"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Парообразование — переход жидкости в газ, который происходит при испарении или кипении. Для такого перехода нужна энергия: она расходуется на ослабление притяжения между молекулами. Удельная теплота парообразования показывает, сколько энергии требуется для превращения 1 кг жидкости в пар. Главная формула темы — Q = Lm, где Q зависит от массы вещества и значения L.
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 кипении. Понятие нужно, чтобы описывать разные способы превращения жидкости в пар.
Испарение — парообразование с поверхности жидкости при любой температуре. Оно идёт тем быстрее, чем выше температура, больше площадь поверхности и сильнее движение воздуха. По этим признакам испарение отличают от кипения и объясняют, например, высыхание одежды.
Удельная теплота парообразования — величина, показывающая, какое количество теплоты нужно передать 1 кг жидкости для превращения в пар без изменения температуры. Её обозначают L и измеряют в Дж/кг. Она позволяет сравнивать, насколько много энергии требуется разным веществам.
Теплота парообразования — количество теплоты, необходимое для превращения всей данной массы жидкости в пар при определённой температуре. Её обозначают Q и измеряют в джоулях. В отличие от L, величина Q зависит не только от вещества и температуры, но и от массы.
При парообразовании молекулы жидкости должны преодолеть силы притяжения и удалиться друг от друга. На это расходуется энергия, полученная от нагревателя или окружающей среды. Поэтому при кипении температура не повышается: теплота идёт на изменение состояния вещества, а не на ускорение движения молекул.
Чем больше масса жидкости, тем больше молекул нужно отделить друг от друга. Значит, для полного превращения большей массы требуется пропорционально больше энергии. Например, если массу при тех же условиях увеличить в два раза, теплота парообразования тоже увеличится в два раза.
Удельная теплота парообразования зависит от рода вещества и температуры. Разные вещества удерживают свои молекулы с разной силой, поэтому для перехода одного килограмма в пар им нужно сообщить неодинаковую энергию. При изменении температуры меняется и значение L, поэтому в расчётах берут данные для указанной температуры.
Связь между количеством теплоты, массой и удельной теплотой выражается формулой Q = Lm. Если нужно найти удельную теплоту, формулу преобразуют: L = Q/m. Если неизвестна масса, используют m = Q/L; выбор формулы зависит от того, какая величина дана и какая требуется.
При конденсации пар превращается в жидкость, а молекулы сближаются. Энергия, которая была затрачена на их разделение при парообразовании, возвращается и выделяется в окружающую среду. Поэтому при конденсации той же массы вещества при той же температуре выделяется такое же количество теплоты, как прежде было поглощено.
В таблице собраны основные обозначения и связи между ними. Сначала определите, о каком процессе или величине говорится в задаче, затем найдите нужную формулу или смысл. Проверяйте, что масса выражена в килограммах, а энергия — в джоулях.
| Величина или процесс | Обозначение | Единица СИ | Формула или смысл |
|---|---|---|---|
| Количество теплоты при парообразовании | Q | Дж | Q = Lm |
| Масса вещества | m | кг | m = Q/L |
| Удельная теплота парообразования | L | Дж/кг | L = Q/m |
| Парообразование | — | — | Жидкость превращается в пар и поглощает теплоту |
| Конденсация | — | — | Пар превращается в жидкость и выделяет теплоту |
| Зависимость количества теплоты от массы | Q и m | — | При постоянных L и температуре Q прямо пропорционально m |
Из формулы видно: при увеличении L или m количество теплоты Q возрастает. Для конденсации используют то же числовое выражение, но говорят о выделении энергии.
Какое количество теплоты необходимо для превращения 2 кг воды при температуре кипения в пар? Удельная теплота парообразования воды L = 2,3·10⁶ Дж/кг. Известны масса и табличное значение L, поэтому требуется найти Q.
Ответ: для парообразования потребуется 4,6·10⁶ Дж теплоты.
Какая масса воды превратилась в пар, если было затрачено 4,6·10⁶ Дж теплоты? Принято L = 2,3·10⁶ Дж/кг. Здесь неизвестна масса, поэтому исходную формулу нужно преобразовать.
Ответ: в пар превратилось 2 кг воды.
При конденсации 0,5 кг водяного пара выделилось 1,15·10⁶ Дж теплоты. Какую массу воды можно испарить за счёт этой энергии? Энергия конденсации полностью передаётся воде, поэтому составляем равенство теплот.
Ответ: за счёт выделившейся энергии можно испарить 0,5 кг воды.
Используют Q = cmΔt при парообразовании. Так считают нагревание, а при кипении температура постоянна, поэтому нужна формула Q = Lm. Проверьте условие: если говорится о превращении жидкости в пар при постоянной температуре, выбирайте именно её.
Путают L и Q. Удельная теплота L относится к 1 кг вещества, а Q описывает всю данную массу. Проверка проста: у L единица Дж/кг, у Q — Дж.
Не переводят единицы. Граммы нужно разделить на 1000, а МДж перевести в Дж умножением на 10⁶. Перед вычислением запишите все данные в единицах СИ.
Считают, что при конденсации теплота поглощается. На самом деле пар отдаёт энергию и теплота выделяется. Определите направление передачи энергии: при переходе пара в жидкость тело-источник отдаёт тепло.
Для изучения темы нужны масса, количество теплоты, внутренняя энергия и формула нагревания Q = cmΔt. Она связана с испарением, кипением, конденсацией и законом сохранения энергии. Знания применяют при расчёте паровых установок и холодильников, сушке материалов и объяснении охлаждения при испарении.
Почему при кипении температура жидкости не повышается?
Получаемая теплота расходуется не на увеличение скорости движения молекул, а на преодоление их притяжения и переход в газообразное состояние. Поэтому температура кипящей жидкости остаётся постоянной, пока вся жидкость не превратится в пар.
Чем испарение отличается от кипения?
Испарение происходит только с поверхности жидкости и при любой температуре. Кипение идёт во всём объёме жидкости при определённой для данного давления температуре.
Почему для парообразования требуется больше энергии, чем для нагревания жидкости?
При нагревании энергия в основном увеличивает скорость движения молекул. При парообразовании нужно ещё значительно ослабить притяжение между молекулами и удалить их друг от друга.
Как изменится количество теплоты, если массу жидкости увеличить в два раза?
При неизменных веществе и температуре количество теплоты также увеличится в два раза. Это следует из формулы Q = Lm: количество теплоты прямо пропорционально массе.
Почему при конденсации пара выделяется теплота?
При конденсации молекулы пара сближаются и снова образуют жидкость. Энергия, затраченная ранее на их удаление друг от друга, возвращается окружающим телам в виде теплоты.
4. Удельная теплота парообразования
