Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА. ТЕПЛОВІ МАШИНИ ТА МЕХАНІЗМИ

§ 16 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. 54, 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, бульбашки стискаються, створюючи характерний шум, який ми чуємо перед початком кипіння рідини. Якщо ж вода прогрілася повністю, 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.

Мал. 54. Кипіння води

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 й 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.

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.

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.

Мaл. 55. Графік залежності температури від часу

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 55 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 Lпомножити 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. 56). Матеріал каструль — дуже добрий провідник тепла (метал). У якій із каструль вода википить швидше? Чи кипітиме вода в маленькій каструлі, яка плаває у великій каструлі, де кипить вода?

3. Чому ділянки АВ і CD графіка нагрівання води і водяної пари (мал. 55) мають різний нахил?

Мал. 56. До завдання 2

ВЧИМОСЯ РОЗВ'ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ

Яка кількість енергії потрібна для перетворення води масою 2 кг, узятої 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 = cm(tкип - 1), 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 кг ≈ 5,3 ∙ 106 Дж.

Відповідь: Q ≈ 5,3 ∙ 106Дж.

Вправа 8

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

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

3. 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?

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

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

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

7. 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