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

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: $Q = 5.3 cdot 10^6 space Дж$.

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: $Q = 5.4 cdot 10^6 space Дж$.

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: $Q = 1.15 cdot 10^6 space Дж$.

Кипение. Удельная теплота парообразования

Урок 13. Физика 8 класс (ФГОС)

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока “Кипение. Удельная теплота парообразования”

Мы узнали, что существуют два вида парообразования — это испарение и кипение. Напомним, что под испарением подразумевается парообразование, идущее со свободной поверхности жидкости. На этом уроке более подробно рассмотрим второй вид парообразования — кипение жидкости.

Итак, вы уже знаете, что испарение жидкости идёт при любой температуре и вызывает её охлаждение. Но возникает закономерный вопрос: а как будет происходить испарение, если жидкости передавать энергию, то есть подводить теплоту?

Ответим на него, проведя такой опыт. Поставим на электроплитку стакан с водой. По термометру будем следить за изменением температуры воды в стакане с течением времени.

Вначале температура воды сначала растёт. На дне стакана появляется множество маленьких пузырьков. Их размеры постепенно увеличиваются, так как вода испаряется внутрь пузырьков и давление пара в пузырьках при нагревании повышается. Пузырьки отрываются ото дна и стенок и движутся вверх под действием архимедовой силы. Поскольку вода ещё полностью не прогрелась и температура верхних слоёв воды меньше, чем нижних, пар в пузырьках начинает конденсироваться. Их объём уменьшается, пузырьки сжимаются, и мы слышим характерный шум. Когда вода прогреется по всему объёму, пузырьки с паром уже смогут подняться до поверхности.

Если давление пара внутри пузырька больше, чем над жидкостью, он разрывается, и пар выходит наружу. Посмотрим на термометр. Он показывает температуру, близкую к ста градусам, и она практически не меняется. А пузырьков все больше и больше поднимается, и лопается у поверхности, выбрасывая пар в атмосферу. Вода кипит.

Кипение — это процесс парообразования, идущий по всему объёму жидкости при определённой температуре.

Действительно, любой пузырёк можно рассматривать как сосуд с паром внутри жидкости, с поверхности стенок которого идёт испарение и обратный процесс — возврат молекул в жидкость, то есть конденсация.

Температура, при которой происходит кипение жидкости, называется температурой кипения.

Температура кипения у разных жидкостей различна. Это и понятно, ведь различна энергия взаимодействия их молекул.

Как видно из таблицы, более летучие жидкости — это эфир или спирт — кипят при более низкой температуре, чем, например, вода. Это связано с тем, что давление насыщенных паров этих жидкостей уже при комнатной температуре достаточно велико, поскольку их молекулы слабее связаны между собой силами притяжения, чем молекулы других веществ.

А случайно ли мы, говоря о температуре кипения жидкости, указываем давление?

Нет, не случайно. Пузырьки кипящей жидкости лопаются при условии, что давление пара в них не меньше, чем давление снаружи. Значит, чем меньше внешнее давление, тем при более низкой температуре закипит жидкость.

Подтвердим это опытом. Нальём в колбу тёплой воды при температуре пятьдесят градусов. Закроем колбу и подсоединим к откачивающему насосу. Теперь откачаем воздух из колбы.

Вода закипит, хотя её температура меньше 100 о С. Но это не значит, что в такой воде можно сварить яйцо. Яйцо варится не потому, что вода кипит, а потому, что она горячая. А если в специальных условиях создать, например, высокое давление над поверхностью воды, то в ней можно будет расплавить олово, но вода так и не будет кипеть.

Зависимость температуры кипения от внешнего давления используется в практических целях. Например, для стерилизации медицинских инструментов их помещают в герметически закрытые камеры-автоклавы, вода в которых кипит при температуре значительно выше, чем сто градусов.

А мощные паровые турбины работают при давлении, в двести раз большем атмосферного, и температуре, в шесть раз превышающей температуру кипения воды при нормальном давлении. А это существенно повышает их коэффициент полезного действия.

