Питома тепло та пароутворення. Прихована теплота пароутворення

Для того щоб підтримувати кипіння води (або іншої рідини), до неї потрібно безперервно підводити теплоту, наприклад, підігрівати її пальником. При цьому температура води та судини не підвищується, але за кожну одиницю часу утворюється певна кількість пари. З цього випливає, що для перетворення води в пару потрібно приплив теплоти, подібно до того, як це має місце при перетворенні кристала (льоду) в рідину (§ 269). Кількість теплоти, необхідне перетворення одиниці маси рідини в пар тієї ж температури, називають питомою теплотою пароутворення даної рідини. Вона виявляється у джоулях на кілограм.

Неважко збагнути, що з конденсації пари в рідина має виділятися таку кількість теплоти. Справді, опустимо у склянку з водою трубку, з'єднану з окропом (рис. 488). Через деякий час після початку нагрівання з кінця трубки, опущеної у воду, почнуть виходити бульбашки повітря. Це повітря мало підвищує температуру води. Потім вода в кип'ятильнику закипить, після чого ми побачимо, що бульбашки, що виходять із кінця трубки, вже не піднімаються нагору, а швидко зменшуються і з різким звуком зникають. Це - бульбашки пари, що конденсуються у воду. Як тільки замість повітря з окропу піде пара, вода почне швидко нагріватися. Так як питома теплоємність пари приблизно така сама, як і повітря, то з цього спостереження випливає, що настільки швидке нагрівання води відбувається саме внаслідок конденсації пари.

Рис. 488. Поки з кип'ятильника йде повітря, термометр показує майже одну й ту саму температуру. Коли замість повітря піде пара і почне конденсуватися в склянці, стовпчик термометра швидко підніметься, показуючи підвищення температури

При конденсації одиниці маси пари в рідину тієї ж температури виділяється кількість теплоти, що дорівнює питомій теплоті пароутворення. Це можна було передбачити на підставі закону збереження енергії. Справді, якби це було не так, то можна було б побудувати машину, в якій рідина спочатку випаровувалась, а потім конденсувалася: різниця між теплотою пароутворення та теплотою конденсації являла б збільшення повної енергії всіх тіл, що беруть участь у аналізованому процесі. А це суперечить закону збереження енергії.

Питому теплоту пароутворення можна визначити за допомогою калориметра, подібно до того, як це робиться при визначенні питомої теплоти плавлення (§ 269). Наллємо в калориметр певну кількість води та виміряємо її температуру. Потім деякий час будемо вводити у воду пар випробуваної рідини з кип'ятильника, вживши заходів до того, щоб йшла тільки пара, без крапельок рідини. Для цього пару пропускають крізь сухопарник (рис. 489). Після цього знову виміряємо температуру води в калориметрі. Зваживши калориметр, ми можемо за збільшенням його маси судити про кількість пари, що сконденсувався в рідину.

Рис. 489. Сухопарник - пристрій для затримання крапельок води, що рухаються разом з парою

Користуючись законом збереження енергії, можна скласти для цього рівняння теплового балансу, що дозволяє визначити питому теплоту пароутворення води. Нехай маса води в калориметрі (включаючи водяний еквівалент калориметра) дорівнює маса пара -, теплоємність води -, початкова і кінцева температура води в калориметрі - і температура кипіння води - і питома теплота пароутворення -. Рівняння теплового балансу має вигляд

.

Результати визначення питомої теплоти пароутворення деяких рідин при нормальному тиску наведено у табл. 20. Як бачимо, ця теплота досить велика. Велика теплота пароутворення води грає винятково важливу роль у природі, оскільки процеси пароутворення відбуваються у природі у грандіозних масштабах.

Таблиця 20. Питома теплота пароутворення деяких рідин

Зазначимо, що значення питомої теплоти пароутворення, що містяться в таблиці, відносяться до температури кипіння при нормальному тиску. Якщо рідина кипить або просто випаровується за іншої температури, то її питома теплота пароутворення інша. При підвищенні температури рідини теплота пароутворення завжди зменшується. Пояснення цього ми розглянемо пізніше.

