Питома теплота пароутворення гас таблиці. Кипіння

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. Уявимо ситуацію, з якою багато хто з нас неодноразово стикався, - це нагрівання та кип'ятіння води в деякій посудині, наприклад, у каструлі. У ході 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, що утворюється у процесі кипіння. Після утворення бульбашок кількість пари в них зростає, і вони починають збільшуватися 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.

Мал. 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).

Мал. 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.

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. Уявимо ситуацію, з якою багато хто з нас неодноразово стикався, - це нагрівання та кип'ятіння води в деякій посудині, наприклад, у каструлі. У ході 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, що утворюється у процесі кипіння. Після утворення бульбашок кількість пари в них зростає, і вони починають збільшуватися 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.

Мал. 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).

Мал. 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. Цей 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.

Ці знання швидко випаровуються, і поступово люди припиняють звертати увагу на сутність звичних явищ. Іноді корисно згадати теоретичні знання.

Визначення

Що таке кипіння? Це фізичний процес, у ході якого відбувається інтенсивне пароутворення як у вільній поверхні рідини, і усередині її структури. Однією з ознак кипіння є утворення бульбашок, які складаються з насиченої пари та повітря.

Варто зазначити існування такого поняття, як температура кипіння. Від тиску залежить швидкість утворення пари. Воно має бути постійним. Як правило, основною характеристикою рідких хімічних речовин є температура кипіння за нормального атмосферного тиску. Проте на цей процес також можуть вплинути такі фактори, як інтенсивність звукових хвиль, іонізація повітря.

Стадії кипіння води

Обов'язково починає утворюватися пара під час такої процедури, як нагрівання. Кипіння передбачає проходження рідини через 4 стадії:

1. На дні судини, а також на стінках починають утворюватися невеликі бульбашки. Це результат того, що в тріщинах матеріалу, з якого виготовлена ​​ємність, міститься повітря, яке розширюється під впливом високої температури.
2. Пухирці починають збільшуватися в обсязі, внаслідок чого вони вириваються на поверхню води. Якщо верхній шар рідини ще досяг температури кипіння, порожнини опускаються на дно, після чого знову починають прагнути вгору. Цей процес призводить до утворення звукових хвиль. Саме тому, під час кипіння води ми можемо почути шум.
3. На поверхню випливає найбільша кількість бульбашок, що створює враження. Після цього рідина блідне. Враховуючи візуальний ефект, цю стадію кипіння називають "білим ключем".
4. Спостерігається інтенсивне вирування, яке супроводжується утворенням великих бульбашок, що швидко лопаються. Цей процес супроводжується появою бризок, а також інтенсивним утворенням пари.

Питома теплота пароутворення

Майже щодня ми стикаємося з таким явищем, як кипіння. Питома теплота пароутворення є фізичною величиною, яка визначає кількість теплоти. З її допомогою рідка речовина може бути звернена до пари. Щоб розрахувати даний параметр, потрібно розділити показник теплоти випаровування на масу.

Як відбувається вимір

Показник питомої вимірюється у лабораторних умовах шляхом проведення відповідних експериментів. Вони включають такі дії:

• відміряється необхідну кількість рідини, яка потім переливається в калориметр;
• проводиться первісне вимірювання температури води;
• на пальник встановлюється колба із заздалегідь поміщеною до неї досліджуваною речовиною;
• пара, що виділяється досліджуваним речовиною, запускається калориметр;
• проводиться повторне вимірювання температури води;
• калориметр піддається зважуванню, що дозволяє обчислити масу сконденсованої пари.

Пухирцевий режим кипіння

Розбираючись із запитанням про те, що таке кипіння, варто зазначити, що воно має кілька режимів. Так, при нагріванні пара може утворюватися у вигляді пухирів. Вони періодично ростуть та лопаються. Такий режим кипіння називається пухирцевим. Зазвичай порожнини, наповнені парою, утворюються саме біля стінок судини. Це з тим, що вони, зазвичай, перегріті. Це необхідна умова для кипіння, адже інакше бульбашки будуть плескатися, не досягаючи великих розмірів.

Плівковий режим кипіння

Що таке кипіння? Найпростіше пояснити цей процес як пароутворення за певної температури і постійного тиску. Крім бульбашкового режиму, виділяють також плівковий. Його сутність полягає в тому, що при посиленні теплового потоку окремі бульбашки поєднуються, утворюючи паровий шар на стінках судини. При досягненні критичного показника вони прориваються поверхню води. Даний режим кипіння відрізняється тим, що рівень теплопередачі від стінок судини до самої рідини значно знижується. Причиною цього стає та сама парова плівка.

Температура кипіння

Варто відзначити, що існує залежність температури кипіння від тиску, який виявляється на поверхню рідини, що нагрівається. Так, прийнято вважати, що вода кипить при нагріванні до 100 градусів за Цельсієм. Проте цей показник вважатимуться справедливим лише тому випадку, якщо показник атмосферного тиску вважатиметься нормальним (101 кПа). Якщо воно буде збільшуватися, температура кипіння також зміниться у бік підвищення. Так, наприклад, у популярних каструлях-скороварках тиск дорівнює приблизно 200 кПа. Таким чином температура кипіння підвищується на 20 пунктів (до 20 градусів).

