Đun sôi, như chúng ta đã thấy, cũng là sự bay hơi, chỉ có điều nó đi kèm với sự hình thành và phát triển nhanh chóng của bọt hơi. Rõ ràng, trong quá trình đun sôi cần phải cung cấp một lượng nhiệt nhất định cho chất lỏng. Lượng nhiệt này được sử dụng để tạo thành hơi nước. Hơn nữa, các chất lỏng khác nhau có cùng khối lượng cần lượng nhiệt khác nhau để biến chúng thành hơi ở điểm sôi.
Các thí nghiệm đã chứng minh rằng sự bay hơi của nước nặng 1 kg ở nhiệt độ 100 °C cần 2,3.106 J năng lượng. Để làm bay hơi 1 kg ete ở nhiệt độ 35°C cần 0,4 10 6 J năng lượng.
Vì vậy, để nhiệt độ của chất lỏng bay hơi không thay đổi thì phải cung cấp cho chất lỏng một lượng nhiệt nhất định.
Một đại lượng vật lý cho biết lượng nhiệt cần thiết để chuyển một chất lỏng nặng 1 kg thành hơi mà không thay đổi nhiệt độ được gọi là nhiệt dung riêng của sự hóa hơi.
Nhiệt dung riêng bay hơi được ký hiệu bằng chữ L. Đơn vị của nó là 1 J/kg.
Các thí nghiệm đã chứng minh rằng nhiệt dung riêng bay hơi của nước ở 100 °C bằng 2,3.106 J/kg. Nói cách khác, để chuyển 1 kg nước thành hơi ở nhiệt độ 100°C cần 2,3.106 J năng lượng. Do đó, tại điểm sôi, nội năng của một chất ở trạng thái hơi lớn hơn nội năng của cùng một khối lượng chất đó ở trạng thái lỏng.
Bảng 6.
Nhiệt dung riêng bay hơi của một số chất (ở điểm sôi và áp suất khí quyển bình thường)
Khi tiếp xúc với vật lạnh, hơi nước sẽ ngưng tụ (Hình 25). Điều này giải phóng năng lượng hấp thụ trong quá trình hình thành hơi nước. Các thí nghiệm chính xác cho thấy, khi ngưng tụ, hơi nước giải phóng lượng năng lượng đã hình thành nên nó.
Cơm. 25. Ngưng tụ hơi nước
Do đó, khi 1 kg hơi nước ở nhiệt độ 100°C chuyển thành nước có cùng nhiệt độ thì sẽ giải phóng 2,3.106 J năng lượng. Có thể thấy khi so sánh với các chất khác (Bảng 6), năng lượng này khá cao.
Năng lượng giải phóng trong quá trình ngưng tụ hơi nước có thể được sử dụng. Tại các nhà máy nhiệt điện lớn, hơi thoát ra từ tua bin được sử dụng để làm nóng nước.
Nước được làm nóng theo cách này được sử dụng để sưởi ấm các tòa nhà, trong phòng tắm, phòng giặt và cho các nhu cầu sinh hoạt khác.
Để tính lượng nhiệt Q cần thiết để biến đổi một chất lỏng có khối lượng bất kỳ được lấy tại điểm sôi thành hơi, nhiệt dung riêng của sự hóa hơi L phải được nhân với khối lượng m:
Từ công thức này có thể xác định được rằng
m = Q/L, L = Q/m
Lượng nhiệt tỏa ra bởi hơi nước có khối lượng m ngưng tụ ở điểm sôi được xác định theo công thức tương tự.
Ví dụ. Cần bao nhiêu năng lượng để chuyển 2kg nước ở nhiệt độ 20°C thành hơi nước? Hãy viết ra các điều kiện của vấn đề và giải quyết nó.
Câu hỏi
- Năng lượng cung cấp cho chất lỏng trong quá trình sôi là bao nhiêu?
- Nhiệt dung riêng bay hơi cho thấy điều gì?
- Làm thế nào bạn có thể chứng minh bằng thực nghiệm rằng năng lượng được giải phóng khi hơi nước ngưng tụ?
- Năng lượng được giải phóng bởi 1 kg hơi nước trong quá trình ngưng tụ là bao nhiêu?
- Năng lượng được giải phóng trong quá trình ngưng tụ hơi nước được sử dụng ở đâu trong công nghệ?
Bài tập 16
- Chúng ta nên hiểu nhiệt dung riêng bay hơi của nước là 2,3 10 6 J/kg như thế nào?
