Парообразование 💧 описание процессов испарения и кипения, свойства, виды превращений жидкости, условия образования пара, формулы, примеры

Удельное парообразование воды: формула, физика процесса

В мире столько всего, на первый взгляд, привычного, о чем многие из нас даже не задумываются и не пытаются глубже проникнуть в происходящие процессы.

Например, парообразование. Оно окружает нас повсюду – и в бытовой жизни, и в природе. Пар исходит от стоящего на плите борща, от вскипающего чайника, пар идет изо рта при низкой атмосферной температуре.

Испарение происходит на поверхности горячего источника

Попытаемся подробнее остановиться на процессе образования пара и выяснить, в чем определяется удельная теплота парообразования воды и что она показывает.

1. Физика процесса
2. Образование пара при кипении
3. Формула

Физика процесса

Переход вещества из жидкого состояния в парообразное в физике называется парообразованием.

Обратный процесс перехода из газообразного состояния в твёрдое или жидкое, называется конденсация. Например, скопление облаков или наступающий туман.

Выделяют два вида парообразования:

• испарение;
• кипение.

В первом случае необходимо достичь порога температуры плавления, преодолев его. А при кипении у каждого жидкого вещества своя определенная температура, до достижении которой образуется пар.

Область парообразования в этих случаях тоже отличается.

1. При испарении пар образуется со свободной поверхности, которая граничит с окружающими ее газами – кислородом и др.
2. При кипении образование пара происходит со всего объема жидкости.

Образование пара при кипении

Для наглядности посмотрим, как же образуется пар при кипении на рисунке № 1.

Пузырьки пара образуются во всем объеме жидкости, поднимаются на её поверхность и лопаются, высвобождая горячий пар в в воздух.

Когда вода кипятится, ей передается некоторое количество теплоты, благодаря чему у молекул воды увеличивается внутренняя энергия. Это приводит к тому, что эти молекулы беспорядочно движутся и сталкиваются друг с другом, за счет чего вода закипает.

Пар выделяется в растворенных газах, которые есть в воде. Именно пар как раз и находится в тех пузырьках, которые образуются при кипячении.

Пузырек лопается, чтобы высвободить постоянно увеличивающийся пар. Все это происходит под привыкший для всех нас звук бурления. Но многие пузырьки лопаются внутри воды, не успевая достичь свободной поверхности.

Формула

Физические процессы основаны на формулах. Не является исключением и парообразование.

Если величина будет показывать, сколько теплоты (дж) нужно для обращения жидкости (кг) в пар при испарении при указанной температуре в отсутствие ее изменения, тогда она будет называться удельной теплотой парообразования и конденсации. Обозначается она как L и при расчете используется формула:

Q – теплота, затраченная на превращение пара в жидкость

Удельная теплота парообразования при различных температурах будет отличаться. Например, при достижении температуры кипения это значение будет самым низким.

Эта величина имеет особое значение во многих сферах производства, например при производстве металлов.

Выяснилось, что когда плавится железо, после его повторного затвердевания возникшая кристаллическая решетка оказывается намного прочнее предыдущей.

Определить удельную теплоту возможно только путем эксперимента, а ее основные значения уже давно установлены. Например, для спирта это 0,9*106, а для воды 2,3*106.

Изменяется удельная теплота парообразования воды и в зависимости от давления. Здесь наблюдается как раз обратная зависимость – когда давление воды увеличивается, снижается значение удельной теплоты парообразования.

При атмосферном давлении в 760 мм рт. ст. удельная теплота парообразования равна 2258 кДж/кг.

От давления зависит также и температура кипения воды – она уменьшается при понижении давления и, наоборот, увеличивается при его повышении, и может достичь своего максимального значения 374,15 °С.

Характерным примером может явиться покорение альпинистами высоких гор.

На особых высотах (более 3000 м) из-за пониженного атмосферного давления, уменьшается и температура кипения воды (до 90°С), что усложняет процесс приготовления еды, поскольку требуется больше времени, чтобы произвести термическую обработку пищи.

А на более высоких местностях (около 7000 м.) готовить еду становится практически невозможно из-за падения температуры кипения до 50 °С.

При рассмотрении температуры воды необходимо упомянуть еще одну физическую величину – удельную теплоемкость. Она равняется количеству теплоты, необходимому для передачи единичной массе вещества, чтобы изменить его температуру на единицу.

Если теплота не сопровождается изменением температуры при изменении своего состояния, такая теплота называется скрытой. Скрытая теплота может наблюдаться как раз при парообразовании.

Она также отличается при разных жидкостях и изменяется в зависимости от давления.

При увеличении атмосферного давления и как следствие увеличении температуры жидкости, уменьшается скрытая теплота парообразования.

Испарение, конденсация, кипение. Насыщенные и ненасыщенные пары

У всех веществ есть три агрегатных состояния – твердое, жидкое и газообразное, которые проявляются при особых условиях.

Фазовый переход – это переход вещества от одного состояния к другому.

Примерами такого процесса являются конденсация и испарение.

Если создать определенные условия, можно превратить любой реальный газ (например, азот, водород, кислород) в жидкость. Для этого необходимо понижение температуры ниже некоторого минимума, называемого критической температурой. Она обозначается T к р . Так, для азота значение этого параметра равно 126 К , для воды – 647 , 3 К , для кислорода – 154 , 3 К . При поддержании комнатной температуры вода может сохранять как газообразное, так и жидкое состояние, а азот и кислород – только газообразное.

Испарение – это фазовый переход вещества в газообразное состояние из жидкого.