Прикладом низького атмосферного тиску вважатимуться гірські райони. Так, з огляду на те, що там воно досить невелике, вода починає закипати при температурі близько 90 градусів. Мешканцям таких районів доводиться витрачати набагато більше часу на приготування їжі. Так, наприклад, щоб зварити яйце, доведеться нагріти воду не менше ніж на 100 градусів, інакше білок не згорнеться.

Кипіння речовини залежить від показника тиску насиченої пари. Вплив його на температуру обернено пропорційно. Наприклад, ртуть закипає під час нагрівання до 357 градусів Цельсія. Це можна пояснити тим, що тиск насиченої пари дорівнює всього лише 114 Па (для води цей показник становить 101 325 Па).

Кипіння у різних умовах

Залежно від умов та стану рідини, температура кипіння може суттєво відрізнятися. Наприклад, варто додати в рідину сіль. Іони хлору та натрію розміщуються між молекулами води. Таким чином, на закипання потрібно значно більше енергії, а відповідно - часу. Крім того, така вода утворює набагато менше пари.

Чайник використовується для кип'ятіння води у побутових умовах. Якщо використовується чиста рідина, температура цього процесу становить стандартні 100 градусів. За аналогічних умов закипає дистильована вода. Тим не менш, буде витрачено трохи менше часу, якщо врахувати відсутність сторонніх домішок.

Чим відрізняється кипіння від випаровування

Щоразу, коли відбувається кипіння води, пара виділяється в атмосферу. Але ці два процеси не можна ототожнювати. Вони є лише способами пароутворення, що відбувається за певних умов. Так, кипіння – це першого роду. Цей процес є більш інтенсивним, ніж обумовлено утворенням парових вогнищ. Також варто зазначити, що процес випаровування відбувається виключно на поверхні води. Кипіння стосується всього обсягу рідини.

Від чого залежить випаровування

Випаровування є процес перетворення рідкої або твердої речовини в газоподібний стан. Відбувається "вилітання" атомів і молекул, зв'язок яких з іншими частинками виявляється ослабленим під впливом певних умов. Швидкість випаровування може змінюватися під впливом наступних факторів:

• площа поверхні рідини;
• температура самої речовини, а також навколишнього середовища;
• швидкість руху молекул;
• вид речовини.

Енергія кипіння води широко використовується людиною у побуті. Цей процес став настільки звичайним і звичним, що ніхто не замислюється про його природу та особливості. Проте з кипінням пов'язана низка цікавих фактів:

• Напевно, всі помічали, що в кришці чайника є отвір, але мало хто думає про його призначення. Воно робиться з тією метою, щоб частково випускати пару. В іншому випадку вода може розплескатися через носик.
• Тривалість варіння картоплі, яєць та інших продуктів не залежить від того, наскільки потужним є нагрівач. Має значення лише той факт, як довго вони перебували під впливом окропу.
• Такий показник, як температура кипіння, ніяк не впливає потужність нагрівального приладу. Вона може позначитися лише на швидкості випаровування рідини.
• Кипіння пов'язане не лише із нагріванням води. За допомогою цього процесу можна змусити рідину замерзнути. Так, у процесі кипіння потрібно робити безперервне відкачування повітря з судини.
• Одна з найактуальніших проблем для господарок полягає в тому, що молоко може "утекти". Так, ризик цього явища значно підвищується під час погіршення погоди, що супроводжується падінням атмосферного тиску.
• Найгарячіший окріп виходить у глибоких підземних шахтах.
• Шляхом експериментальних досліджень вченим вдалося встановити, що на Марсі вода закипає за температури 45 градусів Цельсія.

Чи може вода кипіти за кімнатної температури?

Шляхом нескладних підрахунків вченим вдалося встановити, що вода може закипіти при рівні стратосфери. Аналогічні умови можна відтворити вакуумним насосом. Тим не менш, подібний досвід можна провести і в більш простих, приземлених умовах.

У літровій колбі потрібно закип'ятити 200 мл води, а коли ємність заповниться парою, її потрібно щільно закрити, зняти з вогню. Помістивши її над кристалізатором, слід дочекатися закінчення процесу кипіння. Далі колбу обливають холодною водою. Після цього в ємності знову розпочнеться інтенсивне кипіння. Це з тим, що під впливом низької температури пар, що у верхній частині колби, опускається.

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 з 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. Дійсно, 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 - пристосування для затримання крапельок води, що рухаються разом із парою

Користуючись законом збереження енергії, можна скласти для цього рівняння рівня 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 відіграє виключно 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 склянку, що містить 200 г води при , впустити 3 г пари при ? Теплоємність склянки знехтувати.