Підручник Фізика 8 клас - Т. М. Засєкіна - Оріон 2016 рік

РОЗДІЛ 1.ТЕПЛОВІ ЯВИЩА

§ 14. КИПІННЯ. РОЗРАХУНОК КІЛЬКОСТІ ТЕПЛОТИ ПІД ЧАС ПАРОУТВОРЕННЯ / КОНДЕНСАЦІЇ

Ви дізнаєтесь

- Чим кипіння відрізняється від випаровування

Пригадайте

- Особливості руху та взаємодії молекул речовини в газоподібному і рідкому стані

Кипіння. За певної температури (температури кипіння) рідини починають інтенсивно випаровуватися не лише з вільної поверхні, а й в усьому об’ємі. Це явище називають кипінням.

Кипіння — перехід рідини в пару, який характеризується інтенсивним випаровуванням рідини не тільки з її вільної поверхні, а й з усього об’єму.

Нагріватимемо воду в посудині (мал. 61, а). Через деякий час дно і стінки посудини вкриються бульбашками. Це бульбашки повітря, яке завжди буває розчиненим у воді. Під час нагрівання рідини вода випаровується вздовж поверхні бульбашки в її середину. З підвищенням температури бульбашка заповнюється не тільки повітрям, розчиненим у воді, а й водяною парою. Зі збільшенням кількості водяної пари всередині бульбашок їх об’єм поступово збільшується, а відповідно збільшується й виштовхувальна архімедова сила, що діє на бульбашку. Бульбашки відриваються від поверхні стінок і дна посудини й підіймаються до поверхні рідини. Якщо вода в посудині ще не прогріта повністю й верхні її шари залишаються холодними (мал. 61, б), бульбашки стискаються, створюючи характерний шум, який ми чуємо перед початком кипіння рідини.

Мал. 61. Кипіння води

Таблиця 1 Температура кипіння деяких речовин (за нормального атмосферного тиску)

Речовина

tкип , °С

Водень

-253

Кисень

-183

Ефір

35

Спирт

78

Вода

100

Молоко

100

Ртуть

357

Свинець

1740

Мідь

2567

Залізо

2750

Якщо ж вода прогрілася повністю (мал. 61, в), а ми продовжуємо її нагрівати, процес пароутворення в середину бульбашок відбувається інтенсивніше. Кількість пари всередині бульбашок збільшується, відповідно підвищується й тиск пари. Унаслідок цього об’єм бульбашок збільшується, і за певної температури рідини бульбашки починають спливати на поверхню й лопатися, а водяна пара, що містилася в бульбашках, виходить назовні. Іноді при цьому можна спостерігати туман, який утворюється над посудиною: водяна пара змішується з холодним повітрям і конденсується у вигляді маленьких крапельок. Самої пари, звичайно, не видно.

При кипінні температура рідини залишається сталою, оскільки вся теплота, що надається рідині, йде на внутрішнє випаровування в усьому об’ємі.

Температура кипіння. Температуру, за якої кипить рідина, називають температурою кипіння. У кожної речовини вона має своє значення і залежить від різних факторів, зокрема від зовнішнього тиску. Це пояснюється тим, що бульбашкам із парою для виходу назовні треба подолати його протидію. Тому з підвищенням зовнішнього тиску зростатиме температура кипіння, і навпаки, зі зниженням зовнішнього тиску температура кипіння зменшуватиметься. Наприклад, у високих горах вода кипітиме за значно нижчої температури, ніж за нормального атмосферного тиску.

У таблиці подано температури кипіння (у °С) деяких речовин (за нормального атмосферного тиску).

З таблиці видно, що речовини, які у звичайних умовах є газами, за достатнього охолодження перетворюються в рідини, що киплять за дуже низьких температур, а речовини, які у звичайних умовах спостерігаємо у твердому стані, перетворюються під час плавлення в рідини, що киплять за дуже високої температури.

Питома теплота пароутворення. Щоб рідина у процесі пароутворення не змінювала своєї температури, їй треба надавати енергію. Так, щоб випарувати воду масою 1 кг за температури 35 °С, потрібно 2,4·106 Дж, а за температури кипіння 100 °С — 2,3·106 Дж.

Питома теплота пароутворення — це фізична величина, що показує, яка кількість теплоти потрібна, щоб перетворити рідину масою 1 кг у пару без зміни температури рідини.

