Удельная теплота парообразования и конденсации • 8 класс • физика

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:

В начале нагревания начинают образовываться воздушные пузырьки. Они появляются главным образом на дне чайника и поверхности воды рядом с его стенками. Следует отметить, что их образование происходит задолго до процесса кипения. Первая стадия сопровождается негромким скрипящим звуком.
Во время второй стадии происходит увеличение объёма пузырьков воздуха. Со временем их количество начинает повышаться с геометрической прогрессией. Постепенно звук, сопровождающий процедуру парообразования, начинает становиться громче.
Раздутые пузырьки постепенно поднимаются на поверхность со дна чайника. Затем скорость их движения увеличивается. В результате стремительного поднятия пузырьков изменяется цвет воды. Она становится мутной или бледной. Этот процесс именуется «белым ключом». Третья стадия кипения длится в течение минуты. Она сопровождается умеренным шумом.
Последняя стадия парообразования сопровождается интенсивным бурлением воды. Пузырьки окончательно достигают поверхности и начинают постепенно лопаться, выбрасывая маленькие потоки жидкости. Звук становится чрезвычайно громким и неравномерным. Ударные волны начинают устремляться в атмосферы. Отражаясь от стенок чайника, они издают громкий шум, оповещая о том, что вода достигла своей критической точки кипения, которая равняется 100 °C. Стоит отметить, дальнейшее повышение температурного режима не происходит. Если во время эксперимента человек увеличит величину тепловых потоков, то он только сможет усилить интенсивность кипения жидкости, но не температуру.

Сравнительная таблица

Параметры сравнения	Удельная теплоемкость	Теплота парообразования
Смысл	Удельной теплоемкостью называется теплота, необходимая для изменения температуры единицы массы вещества на единицу.	Теплота парообразования – это количество тепла, необходимое для изменения физического состояния объектов.
Цель	Для изменения температуры вещества применяется удельная теплота.	Теплота парообразования используется для перевода вещества из жидкого состояния в газообразное и из газообразного в жидкое.
Температура	Здесь температура меняется.	Но в тепле парообразования температура не меняется.
Состояние материи	Нельзя применять удельную теплоемкость, если материя меняет свое физическое состояние.	Теплота парообразования применяется только в этом случае.
Энергия	При удельной теплоемкости вещество скорее поглощает тепло, чем отдает его.	При испарении вещество может как поглощать, так и выделять энергию.

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 • 106 Дж энергии. Чтобы превратить в пар спирт массой 1 кг при температуре кипения, требуется 0,9 • 106 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 • 106 Дж. Аналогично для превращения в пар спирта массой 2 кг при температуре кипения потребуется 1,8 • 106 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 • 106 Дж энергии, то удельная теплота парообразования воды равна 2,3 • 106 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 • 106 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 • 106 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 • 106 Дж, или 8034 кДж.

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

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Основные различия между удельной теплоемкостью и теплотой парообразования

Удельной теплоемкостью называется количество теплоты, необходимое для изменения температуры вещества на одну единицу. Теплота испарения возникает, когда вещество претерпевает фазовый переход.
Когда вещество претерпевает фазовый переход, удельная теплота не может быть применена. Но теплота парообразования возникает только тогда, когда вещество испытывает фазовый переход.
Удельная теплоемкость изменяет температуру вещества. Но в теплоте парообразования изменяется состояние вещества, а не температура.
Удельная теплоемкость не известна под каким-либо другим названием. Но разработчик также известен под именем скрытая теплота.
При удельной теплоемкости энергия поглощается веществом. Кнопка тепла испарения вещества может либо поглощать, либо выделять тепло в процессе.

Рекомендации

https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1137207
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.4.2029

Измерение удельной теплоты парообразования

Один из методов измерения основан на использовании калориметра. В этом методе исследуемое вещество замораживается при низкой температуре, а затем в него вводится известное количество теплоты. В процессе этого происходит парообразование, и изменение температуры замеряется. Затем с использованием формул можно рассчитать удельную теплоту парообразования.

Другой метод измерения удельной теплоты парообразования основан на использовании тепловых двигателей. В этом методе теплота из исследуемого вещества используется для приведения двигателя в движение. Используя известные характеристики двигателя и измеренные данные о теплоте, можно рассчитать удельную теплоту парообразования.

