"Физика", Грачёв А.В.,Погожев В.А., Вишнякова Е.А.
Когда жидкость превращается в пар, ей требуется энергия: молекулы должны преодолеть притяжение друг к другу. При кипении пар образуется не только на поверхности, но и внутри жидкости, а её температура при постоянном давлении не растёт, пока идёт превращение. Количество энергии для парообразования рассчитывают по формуле Q = Lm, где L — удельная теплота парообразования, а m — масса жидкости. Знание этой формулы помогает сравнивать вещества и решать задачи о нагревании и фазовых превращениях.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Парообразование — переход вещества из жидкого состояния в газообразное. Оно происходит двумя способами: при испарении молекулы покидают поверхность жидкости, а при кипении пар образуется во всём её объёме. Это понятие помогает описывать превращение жидкости в пар и рассчитывать связанные с ним энергетические изменения.
Удельная теплота парообразования — количество теплоты, необходимое, чтобы превратить 1 кг жидкости в пар при температуре кипения. Её обозначают L, а единица измерения — джоуль на килограмм (Дж/кг). Значение L показывает, сколько энергии требуется на каждый килограмм данного вещества, поэтому его используют в расчётах теплоты парообразования.
Кипение — интенсивное парообразование, происходящее во всём объёме жидкости при определённой для данного давления температуре. Внутри жидкости возникают пузырьки пара, а не только отдельные молекулы уходят с поверхности. Это определение позволяет отличить кипение от испарения и понять, почему для него задают особую температуру.
Температура кипения — температура, при которой жидкость кипит. Она зависит от вещества и внешнего давления: при обычном атмосферном давлении вода кипит примерно при 100 °C, но при другом давлении это значение меняется. Поэтому температура кипения нужна не только для характеристики вещества, но и для описания условий опыта.
Молекулы жидкости притягиваются друг к другу. Чтобы молекула перешла в пар, она должна преодолеть это притяжение, а для этого требуется энергия. При парообразовании жидкость получает теплоту от нагревателя или окружающей среды; если энергии недостаточно, превращение идёт медленнее.
При кипении пузырьки пара возникают внутри жидкости, где есть условия для образования газовой фазы. Нагреваясь, пузырьки увеличиваются, а затем поднимаются к поверхности и лопаются, выпуская пар. Значит, кипение происходит не только с поверхности: пар образуется в многочисленных пузырьках по всему объёму, а испарение — на границе жидкости и воздуха.
Чтобы пузырёк рос внутри жидкости, давление пара в нём должно сравняться с давлением окружающей среды. Если внешнее давление велико, пузырьку труднее расширяться, и для достижения нужного давления пара требуется более высокая температура. При уменьшении внешнего давления условие выполняется при более низкой температуре, поэтому меняется и температура кипения.
Во время кипения чистого вещества при постоянном давлении его температура остаётся неизменной. Подводимая теплота продолжает поступать, но расходуется на отделение молекул друг от друга и превращение жидкости в пар, а не на повышение температуры. Когда вся жидкость испарится, дальнейший нагрев пара уже может увеличить его температуру.
Для расчёта теплоты, затраченной на превращение жидкости в пар при температуре кипения, используют формулу Q = Lm. Здесь Q — количество теплоты в джоулях, L — удельная теплота парообразования в Дж/кг, а m — масса в килограммах. Если нужно найти массу, формулу преобразуют: m = Q/L; если требуется определить L, используют L = Q/m. Проверка единиц помогает заметить ошибку: умножение Дж/кг на кг должно дать джоули.
| Характеристика | Испарение | Кипение |
|---|---|---|
| Где происходит | На поверхности жидкости | Во всём объёме жидкости |
| При какой температуре происходит | При разных температурах | При температуре кипения для данного давления |
| Скорость парообразования | Обычно постепенное, зависит от условий | Интенсивное |
| Образование пузырьков пара | Пузырьки внутри жидкости не образуются | Пузырьки возникают внутри, растут и поднимаются |
| Условия, влияющие на скорость или температуру | Температура, площадь поверхности, движение воздуха и вид жидкости влияют на скорость | Вид жидкости и внешнее давление влияют на температуру кипения |
| Как изменяется температура жидкости при постоянном подводе теплоты | Может снижаться из-за ухода наиболее быстрых молекул | Остаётся постоянной, пока кипит чистое вещество при постоянном давлении |
Сравнивайте строки по одному признаку: так легче увидеть, что оба процесса превращают жидкость в пар, но происходят по-разному. Если нужно объяснить медленное исчезновение воды из лужи, выбирайте испарение; если жидкость бурно образует пузырьки по всему объёму — кипение. Условия в таблице помогают отдельно определить, что влияет на скорость испарения, а что — на температуру кипения.
Задача 1. Сколько теплоты нужно, чтобы превратить 0,20 кг воды при температуре кипения в пар? Удельную теплоту парообразования возьмите из таблицы учебника: для воды L = 2,3 МДж/кг. Здесь нагревать воду до кипения не требуется: она уже имеет температуру кипения, поэтому учитываем только парообразование.