В быту мы используем кастрюли-скороварки. В них давление пара в два раза больше атмосферного и температура кипения воды достигает ста двадцати градусов, что существенно уменьшает время приготовления пищи, по сравнению с обычной кастрюлей.

Но вернёмся к парообразованию. Итак, мы с вами видели, что во время кипения воды, её температура практически не меняется. Но ведь энергия (от нагретой плитки) жидкостью поглощается. Тогда возникает закономерный вопрос: Куда же уходит эта энергия?

Энергия, полученная жидкостью, идёт на превращение её в пар. Пока нагреваемая жидкость не кипит, парообразование происходит только с её поверхности. Часть сообщаемой жидкости энергии расходуется на компенсацию потери жидкостью энергии при испарении, а часть — на увеличение внутренней энергии жидкости, о чём свидетельствует увеличение её температуры.

При достижении температуры кипения парообразование происходит уже во всём объёме жидкости. Переход жидкости в газообразное состояние связан с увеличением расстояний между молекулами и соответственно с преодолением притяжения между ними. На совершение работы по преодолению сил притяжения между молекулами и расходуется энергия, подводимая к жидкости. Так происходит до тех пор, пока вся жидкость не превратится в пар. Вот почему температура жидкости остаётся постоянной, пока она кипит.

Таким образом, чтобы превратить в пар жидкость при температуре кипения, необходимо передать ей определённое количество теплоты. Эта энергия характеризуется величиной, называемой удельной теплотой парообразования.

Удельная теплота парообразования равна количеству теплоты, которое нужно сообщить веществу массой один килограмм для превращения его из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения.

Обозначается удельная теплота парообразования латинской буквой L:

Значения удельной теплоты парообразования определяются экспериментально.

А что значит: удельная теплота парообразования спирта равна 900 000 Дж/кг? Это значит, что для превращения 1 кг спирта из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения необходимо затратить 900 000 Дж теплоты.

Очевидно, что если необходимо превратить в пар при температуре кипения не 1 кг спирта, а, например, 5, то потребуется затратить количество теплоты в 5 раз больше.

Таким образом, чтобы найти количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу массой m, для его перехода из жидкого состояния в газообразное, необходимо удельную теплоту парообразования этого вещества умножить на его массу:

Q = Lm

Как показывают многочисленные опыты, при конденсации пара выделяется некоторое количество теплоты, значение которой равно значению количества теплоты, полученного жидкостью при парообразовании при той же температуре.

Пример решения задач.

Задача 1. Определите, какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы двести грамм воды, находящейся при температуре двадцать градусов Цельсия, полностью превратить в пар при ста градусах?

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.

Удельная теплота парообразования

Конспект по физике для 8 класса «Удельная теплота парообразования». ВЫ УЗНАЕТЕ: Что такое удельная теплота парообразования. Как вычислить количество теплоты, необходимое для парообразования или выделяющееся при конденсации.

Удельная теплота парообразования

Если после закипания воды выключить нагреватель, то кипение сразу же прекратится. Чтобы вода не переставала кипеть, её температура не должна уменьшаться, т. е. вода должна получать достаточное количество теплоты.

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПАРООБРАЗОВАНИЯ

Для перехода разных веществ из жидкого состояния в газообразное требуется разное количество теплоты.

Так, опытным путём было установлено, что для превращения в пар 1 кг воды при температуре 100 °С требуется 2,3 • 10 6 Дж энергии. Чтобы превратить в пар спирт массой 1 кг при температуре кипения, требуется 0,9 • 10 6 Дж энергии.

Для превращения в пар 2 кг воды при температуре 100 °С необходимо передать вдвое большее количество теплоты, чем в случае испарения 1 кг воды, т. е. 4,6 • 10 6 Дж. Аналогично для превращения в пар спирта массой 2 кг при температуре кипения потребуется 1,8 • 10 6 Дж энергии.

Таким образом, количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар при температуре кипения, пропорционально массе жидкости.

Количество теплоты зависит также от рода жидкости. Поэтому формулу для определения количества теплоты, необходимого для превращения жидкости массой m в пар при температуре кипения, следует записать в виде:

Q = Lm, (1)
где L — некоторая величина, характеризующая тепловые свойства жидкости.