Молекулярно-кинетическая теория объясняет этот процесс постепенным перемещением с поверхности жидкости тех молекул, чья кинетическая энергия больше, чем энергия их связи с остальными молекулами жидкого вещества. Вследствие испарения средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, что, в свою очередь, приводит к снижению температуры жидкости, если к ней не подведен дополнительный источник внешней энергии.

Конденсация – это фазовый переход вещества из газообразного состояния в жидкое (процесс, обратный испарению).

Во время конденсации молекулы пара возвращаются обратно в жидкое состояние.

Рисунок 3 . 4 . 1 . Модель испарения и конденсации.

Динамическое равновесие

Если сосуд, в котором находится жидкость или газ, закупорен, то в таком случае его содержимое может находиться в динамическом равновесии, т.е. скорость процессов конденсации и испарения будет одинаковой (из жидкости будет испаряться столько молекул, сколько возвращается обратно из пара). Такая система получила название двухфазной.

Насыщенный пар – это пар, который находится со своей жидкостью в состоянии динамического равновесия.

Существует зависимость между количеством молекул, испаряющихся с поверхности жидкости в течение одной секунды, и температурой этой жидкости. Скорость процесса конденсации зависит от концентрации молекул пара и скорости их теплового движения, которая, в свою очередь, также находится в прямой зависимости от температуры. Следовательно, можно сделать вывод, что при равновесии жидкости и ее пара концентрация молекул будет определяться равновесной температурой. При повышении температуры необходима высокая концентрация молекул пара, чтобы испарение и конденсация стали одинаковыми по скорости.

Поскольку, как мы уже выяснили, концентрация и температура будут определять давление пара (газа), мы можем сформулировать следующее утверждение:

Давление насыщенного пара p 0 определенного вещества не зависит от объема, но находится в прямой зависимости от температуры.

Именно по этой причине изотермы реальных газов на плоскости включают в себя горизонтальные фрагменты, которые соответствуют двухфазной системе.

Рисунок 3 . 4 . 2 . Изотермы реального газа. Область I – жидкость, область I I – двухфазная система «жидкость + насыщенный пар», область I I I – газообразное вещество. K – критическая точка.

Если температура будет расти, увеличатся и давление насыщенного пара, и его плотность, а вот плотность жидкости, наоборот, будет снижаться из-за теплового расширения. При достижении критической для данного вещества температуры плотность жидкости и газа уравниваются, после прохождения этой точки физические различия между насыщенным паром и жидкостью исчезают.

Возьмем насыщенный пар и будем сжимать его изотермически при T T к р . Его давление будет постепенно возрастать, пока не сравняется с давлением насыщенного пара. Постепенно на дне сосуда появится жидкость, и между ней и ее насыщенным паром возникнет динамическое равновесие. По мере уменьшения объема будет происходить конденсация все большей части пара при неизменном давлении (на изотерме это состояние соответствует горизонтальному участку). После того, как весь пар перейдет в жидкое состояние, давление начнет резко увеличиваться при дальнейшем уменьшении объема, поскольку жидкость сжимается слабо.

Необязательно проходить двухфазную область, чтобы совершить переход от газа к жидкости. Процесс можно провести и в обход критической точки. На изображении такой вариант показан при помощи ломаной линии A B C .

Рисунок 3 . 4 . 3 . Модель изотермы реального газа.

Воздух, которым мы дышим, при некотором давлении всегда включает в себя водяные пары. Это давление, как правило, меньше, чем давление насыщенного пара.

Относительная влажность воздуха – это отношение парциального давления к давлению насыщенного водяного пара.

В виде формулы это можно записать так:

Для описания ненасыщенного пара допустимо использовать и уравнение состояния идеального газа с учетом обычных для реального газа ограничений: не слишком большого давления пара ( p ≤ ( 10 6 – 10 7 ) П а ) и температуры выше значения, определенного для каждого конкретного вещества.

Для описания насыщенного пара применимы законы идеального газа. Однако при этом давление для каждой температуры должно быть определено по кривой равновесия для данного вещества.

Чем выше температура, тем выше давление насыщенного пара. Эту зависимость из законов идеального газа вывести нельзя. При условии постоянной концентрации молекул давление газа будет постоянно возрастать прямо пропорционально температуре. Если пар является насыщенным, то с ростом температуры будет расти не только концентрация, но и средняя кинетическая энергия молекул. Из этого следует, что чем выше температура, тем быстрее растет давление насыщенного пара. Этот процесс происходит быстрее, чем рост давления идеального газа при условии постоянной концентрации молекул в нем.

Что такое кипение

Выше мы указывали, что испарение идет в основном с поверхности, но оно также может происходить и из основного объема жидкости. Любое жидкое вещество включает в себя мелкие газовые пузырьки. Если внешнее давление (т.е. давление газа в них) уравнять с давлением насыщенного пара, то произойдет испарение жидкости внутри пузырьков, и они начнут наполняться паром, расширяться и всплывать на поверхность. Этот процесс называется кипением. Таким образом, температура кипения зависит от внешнего давления.

Жидкость начинает кипеть при такой температуре, при которой внешнее давление и давление ее насыщенных паров будут равны.

Если атмосферное давление нормальное, то для кипения воды нужна температура 100 ° С . При ней давление насыщенных водяных паров будет равно 1 а т м . Если мы будем кипятить воду в горах, то из-за уменьшения атмосферного давления температура кипения снизится до 70 ° С .

Жидкость может кипеть только в открытом сосуде. Если его герметично закрыть, то нарушится равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром. Узнать температуру кипения при различных значениях давления можно с помощью кривой равновесия.

