Количество теплоты для парообразования формула. Определение удельной теплоты парообразования воды

На этом уроке мы уделим внимание такому виду парообразования, как кипение, обсудим его отличия от рассмотренного ранее процесса испарения, введем такую величину, как температура кипения, и обсудим, от чего она зависит. В конце урока введем очень важную величину, описывающую процесс парообразования - удельную теплоту парообразования и конденсации.

Тема: Агрегатные состояния вещества

Урок: Кипение. Удельная теплота парообразования и конденсации

На прошлом уроке мы уже рассмотрели один из видов парообразования - испарение - и выделили свойства этого процесса. Сегодня мы обсудим такой вид парообразования, как процесс кипения, и введем величину, которая численно характеризует процесс парообразования - удельная теплота парообразования и конденсации.

Определение. Кипение (рис. 1) - это процесс интенсивного перехода жидкости в газообразное состояние, сопровождающийся образованием пузырьков пара и происходящий по всему объему жидкости при определенной температуре, которую называют температурой кипения.

Сравним два вида парообразования между собой. Процесс кипения более интенсивен, чем процесс испарения. Кроме того, как мы помним, процесс испарения протекает при любой температуре выше температуры плавления, а процесс кипения - строго при определенной температуре, которая является различной для каждого из веществ и называется температурой кипения. Еще следует отметить, что испарение происходит только со свободной поверхности жидкости, т. е. с области, разграничивающей ее с окружающими газами, а кипение - сразу со всего объема.

Более подробно рассмотрим протекание процесса кипения. Представим ситуацию, с которой многие из нас неоднократно сталкивались, - это нагревание и кипячение воды в некотором сосуде, например, в кастрюле. В ходе нагревания воде будет передаваться определенное количество теплоты, что будет приводить к увеличению ее внутренней энергии и увеличению активности движения молекул. Этот процесс будет протекать до определенного этапа, пока энергия движения молекул не станет достаточной для начала кипения.

В воде присутствуют растворенные газы (или другие примеси), которые выделяются в ее структуре, что приводит к так называемому возникновению центров парообразования. Т. е. именно в этих центрах начинает происходить выделение пара, и по всему объему воды образовываются пузырьки, которые наблюдаются при кипении. Важно понимать, что в этих пузырьках находится не воздух, а именно пар, который образовывается в процессе кипения. После образования пузырьков количество пара в них растет, и они начинают увеличиваться в размерах. Зачастую, изначально пузырьки образуются вблизи стенок сосуда и не сразу поднимаются на поверхность; сначала они, увеличиваясь в размерах, оказываются под воздействием нарастающей силы Архимеда, а затем отрываются от стенки и поднимаются на поверхность, где лопаются и высвобождают порцию пара.

Стоит отметить, что далеко не сразу все пузырьки пара достигают свободной поверхности воды. В начале процесса кипения вода прогрета еще далеко не равномерно и нижние слои, вблизи которых происходит непосредственно процесс теплопередачи, еще горячее верхних, даже с учетом процесса конвекции. Это приводит к тому, что поднимающиеся снизу пузырьки пара схлопываются из-за явления поверхностного натяжения, еще не доходя до свободной поверхности воды. При этом пар, который находился внутри пузырьков, переходит в воду, тем самым дополнительно нагревая ее и ускоряя процесс равномерного прогрева воды по всему объему. В результате, когда вода прогревается практически равномерно, почти все пузырьки пара начинают достигать поверхности воды и начинается процесс интенсивного парообразования.

Важно выделить тот факт, что температура, при которой проходит процесс кипения, остается неизменной даже в том случае, если увеличивать интенсивность подвода тепла к жидкости. Простыми словами, если в процессе кипения прибавить газ на конфорке, которая разогревает кастрюлю с водой, то это приведет только к увеличению интенсивности кипения, а не к увеличению температуры жидкости. Если углубляться более серьезно в процесс кипения, то стоит отметить, что в воде возникают области, в которых она может быть перегрета выше температуры кипения, но величина такого перегрева, как правило, не превышает одного-пары градусов и незначительна в общем объеме жидкости. Температура кипения воды при нормальном давлении составляет 100°С.