Ответ: нужно 0,46 МДж (460 кДж) теплоты. Полученное количество относится именно к превращению воды в пар при температуре кипения. Если бы воду сначала требовалось нагреть, расчёт пришлось бы дополнить теплотой нагревания.
Задача 2. Для парообразования некоторой массы жидкости потребовалось 1,2 МДж. Удельная теплота парообразования вещества равна 3,0 МДж/кг. Найдём массу. Поскольку известны Q и L, переставим множители в формуле Q = Lm и выразим неизвестную величину.
Ответ: масса жидкости равна 0,40 кг. Деление энергии на энергию, необходимую для каждого килограмма, даёт массу. Если бы подставляли Q в джоулях, L тоже следовало бы перевести в Дж/кг.
Задача 3. Вода находится при температуре кипения, и ей сообщили 4,6 МДж теплоты. Какую массу можно полностью превратить в пар? Затем найдём, сколько теплоты потребовалось бы для нагревания этой массы от 20 °C до температуры кипения. Для парообразования берём L = 2,3 МДж/кг, а удельную теплоёмкость воды — c = 4200 Дж/(кг·°C).
Ответ: можно испарить 2,0 кг воды; для её нагревания от 20 °C до кипения потребовалось бы 0,672 МДж. В условии вода уже кипит, поэтому 4,6 МДж расходуются на парообразование. Теплоту нагревания считают отдельно и не прибавляют к заданному количеству, если требуется найти массу, которую можно испарить из кипящей воды.
Ошибка: считать, что при кипении теплота повышает температуру жидкости. Так думают, потому что при нагревании до кипения температура действительно растёт. Но во время кипения чистого вещества при постоянном давлении энергия расходуется на парообразование. Проверьте условие: если жидкость уже кипит, применяйте Q = Lm, а не формулу нагревания.
Ошибка: путать L и Q. Обе величины связаны с теплотой, но Q — энергия для всей массы и измеряется в джоулях, а L — энергия на один килограмм и измеряется в Дж/кг. Путаница возникает из-за похожих буквенных обозначений в задачах. Проверьте размерность: при умножении L на массу должна получиться единица Q.
Ошибка: подставлять массу в граммах в формулу Q = Lm, хотя L задано в Дж/кг. Тогда численное значение массы окажется в тысячу раз больше нужного, и ответ будет неверным в тысячу раз. Такая ошибка часто появляется при быстром переводе данных из условия. Перед вычислением переведите граммы в килограммы или приведите остальные величины к согласованным единицам.
Ошибка: считать, что кипение возможно только при 100 °C. Это значение относится к воде при обычном атмосферном давлении, а не ко всем жидкостям и условиям. Внешнее давление меняет условие роста пузырьков и, следовательно, температуру кипения. Проверьте, о каком веществе и давлении говорится в задаче, и не подставляйте 100 °C автоматически.
Чтобы разбираться в парообразовании, нужно знать агрегатные состояния вещества и понимать, что внутренняя энергия связана с движением и взаимодействием молекул. При переходе жидкости в пар молекулы преодолевают притяжение, поэтому им требуется энергия. Способы теплопередачи объясняют, откуда эта энергия может поступить.
Формула Q = Lm применяется в задачах о тепловом балансе — учёте полученной и отданной теплоты. В расчёте важно отличать энергию для изменения температуры от энергии для изменения агрегатного состояния. Поэтому при полном процессе нагревания и парообразования используют оба расчёта отдельно.
Парообразование связано с конденсацией — обратным переходом пара в жидкость. При конденсации молекулы сближаются, и энергия выделяется в окружающую среду. Для той же массы вещества количество теплоты по модулю соответствует теплоте парообразования при одинаковых условиях.
Почему во время кипения температура воды не растёт?
При постоянном давлении поступающая теплота идёт на превращение воды в пар, а не на увеличение скорости движения молекул жидкости. Поэтому температура чистой воды во время кипения остаётся постоянной, пока вода не испарится.
Чем кипение отличается от испарения?
Испарение происходит с поверхности жидкости и может идти при разных температурах. Кипение начинается при определённой для данного давления температуре, паровые пузырьки появляются во всём объёме жидкости.
Почему на большой высоте вода кипит при температуре ниже 100 °C?
На высоте атмосферное давление меньше, чем у уровня моря. Пузырькам пара достаточно меньшего давления, чтобы расти внутри воды, поэтому кипение начинается при более низкой температуре.
Как пользоваться формулой Q = Lm?
Умножьте удельную теплоту парообразования L на массу жидкости m, выраженную в килограммах. Чтобы найти массу, разделите Q на L, а чтобы найти L — разделите Q на m; следите, чтобы единицы величин согласовывались.
Выделяется ли теплота при превращении пара обратно в жидкость?
Да. При конденсации, то есть переходе пара в жидкость, выделяется теплота. Для той же массы и того же вещества её количество по модулю равно теплоте, затраченной на парообразование при соответствующих условиях.
§ 20. Удельная теплота парообразования. Кипение