Измерение удельной теплоты парообразования имеет широкое применение в различных областях науки и техники. Например, в химии это позволяет определить свойства различных веществ и использовать их для разработки новых материалов. В технике измерение удельной теплоты парообразования позволяет оптимизировать работу различных систем охлаждения и обогрева. Кроме того, измерение удельной теплоты парообразования используется в энергетике для расчета энергетических потерь и оптимизации процессов сжигания.

Лабораторные методы измерения

Один из основных лабораторных методов измерения удельной теплоты парообразования — это метод измерения теплоты с помощью калориметра. В этом методе, измеряется изменение температуры воды, которая нагревается при погружении в нее нагретого предмета. Путем измерения массы предмета и изменения температуры воды можно определить удельную теплоту парообразования вещества.

Еще один лабораторный метод измерения удельной теплоты парообразования — это метод измерения давления. При этом методе вещество подвергается нагреванию, и измеряется изменение давления в закрытой системе при постоянном объеме. По полученным данным можно определить удельную теплоту парообразования вещества.

Также существуют другие лабораторные методы измерения удельной теплоты парообразования вещества, например методы, основанные на измерении теплоты с помощью калориметра с изотермическими изменениями, методы, основанные на измерении теплоты с помощью графического метода и другие.

Лабораторные методы измерения удельной теплоты парообразования вещества играют важную роль в научных исследованиях и промышленности. Они позволяют определить и контролировать физические свойства вещества, что позволяет использовать его в различных сферах, таких как теплообмен, производство энергии и многие другие.

8 класс

Кипение, как мы видели, также является парообразованием, за исключением того, что оно сопровождается быстрым образованием и ростом пузырьков пара. Очевидно, что при кипении к жидкости необходимо подвести определенное количество тепла. Это количество тепла используется для производства пара. Различные жидкости с одинаковой массой требуют разного количества тепла для превращения в пар при температуре кипения.

Эксперименты показали, что для испарения 1 кг воды при температуре 100 °C требуется 2,3 — 10 6 Дж энергии. Для испарения 1 кг эфира, полученного при температуре 35 °C, требуется 0,4 — 10 6 Дж энергии.

Поэтому к жидкости необходимо добавить определенное количество тепла, чтобы температура испаряющейся жидкости не изменилась.

Физическая величина, показывающая, какое количество тепла необходимо для превращения жидкости массой 1 кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.

Удельная теплота парообразования обозначается буквойL. Его единица измерения — 1 Дж/кг.

Эксперименты показали, что удельная теплота парообразования воды при 100 °C составляет 2,3 — 10 6 Дж. Другими словами, было достигнуто преобразование воды в пар. Другими словами, для превращения 1 кг воды в пар при температуре 100 °C требуется 2,3 — 10 6 Дж энергии. Поэтому при температуре кипения внутренняя энергия вещества в парообразном состоянии больше, чем внутренняя энергия той же массы вещества в жидком состоянии.

Удельная теплоемкость против теплоты парообразования

Удельная теплоемкость это количество тепловой энергии, необходимое для повышения температуры одной единицы массы на один градус Цельсия или Кельвина. Теплота парообразования – это количество тепловой энергии, необходимое для перевода одной единицы массы из жидкого состояния в газообразное при постоянной температуре.

Удельная теплоемкость относится к количеству энергии, которое мы используем в реакции для изменения температуры вещества на одну единицу. Удельная теплоемкость обозначается в уравнении буквой «s».

Это означает, что изменение температуры или количества тепла, поглощенного веществом, в равной степени пропорционально массе объекта.

Теплота парообразования используется, когда вещество проходит физическую стадию изменения. Итак, для достижения другого физического состояния веществу требуется тепло.

Это удельное количество теплоты называется теплотой парообразования. При этом температура не меняется. Меняется физическое состояние материи.

От чего зависит теплоемкость водяного пара?

Удельная теплоемкость воды зависит от следующих параметров:

Масса воды. Чем меньше количество жидкости, тем меньше энергии затрачивается на ее разогрев до температуры кипения.
От величины давления. При низком давлении вода испаряется при более низкой температуре, а, значит, тепловой энергии затрачивается меньше.
Температура. При высокой температуре образование пара происходит быстрее, так как необходимая доля энергии передается за меньшее количество времени.
Состав воды. Чистая воды требует меньше энергии. Посторонние элементы и смеси увеличат удельную теплоту за счет потери энергии на их прогрев.
Площадь нагреваемой воды. Чем она больше, тем медленнее происходит нагрев. Это также зависит от температуры источника тепла и его площади, охватываемой передачей тепла.

