§ 14. Кипіння. Питома теплота пароутворення
До якої температури можна нагріти воду? Чи є сенс збільшувати потужність пальника, щоб прискорити готування борщу? як закип'ятити воду за допомогою снігу? на деякі з цих питань ви знайдете відповіді в цьому параграфі, на деякі зможете відповісти самі після його вивчення.
Знайомимося з процесом кипіння
Проведемо експеримент. Закріпимо колбу з водою в лапці штатива і щільно закоркуємо, лишивши в корку два отвори. В один з отворів вставимо трубку для виходу пари, у другий помістимо термометр (рис. 14.1). Почнемо нагрівати воду в колбі.
Через якийсь час дно та стінки колби вкриються бульбашками (рис. 14.2, а), які утворені розчиненими у воді газами. Річ у тім, що зі збільшенням температури розчинність газів зменшується, а «зайвий» газ виділяється у вигляді бульбашок. Бульбашки перебувають у воді, тому в них є ще й водяна пара.
Після досягнення бульбашкою певного розміру архімедова сила, що діє на бульбашку, відриває її від стінки чи дна посудини й бульбашка піднімається (рис. 14.2, б). На місці бульбашок, що відірвалися, залишається невелика кількість газу — зародки нових бульбашок. Верхні шари рідини певний час холодніші за нижні, тому у верхніх шарах водяна пара в бульбашках конденсується і бульбашки схлопуються. Цей процес супроводжується шумом і утворенням численних дрібних бульбашок. Вода стає каламутною — говорять, що вона «кипить білим ключем».
Коли вся рідина прогріється (температури верхніх і нижніх шарів зрівняються), бульбашки, піднімаючись, уже не зменшуватимуться в об’ємі, а навпаки, будуть збільшуватися, адже всередину бульбашок активно випаровується вода (рис. 14.2, в). Досягнувши поверхні рідини, бульбашки лопаються і викидають назовні значну кількість водяної пари (рис. 14.2, г). Вода при цьому вирує і клекоче — ми кажемо, що вона закипіла. Термометр у цей момент показує температуру 100 °С.
Кипіння — це процес пароутворення, який відбувається в усьому об'ємі рідини й супроводжується утворенням і зростанням бульбашок пари.
рис. 14.3. До запитання в § 14
рис. 14.4. У разі затиснення трубки для відведення водяної пари тиск усередині колби збільшується, і це приводить до підвищення температури рідини
рис. 14.5. Каструля-скоровар-ка: завдяки клапанам і герметичній кришці в просторі над рідиною підтримується високий тиск, тому температура кипіння води в такій каструлі зазвичай становить близько 120 °С
З'ясовуємо, від чого залежить температура кипіння
Продовжимо експеримент (див. п. 1 параграфа). Будемо нагрівати далі вже киплячу воду і спостерігати за показами термометра. Побачимо, що стовпчик термометра застиг на позначці 100 °С. Отже, під час кипіння температура рідини не змінюється.
Температура, за якої рідина кипить, називають температурою кипіння.
Чому під час готування, наприклад, борщу (рис. 14.3), після того як рідина закипить, слід зменшити потужність нагрівника?
З’ясуємо, від чого залежить температура кипіння рідини.
Для початку зменшимо вихід пари з колби, досить міцно затиснувши трубку, що відводить пару (рис. 14.4). Пара збиратиметься над поверхнею води, тиск над рідиною збільшиться, кипіння на якийсь час припиниться, а температура рідини почне підвищуватися. Отже, температура кипіння залежить від зовнішнього тиску. Зі збільшенням зовнішнього тиску температура кипіння рідини зростає (рис. 14.5).
Наллємо в колбу воду кімнатної температури. За допомогою насоса відкачуватимемо повітря з колби. Через деякий час на внутрішній поверхні колби з’являться бульбашки газу. Якщо відкачувати повітря й далі, вода закипить (рис. 14.6), але вже за температури, набагато нижчої від 100 °С. Зі зменшенням зовнішного тиску температура кипіння рідини знижується. Спостерігаючи кипіння інших рідин, наприклад спирту, олії, ефіру, можна помітити, що за умови нормального тиску вони киплять
Процес кипіння — це процес переходу рідини в пару, і цей процес іде з поглинанням енергії. Тому для підтримування кипіння до рідини потрібно підводити певну кількість теплоти. Ця енергія йде на розривання міжмолекулярних зв’язків і утворення пари.
за різних температур, які відрізняються від температури кипіння води. Тобто температура кипіння залежить від роду рідини. Про температуру кипіння деяких речовин за нормального атмосферного тиску ви можете дізнатися з табл. 4 Додатку.
Температура кипіння також залежить від наявності в рідині розчиненого газу. Якщо довго кип’ятити воду, в такий спосіб видаливши з неї розчинений газ, то повторно за нормального тиску цю воду можна буде нагріти до температури, яка перевищує 100 °С. Таку воду називають перегрітою2.
Вводимо поняття питомої теплоти пароутворення
Досліди показують: кількість теплоти, необхідна для перетворення рідини на пару, залежить від роду рідини.
Питома теплота пароутворення — це фізична величина, що характеризує певну речовину й дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати рідині масою 1 кг, щоб за незмінної температури перетворити її на пару.