295.1. Визначте кількість теплоти, необхідну для нагрівання до температури кипіння та для перетворення на пару 20 г води при .

295.2. Яка вийде температура, якщо в склянку, що містить 200 г води при впустити 3 г пари при ? Теплоємність склянки знехтувати.

На цьому уроці ми приділимо увагу такому виду пароутворення, як кипіння, обговоримо його відмінності від розглянутого раніше процесу випаровування, введемо таку величину, як температура кипіння, і обговоримо, від чого залежить. Наприкінці уроку введемо дуже важливу величину, що описує процес пароутворення – питому теплоту пароутворення та конденсації.

Тема: Агрегатні стани речовини

Урок: Кипіння. Питома теплота пароутворення та конденсації

На минулому уроці ми вже розглянули один із видів пароутворення – випаровування – і виділили властивості цього процесу. Сьогодні ми обговоримо такий вид пароутворення, як процес кипіння, і введемо величину, яка чисельно характеризує процес пароутворення – питома теплота пароутворення та конденсації.

Визначення.Кипіння(рис. 1) - це процес інтенсивного переходу рідини в газоподібний стан, що супроводжується утворенням бульбашок пари і відбувається по всьому об'єму рідини за певної температури, яку називають температурою кипіння.

Порівняємо два види пароутворення між собою. Процес кипіння інтенсивніший, ніж процес випаровування. Крім того, як ми пам'ятаємо, процес випаровування протікає при будь-якій температурі вище за температуру плавлення, а процес кипіння - суворо при певній температурі, яка є різною для кожної з речовин і називається температурою кипіння. Ще слід зазначити, що випаровування відбувається тільки з вільної поверхні рідини, тобто з області, що її розмежовує з навколишніми газами, а кипіння - відразу з усього об'єму.

Докладніше розглянемо перебіг процесу кипіння. Уявімо ситуацію, з якою багато хто з нас неодноразово стикався, - це нагрівання і кип'ятіння води в деякій посудині, наприклад, у каструлі. Під час нагрівання воді передаватиметься певна кількість теплоти, що призводитиме до збільшення її внутрішньої енергії та збільшення активності руху молекул. Цей процес протікатиме до певного етапу, поки енергія руху молекул не стане достатньою для початку кипіння.

У воді є розчинені гази (або інші домішки), які виділяються в її структурі, що призводить до так званого виникнення центрів пароутворення. Т. е. саме у цих центрах починає відбуватися виділення пари, і по всьому об'єму води утворюються бульбашки, які спостерігаються при кипінні. Важливо розуміти, що в цих бульбашках знаходиться не повітря, а саме пара, яка утворюється у процесі кипіння. Після утворення бульбашок кількість пари в них зростає, і вони починають збільшуватись у розмірах. Найчастіше спочатку бульбашки утворюються поблизу стінок судини і не відразу піднімаються на поверхню; спочатку вони, збільшуючись у розмірах, виявляються під впливом сили Архімеда, що наростає, а потім відриваються від стінки і піднімаються на поверхню, де лопаються і вивільняють порцію пари.

Варто відзначити, що далеко не відразу всі бульбашки пари досягають вільної поверхні води. На початку процесу кипіння вода прогріта ще далеко не рівномірно і нижні шари, поблизу яких відбувається безпосередньо процес теплопередачі, ще гарячіше за верхні, навіть з урахуванням процесу конвекції. Це призводить до того, що бульбашки пари, що піднімаються знизу, схлопуються через явища поверхневого натягу, ще не доходячи до вільної поверхні води. При цьому пара, яка знаходилася всередині бульбашок, переходить у воду, тим самим додатково нагріваючи її та прискорюючи процес рівномірного прогрівання води по всьому об'єму. В результаті, коли вода прогрівається практично рівномірно, майже всі бульбашки пари починають досягати поверхні води та починається процес інтенсивного пароутворення.

