что показывает удельная теплота парообразования

Что показывает удельная теплота парообразования

Явление превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Парообразование может осуществляться в виде двух процессов: испарение и кипение.

Кипение

Второй процесс парообразования — кипение. Наблюдать этот процесс можно с помощью простого опыта, нагревая воду в стеклянной колбе. При нагревании воды в ней через некоторое время появляются пузырьки, в которых содержатся воздух и насыщенный водяной пар, который образуется при испарении воды внутри пузырьков. При повышении температуры давление внутри пузырьков растёт, и под действием выталкивающей силы они поднимаются вверх. Однако, поскольку температура верхних слоёв воды меньше, чем нижних, пар в пузырьках начинает конденсироваться, и они сжимаются. Когда вода прогреется по всему объёму, пузырьки с паром поднимаются до поверхности, лопаются, и пар выходит наружу. Вода кипит. Это происходит при такой температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках равно атмосферному давлению.

Процесс парообразования, происходящий во всем объёме жидкости при определённой температуре, называют кипением. Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения.

Эта температура зависит от атмосферного давления. При повышении атмосферного давления температура кипения возрастает.

Опыт показывает, что в процессе кипения температура жидкости не изменяется, несмотря на то, что извне поступает энергия. Переход жидкости в газообразное состояние при температуре кипения связан с увеличением расстояния между молекулами и соответственно с преодолением притяжения между ними. На совершение работы по преодолению сил притяжения расходуется подводимая к жидкости энергия. Так происходит до тех пор, пока вся жидкость не превратится в пар. Поскольку жидкость и пар в процессе кипения имеют одинаковую температуру, то средняя кинетическая энергия молекул не изменяется, увеличивается лишь их потенциальная энергия.

На рисунке приведён график зависимости температуры воды от времени в процессе её нагревания от комнатной температуры до температуры кипения (АВ), кипения (ВС), нагревания пара (CD), охлаждения пара (DE), конденсации (EF) и последующего охлаждения (FG).

Удельная теплота парообразования

Для превращения разных веществ из жидкого состояния в газообразное требуется разная энергия, эта энергия характеризуется величиной, называемой удельной теплотой парообразования.

Удельная теплота парообразования (L) — это величина, равная отношению количества теплоты, которое нужно сообщить веществу массой 1 кг, для превращения его из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения.

Единица удельной теплоты парообразования — [L] = Дж/кг.

Чтобы рассчитать количество теплоты Q, которое необходимо сообщить веществу массой тп для его превращения из жидкого состояния в газообразное, необходимо удельную теплоту парообразования (L) умножить на массу вещества: Q = Lm.

При конденсации пара выделяется некоторое количество теплоты, причем его значение равно значению количества теплоты, которое необходимо затратить для превращения жидкости в пар при той же температуре.

Конспект урока «Кипение. Удельная теплота парообразования».

Источник

Удельная теплота парообразования и конденсации

Содержание

Твердые кристаллические вещества переходят в жидкое состояние посредством плавления. Чтобы расплавить вещество, необходимо сообщить ему некоторое количество теплоты. И, наоборот, при кристаллизации (переходе жидкости в твердое состояние) энергия выделяется в окружающую среду.

Проведем аналогию с переходом жидкости в пар. Этот переход может быть осуществлен двумя способами: испарением или кипением. Кипение является тем же испарением, но более интенсивным. Очевидно, что для того, чтобы происходил процесс кипения, жидкости необходимо сообщать какое-то количество теплоты. Это количество теплоты будет идти на образование пара.

В данном уроке мы познакомимся с новым определением – удельной теплотой парообразования и конденсации. Вы узнаете формулу для расчета количества теплоты, необходимого для парообразования жидкости и научитесь ею пользоваться.

Удельная теплота парообразования

Вы уже знаете, что кипение происходит при определенной для каждой жидкости температуре. Количество теплоты, которое потребуется сообщить этим жидкостям одинаковой массы для превращения их в пар тоже будет различно.

Удельная теплота парообразования некоторых жидкостей

В таблице 1 приведены экспериментально полученные величины удельной теплоты парообразования некоторых жидкостей.

Таблица 1. Удельная теплота парообразования некоторых веществ (при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении)

Обратите внимание, что удельная теплота парообразования показывает количество теплоты, необходимое для превращения жидкости, взятой при ее температуре кипения, в пар.

