Конспект уроку: Випаровування і конденсація. Кипіння. Питома теплота пароутворення

Пароутворення

Одним із можливих шляхів переходу речовини з одного агрегатного стану в інший є пароутворення.

Пароутворення - це процес переходу речовини з рідкого або твердого агрегатних станів у газоподібний. Якщо пароутворення відбувається з вільної поверхні рідини або твердого тіла, то його називають випаровуванням.

Випаровування

Найбільш поширеним в природі способом утворення пари є випаровування з поверхні рідини. Щорічно з поверхонь океанів, морів, озер та річок в атмосферу Землі випаровується біля 4,25 1014тон води. Завдяки випаровуванню підтримується життєдіяльність різноманітних організмів. Явищем випаровування можна пояснити висихання вологої підлоги в кімнаті та землі після дощу.

Яким же чином відбувається випаровування з поверхні рідини? Молекули рідини рухаються хаотично. Потенціальна енергія їх взаємодії між собою співрозмірна з кінетичною енергією теплового руху. Проте є окремі молекули, швидкості руху яких більші або менші від середнього значення. Молекули з більшими швидкостями, які опиняються біля поверхні рідини, можуть долати притягання сусідніх молекул і залишити рідину. Оскільки загальна кількість молекул рідини є великою, то значною буде і кількість молекул, які залишають її поверхню.

Молекули, які вилетіли з поверхні рідини, утворюють над нею пару.

Молекули, які залишають поверхню рідини, продовжують рухатися хаотично. Частина з них, що знаходяться>найближче до рідини, можуть>захоплюватися>нею. Тобто, між рідиною та парою відбувається двосторонній обмін.

Молекули пари над поверхнею рідини у відкритій посудині поступово розсіюються і в рідину їх повертається порівняно мала кількість. Тому з часом маса рідини, яка переходить у пару, постійно збільшується. Якщо блюдце з водою залишити на деякий час у кімнаті, вода повністю випарується. Чим вищою буде температура рідини, тим більше буде “швидких” молекул, які залишатимуть її поверхню.

Прискорити процес випаровування можна також, збільшивши швидкість розсіювання молекул пари. Саме тому випрана білизна швидше висихає на свіжому повітрі у сонячний та вітряний день.

Якщо посудину з рідиною закрити, то кількість молекул, що залишають рідину, швидко зрівняється з кількістю молекул, що повертаються в неї. Тому маса рідини в закритій посудині не зміниться. Між рідиною та парою встановлюється динамічна рівновага.

Випаровування властиве не лише рідинам, а й твердим тілам. Випаровування твердих тіл називають сублімацією (від латинського sublimo – високо піднімати, піднімати), або возгонкою. В цьому випадку речовина з твердого агрегатного стану безпосередньо (без плавлення та переходу в рідкий стан) переходить у газоподібний. Явищем сублімації можна пояснити поширення запаху нафталіну в кімнаті, а також висихання білизни на морозі - нафталін та лід випаровуються, не переходячи в рідкий стан.

Рис. Перехід з одного стану в іншу

Кипіння

Іншим видом пароутворення є кипіння. Під час кипіння інтенсивне пароутворення відбувається не тільки з вільної поверхні рідини, а й всередині її.

Рис. Під час кипіння інтенсивне пароутворення відбувається не тільки з вільної поверхні рідини 1, а й всередині її 2.

Будемо спостерігати кипіння води в скляній колбі на спиртівці. Через деякий час після початку нагрівання води в прозорій колбі на її стінках та дні почнуть утворюватися бульбашки, що пояснюється наявністю молекул повітря, розчинених у воді. З підвищенням температури розміри бульбашок збільшуються і, відповідно, зростає архімедова сила, яка виштовхує їх. Досягнувши поверхні рідини, бульбашки лопаються і наявна в них пара вивільняється. Розпочинається процес кипіння.

Кипіння - це процес пароутворення, що відбувається в усьому об’ємі і поверхні рідини за певної температури.

На відміну від випаровування, яке може відбуватися при будь-якій температурі, кипіння протікає при сталій для кожної рідини температурі. Так ефір кипить при температурі 34,6 °С, етиловий спирт при 78,4 °С, вода при 100 °С, а олія – при температурі 300 °С.

Температура, при якій відбувається кипіння, називається температурою кипіння.

Якщо кип’ятити воду в горах, то виявиться, що вона кипітиме при температурі, меншій, ніж 100 °С. Чим це можна пояснити? При переході з рідини у пару швидкі молекули води мають виконати роботу з подолання сил взаємного притягання та роботу проти зовнішнього тиску газів та пари. Ці складові роботи виходу молекул з рідини виконуються за рахунок зменшення кінетичної енергії теплового руху - температура рідини знижується. У горах на висоті атмосферний тиск менший, тому робота виходу молекул з рідини зменшується і більша їх кількість може залишити рідину. Кипіння розпочнеться за меншої температури. Із збільшенням температури зростає робота виходу молекул з рідини і кипіння можливе при вищій температурі.

При зменшенні зовнішнього тиску температура кипіння знижується, а при його збільшенні — підвищується.

Залежність температури кипіння від зовнішнього тиску використовують у побутових та виробничих приладах. Для швидкого приготування страв користуються швидковарками – спеціальними каструлями з щільною кришкою, в яких вода кипить при температурі 120... 150 °С за рахунок підвищення в них тиску до 2...5 109 Па.

Рис. Швидковарка: їжа у швидковарці готується скоріше за рахунок того, що температура кипіння води вища, аніж у звичайній каструлі.