Важливо виділити той факт, що температура, при якій відбувається процес кипіння, залишається незмінною навіть у тому випадку, якщо збільшувати інтенсивність підведення тепла до рідини. Простими словами, якщо в процесі кипіння додати газ на конфорці, яка розігріває каструлю з водою, це призведе тільки до збільшення інтенсивності кипіння, а не до збільшення температури рідини. Якщо поглиблюватися більш серйозно в процес кипіння, то варто зазначити, що у воді виникають області, в яких вона може бути перегріта вище за температуру кипіння, але величина такого перегріву, як правило, не перевищує одного-пари градусів і незначна в загальному обсязі рідини. Температура кипіння води за нормального тиску становить 100°С.

У процесі кипіння води можна побачити, що він супроводжується характерними звуками про буріння. Ці звуки виникають саме через описаний процес схлопування бульбашок пари.

Процеси кипіння інших рідин протікають аналогічним чином, що кипіння води. Основна відмінність у цих процесах становлять різні температури кипіння речовин, які за нормального атмосферного тиску є вже виміряними табличними величинами. Вкажемо основні значення цих температур у таблиці.

Цікавий той факт, що температура кипіння рідин залежить від величини атмосферного тиску, тому ми і вказували, що всі значення таблиці наведені при нормальному атмосферному тиску. При зростанні тиску повітря зростає температура кипіння рідини, при зменшенні, навпаки, зменшується.

На цій залежності температури кипіння від тиску навколишнього середовища ґрунтується принцип роботи такого відомого кухонного приладу, як скороварка (рис. 2). Вона являє собою каструлю з кришкою, що щільно закривається, під якою в процесі пароутворення води тиск повітря з парою досягає значення до 2 атмосферних тисків, що призводить до збільшення температури кипіння води в ній до . Через це вода з продуктами в ній мають можливість нагрітися до температури вище, ніж зазвичай (), і процес приготування пришвидшується. Через такий ефект пристрій і отримав свою назву.

Рис. 2. Скороварка ()

Ситуація зі зменшенням температури кипіння рідини зі зниженням атмосферного тиску також має приклад із життя, але не повсякденної багатьом людей. Належить такий приклад до подорожей альпіністів у високогірних районах. Виявляється, що в місцевості, що знаходиться на висоті 3000-5000 м, температура кипіння води через зменшення атмосферного тиску знижується до і більш низьких значень, що призводить до складнощів при приготуванні їжі в походах, тому що для ефективної термічної обробки продуктів такому разі потрібно значно більше часу, ніж за нормальних умов. На висотах близько 7000 м температура кипіння води сягає , що призводить до неможливості приготування багатьох продуктів у умовах.

На тому, що температури кипіння різних речовин відрізняються, ґрунтуються деякі технології поділу речовин. Наприклад, якщо розглядати нагрівання нафти, яка є складною рідиною, що складається з безлічі компонентів, то в процесі кипіння її можна буде розділити на кілька різних речовин. В даному випадку завдяки тому, що температури кипіння гасу, бензину, лігроїну і мазуту різні, їх можна відокремити один від одного шляхом пароутворення і конденсації при різних температурах. Такий процес, як правило, називають розподілом на фракції (рис. 3).

Рис. 3 Поділ нафти на фракції ()

Як і будь-який фізичний процес, кипіння необхідно характеризувати за допомогою якоїсь чисельної величини, таку величину називають питомою теплотою пароутворення.

Для того щоб зрозуміти фізичний сенс цієї величини, розглянемо наступний приклад: візьмемо 1 кг води і доведемо її до температури кипіння, потім заміряємо, скільки теплоти необхідно для того, щоб повністю випарувати цю воду (без урахування теплових втрат) - ця величина і буде дорівнює питомій теплоті пароутворення води. Для іншої речовини це значення теплоти буде іншим і буде питомою теплотою пароутворення цієї речовини.

