§ 14. Питома теплота пароутворення (конденсації). Розрахунок кількості теплоти під час пароутворення (конденсації).

► 1. Питома теплота пароутворення.

Експериментально встановлено, що після початку кипіння рідини її температура перестає змінюватися і залишається сталою протягом усього часу кипіння, незважаючи на те, що теплоту ззовні рідина одержує. На що вона витрачається? Зрозуміло, що перехід рідини в пару супроводжується збільшенням відстаней між молекулами та подоланням міжмолекулярних сил. Саме на це і витрачається теплота, яка підводиться до рідини під час кипіння. Цей процес продовжується доти, доки вся рідина не перетвориться на пару (не википить). З цього випливає, що для перетворення рідини на пару у процесі кипіння необхідно підводити до неї певну кількість теплоти (енергію).

Кількість теплоти, яку необхідно надати речовині масою 1 кг для перетворення їі з рідкого стану у газоподібний при температурі кипіння, називається питомою теплотою пароутворення.

Питому теплоту пароутворення позначають літерою г.

Питома теплота пароутворення залежить від виду речовини та умов, за яких цей процес відбувається.

За всіх інших однакових умов, різним речовинам для пароутворення потрібна

різна кількість теплоти, оскільки різними є міжмолекулярні сили, які необхідно подолати молекулам при виході з поверхні рідини.

У таблиці 5 подано значення питомої теплоти пароутворення деяких речовин при їх температурах кипіння і нормальному атмосферному тиску. Значення питомої теплоти пароутворення є досить значними. Це відіграє виключно важливу роль в природі, оскільки процеси пароутворення відбуваються в природі у величезних масштабах.

► 2. Формула для обчислення питомої теплоти пароутворення. З таблиці 5 видно, що для випаровування 1 кг води (t

IC

= 100 °С) потрібно витратити 2257 кДж енергії. Відповідно, якщо необхідно випарити не 1 кг води, а 10 кг води, то ця величина збільшиться у 10 разів і дорівнюватиме 22570 кДж.

Таким чином, щоб обчислити кількість теплоти, яку необхідно надати ре-• «··· човині масою тдля перетворення п з

рідкого стану у газоподібний при температурі кипіння, треба питому теплоту

Температура кипіння і питома теплота пароутворення

Таблиця 5

Назва речовини
						Ефір
Спирт
Вода
Ртуть

пароутворення помножити на масу речовини:

Q = г · т.

З формули випливає, що одиницею питомої теплоти пароутворення є

► 3. Графіки процесів нагрівання і кипіння. У процесі кипіння температура речовини з часом не змінюється. Тому в системі координат «температура-час» графіком відповідного теплового процесу буде пряма лінія, яка паралельна до осі часу, а на ось температур проектується у точку, що відповідає температурі кипіння речовини.

На рис. 66 зображено графік теплового процесу нагрівання і кипіння води. Розглянемо його окремі ділянки:

AB - нагрівання води від O⁰C до IOO⁰C (температура кипіння води при нормальному атмосферному тиску);

BC - кипіння води.

За графіком можна порівнювати температури кипіння різних речовин та досліджувати перебіг теплових процесів.

ПОГЛИБТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

Як отримують дистильовану воду? Якщо провести дослід з випаровування і конденсації водного розчину цукру, а потім спробувати на смак воду, що утворилася внаслідок конденсації пари, то, як не дивно, але цукру в конденсованій воді ми не виявимо! Виконавши подібний дослід з водним розчином кухонної солі, отримаємо подібний результат: в конденсованій воді сіль відсутня. Отже, випаровуванням і конденсацією водних розчинів, можна виділити з води тверді речовини, які в ній розчинені. Такий процес отримав назву перегонки або дистиляції. Очищену в такий спосіб від солей та інших домішок воду називають дистильованою водою.

