Питома теплота пароутворення гелію. Пухирцевий режим кипіння

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.

Мал. 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.

Мал. 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.

Кипіння - це інтенсивне пароутворення, що відбувається при нагріванні рідини не тільки з поверхні, а й усередині неї.

Кипіння відбувається із поглинанням теплоти.
Більшість теплоти, що підводиться, витрачається на розрив зв'язків між частинками речовини, решта - на роботу, що здійснюється при розширенні пари.
В результаті енергія взаємодії між частинками пари стає більшою, ніж між частинками рідини, тому внутрішня енергія пари більша, ніж внутрішня енергія рідини при тій же температурі.
Кількість теплоти, необхідне для переведення рідини в пару в процесі кипіння, можна розрахувати за формулою:

де m - маса рідини (кг),
L – питома теплота пароутворення.

Питома теплота пароутворення показує, скільки теплоти необхідно, щоб перетворити на пару 1 кг даної речовини при температурі кипіння. Одиниця питомої теплоти пароутворення у системі СІ:
[L] = 1 Дж/кг
Зі зростанням тиску температура кипіння рідини підвищується, а питома теплота пароутворення зменшується і навпаки.

Під час кипіння температура рідини не змінюється.
Температура кипіння залежить від тиску, що чиниться на рідину.
Кожна речовина при тому самому тиску має свою температуру кипіння.
Зі збільшенням атмосферного тиску кипіння починається при вищій температурі, при зменшенні тиску - навпаки.
Так, наприклад, вода кипить при 100 ° С лише за нормального атмосферного тиску.

ЩО А ВІДБУВАЄТЬСЯ ВСЕРЕДИНІ РІДИНИ ПРИ КИПЕННІ?

Кипіння є перехід рідини в пару з безперервним утворенням і зростанням в рідині бульбашок пари, всередину яких відбувається випаровування рідини. На початку нагрівання вода насичена повітрям та має кімнатну температуру. При нагріванні води розчинений у ній газ виділяється на дні і стінках судини, утворюючи повітряні бульбашки. Вони починають з'являтися задовго до кипіння. У ці бульбашки випаровується вода. Бульбашка, наповнена парою, при досить високій температурі починає роздмухуватися.

Досягнувши певних розмірів, він відривається від дна, піднімається до поверхні води і лопається. При цьому пара залишає рідину. Якщо вода прогріта недостатньо, то бульбашка пари, піднімаючись у холодні шари, хлопається. Коливання води, що виникають при цьому, призводять до появи у всьому обсязі води величезної кількості дрібних бульбашок повітря: так званий "білий ключ".

На повітряний пляшечку об'ємом на дні судини діє підйомна сила:
Fпід = Fархімеда - Fважкості
Пухирець притиснутий на дно, оскільки на нижню поверхню сили тиску не діють. При нагріванні бульбашка збільшується за рахунок виділення в нього газу і відривається від дна, коли підйомна сила буде трохи більшою за притискаючу. Розмір бульбашки, здатної відірватися від дна, залежить від форми. Форма бульбашок на дні визначається змочуванням дна судини.

Неоднорідність змочування та злиття бульбашок на дні призводили до збільшення їх розмірів. При великих розмірах бульбашки при підйомі ззаду нього утворюються порожнечі, розриви та завихрення.

Коли бульбашка лопається, вся рідина, що його оточує, спрямовується всередину, і виникає кільцева хвиля. Змикаючись, вона викидає вгору стовпчик води.

При схлопывании бульбашок, що лопаються, в рідині поширюються ударні хвилі ультразвукових частот, що супроводжуються чутним шумом. Для початкових стадій кипіння характерні найгучніші та найвищі звуки (на стадії "білого ключа" чайник "співає").

(джерело: virlib.eunnet.net)

ТЕМПЕРАТУРНИЙ ГРАФІК ЗМІНИ АГРЕГАТНИХ СТАН ВОДИ

ПОГЛЯДИ НА КНИЖКУ!

ЦІКАВО

Навіщо в кришці чайника роблять дірочку?
Для виходу пари. Без дірочки у кришці пара може виплеснути воду через носик чайника.
___

Тривалість варіння картоплі, починаючи з кипіння, не залежить від потужності нагрівача. Тривалість визначається часом перебування продукту за температури кипіння.
Потужність нагрівача не впливає на температуру кипіння, а впливає лише на швидкість випаровування води.

Кипінням можна змусити воду замерзнути. Для цього треба робити відкачування повітря та водяної пари з посудини, де знаходиться вода, так, щоб вода весь час кипіла.

«Горщики легко закипають через край – до негоди!»
Падіння атмосферного тиску, що супроводжує погіршення погоди, спричиняє те, що молоко швидше «втікає».
___

Дуже гарячий окріп можна отримати на дні глибоких шахт, де тиск повітря значно більший, ніж на Землі. Так на глибині 300 м вода закипить при 101? С. При тиску повітря в 14 атмосфер вода закипає при 200?
Під дзвоном повітряного насоса можна отримати «окроп» при 20 ?
На Марсі ми пили б «окроп» при 45 ?С.
Солона вода кипить при температурі вище 100 C. ___

У гірських районах на значній висоті при зниженому атмосферному тиску вода кипить при температурах нижче 100 Цельсія.

Чекати, доки звариться такий обід, доводиться довше.

Поллємо холодненькою ... і закипить!

