Формула кипения воды: Кипение — урок. Физика, 8 класс.

Кипение. Удельная теплота парообразования — Физика. 8 класс. Барьяхтар

Физика. 8 класс. Барьяхтар

До какой температуры можно нагреть воду? Есть ли смысл увеличивать мощность нагревателя, чтобы ускорить приготовление еды? Как закипятить воду с помощью снега? На все эти вопросы вы сможете ответить после изучения данного параграфа.

1. Знакомимся с процессом кипения

Проведем эксперимент. Закрепим колбу с водой в лапке штатива. Плотно закупорим колбу пробкой с двумя отверстиями. В одно отверстие поместим трубку для выхода пара, во второе — термометр (рис. 14.1). Начнем нагревать воду в колбе.

Рис. 14.1. Устройство для наблюдения и изучения процесса кипения жидкости: 1 — стеклянная колба; 2 — резиновая пробка с отверстиями; 3 — трубка для отвода водяного пара; 4 — термометр

Через некоторое время дно и стенки колбы покроются пузырьками (рис. 14.2, а), образованными водяным паром и растворенными в воде газами*. Дело в том, что с увеличением температуры растворимость газов уменьшается, и «лишний» газ выделяется внутрь пузырьков. С увеличением температуры давление газов в пузырьках повышается, и как только оно превысит внешнее давление, пузырьки начинают расти.

* На самом деле микропузырьки газа в жидкости есть всегда, но заметными они становятся только при достаточно высокой температуре.

Рис. 14.2. Наблюдение процесса закипания воды

После достижения каждым пузырьком определенного объема архимедова сила отрывает пузырек от дна сосуда и он поднимается (рис. 14.2, б). На местах оторвавшихся пузырьков остается небольшое количество газа — зародыши новых пузырьков.

Верхние слои воды некоторое время холоднее нижних, поэтому в верхних слоях водяной пар в пузырьках конденсируется и пузырьки резко уменьшаются в объеме — схлопываются. Процесс сопровождается шумом и образованием многочисленных мелких пузырьков. Вода становится мутной — говорят, что она «кипит белым ключом».

Когда вся жидкость прогреется (температуры верхних и нижних слоев сравняются), пузырьки, поднимаясь, уже не будут уменьшаться в объеме, а наоборот, будут увеличиваться, ведь внутрь пузырьков активно испаряется вода (рис. 14.2, в). Достигая поверхности воды, пузырьки лопаются и выбрасывают наружу значительное количество водяного пара (рис. 14.2, г). Вода при этом бурлит и клокочет — мы говорим, что она закипела. Термометр в этот момент показывает 100 °C.

Кипение — это процесс парообразования, происходящий во всем объеме жидкости и сопровождающийся образованием и ростом пузырьков пара.

2. Выясняем, от чего зависит температура кипения

Продолжим эксперимент (см. пункт 1). Будем нагревать уже кипящую воду и наблюдать за показаниями термометра. Увидим, что столбик термометра застыл на отметке 100 °C. Следовательно, во время кипения температура жидкости не изменяется.

Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения.

Рис. 14.3. К вопросу в § 14

• Почему после закипания жидкости во время приготовления еды (рис. 14.3) целесообразно уменьшить мощность нагревателя?

Выясним, от чего зависит температура кипения жидкости. Для начала уменьшим выход пара из колбы, крепко зажав трубку, отводящую пар (рис. 14.4). Пар будет собираться над поверхностью воды, давление над жидкостью увеличится, кипение на некоторое время прекратится, а температура жидкости начнет повышаться. Следовательно, с увеличением внешнего давления температура кипения жидкости возрастает (рис. 14.5).

Рис. 14.4. Если зажать трубку для отведения пара, давление в колбе увеличивается, и это приводит к повышению температуры кипения жидкости

Рис. 14.5. Кастрюля-скороварка: благодаря клапанам и герметичной крышке поддерживается высокое давление в пространстве над жидкостью, поэтому температура кипения воды в такой кастрюле около 120 °C

Если в колбу налить теплую воду и насосом начать откачивать из колбы воздух, спустя некоторое время на внутренней поверхности колбы появятся пузырьки газа. Если продолжать откачивать воздух, вода закипит, но уже при температуре ниже 100 °C (рис. 14.6). С уменьшением внешнего давления температура кипения жидкости снижается.

Рис. 14.6. Наблюдение снижения температуры кипения воды при уменьшении внешнего давления

Наблюдая кипение других жидкостей, например спирта, масла, эфира, можно заметить, что при одинаковом давлении они кипят при разных температурах, которые отличаются от температуры кипения воды. То есть температура кипения зависит от рода жидкости. О температуре кипения некоторых жидкостей при нормальном атмосферном давлении вы можете узнать из табл. 4 Приложения.

Температура кипения зависит также от наличия в жидкости растворенного газа. Если долго кипятить воду и таким образом удалить растворенный в ней газ, то повторно при нормальном давлении эту воду можно нагреть до температуры, превышающей 100 °C. Такую воду называют перегретой*.

* Аналогично при отсутствии центров кристаллизации можно получить переохлажденную воду, температура которой меньше 0 °C.

3. Вводим понятие удельной теплоты парообразования

Кипение — это переход жидкости в пар, и этот процесс идет с поглощением энергии. Поэтому для поддержания кипения к жидкости необходимо подводить тепло. Эта энергия идет на разрыв межмолекулярных связей и парообразование.

Опыты показывают: количество теплоты, необходимое для перевода жидкости в пар, зависит от рода жидкости.

Удельная теплота парообразования — это физическая величина, характеризующая данное вещество и равная количеству теплоты, которую необходимо передать жидкости массой 1 кг, чтобы при неизменной температуре перевести ее в пар.

