§ 13. Розрахунок кількості теплоти при пароутворенні та конденсації

Питома теплота пароутворення та конденсації

Розрахунок кількості теплоти при пароутворенні та конденсації

ПИТОМА ТЕПЛОТА ПАРОУТВОРЕННЯ ТА КОНДЕНСАЦІЇ. Ви вже знаєте, що процес пароутворення пов’язаний з підвищенням температури речовини й, відповідно, зі збільшенням її внутрішньої енергії. Тобто для перетворення рідини в пару потрібно речовині надати певну теплову енергію. Експериментально встановлено, що кількість теплоти, необхідна для перетворення рідини на пару, залежить від молекулярної будови речовини та характеризується питомою теплотою пароутворення.

Питомою теплотою пароутворення називають фізичну величину, що характеризує кількість теплоти, необхідну для перетворити рідини масою 1 кг без зміни їі температури в пару.

експериментально за допомогою калориметра. У табл. 13.1. на ведено значення питомої теплоти пароутворення для певних ре човин.

Питому теплоту пароутворення позначають літерою г. У CI питому теплоту пароутворення вимірюють у джоулях, поділених на

Таблиця13.'

Питома теплота пароутворення деяких речовин

Для визначення величини питомої теплоти пароутворення речовини за сталої температури та атмосферного тиску потрібно кількість теплоти Q, витрачену на випарування рідини масою т, розділити на масу рідини:

З даних табл. 13.1 бачимо, що, наприклад, для випаровування 1 кг спирту при температурі кипіння (78 °С) потрібно витратити 900 кДж енергії, а для випаровування 1 кг ртуті при температурі кипіння (357 °С) — 290 кДж. Отже, для випарування однакових мас рідин при температурі кипіння, необхідно витратити різну кількість теплоти. Питома теплота пароутворення речовини залежить також від температури та тиску.

За температури, яка дорівнює або менша від температури випаровування, пара конденсується. При цьому вивільнюється енергія, поглинута речовиною під час утворення пари. Досліди показують, що, конденсуючись, пара віддає стільки енергії, скільки вона отримала під час пароутворення. Тому питома теплота конденсації дорівнює питомій теплоті пароутворення (див. табл. 13.1).

РОЗРАХУНОК КІЛЬКОСТІ ТЕПЛОТИ ПРИ ПАРОУТВОРЕННІ ТА КОНДЕНСАЦІЇ. Питома теплота пароутворення характеризує кількість теплоти, необхідну для повного перетворення в пару певної речовини. Щоб випарувати 10 кг цієї речовини, потрібно надати ій теплову енергію в 10 разів більшу. Наприклад, для перетворення води масою 10 кг, взятої при температурі кипіння на пару потрібно витратити кількість теплоти Q: 2,3 МДж/кг - 10 кг = 23 МДж.

У загальному випадку кількість теплоти, яку необхідно витратити, щоб повністю перетворити в пару т кг речовини розрахо-BVTOTb за гїюпмчлою:

Якщо потрібно повністю перетворити в пару рідину, що має температуру ΐ нижчу, ніж температура кипіння, її спочатку необхідно нагріти до температури кипіння J_ltltn, надавши їй кількість теплоти Q₁ = cm(f_KHn-f), а потім додатково надати кількість теплоти, необхідну для пароутворення при температурі кипіння Q₂ = гтп .

Отже, кількість теплоти, необхідна для перетворення в пару рідини, взятої при температурі, нижчій за температуру кипіння, обчислюється за формулою:

Q = Q₁+Q₂ = cm(t_Kmi-t)+rm.

Під час конденсації та охолодження рідини до температури ґ речовина виділить таку саму кількість теплоти Q.

Тобто кількість теплоти, що виділяється під час конденсації пари певної маси, також визначається за формулою (13.2): Q = гт. Якщо речовина спочатку охолоджується, вона віддає кількість теплоти Q = cm At, де Af характеризує зміну температури. Нагадаємо, що Af обчислюють, віднімаючи від більшого значення температури менше.

Тобто під час охолодження та конденсації виділяється кількість теплоти, яку можна обчислити за формулою Q = cm At +гт.

Розв'язуючи задачі на процеси пароутворення та конденсації потрібно дотримуватися алгоритму складання рівняння теплового балансу, що справедливо для будь-яких теплових процесів. Тобто в лівій частині записують суму кількості теплоти, яку отримують тіла, що беруть участь у тепловому процесі, а в правій — суму кількості теплоти, яку віддають тіла. При цьому необхідно враховувати певні особливості перебігу саме цих процесів. Зокрема:

1.    Для випаровування рідини потрібно витратити певну кількість теплоти, тоді як під час конденсації виділяється деяка кількість теплоти.

2.    Конденсація відбувається за певних фізичних умов, що визначаються температурою та тиском і вказуються в умові задачі.

3.    На відміну від плавлення та кристалізації твердих тіл випаровування відбувається за будь-якої температури. Тому, розраховуючи кількість теплоти, необхідну для випаровування певної маси речовини, слід використати значення питомої теплоти пароутворення для заданої температури або взяти табличне значення для температури кипіння та врахувати, що для нагрівання рідини до цієї температури потрібно також витратити певну кількість теплоти: Q = Q₁ + Q₂⁼ ст (ⁱKaa - ί) + гт.