Что такое удельная теплоемкость?

Если у вас есть миска, наполовину заполненная водой, и вы поставите ее на огонь, потребуется определенное время, чтобы нагреться. Но когда вы наполните всю чашу водой и снова поставите ее на огонь, это не займет столько времени, сколько потребовалось в предыдущем случае.

Таким образом, вам нужно больше тепла во втором сценарии, чем в первом. Это означает, что при одном и том же изменении температуры количество тепла, поглощаемого веществом, прямо пропорционально массе объекта.

Теперь, если мы возьмем такое же количество воды и повысим температуру на несколько градусов, мы увидим некоторые изменения. Можно сказать, что для большего изменения было подведено больше тепла.

Таким образом, количество теплоты, поглощенное веществом, равно количеству, которое мы получаем, умножая изменение температуры на константу пропорциональности с массой объекта. Итак, Q = ms∆T.

Здесь S означает удельную теплоемкость. Величина удельной теплоемкости может быть разной для разных веществ. Когда масса объекта и изменение температуры увеличиваются на одну единицу, удельная теплоемкость становится равной количеству тепла, поглощенному объектом.

Таким образом, значение «s» обозначает количество тепловой энергии, необходимое для изменения температуры единицы массы на одну единицу.

Примеры задач

Пример 1: Теплота испарения воды

Рассмотрим пример расчета теплоты испарения воды. Предположим, что у нас есть 100 г воды и нам нужно определить количество теплоты, необходимое для ее испарения.

Для решения этой задачи нам понадобится знать теплоту испарения воды, которая составляет около 40,7 кДж/моль. Сначала рассчитаем количество молей воды, зная ее молярную массу, которая равна 18 г/моль.

Масса воды (m) = 100 г

Молярная масса воды (M) = 18 г/моль

Количество молей воды (n) = m / M = 100 г / 18 г/моль ≈ 5,56 моль

Теперь можем рассчитать количество теплоты, используя формулу:

Q = n * ΔH_исп = 5,56 моль * 40,7 кДж/моль = 226,39 кДж

Таким образом, для испарения 100 г воды необходимо 226,39 кДж теплоты.

Пример 2: Теплота испарения этилового спирта

Рассмотрим другой пример, связанный с рассчетом теплоты испарения этилового спирта. Предположим, что у нас есть 50 г этилового спирта и мы хотим определить количество теплоты, необходимое для его испарения.

Теплота испарения этилового спирта составляет около 38,6 кДж/моль. Рассчитаем количество молей этилового спирта:

Масса этилового спирта (m) = 50 г

Молярная масса этилового спирта (M) = 46 г/моль

Количество молей этилового спирта (n) = m / M = 50 г / 46 г/моль ≈ 1,09 моль

Теперь можем рассчитать количество теплоты, используя формулу:

Q = n * ΔH_исп = 1,09 моль * 38,6 кДж/моль = 42,07 кДж

Таким образом, для испарения 50 г этилового спирта необходимо 42,07 кДж теплоты.

Удельная теплота — парообразование

Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо для превращения 1 кг жидкости в пар при постоянной температуре.

Удельная теплота парообразования уменьшается с повышением температуры жидкости.

Зависимость удельной теплоты парообрлзования воды от температуры.

Удельная теплота парообразования г зависит от температуры. С увеличением температуры удельная теплота парообразования уменьшается; при критической температуре она равна нулю. На рис. 2.2 показана зависимость г от температуры для воды.

Удельная теплота парообразования выражается в СИ в джоулях на килограмм, а во внесистемных единицах — в килокалориях на килограмм. Удельная теплота парообразования зависит от вещества жидкости и от температуры. С повышением температуры жидкости удельная теплота парообразования уменьшается, а при критической температуре становится равной нулю.

Удельная теплота парообразования уменьшается с повышением температуры испаряющейся жидкости. В частности, при повышении температуры кипения ( например, вследствие повышения давления) удельная теплота парообразования при кипении уменьшается.

Удельная теплота парообразования т — количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар при температуре кипения.

Удельная теплота парообразования зависит от температуры. С увеличением температуры удельная теплота парообразования уменьшается. При критической температуре она равна нулю. На рис. 19 показаны зависимости г, р и ф от температуры t для воды.