- Chúng ta nên hiểu nhiệt dung riêng của sự ngưng tụ amoniac là 1,4 10 6 J/kg như thế nào?
- Trong 6 chất trên, chất nào khi chuyển từ thể lỏng sang thể hơi thì có nội năng tăng nhiều nhất? Biện minh cho câu trả lời của bạn.
- Cần bao nhiêu năng lượng để chuyển 150 g nước thành hơi ở nhiệt độ 100°C?
- Cần phải tiêu tốn bao nhiêu năng lượng để đun sôi 5 kg nước ở nhiệt độ 0°C và làm bay hơi nó?
- Lượng năng lượng 2 kg toả ra khi giảm nhiệt độ từ 100 xuống 0°C là bao nhiêu? Lượng năng lượng nào sẽ được giải phóng nếu thay vì nước chúng ta lấy cùng một lượng hơi nước ở 100°C?
Bài tập
- Sử dụng Bảng 6, hãy xác định chất nào có độ tăng nội năng lớn hơn khi chuyển từ thể lỏng sang thể hơi. Biện minh cho câu trả lời của bạn.
- Chuẩn bị một báo cáo về một trong các chủ đề (tùy chọn).
- Làm thế nào sương, sương, mưa và tuyết được hình thành.
- Vòng tuần hoàn nước trong tự nhiên.
- Kim loại đuc.
Bạn có biết nhiệt độ sôi của súp là bao nhiêu không? 100˚С. Không nhiều không ít. Ở cùng nhiệt độ, ấm đun sôi và mì ống chín. Nó có nghĩa là gì?
Tại sao khi đun nóng nồi hoặc ấm liên tục bằng khí đốt, nhiệt độ của nước bên trong không tăng quá một trăm độ? Thực tế là khi nước đạt đến nhiệt độ một trăm độ, toàn bộ năng lượng nhiệt đến sẽ được sử dụng để chuyển nước sang trạng thái khí, tức là bay hơi. Lên đến một trăm độ, sự bốc hơi xảy ra chủ yếu từ bề mặt và khi đạt đến nhiệt độ này, nước sôi. Đun sôi cũng là sự bay hơi, nhưng chỉ trong toàn bộ thể tích chất lỏng. Bong bóng có hơi nước nóng hình thành bên trong nước và nhẹ hơn nước, những bong bóng này vỡ ra trên bề mặt và hơi nước từ chúng bay hơi vào không khí.
Khi đun nóng, nhiệt độ nước tăng lên một trăm độ. Sau một trăm độ, khi đun nóng thêm, nhiệt độ của hơi nước sẽ tăng lên. Nhưng cho đến khi toàn bộ nước sôi ở một trăm độ, nhiệt độ của nó sẽ không tăng, bất kể bạn sử dụng bao nhiêu năng lượng. Chúng tôi đã tìm ra năng lượng này sẽ đi đâu - chuyển nước sang trạng thái khí. Nhưng vì hiện tượng đó tồn tại, điều đó có nghĩa là phải có đại lượng vật lý mô tả hiện tượng này. Và một giá trị như vậy tồn tại. Nó được gọi là nhiệt dung riêng của sự hóa hơi.
Nhiệt dung riêng bay hơi của nước
Nhiệt dung riêng của sự hóa hơi là đại lượng vật lý biểu thị lượng nhiệt cần thiết để chuyển một chất lỏng nặng 1 kg thành hơi ở điểm sôi. Nhiệt dung riêng bay hơi được ký hiệu bằng chữ L. Đơn vị đo là jun trên kilogam (1 J/kg).
Nhiệt dung riêng của sự hóa hơi có thể được tìm thấy từ công thức:
trong đó Q là lượng nhiệt,
m là trọng lượng cơ thể
Nhân tiện, công thức này giống như công thức tính nhiệt dung riêng của phản ứng tổng hợp, điểm khác biệt duy nhất là ở ký hiệu. λ và L
Các giá trị nhiệt dung riêng bay hơi của các chất khác nhau đã được tìm thấy bằng thực nghiệm và các bảng được tổng hợp từ đó có thể tìm thấy dữ liệu cho từng chất. Vậy nhiệt dung riêng bay hơi của nước bằng 2,3*106 J/kg. Điều này có nghĩa là cứ mỗi kg nước cần tiêu tốn một lượng năng lượng tương đương 2,3 * 106 J để biến nó thành hơi nước. Nhưng đồng thời, nước phải có điểm sôi. Nếu ban đầu nước ở nhiệt độ thấp hơn thì cần tính lượng nhiệt cần thiết để làm nóng nước đến một trăm độ.
