"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Кипение — это превращение жидкости в пар не только у поверхности, но и во всём её объёме. Оно начинается при определённой температуре, которая зависит от вещества и внешнего давления. Пока жидкость кипит при постоянном давлении, её температура не растёт: теплота расходуется на образование пара. Чтобы рассчитать эту теплоту, используют удельную теплоту парообразования и формулу Q = Lm.
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 при испарении и при кипении, хотя эти процессы протекают по-разному. Понятие помогает объединить два способа превращения жидкости в пар и определить, какой расчёт нужен в задаче.
Кипение — интенсивное парообразование, происходящее во всём объёме жидкости при определённой для данных условий температуре. В отличие от испарения только с поверхности, при кипении пар возникает и внутри жидкости. Это определение важно, чтобы узнавать кипение по его главному признаку.
Температура кипения — температура, при которой жидкость кипит. Она зависит от рода вещества и внешнего давления, поэтому для одной и той же жидкости может меняться при изменении условий. Это понятие помогает понять, когда начнётся кипение и почему оно происходит не всегда при одной температуре.
Удельная теплота парообразования показывает, сколько теплоты требуется для превращения 1 кг жидкости при температуре кипения в пар. Её обозначают L и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг). Эта величина позволяет найти теплоту для любой массы жидкости, уже доведённой до кипения.
При испарении отдельные частицы покидают жидкость с её поверхности, если получают достаточно энергии. Оно может идти при разных температурах, потому что даже в холодной жидкости есть быстрые частицы. При кипении пар образуется не только сверху: пузырьки возникают внутри жидкости, поэтому процесс охватывает весь объём. Так различие объясняется местом, где появляется пар, а не просто скоростью процесса.
В нагреваемой жидкости могут возникать маленькие пузырьки, заполненные паром. Сначала они способны схлопываться: давление окружающей жидкости мешает им увеличиваться. Когда условия позволяют пузырькам сохраняться и расти, они поднимаются к поверхности и лопаются, выпуская пар. Поэтому начало кипения связано с возможностью образования устойчивых пузырьков по всему объёму.
На пузырёк воздействует давление жидкости и давление снаружи, в том числе атмосферное. Если внешнее давление меняется, меняются условия, при которых пузырёк может увеличиваться, и температура кипения сдвигается. При меньшем давлении пузырькам легче расти, поэтому жидкость закипает при более низкой температуре; при большем давлении нужна более высокая температура. Так объясняется зависимость температуры кипения от высоты и от условий в закрытом сосуде.
При постоянном давлении температура жидкости во время кипения остаётся неизменной, даже если нагревание продолжается. Полученная энергия нужна не для увеличения температуры, а для преодоления притяжения частиц и превращения жидкости в пар. Поэтому на графике нагревания участок кипения выглядит горизонтальным. Когда вся жидкость превратилась в пар, дальнейшее поступление теплоты может повышать температуру пара.
Для превращения жидкости массой m при температуре кипения в пар требуется теплота Q = Lm. Здесь Q измеряется в джоулях, L — в Дж/кг, а m — в килограммах; произведение даёт джоули. При конденсации той же массы пара при тех же условиях выделяется такое же количество теплоты. Если жидкость сначала нагревают, теплоту этого этапа находят отдельно и прибавляют к теплоте парообразования.
| Свойство | Испарение | Кипение |
|---|---|---|
| Где происходит парообразование | На поверхности жидкости | Во всём объёме жидкости |
| При каких температурах возможно | При разных температурах | При температуре кипения для данных условий |
| Как протекает процесс | Постепенно, без пузырьков пара во всём объёме | Интенсивно, с образованием и ростом пузырьков |
| Что происходит с температурой жидкости при постоянном давлении | Может меняться; постоянной температуры процесс не требует | Не меняется, пока жидкость превращается в пар |
Сначала сравните, где именно образуется пар, а затем посмотрите, нужна ли процессу определённая температура. Последняя строка относится к жидкости при постоянном давлении и помогает отличить нагревание от кипения. Таблица также подсказывает, почему нельзя применять к испарению без уточнений выводы о температуре кипящей жидкости.