Питома теплота пароутворення виявляється дуже важливою характеристикою сучасних технологій виробництва металів. Виявляється, що, наприклад, при плавленні та випаровуванні заліза з його подальшою конденсацією та затвердінням утворюється кристалічна решітка з такою структурою, яка забезпечує більш високу міцність, ніж вихідний зразок.

Позначення: питома теплота пароутворення та конденсації (іноді позначається).

Одиниця виміру: .

Питома теплота пароутворення речовин визначається за допомогою експериментів у лабораторних умовах, та її значення для основних речовин занесено до відповідної таблиці.

Всім відомо, що вода в чайнику закипає при температурі 100? Але чи звертали ви увагу, що температура води у процесі кипіння не змінюється? Питання – куди подіється енергія, що утворюється, якщо ми постійно тримаємо ємність на вогні? Вона йде на перетворення рідини на пару. Таким чином, для переходу води до газоподібного стану потрібне постійне надходження теплоти. Те, скільки її потрібно для перетворення кілограма рідини на пару такої ж температури, визначається фізичною величиною, яка називається питома теплота пароутворення води.

Фізичний зміст величини

Для кипіння потрібна енергія. Велика її частина використовується для розриву хімічних зв'язків між атомами і молекулами, в результаті чого утворюються бульбашки пари, а менша йде на розширення пари, тобто на те, щоб бульбашки, що утворилися, могли луснути і випустити його. Оскільки рідина всю енергію вкладає у перехід у газоподібний стан, її «сили» вичерпуються. Для постійного відновлення енергії та продовження кипіння потрібно підводити до ємності з рідиною все нове та нове тепло. Забезпечити його приплив може кип'ятильник, газовий пальник або будь-який інший нагрівальний прилад. Під час кипіння температура рідини не зростає, йде процес утворення пари такої самої температури.

Різним рідинам потрібна різна кількість теплоти для переходу до пари. Яке саме – показує питома теплота пароутворення.

Зрозуміти, як визначається ця величина, можна з прикладу. Беремо 1 л води та доводимо її до кипіння. Потім вимірюємо кількість тепла, що знадобилося для випарювання всієї рідини, і отримуємо значення питомої теплоти пароутворення для води. Для інших хімічних сполук цей показник буде іншим.

У фізиці питома теплота пароутворення позначається латинською літерою L. Вимірюється вона у джоулях на кілограм (Дж/кг). Вивести її можна шляхом поділу теплоти, витраченої на випаровування, на масу рідини:

Ця величина дуже важлива для виробничих процесів з урахуванням сучасних технологій. Наприклад, на неї орієнтуються під час виробництва металів. Виявилося, що якщо залізо розплавити, а потім сконденсувати, при подальшому затвердінні утворюється міцніша кристалічна решітка.

Чому дорівнює

Значення питомої теплоти різних речовин (r) визначили під час лабораторних досліджень. Вода за нормального атмосферного тиску закипає при 100 °C, а теплота випаровування води становить 2258,2 кДж/кг. Даний показник для деяких інших речовин наведено в таблиці:

Однак цей показник може змінюватись під дією певних факторів:

1. Температура.При її підвищенні теплота випаровування зменшується і може дорівнювати 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. Тиск.Зі зниженням тиску теплота пароутворення зростає, і навпаки. Температура кипіння прямо пропорційна тиску і може досягати критичного значення 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
   Критичне 221,29	374,15	-

3. Маса речовини.Кількість задіяної в процесі теплоти прямо пропорційно масі пари, що утворилася.

Співвідношення випаровування та конденсації

Фізики з'ясували, що на зворотний випар процес - конденсацію - пара витрачає рівно стільки ж енергії, скільки пішло на його освіту. Це спостереження підтверджує закон збереження енергії.

В іншому випадку було б можливе створення установки, в якій рідина випаровується, а потім конденсувалася. Різниця між теплотою, необхідною для випаровування, та теплотою, достатньою для конденсації, призводила б до накопичення енергії, яка могла б бути використана для інших цілей. По суті, було б створено вічний двигун. Але це суперечить фізичним законам, отже, неможливо.