Процес дистиляції дозволяє розділяти і суміші рідин. При дистиляції сумішей рідин в першу чергу дистилюється рідина, що має нижчу температуру кипіння і меншу питому теплоту пароутворення, потім рідина з більш високою температурою кипіння і більшою питомою теплотою пароутворення. Описаний процес розділення сумішей рідин називають дробовою або шротовою перегонкою. За такою схемою отримують, наприклад, різні продукти перегонки нафти: бензин, лігроїн, гас, солярку, мазут, а з останнього — різні оливи (мастильні речовини).

Фізичне знання в техніці

Градирні. Градирні називають ще охолоджувальними баштами. Вони призначені для охолодження великої кількості води спрямованим потоком атмосферного повітря. У градирню вода спадає у вигляді дрібних крапель або тонкої плівки, частково випаровується в атмосферу та охолоджується. Охолоджена таким чином вода використовується за іншим призначенням (наприклад, для швидкого охолодження пари, що поступає з турбінного блоку електростанції).

Подумайте і дайте відповідь

1.    На що витрачається кількість теплоти, яка підводиться до речовини у процесі кипіння?

2.    У якому випадку на процес пароутворення витрачається менша кількість теплоти: а) чим менша температура речовини; б) чим більша температура речовини.

3.    У якому випадку на процес пароутворення витрачається більша кількість теплоти: а) при зниженому атмосферному тиску; а) при підвищеному атмосферному тиску.

4.    Від чого залежить кількість теплоти, яка необхідна для пароутворення?

5.    Чому питому теплоту пароутворення одночасно вважають і питомою теплотою конденсації?

6.    Запишіть формулу, за якою обчислюють кількість теплоти, що витрачається на пароутворення (або виділяється при конденсації пари).

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 14.

1.    Поясніть, чому під час дощу стає прохолодніше.

2.    У субтропічних та тропічних областях Землі кількість водяної пари в атмосфері більша, ніж в областях з помірним кліматом. У яких з цих областей важче переноситься спека? Відповідь обґрунтуйте.

3.    Визначте, яку кількість теплоти треба витратити, щоб перетворити на пару 200 г спирту.

4.    Обчисліть, скільки теплоти виділиться при конденсації 200 г водяної пари з температурою IOO⁰C та при охолодження одержаної води до 20°С.

5.    У посудину, яка містить 400 г води при температурі 17°С, впускають 10 г пари при температурі 100°С, яка перетворюється на воду. Визначте кінцеву температуру води. Теплоємністю посудини та втратами тепла можна знехтувати.

►    1. Енергія тіла, яка залежить від характеру руху і взаємодії його частинок і визначається лише тепловим станом тіла, називається внутрішньою енергією. Внутрішня енергія складається з кінетичної і потенціальної енергії частинок тіла.

►    2. Розрізняють два способи змінення внутрішньої енергії тіла: виконання механічної роботи і теплообмін (теплопередача). Існують три види теплообміну: теплопровідність, конвекція, випромінювання. У всіх теплових процесах справджується закон збереження і перетворення енергії.

►    3. Мірою енергії, переданої у формі теплоті в процесі теплообміну, є кількість теплоти Q. Кількість теплоти, яку тіло поглинає при нагріванні або віддає при охолодженні, визначається за формулою: Q = с · т · (t₂ - ^₁) , де с - питома теплоємність речовини.

►    4. Проявом закону збереження енергії у теплових процесах є рівняння теплового балансу: Q₁^- + Q₂ + Фз ⁺ ··· ⁼ Qi + Q₂ + Фз ⁺ —

►    5. Тепловий процес зручно зображати за допомогою графіка. Графік теплового процесу будують з урахуванням залежностей між будь-якими двома величинами (параметрами), що характеризують даний тепловий процес.

►    6. Для визначення кількості теплоти Q, необхідної для плавлення речовини при температурі її плавлення, застосовують формулу: Q = λ · ттг, де λ - питома теплота плавлення. Кількість теплоти, яку необхідно надати речовині масою m для перетворення її з рідкого стану у газоподібний при температурі кипіння, обчислюють за формулою: Q = г · т, де г - питома теплота пароутворення.

