§ 12. Пароутворення і конденсація.

Розрахунок кількості теплоти при пароутворенні (конденсації)

Перехід речовини з рідкого у газоподібний стан називається пароутворюванням. Цей перехід відбувається при випаровуванні або кипінні рідини.

При випаровуванні молекули покидають поверхню тіла (мал. 72.1). Тіла випаровуються при будь-якій температурі, а не лише під час кипіння. При вищій температурі випаровування відбувається інтенсивніше.Тверді тіла також випаровуються. Якщо мокру білизну вивісити на морозі, то вона спочатку замерзне, а потім висохне, це означає, що лід випарувався. Твердий нафталін має різкий і неприємний (особливо для молі) запах, що також є ознакою його випаровування.

Поява запаху означає, що в повітрі з'явилися молекули даної речовини в газоподібному стані. Дикі звірі нюхом відчувають запах стального капкана, тобто сталь також випаровується. Такі речовини як фосфор або йод не плавляться, а відразу випаровуються. Явище переходу твердої речовини відразу в газоподібний стан називають сублімацією.

У рідкому і в твердому станах молекули взаємодіють між собою. Щоб випаруватися, тобто покинути поверхню тіла, молекула повинна перебороти цю

взаємодію.

Такий «подвиг» можуть здійснити лише ті молекули, кінетична енергія яких значно більша від середньої. При цьому температура тіла зменшується і це використовують в деяких холодильних установках. Пригадаємо також, що біля водойм у спеку завжди прохолодніше.

Молекули, які вже випарувалися і знаходяться над поверхнею рідини, утворюють пару цієї речовини (мал. 72.2). Зіткнувшись із молекулою повітря, молекула що випарувалася, може втратити свою енергію і повернутися назад у рідину, цей процес називають конденсацією.

Коли людині спекотно, піт виступає з пор на поверхні шкіри, випаровується і охолоджує тіло, запобігаючи перегріву. Космічні кораблі, повертаючись із кос-

мосу, на великій швидкості входять в атмосферу. При цьому вони так нагріваються від тертя об повітря, що могли б згоріти, як це відбувається з метеорами. Але поверхня корабля покрита спеціальною керамікою, яка випаровується, рятуючи корпус від згоряння.

Кількість молекул, які випаровуються з поверхні тіла, залежить від площі поверхні й сил взаємодії молекул. З одиниці поверхні при даній температурі й вологості випаровується одна й та сама кількість молекул. Різні речовини випаровуються по-різному: ртуть випаровується значно повільніше, ніж вода, а ефір (використовується при наркозі) - значно інтенсивніше, ніж вода.

Кількість теплоти, яку треба передати 1 кг рідини, щоб повністю перевести її в газоподібний стан, називають питомою теплотою пароутворення і позначають літерою г.

Вимірюється питома теплота випаровування в Дж/кг (табл. 12.1). Наприклад, питома теплота випаровування води при 100°С і нормальному атмосферному тиску дорівнює 2 260 000 Дж/кг. Стільки енергії потрібно затратити, щоб відірвати одну від одної всі молекули, які знаходяться в кілограмі води, і збільшити відстань між ними настільки, щоб вони вже практично не притягувалися. Зверніть увагу, що це майже в сім разів більше, ніж потрібно для зруйнування кристалічної ґратки одного кілограма льоду. Щоб випарувати деяку масу речовини m треба передати рідині кількість теплоти в m разів більшу ніж/*:

Таблиця 12.1

Питома теплота пароутворення-конденсації (/*) деяких рідин.

Речовина		Речовина
Алюміній		Г елій
Залізо		Кисень
Мідь		Азот
Олово		Спирт
Свинець		Вода (O0C)
Ртуть		Вода(20°С)
Водень		Вода (IOO0C)

Примітка: питома теплота пароутворення рідин, біля яких в таблиці не вказана температура, задана для температури кипіння цих рідин за нормального атмосферного тиску.

