L льда удельная теплота парообразования. Скрытая теплота парообразования

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Вид урока: комбинированный.

Тип урока: изучение нового материала.

Цель: сформировать понятие кипения, как парообразования, выявить и объяснить особенности кипения;

Задачи:

Образовательные:

• формирование понятий “кипение” и “удельная теплота парообразования и конденсации”;
• выявление основных особенностей кипения: образование пузырьков, шум, предшествующий кипению, постоянство температуры кипения и зависимости температуры кипения от внешнего давления.
• формирование умения применять имеющиеся знания для объяснения явлений испарения и кипения.

Развивающие:

• формирование интеллектуальных умений: анализировать, сравнивать, выделять главное и делать выводы;
• развитие логического мышления и познавательного интереса.

Воспитательные:

• развитие интереса к предмету и позитивного отношения к учебе;
• формирование научного мировоззрения.
• воспитание товарищества, взаимопомощи.

Демонстрации:

1. наблюдение этапов кипения;
2. наблюдение зависимости температуры кипения от внешнего давления;
3. наблюдение кипения при пониженном давлении;
4. видеоролик “Кипение азота”

Оборудование: спиртовка, колба с водой, термометр для измерения температуры жидкости, штатив, пробка для колбы с вставленной в нее стеклянной трубкой, резиновая трубка, спринцовка, насос Комовского, компьютер и мультимедийный проектор, презентация.

Ход урока

1. Организационный момент.

2. Мотивация.

Учитель: Ребята, я не сомневаюсь, что каждое ваше утро начинается с чашечки горячего, хорошо заваренного чая. Чай полезный напиток - так гласит древняя мудрость. И вы, конечно знаете, что перед тем, как заварить чай, нужно вскипятить воду. Обратите пожалуйста внимание на эпиграф (слайд 2):

“Существуют явления, на которые никогда не надоедает смотреть. Кипение воды - наслаждение зрелищем воды и огня, таинством их взаимодействия. Эта изменчивая картина завораживает. Закипая, чайник начинает разговаривать”. Таллина Адамовская

Сегодня мы с вами посмотрим на этот процесс с физической точки зрения и постараемся найти ответы на множество загадок, сопровождающих это явление. Тема урока – “Кипение. Удельная теплота парообразования и конденсации”

Учащиеся записывают в тетрадь тему урока.

Учитель: Для исследования кипения проведем эксперимент. Поставим на спиртовку колбу с водопроводной водой. Измерим начальную температуру воды термометром.

3. Актуализация знаний.

Учитель : Пока вода будет нагреваться, вспомним, что называется парообразованием.

Ученик : Парообразование – это явление превращения жидкости в пар.

Учитель : Какие два способа парообразования существуют?

Ученик : Испарение и кипение.

Учитель : Какое явление называется испарением?

Ученик : Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, называется испарением.

Учитель : Объясните механизм испарения с молекулярной точки зрения.

Ученик : Все тела состоят из молекул, которые движутся непрерывно и хаотично, причем с различными скоростями. Если “быстрая” молекула окажется у поверхности жидкости, то она может преодолеть притяжение соседних молекул и вылететь из жидкости. Все вылетевшие молекулы образуют пар.

Учитель : Есть ли у веществ фиксированная температура, при которой начинается процесс испарения?

Ученик : Такой температуры у веществ нет. Испарение происходит при любой температуре, так как молекулы движутся при любой температуре.

Учитель : От чего зависит скорость испарения жидкости?

Ученик : От рода вещества, температуры, площади поверхности и движения воздуха над поверхностью жидкости.

Учитель : Почему испарение происходит быстрее, при более высокой температуре жидкости?

Ученик : Чем выше температура, тем больше скорость молекул.

Учитель : Как зависит скорость испарения от площади поверхности жидкости?

Ученик : Чем больше площадь поверхности, тем большее количество молекул может вылететь из жидкости.