Кривые равновесия состояний вещества

На изображении выше с помощью изотерма реального газа показаны процессы фазовых переходов – конденсации и испарения. Эта схема является неполной, поскольку вещество может принимать также и твердое состояние. Достижение термодинамического равновесия между фазами вещества при заданной температуре возможно лишь при определенном давлении в системе.

Кривая фазового равновесия – это зависимость между равновесным давлением и температурой.

Примером такой зависимости может быть кривая равновесия жидкости и насыщенного пара. Если мы построим кривые, отображающие равновесие между фазами одного вещества, на плоскости, то мы увидим определенные области, которые соответствуют разным агрегатным состояниям вещества – жидкому, твердому, газообразному. Кривые, построенные в системе координат, называются фазовыми диаграммами.

Рисунок 3 . 4 . 4 . Типичная фазовая диаграмма вещества. K – критическая точка, T – тройная точка. Область I – твердое тело, область I I – жидкость, область I I I – газообразное вещество.

Равновесие между газообразной и твердой фазой вещества отображает так называемая кривая сублимации (на рисунке она обозначена как 0 T ), между паром и жидкостью – кривая испарения, которая заканчивается в критической точке. Кривая равновесия между жидкостью и твердым телом называется кривой плавления.

Тройная точка – это точка, в которой сходятся все кривые равновесия, т.е. возможны все фазы вещества.

Многие вещества достигают тройной точки при давлении меньше 1 а т м ≈ 10 5 П а . Они плавятся при нагревании в атмосферном давлении. Так, у воды тройная точка имеет координаты T т р = 273 , 16 К , p т р = 6 , 02 · 10 2 П а . Именно на ней основана абсолютная температурная шкала Кельвина.

У некоторых веществ достижение тройной точки происходит и при давлении выше 1 а т м .

Например, для углекислоты нужно давление в 5 , 11 а т м и температура T т р = 216 , 5 К . Если давление равно атмосферному, то для поддержания ее в твердом состоянии нужна низкая температура, а переход в жидкое состояние становится невозможен. Углекислота в равновесии со своим паром при атмосферном давлении называется сухим льдом. Это вещество не способно плавиться, а может только испаряться (сублимировать).

Удельная теплота парообразования и конденсации

Содержание

Твердые кристаллические вещества переходят в жидкое состояние посредством плавления. Чтобы расплавить вещество, необходимо сообщить ему некоторое количество теплоты. И, наоборот, при кристаллизации (переходе жидкости в твердое состояние) энергия выделяется в окружающую среду.

Проведем аналогию с переходом жидкости в пар. Этот переход может быть осуществлен двумя способами: испарением или кипением. Кипение является тем же испарением, но более интенсивным. Очевидно, что для того, чтобы происходил процесс кипения, жидкости необходимо сообщать какое-то количество теплоты. Это количество теплоты будет идти на образование пара.

В данном уроке мы познакомимся с новым определением – удельной теплотой парообразования и конденсации. Вы узнаете формулу для расчета количества теплоты, необходимого для парообразования жидкости и научитесь ею пользоваться.

Удельная теплота парообразования

Вы уже знаете, что кипение происходит при определенной для каждой жидкости температуре. Количество теплоты, которое потребуется сообщить этим жидкостям одинаковой массы для превращения их в пар тоже будет различно.

Опытным путем было выяснено следующее. Если мы возьмем воду массой $1 space кг$ при температуре $100 degree C$, то нам потребуется затратить $2.3 cdot 10^6 space Дж$ энергии для полного превращения этой воды в пар.

Температура кипения во время всего процесса остается постоянной. Следовательно, нам необходимо подводить к кипящей жидкости определенное количество теплоты. Для воды это энергия в $2.3 cdot 10^6 space Дж$.

Удельная теплота парообразования – это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой $1 space кг$ в пар без изменения температуры.

• Обозначается буквой $L$
• Единица измерения удельной теплоты парообразования – $1 frac<Дж><кг>$
• При температуре кипения внутренняя энергия вещества в парообразном состоянии больше внутренней энергии вещества такой же массы в жидком состоянии

Удельная теплота парообразования некоторых жидкостей

В таблице 1 приведены экспериментально полученные величины удельной теплоты парообразования некоторых жидкостей.

Вещество	$L, frac<Дж><кг>$
Вода	$2.3 cdot 10^6$
Аммиак (жидкий)	$1.4 cdot 10^6$
Спирт	$0.9 cdot 10^6$
Эфир	$0.4 cdot 10^6$
Ртуть	$0.3 cdot 10^6$
Воздух (жидкий)	$0.2 cdot 10^6$

Таблица 1. Удельная теплота парообразования некоторых веществ (при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении)

Удельная теплота парообразования эфира равна $0.4 cdot 10^6 frac<Дж><кг>$. Что это означает?

Возьмем $1 space кг$ эфира при его температуре кипения ($35 degree C$). Для того, чтобы полностью превратить его в пар, нам потребуется $0.4 cdot 10^6 space Дж$.

Обратите внимание, что удельная теплота парообразования показывает количество теплоты, необходимое для превращения жидкости, взятой при ее температуре кипения, в пар.

Удельная теплота конденсации

Нужно ли сообщать пару энергию при его конденсации? Давайте рассмотрим простой опыт (рисунок 1).

Нальем в сосуд воду и закроем его пробкой. Через пробку проведем трубку и направим ее на кусочек охлажденного стекла. Доведем воду до кипения с помощью горелки.

Пар, поднимающийся над кипящей водой, будет конденсироваться, соприкасаясь с холодным стеклом. Если мы дотронемся до стекла, то обнаружим, что оно очень сильно нагрелось.

Так энергия пара передается стеклу. В результате этой потери энергии пар конденсируется. Если бы температура стекла была равна температуре пара, то теплопередача бы не происходила, и конденсат не образовывался бы.

Это говорит о том, что при конденсации пар отдает, выделяет энергию.

Более точные опыты также показывают, что

Конденсируясь, пар отдает то количество энергии, которое пошло на его образование.

Значит, при превращении $1 space кг$ водяного пара в воду при температуре $100 degree C$ выделяется $2.3 cdot 10^6 space Дж$ энергии.

Это довольно большая энергия, поэтому человечество стремится ее использовать. Например, на крупных тепловых электростанциях паром, который уже прошел через турбины, нагревают воду. Ее, в свою очередь, используют для отопления зданий и бытовых нужд.

Расчет количества теплоты, необходимого для парообразования

Чтобы вычислить количество теплоты $Q$, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования $L$ умножить на массу $m$:
$Q = Lm$.

Из этой формулы при расчетах мы можем выражать массу ($m = frac$) и удельную теплоту парообразования ($L = frac$).

Для расчета количества теплоты, которое выделит пар массой $m$ при температуре кипения в ходе конденсации, используется эта же формула.

Примеры задач

1. У вас есть вода массой $2 space кг$ с температурой $20 degree C$. Рассчитайте, какое количество энергии потребуется для ее превращения в пар.

Дано:
$m = 2 space кг$
$t_1 = 20 degree C$
$t_2 = 100 degree C$
$c = 4200 frac<Дж><кг cdot degree C>$
$L = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж><кг>$

$Q – ?$

Показать решение и ответ

Решение:

Сначала нам потребуется нагреть воду до температуры кипения, затратив на это количество энергии $Q_1$:
$Q_1 = cm (t_2 – t_1)$.

$Q_1 = 4200 frac<Дж> <кг cdot degree C>cdot 2 space кг cdot (100 degree C – 20 degree C) = 8400 frac<Дж> cdot 80 degree C = 672 space 000 space Дж approx 0.7 cdot 10^6 space Дж$.

Теперь рассчитаем количество энергии $Q_2$, затраченное для превращения воды в пар:
$Q_2 = Lm$.

$Q_2 = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж> <кг>cdot 2 space кг = 4.6 cdot 10^6 space Дж$.

Рассчитаем общее количество энергии, которое нам потребуется:
$Q = Q_1 + Q_2 = 0.7 cdot 10^6 space Дж + 4.6 cdot 10^6 space Дж = 5.3 cdot 10^6 space Дж$.

Ответ: $Q = 5.3 cdot 10^6 space Дж$.

1. Вычислите, какое количество энергии выделится при охлаждении водяного пара массой $2 space кг$ от $100 degree C$ до $0 degree C$.

Дано:
$m = 2 space кг$
$t_1 = 100 degree C$
$t_2 = 0 degree C$
$c = 4200 frac<Дж><кг cdot degree C>$
$L = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж><кг>$

$Q – ?$

Решение:

Температура $100 degree C$ – это температура парообразования воды и конденсации водяного пара. При понижении температуры пар сначала сконденсируется в жидкость, а жидкость продолжит охлаждаться.
Количество теплоты, выделенное при этом будет равно:
$Q = Q_1 + Q_2$, где
$Q_1$ – количество выделенной теплоты при конденсации пара,
$Q_2$ – количество теплоты, выделенное при охлаждении жидкости до $0 degree C$.

$Q_1 = Lm$.
$Q_1 = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж> <кг>cdot 2 space кг = 4.6 cdot 10^6 space Дж$.

$Q_2 = cm (t_1 – t_2)$.
$Q_2 = 4200 frac<Дж> <кг cdot degree C>cdot 2 space кг cdot (100 degree C – 0 degree C) = 8400 frac<Дж> cdot 100 degree C = 840 space 000 space Дж approx 0.8 cdot 10^6 space Дж$.

$Q = 4.6 cdot 10^6 space Дж + 0.8 cdot 10^6 space Дж= 5.4 cdot 10^6 space Дж$.

Ответ: $Q = 5.4 cdot 10^6 space Дж$.

1. Из чайника выкипела вода объемом $0.5 space л$. Начальная температуры этой воды составляла $10 degree C$. Какое количество энергии оказалось излишне затраченным? Плотность воды – $1000 frac<кг><м^3>$.

Дано:
$V = 0.5 space л$
$rho = 1000 frac<кг><м^3>$
$L = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж><кг>$

СИ:
$0.5 cdot 10^ <-3>space м^3$

$Q – ?$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

После закипания воды в чайнике огонь выключают. Если его не выключить, то процесс кипения продолжится, и вода из чайника будет испаряться. Так как превращение воды в пар не является целью кипячения воды, энергию, которая ушла на парообразование можно считать излишне затраченной. Рассчитаем ее по формуле: $Q = Lm$.

Массу мы можем выразить через плотность и объем:
$m = rho V$.

Тогда наша формула примет вид:
$Q = Lrho V$.

$Q = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж> <кг>cdot 1000frac<кг> <м^3>cdot 0.5 cdot 10^ <-3>space м^3 = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж> <кг>cdot 0.5 space кг = 1.15 cdot 10^6 space Дж$.

Ответ: $Q = 1.15 cdot 10^6 space Дж$.

§ 6.6. Теплота парообразования

Мы отмечали (см. § 6.1), что испарение жидкости сопровождается ее охлаждением. Для поддержания температуры испаряющейся жидкости неизменной к ней необходимо подводить извне теплоту. Конечно, теплота и сама может передаваться жидкости от окружающих тел. Так, вода в стакане испаряется, но температура воды, несколько более низкая, чем температура окружающего воздуха, остается неизменной. Теплота передается от воздуха к воде до тех пор, пока вся вода не испарится.

