Знаете ли вы, какова температура варящегося супа? 100 ˚С. Ни больше, ни меньше. При той же температуре закипает чайник, и варятся макароны. Что это значит?
Почему при постоянном подогреве кастрюльки или чайника горящим газом температура воды внутри не подымается выше ста градусов? Дело в том, что когда вода достигает температуры в сто градусов, вся поступающая тепловая энергия расходуется на переход воды в газообразное состояние, то есть испарение. До ста градусов испарение происходит в основном с поверхности, а достигнув этой температуры, вода закипает. Кипение - это тоже испарение, но только по всему объему жидкости. Пузырьки с горячим паром образуются внутри воды и, будучи легче воды, эти пузырьки вырываются на поверхность, а пар из них улетучивается в воздух.
До ста градусов температура воды при нагревании растет. После ста градусов при дальнейшем нагревании будет расти температура водяного пара. А вот пока вся вода не выкипит при ста градусах, ее температура не повысится, сколько энергии не прикладывай. Куда девается эта энергия, мы уже разобрались - на переход воды в газообразное состояние. Но раз существует такое явление, значит должна быть описывающая это явление физическая величина. И такая величина существует. Называется она удельной теплотой парообразования.
Удельная теплота парообразования воды
Удельная теплота парообразования - это физическая величина, которая показывает количество теплоты , нужное, чтобы превратить жидкость массой 1 кг в пар при температуре кипения. Обозначается удельная теплота парообразования буквой L. А единицей измерения является джоуль на килограмм (1 Дж/кг).
Удельную теплоту парообразования можно найти из формулы:
где Q - это количество теплоты,
m - масса тела.
Кстати, формула такая же, как и для расчета удельной теплоты плавления , разница лишь в обозначении. λ и L
Опытным путем найдены значения удельной теплоты парообразования различных веществ и составлены таблицы, откуда можно найти данные для каждого вещества. Так, удельная теплота парообразования воды равна 2,3*106 Дж/кг. Это означает, что на каждый килограмм воды необходимо потратить количество энергии, равное 2,3*106 Дж, чтобы превратить ее в пар. Но при этом вода должна уже обладать температурой кипения. Если вода изначально была более низкой температуры, то необходимо рассчитать еще то количество теплоты, которое потребуется для подогрева воды до ста градусов.
В реальных условиях часто требуется определить количество теплоты, необходимое для превращения в пар определенной массы какой-либо жидкости, поэтому чаще приходится иметь дело с формулой вида: Q=Lm, а значения удельной теплоты парообразования для конкретного вещества берут из готовых таблиц.
Кипение - это интенсивное парообразование, которое происходит при нагревании жидкости не только с поверхности, но и внутри неё.
Кипение происходит с поглощением теплоты.
Большая часть подводимой теплоты расходуется на разрыв связей между частицами вещества, остальная часть - на работу, совершаемую при расширении пара.
В результате энергия взаимодействия между частицами пара становится больше, чем между частицами жидкости, поэтому внутренняя энергия пара больше, чем внутренняя энергия жидкости при той же температуре.
Количество теплоты, необходимое для перевода жидкости в пар в процессе кипения можно расчитать по формуле:
где m - масса жидкости (кг),
L - удельная теплота парообразования.
Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы превратитъ в пар 1 кг данного вещества при температуре кипения.
Единица удельной теплоты парообразования в системе СИ:
[ L ] = 1 Дж/ кг
С ростом давления температура кипения жидкости повышается, а удельная теплота парообразования уменьшается и наоборот.
Во время кипения температура жидкости не меняется.
Температура кипения зависит от давления, оказываемого на жидкость.
Каждое вещество при одном и том же давлении имеет свою температуру кипения.
С увеличением атмосферного давления кипение начинается при более высокой температуре, при уменьшении давления - наоборот..
Так, например, вода кипит при 100 °С лишь при нормальном атмосферном давлении.
ЧТО ЖЕ ПРОИСХОДИТ ВНУТРИ ЖИДКОСТИ ПРИ КИПЕНИИ?