Учитель : Почему испарение при движении воздуха происходит быстрее?

Ученик : Испарившиеся молекулы не могут возвратиться обратно в жидкость.

Учитель : Что называется конденсацией пара?

Ученик : Конденсация – это явление превращения пара в жидкость.

Учитель : При каких условиях происходит конденсация пара?

Ученик : Когда пар становится насыщенным, то есть находится в динамическом равновесии со своей жидкостью.

4. Изучение нового материала.

Учитель : Вернемся к нашему эксперименту и измерим температуру воды. Что вы сейчас наблюдаете?

Ученик : На дне и стенках сосуда появились пузырьки воздуха. (Слайд 3)

Учитель : Почему пузырьки воздуха появляются на дне и стенках сосуда?

Ученик : В воде всегда есть растворенный воздух. При нагревании пузырьки воздуха расширяются и становятся видимыми.

Учитель : Почему пузырьки воздуха начинают увеличиваться в объеме?

Ученик : Потому что вода начинает испаряться внутрь этих пузырьков.

Учитель : Какие силы действуют на пузырьки?

Ученик : Сила тяжести и Архимедова сила.

Учитель : Какое направление они имеют?

Ученик : Сила тяжести направлена вниз, а Архимедова – вверх. (Слайд 4)

Учитель : Когда пузырьки смогут оторваться от дна и стенок сосуда и начать свое движение вверх?

Ученик : Пузырьки отрываются, когда Архимедова сила станет больше силы тяжести.

Учитель : Произведем измерение температуры воды. Сейчас вы слышите характерный шум. Поясним это явление. При достаточно большом объеме пузырька он под действием

Архимедовой силы начинает подниматься вверх. Так как жидкость прогревается способом конвекции, то температура нижних слоев больше температуры верхних слоев воды. Когда пузырек попадает в верхний менее прогретый слой воды, водяной пар внутри него будет конденсироваться, а объем пузырька уменьшаться. Пузырек будет захлопываться (Слайд 5). Связанный с этим процессом шум мы слышим перед кипением. При определенной температуре, то есть когда в результате конвекции прогреется вся жидкость, с приближением к поверхности объем пузырьков резко возрастает, так как давление внутри пузырька станет равным внешнему давлению (атмосферы и столба жидкости). На поверхности пузырьки лопаются, и над жидкостью образуется много пара. Вода кипит.

Сейчас мы измерим температуру кипящей воды. Вода кипит при температуре 100 o С.

Учитель: Итак, условие кипения: давление внутри пузырька равно внешнему давлению и признаки кипения:

Много пузырьков лопается на поверхности;

Много пара.

Что же такое кипение?

Ученик : Кипение – это парообразование, которое происходит в объеме всей жидкости при определенной температуре.

Учитель : Запишем определение кипения (Слайд 6).

Кипение – это интенсивное парообразование, происходящее по всему объему жидкости при определенной температуре.

Учитель : Какая температура называется температурой кипения?

Ученик : Температура, при которой жидкость кипит, называется температурой кипения.

Учитель : Как вы считаете, будет ли меняться температура в процессе кипения?

Ученик : Я думаю, она не будет меняться (Слайд 7).

Учитель : Давайте еще раз измерим температуру кипящей воды. Температура не меняется. Но спиртовка продолжает работать и отдавать энергию. На что же расходуется эта энергия, если дальнейшего роста температуры нет?

Ученик : Она расходуется на образование пузырьков пара.

Учитель : Обратимся к таблице на странице 45. Найдите температуру кипения воды.

Ученик : Температура кипения воды 100 o С.

Учитель : Какая жидкость имеет такую же температуру кипения?

Ученик : Молоко.

Учитель : Какую температуру кипения имеют эфир и спирт?

Ученик : Эфир кипит при 35 o С, спирт – при 78 o С.