►    7. Між агрегатними станами речовини можуть відбуватися взаємоперетворення (агрегатні перетворення). До них відносяться плавлення, кристалізація, пароутворення, конденсація. Агрегатні перетворення речовини супроводжуються відповідними змінами її внутрішньої енергії.

►    8. Для успішного використання агрегатних перетворень в практичній діяльності необхідно знати, за яких умов вони відбуваються та як пояснюються з точки зору внутрішньої будови речовини.

ТЕСТОВІ ЗАВДАННЯ ДО РОЗДІЛУ 2 Початковий рівень

1.    Внаслідок чого здійснюється передача енергії від Сонця до Землі?

А Теплопровідності.    Б Випромінювання.

И Конвекції.    Г Виконання роботи.

2.    Від чого залежить внутрішня енергія тіла?

А Від швидкості механічного руху тіла.

Б Від положення тіла відносно інших тіл.

В Від маси і густини тіла.

Г Від руху і взаємодії атомів і молекул.

3.    Яка одиниця вимірювання внутрішньої енергії тіла?

А Па. Б Дж. BH. Г Вт.

Середній рівень

4.    Ви наливаєте чай у склянку з цукром і у склянку без цукру. У якій склянці чай буде холоднішим? Чому?

А У склянці без цукру, оскільки на розчинення цурку витрачається енергія.

Б У склянці з цукром, оскільки на розчинення цукру витрачається енергія.

В У обох склянках температура чаю буде однакова, оскільки швидкість охолодження чаю залежить лише від розміру його вільної поверхні.

Г У склянці без цукру, оскільки чай охолоне за рахунок нагрівання стінок склянки.

5.    Який ґрунт прогріється на сонці швидше — вологий чи сухий? Чому?

А Сухий, оскільки вся енергія витрачається на нагрівання ґрунту.

Б Вологий, оскільки при випаровуванні води виділяється енергія.

В Вологий, оскільки його теплопровідність більша, ніж у сухого ґрунту.

Г Сухий, оскільки його теплопровідність більша, ніж волого ґрунту.

6.    За якою формулою обчислюється зміна внутрішньої енергії тіла у процесі теплопередачі?

AQ = U. EQ = AU. BQ = AU -U. Г Q = AU + U.

Достатній рівень

7.    Як легше зігрітись — під ковдрою у підковдрі чи без неї?

А Під ковдрою без підковдри, тому що у цьому випадку зменшується теплообмін між тілом людини і повітрям у кімнаті.

Б Під ковдрою без підковдри, тому що у цьому випадку ковдра більш щільно прилягає до тіла людини.

В Під ковдрою у підковдрі, тому що шар повітря між ковдрою і підковдрою зменшує товщину ізоляційного прошарку між тілом людини і повітрям у кімнаті.

Г Під ковдрою у підковдрі, тому що шар повітря між ковдрою і підковдрою збільшує товщину ізоляційного прошарку між тілом людини і повітрям у кімнаті.

8.    Крапля води, яка потрапляє на розжарену сковорідку, починає на ній підстрибувати. Як пояснити це явище.

А Розжарена сковорідка нагріває поверхню краплі, яка починає випаровуватись, внаслідок чого підстрибує.

Б Розжарена сковорідка нагріває поверхню краплі, внаслідок чого навколо неї утворюється оболонка пари, яка підкидує краплю вгору.

В Це відбувається внаслідок різниці температур сковорідки і краплі.

Г Це відбувається внаслідок зменшення маси краплі.

9.    Для нагрівання 100 г свинцю від 15°С до 35°С необхідно 260 Дж. Визначте питому теплоємність свинцю.

Високий рівень

10.    Яке значення для організму людини має виділення поту?

А Виділення поту і його випаровування сприяє виведенню з організму шкідливих речовин.

Б Виділення поту і його випаровування сприяє виведенню з організму зайвої рідини.

В Виділення поту і його випаровування запобігає переохолодженню організму.

Г Виділення поту і його випаровування запобігає перегріву організму.

11.    Поясніть, чому у пустелях вдень дуже спекотно, а вночі температура опускається нижче 0°С?