Trong điều kiện thực tế, thường phải xác định lượng nhiệt cần thiết cho sự biến đổi một khối lượng nhất định của bất kỳ chất lỏng nào thành hơi, do đó, bạn thường phải xử lý công thức có dạng: Q = Lm và các giá trị nhiệt dung riêng bay hơi của một chất cụ thể được lấy từ các bảng làm sẵn.
Mọi người đều biết rằng nước trong ấm đun sôi ở nhiệt độ 100˚C. Nhưng bạn có để ý rằng nhiệt độ của nước không thay đổi trong quá trình đun sôi? Câu hỏi đặt ra là – năng lượng được tạo ra sẽ đi đâu nếu chúng ta liên tục đốt cháy thùng chứa? Nó đi vào việc chuyển đổi chất lỏng thành hơi. Vì vậy, để nước chuyển sang trạng thái khí, cần phải cung cấp nhiệt liên tục. Cần bao nhiêu năng lượng để chuyển một kg chất lỏng thành hơi nước có cùng nhiệt độ được xác định bởi một đại lượng vật lý gọi là nhiệt dung riêng bay hơi của nước.
Đun sôi cần năng lượng. Phần lớn nó được sử dụng để phá vỡ liên kết hóa học giữa các nguyên tử và phân tử, dẫn đến sự hình thành bong bóng hơi, và một phần nhỏ hơn được sử dụng để giãn nở hơi nước, nghĩa là bong bóng tạo thành có thể vỡ ra và giải phóng nó. Vì chất lỏng dồn toàn bộ năng lượng của nó để chuyển sang trạng thái khí nên “lực” của nó cạn kiệt. Để liên tục tái tạo năng lượng và kéo dài thời gian sôi, cần phải cung cấp ngày càng nhiều nhiệt vào thùng chứa chất lỏng. Nồi hơi, vòi đốt gas hoặc bất kỳ thiết bị sưởi ấm nào khác có thể cung cấp nguồn cung cấp năng lượng cho nó. Trong quá trình sôi, nhiệt độ của chất lỏng không tăng; hơi nước được hình thành ở cùng nhiệt độ.
Các chất lỏng khác nhau đòi hỏi lượng nhiệt khác nhau để chuyển thành hơi. Cái nào được thể hiện bằng nhiệt dung riêng của sự hóa hơi.
Bạn có thể hiểu cách xác định giá trị này từ một ví dụ. Lấy 1 lít nước và đun sôi. Sau đó, chúng tôi đo lượng nhiệt cần thiết để làm bay hơi toàn bộ chất lỏng và thu được giá trị nhiệt dung riêng bay hơi của nước. Đối với các hợp chất hóa học khác, con số này sẽ khác.
Trong vật lý, nhiệt dung riêng của sự hóa hơi được ký hiệu bằng chữ Latinh L. Nó được đo bằng joules trên kilogam (J/kg). Nó có thể được suy ra bằng cách chia nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình bay hơi cho khối lượng chất lỏng:
Giá trị này rất quan trọng đối với quy trình sản xuất dựa trên công nghệ hiện đại. Ví dụ, họ tập trung vào việc sản xuất kim loại. Hóa ra là nếu sắt tan chảy và sau đó ngưng tụ, khi sắt cứng hơn nữa, một mạng tinh thể mạnh hơn sẽ được hình thành.
Nó bằng bao nhiêu
Giá trị nhiệt dung riêng của các chất khác nhau (r) được xác định trong quá trình nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Nước ở áp suất khí quyển bình thường sôi ở 100°C và nhiệt bay hơi của nước là 2258,2 kJ/kg. Chỉ số này cho một số chất khác được đưa ra trong bảng:
| Chất | nhiệt độ sôi, °C | r, kJ/kg |
|---|---|---|
| Nitơ | -196 | 198 |
| Heli | -268,94 | 20,6 |
| Hydro | -253 | 454 |
| Ôxy | -183 | 213 |
| Carbon | 4350 | 50000 |
| Phốt pho | 280 | 400 |
| Mêtan | -162 | 510 |
| Pentan | 36 | 360 |
| Sắt | 2735 | 6340 |
| Đồng | 2590 | 4790 |
| Thiếc | 2430 | 2450 |
| Chỉ huy | 1750 | 8600 |
| kẽm | 907 | 1755 |
| thủy ngân | 357 | 285 |
| Vàng | 2 700 | 1 650 |
| Ethanol | 78 | 840 |
| Rượu methyl | 65 | 1100 |
| Cloroform | 61 | 279 |
Tuy nhiên, chỉ số này có thể thay đổi dưới tác động của một số yếu tố:
- Nhiệt độ. Khi tăng, nhiệt bay hơi giảm và có thể bằng 0.