Кипение представляет собой переход жидкости в пар с непрерывным образованием и ростом в жидкости пузырьков пара, внутрь которых происходит испарение жидкости. В начале нагревания вода насыщена воздухом и имеет комнатную температуру. При нагревании воды, растворенный в ней газ выделяется на дне и стенках сосуда, образуя воздушные пузырьки. Они начинают появляться задолго до кипения. В эти пузырьки испаряется вода. Пузырек, наполненный паром, при достаточно высокой температуре начинает раздуваться.
Достигнув определенных размеров он отрывается от дна, поднимается к поверхности воды и лопается. При этом пар покидает жидкость. Если вода прогрета недостаточно, то пузырек пара, поднимаясь в холодные слои, схлопывается. Возникающие при этом колебания воды приводят к появлению во всем объеме воды огромного количества мелких пузырьков воздуха: так называемый "белый ключ".
На воздушный пузырек объемом на дне сосуда действует подъемная сила:
Fпод = Fархимеда - Fтяжести
Пузырек прижат ко дну, поскольку на нижнюю поверхность силы давления не действуют. При нагреве пузырек увеличивается за счет выделения в него газа и отрывается от дна, когда подъемная сила будет немного больше прижимающей. Размер пузырька, способного оторваться от дна, зависит от его формы. Форма пузырьков на дне определяется смачиваемостью дна сосуда.
Неоднородность смачивания и слияние пузырьков на дне приводили к увеличению их размеров. При больших размерах пузырька при подъеме сзади него образуются пустоты, разрывы и завихрения.
Когда пузырек лопается, вся окружающая его жидкость устремляется внутрь, и возникает кольцевая волна. Смыкаясь, она выбрасывает вверх столбик воды.
При схлопывании лопающихся пузырьков в жидкости распространяются ударные волны ультразвуковых частот, сопровождаемые слышимым шумом. Для начальных стадий кипения характерны самые громкие и высокие звуки (на стадии "белого ключа" чайник "поет").
(источник: virlib.eunnet.net)
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГРАФИК ИЗМЕНЕНИЯ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЙ ВОДЫ
ЗАГЛЯНИ НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ!
ИНТЕРЕСНО
Зачем в крышке чайника делают дырочку?
Для выхода пара. Без дырочки в крышке пар может выплеснуть воду через носик чайника.
___
Продолжительность варки картофеля, начиная с момента кипения, не зависит от мощности нагревателя. Продолжительность определяется временем пребывания продукта при температуре кипения.
Мощность нагревателя не влияет на температуру кипения, а влияет только на скорость испарения воды.
Кипением можнозаставить воду замерзнуть. Для этого надо производить откачку воздуха и водяного пара из сосуда, где находится вода, так, чтобы вода все время кипела.
«Горшки легко закипают через край – к ненастью!»
Падение атмосферного давления, сопровождающее ухудшение погоды, является причиной того, что молоко быстрее «убегает».
___
Очень горячий кипяток можно получить на дне глубоких шахт, где давление воздуха значительно больше, чем на поверхности Земли. Так на глубине 300 м вода закипит при 101 ͦ С. При давлении воздуха в 14 атмосфер вода закипает при 200 ͦ С.
Под колоколом воздушного насоса можно получить «кипяток» при 20 ͦ С.
На Марсе мы пили бы «кипяток» при 45 ͦ С.
Соленая вода кипит при температуре выше 100 ͦ C.
___
В горных районах на значительной высоте при пониженном атмосферном давлении вода кипит при температурах ниже, чем 100 ͦ Цельсия.
Ждать, пока сварится такой обед, приходится дольше.
Польем холодненькой… и закипит!
Обычно вода кипит при 100 градусах Цельсия. Нагреем воду в колбе на горелке до кипения. Погасим горелку. Вода перестает кипеть. Закроем колбу пробкой и начнем осторожно лить на пробку струйкой холодную воду. Каково? Вода опять закипела!
..............................Под струей холодной воды водичка в колбе, а вместе с ней и водяные пары начинают остывать.
Объем паров уменьшается, и давление над поверхностью воды меняется...
А как ты думаешь, в какую сторону?
... Температура кипения воды при пониженном давлении меньше 100 градусов, и вода в колбе вскипает вновь!
____
При приготовлении пищи давление внутри кастрюли - "скороварки" - около 200 кПа, и суп в такой кастрюле сварится значительно быстрее.