Учитель : Некоторые вещества, которые при обычных условиях являются газами, при достаточном охлаждении превращаются в жидкости, кипящие при очень низкой температуре. Какие из этих веществ есть в таблице?

Ученик : Это водород и кислород. Жидкий водород кипит при -253 o С, а кислород – при -183 o С.

Учитель : Сейчас мы посмотрим видеоролик “Кипение азота” (Слайд 8).

Учитель : В таблице есть несколько веществ, которые в обычных условиях твердые. Если их расплавить, то в жидком состоянии они будут кипеть при очень высокой температуре. Приведите примеры.

Ученик : Например, жидкая медь кипит при 2567 o С, а железо – при 2750 o С.

Учитель : Обратили ли вы внимание на информацию, указанную в скобках заголовка этой таблицы?

Ученик : Температура кипения некоторых веществ при нормальном атмосферном давлении.

Учитель : Как вы думаете, зачем указано это условие?

Ученик : Потому что температура кипения зависит от внешнего давления.

Учитель : Исследуем зависимость температуры кипения от внешнего давления.

Демонстрация: колбу с кипящей жидкостью снимем со спиртовки и закроем ее пробкой с вставленной в нее грушей. При нажатии на грушу кипение в колбе прекращается. Почему?

Ученик : При нажатии на грушу мы увеличили давление в колбе, и условие кипения нарушилось.

Учитель : Таким образом, мы показали, что с увеличением давления температура кипения увеличивается. Многие хозяйки используют для приготовления пищи кастрюлю – скороварку, которая имеет массу преимуществ по сравнению с обычными кастрюлями. Процесс приготовления пищи в скороварке происходит при температуре 120 o С и давлении 200кПа, поэтому время приготовления значительно сокращается (Слайд 9).

Учитель : Давайте вспомним, как меняется атмосферное давление с увеличением высоты над уровнем моря?

Ученик : Атмосферное давление уменьшается.

Учитель : Как изменится температура кипения воды при подъеме в гору?

Ученик : Она уменьшится (Слайд 10).

Учитель : Совершенно верно. Например, на самой высокой горе Джомолунгме в Гималаях, высота которой 8848 м, вода будет кипеть при температуре около 70 o С. Сварить, например, мясо в таком кипятке просто невозможно.

А как вы думаете, можно ли заставить воду кипеть при комнатной температуре?

Демонстрация: стакан с холодной водой помещаем под стеклянный колокол. С помощью насоса Комовского откачиваем воздух. По мере уменьшения давления в стакане наблюдаем этапы закипания жидкости, при этом температура остается низкой.

Учитель : Какой вывод можно сделать из опытов?

Ученик : Температура кипения жидкости зависит от давления.

Учитель : Мы познакомились с процессом кипения. Как вы считаете, одинаковое ли количество теплоты потребуется на кипение разных жидкостей равной массы, взятых при температуре кипения?

Ученик : Я думаю, потребуется разное количество теплоты.

Учитель : Правильно (Слайд 11). На диаграмме мы видим, что для обращения в пар разных жидкостей требуется разное количество теплоты. Это количество теплоты характеризует физическая величина, называемая удельной теплотой парообразования. Эта величина обозначается буквой L, ее единица измерения в системе СИ Дж/кг. Удельная теплота парообразования – это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы жидкость массой 1кг обратить в пар при температуре кипения. Посмотрим в таблицу на странице 49. Например, удельная теплота парообразования воды 2,3*10 6 Дж/кг. Это значит, что для обращения в пар 1кг воды при температуре кипения нужно затратить 2,3*10 6 Дж энергии. Чему равна удельная теплота парообразования спирта?

Ученик : Удельная теплота парообразования спирта 0,9*10 6 Дж/кг.

Учитель : Что означает это число?

Ученик : Это значит, что для обращения в пар 1 кг спирта при температуре кипения нужно затратить 0,9*10 6 Дж энергии.