Зазвичай вода кипить за 100 градусів Цельсія. Нагріємо воду в колбі на пальнику до кипіння. Погасимо пальник. Вода перестає кипіти. Закриємо колбу пробкою і почнемо обережно лити на пробку цівкою холодну воду. Яке? Вода знову закипіла!

Під струменем холодної води водичка в колбі, а разом із нею і водяні пари починають остигати.
Об'єм парів зменшується, і тиск над поверхнею води змінюється.
А як ти думаєш, у який бік?
...Температура кипіння води при зниженому тиску менше 100 градусів, і вода в колбі закипає знову!
____

При приготуванні їжі тиск усередині каструлі – "скороварки" – близько 200 кПа, і суп у такій каструлі звариться значно швидше.

Можна набрати в шприц воду приблизно до половини, закрити тією ж пробкою і різко потягнути за поршень. У воді з'явиться маса бульбашок, які говорять, що почався процес кипіння води (і це при кімнатній температурі!).
___

При переході речовини в газоподібний стан його щільність зменшується приблизно 1000 разів.
___

У перших електрочайників нагрівачі знаходилися під денцем. Вода не вступала в контакт із нагрівачем та закипала дуже довго. В 1923 Артур Лардж зробив відкриття: він помістив нагрівач в особливу мідну трубку і помістив її всередину чайника. Вода швидко закипала.

У США розроблені банки, що самоохолоджуються, для прохолодних напоїв. У банку вмонтований відсік із легкокиплячою рідиною. Якщо в спекотний день роздавити капсулу, рідина почне бурхливо кипіти, забираючи тепло у вмісту банки, і за 90 секунд температура напою знижується на 20-25 градусів за Цельсієм.

НУ ЧОМУ Ж?

А як ти думаєш, чи можна зварити яйце круто, якщо вода закипає при температурі нижче 100 градусів Цельсія?
____

Чи кипітиме вода в каструлі, яка плаває в іншій каструлі з киплячою водою?
Чому? ___

Чи можна змусити кипіти воду, не нагріваючи її?

Питома теплоємність

Питома теплоємність - це кількість тепла в Джоулях (Дж), необхідне підвищення температури речовини. Питома теплоємність є функцією температури. Для газів необхідно проводити різницю між питомою теплоємністю при постійному тиску та при постійному обсязі.

Питома теплота плавлення

Питома теплота плавлення твердої речовини - це кількість тепла Дж, необхідне для перекладу 1 кг речовини з твердого стану в рідке при температурі плавлення.

Прихована теплота пароутворення

Прихована теплота пароутворення рідини - це кількість тепла Дж, необхідне для випаровування 1 кг рідини при температурі кипіння. Прихована теплота пароутворення залежить від тиску. Приклад: якщо до ємності, що містить 1 кг води при 100С (на рівні моря) підвести тепло, вода поглине 1023 кДж прихованого тепла без будь-якої зміни у показаннях термометра. Однак, станеться зміна агрегатного стану з рідини в пару. Поглинене водою тепло називається прихованою теплотою пароутворення. Пара збереже 1023 кДж, оскільки ця енергія була потрібна для зміни агрегатного стану.

Прихована теплота конденсації

При зворотному процесі, коли тепло відводиться від 1 кг водяної пари при 100 С (на рівні моря), пара виділить 1023 кДж тепла без зміни у показаннях термометра. Однак, відбудеться зміна агрегатного стану з пари в рідину. Поглинене водою тепло називається прихованою теплотою конденсації.

1. Температура та тиск

Теплові виміри

Температура, чи ІНТЕНСИВНІСТЬ тепла, вимірюється термометром. Більшість значень температури в цьому посібнику наводяться в градусах Цельсія (С), проте іноді використовуються і градуси Фаренгейта (F). Значення температури говорить тільки про інтенсивність тепла або про ЯВНЕ ТЕПЛО, а не про дійсну кількість тепла. Комфортна температура для людини знаходиться в межах від 21 до 27 С. У цьому діапазоні температур людина почувається найкомфортніше. Коли будь-яка температура вище або нижче за цей діапазон, людина сприймає це як тепле або холодне. У науці є поняття «абсолютний нуль» - температура, за якої від тіла відведено все тепло. Температура абсолютного нуля визначається як -273 °C. Будь-яка речовина при температурі вище абсолютного нуля містить кілька тепла. Для розуміння основ кондиціювання повітря також необхідно розуміти зв'язок між тиском, температурою та агрегатним станом. Наша планета оточена повітрям, інакше кажучи газом. Тиск у газі передається у всіх напрямках однаково. Навколишній газ складається на 21% із кисню та на 78% із азоту. 1%, що залишається, займають інші рідкісні гази. Ця комбінація газів називається атмосферою. Вона простягається на кілька сотень кілометрів над земною поверхнею та утримується силою гравітації. На рівні моря атмосферний тиск становить 1,0 бар, а точка кипіння води – 100°С. У будь-якій точці вище за рівень моря атмосферний тиск нижче, а також нижче температура кипіння води. При зниженні тиску до 0,38 бар температура кипіння води становить 75°С, а при тиску 0,12 бар - 50°С. Якщо на точку кипіння води впливає зменшення тиску, логічно припустити, що збільшення тиску на неї також вплине. Приклад – пароварочний котел!

Додаткова інформація: як перевести градуси Фаренгейта до градусів Цельсія і навпаки: C = 5/9 × (F – 32). F = (9/5×C)+32. Кельвін = C + 273. Ренкін = F + 460.

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.

Мал. 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.