Кипіння. Питома теплота пароутворення

2-й семестр

ТЕПЛОВІ ЯВИЩА

4. Кількість теплоти. Теплові машини

Урок 17/59

Тема. Кипіння. Питома теплота пароутворення

Мета уроку: ознайомити учнів з явищем кипіння; навчити пояснювати процес кипіння на підставі молекулярно-кінетичної теорії.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

План уроку

ВИВЧЕННЯ

1. Кипіння як різновид пароутворення

Будемо нагрівати воду у відкритій посудині, періодично вимірюючи її температуру. Через певний час ми помітимо появу у воді численних бульбашок. Бульбашки виникають завдяки тому, що у воді міститься розчинене у ній повітря. У ці бульбашки випаровується рідина. Зі збільшенням температури усередині бульбашок пари більшатиме, а отже, її тиск збільшиться. Бульбашки стають крупнішими й під дією виштовхувальної сили піднімаються до поверхні води.

Коли вся вода прогріється до температури 100 °С, бульбашки, що піднялися догори, лопаються, викидаючи пару назовні. Ми говоримо, що вода закипіла.

Кипінням називають процес бурхливого пароутворення, що йде по всьому об’єму рідини.

Розуміння особливостей кипіння буде більше повним при порівнянні його з випаровуванням. Учні повинні чітко представляти, що спільного між кипінням і випаровуванням й у чому полягає істотне розходження між ними. Кипіння, як і випаровування,- це пароутворення. Випаровування відбувається з поверхні рідини за будь-якої температури й будь-якого зовнішнього тиску, а кипіння – це пароутворення по всьому об’єму рідини за певної для кожної речовини температури, що залежить від зовнішнього тиску.

Досліди показують, що під час кипіння температура рідини й пара над її поверхнею однакова й залишається постійною до повного википання рідини.

2. Температура кипіння

Якщо атмосферний тиск не міняється, то поза залежністю від способу й швидкості нагрівання кожна рідина завжди кипить за строго певної температури. Тому температура кипіння – одна з характеристик речовини.

Температуру, за якої рідина кипить, називають температурою кипіння.

Кожна речовина має свою температуру кипіння. Деякі речовини, які за звичайних умов є газами, при достатньому охолодженні перетворюються на рідину, що кипить при дуже низькій температурі. Рідкий кисень, наприклад, при атмосферному тиску кипить при температурі -183 °С. Речовини, які за звичайних умов перебувають у твердому стані, перетворюються при плавленні на рідину, що кипить за дуже високої температури. Наприклад, свинець кипить при 1740 °С, а залізо – при 2750 °С.

Зовнішній тиск перешкоджає росту бульбашок пари усередині рідини, тому при підвищеному тиску рідина кипить за більш високої температури, а при зменшенні цього тиску температура кипіння знижується.

Справа в тому, що бульбашки починають рости тільки тоді, коли тиск усередині бульбашки стає набагато більшим, ніж зовнішній тиск. Тобто, чим більший зовнішній тиск, тим за більш високої температури кипить рідина.

Наприклад, у каструлях-скороварках їжу варять під тиском близько 2-105 Па. Температура кипіння води при цьому досягає 120 °С. Процес “варення” їжі у воді такої температури відбувається значно швидше, ніж у звичайному окропі.

Відкачуючи повітря з-під дзвона повітряного насоса, тобто зменшуючи тиск, можна “змусити” воду закипіти навіть за кімнатної температури. А оскільки внаслідок інтенсивного пароутворення вода охолоджується, вона, продовжуючи кипіти, може навіть почати замерзати.

Цим пояснюється той факт, що в горах вода кипить за набагато нижчої температури, ніж за нормальних умов. У високогірних місцевостях, наприклад на висоті 5-6 км (вершина Ельбрусу) атмосферний тиск становить приблизно 4,7-105 Па, тобто половину нормального атмосферного тиску. Вода кипить там при температурі 80 °С. Зварити м’ясо за цих умов неможливо.

3. Питома теплота пароутворення

Щоб температура рідини в процесі випаровування не зменшувалася, необхідно в процесі випаровування увесь час підводити до рідини тепло. На що ж витрачається енергія, що підводиться, якщо температура (а отже, і середня кінетична енергія молекул) не змінюється?

Вона витрачається в основному на розрив зв’язків між молекулами при перетворенні рідини на пару. Оскільки для “відривання” молекул одна від одної необхідно виконати роботу, потенціальна енергія взаємодії молекул збільшується.