Як вимірюється

1. Питома теплота випаровування води вимірюється у фізичних лабораторіях експериментальним шляхом. Для цього використовують калориметри. Процедура виглядає так:
2. Певну кількість рідини заливають у калориметр.

Явлення перетворення речовини з рідкого стану на газоподібне називається пароутворенням. Пароутворення може здійснюватися як двох процесів: в.

Кипіння

Другий процес пароутворення – кипіння. Спостерігати цей процес можна за допомогою простого досвіду, нагріваючи воду у скляній колбі. При нагріванні води в ній через деякий час з'являються бульбашки, в яких містяться повітря і насичена водяна пара, яка утворюється при випаровуванні води всередині бульбашок. При підвищенні температури тиск усередині бульбашок зростає, і під дією сили, що виштовхує, вони піднімаються вгору. Однак, оскільки температура верхніх шарів води менше ніж нижніх, пара в бульбашках починає конденсуватися, і вони стискаються. Коли вода прогріється по всьому об'єму, бульбашки з парою піднімаються до поверхні, лопаються і пара виходить назовні. Вода кипить. Це відбувається при такій температурі, при якій тиск насиченої пари в бульбашках дорівнює атмосферному тиску.

Процес пароутворення, що відбувається у всьому об'ємі рідини за певної температури, називають . Температуру, за якої рідина кипить, називають температурою кипіння.

Ця температура залежить від атмосферного тиску. У разі підвищення атмосферного тиску температура кипіння зростає.

Досвід показує, що в процесі кипіння температура рідини не змінюється, незважаючи на те, що зовні надходить енергія. Перехід рідини в газоподібний стан при температурі кипіння пов'язаний із збільшенням відстані між молекулами та відповідно з подоланням тяжіння між ними. На здійснення роботи з подолання сил тяжіння витрачається енергія, що підводиться до рідини. Так відбувається доти, поки вся рідина не перетвориться на пару. Оскільки рідина та пара в процесі кипіння мають однакову температуру, то середня кінетична енергія молекул не змінюється, збільшується лише їх потенційна енергія.

На малюнку наведено графік залежності температури води від часу в процесі її нагрівання від кімнатної температури до температури кипіння (АВ), кипіння (ВС), нагрівання пари (CD), охолодження пари (DE), конденсації (EF) та подальшого охолодження (FG) .

Питома теплота пароутворення

Для перетворення різних речовин з рідкого стану на газоподібне потрібна різна енергія, ця енергія характеризується величиною, званої питомою теплотою пароутворення.

Питома теплота пароутворення (L) — це величина, що дорівнює відношенню кількості теплоти, яку потрібно повідомити речовину масою 1 кг, для перетворення її з рідкого стану на газоподібний при температурі кипіння.

Одиниця питомої теплоти пароутворення - [ L] = Дж/кг.

Щоб розрахувати кількість теплоти Q, яку необхідно повідомити речовину масою тп для її перетворення з рідкого стану на газоподібний, необхідно питому теплоту пароутворення ( L) помножити на масу речовини: Q = Lm.

При конденсації пари виділяється деяка кількість теплоти, причому його значення дорівнює значенню кількості теплоти, яку необхідно витратити для перетворення рідини на пару при тій же температурі.

Кипіння, як ми бачили, теж випаровування, тільки супроводжується воно швидким утворенням та зростанням бульбашок пари. Очевидно, що під час кипіння необхідно підводити до рідини певну кількість теплоти. Ця кількість теплоти йде на утворення пари. Причому різні рідини однієї й тієї ж маси вимагають різну кількість теплоти звернення в пар при температурі кипіння.

Досвідами було встановлено, що для випаровування води масою 1 кг при температурі 100 ° С потрібно 2,3 10 6 Дж енергії. Для випаровування ефіру масою 1 кг, взятого при температурі 35 °С, необхідно 0,4 10 6 Дж енергії.