Удельную теплоту парообразования обозначают символом r** и вычисляют по формуле:

где Q — количество теплоты, полученное жидкостью; m — масса образовавшегося пара.

** Для обозначения удельной теплоты парообразования используют также символ L.

Из формулы для определения удельной теплоты парообразования получаем единицу этой величины в СИ — джоуль на килограмм:

Удельную теплоту парообразования определяют опытным путем (рис. 14.7) и заносят в таблицы (см. табл. 5 Приложения).

Рис. 14.7. Опыт по определению удельной теплоты парообразования воды (см. задачу 2 в пункте 5 § 14)

4. Вычисляем количество теплоты, необходимое для парообразования или выделяющееся при конденсации

Чтобы вычислить количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар при неизменной температуре, нужно удельную теплоту парообразования данной жидкости умножить на ее массу:

Q = rm,

Если перед трубкой для отведения пара поместить холодный предмет, то пар будет конденсироваться на нем (рис. 14.8). Точные измерения показывают, что при конденсации пара выделяется такое же количество теплоты, какое было затрачено на образование этого пара.

Рис. 14.8. Опыт, демонстрирующий конденсацию пара

5. Учимся решать задачи

Задача 1. Какое количество теплоты необходимо для того, чтобы довести до кипения и полностью испарить 3 кг воды, взятой при температуре 0 °C?

Анализ физической проблемы. Построим схематический график зависимости температуры воды от времени нагревания (рис. 14.9).

Рис. 14.9. К задаче 1 в § 14

В первый момент температура воды (t0) была 0 °C — точка О на графике. В ходе нагревания температура воды будет увеличиваться прямо пропорционально количеству полученной теплоты Q1, а значит, и времени нагревания (участок ОА).

Достигнув температуры кипения, то есть 100 °C, вода закипит, и ее температура не будет изменяться до тех пор, пока вода полностью не испарится (участок АВ графика). Вода при этом получает некоторое количество теплоты Q2. Удельную теплоемкость с воды и удельную теплоту парообразования r найдем соответственно в табл. 1 и 5 Приложения.

Задача 2. Во время опыта по определению удельной теплоты парообразования воды водяной пар, имеющий температуру 100 °C, поступал в калориметр, в котором находилось 500 г воды при температуре 20 °C (см. рис. 14. 7). После окончания опыта температура воды в калориметре достигла 50 °C, а ее масса увеличилась на 25 г. По данным опыта вычислите удельную теплоту парообразования воды. Считайте, что теплообмен воды с калориметром и окружающей средой отсутствует.

Подводим итоги

Процесс парообразования, происходящий во всем объеме жидкости и сопровождающийся образованием и ростом пузырьков пара, называют кипением.

Температура кипения жидкости зависит от внешнего давления, рода жидкости и наличия растворенных в жидкости газов.

Удельная теплота парообразования — физическая величина, характеризующая данное вещество и равная количеству теплоты, которую необходимо передать жидкости массой 1 кг, чтобы при неизменной температуре перевести ее в пар.

Количество теплоты, необходимое для перевода жидкости в пар, равно количеству теплоты, которое выделяется при конденсации этого пара. Данное количество теплоты вычисляют по формуле Q = rm.

Контрольные вопросы

1. Что такое кипение? 2. Какие явления наблюдаются в жидкости перед тем, как она начинает кипеть? 3. Какая сила «заставляет» пузырек газа подниматься на поверхность жидкости? 4. Изменяется ли температура жидкости во время кипения? 5. От каких факторов зависит температура кипения жидкости? 6. На что тратится энергия, которую поглощает жидкость во время кипения? 7. Что называют удельной теплотой парообразования? 8. По какой формуле можно вычислить количество теплоты, которое поглощается при парообразовании или выделяется при конденсации?

Упражнение № 14

1. Известно, что температура кипения воды на вершине горы Эверест около 70 °C. Как вы думаете, почему?

2. Удельная теплота парообразования воды равна 2,3 МДж/кг. Что это означает?

3. Какое количество теплоты необходимо передать воде массой 10 кг, взятой при температуре кипения, чтобы перевести ее в пар?

4. Почему ожог паром опаснее, чем ожог кипятком?

5. На сколько увеличится внутренняя энергия 10 кг льда, взятого при температуре 0 °C, в результате превращения его в пар, имеющий температуру 100 °C?

6. В кипящую воду погружена открытая колба с водой. Кипит ли вода в колбе?

7. Воспользовавшись дополнительными источниками информации, узнайте о практическом применении кипения.

Экспериментальные задания

1. В прозрачную стеклянную бутылку осторожно налейте небольшое количество горячей воды. Покачайте воду в бутылке, увеличивая таким образом площадь свободной поверхности воды, а значит, и скорость испарения. Образовавшийся пар вытеснит из бутылки часть воздуха. Плотно закупорьте бутылку, переверните и охладите ее дно с помощью холодной воды или снега. Вода в бутылке закипит. Объясните наблюдаемое явление.

2. Возьмите одноразовый шприц без иглы и наполовину заполните его теплой водой. Плотно закройте отверстие пальцем. Медленно тяните поршень и наблюдайте за кипением воды (см. рисунок). Объясните наблюдаемое явление.

Видеоопыт. Посмотрите видеоролик и объясните наблюдаемое явление.

Попередня

Сторінка

Наступна

Сторінка

О докторе Абрамсе

Стивен А. Абрамс, доктор медицины, FAAP, сертифицированный педиатр и профессор педиатрии Техасского университета в Остине. В Американской академии педиатрии он в прошлом был председателем Национального комитета по питанию. Доктор Абрамс также работал в Консультативном комитете по диетологии Министерства сельского хозяйства США.