Обсудим физический смысл величины L. Если массу жидкости принять равной единице, то согласно формуле (1) величина L будет численно равна количеству теплоты, необходимому для превращения в пар жидкости массой 1 кг при температуре кипения:

L = Q / m, (2)

Физическую величину, показывающую, какое количество теплоты необходимо для превращения в пар жидкости массой 1 кг при постоянной температуре, называют удельной теплотой парообразования.

Удельную теплоту парообразования обозначают буквой L. Её единица — джоуль на килограмм (Дж/кг).

Таким образом, если для превращения воды массой 1 кг в пар при температуре 100 С требуется затратить 2,3 • 10 6 Дж энергии, то удельная теплота парообразования воды равна 2,3 • 10 6 Дж/кг. При этом затраченная энергия пойдёт на увеличение внутренней энергии вещества.

Удельная теплота парообразования показывает, на сколько увеличивается внутренняя энергия вещества массой 1 кг при переходе из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения. Таким образом, при температуре кипения внутренняя энергия вещества в парообразном состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в жидком состоянии.

Энергия, необходимая для перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, значительно превышает энергию, необходимую для нагревания этого вещества до температуры кипения, или энергию, необходимую для плавления этого вещества.

Например, для плавления 1 кг льда с температурой 0 °С требуется 340 кДж энергии. Для нагревания полученной воды массой 1 кг от 0 до 100 °С необходимо уже 420 кДж. А для того чтобы превратить эту воду в 1 кг пара с температурой, равной тем же 100 °С, требуется 2260 кДж (≈2,3 • 10 6 Дж) энергии.

ВЫДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПРИ КОНДЕНСАЦИИ

Если водяной пар соприкасается с холодными предметами, происходит его конденсация. Пар отдаёт то количество теплоты, которое пошло на его образование.

Например, если для превращения 1 кг воды в пар при температуре 100 °С требуется затратить 2,3 • 10 6 Дж энергии, то при конденсации 1 кг водяного пара при той же температуре выделяется точно такое же количество теплоты.

Какое количество энергии необходимо для превращения в пар воды массой 3 кг, взятой при температуре 10 °С? Запишем условие задачи и решим её.

Ответ: Q = 8,034 • 10 6 Дж, или 8034 кДж.

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Удельная теплота парообразования».

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.

Удельная теплота парообразования – обозначение, смысл

Кипение – это интенсивное парообразование, которое происходит при нагревании жидкости не только с поверхности, но и внутри неё.

Кипение происходит с поглощением теплоты.
Большая часть подводимой теплоты расходуется на разрыв связей между частицами вещества, остальная часть – на работу, совершаемую при расширении пара.
В результате энергия взаимодействия между частицами пара становится больше, чем между частицами жидкости, поэтому внутренняя энергия пара больше, чем внутренняя энергия жидкости при той же температуре.
Количество теплоты, необходимое для перевода жидкости в пар в процессе кипения можно расчитать по формуле:

где m – масса жидкости (кг),
L – удельная теплота парообразования.

Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы превратитъ в пар 1 кг данного вещества при температуре кипения. Единица удельной теплоты парообразования в системе СИ:
[ L ] = 1 Дж/ кг
С ростом давления температура кипения жидкости повышается, а удельная теплота парообразования уменьшается и наоборот.

Во время кипения температура жидкости не меняется.
Температура кипения зависит от давления, оказываемого на жидкость.
Каждое вещество при одном и том же давлении имеет свою температуру кипения.
С увеличением атмосферного давления кипение начинается при более высокой температуре, при уменьшении давления – наоборот..
Так, например, вода кипит при 100 °С лишь при нормальном атмосферном давлении.

ЧТО ЖЕ ПРОИСХОДИТ ВНУТРИ ЖИДКОСТИ ПРИ КИПЕНИИ ?