4.    ГІід час охолодження речовини та її конденсації виділиться кількість теплоти Q = rm + cmAt, де Δ£ характеризує зміну температури та обчислюється як різниця між більшим і меншим значеннями температури речовини.

ПРИКЛАДИ РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ЗАДАЧ НА ВИПАРОВУВАННЯ ТА КОНДЕНСАЦІЮ.

Задача 1. Яку кількість теплоти потрібно витратити, щоб 2 кг води, температура якої 20 °С, нагріти до температури кипіння та повністю випарувати за нормального атмосферного тиску?

Задача 2. Яка кількість теплоти виділиться при конденсації 100 г водяної пари за температури 100 °С та подальшого охолодження води. Порівняйте її з кількістю теплоти, що виділиться при кристалізації води такої самої маси, взятої за температури 0 °С.

Головне в цьому параграфі_

Фізичну величину, що показує яку кількість теплоти необхідно надати рідині масою 1 кг, аби перетворити її в пару без зміни температури, називають питомою теплотою пароутворення.

Питому теплоту пароутворення позначають літерою г. У Cl питому тепло-

Запитання для самоперевірки_

1.    Що називають питомою теплотою пароутворення?

2.    Від чого залежить питома теплота пароутворення?

3.    Від чого залежить кількість теплоти, потрібна для пароутворення?

4.    Як обчислити кількість теплоти, необхідну для перетворення рідини на пару?

5.    Чому пара речовини має більшу внутрішню енергію, ніж сама речовина в рідкому стані за однієї й тієї самої температури?

Вправа до § 13

1 (с). Яку енергію необхідно витратити, щоб 0,4 т скипидару, взятого при температурі кипіння, перетворити на пару? Питома теплота пароутворення скипидару 300 кДж/кг.

2(c). При конденсації парів ртуті виділилося 240 кДж теплоти. Визначте масу ртуті, якщо ртуть має температуру кипіння.

3(д). Визначте кількість теплоти, яка виділиться під час теплового процесу, в якому спочатку пари спирту масою 0,2 г, взяті при

температурі кипіння, конденсуються, а потім рідина охолоджується до 18 °С.

4(д). Визначте кількість теплоти, потрібну для перетворення в пару 50 кг ртуті, яка перебуває у сталевій ванні масою 0,8 т, якщо початкова температура ванни зі ртуттю 17 °С.

5(в). У внутрішній посудині калориметра, виготовленій з алюмінію, масою 100 г, міститься 200 г льоду за температури -10 °С. Визначте, яку масу водяної пари за температури 100 °С потрібно ввести до калориметра, щоб увесь лід розтанув.

ВИЯВЛЯЄМО ПРЕДМЕТНУ КОМПЕТЕНТНІСТЬ З ТЕМИ “ПАРОУТВОРЕННЯ І КОНДЕНСАЦІЯ”

1.    Укажіть процес переходу рідкої речовини в газуватий стан: А) випаровування; Б) сублімація; В) конденсація; Г) кристалізація.

2.    Порівняйте внутрішні енергії 1 кг води та водяної пари, взятих при 100 °С.

A)    більша у пари; Б) однакова;

B)    більша у води; Г) не залежить від агрегатного стану.

3.    Укажіть назву величини, яка дорівнює кількості теплоти, що необхідна для перетворення 1 кг рідини, взятої при температурі пароутворення, на пару:

A)    питома теплоємність речовини;

Б) теплоємність тіла;

B)    питома теплота плавлення речовини;

Г) питома теплота пароутворення речовини

4.    Укажіть, де температура кипіння води буде найвищою:

A)    на рівні моря; Б) у глибокій шахті;

B)    на високій горі; Г) однакова скрізь.

5.    Укажіть, в якої з речовин найбільша теплота пароутворення (рисунок).

А) І; Б) II; В) Ш; Г) у всіх однакова.

6.    Визначте кількість теплоти, що виділиться при конденсації 200 г водяної пари, яка перебуває за температури 100 °С, та охолодженні її до ЗО °С:

A)    5188 кДж; Б) 518,8 кДж;

B)    51,88 Дж; Г) 51,88 кДж.

7.    На рисунку показано графік залежності температури речовини від часу. Встановіть відповідність між агрегатним станом речовини та ділянкою графіка.

8.    Установіть відповідність між назвою процесу та змінами у будові речовини під час цього процесу.

1)    нагрівання    А руйнується кристалічна ґратка

2)    кристалізація Б утворюється кристалічна ґратка

3)    випаровування В збільшується середня швидкість

4)    охолодження    хаотичного руху молекул

Г зменшується середня швидкість хаотичного руху молекул Д поверхневий шар речовини покидають найшвидші молекули

9.    Розташуйте запропоновані теплові процеси у порядку зростання абсолютного значення їхньої теплової енергії (для сталої маси води, взятої за кімнатної температури):

A)    повного випаровування за температури кипіння;

Б) нагрівання до температури кипіння;

B)    охолодження на 10 °С;

Г) перетворення в лід.

Завдання відкритого типу

10.    Вода з початковою температурою 15 °С закипіла в чайнику через 15 хв. Визначте час, упродовж якого вода повністю википить.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Головко