Удельная теплота конденсации

Нужно ли сообщать пару энергию при его конденсации? Давайте рассмотрим простой опыт (рисунок 1).

Нальем в сосуд воду и закроем его пробкой. Через пробку проведем трубку и направим ее на кусочек охлажденного стекла. Доведем воду до кипения с помощью горелки.

Пар, поднимающийся над кипящей водой, будет конденсироваться, соприкасаясь с холодным стеклом. Если мы дотронемся до стекла, то обнаружим, что оно очень сильно нагрелось.

Так энергия пара передается стеклу. В результате этой потери энергии пар конденсируется. Если бы температура стекла была равна температуре пара, то теплопередача бы не происходила, и конденсат не образовывался бы.

Это говорит о том, что при конденсации пар отдает, выделяет энергию.

Более точные опыты также показывают, что

Конденсируясь, пар отдает то количество энергии, которое пошло на его образование.

Это довольно большая энергия, поэтому человечество стремится ее использовать. Например, на крупных тепловых электростанциях паром, который уже прошел через турбины, нагревают воду. Ее, в свою очередь, используют для отопления зданий и бытовых нужд.

Расчет количества теплоты, необходимого для парообразования

Из этой формулы при расчетах мы можем выражать массу ($m = \frac$) и удельную теплоту парообразования ($L = \frac$).

Примеры задач

Дано:
$m = 2 \space кг$
$t_1 = 20 \degree C$
$t_2 = 100 \degree C$
$c = 4200 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$
$L = 2.3 \cdot 10^6 \frac<Дж><кг>$

Показать решение и ответ

Решение:

$Q_1 = 4200 \frac<Дж> <кг \cdot \degree C>\cdot 2 \space кг \cdot (100 \degree C – 20 \degree C) = 8400 \frac<Дж> <\degree C>\cdot 80 \degree C = 672 \space 000 \space Дж \approx 0.7 \cdot 10^6 \space Дж$.

$Q_2 = 2.3 \cdot 10^6 \frac<Дж> <кг>\cdot 2 \space кг = 4.6 \cdot 10^6 \space Дж$.

Рассчитаем общее количество энергии, которое нам потребуется:
$Q = Q_1 + Q_2 = 0.7 \cdot 10^6 \space Дж + 4.6 \cdot 10^6 \space Дж = 5.3 \cdot 10^6 \space Дж$.

Дано:
$m = 2 \space кг$
$t_1 = 100 \degree C$
$t_2 = 0 \degree C$
$c = 4200 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$
$L = 2.3 \cdot 10^6 \frac<Дж><кг>$

Решение:

$Q_1 = Lm$.
$Q_1 = 2.3 \cdot 10^6 \frac<Дж> <кг>\cdot 2 \space кг = 4.6 \cdot 10^6 \space Дж$.

$Q_2 = cm (t_1 – t_2)$.
$Q_2 = 4200 \frac<Дж> <кг \cdot \degree C>\cdot 2 \space кг \cdot (100 \degree C – 0 \degree C) = 8400 \frac<Дж> <\degree C>\cdot 100 \degree C = 840 \space 000 \space Дж \approx 0.8 \cdot 10^6 \space Дж$.

$Q = 4.6 \cdot 10^6 \space Дж + 0.8 \cdot 10^6 \space Дж= 5.4 \cdot 10^6 \space Дж$.

Дано:
$V = 0.5 \space л$
$\rho = 1000 \frac<кг><м^3>$
$L = 2.3 \cdot 10^6 \frac<Дж><кг>$

СИ:
$0.5 \cdot 10^ <-3>\space м^3$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

Массу мы можем выразить через плотность и объем:
$m = \rho V$.

Тогда наша формула примет вид:
$Q = L\rho V$.

$Q = 2.3 \cdot 10^6 \frac<Дж> <кг>\cdot 1000\frac<кг> <м^3>\cdot 0.5 \cdot 10^ <-3>\space м^3 = 2.3 \cdot 10^6 \frac<Дж> <кг>\cdot 0.5 \space кг = 1.15 \cdot 10^6 \space Дж$.

Источник

Молекулярная физика. Кипение жидкости.

