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

Содержание

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

Из курса физики 8 класса известно, что вещества в обычных условиях могут иметь три агрегатных состояния: твёрдое, жидкое и газообразное. Если переход из жидкого состояния в газообразное происходит по всему объёму жидкости, такой переход называется кипением. Рассмотрим эту тему подробнее, разберём механизм этого физического явления и его особенности.

Главным отличием состояния молекул в жидкости и газе является их разная кинетическая энергия. Молекулы жидкости движутся с относительно небольшими скоростями и находятся близко друг к другу. Молекулы газа движутся значительно быстрее и находятся на больших расстояниях. Следовательно, для перехода в газообразное состояние молекулы должны получить дополнительную тепловую энергию.

Чем выше температура жидкости, тем большее количество молекул обладают скоростями, достаточными, чтобы оторваться от других молекул и перейти в газ. При некоторой температуре таких «быстрых» молекул оказывается так много, что они всё чаще оказываются рядом, и тогда их энергии хватает, чтобы образовывать пузырёк насыщенного пара внутри слоя жидкости. Пузырёк становится «центром испарения».

При этом он начинает выталкиваться вверх, по пути захватывая все больше таких быстрых молекул, и увеличиваясь в размерах. По мере роста температуры жидкости таких пузырьков с насыщенным паром становится всё больше, и при некоторой температуре весь объём жидкости заполняется такими пузырьками.

Таким образом, кипение начинается тогда, когда давление насыщенного пара сравнивается с давлением внутри жидкости. Из формулы уравнения Менделеева — Клапейрона следует, что это давление растёт с повышением температуры. Если увеличить внешнее давление, то это приведёт к увеличению давления насыщенного пара, следовательно, кипение прекратится. И наоборот, при уменьшении внешнего давления жидкость может начать кипеть даже без подвода к жидкости дополнительного тепла.

Ещё одним свойством рассматриваемого явления является то, что оно возможно лишь тогда, когда температура жидкости достигает определённой точки, называемой «температурой кипения». И в этот момент температура воды перестаёт увеличиваться, несмотря на нагревание. Происходит это потому, что все молекулы, набирающие достаточную энергию, сразу переходят в газ, по всему объёму жидкости. В жидкости остаются только более медленные молекулы с меньшей температурой. Как только эти молекулы «нагреваются», они также покидают жидкость.

Получается, что в процессе кипения вся тепловая энергия, подводимая к жидкости, тратится на образование пара, а не на нагревание жидкости. Каждый килограмм пара для образования требует некоторое количество тепловой энергии, и эта энергия называется удельной теплотой кипения, или парообразования. Для её определения используются справочные таблицы. Температура пара при этом равна температуре жидкости (для воды в нормальных условиях — 100 °С).

Поэтому невозможно довести воду до кипения при нагревании «на водяной бане». Температура в кипящей водяной бане будет равна 100 °С, и она будет такой же, как температура нагреваемой воды. Подвод дополнительного тепла к нагреваемой жидкости прекратится. А для кипения требуется дополнительное тепло. То есть нагревание на водяной бане используется тогда, когда надо максимально приблизиться к кипению жидкости, но не вскипятить её.

Кипение — это переход жидкости в газообразное состояние сразу по всему объёму жидкости. Такой переход начинается тогда, когда давление насыщенного пара сравняется с давлением внутри жидкости. Во время кипения температура жидкости не повышается потому, что всё подводимое тепло уходит на газообразование.

Детская смесь выпускается в трех формах: порошковая смесь, концентрированная жидкая смесь и готовая к употреблению (несконцентрированная) смесь. Если вы используете детскую смесь для своего ребенка, независимо от формы, строго следуйте инструкциям. Например, смесь, разбавленная слишком большим количеством воды, может вызвать серьезные проблемы со здоровьем и развитием у вашего ребенка. Также важно использовать чистую воду для
безопасный источник, свободный от бактерий или других микроорганизмов, которые могут вызывать заболевания, и с низким содержанием определенных минералов и загрязняющих веществ, которые могут быть вредными. Читайте дальше, чтобы узнать больше.

Используйте воду для приготовления концентрированной жидкой смеси и порошковой смеси, но только в соответствии с указаниями. Используйте безопасный источник воды, как это определено вашим штатом или местным правительством. Если нет известного загрязнения вашего местного источника воды, вы можете использовать
водопроводная вода для приготовления концентрированной жидкости или порошкообразной смеси. В целом, однако, лучше в первую очередь использовать безопасные
фторированную воду из-под крана и иногда используйте нефторированную бутилированную воду.

Младенцы в первые 6 месяцев после рождения не нуждаются в воде или других жидкостях, таких как соки, в дополнение к смеси или грудному молоку, если это не рекомендовано педиатром. Добавление дополнительного количества воды в смесь или соков снижает количество питательных веществ, которые получает ребенок. Это может замедлить рост и развитие. Избыток воды также нарушает баланс электролитов и минералов, таких как кальций, натрий и калий, что может привести к серьезным проблемам со здоровьем, включая судороги. Поэтому всегда смешивайте смесь в соответствии с указаниями производителя, если только специально не указано, что нужно изменить эти инструкции для детей с особыми потребностями здоровья.

