Підручник Фізика 8 клас - А. М. Сердюченко - Освіта 2016 рік

Розділ 2. Зміна агрегатних станів речовини

ЧАСТИНА І. ТЕПЛОВІ ЯВИЩА

§ 18. Питома теплота пароутворення і конденсації. Розрахунок кількості теплоти, що потрібна для пароутворення та виділяється під час конденсації

Думки вголос

Я зможу розв’язувати задачі на розрахунок кількості теплоти, потрібної для пароутворення та виділяється під час конденсації.

Важливе явище природи — колообіг води у природі — охоплює всі теплові процеси, які відбуваються під час зміни агрегатного стану речовини (мал. 71).

Мал. 71. Зміни агрегатного стану речовини

Нагадаємо, що плавлення і тверднення кристалічної речовини відбувається за сталої температури плавлення (тверднення), а рідина випаровується за будь-якої температури. Оскільки внутрішня енергія пари більша, ніж у рідини, то випаровування потребує безперервної передачі енергії від нагрівача або від навколишнього середовища. Досліди свідчать, що за різних температур рідині для випаровування потрібно додавати різну кількість теплоти: чим вища температура, за якої відбувається випаровування, тим менше потрібно теплоти. Найменша додаткова кількість теплоти потрібна за температури кипіння.

Фізичну величину, що показує, яка кількість теплоти потрібна для перетворення 1 кг рідини на пару за певної сталої температури, називають питомою теплотою пароутворення.

Питому теплоту пароутворення позначають великою латинською літерою L. Одиницею питомої теплоти пароутворення є джоуль на кілограм (1 Дж/кг).

Для розрахунків кількості теплоти, потрібної для випаровування рідини, експериментальним шляхом визначають питому теплоту пароутворення для кожної рідини за різних температур. У таблиці 13 наведено значення питомої теплоти пароутворення деяких рідин за температури кипіння і нормального атмосферного тиску.

Приклад. За таблицею 13 питома теплота пароутворення води:

L = 2260 .

Це означає, що за температури 100 °С потрібно ≈ 2,3 ∙ 106 Дж тепла для повного випаровування 1 кг води.

Під час конденсації пара віддає

таку саму кількість теплоти, яка пішла на її утворення. Це доволі велика енергія, тому явище конденсації використовують у паровому опаленні приміщень. Його особливістю є комбіноване віддавання тепла парою, яка не тільки знижує свою температуру, проходячи всередині опалювального приладу, а й конденсується на його внутрішніх поверхнях. При цьому за конденсації 1 кг пари виділяється близько 2300 кДж тепла, а внаслідок остигання 1 кг пари на 50 °С — лише 100 кДж.

Для випаровування 2 кг води за температури 100 °С знадобиться вдвічі більша кількість теплоти від нагрівача, а для випаровування m кг — в m разів більша.

Таблиця 13

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

Речовина

Питома теплота пароутворення, кДж/кг

Азот

199

Аміак

1370

Ацетон

520

Бензин

300

Вода

2260

Гліцерин

830

Гас

209-230

Ефір

355

Залізо

6120

Мідь

4820

Ртуть

293

Свинець

855

Спирт

906-1101

Щоб обчислити кількість теплоти Q, потрібну для перетворення рідини маси m за температури кипіння на пару, слід питому теплоту пароутворення помножити на масу рідини:

О = L ∙ m.

Якщо відома кількість теплоти Q, що пішла на повне випаровування за температури кипіння m кг рідини, для визначення питомої теплоти пароутворення L треба Q поділити на m:

L = .

Саме за цією формулою визначають питому теплоту пароутворення за результатами дослідів.

Знаючи кількість теплоти Q, що пішла на повне випаровування за температури кипіння, і питому теплоту пароутворення L, для визначення маси m випарованої рідини або утвореної пари треба Q поділити на L:

m = .

У випадку конденсації пари питому теплоту конденсації, кількість теплоти, що при цьому виділяється, а також масу утвореної рідини або сконденсованої пари обчислюють за такими самими формулами.

Приклад розв’язування задач Задача. Дано графік залежності температури від часу нагрівання для 500 г рідини. Яка це рідина? Яку кількість теплоти потрібно витратити для здійснення процесів АВ і ВС. Усі необхідні дані візьміть з таблиць 8, 12 і 13.

Розв'язання

1. Початкова температура рідини t1 = 28 °С. Цю рідину за 5 хв нагріли до t2 = 78 °С. Від 5 до 10 хв температура рідини не змінювалась — отже, вона кипіла і за цей час уся википіла. У таблиці 13 знаходимо, що t2 = 78 °С є температурою кипіння спирту. Отже, рідина, яку нагрівали, є спиртом.

2. Нахилений відрізок АВ графіка відповідає нагріванню спирту від 28 до 78 °С. Потрібну для цього кількість теплоти обчислюємо за формулою:

QAB = c(t2 - t1).

Питому теплоємність спирту знаходимо в таблиці 8.

QAB = 2500 ∙ 0,5 кг (78 - 28) °С = 62500 Дж.

3. Горизонтальний відрізок графіка ВС відповідає кипінню спирту до повного його википання. Кількість теплоти, потрібну для виконання цього процесу, обчислюємо за формулою QBC = L ∙ m. Скористаємось найменшим значенням питомої теплоти пароутворення спирту Lсп = 9 ∙ 105. Тоді:

QВС = 9 ∙ 105 ∙ 0,5 кг = 4,5 ∙ 105Дж.

Відповідь:

1. Рідина, яку нагрівали, є спиртом.

2. QАВ = 6,25 ∙ 105 Дж теплоти.

3. QВС = 4,5 ∙ 105 Дж теплоти.

Підсумки

• Кількість теплоти, потрібну для пароутворення, або ту, що виділяється під час конденсації, розраховують за формулою О = L ∙ m. Звичайно такі розрахунки виконують для випадку, коли рідина або пара перебувають за температури кипіння.

• L — питома теплота пароутворення. L показує, яка кількість теплоти необхідна, щоб 1 кг рідини, взятої при tкип, повністю перевести в пару (або 1 кг пари перевести в рідину).

Перевір свої знання

1. При якій температурі відбувається випаровування води?

2. Що однакове в процесах випаровування і кипіння? У чому різниця між ними?

3. Чому при кипінні рідина перетворюється в пару набагато швидше, ніж при випаровуванні?

4. Чи випаровуються тверді тіла?

5. Чому рідина при випаровуванні охолоджується?

6. Чому ми відчуваємо холод, коли виходимо із річки?

7. Чому чай остигає, коли ми на нього дуємо?

8. Дано графік залежності температури від часу для 2 кг води. Назви процеси, які відповідають дільницям графіка AB, ВС. Яка енергія виділяється в результаті процесів АВ і ВС?

9. У залізну каструлю масою 1,5 кг налили 2,5 л води температурою 20 °С. Яка кількість теплоти необхідна для нагрівання води до кипіння і подальшому повному перетворенню її в пару?

10. Яка кількість теплоти виділиться водою масою 2 кг за охолодження від 100 до 0 °С? Яка кількість теплоти виділиться, якщо замість води взяти стільки ж пари за 100 °С?

11. Латунний калориметр масою 145 г містить 280 г води за 0 °С. У нього поклали 40 г льоду за -10 °С і впустили водяну пару за 100 °С. Температура суміші стає 20 °С. Визнач масу пари, яку впустили в калориметр.





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