая теплота парообразования воды играет исключительно важную роль в природе, так как процессы парообразования совершаются в природе в грандиозных масштабах.

Таблица 20. Удельная теплота парообразования некоторых жидкостей

Отметим, что содержащиеся в таблице значения удельной теплоты парообразования относятся к температуре кипения при нормальном давлении. Если жидкость кипит или просто испаряется при иной температуре, то ее удельная теплота парообразования иная. При повышении температуры жидкости теплота парообразования всегда уменьшается. Объяснение этого мы рассмотрим позже.

295.1. Определите количество теплоты, необходимое для нагревания до температуры кипения и для превращения в пар 20 г воды при .

295.2. Какая получится температура, если в стакан, содержащий 200 г воды при , впустить 3 г пара при ? Теплоемкостью стакана пренебречь.

На этом уроке мы уделим внимание такому виду парообразования, как кипение, обсудим его отличия от рассмотренного ранее процесса испарения, введем такую величину, как температура кипения, и обсудим, от чего она зависит. В конце урока введем очень важную величину, описывающую процесс парообразования - удельную теплоту парообразования и конденсации.

Тема: Агрегатные состояния вещества

Урок: Кипение. Удельная теплота парообразования и конденсации

На прошлом уроке мы уже рассмотрели один из видов парообразования - испарение - и выделили свойства этого процесса. Сегодня мы обсудим такой вид парообразования, как процесс кипения, и введем величину, которая численно характеризует процесс парообразования - удельная теплота парообразования и конденсации.

Определение. Кипение (рис. 1) - это процесс интенсивного перехода жидкости в газообразное состояние, сопровождающийся образованием пузырьков пара и происходящий по всему объему жидкости при определенной температуре, которую называют температурой кипения.

Сравним два вида парообразования между собой. Процесс кипения более интенсивен, чем процесс испарения. Кроме того, как мы помним, процесс испарения протекает при любой температуре выше температуры плавления, а процесс кипения - строго при определенной температуре, которая является различной для каждого из веществ и называется температурой кипения. Еще следует отметить, что испарение происходит только со свободной поверхности жидкости, т. е. с области, разграничивающей ее с окружающими газами, а кипение - сразу со всего объема.

Более подробно рассмотрим протекание процесса кипения. Представим ситуацию, с которой многие из нас неоднократно сталкивались, - это нагревание и кипячение воды в некотором сосуде, например, в кастрюле. В ходе нагревания воде будет передаваться определенное количество теплоты, что будет приводить к увеличению ее внутренней энергии и увеличению активности движения молекул. Этот процесс будет протекать до определенного этапа, пока энергия движения молекул не станет достаточной для начала кипения.

В воде присутствуют растворенные газы (или другие примеси), которые выделяются в ее структуре, что приводит к так называемому возникновению центров парообразования. Т. е. именно в этих центрах начинает происходить выделение пара, и по всему объему воды образовываются пузырьки, которые наблюдаются при кипении. Важно понимать, что в этих пузырьках находится не воздух, а именно пар, который образовывается в процессе кипения. После образования пузырьков количество пара в них растет, и они начинают увеличиваться в размерах. Зачастую, изначально пузырьки образуются вблизи стенок сосуда и не сразу поднимаются на поверхность; сначала они, увеличиваясь в размерах, оказываются под воздействием нарастающей силы Архимеда, а затем отрываются от стенки и поднимаются на поверхность, где лопаются и высвобождают порцию пара.

Стоит отметить, что далеко не сразу все пузырьки пара достигают свободной поверхности воды. В начале процесса кипения вода прогрета еще далеко не равномерно и нижние слои, вблизи которых происходит непосредственно процесс теплопередачи, еще горячее верхних, даже с учетом процесса конвекции. Это приводит к тому, что поднимающиеся снизу пузырьки пара схлопываются из-за явления поверхностного натяжения, еще не доходя до свободной поверхности воды. При этом пар, который находился внутри пузырьков, переходит в воду, тем самым дополнительно нагревая ее и ускоряя процесс равномерного прогрева воды по всему объему. В результате, когда вода прогревается практически равномерно, почти все пузырьки пара начинают достигать поверхности воды и начинается процесс интенсивного парообразования.

Важно выделить тот факт, что температура, при которой проходит процесс кипения, остается неизменной даже в том случае, если увеличивать интенсивность подвода тепла к жидкости. Простыми словами, если в процессе кипения прибавить газ на конфорке, которая разогревает кастрюлю с водой, то это приведет только к увеличению интенсивности кипения, а не к увеличению температуры жидкости. Если углубляться более серьезно в процесс кипения, то стоит отметить, что в воде возникают области, в которых она может быть перегрета выше температуры кипения, но величина такого перегрева, как правило, не превышает одного-пары градусов и незначительна в общем объеме жидкости. Температура кипения воды при нормальном давлении составляет 100°С.

В процессе кипения воды можно заметить, что он сопровождается характерными звуками так называемого бурления. Эти звуки возникают как раз из-за описанного процесса схлопывания пузырьков пара.

Процессы кипения других жидкостей протекают аналогичным образом, что и кипение воды. Основное отличие в этих процессах составляют различные температуры кипения веществ, которые при нормальном атмосферном давлении являются уже измеренными табличными величинами. Укажем основные значения этих температур в таблице.

Интересен тот факт, что температура кипения жидкостей зависит от величины атмосферного давления, поэтому мы и указывали, что все значения в таблице приведены при нормальном атмосферном давлении. При возрастании давления воздуха возрастает и температура кипения жидкости, при уменьшении, наоборот, уменьшается.

На этой зависимости температуры кипения от давления окружающей среды основан принцип работы такого известного кухонного прибора, как скороварка (рис. 2). Она представляет собой кастрюлю с плотно закрывающейся крышкой, под которой в процессе парообразования воды давление воздуха с паром достигает значения до 2 атмосферных давлений, что приводит к увеличению температуры кипения воды в ней до . Из-за этого вода с продуктами в ней имеют возможность нагреться до температуры выше, чем обычно (), и процесс приготовления ускоряется. Из-за такого эффекта устройство и получило свое название.

Рис. 2. Скороварка ()

Ситуация с уменьшением температуры кипения жидкости с понижением атмосферного давления также имеет пример из жизни, но уже не повседневной для многих людей. Относится такой пример к путешествиям альпинистов в высокогорных районах. Оказывается, что в местности, находящейся на высоте 3000-5000 м, температура кипения воды из-за уменьшения атмосферного давления снижается до и более низких значений, что приводит к сложностям при приготовлении пищи в походах, т. к. для эффективной термической обработки продуктов в таком случае требуется значительно большее время, чем при нормальных условиях. На высотах около 7000 м температура кипения воды доходит до , что приводит к невозможности приготовления многих продуктов в таких условиях.

На том, что температуры кипения различных веществ отличаются, основаны некоторые технологии разделения веществ. Например, если рассматривать нагревание нефти, которая представляет собой сложную жидкость, состоящую из множества компонентов, то в процессе кипения ее можно будет разделить на несколько различных веществ. В данном случае, благодаря тому, что температуры кипения керосина, бензина, лигроина и мазута различны, их можно отделить друг от друга путем парообразования и конденсации при различных температурах. Такой процесс, как правило, называют разделением на фракции (рис. 3).

Рис. 3 Разделение нефти на фракции ()

Как и любой физический процесс, кипение необходимо характеризовать с помощью какой-то численной величины, такую величину называют удельной теплотой парообразования.

Для того чтобы понять физический смысл этой величины, рассмотрим следующий пример: возьмем 1 кг воды и доведем ее до температуры кипения, затем замерим, какое количество теплоты необходимо для того, чтобы полностью испарить эту воду (без учета тепловых потерь) - эта величина и будет равна удельной теплоте парообразования воды. Для другого вещества это значение теплоты будет другим и будет являться удельной теплотой парообразования этого вещества.

Удельная теплота парообразования оказывается очень важной характеристикой в современных технологиях производства металлов. Оказывается, что, например, при плавлении и испарении железа с его последующей конденсацией и затвердеванием образуется кристаллическая решетка с такой структурой, которая обеспечивает более высокую прочность, чем исходный образец.

Обозначение : удельная теплота парообразования и конденсации (иногда обозначается ).

Единица измерения : .

Удельная теплота парообразования веществ определяется с помощью экспериментов в лабораторных условиях, и ее значения для основных веществ занесены в соответствующую таблицу.

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:

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.

Как измеряется

1. Удельная теплота испарения воды измеряется в физических лабораториях экспериментальным путем. Для этого используют калориметры. Процедура выглядит следующим образом:
2. Определенное количество жидкости заливают в калориметр.

Явление превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием . Парообразование может осуществляться в виде двух процессов: и.

Кипение

Второй процесс парообразования - кипение. Наблюдать этот процесс можно с помощью простого опыта, нагревая воду в стеклянной колбе. При нагревании воды в ней через некоторое время появляются пузырьки, в которых содержатся воздух и насыщенный водяной пар, который образуется при испарении воды внутри пузырьков. При повышении температуры давление внутри пузырьков растёт, и под действием выталкивающей силы они поднимаются вверх. Однако, поскольку температура верхних слоёв воды меньше, чем нижних, пар в пузырьках начинает конденсироваться, и они сжимаются. Когда вода прогреется по всему объёму, пузырьки с паром поднимаются до поверхности, лопаются, и пар выходит наружу. Вода кипит. Это происходит при такой температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках равно атмосферному давлению.

Процесс парообразования, происходящий во всем объёме жидкости при определённой температуре, называют . Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения .

Эта температура зависит от атмосферного давления. При повышении атмосферного давления температура кипения возрастает.

Опыт показывает, что в процессе кипения температура жидкости не изменяется, несмотря на то, что извне поступает энергия. Переход жидкости в газообразное состояние при температуре кипения связан с увеличением расстояния между молекулами и соответственно с преодолением притяжения между ними. На совершение работы по преодолению сил притяжения расходуется подводимая к жидкости энергия. Так происходит до тех пор, пока вся жидкость не превратится в пар. Поскольку жидкость и пар в процессе кипения имеют одинаковую температуру, то средняя кинетическая энергия молекул не изменяется, увеличивается лишь их потенциальная энергия.