Молекула, яка вилетіла з рідини і літає поблизу її поверхні, може захопитися молекулами поверхні рідини (все залежить від напряму її швидкості, яка постійно змінюється при зіткненнях з іншими молекулами). Такий процес називають конденсацією. При цьому молекула повертає рідині забрану під час випаровування енергію, і температура рідини зростає. Питома теплота конденсації дорівнює питомій теплоті пароутворення. Формула для розрахунку теплоти конденсації має вигляд:

Q=- rm. і    (12.2)

Знак мінус означає, що при конденсації теплота не поглинається, а виділяється.

Насичена і ненасичена пара

Якщо число молекул, які покидають поверхню рідини (випаровуються) більше, за число молекул, що повертаються в рідину (конденсуються), то такий процес приведе до того, що уся рідина випарується. Пару, яка існує без рідини, називають ненасиченою. Така пара має усі властивості газу.

Якщо число молекул, які покидають поверхню рідини дорівнює кількості молекул, які конденсуються, то наступає динамічна рівновага і кількість рідини не змінюється. Пару, яка існує в рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою. Насичена пара, наприклад, не противиться стиску, а конденсується.

ПРИКЛАД 12.1

банка, наповнена водою, через деякий час виявиться сухою - вода випарується. Якщо банку з водою герметично закрити кришкою, то кількість води не змінюється з часом.

ДОСЛІД 12.1

В циліндрі з поршнем знаходиться вода і деяка кількість насиченої пари. Якщо стискати пару, то можна помітити, що до поршня майже не потрібно прикладати силу. В міру стискання води стає все більше, аж поки уся пара не сконденсується і поршень упреться у воду. Цей дослід можна провести за допомогою медичного шприца, в якому вихідний отвір герметично закритий.

Кипіння

Під час кипіння рідина випаровується не тільки з поверхні, а й з об'єму (мал. 12.3). При цьому пара збирається у бульбашки всередині рідини, які, збільшуючись, піднімаються на поверхню і лопаються. Кипіння відбувається при певній постійній температурі, яку називають температурою кипіння (табл.

12.2).

Кипіння починається при такій температурі (температурі кипіння), коли зовнішній тиск дорівнює тиску пари всередині бульбашок.

Температура кипіння залежить від тиску на поверхню рідини: чим більший тиск, тим вища температура кипіння і навпаки. При нормальному тиску вода кипить при 100°С, при низькому - за нижчих, а при вищому - за вищих температур (тобл. 12.3). Наприклад, при тиску 4,6 мм рт. ст. вода кипить при 0°С, при 17,5 мм рт. ст. - при 20°С, при 80 атм - при 300°С.

Таблиця 12.2

Температура кипіння деяких рідин (при нормальному атмосферному тиску)

Речовина		Речовина
Алюміній		Водень
Залізо		Г елій
Мідь		Кисень
Олово		Азот
Свинець		Спирт
Ртуть		Вода
Вольфрам		Вода, насичена сіллю

ЦІКАВО ЗНАТИ

• При обертанні гребного гвинта корабля або гідротурбін виникають області низького тиску, і вода там закипає (це явище називають кавітацією).

Таблиця 12.3

Температура кипіння води при різних тисках

Тиск (атм)		Висота юри
1		Говерла(2060 м)
2		Монблан (4810 м)
5		Ельбрус (5642 м)
15		Еверест(8882 м)

ДОСЛІД Ί2.1

Намочіть поверхню руки рідиною, яка легко випаровується (спирт, одеколон, парфуми). Ви відчуєте холод. Якщо на змочене місце подути, відчуття холоду посилиться. Поясніть ці явища.

ДОСЛІД 12.2

Обмотайте кульку термометра вологою марлею і стежте за його показами. Подмухайте на марлю. Що при цьому змінилося?

ДОСЛІД 12.3

Однакову масу гарячої і холодної води помістіть у морозильну камеру холодильника. Яка вода раніше замерзне? Поясніть це явище.