t, °C r, kJ/kg 2500 10 2477 20 2453 50 2380 80 2308 100 2258 200 1940 300 1405 374 115 374,15 - Áp lực. Khi áp suất giảm thì nhiệt bay hơi tăng và ngược lại. Điểm sôi tỷ lệ thuận với áp suất và có thể đạt tới giá trị tới hạn là 374 ° C.
p, bố t sôi., °C r, kJ/kg 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 Nguy cấp 221,29 374,15 - - Khối lượng của chất. Lượng nhiệt tham gia vào quá trình tỷ lệ thuận với khối lượng hơi nước hình thành.
Mối quan hệ giữa bay hơi và ngưng tụ
Các nhà vật lý đã phát hiện ra rằng quá trình ngược lại với quá trình bay hơi - ngưng tụ - hơi nước tiêu tốn chính xác lượng năng lượng được sử dụng để hình thành nó. Quan sát này xác nhận định luật bảo toàn năng lượng.
Nếu không, có thể tạo ra một hệ thống trong đó chất lỏng sẽ bay hơi và sau đó ngưng tụ. Sự khác biệt giữa nhiệt cần thiết cho sự bay hơi và nhiệt đủ để ngưng tụ sẽ dẫn đến việc dự trữ năng lượng có thể được sử dụng cho các mục đích khác. Về bản chất, một cỗ máy chuyển động vĩnh viễn sẽ được tạo ra. Nhưng điều này mâu thuẫn với các định luật vật lý, có nghĩa là điều đó là không thể.
Nó được đo như thế nào?
- Nhiệt dung riêng bay hơi của nước được đo bằng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm vật lý. Đối với mục đích này nhiệt lượng kế được sử dụng. Quy trình trông như thế này:
- Một lượng chất lỏng nhất định được đổ vào nhiệt lượng kế.
Đun sôi là sự hóa hơi mạnh xảy ra khi chất lỏng được làm nóng không chỉ từ bề mặt mà còn cả bên trong nó.
Sự sôi xảy ra với sự hấp thụ nhiệt.
Phần lớn nhiệt lượng cung cấp được dùng để phá vỡ liên kết giữa các hạt của chất, phần còn lại dành cho công thực hiện trong quá trình giãn nở của hơi nước.
Kết quả là năng lượng tương tác giữa các hạt hơi lớn hơn giữa các hạt chất lỏng nên nội năng của hơi lớn hơn nội năng của chất lỏng ở cùng nhiệt độ.
Lượng nhiệt cần thiết để chuyển chất lỏng thành hơi trong quá trình sôi có thể được tính theo công thức:
trong đó m là khối lượng của chất lỏng (kg),
L là nhiệt dung riêng của sự hóa hơi.
Nhiệt dung riêng bay hơi cho biết lượng nhiệt cần thiết để chuyển 1 kg chất đó thành hơi ở điểm sôi. Đơn vị nhiệt dung riêng bay hơi trong hệ SI:
[L] = 1J/kg
Khi áp suất tăng, nhiệt độ sôi của chất lỏng tăng, nhiệt dung riêng bay hơi giảm và ngược lại.
Trong quá trình sôi, nhiệt độ của chất lỏng không thay đổi.
Điểm sôi phụ thuộc vào áp suất tác dụng lên chất lỏng.
Mỗi chất ở cùng một áp suất có điểm sôi riêng.
Khi áp suất khí quyển tăng, quá trình sôi bắt đầu ở nhiệt độ cao hơn và khi áp suất giảm thì ngược lại.
Ví dụ, nước sôi ở 100°C chỉ ở áp suất khí quyển bình thường.
ĐIỀU GÌ XẢY RA BÊN TRONG CHẤT LỎNG KHI SÔI?
Đun sôi là sự chuyển đổi chất lỏng thành hơi với sự hình thành và phát triển liên tục của bọt hơi trong chất lỏng, trong đó chất lỏng bay hơi. Khi bắt đầu đun nóng, nước bão hòa không khí và ở nhiệt độ phòng. Khi nước nóng lên, khí hòa tan trong đó thoát ra ở đáy và thành bình, tạo thành bọt khí. Chúng bắt đầu xuất hiện rất lâu trước khi sôi. Nước bay hơi thành những bong bóng này. Một bong bóng chứa đầy hơi nước bắt đầu phồng lên ở nhiệt độ đủ cao.
Khi đạt đến một kích thước nhất định, nó vỡ ra khỏi đáy, nổi lên mặt nước và vỡ tung. Trong trường hợp này, hơi nước rời khỏi chất lỏng. Nếu nước không được làm ấm đủ, bong bóng hơi nước bốc lên vào các lớp lạnh sẽ vỡ ra. Sự biến động của nước dẫn đến sự xuất hiện của một số lượng lớn bọt khí nhỏ trong toàn bộ thể tích nước: cái gọi là “phím trắng”.
Một bong bóng khí có thể tích ở đáy bình chịu tác dụng của lực nâng:
Nhà tài trợ = Farchimedes - Ftrọng lực
Bong bóng bị ép xuống đáy vì không có lực tác dụng lên bề mặt phía dưới. Khi được làm nóng, bong bóng nở ra do thoát khí vào trong và vỡ ra khỏi đáy khi lực nâng lớn hơn lực ép một chút. Kích thước của bong bóng có thể vỡ ra khỏi đáy phụ thuộc vào hình dạng của nó. Hình dạng của bong bóng ở đáy được xác định bởi độ ẩm của đáy bình.
Sự không đồng nhất của việc làm ướt và sáp nhập các bong bóng ở phía dưới đã dẫn đến sự gia tăng kích thước của chúng. Với kích thước bong bóng lớn, khi nổi lên phía sau nó sẽ hình thành các khoảng trống, vỡ và nhiễu loạn.
Khi bong bóng vỡ, tất cả chất lỏng xung quanh nó sẽ tràn vào, tạo ra sóng vòng. Đóng lại, nó ném lên một cột nước.
Khi bong bóng vỡ, sóng xung kích có tần số siêu âm lan truyền trong chất lỏng, kèm theo tiếng ồn có thể nghe được. Giai đoạn sôi ban đầu được đặc trưng bởi âm thanh to nhất và cao nhất (ở giai đoạn “phím trắng”, ấm đun nước “hát”).
(nguồn: virlib.eunnet.net)
BIỂU NHIỆT ĐỘ THAY ĐỔI Ở CÁC NƯỚC NƯỚC
XEM GIÁ SÁCH!
HẤP DẪN
Tại sao người ta lại khoét một lỗ trên nắp ấm trà?
Để giải phóng hơi nước. Nếu không có lỗ trên nắp, hơi nước có thể bắn nước ra khỏi vòi ấm.
___
Thời gian nấu khoai tây, bắt đầu từ lúc luộc, không phụ thuộc vào công suất của lò sưởi. Thời lượng được xác định bằng thời gian sản phẩm duy trì ở điểm sôi.
Công suất của lò sưởi không ảnh hưởng đến điểm sôi mà chỉ ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi của nước.
Đun sôi có thể làm cho nước đóng băng. Để làm được điều này, cần phải bơm không khí và hơi nước ra khỏi bình chứa nước để nước luôn sôi.
“Nồi dễ sôi trào - thời tiết xấu!”
Áp suất khí quyển giảm đi kèm theo thời tiết xấu là nguyên nhân khiến sữa “chạy hết” nhanh hơn.
___
Nước sôi rất nóng có thể thu được ở đáy các mỏ sâu, nơi áp suất không khí lớn hơn nhiều so với trên bề mặt Trái đất. Vậy ở độ sâu 300 m, nước sẽ sôi ở 101 ͦ C. Ở áp suất không khí 14 atm, nước sôi ở 200 ͦ C.
Dưới chuông của máy bơm không khí, bạn có thể nhận được “nước sôi” ở 20 ͦ C.
Trên sao Hỏa chúng ta sẽ uống “nước sôi” ở 45 ͦ C.
Nước muối sôi ở nhiệt độ trên 100 ͦ C. ___
Ở các vùng núi ở độ cao đáng kể và áp suất khí quyển thấp, nước sôi ở nhiệt độ thấp hơn 100 ͦ độ C.