Задача 1. Сколько теплоты требуется, чтобы превратить 0,2 кг воды при температуре кипения в пар? Удельную теплоту парообразования воды возьмём из таблицы физических величин: L = 2,3 · 10⁶ Дж/кг. Поскольку вода уже кипит, рассчитывать её предварительное нагревание не нужно. Используем формулу для парообразования.
Ответ: потребуется 4,6 · 10⁵ Дж теплоты.
Задача 2. Какую массу воды можно превратить в пар, если ей сообщили 9,2 · 10⁵ Дж теплоты? Примем удельную теплоту парообразования воды равной 2,3 · 10⁶ Дж/кг и будем считать, что вода уже находится при температуре кипения. Искомая масса входит в формулу Q = Lm как множитель, поэтому выразим её делением. Такой порядок действий заодно помогает проверить размерность ответа.
Ответ: можно превратить в пар 0,4 кг воды.
Задача 3. Воду нагревают до кипения, затем продолжают нагревать до полного превращения в пар. Найдём общее время, если масса воды 0,5 кг, начальная температура 20 °C, мощность нагревателя 1 кВт, а потерями теплоты можно пренебречь. Сначала вода нагревается до 100 °C, а потом кипит; это два разных этапа, поэтому теплоту для них считаем отдельно. Для воды возьмём c = 4200 Дж/(кг·°C), L = 2,3 · 10⁶ Дж/кг.
Ответ: около 22 минут, если нагреватель передаёт воде всю свою энергию.
Ошибка: считать кипение и испарение одним и тем же процессом. Их объединяет переход жидкости в пар, поэтому названия легко перепутать, но при испарении пар образуется с поверхности, а кипение идёт во всём объёме. Проверьте себя вопросом: появляются ли внутри жидкости пузырьки пара? Если да, речь идёт о кипении.
Ошибка: думать, что при кипении температура жидкости продолжает повышаться. Обычно нагревание действительно повышает температуру, поэтому это ожидание кажется естественным. Но при постоянном давлении во время кипения теплота расходуется на превращение жидкости в пар. Проверьте, полностью ли жидкость выкипела: пока нет, температура кипящей жидкости остаётся постоянной.
Ошибка: путать L с количеством теплоты Q. Удельная теплота парообразования относится к одному килограмму, а Q зависит ещё и от массы; обозначения и смысл величин легко смешать. Перед расчётом проверьте единицы: L измеряется в Дж/кг, Q — в Дж. Если масса увеличилась, нужное количество теплоты тоже увеличится.
Ошибка: применять Q = Lm для нагревания жидкости до кипения. Эта формула описывает превращение жидкости в пар при температуре кипения, а не повышение температуры. Ошибку допускают, когда рассматривают весь процесс как один этап. Разбейте его на нагревание по формуле Q = cmΔt и парообразование по формуле Q = Lm, затем сложите теплоты.
Для этой темы нужны понятия испарения, конденсации, температуры и количества теплоты. При расчётах нагревания пригодится формула Q = cmΔt, а для кипения — Q = Lm. Знание этих процессов помогает разбирать теплообмен, в котором участвуют пар и жидкость, превращающаяся обратно в жидкость при конденсации. Позже эти представления понадобятся при изучении тепловых двигателей и переноса энергии.
Чем кипение отличается от испарения?
При испарении пар образуется только с поверхности жидкости, и оно возможно при разных температурах. При кипении пар образуется во всём объёме жидкости: внутри неё возникают пузырьки, которые растут и поднимаются.
Почему во время кипения температура воды не повышается?
При постоянном давлении поступающая теплота расходуется на превращение воды в пар. Поэтому температура кипящей воды остаётся постоянной, пока жидкость не испарится.
Почему вода в горах закипает при другой температуре?
С высотой атмосферное давление обычно ниже, чем у поверхности моря. При меньшем давлении пузырьки пара могут расти при более низкой температуре, поэтому вода закипает раньше.
Что показывает удельная теплота парообразования?
Она показывает, сколько теплоты нужно, чтобы превратить 1 кг жидкости при температуре кипения в пар. Для разных веществ это значение различается.
Как найти количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар?
Нужно умножить массу жидкости на удельную теплоту парообразования: Q = Lm. Эта формула применяется, когда жидкость уже нагрета до температуры кипения.
§ 29. Кипение. Удельная теплота парообразования