На рисунке приведён график зависимости температуры воды от времени в процессе её нагревания от комнатной температуры до температуры кипения (АВ), кипения (ВС), нагревания пара (CD), охлаждения пара (DE), конденсации (EF) и последующего охлаждения (FG).

Удельная теплота парообразования

Для превращения разных веществ из жидкого состояния в газообразное требуется разная энергия, эта энергия характеризуется величиной, называемой удельной теплотой парообразования.

Удельная теплота парообразования (L ) — это величина, равная отношению количества теплоты, которое нужно сообщить веществу массой 1 кг, для превращения его из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения.

Единица удельной теплоты парообразования - [L ] = Дж/кг.

Чтобы рассчитать количество теплоты Q, которое необходимо сообщить веществу массой тп для его превращения из жидкого состояния в газообразное, необходимо удельную теплоту парообразования (L ) умножить на массу вещества: Q = Lm.

При конденсации пара выделяется некоторое количество теплоты, причем его значение равно значению количества теплоты, которое необходимо затратить для превращения жидкости в пар при той же температуре.

Кипение, как мы видели, тоже испарение, только сопровождается оно быстрым образованием и ростом пузырьков пара. Очевидно, что во время кипения необходимо подводить к жидкости определённое количество теплоты. Это количество теплоты идёт на образование пара. Причём различные жидкости одной и той же массы требуют разное количество теплоты для обращения их в пар при температуре кипения.

Опытами было установлено, что для испарения воды массой 1 кг при температуре 100 °С требуется 2,3 10 6 Дж энергии. Для испарения эфира массой 1 кг, взятого при температуре 35 °С, необходимо 0,4 10 6 Дж энергии.

Следовательно, чтобы температура испаряющейся жидкости не изменялась, к жидкости необходимо подводить определённое количество теплоты.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.

Удельную теплоту парообразования обозначают буквой L. Её единица - 1 Дж/кг.

Опытами установлено, что удельная теплота парообразования воды при 100 °С равна 2,3 10 6 Дж/кг. Иными словами, для превращения воды массой 1 кг в пар при температуре 100 °С требуется 2,3 10 6 Дж энергии. Следовательно, при температуре кипения внутренняя энергия вещества в парообразном состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в жидком состоянии.

Таблица 6.
Удельная теплота парообразования некоторых веществ (при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении)

Соприкасаясь с холодным предметом, водяной пар конденсируется (рис. 25). При этом выделяется энергия, поглощённая при образовании пара. Точные опыты показывают, что, конденсируясь, пар отдаёт то количество энергии, которое пошло на его образование.

Рис. 25. Конденсация пара

Следовательно, при превращении 1 кг водяного пара при температуре 100 °С в воду той же температуры выделяется 2,3 10 6 Дж энергии. Как видно из сравнения с другими веществами (табл. 6), эта энергия довольно велика.

Освобождающаяся при конденсации пара энергия может быть использована. На крупных тепловых электростанциях отработавшим в турбинах паром нагревают воду.

Нагретую таким образом воду используют для отопления зданий, в банях, прачечных и для других бытовых нужд.

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:

Из этой формулы можно определить, что

m = Q / L, L = Q / m

Количество теплоты, которое выделяет пар массой т, конденсируясь при температуре кипения, определяется по той же формуле.

Пример . Какое количество энергии требуется для превращения воды массой 2 кг, взятой при температуре 20 °С, в пар? Запишем условие задачи и решим её.

Вопросы

1. На что расходуется энергия, подводимая к жидкости при кипении?
2. Что показывает удельная теплота парообразования?
3. Как можно показать на опыте, что при конденсации пара выделяется энергия?
4. Чему равна энергия, выделяемая водяным паром массой 1 кг при конденсации?
5. Где в технике используют энергию, выделяемую при конденсации водяного пара?

Упражнение 16

1. Как надо понимать, что удельная теплота парообразования воды равна 2,3 10 6 Дж/кг?
2. Как надо понимать, что удельная теплота конденсации аммиака равна 1,4 10 6 Дж/кг?
3. У какого из приведённых в таблице 6 веществ при обращении из жидкого состояния в пар внутренняя энергия увеличивается больше? Ответ обоснуйте.
4. Какое количество энергии требуется для обращения воды массой 150 г в пар при температуре 100 °С?
5. Какое количество энергии нужно затратить, чтобы воду массой 5 кг, взятую при температуре 0 °С, довести до кипения и испарить её?
6. Какое количество энергии выделит вода массой 2 кг при охлаждении от 100 до 0 °С? Какое количество энергии выделится, если вместо воды взять столько же пара при 100 °С?

Задание

1. По таблице 6 определите, у какого из веществ при обращении из жидкого состояния в пар внутренняя энергия увеличивается сильнее. Ответ обоснуйте.
2. Подготовьте доклад на одну из тем (по выбору).
3. Как образуется роса, иней, дождь и снег.
4. Круговорот воды в природе.
5. Литьё металлов.