Підручник Фізика 8 клас - М. I. Шут - Перун 2016 рік

Частина I ТЕПЛОВІ ЯВИЩА.

РОЗДІЛ 2. ВНУТРІШНЯ ЕНЕРГІЯ ТІЛА. ТЕПЛОВІ ПРОЦЕСИ

§ 14. ПИТОМА ТЕПЛОТА ПАРОУТВОРЕННЯ (КОНДЕНСАЦІЇ). РОЗРАХУНОК КІЛЬКОСТІ ТЕПЛОТИ ПІД ЧАС ПАРОУТВОРЕННЯ (КОНДЕНСАЦІЇ).

1. Питома теплота пароутворення.

Експериментально встановлено, що після початку кипіння рідини її температура перестає змінюватися і залишається сталою протягом усього часу кипіння, незважаючи на те, що теплоту ззовні рідина одержує. На що вона витрачається? Зрозуміло, що перехід рідини в пару супроводжується збільшенням відстаней між молекулами та подоланням міжмолекулярних сил. Саме на це і витрачається теплота, яка підводиться до рідини під час кипіння. Цей процес продовжується доти, доки вся рідина не перетвориться на пару (не википить). З цього випливає, що для перетворення рідини на пару у процесі кипіння необхідно підводити до неї певну кількість теплоти (енергію).

Кількість теплоти, яку необхідно надати речовині масою 1 кг для перетворення її з рідкого стану у газоподібний при температурі кипіння, називається питомою теплотою пароутворення.

Питому теплоту пароутворення позначають літерою г.

Питома теплота пароутворення залежить від виду речовини та умов, за яких цей процес відбувається.

За всіх інших однакових умов, різним речовинам для пароутворення потрібна різна кількість теплоти, оскільки різними є міжмолекулярні сили, які необхідно подолати молекулам при виході з поверхні рідини.

Досліди показують, що чим вища температура рідини, тим менше енергії потрібно витратити на процес пароутворення. Дійсно, чим вища температура рідини, тим більшою є енергія руху молекул. У такому випадку молекулам необхідно надати меншої енергії для того, щоб вони могли залишати рідину. Отже, чим вища температура рідини, тим менше енергії витрачається на її випаровування. При температурі кипіння ця кількість теплоти є найменшою.

У таблиці 5 подано значення питомої теплоти пароутворення деяких речовин при їх температурах кипіння і нормальному атмосферному тиску. Значення питомої теплоти пароутворення є досить значними. Це відіграє виключно важливу роль в природі, оскільки процеси пароутворення відбуваються в природі у величезних масштабах.

2. Формула для обчислення питомої теплоти пароутворення. З таблиці 5 видно, що для випаровування 1 кг води (tк = 100 °С) потрібно витратити 2257 кДж енергії. Відповідно, якщо необхідно випарити не 1 кг води, а 10 кг води, то ця величина збільшиться у 10 разів і дорівнюватиме 22570 кДж.

Таким чином, щоб обчислити кількість теплоти, яку необхідно надати речовині масою т для перетворення її з рідкого стану у газоподібний при температурі кипіння, треба питому теплоту пароутворення помножити на масу речовини:

Q = r ∙ m.

З формули випливає, що одиницею питомої теплоти пароутворення є 1 [r] =

3. Графіки процесів нагрівання і кипіння. У процесі кипіння температура речовини з часом не змінюється. Тому в системі координат «температура-час» графіком відповідного теплового процесу буде пряма лінія, яка паралельна до осі часу, а на ось температур проектується у точку, що відповідає температурі кипіння речовини.

Фізичний зміст питомої теплоти пароутворення полягає в тому, що вона показує, на скільки збільшується внутрішня енергія речовини масою 1 кг при перетворенні її з рідкого стану у газоподібний при температурі кипіння.

Кількість теплоти, яку надають рідині під час пароутворення, витрачається не лише на збільшення її внутрішньої енергії, але и на виконання роботи проти сил зовнішнього тиску.

Отже, під час пароутворення за зниженого атмосферного тиску потрібно витратити менше енергії, ніж при високому атмосферному тиску.

На рис. 66 зображено графік теплового процесу нагрівання і кипіння води. Розглянемо його окремі ділянки:

АВ - нагрівання води від 0°С до 100°С (температура кипіння води при нормальному атмосферному тиску);

ВС - кипіння води.

За графіком можна порівнювати температури кипіння різних речовин та досліджувати перебіг теплових процесів.

Температура кипіння і питома теплота пароутворення

Таблиця 5

Назва

речовини

tк°C

L, кДж/кг

Назва

речовини

tк°С

L, кДж/кг

Ефір

34,6

355,0

Срібло

2212

2177

Спирт

78,3

906,0

Золото

2803

1758

Вода

100

2257,0

Платина

4530

2512

Ртуть

357

293,1

Вольфрам

5660

4960

Рис. 66. Графік процесу нагрівання і кипіння води

ПОГЛИБТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

Як отримують дистильовану воду? Якщо провести дослід з випаровування і конденсації водного розчину цукру, а потім спробувати на смак воду, що утворилася внаслідок конденсації пари, то, як не дивно, але цукру в конденсованій воді ми не виявимо! Виконавши подібний дослід з водним розчином кухонної солі, отримаємо подібний результат: в конденсованій воді сіль відсутня. Отже, випаровуванням і конденсацією водних розчинів, можна виділити з води тверді речовини, які в ній розчинені. Такий процес отримав назву перегонки або дистиляції. Очищену в такий спосіб від солей та інших домішок воду називають дистильованою водою.

Процес дистиляції дозволяє розділяти і суміші рідин. При дистиляції сумішей рідин в першу чергу дистилюється рідина, що має нижчу температуру кипіння і меншу питому теплоту пароутворення, потім рідина з більш високою температурою кипіння і більшою питомою теплотою пароутворення. Описаний процес розділення сумішей рідин називають дробовою або шротовою перегонкою. За такою схемою отримують, наприклад, різні продукти перегонки нафти: бензин, лігроїн, гас, солярку, мазут, а з останнього — різні оливи (мастильні речовини).

Фізичне знання в техніці

Градирні. Градирні називають ще охолоджувальними баштами. Вони призначені для охолодження великої кількості води спрямованим потоком атмосферного повітря. У градирню вода спадає у вигляді дрібних крапель або тонкої плівки, частково випаровується в атмосферу та охолоджується. Охолоджена таким чином вода використовується за іншим призначенням (наприклад, для швидкого охолодження пари, що поступає з турбінного блоку електростанції).

Рис. 67. Градирні на харківській теплоелектроцентралі (ТЕЦ), яка забезпечує гаряче водопостачання і опалення житлових та промислових об’єктів

Подумайте і дайте відповідь

1. На що витрачається кількість теплоти, яка підводиться до речовини у процесі кипіння?

2. У якому випадку на процес пароутворення витрачається менша кількість теплоти: а) чим менша температура речовини; б) чим більша температура речовини.

3. У якому випадку на процес пароутворення витрачається більша кількість теплоти: а) при зниженому атмосферному тиску; а) при підвищеному атмосферному тиску.

4. Від чого залежить кількість теплоти, яка необхідна для пароутворення?

5. Чому питому теплоту пароутворення одночасно вважають і питомою теплотою конденсації?

6. Запишіть формулу, за якою обчислюють кількість теплоти, що витрачається на пароутворення (або виділяється при конденсації пари).

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 14.

1. Поясніть, чому під час дощу стає прохолодніше.

2. У субтропічних та тропічних областях Землі кількість водяної пари в атмосфері більша, ніж в областях з помірним кліматом. У яких з цих областей важче переноситься спека? Відповідь обґрунтуйте.

3. Визначте, яку кількість теплоти треба витратити, щоб перетворити на пару 200 г спирту.

4. Обчисліть, скільки теплоти виділиться при конденсації 200 г водяної пари з температурою 100°С та при охолодження одержаної води до 20°С.

5. У посудину, яка містить 400 г води при температурі 17°С, впускають 10 г пари при температурі 100°С, яка перетворюється на воду. Визначте кінцеву температуру води. Теплоємністю посудини та втратами тепла можна знехтувати.

СИСТЕМАТИЗУЄМО ЗНАННЯ З РОЗДІЛУ 2.

1. Енергія тіла, яка залежить від характеру руху і взаємодії його частинок і визначається лише тепловим станом тіла, називається внутрішньою енергією. Внутрішня енергія складається з кінетичної і потенціальної енергії частинок тіла.

2. Розрізняють два способи змінення внутрішньої енергії тіла: виконання механічної роботи і теплообмін (теплопередача). Існують три види теплообміну: теплопровідність, конвекція, випромінювання. У всіх теплових процесах справджується закон збереження і перетворення енергії.

3. Мірою енергії, переданої у формі теплоті в процесі теплообміну, є кількість теплоти Q. Кількість теплоти, яку тіло поглинає при нагріванні або віддає при охолодженні, визначається за формулою: Q = с ∙ m ∙ (t2 - t1) , де с — питома теплоємність речовини.

4. Проявом закону збереження енергії у теплових процесах є рівняння теплового балансу:

Q-1 + Q+2 + Q-3 +... = Q+1 + Q+2 + Q+3 +....

5. Тепловий процес зручно зображати за допомогою графіка. Графік теплового процесу будують з урахуванням залежностей між будь- якими двома величинами (параметрами), що характеризують даний тепловий процес.

6. Для визначення кількості теплоти Q, необхідної для плавлення речовини при температурі її плавлення, застосовують формулу: Q = ∙ m, де - питома теплота плавлення. Кількість теплоти, яку необхідно надати речовині масою m для перетворення її з рідкого стану у газоподібний при температурі кипіння, обчислюють за формулою: Q = r ∙ m, де r- питома теплота пароутворення.

7. Між агрегатними станами речовини можуть відбуватися взаємоперетворення (агрегатні перетворення). До них відносяться плавлення, кристалізація, пароутворення, конденсація. Агрегатні перетворення речовини супроводжуються відповідними змінами її внутрішньої енергії.

8. Для успішного використання агрегатних перетворень в практичній діяльності необхідно знати, за яких умов вони відбуваються та як пояснюються з точки зору внутрішньої будови речовини.





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