ПРИКЛАД 12.1

У посудину, яка містить 1,5 кг води при температурі 15°С, впускають 200 г водяної пари при температурі 100°С. Якою буде кінцева температура, що встановиться в посудині?

Розв'язання.При теплообміні з холодною водою пара почне конденсуватися (оскільки охолоджуватися нижче за 100°С вона не може). При цьому вона віддає холодній воді кількість теплоти, що дорівнює Q₁=- т ,/*, де т, = 0,2 кг - маса пари, а г = 2 260 000 Дж/кг - її питома теплота конденсації. Вода, що утворилася з пари, буде мати температуру IOO⁰C і при подальшому охолодженні віддасть холодній воді кількість теплоти Q₂ = cm_x{t° - Z₁), де с - питома теплоємність води, /, = IOO⁰C - температура води, що утворилася з пари, а /° - кінцева температура, яка встановилася в посудині. Холодна вода нагріється від температури I₂ = 15°С до температури Λ отримавши кількість теплоти Q₁ - ст₂(Ґ - /,), де (₂ = 15°С. Припустимо, що теплообмін відбувається тільки між парою і водою. Тоді рівняння теплового балансу:

Розв'язавши це рівняння, знаходимо кінцеву температуру води t .

Зауваження Ί. При реальному теплообміні мають місце втрати теплоти, і кінцева температура в посудині буде меншою від розрахованої.

Зауваження 2. Для наочності можна зобразити на графіку залежності температури пари і води від часу (мал. 12.4).

Молекулярна картина процесів зміни агрегатного стану ПРИКЛАД 12.2

Розглянемо, що відбувається з водою, яка має температуру 0°С, якщо її помістити в теплоізольовану герметичну посудину і відкачати повітря, яке знаходиться над поверхнею води, до такого низького тиску, щоб вода закипіла.

1.    Чому закипає вода. У воді завжди є маленькі бульбашки повітря. Проте пара, яка в них міститься, не може перебороти зовнішнього тиску, що створюється атмосферою і рідиною над нею. Бульбашки себе ніяк не проявляють. Але якщо тиск на бульбашки стане меншим від тиску пари всередині бульбашок, то останні почнуть збільшуватися, підніматися вгору і лопатися, тобто розпочнеться кипіння.

2.    Оскільки посудина теплоізольована, то молекули, які вилітають під час випаровування, можуть отримати необхідну для цього енергію тільки від решти молекул рідини. Але при нулі градусів охолоджуватися вода далі не може і починається процес кристалізації, вивільняючи при цьому енергію. Молекули води зменшують свою потенціальну енергію і займають місця у вузлах кристалічної ґратки льоду.

3.    Отже, частина молекул початкової кількості рідини випарується, а решта - утворить лід. Задамо собі ще одне запитання: чого буде більше - льоду чи пари? Щоб 1 кг води випарувати при 0 °С (тобто роз'єднати воду на окремі майже не взаємодіючі молекули), треба 2 500 000 Дж енергії. З іншого боку, щоб перетворити на лід 1 кг льодяної води при 0°С, треба забрати від неї 330 000 Дж енергії, що значно менше. Таким чином, щоб випарувати 1 кг води, доведеться заморозити значно більше води ніж 1 кг. Числове співвідношення між масами в такому процесі ви знайдете, розв'язавши задачу № 24 з вправи 12.

Наголосимо на тому, що перетворення рідини на пару потребує значно більших затрат енергії, ніж перехід із твердого стану в рідкий. Це означає, що газоподібний стан відрізняється від рідкого значно більше, ніж рідкий від твердого.

ТВОРЧЕ ЗАВДАННЯ

12.1. Яким чином льодовик в горах і озеро в низині (мал. 72.7) спричинили появу туману? Чому туман виник в певній обмеженій частині простору? Напишіть звіт про своє дослідження.

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

Випаровування відбувається з поверхні як рідких, так і твердих тіл при будь-якій температурі. Обернений процес називають конденсацією.

Кількість теплоти, яку треба передати 1 кг рідини при температурі кипіння, щоб перетворити її на пару, називають питомою теплотою випаровування.