Отже, щоб температура рідини, що випаровується, не змінювалася, до рідини необхідно підводити певну кількість теплоти.

Фізична величина, що показує, скільки теплоти необхідно, щоб звернути рідину масою 1 кг пар без зміни температури, називається питомою теплотою пароутворення.

Питому теплоту пароутворення позначають буквою L. Її одиниця – 1 Дж/кг.

Досвідами встановлено, що питома теплота пароутворення води при 100 ° С дорівнює 2,3 10 6 Дж/кг. Іншими словами, для перетворення води масою 1 кг на пару при температурі 100 °С потрібно 2,3 10 6 Дж енергії. Отже, при температурі кипіння внутрішня енергія речовини в пароподібному стані більша за внутрішній енергії такої ж маси речовини в рідкому стані.

Таблиця 6.
Питома теплота пароутворення деяких речовин (при температурі кипіння та нормальному атмосферному тиску)

Стикаючись з холодним предметом, водяна пара конденсується (рис. 25). При цьому виділяється енергія, поглинена під час утворення пари. Точні досліди показують, що, конденсуючись, пара віддає ту кількість енергії, яка пішла на її утворення.

Рис. 25. Конденсація пари

Отже, при перетворенні 1 кг водяної пари при температурі 100 ° С у воду тієї ж температури виділяється 2,3 10 6 Дж енергії. Як очевидно з порівняння коїться з іншими речовинами (табл. 6), ця енергія досить велика.

Звільнена при конденсації пара енергія може бути використана. На великих теплових електростанціях парою, що відпрацювала в турбінах, нагрівають воду.

Нагріту таким чином воду використовують для опалення будівель, у лазнях, пралень та інших побутових потреб.

Щоб обчислити кількість теплоти Q, необхідну для перетворення на пару рідини будь-якої маси, взятої при температурі кипіння, потрібно питому теплоту пароутворення L помножити на масу m:

З цієї формули можна визначити, що

m = Q/L, L = Q/m

Кількість теплоти, що виділяє пар масою т, конденсуючись при температурі кипіння, визначається за тією самою формулою.

приклад. Яка кількість енергії потрібна для перетворення води масою 2 кг, взятої за температури 20 °С, у пару? Запишемо умову завдання і розв'яжемо її.

Запитання

1. На що витрачається енергія, що підводиться до рідини під час кипіння?
2. Що показує питома теплота пароутворення?
3. Як можна показати з досвіду, що з конденсації пари виділяється енергія?
4. Чому дорівнює енергія, що виділяється водяною парою масою 1 кг при конденсації?
5. Де в техніці використовують енергію, що виділяється під час конденсації водяної пари?

Вправа 16

1. Як треба розуміти, що питома теплота пароутворення води дорівнює 2,3 10 6 Дж/кг?
2. Як треба розуміти, що питома теплота конденсації аміаку дорівнює 1,4 10 6 Дж/кг?
3. Яка з наведених у таблиці 6 речовин при зверненні з рідкого стану до пари внутрішня енергія збільшується більше? Відповідь обґрунтуйте.
4. Яка кількість енергії потрібна для обігу води масою 150 г у пару при температурі 100 °С?
5. Яку кількість енергії потрібно витратити, щоб воду масою 5 кг, взяту за температури 0 °С, довести до кипіння і випарувати її?
6. Яку кількість енергії виділить вода масою 2 кг при охолодженні від 100 до 0 °С? Яка кількість енергії виділиться, якщо замість води взяти стільки пари при 100 °С?

Завдання

1. За таблицею 6 визначте, яка з речовин при зверненні з рідкого стану до пар внутрішня енергія збільшується сильніше. Відповідь обґрунтуйте.
2. Підготуйте доповідь на одну з тем (на вибір).
3. Як утворюється роса, іній, дощ та сніг.
4. Кругообіг води в природі.
5. Лиття металів.