Чтобы поддерживать кипение воды (или иной жидкости), к ней тоже нужно непрерывно подводить теплоту, например подогревать ее горелкой. При этом температура воды и сосуда не повышается, но каждую секунду образуется определенное количество пара.

Таким образом, для превращения жидкости в пар путем испарения или путем кипения требуется приток теплоты. Количество теплоты, требующееся для превращения данной массы жидкости в пар той же температуры, называется теплотой парообразования этой жидкости.

На что расходуется подводимая к телу энергия? Прежде всего на увеличение его внутренней энергии при переходе из жидкого состояния в газообразное: ведь при этом увеличивается объем вещества от объема жидкости до объема насыщенного пара. Следовательно, увеличивается среднее расстояние между молекулами, а значит, и их потенциальная энергия.

Кроме того, при увеличении объема вещества совершается работа против сил внешнего давления. Эта часть теплоты парообразования при комнатной температуре составляет обычно несколько процентов всей теплоты парообразования.

Теплота парообразования зависит от рода жидкости, ее массы и температуры. Зависимость теплоты парообразования от рода жидкости характеризуется величиной, называемой удельной теплотой парообразования.

Удельной теплотой парообразования данной жидкости называется отношение теплоты парообразования жидкости к ее массе:

где r — удельная теплота парообразования жидкости; m — масса жидкости; Q_n — ее теплота парообразования. Единицей удельной теплоты парообразования в СИ является джоуль на килограмм (Дж/кг).

Удельная теплота парообразования воды очень велика: 2,256 • 10 6 Дж/кг при температуре 100 °С. У других жидкостей (спирт, эфир, ртуть, керосин и др.) удельная теплота парообразования меньше в 3—10 раз.

Зависимость удельной теплоты парообразования от температуры

Для одной и той же жидкости удельная теплота парообразования при разных температурах имеет разное значение. При повышении температуры удельная теплота парообразования уменьшается, так как с ростом температуры уменьшается разность между объемом жидкости и объемом ее насыщенного пара. Поэтому уменьшается изменение внутренней энергии и работа против сил внешнего давления.

Значения удельной теплоты парообразования воды при разных температурах приведены в таблице 3.

Таблица 3

При критической температуре (374 °С) удельная теплота парообразования воды равна нулю(1).

Теплота образования жидкости в соответствии с определением (6.6.1) равна

Согласно закону сохранения энергии при конденсации пара происходит выделение такого же по модулю количества теплоты, какое было затрачено при парообразовании той же массы жидкости при той же температуре:

Формулами (6.6.2) и (6.6.3) пользуются при записи уравнений теплового баланса в тех случаях, когда мы встречаемся с парообразованием и конденсацией.

Поглощение теплоты при парообразовании и выделение теплоты при конденсации водяных паров играют исключительно важную роль в природе, делают более умеренным климат приморских стран. Процессы парообразования и конденсации воды в природе совершаются в грандиозных масштабах. Так как значение удельной теплоты парообразования воды достаточно велико, то испарение с поверхности морей и океанов в теплую погоду сопровождается поглощением большого количества теплоты, а при конденсации пара (выпадении осадков) в холодную погоду происходит выделение значительных количеств теплоты.

Для перехода жидкости в газ той же температуры требуется определенное количество теплоты, которое называется теплотой парообразования.

(1) Удельная теплота парообразования всех жидкостей при критической температуре равна нулю, так как при этой температуре нет различия между жидкостью и паром.

Удельное парообразование воды: формула, физика процесса

В мире столько всего, на первый взгляд, привычного, о чем многие из нас даже не задумываются и не пытаются глубже проникнуть в происходящие процессы.

Например, парообразование. Оно окружает нас повсюду – и в бытовой жизни, и в природе. Пар исходит от стоящего на плите борща, от вскипающего чайника, пар идет изо рта при низкой атмосферной температуре.

Испарение происходит на поверхности горячего источника

Попытаемся подробнее остановиться на процессе образования пара и выяснить, в чем определяется удельная теплота парообразования воды и что она показывает.

1. Физика процесса
2. Образование пара при кипении
3. Формула

Физика процесса

Переход вещества из жидкого состояния в парообразное в физике называется парообразованием.

Обратный процесс перехода из газообразного состояния в твёрдое или жидкое, называется конденсация. Например, скопление облаков или наступающий туман.

Выделяют два вида парообразования:

• испарение;
• кипение.

В первом случае необходимо достичь порога температуры плавления, преодолев его. А при кипении у каждого жидкого вещества своя определенная температура, до достижении которой образуется пар.

Область парообразования в этих случаях тоже отличается.

1. При испарении пар образуется со свободной поверхности, которая граничит с окружающими ее газами – кислородом и др.
2. При кипении образование пара происходит со всего объема жидкости.

Образование пара при кипении

Для наглядности посмотрим, как же образуется пар при кипении на рисунке № 1.

Пузырьки пара образуются во всем объеме жидкости, поднимаются на её поверхность и лопаются, высвобождая горячий пар в в воздух.

Когда вода кипятится, ей передается некоторое количество теплоты, благодаря чему у молекул воды увеличивается внутренняя энергия. Это приводит к тому, что эти молекулы беспорядочно движутся и сталкиваются друг с другом, за счет чего вода закипает.

Пар выделяется в растворенных газах, которые есть в воде. Именно пар как раз и находится в тех пузырьках, которые образуются при кипячении.