В процессе кипения воды можно заметить, что он сопровождается характерными звуками так называемого бурления. Эти звуки возникают как раз из-за описанного процесса схлопывания пузырьков пара.

Процессы кипения других жидкостей протекают аналогичным образом, что и кипение воды. Основное отличие в этих процессах составляют различные температуры кипения веществ, которые при нормальном атмосферном давлении являются уже измеренными табличными величинами. Укажем основные значения этих температур в таблице.

Интересен тот факт, что температура кипения жидкостей зависит от величины атмосферного давления, поэтому мы и указывали, что все значения в таблице приведены при нормальном атмосферном давлении. При возрастании давления воздуха возрастает и температура кипения жидкости, при уменьшении, наоборот, уменьшается.

На этой зависимости температуры кипения от давления окружающей среды основан принцип работы такого известного кухонного прибора, как скороварка (рис. 2). Она представляет собой кастрюлю с плотно закрывающейся крышкой, под которой в процессе парообразования воды давление воздуха с паром достигает значения до 2 атмосферных давлений, что приводит к увеличению температуры кипения воды в ней до . Из-за этого вода с продуктами в ней имеют возможность нагреться до температуры выше, чем обычно (), и процесс приготовления ускоряется. Из-за такого эффекта устройство и получило свое название.

Рис. 2. Скороварка ()

Ситуация с уменьшением температуры кипения жидкости с понижением атмосферного давления также имеет пример из жизни, но уже не повседневной для многих людей. Относится такой пример к путешествиям альпинистов в высокогорных районах. Оказывается, что в местности, находящейся на высоте 3000-5000 м, температура кипения воды из-за уменьшения атмосферного давления снижается до и более низких значений, что приводит к сложностям при приготовлении пищи в походах, т. к. для эффективной термической обработки продуктов в таком случае требуется значительно большее время, чем при нормальных условиях. На высотах около 7000 м температура кипения воды доходит до , что приводит к невозможности приготовления многих продуктов в таких условиях.

На том, что температуры кипения различных веществ отличаются, основаны некоторые технологии разделения веществ. Например, если рассматривать нагревание нефти, которая представляет собой сложную жидкость, состоящую из множества компонентов, то в процессе кипения ее можно будет разделить на несколько различных веществ. В данном случае, благодаря тому, что температуры кипения керосина, бензина, лигроина и мазута различны, их можно отделить друг от друга путем парообразования и конденсации при различных температурах. Такой процесс, как правило, называют разделением на фракции (рис. 3).

Рис. 3 Разделение нефти на фракции ()

Как и любой физический процесс, кипение необходимо характеризовать с помощью какой-то численной величины, такую величину называют удельной теплотой парообразования.

Для того чтобы понять физический смысл этой величины, рассмотрим следующий пример: возьмем 1 кг воды и доведем ее до температуры кипения, затем замерим, какое количество теплоты необходимо для того, чтобы полностью испарить эту воду (без учета тепловых потерь) - эта величина и будет равна удельной теплоте парообразования воды. Для другого вещества это значение теплоты будет другим и будет являться удельной теплотой парообразования этого вещества.

Удельная теплота парообразования оказывается очень важной характеристикой в современных технологиях производства металлов. Оказывается, что, например, при плавлении и испарении железа с его последующей конденсацией и затвердеванием образуется кристаллическая решетка с такой структурой, которая обеспечивает более высокую прочность, чем исходный образец.

Обозначение : удельная теплота парообразования и конденсации (иногда обозначается ).

Единица измерения : .

Удельная теплота парообразования веществ определяется с помощью экспериментов в лабораторных условиях, и ее значения для основных веществ занесены в соответствующую таблицу.