Учитель : Следовательно, при температуре кипения внутренняя энергия вещества в парообразном состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в жидком состоянии. Вот почему ожег паром при температуре 100 o С опаснее, чем ожег кипятком (Слайд 12).

Теперь ответьте на вопрос: если снять крышку с кипящего чайника, что можно на ней увидеть?

Ученик : Мы увидим там капельки воды.

Учитель : Как вы объясните их появление?

Ученик : Пар, соприкасаясь с крышкой, конденсируется (Слайд 13).

Учитель : При конденсации пара энергия выделяется. Опыты показывают, что пар, конденсируясь, выделяется точно такое же количество теплоты, какое было затрачено на его образование. Освобождающаяся при конденсации пара энергия может быть использована. На тепловых электростанциях отработанным в турбинах паром нагревают воду, затем ее используют для отопления зданий и на предприятиях бытового обслуживания: банях, прачечных и т.п.

Чтобы вычислить количество теплоты, необходимое для превращения жидкости любой массы в пар при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования умножить на массу. Запишем формулу: Q = Lm. Количество теплоты, которое выделяет пар любой массы, конденсируясь при температуре кипения, определяется этой же формулой.

5. Закрепление.

Учитель : Итак, теперь вы знаете два способа парообразования: испарение и кипение. Кто скажет, чем отличаются эти процессы?

Ученик : Испарение происходит с поверхности жидкости, а кипение по всему объему жидкости.

Ученик : Испарение происходит при любой температуре, а кипение – при определенной температуре. У каждой жидкости своя температура кипения.

Ученик : При испарении температура жидкости уменьшается, а при кипении не изменяется.

Учитель : Как вы думаете, где кипящая вода горячее: на уровне моря, на вершине горы или в глубокой шахте?

Ученик : Я думаю, вода будет горячее в глубокой шахте, так как атмосферное давление на глубине будет выше, следовательно, вода будет кипеть при более высокой температуре.

Учитель : По какой формуле можно рассчитать количество теплоты, затраченное на парообразование или выделяющееся при конденсации пара?

Учитель : Попробуем устно вычислить количество теплоты для следующих случаев (Слайд 15):

Ученик : Для эфира Q = 2*10 6 Дж, для спирта – 9*10 6 Дж, для воды – 4,6*10 6 Дж.

Учитель : На графике показаны процессы нагревания и кипения двух жидкостей одинаковой массы (слайд 16). Пользуясь таблицей на странице 45, определите, для каких веществ построены графики.

Ученик : Верхний - для воды, нижний - для спирта, так как температура кипения воды 100 o С, а спирта - 78 o С.

Учитель : Какова была начальная температура жидкостей?

Ученик : Начальная температура обеих жидкостей 20?С.

Учитель : Назовите участки графика, соответствующие нагреванию жидкостей.

Ученик : АВ для спирта и АD для воды.

Учитель : Назовите участки графика, соответствующие кипению жидкостей.

Ученик : ВС для спирта и DE для воды.

6. Подведение итогов урока.

Учитель : Откройте дневники и запишите домашнее задание: параграфы 18, 20. Упр.10(4) (Слайд 17).

Для желающих следующее экспериментальное задание.

Возьмите большую кастрюлю с водой. Поместите в нее маленькую кастрюлю с водой так, чтобы она плавала, не касаясь дна большой кастрюли. Поставьте их на плиту и начните нагревать. Что будет с водой в маленькой кастрюле, когда в большой кастрюле она будет кипеть? Почему? Насыпьте в большую кастрюлю столовую ложку соли. Что после этого произойдет с водой в маленькой кастрюле? Объясните наблюдаемое явление. Что можно сказать о температуре кипения соленой воды?

7. Рефлексия .

Учитель : Наш урок подходит к концу. Мне бы хотелось знать, с каким настроением вы уходите. У вас на партах есть три цветных стикера, которые отражают следующие настроения: зеленый – мне очень понравился урок, синий – мне было интересно, красный – мне было скучно. Уходя, прикрепите на доску стикер, отражающий ваше настроение (Слайд 18).