Пузырек лопается, чтобы высвободить постоянно увеличивающийся пар. Все это происходит под привыкший для всех нас звук бурления. Но многие пузырьки лопаются внутри воды, не успевая достичь свободной поверхности.

Формула

Физические процессы основаны на формулах. Не является исключением и парообразование.

Если величина будет показывать, сколько теплоты (дж) нужно для обращения жидкости (кг) в пар при испарении при указанной температуре в отсутствие ее изменения, тогда она будет называться удельной теплотой парообразования и конденсации. Обозначается она как L и при расчете используется формула:

Q – теплота, затраченная на превращение пара в жидкость

Удельная теплота парообразования при различных температурах будет отличаться. Например, при достижении температуры кипения это значение будет самым низким.

Эта величина имеет особое значение во многих сферах производства, например при производстве металлов.

Выяснилось, что когда плавится железо, после его повторного затвердевания возникшая кристаллическая решетка оказывается намного прочнее предыдущей.

Определить удельную теплоту возможно только путем эксперимента, а ее основные значения уже давно установлены. Например, для спирта это 0,9*106, а для воды 2,3*106.

Изменяется удельная теплота парообразования воды и в зависимости от давления. Здесь наблюдается как раз обратная зависимость – когда давление воды увеличивается, снижается значение удельной теплоты парообразования.

При атмосферном давлении в 760 мм рт. ст. удельная теплота парообразования равна 2258 кДж/кг.

От давления зависит также и температура кипения воды – она уменьшается при понижении давления и, наоборот, увеличивается при его повышении, и может достичь своего максимального значения 374,15 °С.

Характерным примером может явиться покорение альпинистами высоких гор.

На особых высотах (более 3000 м) из-за пониженного атмосферного давления, уменьшается и температура кипения воды (до 90°С), что усложняет процесс приготовления еды, поскольку требуется больше времени, чтобы произвести термическую обработку пищи.

А на более высоких местностях (около 7000 м.) готовить еду становится практически невозможно из-за падения температуры кипения до 50 °С.

При рассмотрении температуры воды необходимо упомянуть еще одну физическую величину – удельную теплоемкость. Она равняется количеству теплоты, необходимому для передачи единичной массе вещества, чтобы изменить его температуру на единицу.

Если теплота не сопровождается изменением температуры при изменении своего состояния, такая теплота называется скрытой. Скрытая теплота может наблюдаться как раз при парообразовании.

Она также отличается при разных жидкостях и изменяется в зависимости от давления.

При увеличении атмосферного давления и как следствие увеличении температуры жидкости, уменьшается скрытая теплота парообразования.

Удельная теплоемкость вещества

О чем эта статья:

Нагревание и охлаждение

Эти два процесса знакомы каждому. Вот нам захотелось чайку, и мы ставим чайник, чтобы нагреть воду. Или ставим газировку в холодильник, чтобы охладить.

Логично предположить, что нагревание — это увеличение температуры, а охлаждение — ее уменьшение. Все, процесс понятен, едем дальше.

Но не тут-то было: температура меняется не «с потолка». Все завязано на таком понятии, как количество теплоты. При нагревании тело получает количество теплоты, а при нагревании — отдает.

• Количество теплоты — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче.

В процессах нагревания и охлаждения формулы для количества теплоты выглядят так:

Нагревание

Охлаждение

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

t_{конечная} — конечная температура [˚C]

t_{начальная} — начальная температура [˚C]

В этих формулах фигурирует и изменение температуры, о котором мы сказали выше, и удельная теплоемкость, речь о которой пойдет дальше.

А вот теперь поговорим о видах теплопередачи.

Виды теплопередачи

• Теплопередача — это физический процесс передачи тепловой энергии от более нагретого тела к менее нагретому.

Здесь все совсем несложно, их всего три: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность

Тот вид теплопередачи, который можно охарактеризовать, как способность тел проводить энергию от более нагретого тела к менее нагретому.

Речь о том, чтобы передать тепло с помощью соприкосновения. Признавайтесь, грелись же когда-нибудь возле батареи. Если вы сидели к ней вплотную, то согрелись вы благодаря теплопроводности. Обниматься с котиком, у которого горячее пузо, тоже эффективно.

Порой мы немного перебарщиваем с возможностями этого эффекта, когда на пляже ложимся на горячий песок. Эффект есть, только не очень приятный. Ну а ледяная грелка на лбу дает обратный эффект — ваш лоб отдает тепло грелке.

Конвекция

Когда мы говорили о теплопроводности, мы приводили в пример батарею. Теплопроводность — это когда мы получаем тепло, прикоснувшись к батарее. Но все вещи в комнате к батарее не прикасаются, а комната греется. Здесь вступает конвекция.

Дело в том, что холодный воздух тяжелее горячего (холодный просто плотнее). Когда батарея нагревает некий объем воздуха, он тут же поднимается наверх, проходит вдоль потолка, успевает остыть и спуститься обратно вниз — к батарее, где снова нагревается. Таким образом, вся комната равномерно прогревается, потому что все более горячие потоки сменяют все менее холодные.

Излучение

Пляж мы уже упоминали, но речь шла только о горячем песочке. А вот тепло от солнышка — это излучение. В этом случае тепло передается через волны.

Обоими способами. То тепло, которое мы ощущаем непосредственно от камина (когда лицу горячо, если вы расположились слишком близко к камину) — это излучение. А вот прогревание комнаты в целом — это конвекция.

