Підручник Фізика 8 клас - В.Д. Сиротюк - Генеза 2016 рік

Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА

§ 12. ВИПАРОВУВАННЯ І КОНДЕНСАЦІЯ РІДИН. ПИТОМА ТЕПЛОТА ПАРОУТВОРЕННЯ РЕЧОВИНИ

Спостереження 1. Улітку, після того як пройде дощ, калюжі швидко висихають; увечері, коли повітря стає холоднішим, випадає роса. Якщо залишити на вогні посудину з водою, то через деякий час води в посудині

не залишиться, тому що вона википить. Отже, рідини можуть випаровуватися, тобто перетворюватися в газуватий стан. Легко переконатися, що вища температура, то інтенсивніше відбувається цей процес. Так, улітку калюжі висихають швидше, ніж навесні або восени.

Процес перетворення рідини в пару (у газуватий стан) називають пароутворенням.

Є два способи перетворення рідини в газуватий стан: випаровування і кипіння.

Випаровування — це пароутворення, яке відбувається з вільної поверхні рідини.

Випаровування відбувається за будь-якої температури, але швидкість його залежить від кількох причин. Щоб переконатися в цьому, виконаємо такі досліди.

Дослід 1. На папір капнемо ефіру, води, спирту, олії. Спочатку випарується ефір, потім - спирт, вода, а олія висихатиме кілька днів.

Швидкість випаровування залежить від виду рідини.

Дослід 2. Наллємо однакову кількість води у склянку і широку тарілку. Вода спочатку випарується з тарілки, а потім - зі склянки.

Швидкість випаровування залежить від площі поверхні рідини.

Дослід 3. Одну тарілку з водою поставимо на столі в кімнаті, а іншу - на батарею опалення або в інше тепле місце. Вода спочатку випарується в тій тарілці, яка стоїть у теплішому місці.

Швидкість випаровування залежить від температури рідини.

Спостереження 2. Випрану білизну розвішують для просушування. У суху, вітряну й теплу погоду білизна висушується набагато швидше, ніж у тиху або прохолодну погоду.

Швидкість випаровування залежить від наявності потоків повітря і його вологості.

Отже, знаючи причини, від яких залежить швидкість випаровування рідини, ми можемо пояснити тепер, для чого, наприклад, переливають чай зі склянки в блюдце, дмуть на гарячий борщ чи кашу, користуються віялом за високої температури повітря.

За певної температури (температури кипіння) рідини починають інтенсивно випаровуватися не лише з поверхні, а й із середини, з утворенням бульбашок. Це явище називають кипінням (мал. 81).

Кипіння — це інтенсивне пароутворення не тільки з вільної поверхні рідини, а й з усього об’єму всередину бульбашок пари, які при цьому виникають.

Мал. 81

Значення температури кипіння рідин залежить від атмосферного тиску. У таблиці 5 подано значення температури кипіння деяких рідин за нормального атмосферного тиску: вода кипить за температури 100 °С, ацетон - 57 °С, рідкий кисень - за температури -183 °С.

З дослідів відомо, що з охолодженням газів до певної температури (температури конденсації) вони починають зріджуватися і стають рідинами. Установлено, що це відбувається за такої самої температури, за якої відповідна рідина кипить. Це зворотні процеси, як і в разі перетворення води в лід, напрямок перетворення залежить від конкретних фізичних умов: якщо рідина набуває теплоти, то кипить і перетворюється у газуватий стан; якщо газ віддає теплоту, то він зріджується, тобто конденсується. Наприклад, аміак конденсується за температури -33,4 °С, рідкий кисень - за -183 °С.

У повітрі є багато водяної пари. Коли повітря охолоджується, пара переходить у рідкий стан: утворюються хмари, туман, роса.

Тепер з’ясуємо, від чого залежить кількість теплоти, яку потрібно затратити, щоб випарувати рідину за температури кипіння або яка виділяється під час її конденсації.

Мал. 82

Дослід 4. Поставимо на плиту дві посудини, в одну наллємо 50 г води (мал. 82, а), а в другу - 100 г води (нагрівники та посудини - однакові) (мал. 82, б). Доведемо воду до кипіння й будемо випаровувати. Спочатку випарується вода в посудині, де було 50 г, а потім - у посудині з 100 г води.

Кількість теплоти, яка потрібна для випаровування рідини за температури кипіння, залежить від маси рідини.

Дослід 5. На однакові нагрівники поставимо посудини, в одній - 50 г води (мал. 83, а), а в другій - 50 г спирту (мал. 83, б). Доведемо ці речовини до кипіння (спирт закипає за температури 78 °С, а вода - 100 °С) та будемо їх випаровувати. Результати досліду показують, що спочатку випарується спирт, а потім - вода.

Мал. 83

Кількість теплоти, яка потрібна для випаровування рідини за температури кипіння, залежить від роду речовини.

Величину, що характеризує енергетичні витрати на випаровування певної рідини масою 1 кг, називають питомою теплотою пароутворення. Її позначають великою латинською літерою L. Одиницею питомої теплоти пароутворення речовини в СІ є один джоуль на кілограм (1 Дж/кг).

Питому теплоту пароутворення речовини визначають за допомогою дослідів. Установлено, що питома теплота пароутворення води за температури 100 °С дорівнює 2,3 ∙ 106 Дж/кг. Інакше кажучи, для перетворення води масою 1 кг на пару за температури 100 °С потрібно 2 300 000 Дж енергії. Під час зворотного процесу - конденсації - така сама кількість теплоти виділиться.