Можно набрать в шприц воду примерно до половины, закрыть той же пробочкой и резко потянуть за поршень. В воде возникнет масса пузырьков, говорящих, что начался процесс кипения воды (и это при комнатной температуре!).
___
При переходе вещества в газообразное состояние его плотность уменьшается примерно в 1000 раз.
___
У первых электрочайников нагреватели находились под донышком. Вода не вступала в контакт с нагревателем и закипала очень долго. В 1923 году Артур Лардж сделал открытие: он поместил нагреватель в особую медную трубку и поместил её внутрь чайника. Вода быстро закипала.
В США разработаны самоохлаждающиеся банки для прохладительных напитков. В банку вмонтирован отсек с легкокипящей жидкостью. Если в жаркий день раздавить капсулу, жидкость начнет бурно кипеть, отнимая тепло у содержимого банки, и за 90 секунд температура напитка понижается на 20–25 градусов Цельсия.
НУ, ПОЧЕМУ ЖЕ?
А как ты думаешь, можно ли сварить яйцо вкрутую, если вода закипает при температуре ниже, чем 100 градусов Цельсия?
____
Будет ли кипеть вода в кастрюле, которая плавает в другой кастрюле с кипящей водой?
Почему?
___
Можно ли заставить кипеть воду, не нагревая ее?
Всем известно, что вода в чайнике закипает при температуре 100 ˚С. Но обращали ли вы внимание, что температура воды в процессе кипения не меняется? Вопрос – куда девается образующаяся энергия, если мы постоянно держим емкость на огне? Она уходит на преобразование жидкости в пар. Таким образом, для перехода воды в газообразное состояние требуется постоянное поступление теплоты. То, сколько ее нужно для преобразования килограмма жидкости в пар такой же температуры, определяется физической величиной, которая называется удельная теплота парообразования воды.
Для кипения требуется энергия. Большая ее часть используется для разрыва химических связей между атомами и молекулами, в результате чего образуются пузырьки пара, а меньшая идет на расширение пара, то есть на то, чтобы образовавшиеся пузырьки могли лопнуть и выпустить его. Так как жидкость всю энергию вкладывает в переход в газообразное состояние, ее «силы» иссякают. Для постоянного возобновления энергии и продления кипения нужно подводить к емкости с жидкостью все новое и новое тепло. Обеспечить его приток может кипятильник, газовая горелка либо любой другой нагревательный прибор. Во время кипения температура жидкости не растет, идет процесс образования пара такой же температуры.
Разным жидкостям требуется разное количество теплоты для перехода в пар. Какое именно – показывает удельная теплота парообразования.
Понять, как определяется эта величина, можно из примера. Берем 1 л воды и доводим ее до кипения. Затем замеряем количество тепла, понадобившегося для выпаривания всей жидкости, и получаем значение удельной теплоты парообразования для воды. Для других химических соединений этот показатель будет другим.
В физике удельная теплота парообразования обозначается латинской буквой L. Измеряется она в джоулях на килограмм (Дж/кг). Вывести ее можно путем деления теплоты, израсходованной на испарение, на массу жидкости:
Данная величина очень важна для производственных процессов на основе современных технологий. Например, на нее ориентируются при производстве металлов. Оказалось, что если железо расплавить, а потом сконденсировать, при дальнейшем затвердении образуется более прочная кристаллическая решетка.
Чему равна
Значение удельной теплоты для различных веществ (r) определили в ходе лабораторных исследований. Вода при нормальном атмосферном давлении закипает при 100 °C, а теплота испарения воды составляет 2258,2 кДж/кг. Данный показатель для некоторых других веществ приведен в таблице:
| Вещество | t кипения, °C | r, кДж/кг |
|---|---|---|
| Азот | -196 | 198 |
| Гелий | -268,94 | 20,6 |
| Водород | -253 | 454 |
| Кислород | -183 | 213 |
| Углерод | 4350 | 50000 |
| Фосфор | 280 | 400 |
| Метан | -162 | 510 |
| Пентан | 36 | 360 |
| Железо | 2735 | 6340 |
| Медь | 2590 | 4790 |
| Олово | 2430 | 2450 |
| Свинец | 1750 | 8600 |
| Цинк | 907 | 1755 |
| Ртуть | 357 | 285 |
| Золото | 2 700 | 1 650 |
| Этиловый спирт | 78 | 840 |
| Метиловый спирт | 65 | 1100 |
| Хлороформ | 61 | 279 |
Однако этот показатель может изменяться под действием определенных факторов:
- Температура.