Кипение представляет собой переход жидкости в пар с непрерывным образованием и ростом в жидкости пузырьков пара, внутрь которых происходит испарение жидкости. В начале нагревания вода насыщена воздухом и имеет комнатную температуру. При нагревании воды, растворенный в ней газ выделяется на дне и стенках сосуда, образуя воздушные пузырьки. Они начинают появляться задолго до кипения. В эти пузырьки испаряется вода. Пузырек, наполненный паром, при достаточно высокой температуре начинает раздуваться.

Достигнув определенных размеров он отрывается от дна, поднимается к поверхности воды и лопается. При этом пар покидает жидкость. Если вода прогрета недостаточно, то пузырек пара, поднимаясь в холодные слои, схлопывается. Возникающие при этом колебания воды приводят к появлению во всем объеме воды огромного количества мелких пузырьков воздуха: так называемый “белый ключ”.

На воздушный пузырек объемом на дне сосуда действует подъемная сила:
Fпод = Fархимеда – Fтяжести
Пузырек прижат ко дну, поскольку на нижнюю поверхность силы давления не действуют. При нагреве пузырек увеличивается за счет выделения в него газа и отрывается от дна, когда подъемная сила будет немного больше прижимающей. Размер пузырька, способного оторваться от дна, зависит от его формы. Форма пузырьков на дне определяется смачиваемостью дна сосуда.

Неоднородность смачивания и слияние пузырьков на дне приводили к увеличению их размеров. При больших размерах пузырька при подъеме сзади него образуются пустоты, разрывы и завихрения.

Когда пузырек лопается, вся окружающая его жидкость устремляется внутрь, и возникает кольцевая волна. Смыкаясь, она выбрасывает вверх столбик воды.

При схлопывании лопающихся пузырьков в жидкости распространяются ударные волны ультразвуковых частот, сопровождаемые слышимым шумом. Для начальных стадий кипения характерны самые громкие и высокие звуки (на стадии “белого ключа” чайник “поет”).

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГРАФИК ИЗМЕНЕНИЯ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЙ ВОДЫ

ЗАГЛЯНИ НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ!

Зачем в крышке чайника делают дырочку?
Для выхода пара. Без дырочки в крышке пар может выплеснуть воду через носик чайника.
___

Продолжительность варки картофеля, начиная с момента кипения, не зависит от мощности нагревателя. Продолжительность определяется временем пребывания продукта при температуре кипения.
Мощность нагревателя не влияет на температуру кипения, а влияет только на скорость испарения воды.

Кипением можнозаставить воду замерзнуть. Для этого надо производить откачку воздуха и водяного пара из сосуда, где находится вода, так, чтобы вода все время кипела.

«Горшки легко закипают через край – к ненастью!»
Падение атмосферного давления, сопровождающее ухудшение погоды, является причиной того, что молоко быстрее «убегает».
___

Очень горячий кипяток можно получить на дне глубоких шахт, где давление воздуха значительно больше, чем на поверхности Земли. Так на глубине 300 м вода закипит при 101 ͦ С. При давлении воздуха в 14 атмосфер вода закипает при 200 ͦ С.
Под колоколом воздушного насоса можно получить «кипяток» при 20 ͦ С.
На Марсе мы пили бы «кипяток» при 45 ͦ С.
Соленая вода кипит при температуре выше 100 ͦ C. ___

В горных районах на значительной высоте при пониженном атмосферном давлении вода кипит при температурах ниже, чем 100 &#870 Цельсия.

Ждать, пока сварится такой обед, приходится дольше.

Польем холодненькой… и закипит!

Обычно вода кипит при 100 градусах Цельсия. Нагреем воду в колбе на горелке до кипения. Погасим горелку. Вода перестает кипеть. Закроем колбу пробкой и начнем осторожно лить на пробку струйкой холодную воду. Каково? Вода опять закипела!

. .

Под струей холодной воды водичка в колбе, а вместе с ней и водяные пары начинают остывать.
Объем паров уменьшается, и давление над поверхностью воды меняется .
А как ты думаешь, в какую сторону?
. Температура кипения воды при пониженном давлении меньше 100 градусов, и вода в колбе вскипает вновь!
____

При приготовлении пищи давление внутри кастрюли – “скороварки” – около 200 кПа, и суп в такой кастрюле сварится значительно быстрее.

