какие виды парообразования вы знаете что такое удельная теплота парообразования

Удельная теплота парообразования — определение, формулы и способы применения

УТП — численная величина, характеризующая кипение и конденсацию. Она напрямую связана с зависимостью температуры кипения от давления. Необходимо полностью разобраться в особенностях протекания процесса выделения пара, чтобы понять, какой физический смысл имеет удельная теплота парообразования.

Процесс кипения

Кипение — одна из основных разновидностей интенсивного парообразования, происходящего при повышении температуры жидкости. Нагревание происходит не только на поверхности жидкостного вещества, но и внутри него. Выделившаяся теплота распределяется неравномерно:

В результате внутренняя энергия газообразного вещества становится намного больше внутренней энергии жидкости.

Сам процесс кипения представляет собой процедуру перехода жидкостного вещества в пар. Для наглядного описания нагревания вещества и его перехода из первого агрегатного состояния в другое используются графики функций. В течение перехода происходит испарение с преобразованием воздушных пузырьков. Размеры пузырьков определяются их собственной формой и местоположением. Если они образовались на дне сосуда, то их величина и единицы определяются смачиваемостью стенок этой ёмкости. Чем более неоднородна поверхность сосуда, тем больше размер пузырьков воздуха.

При превышении допустимых размеров пузырек начинается лопаться. Во время этого процесса образуются разрывы и завихрения. Жидкость, из которой состоит оболочка воздушного пузырька, направляется внутрь. Столбик жидкости выбрасывается вверх, создавая звуковые волны различной частоты. Они сопровождаются обильным шумом. Этот режим кипения именуется пузырьковым.

А также существует пленочный режим кипения. Он наступает при увеличении тепловых потоков до предельно допустимых значений. Вокруг стенок сосуда образуется сплошной слой пара, представляющий собой непрерывную плёнку. Она не способна проводить большое количество тепла. Вся температура скапливается вокруг неё, из-за чего происходит резкое повышение температуры. Подобный эффект можно наблюдать при попадании капель воды на раскалённую поверхность.

В некоторых случаях жидкость может переходить из одного режима кипения в другой. Это может произойти при резком изменении величины теплового потока, возникающего во время передачи внутренней энергии. Если он превысил критическую отметку, устанавливаемую индивидуально для каждого вещества, то пузырьковый режим образования пара автоматически сменяется на пленочный. Обратный процесс происходит при повторном понижении значений теплового потока. На скорость сменяемости режимов также влияет объём нагреваемой жидкости.

Особенности реакции

Процесс парообразования можно подробно рассмотреть на примере кипения воды. Для проведения опыта понадобится 1 л жидкости комнатной температуры. В самом начале эксперимента вода насыщена кислородом. Нагревание следует производить в чайнике или иной ёмкости похожего строения. Для поддержания кипения воды нужно постоянно подводить теплоту. Выделяют следующие стадии кипения:

Зависимость температуры от давления

Процесс парообразования других жидкостей происходят аналогично кипению воды. Единственным отличием являются разные показатели кипения вещества. Температура кипения прямо пропорциональна давлению (при увеличении давления она становится больше, при уменьшении она автоматически понижается). При решении физических задач градус кипения даётся при стандартном атмосферном давлении.

Зависимость температуры кипения от давления лежит в основе работы скороварок. Это приспособление увеличивает атмосферное давление для более быстрого приготовления. Обратный эффект можно наблюдать в горах. На большой высоте величина давления уменьшается в 2 раза, что затрудняет процедуру приготовления еды для альпинистов.

Различие температур кипения жидкостей активно используется при переработке нефти. В её состав входит огромное количество керосина, бензина, мазута и лигроина. При создании нефтепродуктов необходимо отделить компоненты друг от друга. Для этого сырое вещество начинают нагревать. При достижении температуры кипения одна из жидкостей начинает испаряться. Таким образом, отделив лишние элементы, можно сделать состав нефти однородным.

Процесс конденсации

При конденсации газообразное вещество переходит в жидкое состояние. Это явление возникает при условии, что температура вещества ниже температуры кипения. Во время конденсации выделяется столько же энергии, сколько и во время испарения. Примером этого процесса может служить:

Конденсация также может происходить как в плёночном, так и капельном виде. Она способна осуществляться и во время парообразования жидкости. Частицы пара при перемещении над поверхностью жидкости начинают лопаться и возвращаются в жидкое состояние. Если же молекулы пара не вступают в прямой контакт с жидким веществом, то конденсация происходит в результате охлаждения газа в верхних слоях атмосферы.