Формули для розрахунку кількості теплоти при випаровуванні: Q = г т, конденсації Q=- г т.

При кипінні випаровування відбувається не тільки з поверхні рідини, я й всередині об'єму. Кипіння починається при такій температурі, коли тиск пари в бульбашках зрівнюється із зовнішнім тиском.

ВПРАВА №12

1.    Чому огірок завжди на 1-2°С прохолодніший, ніж навколишнє повітря?

2.    Чому випаровування відбувається з певною швидкістю, тобто чому молекули не можуть випаровуватися всі одночасно?

3.    Чим відрізняється випаровування від кипіння?

4.    Чи закипить вода в посудині, яка плаває в іншій посудині з киплячою водою, котра стоїть на плиті?

5.    Чи може вода закипіти без нагрівання?

6.    Термостійку колбу до половини наповнили водою, довели до кипіння і деякий час кип'ятили. Потім зняли з нагрівника і, коли кипіння припинилося, герметично закрили. Коли колбу облили холодною водою, вода в ній знову закипіла. Поясніть це явище.

7.    Жителі пустель традиційно зберігають воду у флягах із цупкої тканини, яка трохи пропускає воду, по причині чого її поверхня постійно волога. Чому вони так вчиняють?

8.    Що має більшу внутрішню енергію: 1 кг води при температурі 100°С чи 1 кг водяної пари при 100°С?

9.    Чому вода закипає швидше, якщо каструлю накрити кришкою?

10.    Чому воду у відкритій посудині при нормальному атмосферному тиску неможливо нагріти вище ніж до температури 100°С, навіть збільшуючи притік тепла?

11.    У каструлі-скороварці кришка закривається герметично. Чому в такій каструлі страви готуються дуже швидко?

12.    Чому чай вистигає швидше, коли на нього дмухають?

13.    Чому припиняється випаровування одеколону, якщо закрити кришку флакона?

14.    Чому у вітряну погоду калюжі висихають швидше?

15.    Чи можна «піднімати» воду вгору без насоса?

16.    Чому після прийняття душу - холодно, а якщо насухо витертися рушником, то тепло?

17.    Чому деталь, яку обробляють на токарному чи фрезерному верстаті, ефективніше охолоджується окропом, а не холодною водою?

18.    Для нагрівання води від 10 до 100°С на електроплитці знадобилося 18 хв., а для перетворення 0,2 її маси на пару - 23 хв. Яка питома теплота пароутворення (в кДж/кг) отримана в цьому досліді?

19.    У калориметр, що містить 2,8 кг води при температурі 20°С, помістили стальний брусок масою 3 кг, нагрітий до 460°С. Вода нагрілася до 60°С. Брусок повністю занурений у воду, а) Знайдіть масу води, яка перетворилася на пару, б) Яка кінцева температура бруска?

20.    Побудуйте графік залежності температури кипіння води від тиску, використовуючи таблицю 12.3.

21.    Чому температура кипіння зменшується зі зменшенням тиску на вільну поверхню води?

22.    Чому, якщо легенько подихати на долоню, то з'являється відчуття тепла, а якщо сильно подути - то прохолоду?

23.    Яку енергію в середньому необхідно надати кожній молекулі, що міститься у 18 г води при кімнатній температурі, щоб роз'єднати воду на окремі практично не взаємодіючі молекули?

24.    У герметичному калориметрі містилася вода при температурі 0°С. Викачуючи повітря з калориметра до дуже низького тиску, частину води заморозили. Яка частина води (у %) замерзла, якщо притоку теплоти ззовні не було?

25.    У герметичній теплоізольованій посудині містилося 20 г води при температурі 0°С. З посудини викачали повітря. Скільки льоду (в грамах) утворилося?

26.    У посудині прямокутної форми за 1 год. рівень води знижується на 1 мм. За який час (за тих самих умов) випарується вода з посудини кулястої форми, в якій глибина води на початку досліду була 12 см?

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка