§ 13. Кипіння. Розрахунок кількості теплоти при пароутворенні та конденсації

Який механізм конвекції?

Які умови плавання тіл?

Розглянемо процес переходу рідини в пару при кипінні. Наллємо в колбу воду, закріпимо и в штативі і почнемо нагрівати (рис. 31). Будемо спостерігати за зміною стану води в колбі.

Через деякий час у воді з являються бульбашки. Ці бульбашки містять повітря і насичену водяну пару, що утворюється при випаровуванні води всередину бульбашок. При підвищенні температури зростає тиск насиченої пари в бульбашках, і їхні розміри збільшуються. Під дією сили Архімеда бульбашки починають спливати.

Оскільки вода ще не прогрілася і температура верхніх шарів води менша, ніж нижніх, пара в бульбашках починає конденсуватися. їхній об'єм зменшується, бульбашки стискаються, і ми чуємо шум.

Коли вода прогріється по всьому об'єму, бульбашки з парою вже зможуть піднятися до поверхні. Досягнувши поверхні рідини, бульбашки лопаються, і пара виходить назовні. Рідина кипить. Це відбувається тоді, коли тиск насиченої пари в них дорівнює атмосферному.

Процес пароутворення, шо відбувається в усьому об'ємі рідини за певної температури, називають кипінням.

Температуру, за якої рідина кипить, називають температурою кипіння.

Температура кипіння рідини залежить від атмосферного тиску. При підвищенні атмосферного тиску вона збільшується, при зниженні — зменшується.

У таблиці 7 представлені значення температури кипіння деяких рідин за нормального атмосферного тиску.

Температура кипіння деяких рідин, °С (за нормального атмосферного тиску)

Таблиця 7

Як видно з даної таблиці, більш леткі рідини — ефір, спирт — киплять за більш низької температури, ніж, наприклад, вода. Це пов’язано з тим, що тиск насиченої пари цих рідин уже за кімнатної температури досить великий, остюки їхні молекули слабкіше пов’язані між собою силами притягання, ніж молекули інших речовин.

Тиск пари ртуті за кімнатної температури малий. Він стає рівним атмосферному лише за температури 357 °С.

Дослід показує, що як тільки рідина закипає, її температура перестає змінюватися і залишається постійною під час усього процесу кипіння, незважаючи на те, що ззовні продовжує надходити енергія.

З’ясуємо, на що витрачається енергія, що надходить до рідини. Поки рідина, що нагрівається, не кипить, пароутворення відбувається тільки з її поверхні. Частина енергії, яку отримує рідина, витрачається на компенсацію втрати рідиною енергії при випаровуванні, а частина — на збільшення внутрішньої енергії рідини, зокрема середньої кінетичної енергії молекул, про що свідчить підвищення її температури.

При досягненні температури кипіння пароутворення відбувається вже в усьому об’ємі рідини. Перехід рідини в газоподібний стан пов’язаний зі збільшенням відстаней між молекулами і, відповідно, з подоланням притягання між ними. На здійснення роботи з подолання сил притягання між молекулами і витрачається енергія, що підводиться до рідини. Так відбувається до тих пір, поки вся рідина не перетвориться в пару.

Ось чому температура кипіння залишається постійною до тих пір, поки вся рідина не перетвориться в пару.

Під час кипіння збільшується потенціальна енергія молекул, а їхня середня кінетична енергія залишається незмінною.

Для перетворення різних речовин з рідкого стану в газоподібний потрібна різна енергія. Ця енергія характеризується величиною, яка називається питомою теплотою пароутворення.

Питомою теплотою пароутворення називають фізичну величину, що дорівнює кількості теплоти, яку потрібно надати речовині кг для перетворення її з рідкого стану в газоподібний за температури кипіння.

Питома теплота пароутворення позначається літерою L, її одиницею є джоуль на кілограм

Питома теплота пароутворення показує, на скільки збільшується внутрішня енергія речовини з масою 1 кг при перетворенні їі з рідкого стану в газоподібний без зміни температури (за температури кипіння).

Значення питомої теплоти пароутворення визначаються експериментально. У таблиці 8 наведені значення питомої теплоти пароутворення деяких речовин.

Таблиця 8

Питома теплота пароутворення, Дж/кг (за нормального атмосферного тиску і температури кипіння)

Речовина		Речовина
Вода	2,3 IO6	Ефір	0,4 IO6
Аміак (рідкий)	1,410е	Ртуть	0,3 IO6
Спирт	0,9 IO6	Повітря (рідке)	0,2 IO6

Наприклад, питома теплота пароутворення ефіру 0,4 IO⁶ Дж/кг. Це означає, що для перетворення 1 кг ефіру з рідкого стану в газоподібний за температури кипіння необхідно затратити кількість теплоти 0,4 IO⁶ Дж, або внутрішня енергія 1 кг ефіру при Uepe^fPBopeHHi з рідкого етану в газоподібний за температури кипіння збільшується на 0,4 · IO⁶ Дж.