Приборы и принадлежности, используемые в работе:

2. Паропровод (резиновая трубка).

3. Калориметр.

4. Электроплитка.

5. Термометр.

6. Технические весы с разновесом.

7. Мензурка.

Цель работы:

Научиться опытным путем определять удельную теплоту парообразования воды.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

В процессе обмена энергией, между веществом и окружающей средой возможен переход вещества из одного агрегатного состояния в другое (из одного фазового состояния в другое).

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием.

Парообразование происходит в виде испарения и кипения.

Парообразование, которое происходит только со свободной поверхности жидкости, называется испарением .

Испарение происходит при любой температуре жидкости, но с повышением температуры скорость испарения жидкости возрастает.

Испаряющаяся жидкость может охлаждаться, если к ней не подводится интенсивно теплота извне, или нагреваться, теплота извне подводится интенсивно.

Парообразование, которое происходит по всему объему жидкости и при постоянной температуре, называется кипением.

Температура кипения зависит от внешнего давления на поверхность жидкости.

Температура кипения жидкости при нормальном атмосферном давлении называется точкой кипения данной жидкости.

При парообразовании внутренняя энергия вещества увеличивается, поэтому для превращения жидкости в пар к ней надо подводить теплоту в процессе теплообмена.

Количество теплоты , необходимое для превращения жидкости в пар при неизменной температуре, называется теплотой парообразования.

Величина прямо пропорциональна массе жидкости, превращенной в пар:

Величина g, характеризующая зависимость теплоты парообразования от рода вещества и от внешних условий, называется удельной теплотой парообразования . Удельная теплота парообразования измеряется количеством теплоты, необходимым для превращения в пар единицы массы жидкости при неизменной температуре:

В СИ удельная теплота парообразования измеряется в .

Величина зависит от температуры, при которой происходит парообразование. Опыт показывает, что при повышении температуры удельная теплота парообразования уменьшается. На приведенном графике (рис. 1) показана зависимость от для воды.

В данной работе определяется удельная теплота парообразования воды с помощью процесса кипения, используя уравнение теплового баланса при конденсации водяного пара. Для этого берут калориметр (К) (см. рис. 2), в котором находится вода при температуре , водяной пар, имеющий температуру кипения , из колбы по паропроводу П вводится в холодную воду калориметра, где он конденсируется.

Через некоторое время трубку паропровода вынимают и измеряют температуру , установившуюся в калориметре и определяют массу введённого в калориметр пара.

Затем составляется уравнение теплового баланса.

При конденсации пара массой , выделяется теплота .

где - удельная теплота конденсации (она же удельная теплота парообразования). Сконденсировавшийся пар превращается в воду при температуре , которая затем, остывая до температуры , выделит теплоту .

(4)

Выделяемую при конденсации пара и охлаждения горячей воды теплоту получает калориметр и вода в нём. За счёт этого они нагреваются от температуры , до температуры . Теплота, полученная калориметром и холодной водой, в нём вычисляется по формуле:

Уравнение теплового баланса составляется в соответствии с законом сохранения энергии при теплообмене.

При теплообмене сумма количеств теплоты, отданных всеми телами, у которых внутренняя энергия уменьшается, равна сумме количеств теплоты, полученных всеми телами, у которых внутренняя энергия увеличивается:

(6)

В нашем случае для теплообмена, который произошёл в калориметре, считаем, что потерь тепла в окружающую среду нет. Поэтому уравнение (6) запишем в виде: или

Из этого уравнения получаем рабочую формулу для вычисления величины по результатам опыта:

2. ХОД РАБОТЫ.

1. Составить таблицу, в которую будут заноситься результаты измерений и вычислений по форме, приведенной в конце описания.

2. Взвесить внутренний сосуд калориметра, полученное значение занести в таблицу.