Удельная теплота парообразования q зависит от давления и температуры; она уменьшается с повышением давления.

Удельная теплота парообразования зависит от давления и температуры — уменьшается при повышении и увеличивается при понижении их.

Кривые испарения ( 1, плавления ( 2, сублимации ( 3 вблизи тройной точки ( Тр воды.

Удельная теплота парообразования эфира значительно меньше удельной теплоты парообразования воды. Почему же смоченная эфиром рука ощущает более сильное охлаждение, чем при смачивании ее водой.

Процесс образования пара, что при этом происходит

В процессе испарения молекулы покидают жидкость, а также уносят с собой часть ее внутренней энергии. Известно, что температура оказывает влияние на скорость, с которой движутся молекулы. При одинаковой температуре скорость молекул, расположенных рядом, может несильно отличаться.

Однако определенная часть молекул будет перемещаться так быстро, что способна преодолеть притяжение других молекул, и покинуть жидкость. Данные молекулы испаряются, унося с собой энергию. Испарение является эндотермическим процессом, то есть протекает с поглощением энергии, которая высвобождается вместе с молекулами.

В результате потерь тепловой энергии в процессе испарения жидкость остывает. При повышении скорости испарения температура понижается сильнее. В том случае, когда жидкость испаряется медленно, тепловые потери восполняются. Это объясняется частичной отдачей тепловой энергии молекулами окружающего воздуха молекулам жидкости, что исключает значительное понижение ее температуры.

От чего зависит скорость испарения

Скорость испарения зависит от нескольких факторов. К ним относят:

силу притяжения молекул к соседним, что определяется родом вещества;
площадь поверхности жидкости;
движение воздуха над поверхностью вещества;
температуру.

Известно, что жидкости испаряются с неодинаковой скоростью. К примеру, вода будет испаряться медленнее, чем ацетон, так как сила притяжения молекул воды друг к другу больше, чем аналогичный показатель, характерный для молекул ацетона.

Примечание

В физике принято говорить не о силе притяжения молекул, а об их потенциальной энергии взаимодействий. Данная формулировка применима для описания процесса испарения веществ.

Скорость испарения также определяется движением воздуха над ее поверхностью. Некоторые молекулы, которые испаряются, не обладают запасом кинетической энергии. Такие молекулы находятся вблизи вещества и возвращаются через какое-то время обратно. Если дует ветер, то такие молекулы улетают без возможности вернуться назад. Таким образом, скорость испарения жидкости увеличивается.

Известно, что молекулы испаряются с поверхности. В связи с этим, испарение веществ происходит быстрее, если площадь поверхности больше.

Жидкости испаряются, независимо от температуры. При нагреве процесс ускоряется. Это связано с ростом числа молекул, которые обладают энергией, достаточной для высвобождения из вещества. Когда температура повышается, увеличивается количество молекул с кинетической энергией, превышающей потенциальную энергию взаимодействия молекул с соседними молекулами.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос 1: Зависит ли теплота испарения от температуры?

Теплота испарения зависит от температуры только в случае, когда происходит изменение температуры среды, в которой происходит испарение. В общем случае, при постоянной температуре и давлении, теплота испарения остается постоянной для данного вещества.

Вопрос 2: Как связана теплота испарения с температурой кипения?

Теплота испарения и температура кипения вещества тесно связаны. Температура кипения определяется давлением, при котором парциальное давление вещества становится равным атмосферному давлению. Теплота испарения является мерой энергии, необходимой для превращения жидкости в газообразное состояние при данной температуре.

Вопрос 3: Может ли теплота испарения быть отрицательной?

Теплота испарения может быть отрицательной в случае обратного процесса — конденсации. В этом случае, при переходе вещества из газообразного состояния в жидкое, выделяется теплота, которая противоположна теплоте испарения.

Вопрос 4: Какие факторы могут повлиять на величину теплоты испарения?

Величина теплоты испарения зависит от межмолекулярных взаимодействий вещества, поэтому может быть разной для разных веществ. Факторы, которые могут повлиять на величину теплоты испарения, включают изменение давления, температуры и состояния окружающей среды.

Вопрос 5: Как можно измерить теплоту испарения экспериментально?

Теплоту испарения можно измерить экспериментально с помощью калориметрии. Для этого необходимо провести эксперимент, в котором измеряется количество теплоты, выделяющееся или поглощаемое при испарении вещества. Для этого используют специальные калориметры и термометры.