Центр по контролю и профилактике заболеваний (CDC) предоставляет подробные инструкции по приготовлению детской смеси. Также ищите инструкции на этикетках банок со смесью и в других надежных источниках, включая государственные агентства WIC. Следует помнить несколько ключевых моментов:

При необходимости кипятите воду. Для младенцев в возрасте до 3 месяцев, тех, кто родился недоношенным, и тех, у кого ослаблена иммунная система, следует использовать горячую воду для приготовления смеси для уничтожения любых микробов. Сделать это,
вскипятите воду и дайте ей остыть около 5 минут . Затем добавьте его в чистую бутылку и добавьте формулу в соответствии с инструкциями на контейнере.
Охладить смесь до температуры тела. Если вы собираетесь использовать смесь, которую вы приготовили немедленно, обязательно охладите смесь до температуры тела перед тем, как кормить ребенка. Опустите подготовленную бутылку с крышкой под прохладную воду или поместите ее в ледяную баню.

Заранее проверьте подогретую воду, чтобы убедиться, что она не слишком горячая для вашего ребенка. Самый простой способ проверить температуру — капнуть несколько капель на внутреннюю сторону запястья. В противном случае можно приготовить бутылочку, добавив порошковую смесь и воду комнатной температуры из-под крана непосредственно перед кормлением. Изготовленные таким образом бутылочки из порошковой смеси могут быть готовы к кормлению, так как не потребуется дополнительное охлаждение или подогрев.

Открытый контейнер с готовой к употреблению смесью, концентрированной смесью или смесью, приготовленной из концентрированной жидкой смеси, следует накрыть крышкой, охладить и выбросить через 48 часов, если она не используется.

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.

Информация, содержащаяся на этом веб-сайте, не должна использоваться в качестве замены медицинской помощи и рекомендаций вашего педиатра. Могут быть варианты лечения, которые ваш педиатр может порекомендовать в зависимости от индивидуальных фактов и обстоятельств.

Когда дело доходит до приготовления смеси, одна из самых запутанных частей связана с водой, которую вы используете. Какой тип вы можете использовать? Нужно ли варить? Многие ответы зависят от вашего ребенка, предпочтений вашей семьи и даже района, в котором вы живете.

Если в вашем городе есть безопасная питьевая вода с низким содержанием загрязняющих веществ, таких как свинец, то обычно безопасно использовать холодную питьевую воду для приготовления смеси. ^{1, 2} Однако, если вы живете в старом доме со свинцовыми трубами, спросите педиатра вашего ребенка, как лучше всего действовать.

Если вы живете в месте, где используется колодезная вода, важно проверить ее на нитраты, прежде чем использовать ее для приготовления смеси. Нитраты естественным образом встречаются в растениях и азотсодержащих удобрениях и обычно нетоксичны. ³ Проблема в том, что организм превращает нитраты в нитриты, которые в больших количествах могут быть опасны для младенцев. ⁴

Если тесты показывают высокое содержание нитратов в колодезной воде, может быть важно использовать бутилированную, городскую/городскую воду или воду из детского сада для приготовления пищи и смеси для вашего малыша. ³

Некоторые виды бутилированной воды — это водопроводная (муниципальная) вода. ⁹ Как и городская водопроводная вода, бутилированная водопроводная вода требует обработки, хотя важно помнить, что она может содержать фтор. Чтобы узнать, является ли вода в бутылках, которую вы выбираете, водопроводной или из другого источника (колодезной, родниковой или минеральной), найдите на бутылке следующие надписи: «Из коммунальной системы водоснабжения» или «из муниципального источника». ¹ ⁰

В большинстве городов и поселков в воду добавляют фтор. Это очень хорошо для растущих зубов ребенка. ⁵ Однако молочные смеси также содержат фтор, что может привести к несколько повышенному риску флюороза молока или белых отметин на зубах. ⁶

Важно отметить, что сухая детская смесь нестерильна; есть небольшой шанс, что он может содержать редкие, но опасные бактерии, называемые кронобактериями. ^{7, 8} В связи с этим некоторые организации, такие как Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) и Центры по контролю и профилактике заболеваний (CDC), рекомендуют рассмотреть возможность использования дополнительных мер предосторожности при выдаче сухих смесей младенцам из группы повышенного риска заражения, преждевременно рожденным и /или моложе 3 месяцев. ^{7, 8}

Если ваш малыш новорожденный и/или подвергается повышенному риску заражения, ваш педиатр может порекомендовать кипячение воды для более безопасного приготовления порошковой смеси. Кипячение воды, а затем добавление в нее порошка, пока она еще горячая, поможет убить кронобактерии и другие микробы. ⁷ ^, ⁸ Если вы используете этот метод, будьте осторожны, чтобы не обжечься при работе с горячей водой!

Дайте воде остыть не менее чем до 158 градусов F (70 градусов C) перед тем, как наливать ее в бутылку. Слегка охладив воду, вы предотвратите слипание смеси, а также разрушите деликатные питательные вещества, такие как витамин С.

Если вы планируете использовать формулу сразу, охладите ее под струей холодной воды или поместите в ванну с ледяной водой до тех пор, пока формула не станет температурой тела. Всегда проверяйте температуру, нанося несколько капель на запястье, прежде чем давать ребенку.

Если вы не уверены, какой тип воды использовать при приготовлении смеси, или нужно кипятить воду или нет, позвоните педиатру. Они лучше всех знают вашего ребенка и могут помочь вам определить наилучший способ приготовления смеси.

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

Физика. 8 класс. Барьяхтар

Кипение – кратко тема об удельной теплоте, формула для воды и определение явления (8 класс)

Кипение жидкости

Свойства кипения

Что мы узнали?

Тест по теме

Оценка доклада

Как безопасно приготовить детскую смесь с водой

Возраст и этапы

Когда добавлять воду и в каком количестве

Неконцентрированная, готовая к употреблению смесь

Концентрированная жидкая смесь и порошковая смесь

Как смешать сухую смесь и воду для приготовления бутылочки

Как долго бутылка со смесью годна после ее приготовления?

Дополнительная информация

О докторе Абрамсе

Какой тип воды следует использовать?