Для стерилізації медичних інструментів, приготування консервів та кормів для тварин використовують автоклави - спеціальні пристрої, в яких вода кипить при температурі вищій за 300 °С та тискові пари до 100 атмосфер.

Рис. Автоклав: складається з товстостінного металевого котла із щільною кришкою, в яку вмонтовано манометр та запобіжний клапан. Коли тиск пари в котлі перевищує заданий, клапан

Зміна тиску приблизно на 2,7 мм ртутного стовпчика зумовлює зміну температури приблизно на 0,1 °С.

Конденсація

Під час пароутворення, як випаровування, так і кипіння, частина молекул повертається до рідини. За певних умов кількість молекул, які повертаються у рідину, буде більшою, ніж кількість молекул, які вилітають з неї. При цьому маса речовини в рідкому стані збільшується за рахунок зменшення маси пари. Явище перетворення пари в рідину називають конденсацією.

Прикладом конденсації є випадання роси влітку, утворення туману восени, потіння зсередини салону стекол автомобіля взимку.

Конденсація є процесом, оберненим до пароутворення. Вона відбувається на поверхні рідини або твердого тіла, температура яких дорівнює температурі кипіння рідини, або менша від неї.

В газах конденсація відбувається на центрах конденсації, роль яких виконують різноманітні домішки або частинки речовини. Завдяки конденсації в повітрі утворюється туман та дощові хмари і майже четверта частина води, що випаровується в атмосферу, повертається на поверхню Землю у вигляді роси, дощу та снігу.

Питома теплота пароутворення і конденсації

Щоб температура рідини при випаровуванні не змінювалась, їй необхідно передавати ззовні певну кількість теплоти. Дослідно встановлено, що ця кількість теплоти залежить від значення зовнішнього тиску, молекулярної будови речовини, а також від температури.

Фізична величина, що показує, яку кількість теплоти необхідно затратити, щоб рідину масою 1 кг перетворити в пару без зміни температури, називається питомою теплотою пароутворення.

Питому теплоту пароутворення позначають літерою г. її одиниця вимірювання - 1 Дж/кг.

Для визначення величини питомої теплоти пароутворення речовини при сталій температурі та атмосферному тиску необхідно кількість теплоти Q. витрачену на випарування рідини масою m, розділити на масу рідини: r = Q / m.

Розгляньте таблицю значень питомої теплоти пароутворення води, визначених при різних її температурах і при нормальному атмосферному тиску.

З таблиці видно, що із збільшенням температури води питома теплота пароутворення зменшується і значення її є найменшим при температурі кипіння.

Значення питомої теплоти пароутворення деяких речовин при їх температурах кипіння і нормальному атмосферному тиску можна отримати, скориставшись довідковою таблицею.

З даних таблиці видно, що, наприклад, для випаровування 1 кг спирту при температурі кипіння (78,3 °С) потрібно витратити 906 Дж енергії, а для випаровування 1 кг золота при температурі кипіння (2803 °С) необхідно витрати 1758 Дж.

Тобто, для випарування однакових мас рідин при температурі кипіння, необхідно затратити різну кількість теплоти.

Якщо при температурі кипіння необхідно випарувати 5 кг спирту, то при цьому треба витратити в п'ять разів більше теплоти, а саме Q = 906 Дж/кг 5 кг = 4530 Дж. У загальному випадку, при обчисленні кількості теплоти, яку необхідно витратити, щоб повністю випарувати m кілограмів речовини користуються формулою:

Q = r m;

З цієї формули можна визначити за відомими значеннями кількості теплоти, витраченої на випарування рідини, та її питомої теплоти пароутворення масу рідини:

m = Q / r.

Стикаючись з тілами, температура яких дорівнює або менша від температури випаровування, пара конденсується. При цьому вивільняється енергія, поглинута при утворенні пари. Точні досліди показують, що конденсуючись, пара віддає стільки ж енергії, скільки вона отримала під час пароутворення.

Тому питома теплота конденсації дорівнює питомій теплоті пароутворення.

Розв'язування задач з урахуванням процесів пароутворення і конденсації

Розв'язування задач, що вимагають врахування процесів пароутворення чи конденсації зводиться до запису рівняння теплового балансу з урахуванням особливостей енергетичних змін, що відбуваються в процесі вищевказаних агрегатних переходів, зокрема:

1) Процес випаровування рідин відбувається при довільній температурі. Відповідно, для розрахунку кількості теплоти, необхідної для випарування рідини маси т при даній температурі, потрібно користуватись значенням питомої теплоти пароутворення, визначеним для даної речовини при даній температурі. Якщо в умові задачі значення питомої теплоємності при даній температурі не вказано, то користуються значенням питомої теплоємності пароутворення рідини при температурі кипіння і при нормальному атмосферному тиску. При цьому враховують кількість теплоти, необхідну для нагрівання рідини до температури кипіння. Тобто, у даному випадку на випарування рідини енергетичні витрати складають:

де Q₁ - кількість теплоти необхідна для нагрівання рідини до температури кипіння Q₁ = c m ∆t; Q₂ - кількість теплоти, необхідна для випарування рідини маси m при температурі кипіння і нормальному атмосферному тиску

Q₂ = r m.

2) Процес конденсації пари в рідину відбувається при певних фізичних умовах, що визначаються температурою середовища і тиском пари даної речовини. Тому ці характеристики повинні бути зазначені в умові відповідної задачі.

3) Процес випаровування вимагає передавання рідині певної кількості теплоти, а в результаті конденсації пари речовини, вона віддає тепло.