Якщо необхідно перетворити на пару за температури кииіння не 1 кг ефіру, а 5 кг, то потрібно затратити кількість теплоти в 5 разів більше, тобто 2 * IO⁶ Дж.

Таким чином, щоб знайти кількість теплоти Q, яку необхідно надати речовині з масою т, щоб перетворити її з рідкого етану в газоподібний, необхідно питому тепл агу пароутворення L помножити на масу речовини:

Q = Lm.

При конденсації пари виділяється певна кількість теплоти; причому її значення дорівнює значенню кількості теплоти, отриманої рідиною при пароутворенні за тої ж температури. Так, якщо для перетворення 1 кг спирту з рідкого стану в газоподібний за температури кипіння 78 °С необхідно затратити кількість теплоти 0,9 IO⁶ Дж, то при конденсації 1 кг пари спирту за цієї ж температури виділиться кількість теплоти 0,9 · IO⁶ Дж — на таке ж значення зменшиться внутрішня енергія спирту.

Процеси пароутворення та конденсації можна зобразити графічно. Вздовж вертикальної осі відкладемо значення температури речовини,

а вздовж горизонтальної — час нагрівання або охолодження. На рис. 32 зображено графік залежності температури води та пари при нагріванні (за нормального атмосферного тиску).

В початковий момент є вода за температури 0 ^uC (точка А). В процесі нагрівання температура води зростає (ділянка АВ) до тих пір поки вода не нагріється до температури кииіння.

При досягненні температури 100 °С вода почне кипіти (точка В). Процес кипіння води буде відбуватися за сталої температури (ділянка ВС). Енергія, яка надходить від нагрівника, йде на збільшення потенціальної енергії молекул. Точка C відповідає стану, коли вся вода перетвориться на пару. Ділянка CD відповідає процесу нагрівання пари.

Приклад розв’язування задачі.

Яка кількість теплоти необхідна, щоб перетворити 5 л води, яка має температуру 80 °С, у пару при температурі 100 °С?

Розвязання.

Для того, щоб перетворити воду на пару необхідно спочатку її нагріти до температури кипіння. При температурі 100 °С вода почне кипіти і її температура не буде змінюватися поки вся вода не википить. Втратами енергії на нагрівання навколишнього повітря знехтуємо.

Кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання води:

Q₁ = cm{t₂ - t).

Кількість теплоти, яка необхідна для пароутворення:

Q₂ = Lm.

Тоді загальна кількість теплоти:

Q-Qi ⁺ Q₂-

Враховуючи, що т = pV, отримаємо:

Q = cm{t₂ - t_v) + Lm - m(c(t₂ - I₁) + L) = pV(c(t₂ - I₁) + L).

Перевіримо одиниці шуканої величини:

Запитання для самоперевірки

1. Який процес називають кипінням?

Q. Поясніть, як відбувається кипіння рідини.

3.    Чому за температури, яка нижча від температури кипіння, бульбашки пари, піднімаючись угору, зменшуються в об’ємі?

4.    Від чого залежить температура кипіння?

5.    Чому під час кипіння температура речовини не змінюється?

6.    Що називають питомою теплотою пароутворення?

7.    Питома теплота пароутворення води 2,3-10⁶ Дж/кг. Що це означає?

Завдання 13

1. Водяна пара за температури 100 ⁰C сконденсувалася у воду з тією ж температурою. Як змінився при цьому об’єм, маса, густина і внутрішня енергія речовини?

Q. Чому ви відчуваєте холод, коли виходите з річки після купання?

3.    Після змочування руки спиртом відчуття холоду сильніші, ніж після змочування водою. Чому?

4.    Яку максимальну температуру можна виміряти спиртовим термометром?

5* Дві рідини (І і II), маси яких рівні, нагрівають

в однакових посудинах на однакових пальниках. За графіками залежності температури від часу (рис. 33) порівняйте значення питомої теплоємності, температури кипіння і питомої теплоти пароутворення цих рідин.

6.    Зобразіть графічно значення температури кипіння ефіру, спирту, води і ртуті у вигляді стовпчастої діаграми.

7.    Яка кількість теплоти виділяється при конденсації 0,1 кг ефіру, взятої за температури кипіння, і при подальшому його охолодженні до температури 15 °С?

8.    Скільки спирту, доведеного до кипіння, можна випарувати, затративши 3600 кДж теплоти?

9* Каструлю, в якій міститься вода за температури 20 °С поставили на електроплитку. Вода закипіла через 5 хвилин. Чи википить вся вода через 10 хвилин після початку кипіння?

Робота з комп’ютером

Вивчіть матеріал уроку і виконайте запропоноване в електронному додатку завдання.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Пістун