Можно набрать в шприц воду примерно до половины, закрыть той же пробочкой и резко потянуть за поршень . В воде возникнет масса пузырьков, говорящих, что начался процесс кипения воды (и это при комнатной температуре!).
___

При переходе вещества в газообразное состояние его плотность уменьшается примерно в 1000 раз.
___

У первых электрочайников нагреватели находились под донышком. Вода не вступала в контакт с нагревателем и закипала очень долго. В 1923 году Артур Лардж сделал открытие: он поместил нагреватель в особую медную трубку и поместил её внутрь чайника. Вода быстро закипала.

В США разработаны самоохлаждающиеся банки для прохладительных напитков. В банку вмонтирован отсек с легкокипящей жидкостью. Если в жаркий день раздавить капсулу, жидкость начнет бурно кипеть, отнимая тепло у содержимого банки, и за 90 секунд температура напитка понижается на 20–25 градусов Цельсия.

А как ты думаешь, можно ли сварить яйцо вкрутую, если вода закипает при температуре ниже, чем 100 градусов Цельсия ?
____

Будет ли кипеть вода в кастрюле, которая плавает в другой кастрюле с кипящей водой?
Почему? ___

Можно ли заставить кипеть воду, не нагревая ее?

Звуковые волны определение, виды, основные свойства и характеристики

176 дн. с момента
до конца учебного года

Источники звука. Звуковые колебания. Характеристики звука

Источники звука. Звуковые колебания

Человек живёт в мире звуков. Звук для человека является источником информации. Он предостерегает людей об опасности. Звук в виде музыки, пения птиц доставляет нам удовольствие. Нам приятно слушать человека с приятным голосом. Звуки важны не только для человека, но и для животных, которым хорошее улавливание звука помогает выжить.

Звук – это механические упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях, твердых телах , которые невидимы, но воспринимаемые человеческим ухом (волна воздействует на барабанную перепонку уха). Звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения.

Причина звука – вибрация (колебания) тел, хотя эти колебания зачастую незаметны для нашего глаза.

КАМЕРТОН – это U-образная металлическая пластина, концы которой могут колебаться после удара по ней. Издаваемый камертоном звук очень слабый и его слышно лишь на небольшом расстоянии. Резонатор – деревянный ящик, на котором можно закрепить камертон, служит для усиления звука. Излучение звука при этом происходит не только с камертона, но и с поверхности резонатора. Однако длительность звучания камертона на резонаторе будет меньше, чем без него.

Если создать вакуум, то будем ли мы различать звуки? Роберт Бойль в 1660 году поместил часы в стеклянный сосуд. Откачав воздух, он не услышал звука. Опыт доказывает, что для распространения звука необходима среда.

Звук может также распространятся в жидкой и твердой среде. Под водой хорошо слышны удары камней. Положим часы на один конец деревянной доски. Приложив ухо к другому концу, можно ясно услышать тиканье часов.

Источник звука – это обязательно колеблющиеся тела. Например, струна на гитаре в обычном состоянии не звучит, но стоит нам заставить ее совершать колебательные движения, как возникает звуковая волна.

Однако опыт показывает, что не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издает звук грузик, подвешенный на нити. Источники звука – физические тела, которые колеблются, т.е. дрожат или вибрируют с частотой от 16 до 20000 раз в секунду. Такие волны называются звуковыми. Вибрирующее тело может быть твердым, например, струна или земная кора, газообразным, например, струя воздуха в духовых музыкальных инструментах или жидким, например, волны на воде.

Колебания с частотой меньше 16 Гц называется инфразвуком. Колебания с частотой больше 20000 Гц называются ультразвуком.

Звуковая волна (звуковые колебания) – это передающиеся в пространстве механические колебания молекул вещества (например, воздуха). Давайте представим себе, каким образом происходит распространение звуковых волн в пространстве. В результате каких-то возмущений (например, в результате колебаний диффузора громкоговорителя или гитарной струны), вызывающих движение и колебания воздуха в определенной точке пространства, возникает перепад давления в этом месте, так как воздух в процессе движения сжимается, в результате чего возникает избыточное давление, толкающее окружающие слои воздуха. Эти слои сжимаются, что в свою очередь снова создает избыточное давление, влияющее на соседние слои воздуха. Так, как бы по цепочке, происходит передача первоначального возмущения в пространстве из одной точки в другую. Этот процесс описывает механизм распространения в пространстве звуковой волны. Тело, создающее возмущение (колебания) воздуха, называют источником звука.