Причому різні рідини однієї й тієї ж маси потребують різної кількості теплоти для перетворення їх у пару за температури кипіння. Для характеристики енергетичних витрат на випаровування рідин уводиться поняття питомої теплоти пароутворення.

Питомою теплотою пароутворення називають фізичну величину, що чисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати 1 кг рідини, щоб повністю перетворити її на пару за постійної температури.

Питома теплота пароутворення позначається буквою L й вимірюється в Дж/кг.

У таблиці зазначено, що питома теплота пароутворення, наприклад, у води 2,3 МДж/кг. Це означає, що для обернення на пару 1 кг води, узятої при постійній температурі, необхідно затратити 2,3 МДж теплоти.

Щоб знайти кількість теплоти, необхідну для перетворення на пару будь-якої маси рідини т, узятої за температури кипіння, можна скористатися формулою:

Кількість теплоти, що виділяється при конденсації пари аналогічної маси, визначається за цією ж формулою.

4. Рівняння теплового балансу для випаровування й конденсації

Якщо рідину спочатку потрібно нагріти до температури кипіння, а потім перетворити на пару, то загальна кількість теплоти дорівнює:

Якщо для того, щоб рідину нагріти до температури кипіння, а потім перетворити на пару, необхідно спалити деяку масу палива (mп), то рівняння теплового балансу має вигляд:

Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу

Які явища спостерігаються в рідині, перш ніж рідина починає кипіти?

Які сили діють на бульбашку повітря, наповнену парою, коли вона перебуває усередині рідини?

Чому в таблицях температура кипіння речовин зазначена за нормального атмосферного тиску?

На що витрачається енергія, що підводиться до рідини при кипінні?

Чи стає рідина “гарячішою” у процесі кипіння?

Що таке питома теплота пароутворення? Який її фізичний зміст?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Навчаємося розв’язувати задачі

1. Скільки гасу потрібно спалити, щоб випарувати 1 л води, що має температуру 20 °С?

2. У калориметрі знаходиться вода масою mв = 1 кг за температури tB = 20 °С. Скільки пари, що має температуру tп =100 °С, потрібно впустити в калориметр, щоб температура в ньому підвищилася до t = 40 °С?

Розв’язок. Відповідно до рівняння теплового балансу Qb = Qп, де Qb = cвmв(t – tв), a Qп = Lmп + cвmп(tп – t) – віддана парою кількість теплоти. В останній формулі враховано, що вода, яка утворилася в результаті конденсації пари, буде віддавати тепло при остиганні. Звідси

Перевіряємо одиниці величин:

Обчислюємо масу пари:

Відповідь: 33 г.

3. Яка кількість теплоти виділиться при конденсації 50 г водяної пари, що має температуру 100 °С, й охолодженні води, що утворилася, до температури 60 °С?

4. У посудині знаходиться вода, узята за температури 0 °С. Відкачуючи повітря з посудини, воду заморозили за допомогою власного випаровування. Яка частина води випарувалася? Питома теплота пароутворення води при 0 °С дорівнює 2,5 – 106 Дж/кг.

2). Поміркуй і відповідай

1. Як спричинити кипіння води, не нагріваючи її?

2. Питома теплота пароутворення води значно більша, ніж ефіру. Чому ж ефір, налитий на руку, викликає набагато сильніше відчуття холоду?

3. Посудину з водою виносять із орбітальної станції у відкритий космос. Що відбуватиметься з водою, якщо посудину відкрити?

4. Пароутворення при кипінні відбувається за постійної температури, а пароутворення при випаровуванні – зі зниженням температури. Чим обумовлена така різниця?

Розв’язок. У першому випадку пароутворення відбувається за рахунок енергії нагрівача, у другому – за рахунок внутрішньої енергії рідини.

5. Кружка з водою плаває в каструлі, що стоїть на вогні. Чи закипить вода в чашці?

6. Чи можна скип’ятити воду, підігріваючи її парою при температурі 100 °С? Атмосферний тиск уважати нормальним.

Домашнє завдання-1

1. У-1: § 27 (п. 2, 3).

2. Сб-1:

Рів1 – № 30.4, 30.10, 30.13, 30.14, 30.16.

Рів2 – № 30.24, 30.25, 30.39, 30.41, 30.42.

Рів3 – № 30.51, 30.53, 30.60, 30.61, 30.62.

Домашнє завдання-2

1. У-2: § 47 (п.1 – 4).

2. Сб-2:

Рів1 – № 33.6, 33.7, 33.8, 33.9, 33.10.

Рів2 – № 33.21, 33.22, 33.26, 33.29, 33.30.

Рів3 – № 33.36, 33.37, 33.43, 33.46, 33.47.