Кипение — это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

В отличие от испарения, которое происходит при любой температуре жидкости, другой вид парообразования — кипение — возможен лишь при совершенно определенной (при данном давлении) температуре — температуре кипения.

При нагревании воды в открытом стеклянном сосуде можно увидеть, что по мере увеличения температуры стенки и дно сосуда покрываются мелкими пузырьками. Они образуются в результате расширения мельчайших пузырьков воздуха, которые существуют в углублениях и микротре­щинах не полностью смачиваемых стенок сосуда.

Пары жидкости, которые находятся внутри пузырьков, являются насыщенными. С ростом температуры давление насыщенных паров возрастает, и пузырьки увеличиваются в размерах. С уве­личением объема пузырьков растет и действующая на них выталкивающая (архимедова) сила. Под действием этой силы наиболее крупные пузырьки отрываются от стенок сосуда и поднимаются вверх. Если верхние слои воды еще не успели нагреться до 100 °С, то в такой (более холодной) воде часть водяного пара внутри пузырьков конденсируется и уходит в воду; пузырьки при этом сокращаются в размерах, и сила тяжести заставляет их снова опускаться вниз. Здесь они опять увеличиваются и вновь начинают всплывать вверх. Попеременное увеличение и уменьшение пузырьков внутри во­ды сопровождается возникновением в ней характерных звуковых волн: закипающая вода шумит.

Когда вся вода прогреется до 100 °С, поднявшиеся вверх пузырьки уже не сокращаются в размерах, а лопаются на поверхности воды, выбрасывая пар наружу. Возникает характерное бульканье — вода кипит.

Кипение начинается после того, как давление насыщенного пара внутри пузырьков сравнивается с давлением в окружающей жидкости.

Во время кипения температура жидкости и пара над ней не меняется. Она сохраняется неизменной до тех пор, пока вся жидкость не выкипит. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия уходит на превращение ее в пар.

Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.

Температура кипения зависит от давления, оказываемого на свободную поверхность жидкос­ти. Это объясняется зависимостью давления насыщенного пара от температуры. Пузырек пара растет, пока давление насыщенного пара внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из внешнего давления и гидростатического давления столба жидкости.

Чем больше внешнее давление, тем больше температура кипения.

Всем известно, что вода кипит при температуре 100 ºC. Но не следует забывать, что это справедливо лишь при нормальном атмосферном давлении (примерно 101 кПа). При увеличении дав­ления температура кипения воды возрастает. Так, например, в кастрюлях-скороварках пищу варят под давлением около 200 кПа. Температура кипения воды при этом достигает 120°С. В воде такой температуры процесс варки происходит значительно быстрее, чем в обычном кипятке. Этим и объясняется название «скороварка».

И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Напри­мер, в горных районах (на высоте 3 км, где давление составляет 70 кПа) вода кипит при температуре 90 °С. Поэтому жителям этих районов, использующим такой кипяток, требуется значительно больше времени для приготовления пищи, чем жителям равнин. А сварить в этом кипятке, например, кури­ное яйцо вообще невозможно, так как при температуре ниже 100 °С белок не сворачивается.

У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, т. к. при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному. Например, при температуре кипения 100 °С давление насыщенных паров воды равно 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а паров ртути — всего лишь 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипит ртуть при 357°С при нормальном давлении.

Теплота парообразования.

Теплота парообразования (теплота испарения) — количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу (при постоянном давлении и постоянной температуре) для полного превращения жидкого вещества в пар.

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 r и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты, необходимое для парообразования (или выделяющееся при конденса­ции). Чтобы вычислить количество теплоты Q, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования r ум­ножить на массу m:

При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты:

Источник

Теплота плавления и парообразования

Изобретению уже известного вам жидконаполненного калориметра (см. § 06-в) предшествовало создание в ХVIII веке французами П.Лапласом и А.Лавуазье ледяного калориметра. Если при пользовании первым калориметром измеряют изменение температуры жидкости, то при пользовании вторым калориметром измеряют массу растаявшего льда. В ХVIII веке только так и можно было поступить, так как не было общепринятых методов измерения температуры.

Лаплас и Лавуазье опирались на труды своих предшественников, шотландца Д.Блэка и голландца И.Вильке, которые решили ввести в физику новое понятие: скрытая теплота.