Phải mất nhiều thời gian hơn để chờ đợi một bữa ăn như vậy được nấu chín.
Đổ một ít nước lạnh vào... và nó sẽ sôi!
Thông thường nước sôi ở 100 độ C. Đun nóng nước trong bình trên bếp cho đến khi sôi. Hãy tắt đầu đốt. Nước ngừng sôi. Đậy bình bằng nút và bắt đầu đổ cẩn thận nước lạnh thành dòng vào nút. Nó như thế nào? Nước lại sôi rồi!
..............................Dưới dòng nước lạnh, nước trong bình và cùng với hơi nước bắt đầu nguội đi.
Thể tích hơi giảm và áp suất trên mặt nước thay đổi...
Bạn nghĩ hướng nào?
... Nhiệt độ sôi của nước ở áp suất giảm nhỏ hơn 100 độ, nước trong bình lại sôi!
____
Khi nấu, áp suất bên trong chảo - "nồi áp suất" - khoảng 200 kPa, và súp trong chảo như vậy sẽ chín nhanh hơn nhiều.
Bạn có thể đổ nước vào khoảng một nửa ống tiêm, đóng lại bằng cùng một nút và kéo mạnh pít tông. Một khối bong bóng sẽ xuất hiện trong nước, cho thấy quá trình đun sôi nước đã bắt đầu (và đây là ở nhiệt độ phòng!).
___
Khi một chất chuyển sang trạng thái khí, mật độ của nó giảm khoảng 1000 lần.
___
Những chiếc ấm điện đầu tiên có lò sưởi ở dưới đáy. Nước không tiếp xúc với lò sưởi và đun sôi rất lâu. Năm 1923, Arthur Large đã có một khám phá: ông đặt một lò sưởi vào một ống đồng đặc biệt và đặt nó bên trong một chiếc ấm đun nước. Nước sôi rất nhanh.
Lon nước ngọt tự làm mát đã được phát triển ở Mỹ. Bình có một ngăn chứa chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp. Nếu bạn nghiền nát viên nang vào một ngày nắng nóng, chất lỏng sẽ bắt đầu sôi nhanh chóng, lấy nhiệt ra khỏi vật đựng trong lọ và trong 90 giây, nhiệt độ của đồ uống sẽ giảm xuống 20-25 độ C.
CHÀ, TẠI SAO VẬY?
Bạn nghĩ sao, liệu có thể luộc chín một quả trứng nếu nước sôi ở nhiệt độ thấp hơn 100 độ C?
____
Nước có sôi trong nồi nổi trong nồi nước sôi khác không?
Tại sao? ___
Có thể đun sôi nước mà không cần đun nóng?
Trong bài học này, chúng ta sẽ chú ý đến kiểu bay hơi này, chẳng hạn như sôi, thảo luận về sự khác biệt của nó so với quá trình bay hơi đã thảo luận trước đó, giới thiệu một giá trị như nhiệt độ sôi và thảo luận xem nó phụ thuộc vào điều gì. Cuối bài học, chúng ta sẽ giới thiệu một đại lượng rất quan trọng mô tả quá trình hóa hơi - nhiệt dung riêng của quá trình hóa hơi và ngưng tụ.
Chủ đề: Các trạng thái tổng hợp của vật chất
Bài học: Đun sôi. Nhiệt dung riêng của sự hóa hơi và ngưng tụ
Trong bài học trước, chúng ta đã xem xét một trong những kiểu hình thành hơi - bay hơi - và nêu bật các đặc tính của quá trình này. Hôm nay chúng ta sẽ thảo luận về loại hóa hơi này, quá trình sôi và giới thiệu một giá trị đặc trưng bằng số cho quá trình hóa hơi - nhiệt dung riêng của hóa hơi và ngưng tụ.
Sự định nghĩa.Sôi(Hình 1) là một quá trình chuyển đổi mạnh mẽ chất lỏng sang trạng thái khí, kèm theo sự hình thành bọt hơi và xảy ra trên toàn bộ thể tích chất lỏng ở một nhiệt độ nhất định, được gọi là điểm sôi.
Hãy so sánh hai loại hóa hơi với nhau. Quá trình sôi diễn ra mạnh hơn quá trình bay hơi. Ngoài ra, như chúng ta nhớ, quá trình bay hơi xảy ra ở bất kỳ nhiệt độ nào trên điểm nóng chảy và quá trình sôi xảy ra ở một nhiệt độ nhất định, nhiệt độ này khác nhau đối với mỗi chất và được gọi là điểm sôi. Cũng cần lưu ý rằng sự bay hơi chỉ xảy ra từ bề mặt tự do của chất lỏng, tức là từ khu vực ngăn cách nó với các khí xung quanh, và sự sôi xảy ra trên toàn bộ thể tích cùng một lúc.
Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn quá trình sôi. Hãy tưởng tượng một tình huống mà nhiều người trong chúng ta đã nhiều lần gặp phải - đun và đun sôi nước trong một chiếc bình nào đó, chẳng hạn như một cái chảo. Trong quá trình đun nóng, một lượng nhiệt nhất định sẽ được truyền vào nước, điều này sẽ làm tăng nội năng và tăng hoạt động chuyển động của phân tử. Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến một giai đoạn nhất định, cho đến khi năng lượng chuyển động của phân tử đủ để bắt đầu sôi.
Nước chứa các khí hòa tan (hoặc các tạp chất khác) được giải phóng trong cấu trúc của nó, dẫn đến cái gọi là sự xuất hiện của các trung tâm hóa hơi. Nghĩa là, chính ở những trung tâm này, hơi nước bắt đầu thoát ra và hình thành bong bóng trong toàn bộ thể tích nước, điều này được quan sát thấy trong quá trình đun sôi. Điều quan trọng là phải hiểu rằng những bong bóng này không chứa không khí mà chứa hơi nước được hình thành trong quá trình đun sôi. Sau khi hình thành bong bóng, lượng hơi nước trong chúng tăng lên và chúng bắt đầu tăng kích thước. Thông thường, bong bóng ban đầu hình thành gần thành bình và không nổi lên bề mặt ngay lập tức; đầu tiên, tăng kích thước, chúng bị ảnh hưởng bởi lực ngày càng tăng của Archimedes, sau đó chúng tách ra khỏi bức tường và nổi lên bề mặt, nơi chúng vỡ ra và giải phóng một phần hơi nước.
Điều đáng chú ý là không phải tất cả bọt hơi đều chạm tới bề mặt tự do của nước ngay lập tức. Khi bắt đầu quá trình đun sôi, nước chưa được làm nóng đều và các lớp bên dưới, gần nơi xảy ra quá trình truyền nhiệt trực tiếp, thậm chí còn nóng hơn các lớp trên, thậm chí có tính đến quá trình đối lưu. Điều này dẫn đến hiện tượng các bong bóng hơi bốc lên từ bên dưới sẽ xẹp xuống do hiện tượng căng bề mặt, trước khi chạm tới bề mặt tự do của nước. Trong trường hợp này, hơi nước bên trong bong bóng sẽ đi vào nước, do đó làm nóng thêm nước và đẩy nhanh quá trình làm nóng đồng đều nước trong toàn bộ thể tích. Kết quả là, khi nước nóng lên gần như đồng đều, gần như toàn bộ bọt hơi bắt đầu nổi lên mặt nước và quá trình hình thành hơi nước cường độ cao bắt đầu.
Điều quan trọng cần nhấn mạnh là nhiệt độ tại đó quá trình sôi diễn ra không thay đổi ngay cả khi cường độ cung cấp nhiệt cho chất lỏng tăng lên. Nói một cách đơn giản, nếu trong quá trình đun sôi, bạn thêm ga vào bếp để làm nóng chảo nước, điều này sẽ chỉ dẫn đến tăng cường độ sôi chứ không làm tăng nhiệt độ của chất lỏng. Nếu chúng ta nghiên cứu kỹ hơn về quá trình đun sôi, cần lưu ý rằng các khu vực trong nước có thể bị nóng quá mức trên điểm sôi, nhưng mức độ quá nhiệt như vậy, theo quy luật, không vượt quá một hoặc một vài độ. và không đáng kể trong tổng thể tích chất lỏng. Điểm sôi của nước ở áp suất bình thường là 100°C.
Trong quá trình đun nước, bạn có thể nhận thấy nước này đi kèm với những âm thanh đặc trưng của cái gọi là sôi sục. Những âm thanh này phát sinh chính xác là do quá trình vỡ bong bóng hơi được mô tả.
Quá trình sôi của các chất lỏng khác diễn ra tương tự như quá trình sôi của nước. Sự khác biệt chính trong các quá trình này là nhiệt độ sôi khác nhau của các chất, ở áp suất khí quyển bình thường đã được đo bằng các giá trị dạng bảng. Chúng tôi chỉ ra các giá trị chính của các nhiệt độ này trong bảng.