Питому теплоту пароутворення позначають символом L і обчислюють за формулою:
де Q — кількість теплоти, отримана рідиною; m — маса одержаної пари.
Питома теплота пароутворення показує, на скільки за даної температури внутрішня енергія 1 кг речовини в газоподібному стані більша, ніж внутрішня енергія 1 кг цієї самої речовини в рідкому стані.
З формули для визначення питомої теплоти пароутворення дістанемо одиницю цієї величини в СІ — джоуль на кілограм:
Питому теплоту пароутворення визначають дослідним шляхом (рис. 14.7) і заносять до таблиць (див. табл. 5 Додатку).
Обчислюємо кількість теплоти, яка витрачається на перетворення рідини на пару або виділяється в ході конденсації пари
Щоб обчислити кількість теплоти, необхідну для перетворення рідини на пару за незмінної температури, слід питому теплоту пароутворення цієї рідини помножити на її масу:
Якщо перед трубкою для відведення пари помістити якийсь холодний предмет, то пара конденсуватиметься на ньому (рис. 14.8). Ретельні вимірювання показують, що в ході конденсації пари виділяється точно така сама кількість теплоти, яка йде на утворення, пари.
учимося розв'язувати задачі
Задача 1. Яка кількість теплоти необхідна, щоб довести до кипіння й повністю випарувати 3 кг води, узятої за температури 0 °С?
Аналіз фізичної проблеми. Побудуємо схематичний графік залежності температури води від часу нагрівання (див. рисунок).
У перший момент температура води (ί0) становила 0 °С — точка O на графіку. У ході нагрівання температура води збільшуватиметься прямо пропорційно кількості отриманої теплоти Q1, а отже, і часу нагрівання (ділянка GA).
Нагрівшись до 100 °С (температура кипіння води), вода починає кипіти, і її температура не буде змінюватися доти, доки вся вода не випарується
рис. 14.7. Дослід з визначення питомої
теплоти пароутворення води
(див. також задачу 2 у п. 5 параграфа)
рис. 14.8. Дослід, що демонструє конденсацію пари
(ділянка AB графіка). Вода при цьому одержує певну кількість теплоти Q2. Питому теплоємність c води і питому теплоту пароутворення L знайдемо відповідно в табл. 1, 5 Додатку.
Задача 2. Під час досліду щодо визначення питомої теплоти пароутворення води водяна пара, що має температуру 100 °С, надходить до калориметра, в якому міститься 500 г води за температури 20 °С (див. рис. 14.7). Після закінчення досліду температура води в калориметрі становила 50 °С, а її маса збільшилася на 25 г. За даними досліду обчисліть питому теплоту пароутворення води. Вважайте, що теплообмін з калориметром і довкіллям відсутній.
Підбиваємо підсумки
Процес пароутворення, що відбувається в усьому об’ємі рідини й супроводжується утворенням і зростанням бульбашок пари, називають кипінням.
Температура кипіння рідини залежить від зовнішнього тиску, роду рідини та наявності розчинених у рідині газів.
Питома теплота пароутворення — це фізична величина, що характеризує певну речовину й дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати рідині масою 1 кг, щоб за незмінної температури перетворити її на пару.
Контрольні запитання
1. Що таке кипіння? 2. Які явища спостерігаються в рідині перед тим, як вона починає кипіти? 3. Яка сила змушує бульбашку газу підніматися на поверхню рідини? 4. Чи змінюється температура рідини під час кипіння? 5. Від яких чинників залежить температура кипіння рідини?
6. На що витрачається енергія, яку одержує рідина під час кипіння?
7. Що називають питомою теплотою пароутворення? 8. За якою формулою можна обчислити кількість теплоти, що виділяється в ході пароутворення та конденсації рідини?
Вправа № 14
1. Відомо, що температура кипіння води на вершині гори Еверест становить близько 70 °С. Як ви думаєте, чому?
2. Питома теплота пароутворення води становить 2,3 МДж/кг. Що це означає?
3. Яку кількість теплоти необхідно передати воді масою 10 кг, узятій за температури кипіння, щоб перетворити її на пару?
4. Чому опік парою є небезпечнішим, ніж опік окропом?
5. На скільки збільшиться внутрішня енергія 10 кг льоду, узятого за температури 0 °С, у результаті перетворення його на пару з температурою 100 °С?
6. У каструлі з водою, що кипить, розміщено відкриту колбу з водою. Чи кипить вода в колбі?
7. Скориставшсь додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про практичне застосування кипіння.
Експериментальні завдання
1. У прозору скляну пляшку обережно налийте невелику кількість гарячої води. Покачайте воду в пляшці, збільшуючи таким чином площу вільної поверхні води, а отже, швидкість випаровування. Новоутворена пара витисне з пляшки частину повітря. Щільно закоркуйте пляшку, переверніть і остудіть її дно за допомогою холодної води або снігу. Вода в пляшці закипить. Поясніть це явище.
2. Візьміть одноразовий шприц без голки, приблизно наполовину заповніть його теплою водою. Щільно затуліть отвір пальцем. Повільно витягайте поршень та спостерігайте за кипінням води (див. рисунок). Поясніть спостережуване явище.
Відеодослід. Перегляньте відеоролик і поясніть спостережуване явище.
Немає коментарів:
Дописати коментар