Вильке, например, в 1772 году нагревал смесь воды и льда и обнаружил, что часть теплоты «исчезает». То есть пламя греет, а температура смеси не повышается (см. левую часть рисунка). В 1803 году Блэк описал постоянство температуры тающего льда, несмотря на приток теплоты. Отсюда он пришёл к понятию «скрытой теплоты плавления», как он её назвал.

Позже он установил наличие и «скрытой теплоты парообразования», поскольку вода кипит при постоянной температуре, несмотря на приток теплоты (см. правую часть рисунка). На основе своих наблюдений Блэк чётко разграничил термины «количество теплоты» и «количество температуры». Первый термин сохранился в физике до наших дней, хотя мы чаще говорим «тело получило 100 Дж теплоты» вместо «тело получило 100 Дж количества теплоты». Второй термин в наши дни употребляется исключительно как «температура».

Усилиями физиков конца XVIII–начала XIX веков установлено, что количество теплоты прямо пропорционально массе расплавившегося вещества или массе испарившейся жидкости. То есть во сколько раз больше масса вещества, которое перешло в другое состояние, во столько же раз больше нужно теплоты.

Далее показан современный вид формул для расчёта теплоты плавления и теплоты парообразования. Они, наряду с уже известной вам основной калориметрической формулой Q = cmΔt°, по сей день лежат в основе всех методов калориметрических измерений.

Количество теплоты, необходимое для плавления, зависит от массы плавящегося вещества и удельной теплоты плавления:

Удельная теплота плавления – физическая величина, показывающая количество теплоты, требуемое для превращения в жидкость 1 кг вещества без изменения его температуры. Коэффициенты «λ» для различных веществ, как правило, различны. Они измерены опытным путём и занесены в специальные таблицы (см. ниже).

Точные калориметрические измерения и опыты показывают, что при кристаллизации вещества (это процесс, обратный плавлению) выделяется такое же количество теплоты, какое было затрачено на образование расплава. Это – проявление закона сохранения энергии.

Количество теплоты, необходимое для парообразования, зависит от массы испаряющегося вещества и удельной теплоты парообразования:

Удельная теплота парообразования – физическая величина, показывающая количество теплоты, требуемое для превращения в пар 1 кг вещества без изменения его температуры. Коэффициенты «r» для различных веществ, как правило, различны. Они измерены опытным путём и занесены в специальные таблицы (см. ниже).

Точные калориметрические измерения и опыты показывают, что при конденсации вещества (это процесс, обратный парообразованию) выделяется такое же количество теплоты, какое было затрачено на образование пара. Это – проявление закона сохранения энергии.

Источник

Процесс кипения

Кипение — одна из основных разновидностей интенсивного парообразования, происходящего при повышении температуры жидкости. Нагревание происходит не только на поверхности жидкостного вещества, но и внутри него. Выделившаяся теплота распределяется неравномерно:

В результате внутренняя энергия газообразного вещества становится намного больше внутренней энергии жидкости.

Сам процесс кипения представляет собой процедуру перехода жидкостного вещества в пар. Для наглядного описания нагревания вещества и его перехода из первого агрегатного состояния в другое используются графики функций. В течение перехода происходит испарение с преобразованием воздушных пузырьков. Размеры пузырьков определяются их собственной формой и местоположением. Если они образовались на дне сосуда, то их величина и единицы определяются смачиваемостью стенок этой ёмкости. Чем более неоднородна поверхность сосуда, тем больше размер пузырьков воздуха.

При превышении допустимых размеров пузырек начинается лопаться. Во время этого процесса образуются разрывы и завихрения. Жидкость, из которой состоит оболочка воздушного пузырька, направляется внутрь. Столбик жидкости выбрасывается вверх, создавая звуковые волны различной частоты. Они сопровождаются обильным шумом. Этот режим кипения именуется пузырьковым.

А также существует пленочный режим кипения. Он наступает при увеличении тепловых потоков до предельно допустимых значений. Вокруг стенок сосуда образуется сплошной слой пара, представляющий собой непрерывную плёнку. Она не способна проводить большое количество тепла. Вся температура скапливается вокруг неё, из-за чего происходит резкое повышение температуры. Подобный эффект можно наблюдать при попадании капель воды на раскалённую поверхность.