3. С помощью мензурки отмерить 150 200 мл холодной воды налить её в калориметр и измерить массу внутреннего сосуда калориметра с водой (m 2). Найти массу воды:

m в = m 2 – m к

Массу холодной воды записать в таблицу.

4. Измерить начальную температуру калориметра и воды в нём Значение , записать в таблицу.

5. Опустить наконечник паропровода в воду калориметра и впускать пар до тех пор, пока температура воды не повысится на 30°К - 35°К (q-температура после теплообмена).

6. Взвесить внутренний стакан калориметра и определить массу сконденсированного пара. Полученный результат запишите в таблицу. ()

7. Значения удельных теплоёмкостей воды и вещества калориметра (алюминия) и табличное значение удельной теплоты парообразования воды даны в таблице результатов измерений и вычислений.

8. По формуле (7) вычислить удельную теплоту парообразования воды.

9. Вычислить абсолютную и относительную погрешность полученного результата относительно табличного результата по формулам:

;

10. Сделать вывод о проделанной работе и полученном результате удельной теплоты парообразования воды.

ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ

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:

Однако этот показатель может изменяться под действием определенных факторов:

1. 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

2. 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	-

3. 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

1. Удельная теплота испарения воды измеряется в физических лабораториях экспериментальным путем. Для этого используют калориметры. Процедура выглядит следующим образом:
2. Определенное количество жидкости заливают в калориметр.

Из §§ 2.5 и 7.2 следует, что при парообразовании внутренняя энергия вещества увеличивается, а при конденсации - уменьшается. Поскольку при этих процессах температуры жидкости и ее пара могут быть равными, изменение внутренней энергии вещества происходит только за счет изменения потенциальной энергии молекул. Итак, при одной и той же температуре единица массы жидкости имеет меньшую внутреннюю энергию, чем единица массы ее пара.

Опыт показывает, что плотность вещества в процессе парообразования сильно уменьшается, а объем, занятый веществом, увеличивается. Следовательно, при парообразовании должна совершаться работа против сил внешнего давления. Поэтому энергия, которую нужно сообщить жидкости для превращения ее в пар при неизменной температуре, частично идет на увеличение внутренней энергии вещества и частично - на выполнение работы против внешних сил в процессе его расширения.

На практике для превращения жидкости в пар в процессе теплообмена к ней подводится теплота. Количество теплоты необходимое для превращения жидкости в пар при неизменной температуре, называется теплотой парообразования. При превращении пара в жидкость от него необходимо отвести количество теплоты которое называют теплотой конденсации. Если внешние условия одинаковы, то при равных массах одинакового вещества теплота парообразования равна теплоте конденсации.

С помощью калориметра было установлено, что теплота парообразования прямо пропорциональна превращенной в пар массе жидкости

Здесь - коэффициент пропорциональности, величина которого зависит от рода жидкости и внешних условий.

Величина которая характеризует зависимость теплоты парообразования от рода вещества и от внешних условий, называется удельной теплотой парообразования. Удельная теплота парообразования измеряется количеством теплоты, необходимым для превращения в пар единицы массы жидкости при неизменной температуре:

В СИ за единицу принимают удельную теплоту парообразования такой жидкости, для превращения в пар 1 кг которой при неизменной температуре требуется 1 Дж теплоты. (Покажите это с помощью формулы (7.1а).)

В качестве примера отметим, что удельная теплота парообразования воды при температуре (100°С) равна

Поскольку парообразование может происходить при различных температурах, возникает вопрос: будет ли при этом изменяться удельная теплота парообразования вещества? Опыт показывает, что при повышении температуры удельная теплота парообразования уменьшается. Происходит это потому, что все жидкости при нагревании расширяются. Расстояние между молекулами при этом возрастает и силы молекулярного взаимодействия уменьшаются. Кроме того, чем выше температура, тем больше среднее значение энергии У молекул жидкости и тем меньше энергии им нужно добавить, чтобы они могли вылететь за пределы поверхности жидкости.