Привычное для всех нас понятие «звук» означает всего лишь воспринимаемый слуховым аппаратом человека набор звуковых колебаний. О том, какие колебания человек воспринимает, а какие нет, мы поговорим позднее.

Характеристики звука.

Звуковые колебания, а также вообще все колебания, как известно из физики, характеризуются амплитудой (интенсивностью), частотой и фазой.

Звуковая волна может проходить самые различные расстояния. Орудийная стрельба слышна на 10-15 км, ржание лошадей и лай собак – на 2-3 км, а шепот всего на несколько метров. Эти звуки передаются по воздуху. Но проводником звука может быть не только воздух.

Приложив ухо к рельсам, можно услышать шум приближающегося поезда значительно раньше и на большем расстоянии. Значит металл проводит звук быстрее и лучше, чем воздух. Вода тоже хорошо проводит звук. Нырнув в воду, можно отчетливо слышать, как стучат друг о друга камни, как шумит во время прибоя галька.

Свойство воды – хорошо проводить звук – широко используется для разведки в море во время войны, а также для измерения морских глубин.

Необходимое условие распространения звуковых волн – наличие материальной среды. В вакууме звуковые волны не распространяются, так как там нет частиц, передающих взаимодействие от источника колебаний.

Поэтому на Луне из-за отсутствия атмосферы царит полная тишина. Даже падение метеорита на ее поверхность не слышно наблюдателю.

В отношении звуковых волн очень важно упомянуть такую характеристику, как скорость распространения.

В каждой среде звук распространяется с разной скоростью.

Скорость звука в воздухе – приблизительно 340 м/с.

Скорость звука в воде — 1500 м/с.

Скорость звука в металлах, в стали — 5000 м/с.

В теплом воздухе скорость звука больше, чем в холодном, что приводит к изменению направления распространения звука.

Высота, тембр и громкость звука

Звуки бывают разными. Для характеристики звука вводят специальные величины: громкость, высота и тембр звука.

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук. Кроме того, восприятие громкости звука нашим ухом зависит от частоты колебаний в звуковой волне. Более высокочастотные волны воспринимаются как более громкие.

За единицу громкости звука принят 1 Бел (в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона). Громкость звука равна 1 Б, если его мощность в 10 раз больше порога слышимости.

На практике громкость измеряют в децибелах (дБ).

1 дБ = 0,1Б. 10 дБ – шепот; 20–30 дБ – норма шума в жилых помещениях;

50 дБ – разговор средней громкости;

70 дБ – шум пишущей машинки;

80 дБ – шум работающего двигателя грузового автомобиля;

120 дБ – шум работающего трактора на расстоянии 1 м

130 дБ – порог болевого ощущения.

Звук громкостью свыше 180 дБ может даже вызвать разрыв барабанной перепонки.

Частота зв уковой волны определяет высоту тона. Чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук. Человеческие голоса по высоте делят на несколько диапазонов.

Звуки от разны х источников представляет собой совокупность гармонических колебаний разных частот. Составляющая наиболь шего периода (наименьшей частоты) называется основным тоном. Остальные составляющие звука – обертонами. Набор этих составляющих создает окрас ку, тембр звука. Совокупность обертонов в голосах разных людей хоть немного, но отличается, это и определяет тембр конкретно го голоса.

Согласно легенде, Пифаго р все музыкальные звуки расположил в ряд, разбив этот ряд на части – октавы, – а

октаву – на 12 частей (7 основных то нов и 5 полутонов). Всего насчитывается 10 октав, обычно при исполнении музыкальных произведений используются 7–8 октав. Звуки частотой более 3000 Гц в качестве музыкальных тонов не используются, они слишком резки и пронзительны.