При ее повышении теплота испарения уменьшается и может быть равной нулю.
t, °C r, кДж/кг 2500 10 2477 20 2453 50 2380 80 2308 100 2258 200 1940 300 1405 374 115 374,15 - Давление.
С понижением давления теплота парообразования растет, и наоборот. Температура кипения же прямо пропорциональна давлению и может достигать критического значения 374 °C.
p, Па t кип., °C r, кДж/кг 0,0123 10 2477 0,1234 50 2380 1 100 2258 2 120 2202 5 152 2014 10 180 1889 20 112 1638 50 264 1638 100 311 1316 200 366 585 220 373,7 184,8 Критическое 221,29 374,15 - - Масса вещества. Количество задействованной в процессе теплоты прямо пропорционально массе образовавшегося пара.
Соотношение испарения и конденсации
Физики выяснили, что на обратный испарению процесс – конденсацию – пар тратит ровно столько же энергии, сколько пошло на его образование. Это наблюдение подтверждает закон сохранения энергии.
В противном случае было бы возможно создание установки, в которой жидкость испарялась бы, а потом конденсировалась. Разница между теплотой, необходимой для испарения, и теплотой, достаточной для конденсации, приводила бы к накоплению энергии, которая могла бы быть использована для других целей. По сути, был бы создан вечный двигатель. Но это противоречит физическим законам, а значит, невозможно.
Как измеряется
- Удельная теплота испарения воды измеряется в физических лабораториях экспериментальным путем. Для этого используют калориметры. Процедура выглядит следующим образом:
- Определенное количество жидкости заливают в калориметр.
866. Температура воды в открытом сосуде, находящемся в комнате, всегда немного ниже температуры воздуха в комнате. Почему?
Потому что с поверхности воды происходит испарение, которое сопровождается потерей энергии, и, следовательно, понижением температуры.
867. Почему температура жидкости при испарении понижается?
При испарении уменьшается внутренняя энергия жидкости, а это ведет и к снижению температуры.
868. В Москве колебание температуры кипения воды составляет 2,5 ° (от 98,5 °С до 101 °С). Чем можно объяснить такую разницу?
Неравномерностью рельефа. С увеличением высоты над уровнем моря вода закипает при температуре ниже 100°С. А если температура кипения выше 100°С, это означает, что она находится ниже уровня моря.
869. Выполняется ли закон сохранения энергии при испарении? при кипении?
Выполняется. Сколько энергии было затрачено на нагревание, столько же энергии выделится в виде пара.
870. Если смочить руку эфиром, вы ощутите холод. Почему?
Эфир испаряется и забирает энергию с рук и воздуха.
871. Почему суп скорее остынет, если на него дуть?
Если дуть на пар, исходящий из супа, теплообмен ускорится, и суп быстрее отдаст свою энергию в окружающую среду.
872. Отличается ли температура воды в кипящей кастрюле и температура пара кипящей воды?
Нет.
873. Почему кипящая вода перестает кипеть, как только ее снимают с огня?
Потому что для поддержания кипения вода должна постоянно получать энергию тепла.
874. Удельная теплота конденсации спирта равна 900 кДж/кг. Что это означает?
Для того, чтобы спирт перешел в жидкое состояние нужно забрать у его паров 900 кДж энергии.
875. Сравните внутреннюю энергию 1 кг водяного пара при 100 °С и 1 кг воды при 100 °С. Что больше? На сколько? Почему?
Энергия пара больше на 2,3 МДж/кг – столько требуется энергии для парообразования.
876. Какое количество теплоты требуется для испарения 1 кг воды при температуре кипения? 1 кг эфира?
877. Какое количество теплоты требуется для обращения в пар 0,15 кг воды при 100 °С?
878. Что требует большего количества теплоты и на сколько: нагрев 1 кг воды от 0 °С до 100 °С или испарение 1 кг воды при температуре 100 °С?