Капли конденсата начинают объединяться в небольшие скопления. Примером подобного явления является процесс образования облаков на небе.

Предназначение и применение

Важнейшей характеристикой процесса кипения и конденсации является удельная ТП. Она показывает количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкостного вещества в пар. Эта величина рассчитывается без учёта потерь теплоты. Теплоемкость измеряется путём определения количества теплоты, которое было затрачено за период нагревания жидкости до температуры кипения.

В современной физике она обозначается буквой L (лямбда). Измеряется эта характеристика в Дж/кг. В следующей таблице представлены значения удельной теплоты парообразования для основных жидкостей:

Удельная теплота преобразования применяется в производственных масштабах. С её помощью происходит создание железных материалов и плавление железа. Когда этот металл находится в жидком состоянии, он обладает кристаллической решёткой. При ее помощи мастер определяет количество теплоты, требуемое для нагревания железа, не влияя на состояние её кристаллической решётки.

В нефтяном секторе также применяется теплота парообразования, характеризующая оборудование для переработки нефти.

В теоретической физике УТП используется преимущественно для решения задач на тепловые явления. Если в условии задания указано, что жидкость достигла своей температуры кипения, то можно найти величину количества теплоты. Согласно формуле, удельная теплота парообразования, умноженная на исходную массу вещества, будет равна количеству теплоты, которое выделилось во время кипения жидкости. В математическом виде формула записывается следующим образом: Q = L * m. Q — количество теплоты (Дж), L — удельная ТП (Дж/кг), m — масса жидкого вещества (кг).

Если в задаче рассматривается процесс конденсации, то для нахождения количества теплоты необходимо применить аналогичную формулу. Ответ записывается с противоположным знаком, но очень часто его не учитывают, указывая лишь модуль полученного числа.

Источник

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:

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?

Источник

Удельная теплота испарения и конденсации. Физические величины

Содержание:

Для поддержания кипения жидкости её необходимо нагревать – подводить тепловую энергию от огня или нагревательного прибора. Температура вещества и сосуда при этом не повышаются, вместо этого жидкость превращается в пар – переходит в газообразное состояние. (можно ссылку на агрегатные состояния вещества) Удельная теплота испарения – количество передаваемой системе энергии, необходимо для поддержания процесса. Зависит от жидкости, внешних условий, при которых она кипит, в первую очередь, давления.

Удельная теплоемкость парообразования

Величина показывает, сколько тепла необходимо жидкости для её преобразования в газообразное состояние. Измеряется в джоулях на килограмм вещества – Дж/кг.

По закону сохранения энергии, получается, что во время конденсации паров выделяется потраченное на испарение вещества количество энергии. Для подтверждения проводится опыт. В стакан с водой опускается трубка, соединённая со вторым сосудом, где подогревается вода. Пока по трубке в стакан поступает подогретый воздух, показатели термометра практически не изменяются.

Когда вследствие нагрева испаряется вода, пар попадает в трубку, где конденсируется с выделением теплоты, ведь показатели термометра растут. Получается, вода из пара превращается в жидкое состояние с выделением тепловой энергии.

Количество выделяемого тепла равняется внутренней энергии тела: Q = ΔU. Энергия колебания молекул пропорциональна температуре. Величина изменения энергии тела или жидкости равняется сумме изменению теплоты каждой молекулы или атома вещества. Отсюда удельную теплоту парообразования находят по выражению:

c = Q / mΔT, измеряется в Дж / кг*К. Показывает, сколько теплоты нужно для нагревания 1 кг вещества на 1 К.

Удельная теплота испарения указывается для жидкости при её постоянном объёме, ведь зависит от условий теплопередачи – работы, сопровождающей процесс испарения. Одинаковая энергия, переданная системе, по-разному изменит его внутреннюю энергию и, соответственно, температуру.

Обозначение удельной теплоты парообразования осуществляется буквой L. По значению величина прямо пропорциональна потраченной на трансформацию – изменение состояния вещества – энергии и обратно пропорциональна его массе:

В физике измеряется в Дж/кг, в химии сводится к количеству вещества – моль/кг.

Для закипающей при температуре 100 °C воды удельная теплота парообразования равняется 2260 Дж/кг.

Задача

1005 Дж тепловой энергии. Какое вещество нагревалось в колбе?

Теплота парообразования вычисляется по формуле: L= Q / m. Подставляем значения в готовую пропорцию и проводим вычисления.

L = 1005 / 1,2 = 837,5 Дж/кг. Воспользуемся таблицей удельной теплоты парообразования.

В ней полученному значению соответствует этиловый спирт.

Источник

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».

Источник