"Физика. Молекулярная физика. Термодинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Парообразование — переход вещества в газообразное состояние. Для него необходима энергия: молекулы преодолевают притяжение и удаляются друг от друга. Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре, а кипение — во всём объёме при температуре кипения. Главная расчётная формула темы — Q = λm, где λ — удельная теплота парообразования. При конденсации такое же количество теплоты выделяется.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Парообразование — переход вещества из жидкого или твёрдого состояния в газообразное. В результате образуется пар, а состояние вещества меняется. Это общее название для испарения и кипения.
Испарение — парообразование, происходящее с поверхности жидкости при любой температуре. В пар уходят наиболее быстрые молекулы, поэтому испарение может идти и без нагревания до кипения. Понятие помогает объяснить высыхание белья и охлаждение жидкости.
Кипение — парообразование, происходящее во всём объёме жидкости при определённой температуре. Внутри жидкости возникают и растут пузырьки пара, которые поднимаются к поверхности. Температура, при которой это происходит, называется температурой кипения.
Удельная теплота парообразования — физическая величина λ, равная количеству теплоты для превращения 1 кг жидкости в пар без изменения температуры. Она зависит от рода вещества и температуры и измеряется в Дж/кг. С её помощью находят энергию для превращения любой массы: Q = λm.
При парообразовании молекулы должны преодолеть силы притяжения, действующие между ними в жидкости. После выхода в пар среднее расстояние между молекулами становится больше, поэтому увеличивается их потенциальная энергия. Именно на это изменение требуется подводить теплоту, даже если температура вещества не меняется.
Испарение идёт с поверхности, потому что покинуть жидкость могут главным образом молекулы верхнего слоя. Среди них случайно находятся частицы с большой скоростью, способные преодолеть притяжение соседей. При повышении температуры таких молекул становится больше, поэтому испарение ускоряется, но оно возможно и при низкой температуре.
Кипение отличается тем, что пар образуется не только на поверхности, но и внутри жидкости. Это возможно, когда давление пара в пузырьках становится достаточным для их роста и выхода наружу. Поэтому кипение начинается при определённой температуре, которая зависит, в частности, от внешнего давления.
Во время кипения чистой жидкости при постоянном давлении температура остаётся постоянной. Подводимая энергия не увеличивает среднюю кинетическую энергию молекул, а расходуется на их удаление друг от друга и разрыв межмолекулярных связей. Поэтому жидкость получает теплоту, но показание термометра не растёт, пока не испарится вся жидкость.
Количество теплоты для превращения массы m в пар прямо пропорционально этой массе и удельной теплоте λ: Q = λm. Обратный переход называется конденсацией: молекулы сближаются, их потенциальная энергия уменьшается, а разность энергии выделяется в окружающую среду. Поэтому при конденсации той же массы при той же температуре выделяется такое же количество теплоты.
| Характеристика | Обозначение или формула | Единица СИ | Физический смысл |
|---|---|---|---|
| Количество теплоты парообразования | Q = λm | Дж | Энергия, необходимая для превращения данной массы жидкости в пар |
| Удельная теплота парообразования | λ | Дж/кг | Теплота парообразования 1 кг вещества |
| Масса вещества | m | кг | Количество вещества, превращаемого в пар |
| Количество теплоты при конденсации | Q = λm | Дж | Теплота, выделяющаяся при превращении пара в жидкость |
| Температура во время кипения | T = const | К | Не изменяется при постоянном внешнем давлении для чистого вещества |
При решении задачи сначала определите, какая величина неизвестна, а затем выберите строку с нужной формулой. Следите, чтобы масса была выражена в килограммах, а λ — в Дж/кг. Знак количества теплоты можно уточнить по процессу: при парообразовании энергия поглощается, при конденсации выделяется.
Нужно превратить 2 кг воды, уже нагретой до температуры кипения, в пар. Дано: m = 2 кг, λ = 2,3·106 Дж/кг. Нагревание учитывать не нужно, потому что вода уже находится при температуре кипения.
Ответ: для полного превращения воды в пар требуется 4,6·106 Дж теплоты.
Известны Q = 4,6·106 Дж и λ = 2,3·106 Дж/кг. Требуется найти массу воды, которую можно превратить в пар при температуре кипения. Так как теплота и удельная теплота уже заданы, формулу нужно преобразовать относительно массы.
Ответ: можно превратить в пар 2 кг воды.
Воду массой 0,5 кг нужно нагреть от 20 °C до 100 °C, а затем полностью испарить. Возьмём c = 4200 Дж/(кг·°C) и λ = 2,3·106 Дж/кг. Здесь два последовательных процесса, поэтому общая теплота равна сумме теплот на каждом этапе.
Ответ: потребуется примерно 1,32·106 Дж теплоты.
Формула Q = cmΔT вместо Q = λm. Так ошибаются, когда смешивают нагревание и фазовый переход. Для парообразования температура не меняется, поэтому используют Q = λm; формулу Q = cmΔT применяют только к нагреванию или охлаждению без перехода.
Температура якобы продолжает расти при кипении. Ученик переносит правило нагревания на другой процесс и забывает о затрате энергии на разрыв связей. Проверьте условие: для чистого вещества при постоянном давлении во время кипения T = const.
Испарение путают с кипением. Причина ошибки — оба процесса называют парообразованием. Спросите себя, где образуется пар: только на поверхности — это испарение, во всём объёме при температуре кипения — кипение.
Не учитывают предварительное нагревание. Если жидкость имеет температуру ниже кипения, одной формулы Q = λm недостаточно. Разделите процесс на этапы, вычислите Q1 = cmΔT и Q2 = λm, затем сложите их.
Для изучения теплоты парообразования нужны понятия внутренней энергии, количества теплоты и теплоёмкости, а также формула Q = cmΔT. Тема продолжает раздел о фазовых переходах и связана с конденсацией: оба процесса подчиняются закону сохранения энергии. Эти знания применяются при изучении тепловых двигателей, холодильных установок, атмосферных явлений и расчёте тепловых процессов.
Почему жидкость испаряется даже при комнатной температуре?
Молекулы жидкости движутся с разными скоростями. Некоторые из них у поверхности имеют достаточно большую кинетическую энергию, чтобы преодолеть притяжение соседних молекул и покинуть жидкость.
Почему во время кипения температура жидкости не повышается?
При постоянном давлении подводимая теплота расходуется на переход молекул в пар и увеличение их потенциальной энергии. Средняя кинетическая энергия молекул поэтому не растёт, а температура остаётся постоянной.
Чем испарение отличается от кипения?
Испарение идёт только с поверхности жидкости и возможно при любой температуре. Кипение происходит во всём объёме жидкости при определённой температуре, называемой температурой кипения.
Почему для разных веществ удельная теплота парообразования различна?
Молекулы разных веществ притягиваются друг к другу с неодинаковой силой. Поэтому на их разделение и превращение одинаковой массы в пар требуется разное количество энергии.
Нужно ли учитывать нагревание жидкости до температуры кипения в расчётной задаче?
Да, если жидкость изначально холоднее температуры кипения. Сначала рассчитывают нагревание по формуле Q = cmΔT, затем парообразование по формуле Q = λm и складывают результаты.
§ 6.6. Теплота парообразования