Một sự thật thú vị là điểm sôi của chất lỏng phụ thuộc vào giá trị áp suất khí quyển, đó là lý do tại sao chúng tôi chỉ ra rằng tất cả các giá trị trong bảng được đưa ra ở áp suất khí quyển bình thường. Khi áp suất không khí tăng thì nhiệt độ sôi của chất lỏng cũng tăng; khi giảm thì ngược lại nhiệt độ sôi giảm.
Nguyên lý hoạt động của một thiết bị nhà bếp nổi tiếng như nồi áp suất dựa trên sự phụ thuộc của điểm sôi vào áp suất xung quanh (Hình 2). Đó là một chiếc chảo có nắp đậy kín, bên dưới, trong quá trình hấp nước, áp suất không khí cùng với hơi nước đạt tới 2 áp suất khí quyển, dẫn đến nhiệt độ sôi của nước trong chảo tăng lên . Do đó, nước và thức ăn trong đó có cơ hội nóng lên đến nhiệt độ cao hơn bình thường () và quá trình nấu được đẩy nhanh. Vì hiệu ứng này mà thiết bị có tên như vậy.
Cơm. 2. Nồi áp suất()
Tình trạng nhiệt độ sôi của chất lỏng giảm khi áp suất khí quyển giảm cũng có một ví dụ từ cuộc sống, nhưng không còn là chuyện thường ngày đối với nhiều người. Ví dụ này áp dụng cho hành trình của những người leo núi ở vùng núi cao. Hóa ra ở những khu vực nằm ở độ cao 3000-5000 m, nhiệt độ sôi của nước do giảm áp suất khí quyển giảm xuống giá trị thấp hơn, dẫn đến khó khăn khi chuẩn bị thức ăn khi đi bộ đường dài, vì để xử lý nhiệt hiệu quả, sản phẩm trong trường hợp này, phải mất nhiều thời gian hơn đáng kể so với điều kiện bình thường. Ở độ cao khoảng 7000 m, nhiệt độ sôi của nước đạt tới 300 m khiến không thể nấu nhiều sản phẩm trong điều kiện như vậy.
Một số công nghệ tách các chất dựa trên thực tế là nhiệt độ sôi của các chất khác nhau là khác nhau. Ví dụ, nếu chúng ta xem xét dầu nóng, là một chất lỏng phức tạp bao gồm nhiều thành phần, thì trong quá trình đun sôi, nó có thể được chia thành nhiều chất khác nhau. Trong trường hợp này, do điểm sôi của dầu hỏa, xăng, naphtha và dầu nhiên liệu khác nhau nên chúng có thể tách ra khỏi nhau bằng cách hóa hơi và ngưng tụ ở nhiệt độ khác nhau. Quá trình này thường được gọi là phân đoạn (Hình 3).
Cơm. 3 Tách dầu thành các phần ()
Giống như bất kỳ quá trình vật lý nào, sự sôi phải được đặc trưng bằng một số giá trị số, giá trị này được gọi là nhiệt dung riêng của sự hóa hơi.
Để hiểu ý nghĩa vật lý của giá trị này, hãy xem xét ví dụ sau: lấy 1 kg nước và đun sôi, sau đó đo lượng nhiệt cần thiết để làm bay hơi hoàn toàn lượng nước này (không tính đến tổn thất nhiệt) - giá trị này sẽ bằng nhiệt dung riêng bay hơi của nước. Đối với một chất khác, giá trị nhiệt lượng này sẽ khác và sẽ là nhiệt dung riêng hóa hơi của chất đó.
Nhiệt dung riêng bay hơi hóa ra là một đặc tính rất quan trọng trong công nghệ sản xuất kim loại hiện đại. Chẳng hạn, hóa ra là trong quá trình nấu chảy và bay hơi của sắt với quá trình ngưng tụ và hóa rắn sau đó, một mạng tinh thể được hình thành với cấu trúc mang lại độ bền cao hơn mẫu ban đầu.
chỉ định: nhiệt dung riêng của sự hóa hơi và ngưng tụ (đôi khi được ký hiệu là ).
Đơn vị: .
Nhiệt dung riêng bay hơi của các chất được xác định bằng các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và giá trị của nó đối với các chất cơ bản được liệt kê trong bảng thích hợp.
|
Chất |