Мал. 62. Графік залежності температури від часу

Питому теплоту пароутворення позначають літерою L (або літерою r). Одиницею питомої теплоти пароутворення є джоуль на кілограм,.

Кожна рідина має свою питому теплоту пароутворення. Найчастіше під час розв’язування задач використовують значення питомої теплоти пароутворення за температури кипіння та нормального атмосферного тиску (див. форзац).

Обчислення кількості теплоти. Щоб обчислити кількість теплоти, яка потрібна для перетворення в пару рідини будь-якої маси m, узятої за температури кипіння, треба питому теплоту пароутворення L помножити на масу:

Qвип = Lm.

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

Процеси нагрівання й кипіння можна зобразити графічно. Для цього по осі ординат відкладають значення температури речовини, а по осі абсцис — час, протягом якого триває процес. Наприклад, на малюнку 62 графічно зображено процеси нагрівання й кипіння води та нагрівання утвореної водяної пари, а також обернені процеси: охолодження пари, конденсації та охолодження води.

Підбиваємо підсумки

Пароутворення відбувається двома способами — випаровуванням і кипінням.

Кипіння — це перехід рідини в пару, який характеризується інтенсивним випаровуванням рідини не тільки з її вільної поверхні, а й з усього об’єму всередину бульбашок пари, які при цьому виникають.

Кипіння настає за фіксованої температури кипіння. З підвищенням зовнішнього тиску температура кипіння зростає, і навпаки, зі зниженням зовнішнього тиску температура кипіння зменшується.

Щоб обчислити кількість теплоти, що потрібна для перетворення в пару рідини будь-якої маси m, узятої за температури кипіння, треба питому теплоту пароутворення L помножити на масу: Qвип = Lm.

Я знаю, вмію й розумію

1. У чому полягає суть явища кипіння?

2. Як впливає зовнішній атмосферний тиск на процес кипіння?

3. Чи змінюється в процесі кипіння температура? Чому?

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

Поясніть

1. Чи може вода закипіти за температури 80 °С?

2. У великій каструлі з водою, що стоїть на вогні, плаває менша каструля з водою (мал. 63). Матеріал каструль — дуже добрий провідник теплоти (метал). У якій із каструль вода википить швидше? Чи кипітиме вода в маленькій каструлі, яка плаває у великій каструлі, де кипить вода?

Мал. 63. До завдання 2

ВЧИМОСЯ РОЗВ'ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ

Задача

Яка кількість енергії потрібна для перетворення води масою 2 кг, взятої за температури 20 °С, у пару?

Розв’язання:

Загальна кількість затраченої енергії: Q = Q1 + Q2,

де Q1— енергія, затрачена на нагрівання води від 20 до 100 °С: Q1 = сm(tкип - t) , а Q2 — енергія, затрачена на перетворення води в пару без зміни її температури: Q2 = Lm .

Підставивши числові значення величин, дістанемо:

Q = 4200 · 2кг · (100°С - 20°С) + 2,3·106 · 2 кг5,3 · 106 Дж.

Відповідь: Q 5,3 ·106 Дж .

Вправа 4

1. Чи кипітиме вода у склянці, що плаває в киплячій воді?

2. Що має більшу внутрішню енергію: 1 кг води за температури 100 °С чи 1 кг водяної пари, узятої за тієї самої температури?

3. Яка кількість теплоти виділяється під час конденсації 2,5 кг водяної пари, якщо її температура 100 °С?

4. Водяну пару масою 1 кг узято за температури 100 °С. Скільки енергії передасть вона навколишньому середовищу в разі конденсації й подальшого охолодження до 0 °С?

5. Яку кількість теплоти потрібно витратити, щоб 4 кг льоду, взятого за температури -10 °С, перетворити у пару температурою 100 °С?

6. У посудину, в якій міститься 1,5 кг води за температури 15 °С, впустили 200 г водяної пари за температури 100 °С. Яка температура встановиться в посудині після конденсації пари?

7. Яку кількість теплоти треба надати 50 г води, температура якої 20 °С, щоб довести її до кипіння й перетворити половину цієї води в пару?

8. Яка кількість теплоти виділяється під час конденсації водяної пари, маса якої 10 кг, а температура 100 °С, та охолодження води, що утворилася, до 20 °С?





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