Удельная теплоемкость: понятие и формула для расчета

Формулы количества теплоты для нагревания и охлаждения мы уже разбирали, но давайте еще раз:

Нагревание

Охлаждение

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

t_{конечная} — конечная температура [˚C]

t_{начальная} — начальная температура [˚C]

В этих формулах фигурирует такая величина, как удельная теплоемкость. По сути своей — это способность материала получать или отдавать тепло.

С точки зрения математики удельная теплоемкость вещества — это количество теплоты, которое надо к нему подвести, чтобы изменить температуру 1 кг вещества на 1 градус Цельсия:

Удельная теплоемкость вещества

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

t_{конечная} — конечная температура [˚C]

t_{начальная} — начальная температура [˚C]

Также ее можно рассчитать через теплоемкость вещества:

Удельная теплоемкость вещества

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

C — теплоемкость вещества [Дж/˚C]

Величины теплоемкость и удельная теплоемкость означают практически одно и то же. Отличие в том, что теплоемкость — это способность всего вещества к передаче тепла. То есть формулу количества теплоты для нагревания тела можно записать в таком виде:

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

t_{конечная} — конечная температура [˚C]

t_{начальная} — начальная температура [˚C]

Таблица удельных теплоемкостей

Удельная теплоемкость — табличная величина. Часто ее указывают в условии задачи, но при отсутствии в условии — можно и нужно воспользоваться таблицей. Ниже приведена таблица удельных теплоемкостей для некоторых (многих) веществ.

Кипение и удельная теплота парообразования

Жидкость может переходить в парообразное состояние двумя способами – испарением и кипением. Испаряются жидкости во всем температурном диапазоне, в то время, как кипение происходит при строго определенной температуре для каждой конкретной жидкости.

Что такое кипение

• бурный переход жидкости в пар. Во всем объеме жидкости образуются пузырьки, пар в этих пузырьках насыщенный;
• эндотермический процесс, он происходит с поглощением энергии.

Образование пара во всем объеме жидкости называют кипением.

Примечание: Интересен тот факт, что перед началом кипения от чайника с водой доносится специфический шум.

Различия между испарением и кипением

Характерным проявлением кипения может служить образование пузырьков пара внутри жидкости (рис. 1):

На следующем рисунке 2 представлены отличия процессов испарения и кипения подробнее:

• на поверхности – это испарение,
• во всем объеме – это кипение.

Испарение происходит при любой температуре с поверхности, а кипение – только при одной конкретной температуре, но во всем объеме жидкости.

Процессы кипения и конденсации на графиках

Пусть небольшое количество воды находится в просторном закупоренном сосуде.

Разберем, как выглядят на температурных графиках процессы кипения и конденсации. Для начала рассмотрим график нагревания и кипения (рис. 3).

Вначале вода имела температуру +20 градусов Цельсия. Будем нагревать эту воду. Поначалу ее температура будет расти. На графике это показано наклонной синей линией, находящейся в левой части рисунка.

До бесконечности температура подниматься не будет. Как только температура достигнет некоторого предела, вода закипит. Из рисунка следует, когда температура воды достигла отметки +100 градусов Цельсия и начался процесс кипения. Этот процесс на рисунке схематично обозначен горизонтальной красной линией.

Горизонтальное положение линии кипения означает, что во время кипения температура воды не изменяется. Температура будет оставаться неизменной до тех пор, пока вся вода не превратится в газообразное состояние — пар. Для компактности рисунка я укоротил эту линию, на самом деле, длину этой линии нужно увеличить.

Уже после того, как вся вода превратилась в пар, температура пара начала повышаться. Это изображено на рисунке наклонной синей линией, находящейся правее красной линии.

Будем теперь отбирать тепловую энергию у молекул. Предположим, что мы охлаждаем горячий водяной пар, находящийся в закупоренном сосуде. Процессы его охлаждения и конденсации представлены на графике (рис. 4). Этот график можно получить, зеркально отразив вокруг вертикальной оси график, связанный с нагреванием, рассмотренный ранее.

Из графика следует:

Вначале температура пара уменьшается от +180 градусов Цельсия до +100 градусов. Это наклонная синяя линия, расположенная в левой части рисунка.

Затем, происходит конденсация пара. Молекулы пара собираются в капли жидкости. При этом, температура пара не изменяется и остается равной +100 градусам Цельсия.

Как только весь пар конденсируется, образовавшаяся жидкая вода начинает охлаждаться до конечной температуры + 20 градусов Цельсия. На графике охлаждение воды – это синяя наклонная линия, находящаяся справа от красной линии конденсации.

Температура кипения и как ее найти на графике

Чтобы жидкость закипела, ее нужно нагреть до температуры кипения.

На рисунке 5 представлен температурный график нагревания воды. Температуру кипения можно определить по горизонтальной линии, обозначающую процесс кипения. Нужно продолжить эту линию пунктиром по направлению к вертикальной оси температур. Точка, в которой пунктир упрется в ось и будет температурой кипения жидкости.

Температура кипения – это температура, при которой пар образуется во всем объеме жидкости. Такая температура у каждой жидкости своя, ее можно найти в справочнике физики.

Температуры кипения некоторых веществ

Сравним для наглядности значения температуры кипения некоторых веществ.

Нам известно, что температура кипения питьевой воды равна 100 градусам на шкале Цельсия.

При комнатной температуре некоторые вещества пребывают в газообразном состоянии, но при более низких температурах они превращаются в жидкости. Например, кислород превращается в кипящую жидкость при минус 183 градусах Цельсия.

В противоположность этому, вещества, которые мы привыкли видеть твердыми при комнатной температуре, в кипящую жидкость превратятся при более высоких температурах. К примеру, медь станет кипящей жидкостью при 2567 град. Цельсия, а железо – при 2500 град. Цельсия

На рисунке 6 представлен список некоторых веществ и указана температура, при которой эти вещества кипят.