879. Какое количество теплоты требуется для обращения в пар воды массой 0,2 кг при температуре 100 °С?
880. Какое количество энергии выделится при охлаждении воды массой 4 кг от 100 °С до 0 °С?
881. Какое количество энергии необходимо, чтобы 5 л воды при 0 °С довести до кипения и затем ее всю испарить?
882. Какое количество энергии выделит 1 кг пара при 100 °С, если его обратить в воду и затем охладить полученную воду до 0 °С?
883. Какое количество теплоты нужно затратить, чтобы воду массой 7 кг, взятую при температуре 0 °С, довести до кипения и затем полностью ее испарить?
884. Какое количество энергии надо затратить, чтобы 1 кг воды при температуре 20 °С обратить в пар при температуре 100 °С?
885. Определите количество теплоты, потребное для превращения 1 кг воды, взятой при 0 °С, в пар при 100 °С?
886. Сколько теплоты выделится при конденсации 100 г водяного пара, имеющего температуру 100 °С, и при охлаждении полученной воды до 20 °С?
887. Удельная теплота парообразования у воды больше, чем у эфира. Почему же эфир, если им смочить руку, сильнее охлаждает ее, чем вода в таких случаях?
Интенсивность испарения эфира намного больше, чем у воды. Поэтому он быстрее отдает внутреннюю энергию и быстрее остывает, охлаждая руку.
888. В сосуд, содержащий 30 кг воды при 0 °С, вводится 1,85 кг водяного пара, имеющего температуру 100 °С, вследствие чего температура воды становится равной 37 °С. Найдите удельную теплоту парообразования воды.
889. Какое количество теплоты необходимо, чтобы превратить 1 кг льда при 0 °С в пар при 100 °С?
890. Какое количество теплоты необходимо для того, чтобы 5 кг льда при -10 °С обратить в пар при 100 °С и затем нагреть пар до 150 °С при нормальном давлении? Удельная теплоемкость водяного пар при постоянном давлении равна 2,05 кДж/(кг °С).
891. Сколько килограммов каменного угля надо сжечь для того, чтобы превратить в пар 100 кг льда, взятого при 0 °С? Коэффициент полезного действия топки 70%. Удельная теплота сгорания угля 29,3 МДж/кг.
892. Английский ученый Блек для определения удельной теплоты парообразования воды брал определенное количество воды при 0 °С и нагревал ее до кипения. Дальше он продолжал нагревать воду до ее полного испарения. При этом Блек заметил, что для выкипания всей воды требовалось времени в 5,33 раза больше, чем для нагрева такой же массы воды от 0 °С до 100 °С? Чему равна, по опытам Блека, удельная теплота парообразования?
893. Какое количество пара при температуре 100 °С требуется обратить в воду, чтобы нагреть железный радиатор массой 10 кг от 10 °С до 90 °С?
894. Какое количество теплоты требуется, чтобы лед массой 2 кг, взятый при температуре -10 °С, обратить в пар при 100 °С?
895. Пробирка с эфиром погружена в стакан с водой, охлажденной до 0 °С. Продувая через эфир воздух, испаряют эфир, вследствие чего на пробирке образуется ледяная корка. Определите, сколько получилось льда при испарении 125 г эфира (удельная теплота парообразования эфира кДж/кг).
896. Змеевик полностью вмерз в лед. Через змеевик проходит, охлаждаясь и конденсируясь, 2 кг пара, причем вода из змеевика выходит при температуре 0 °С. Какое количество льда можно расплавить таким образом?
897. В калориметр налито 57,4 г воды при 12 °С. В воду пущен пар при 100 °С. Через некоторое время количество воды в калориметре увеличилось на 1,3 г, а температура воды поднялась до 24,8 °С. Для нагрева пустого калориметра на 1 °С требуется 18,27 Дж теплоты. Найдите удельную теплоту парообразования воды.
900. На примусе в медном чайнике массой 0,2 кг вскипятили воду массой 1 кг, взятую при температуре 20 °С. В процессе кипячения 50 г воды выкипело.
Сколько в примусе сгорело бензина, если КПД примуса 30 %?