Урок окончен. Спасибо за внимание!

Источники

1. А.В. Перышкин. Физика. 8 класс. - М.; Дрофа
2. Е.М. Гутник, Е,В. Рыбакова, Е.В. Шаронина. Методические материалы для учителя. Физика. 8 класс. - М.; Дрофа
3. Л.А. Горев. Занимательные опыты по физике. – М.; Просвещение
4. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов:
5. Видеоролик “Кипение азота”
6. Рисунки из флеш-презентации

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.

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.

цель работы

Усвоение и закрепление теоретического материала по теме курса термодинамики "Водяной пар", а также овладение методами эксперимента и обработки полученных данных, ознакомление с таблицами "Теплофизические свойства воды и водяного пара".

1. Изучить схему экспериментальной установки, включить её и вывести на заданный стационарный тепловой режим.

2. Провести опыт в соответствии с методическими указаниями, заполнить таблицу 1.

3. Определить удельную теплоту, затраченную на парообразование воды в опыте.

4. Для изобарного процесса парообразования определить табличные значения параметров воды на линии насыщения и сухого насыщенного пара, а также удельную теплоту парообразования.

5. Вычислить внутреннюю энергию жидкости на линии насыщения пара для условий опыта.

6. Вычислить погрешность найденного значения удельной теплоты парообразования по отношению к табличному.

7. Изобразить процессы, происходящие в сосуде Дьюара, в Р-v и T-s-диаграммах.

8. Сделать вывод по работе.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное, называется парообразованием, обратный переход - конденсацией. Кипение жидкости - это процесс парообразования внутри жидкости, происходящий при строго определенной температуре t н, °C, определяемой давлением. Если газообразная фаза существует с жидкой фазой того же вещества, то её называют паром. Газообразной фазой системы является сухой насыщенный пар, а жидкой фазой - жидкость, сохраняющая состояние, соответствующее началу парообразования.

При парообразовании по изобарно-изотермическому процессу, согласно первому закону термодинамики, удельная теплота фазового превращения (удельная теплота парообразования) r, Дж/кг,

r = u" - u" + p (v" -v"), (1)

r = i" - i", (2)

где u", i", v" - соответственно внутренняя энергия, энтальпия, Дж/кг, и удельный объём сухого насыщенного пара, м 3 /кг;

u", i", v" - соответственно внутренняя энергия, энтальпия, Дж/кг, и удельный объём жидкости в состоянии насыщения, м 3 /кг.

Давление р, Па, не отмечается специальными индексами, так как оно не меняется в течение всего фазового перехода и равно давлению насыщения.

Таким образом, удельная теплота парообразования включает в себя изменение внутренней энергии вещества и работу изменения объёма при фазовом переходе.

Удельная теплота парообразования функционально связана с параметрами состояния. Для большинства применяющихся на практике веществ определены и сведены в таблицы свойства жидкости и пара на линии насыщения. В этих таблицах приводятся значения р и t на линии насыщения и соответствующие им значения величин v", v", i", i", r, s", s". Внутренняя энергия жидкости на линии насыщения u", Дж/кг, и сухого насыщенного пара u", Дж/кг, определится соответственно по уравнениям

u" = i" -pv" (3)

u" = i" -pv" (4)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Рисунок. Схема экспериментальной установки

Экспериментальная установка (рисунок) состоит из сосуда Дьюара 1 с электронагревателем 2, в который из емкости 3 наливается порция дистиллированной воды, регулируемая вентилем 4. Образующийся пар в конденсаторе 5, по которому проходит водопроводная вода, превращается в жидкость. Расход воды регулируется вентилем 7 по контрольному фонарю 8. Образующийся конденсат собирается в мерный цилиндр 9. На щите управления находятся: переключатель "СЕТЬ" 10, вольтметр 11, амперметр 12, переключатель режимов 13; 6 - стеклянная воронка.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА

1. Включить установку в сеть поворотом переключателя 10 в положение "1".