Расширенный список жидкостей и их температуру кипения можно найти в справочнике физики.

Почему температура жидкости при кипении не изменяется

Тепловая энергия, которую получает жидкость во время кипения, тратится на образование пара во всем объеме жидкости. Поэтому во время кипения температура жидкости не изменяется.

Разберем подробнее, что происходит, когда мы сообщаем тепловую энергию какой-либо жидкости.

Получаемая от источника тепловая энергия передается молекулам жидкости. Скорость движения молекул увеличивается, а значит, растет их кинетическая энергия. Чем выше температура, тем быстрее будут двигаться молекулы.

Находясь в жидкости, каждая молекула притягиваются к соседним молекулам. То есть, молекулы удерживаются в жидкости силами притяжения соседних молекул. Если есть взаимодействие молекул – их взаимное притяжение, значит, есть потенциальная энергия такого взаимодействия.

По мере нагревания, энергия движения некоторых молекул увеличится настолько, что они преодолеют притяжение соседних молекул и, покинут жидкость. Чем выше температура, тем большее число молекул сможет покинуть жидкость.

Мы помним, что при испарении жидкость покидают молекулы, находящиеся только на ее поверхности. А во время кипения энергию, достаточную для того, чтобы вылететь из жидкости, получают не только молекулы на поверхности, но и молекулы, находящиеся внутри жидкости.

Примечания:

• Наблюдая за кипящей жидкостью, можно заметить, что пар образуется внутри жидкости во всем ее объеме. Пузырьки пара буду образовываться даже у дна. Они будут подниматься к поверхности, при этом расширяясь. Внутри пузырьков находятся молекулы, энергия которых достаточна для того, чтобы покинуть жидкость.
• Вместо слов «Внутри жидкости», физики говорят — «Во всем объеме жидкости».

Как давление влияет на температуру кипения

Мы можем влиять на температуру кипения жидкостей, изменяя давление. Если давление воздуха увеличить, то температура кипения, так же, возрастет. К примеру, вода при давлении 220 атмосфер (это 21,6 миллионов Паскалей) закипит только тогда, когда ее температура поднимется до 370 градусов Цельсия.

А уменьшая давление, мы наоборот, температуру кипения жидкостей понизим. Именно из-за пониженного давления, температура кипения воды в высокогорных районах ниже, чем, на равнинной местности, которая ближе к уровню мирового океана. В горах вода закипает при температуре 90 градусов Цельсия. Из-за этого, некоторые продукты высоко в горах сварить не получится.

Чем выше давление, тем выше температура кипения жидкости. Уменьшив давление, мы понизим температуру кипения.

Что такое удельная теплота парообразования

Возьмем какую-либо жидкость массой 1 кг, предварительно нагретую до температуры кипения. Будем сообщать ей тепловую энергию, чтобы испарить эту жидкость полностью.

Та энергия (теплота), которую мы затратим, чтобы испарить с помощью кипения 1 кг жидкости, называется удельной теплотой парообразования. Удельной величиной эту теплоту называют потому, что она приходится на 1 кг жидкости.

Удельная теплота парообразования — это энергия, которую нужно затратить, чтобы испарить 1 кг жидкости, предварительно нагретой до температуры кипения.

(large L left( frac>>right)) – удельная теплота парообразования (конденсации).

На рисунке 7 представлена таблица, в которой содержится удельная теплота парообразования (конденсации) при температуре кипения для некоторых жидкостей и металлов в расплавленном состоянии.

Что происходит с энергией во время кипения и конденсации

Кипение: жидкость получает тепловую энергию (количество теплоты), из нее вырываются молекулы. Полученная энергия тратится на преодоление притяжения соседних молекул и на расширение образовавшегося пара.

Конденсация: молекулы пара отдают тепловую энергию в окружающее пространство, собираясь в капельки — превращаясь в жидкость.

Выполняется закон сохранения энергии. Именно поэтому теплота парообразования и теплота конденсации совпадают. Процессы кипения и конденсации протекают при одной и той же температуре. Различие кроется в том, что кипение происходит с поглощением энергии, а конденсация связана с выделением энергии.

Как удельная теплота парообразования связана с количеством теплоты — формула

Пусть жидкость предварительно нагрета до температуры кипения, и нам известны:

• ее масса (количество килограммов) и
• удельная теплота парообразования;

Мы можем посчитать общее количество теплоты, требуемое для перевода всей жидкости в пар. Расчеты нужно вести по формуле:

(large m left( text <кг>right) ) – масса вещества;

(large L left( frac>> right) ) – удельная теплота парообразования (конденсации);

(large Q left( text <Дж>right) ) – количество теплоты, поглощенное жидкостью во время кипения, т. е. общая тепловая энергия для перевода всей жидкости в пар;

Формулу можно применять так же, чтобы рассчитать количество теплоты, выделяемое в окружающую среду молекулами пара при их конденсации.

Для процесса конденсации величина (large Q ) – это количество теплоты, выделенное молекулами пара в окружающую среду;

Чем удельная теплота парообразования отличается от количества теплоты

Отличия удельной теплоты парообразования от количества теплоты, приведены на рисунке 8:

В любом случае, жидкость предварительно нужно нагреть до температуры кипения.

Количество теплоты – это энергия, необходимая для конденсации или образования пара при температуре кипения для нескольких килограммов жидкости.

Удельная теплота парообразования – это энергия, необходимая для перевода в пар 1-го килограмма жидкости.