А Тому що пісок має велику питому теплоємність, тому він швидко нагрівається і швидко охолоджується.

Б Тому що пісок має малу питому теплоємність, тому він швидко нагрівається і швидко охолоджується.

В Тому що повітря має велику питому теплоємність, тому воно швидко нагрівається і швидко охолоджується.

Г Тому що повітря має малу питому теплоємність, тому воно швидко нагрівається і швидко охолоджується.

12.    Яку кількість теплоти споживає за добу житловий будинок, якщо за цей час в опалювальну систему будинку поступає 1600 м³ води при температурі 90 °С, яка виходить з будинку при температурі 50 °С.

А 2,69х10⁸Дж. Б 2,69х10^пДж. В 2,69х10^пДж. Г 2,69х10⁸Дж.

1.    Найвищий у Закарпатті водоспад Труфанець має висоту 36

м. Визначте, на скільки градусів підвищиться температура води

• ···· · · ·

у водоспаді при п падінні, якщо на нагрівання води витрачається 60% роботи сили тяжіння (.Відповідь: на 0,05 °С).

2.    Поясніть, у якому чайнику вода швидше нагріється - у новому чи старому? (Відповідь: на стінках старого чайника є шар накипу, який погіршує теплопровідність стінок чайника, тому вода швидше закипить у новому чайнику).

3.    Перед тим, як наливати до склянки крутого окропу, у склянку рекомендують опускати чайну ложку. Чому? (Відповідь: тому що завдяки високій теплопровідності металева чайна ложка поглинає певну кількість теплоти, що сприяє більш рівномірному прогріванню стінок склянки, а, отже, попереджає її псування).

4.    Поясніть, чому чавун плавиться при більш низькій температурі, ніж залізо. {Відповідь: при плавленні впорядковане розташування атомів речовини перетворюється на невпорядковане. Атоми вуглецю у чавуні порушують впорядкованість побудови ґратки кристалів заліза, тому їх наявність полегшує перехід чавуна з твердого стану на рідкий, отже, температура плавлення чавуну знижується).

5.    Чому, виходячи з води після купання, ви відчуваєте холод? (Відповідь: тому що вода випаровується і охолоджує ваше тіло).

6.    Розрахуйте, скільки літрів води при 20 ⁰C і 100 ⁰C треба змішати, щоб одержати 300 л води при температурі 40 °С. {Відповідь: 225 л і 75 л відповідно).

7.    У посудину, ізольовану від притоку теплоти ззовні, налито 500 г води при 20 °С. У неї кидають шматочки льоду при -IO⁰C. Визначте, скільки льоду можна кинути у посудину, щоб він повністю розтанув. Теплоємністю посудини можна знехтувати. {Відповідь: 118 г).

8*. Вода поступає в радіатори водяного опалення при 68°С, а виходить з них при 40°С. До якої температури прогріється повітря в кімнаті об’ємом 90 м³, якщо початкова температура в кімнаті 6°С, а через радіатори пройде 40 л води? Втрати тепла через стіни, вікна та підлогу складають 50% {Відповідь: приблизно на 20°С).

РОЗДІЛ 3. ТЕПЛОВА ЕНЕРГІЯ.

ТЕПЛОКОРИСТУВАННЯ

Чому зусилля енергетиків у всіх країнах світу спрямовані на удосконалення теплових електростанцій, підвищення їх надійності, ефективності та екологічної безпеки?

Чим зумовлена величезна роль палива у розвитку сучасної цивілізації?

Які види палива сьогодні є основними в Україні і в світі?

Чому для економіки України важливе значення мають шахти Донбасу?

Для чого людству альтернативні джерела енергії?

Як одержують і де використовують мазут · та дизельне пальне?

Чому полум’я свічки жовтогаряче, а газової горілки - синє?

Що таке чадний газ і чому він небезпечний для людини?

Який вплив здійснюють теплові двигуни на навколишнє середовище?

Чому проблеми теплової енергетики та теплокористування є нині такими глобальними ?

Це матеріал з підручника Фізика 8 клас Шут