2. Проверить заполнение сосуда Дьюара 1, установив переключатель режимов 13 в положение "ЗАПОЛНЕНИЕ". Если при этом загорится зеленая сигнальная лампа "Сосуд заполнен", можно приступать к выполнению эксперимента. В противном случае сосуд заполняется дистиллированной водой, для чего открывается вентиль 4. После загорания зеленой сигнальной лампы сосуд плотно закрыть.

3. Перевести переключатель 13 в положение "НАГРЕВАНИЕ".

4. Поворачивая ручку автотрансформатора 14, установить заданное преподавателем значение напряжения на нагревателе U, В (и силу тока I, А).

5. Подать охлаждающую воду на конденсатор 5, открыв вентиль 7 и отрегулировать расход воды по контрольному фонарю 8.

6. При установлении стационарного режима кипения воды в сосуде Дьюара (в мерном цилиндре 9 наберется 15-20 см конденсата) произвести контрольный сбор конденсата в количестве, указанном преподавателем (V, м 3). Продолжительность контрольного сбора t, с, определить по секундомеру.

7. По барометру определить атмосферное давление P a , мм.рт.ст.

8. Данные измерений внести в таблицу наблюдений и подписать ее у преподавателя.

9. Включить установку поворотом переключателя "0", закрыть вентиль 7, рукоятку автотрансформатора повернуть против часовой стрелки до упора, конденсат слить в емкость 3.

Т а б л и ц а 1

Номер замера			мм. рт. ст.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. Вычислить количество теплоты, затраченной на парообразование 1 кг воды r оп, Дж/кг:

r оп = (W - Q)  / (Vr),

где W = UI - мощность нагревателя, Вт;

Q = 0,04W - тепловые потери, Вт;

r - плотность конденсата, кг/ м 3 . Принимаем r = 1000 кг/ м 3 .

2. Считая, что кипение воды происходит при атмосферном давлении, определить по табличные значения параметров воды на линии насыщения и сухого насыщенного пара, которые занести в таблицу 2.

Т а б л и ц а 2

	i", кДж/кг	S", кДж/(кгК)		i", кДж/кг	S", Дж/(кгK)

3. Вычислить значения внутренней энергии воды на линии насыщения u" и сухого насыщенного пара u", кДж/кг, по формулам (3) и (4).

4. Вычислить погрешность, %, найденного значения удельной теплоты парообразования r оп, кДж/кг, по отношению к табличному r, кДж/кг, по формуле:

D = (r оп - r) 100 / r .

5. Представить графически процессы, происходящие в сосуде Дьюара, в Р-v и T-s-диаграммах.

6. Сделать вывод по работе.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Парообразование жидкости; сущность процессов кипения и испарения жидкости.

2. Изобарный процесс перехода жидкости в перегретый пар в Р-v и T-s-диаграммах.

3. Пограничные кривые со степенью сухости х = 0 и х = 1, критическое состояние вещества

4. Понятия: жидкость на линии насыщения, влажный насыщенный пар, сухой насыщенный пар, перегретый пар.

5. Удельная теплота парообразования жидкости.

6. Степень сухости, степень влажности пара.

7. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара, их значение.

8. Определение параметров влажного пара.

9. i-s-диаграмма водяного пара, ее назначение.

10. Паровые термодинамические процессы в Р-v, T-s, i-s-диаграммах.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Теплотехника / Под ред. А.П.Баскакова.- М.: Энергоиздат, 1991.- 224 с.

2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача.- М.:: Высшая школа, 1980.- 496 с.

3. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача.- М.: Высшая школа, 1998.- 480 с.

4. Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара.- М.: Энергия, 1980.- 408 с.

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.