В некоторых случаях жидкость может переходить из одного режима кипения в другой. Это может произойти при резком изменении величины теплового потока, возникающего во время передачи внутренней энергии. Если он превысил критическую отметку, устанавливаемую индивидуально для каждого вещества, то пузырьковый режим образования пара автоматически сменяется на пленочный. Обратный процесс происходит при повторном понижении значений теплового потока. На скорость сменяемости режимов также влияет объём нагреваемой жидкости.

Особенности реакции

Процесс парообразования можно подробно рассмотреть на примере кипения воды. Для проведения опыта понадобится 1 л жидкости комнатной температуры. В самом начале эксперимента вода насыщена кислородом. Нагревание следует производить в чайнике или иной ёмкости похожего строения. Для поддержания кипения воды нужно постоянно подводить теплоту. Выделяют следующие стадии кипения:

Зависимость температуры от давления

Процесс парообразования других жидкостей происходят аналогично кипению воды. Единственным отличием являются разные показатели кипения вещества. Температура кипения прямо пропорциональна давлению (при увеличении давления она становится больше, при уменьшении она автоматически понижается). При решении физических задач градус кипения даётся при стандартном атмосферном давлении.

Зависимость температуры кипения от давления лежит в основе работы скороварок. Это приспособление увеличивает атмосферное давление для более быстрого приготовления. Обратный эффект можно наблюдать в горах. На большой высоте величина давления уменьшается в 2 раза, что затрудняет процедуру приготовления еды для альпинистов.

Различие температур кипения жидкостей активно используется при переработке нефти. В её состав входит огромное количество керосина, бензина, мазута и лигроина. При создании нефтепродуктов необходимо отделить компоненты друг от друга. Для этого сырое вещество начинают нагревать. При достижении температуры кипения одна из жидкостей начинает испаряться. Таким образом, отделив лишние элементы, можно сделать состав нефти однородным.

Процесс конденсации

При конденсации газообразное вещество переходит в жидкое состояние. Это явление возникает при условии, что температура вещества ниже температуры кипения. Во время конденсации выделяется столько же энергии, сколько и во время испарения. Примером этого процесса может служить:

Конденсация также может происходить как в плёночном, так и капельном виде. Она способна осуществляться и во время парообразования жидкости. Частицы пара при перемещении над поверхностью жидкости начинают лопаться и возвращаются в жидкое состояние. Если же молекулы пара не вступают в прямой контакт с жидким веществом, то конденсация происходит в результате охлаждения газа в верхних слоях атмосферы.

Капли конденсата начинают объединяться в небольшие скопления. Примером подобного явления является процесс образования облаков на небе.

Предназначение и применение

Важнейшей характеристикой процесса кипения и конденсации является удельная ТП. Она показывает количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкостного вещества в пар. Эта величина рассчитывается без учёта потерь теплоты. Теплоемкость измеряется путём определения количества теплоты, которое было затрачено за период нагревания жидкости до температуры кипения.

В современной физике она обозначается буквой L (лямбда). Измеряется эта характеристика в Дж/кг. В следующей таблице представлены значения удельной теплоты парообразования для основных жидкостей:

Удельная теплота преобразования применяется в производственных масштабах. С её помощью происходит создание железных материалов и плавление железа. Когда этот металл находится в жидком состоянии, он обладает кристаллической решёткой. При ее помощи мастер определяет количество теплоты, требуемое для нагревания железа, не влияя на состояние её кристаллической решётки.

В нефтяном секторе также применяется теплота парообразования, характеризующая оборудование для переработки нефти.

В теоретической физике УТП используется преимущественно для решения задач на тепловые явления. Если в условии задания указано, что жидкость достигла своей температуры кипения, то можно найти величину количества теплоты. Согласно формуле, удельная теплота парообразования, умноженная на исходную массу вещества, будет равна количеству теплоты, которое выделилось во время кипения жидкости. В математическом виде формула записывается следующим образом: Q = L * m. Q — количество теплоты (Дж), L — удельная ТП (Дж/кг), m — масса жидкого вещества (кг).

Если в задаче рассматривается процесс конденсации, то для нахождения количества теплоты необходимо применить аналогичную формулу. Ответ записывается с противоположным знаком, но очень часто его не учитывают, указывая лишь модуль полученного числа.

Источник