Питома теплота пароутворення речовини — фізична величина, що визначає, яка кількість теплоти потрібна, щоб перетворити рідину масою 1 кг на пару за температури кипіння.

Кожна рідина має свою питому теплоту пароутворення. Значення питомої теплоти пароутворення деяких рідин наведено в таблиці 5.

Питома теплота пароутворення речовин (за температури кипіння і нормального атмосферного тиску)

Таблиця 5

Речовина

Питома теплота пароутворення L, Дж/кг

Температура кипіння (конденсації), °С

Речовина

Питома теплота пароутворення L, Дж/кг

Температура кипіння (конденсації), °С

Вода

2 300 000

100

Ртуть

300 000

357

Ацетон

521 000

57

Кисень

213 000

-183

Спирт

900 000

78

Скипидар

161 000

287

Щоб обчислити кількість теплоти Q, яка потрібна для випаровування рідини масою т, узятої за температури кипіння, треба питому теплоту пароутворення речовини L помножити на масу рідини: Q = Lm.

Кількість теплоти, яка виділяється під час конденсації пари масою т, визначається також за цією формулою.

Мал. 84

Процеси нагрівання і випаровування можна зобразити графічно. По осі Оу відкладають значення температури рідини, а по осі Ох - час нагрівання і випаровування рідини. Наприклад, на малюнку 84 графічно зображено процеси нагрівання і випаровування води кипінням. Графік нагрівання і випаровування рідини складається з трьох ділянок: для нагрівання рідини - це пряма лінія з певним кутом нахилу, який залежить від значення питомої теплоємності рідини; для кипіння рідини - це горизонтальна лінія, температура рідини залишається сталою і дорівнює температурі кипіння рідини доти, доки вся рідина випарується; для нагрівання утвореної пари - пряма лінія, кут нахилу якої визначається питомою теплоємністю пари, її значення відрізняється, від такого для рідини, тому і нахил інший; температура пари збільшується прямо пропорційно до часу.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. Що таке пароутворення?

2. Що називають конденсацією речовини?

3. Що таке кипіння?

4. Від чого залежить кількість теплоти, яка потрібна для випаровування рідини або яка виділяється під час конденсації пари?

5. Що показує питома теплота пароутворення рідини? Назвіть її одиницю.

6. Як обчислити кількість теплоти, яка потрібна для випаровування рідини за температури кипіння цієї рідини?

ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ

Розв’язуємо разом

1. Чому жирний суп довго не охолоджується навіть тоді, коли його налили в тарілку?

Відповідь: жир дуже повільно випаровується порівняно з водою, тому тонкий шар жиру на поверхні супу затримує випаровування води, у зв’язку із цим охолодження супу сповільнюється.

2. Яку кількість теплоти потрібно затратити, щоб перетворити на пару 3 кг спирту, взятого за температури 18 °С?

Розв’язання

Для того щоб перетворити спирт на пару, потрібно спочатку його нагріти до температури кипіння, а потім випарувати.

Кількість теплоти, яку потрібно затратити на нагрівання спирту, визначаємо за формулою:

Q1 = cm(tк - t).

Кількість теплоти, яку потрібно затратити, щоб випарувати спирт, визначаємо за формулою:

Q2 = Lm.

Тоді кількість теплоти, затрачену на нагрівання і випаровування спирту, визначимо так:

Q = Q1 + Q2 = cm(tк - t) + Lm = m(c(tк - t) + L).

Підставивши значення величин, отримаємо:

Q = 3 кг (2400 Дж/(кг ∙ °С) (78 °С - 18 °С) + 900 000 Дж/кг) =

= 3 132 000 Дж = 3132 кДж = 3,132 МДж.

Відповідь: 3,132 МДж.

Рівень А

82. Як пояснити, що випаровування рідин відбувається за будь-якої температури?

83. Перебуваючи в поході, турист налив у посудину води з холодного джерела і побачив, що посудина ззовні вкрилася крапельками рідини. Поясніть це явище.

84. Для чого овочі і фрукти, призначені для сушіння, розрізають на тонкі шматочки?

85. Чому на лісових дорогах калюжі висихають довше, ніж на польових?

86. Яка кількість теплоти потрібна для перетворення 150 г води в пару за температури 100 °С?

87. Яка кількість теплоти виділиться під час конденсації 10 кг водяної пари?

Рівень Б

88. Відомо, що надмірне випаровування води з ґрунту призводить до його висихання і зниження врожайності. Проте без випаровування неможливо уявити розвиток рослин. Чому?

89. Холодну воду налили в пляшку, у флягу, на яку наділи брезентовий чохол, і у випалений глиняний глечик. Випалена глина має пористу будову. У якій посудині вода через деякий час буде найхолоднішою? Найтеплішою?

90. Рослини, що ростуть у місцях з вологим кліматом, мають широке листя, а в місцях із сухим кліматом листя в рослин вузьке і розміщене вертикально. Чим це зумовлено?

91. Дистильовану воду масою 5 кг, взяту за температури 20 °С, треба нагріти до температури кипіння. Яка кількість теплоти потрібна для цього?

92. У якому випадку виділиться більша кількість теплоти: під час охолодження 5 кг води від 100 до 0 °С чи під час конденсації 5 кг пари без зміни температури?

93. Яку кількість теплоти потрібно затратити, щоб 2 кг льоду, температура якого -10 °С, перетворити повністю у пару?

94. Опишіть процеси, зображені на графіку (мал. 85).

Мал. 85





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити