Кипение. Удельная теплота парообразования и конденсации. Скрытая теплота парообразования

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, как мы видели, тоже испарение, только сопровождается оно быстрым образованием и ростом пузырьков пара. Очевидно, что во время кипения необходимо подводить к жидкости определённое количество теплоты. Это количество теплоты идёт на образование пара. Причём различные жидкости одной и той же массы требуют разное количество теплоты для обращения их в пар при температуре кипения.

Опытами было установлено, что для испарения воды массой 1 кг при температуре 100 °С требуется 2,3 10 6 Дж энергии. Для испарения эфира массой 1 кг, взятого при температуре 35 °С, необходимо 0,4 10 6 Дж энергии.

Следовательно, чтобы температура испаряющейся жидкости не изменялась, к жидкости необходимо подводить определённое количество теплоты.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.

Удельную теплоту парообразования обозначают буквой L. Её единица - 1 Дж/кг.

Опытами установлено, что удельная теплота парообразования воды при 100 °С равна 2,3 10 6 Дж/кг. Иными словами, для превращения воды массой 1 кг в пар при температуре 100 °С требуется 2,3 10 6 Дж энергии. Следовательно, при температуре кипения внутренняя энергия вещества в парообразном состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в жидком состоянии.

Таблица 6.
Удельная теплота парообразования некоторых веществ (при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении)

Соприкасаясь с холодным предметом, водяной пар конденсируется (рис. 25). При этом выделяется энергия, поглощённая при образовании пара. Точные опыты показывают, что, конденсируясь, пар отдаёт то количество энергии, которое пошло на его образование.

Рис. 25. Конденсация пара

Следовательно, при превращении 1 кг водяного пара при температуре 100 °С в воду той же температуры выделяется 2,3 10 6 Дж энергии. Как видно из сравнения с другими веществами (табл. 6), эта энергия довольно велика.

Освобождающаяся при конденсации пара энергия может быть использована. На крупных тепловых электростанциях отработавшим в турбинах паром нагревают воду.

Нагретую таким образом воду используют для отопления зданий, в банях, прачечных и для других бытовых нужд.

Чтобы вычислить количество теплоты Q, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования L умножить на массу m:

Из этой формулы можно определить, что

m = Q / L, L = Q / m

Количество теплоты, которое выделяет пар массой т, конденсируясь при температуре кипения, определяется по той же формуле.

Пример . Какое количество энергии требуется для превращения воды массой 2 кг, взятой при температуре 20 °С, в пар? Запишем условие задачи и решим её.

Вопросы

1. На что расходуется энергия, подводимая к жидкости при кипении?
2. Что показывает удельная теплота парообразования?
3. Как можно показать на опыте, что при конденсации пара выделяется энергия?
4. Чему равна энергия, выделяемая водяным паром массой 1 кг при конденсации?
5. Где в технике используют энергию, выделяемую при конденсации водяного пара?

Упражнение 16

1. Как надо понимать, что удельная теплота парообразования воды равна 2,3 10 6 Дж/кг?
2. Как надо понимать, что удельная теплота конденсации аммиака равна 1,4 10 6 Дж/кг?
3. У какого из приведённых в таблице 6 веществ при обращении из жидкого состояния в пар внутренняя энергия увеличивается больше? Ответ обоснуйте.
4. Какое количество энергии требуется для обращения воды массой 150 г в пар при температуре 100 °С?
5. Какое количество энергии нужно затратить, чтобы воду массой 5 кг, взятую при температуре 0 °С, довести до кипения и испарить её?
6. Какое количество энергии выделит вода массой 2 кг при охлаждении от 100 до 0 °С? Какое количество энергии выделится, если вместо воды взять столько же пара при 100 °С?

Задание

1. По таблице 6 определите, у какого из веществ при обращении из жидкого состояния в пар внутренняя энергия увеличивается сильнее. Ответ обоснуйте.
2. Подготовьте доклад на одну из тем (по выбору).
3. Как образуется роса, иней, дождь и снег.
4. Круговорот воды в природе.
5. Литьё металлов.

Для того чтобы поддерживать кипение воды (или иной жидкости), к ней нужно непрерывно подводить теплоту, например подогревать ее горелкой. При этом температура воды и сосуда не повышается, но за каждую единицу времени образуется определенное количество пара. Из этого следует вывод, что для превращения воды в пар требуется приток теплоты, подобно тому как это имеет место при превращении кристалла (льда) в жидкость (§ 269). Количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар той же температуры, называют удельной теплотой парообразования данной жидкости. Она выражается в джоулях на килограмм .

Нетрудно сообразить, что при конденсации пара в жидкость должно выделяться такое же количество теплоты. Действительно, опустим в стакан с водой трубку, соединенную с кипятильником (рис. 488). Через некоторое время после начала нагревания из конца трубки, опущенной в воду, начнут выходить пузыри воздуха. Этот воздух мало повышает температуру воды. Затем вода в кипятильнике закипит, после чего мы увидим, что пузыри, выходящие из конца трубки, уже не поднимаются вверх, а быстро уменьшаются и с резким звуком исчезают. Это - пузыри пара, конденсирующиеся в воду. Как только вместо воздуха из кипятильника пойдет пар, вода начнет быстро нагреваться. Так как удельная теплоемкость пара примерно такая же, как и воздуха, то из этого наблюдения следует, что столь быстрое нагревание воды происходит именно вследствие конденсации пара.

Рис. 488. Пока из кипятильника идет воздух, термометр показывает почти одну и ту же температуру. Когда вместо воздуха пойдет пар и начнет конденсироваться в стаканчике, столбик термометра быстро поднимется, показывая повышение температуры

При конденсации единицы массы пара в жидкость той же температуры выделяется количество теплоты, равное удельной теплоте парообразования. Это можно было предвидеть на основании закона сохранения энергии. Действительно, если бы это было не так, то можно было бы построить машину, в которой жидкость сначала испарялась, а затем конденсировалась: разность между теплотой парообразования и теплотой конденсации представляла бы приращение полной энергии всех тел, участвующих в рассматриваемом процессе. А это противоречит закону сохранения энергии.

Удельную теплоту парообразования можно определить с помощью калориметра, подобно тому, как это делается при определении удельной теплоты плавления (§ 269). Нальем в калориметр определенное количество воды и измерим ее температуру. Затем некоторое время будем вводить в воду пар испытуемой жидкости из кипятильника, приняв меры к тому, чтобы шел только пар, без капелек жидкости. Для этого пар пропускают сквозь сухопарник (рис. 489). После этого вновь измерим температуру воды в калориметре. Взвесив калориметр, мы можем по увеличению его массы судить о количестве пара, сконденсировавшегося в жидкость.

Рис. 489. Сухопарник - приспособление для задержания капелек воды, движущихся вместе с паром

Пользуясь законом сохранения энергии, можно составить для этого процесса уравнение теплового баланса, позволяющее определить удельную теплоту парообразования воды. Пусть масса воды в калориметре (включая водяной эквивалент калориметра) равна масса пара - , теплоемкость воды - , начальная и конечная температура воды в калориметре - и , температура кипения воды - и удельная теплота парообразования - . Уравнение теплового баланса имеет вид

.

Результаты определения удельной теплоты парообразования некоторых жидкостей при нормальном давлении приведены в табл. 20. Как видно, эта теплота довольно велика. Большая теплота парообразования воды играет исключительно важную роль в природе, так как процессы парообразования совершаются в природе в грандиозных масштабах.

Таблица 20. Удельная теплота парообразования некоторых жидкостей

Отметим, что содержащиеся в таблице значения удельной теплоты парообразования относятся к температуре кипения при нормальном давлении. Если жидкость кипит или просто испаряется при иной температуре, то ее удельная теплота парообразования иная. При повышении температуры жидкости теплота парообразования всегда уменьшается. Объяснение этого мы рассмотрим позже.

295.1. Определите количество теплоты, необходимое для нагревания до температуры кипения и для превращения в пар 20 г воды при .

295.2. Какая получится температура, если в стакан, содержащий 200 г воды при , впустить 3 г пара при ? Теплоемкостью стакана пренебречь.

Эти знания быстро улетучиваются, и постепенно люди прекращают обращать внимание на сущность привычных явлений. Иногда бывает полезно вспомнить теоретические знания.

Определение

Что такое кипение? Это физический процесс, в ходе которого происходит интенсивное парообразование как на свободной поверхности жидкости, так и внутри ее структуры. Одним из признаков кипения является образование пузырьков, которые состоят из насыщенного пара и воздуха.

Стоит отметить существование такого понятия, как температура кипения. От давления также зависит скорость образования пара. Оно должно быть постоянным. Как правило, основной характеристикой жидких химических веществ является температура кипения при нормальном атмосферном давлении. Тем не менее на данный процесс также могут оказать влияние такие факторы, как интенсивность звуковых волн, ионизация воздуха.

Стадии кипения воды

Непременно начинает образовываться пар во время такой процедуры, как нагревание. Кипение подразумевает прохождение жидкости через 4 стадии:

1. На дне сосуда, а также на его стенках начинают образовываться небольшие пузырьки. Это является результатом того, что в трещинках материала, из которого изготовлена емкость, содержится воздух, который расширяется под воздействием высокой температуры.
2. Пузырьки начинают увеличиваться в объеме, в результате чего они вырываются на поверхность воды. Если верхний слой жидкости еще не достиг температуры кипения, полости опускаются ко дну, после чего снова начинают стремиться вверх. Этот процесс приводит к образованию звуковых волн. Именно поэтому во время кипения воды мы можем услышать шум.
3. На поверхность выплывает наибольшее количество пузырьков, что создает впечатление После этого жидкость бледнеет. Учитывая визуальный эффект, данную стадию кипения называют "белым ключом".
4. Наблюдается интенсивное бурление, которое сопровождается образованием больших пузырей, которые быстро лопаются. Этот процесс сопровождается появлением брызг, а также интенсивным образованием пара.

Удельная теплота парообразования

Практически ежедневно мы сталкиваемся с таким явлением, как кипение. Удельная теплота парообразования представляет собой физическую величину, которая определяет количество теплоты. С ее помощью жидкое вещество может быть обращено в пар. Для того чтобы рассчитать данный параметр, нужно разделить показатель теплоты испарения на массу.

Как происходит измерение

Показатель удельной измеряется в лабораторных условиях путем проведения соответствующих экспериментов. Они включают в себя следующие действия:

• отмеряется необходимое количество жидкости, которое затем переливается в калориметр;
• проводится первоначальный замер температуры воды;
• на горелку устанавливается колба с заранее помещенным в нее исследуемым веществом;
• пар, выделяемый исследуемым веществом, запускается в калориметр;
• производится повторный замер температуры воды;
• калориметр подвергается взвешиванию, что позволяет вычислить массу сконденсированного пара.

Пузырьковый режим кипения

Разбираясь с вопросом о том, что такое кипение, стоит отметить, что оно имеет несколько режимов. Так, при нагревании пар может образовываться в виде пузырей. Они периодически растут и лопаются. Такой режим кипения называется пузырьковым. Обычно полости, наполненные паром образуются именно у стенок сосуда. Это связано с тем, что они, как правило, перегреты. Это необходимое условие для кипения, ведь в противном случае пузырьки будут схлопываться, не достигая больших размеров.

Пленочный режим кипения

Что такое кипение? Проще всего объяснить этот процесс как парообразование при определенной температуре и постоянном давлении. Помимо пузырькового режима, выделяют также пленочный. Его сущность состоит в том, что при усилении теплового потока отдельные пузырьки объединяются, образуя паровой слой на стенках сосуда. При достижении критического показателя они прорываются на поверхность воды. Данный режим кипения отличается тем, что степень теплопередачи от стенок сосуда к самой жидкости значительно снижается. Причиной этому становится та самая паровая пленка.

Температура кипения

Стоит отметить, что существует зависимость температуры кипения от давления, которое оказывается на поверхность нагреваемой жидкости. Так, принято считать, что вода кипит при нагревании до 100 градусов Цельсия. Тем не менее данный показатель можно считать справедливым лишь в том случае, если показатель атмосферного давления будет считаться нормальным (101 кПа). Если же оно будет увеличиваться, температура кипения также поменяется в сторону повышения. Так, например, в популярных кастрюлях-скороварках давление равно примерно 200 кПа. Таким образом, температура кипения повышается на 20 пунктов (до 20 градусов).

Примером низкого атмосферного давления можно считать горные районы. Так, учитывая, что там оно достаточно небольшое, вода начинает закипать при температуре около 90 градусов. Жителям подобных районов приходится тратить намного больше времени на приготовление пищи. Так, например, чтобы сварить яйцо, придется нагреть воду не меньше, чем на 100 градусов, иначе белок не свернется.

Кипение вещества зависит от показателя давления насыщенного пара. Влияние его на температуру обратно пропорционально. Например, ртуть закипает при нагревании до 357 градусов Цельсия. Это можно объяснить тем, что давление насыщенных паров равно всего лишь 114 Па (для воды данный показатель составляет 101 325 Па).

Кипение в разных условиях

В зависимости от условий и состояния жидкости, температура кипения может существенно отличаться. Например, стоит добавить в жидкость соль. Ионы хлора и натрия размещаются между молекулами воды. Таким образом, на закипание требуется на порядок больше энергии, а соответственно - времени. Кроме того, такая вода образует намного меньше пара.

Чайник используется для кипячения воды в бытовых условиях. Если используется чистая жидкость, то температура данного процесса составляет стандартные 100 градусов. При аналогичных условиях закипает дистиллированная вода. Тем не менее будет затрачено немного меньше времени, если учесть отсутствие посторонних примесей.

Чем отличается кипение от испарения

Всякий раз, когда происходит кипение воды, пар выделяется в атмосферу. Но эти два процесса нельзя отождествлять. Они являются лишь способами парообразования, которое происходит при определенных условиях. Так, кипение - это первого рода. Данный процесс является более интенсивным, чем обусловлено образованием паровых очагов. Также стоит отметить, что процесс испарения происходит исключительно на поверхности воды. Кипение же касается всего объема жидкости.

От чего зависит испарение

Испарение представляет собой процесс преобразования жидкого или твердого вещества в газообразное состояние. Происходит "вылетание" атомов и молекул, связь которых с остальными частицами оказывается ослабленной под воздействием определенных условий. Скорость испарения может изменяться под влиянием следующих факторов:

• площадь поверхности жидкости;
• температура самого вещества, а также окружающей среды;
• скорость движения молекул;
• вид вещества.

Энергия кипения воды широко используется человеком в быту. Данный процесс стал настолько обыденным и привычным, что никто не задумывается о его природе и особенностях. Тем не менее с кипением связан целый ряд интересных фактов:

• Наверное, все замечали, что в крышке чайника есть отверстие, но мало кто задумывается о его предназначении. Оно проделывается с той целью, чтобы частично выпускать пар. В противном случае вода может расплескаться через носик.
• Продолжительность варки картофеля, яиц и прочих продуктов питания не зависит от того, насколько мощным является нагреватель. Имеет значение лишь тот факт, как долго они находились под воздействием кипящей воды.
• На такой показатель, как температура кипения, никак не влияет мощность нагревательного прибора. Она может сказаться лишь на скорости испарения жидкости.
• Кипение связано не только с нагреванием воды. При помощи данного процесса можно также заставить жидкость замерзнуть. Так, в процессе кипения нужно производить непрерывную откачку воздуха из сосуда.
• Одна из самых актуальных проблем для хозяек заключается в том, что молоко может "убежать". Так, риск этого явления значительно повышается во время ухудшения погоды, которое сопровождается падением атмосферного давления.
• Самый горячий кипяток получается в глубоких подземных шахтах.
• Путем экспериментальных исследований ученым удалось установить, что на Марсе вода закипает при температуре 45 градусов Цельсия.

Может ли вода кипеть при комнатной температуре?

Путем несложных подсчетов ученым удалось установить, что вода может закипеть при на уровне стратосферы. Аналогичные условия можно воссоздать при помощи вакуумного насоса. Тем не менее подобный опыт можно провести и в более простых, приземленных условиях.

В литровой колбе нужно вскипятить 200 мл воды, а когда емкость заполнится паром, ее нужно плотно закрыть, снять с огня. Поместив ее над кристаллизатором, нужно дождаться окончания процесса кипения. Далее колбу обливают холодной водой. После этого в емкости снова начнется интенсивное кипение. Это связано с тем, что под воздействием низкой температуры пар, находящийся в верхней части колбы, опускается.

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость - это количество тепла в Джоулях (Дж), необходимое для повышения температуры вещества. Удельная теплоемкость является функцией температуры. Для газов необходимо проводить различие между удельной теплоемкостью при постоянном давлении и при постоянном объеме.

Удельная теплота плавления

Удельная теплота плавления твердого вещества - это количество тепла в Дж, необходимое для перевода 1 кг вещества из твердого состояния в жидкое при температуре плавления.

Скрытая теплота парообразования

Скрытая теплота парообразования жидкости - это количество тепла в Дж, необходимое для испарения 1 кг жидкости при температуре кипения. Скрытая теплота парообразования сильно зависит от давления. Пример: если к емкости, содержащей 1 кг воды при 100С (на уровне моря) подвести тепло, вода поглотит 1023 кДж скрытого тепла без какого-либо изменения в показаниях термометра. Однако, произойдет изменение агрегатного состояния из жидкости в пар. Поглощенное водой тепло называется скрытой теплотой парообразования. Пар сохранит 1023 кДж, поскольку эта энергия требовалась для изменения агрегатного состояния.

Скрытая теплота конденсации

При обратном процессе, когда тепло отводится от 1 кг водяного пара при 100С (на уровне моря), пар выделит 1023 кДж тепла без изменения в показаниях термометра. Однако, произойдет изменение агрегатного состояния из пара в жидкость. Поглощенное водой тепло называется скрытой теплотой конденсации.

1. Температура и давление

Тепловые измерения

Температура, или ИНТЕНСИВНОСТЬ тепла, измеряется термометром. Большинство зна­чений температуры в данном руководстве приводятся в градусах Цельсия (С), однако иногда используются и градусы Фаренгейта (F). Значение температуры говорит только об интенсивности тепла или о ЯВНОМ ТЕПЛЕ, а не о действительном количестве тепла. Ком­фортная температура для человека находится в пределах от 21 до 27С. В этом диапазоне температур человек чувствует себя наиболее комфортно. Когда любая температура выше или ниже этого диапазона, человек воспринимает это как теплое или холодное. В науке существуют понятие «абсолютный ноль» - температура, при которой от тела отведено все тепло. Температура абсолютного нуля определяется как –273°C. Любое вещество при температуре выше абсолютного нуля содержит некоторое количество тепла. Для понима­ния основ кондиционирования воздуха также необходимо понимать связь между давле­нием, температурой и агрегатным состоянием. Наша планета окружена воздухом, иначе говоря газом. Давление в газе передается во всех направлениях одинаково. Окружающий нас газ состоит на 21% из кислорода и на 78% из азота. Остающийся 1% занимают другие редкие газы. Эта комбинация газов называется атмосферой. Она простирается на несколь­ко сотен километров над земной поверхностью и удерживается силой гравитации. На уров­не моря атмосферное давление составляет 1,0 бар, а точка кипения воды - 100С. В лю­бой точке выше уровня моря атмосферное давление ниже, а также ниже температура кипе­ния воды. При понижении давления до 0,38 бар, температура кипения воды составляет 75С, а при давлении 0,12 бар - 50С. Если на точку кипения воды влияет уменьшение давления, логично предположить, что увеличение давления также на нее повлияет. Пример - пароварочный котел!

Дополнительная информация: как перевести градусы Фаренгейта в градусы Цельсия и наоборот: C = 5/9 × (F – 32). F = (9/5 × C)+32. Кельвин = C + 273. Ренкин = F + 460.