Удельное парообразование воды: Удельная теплота парообразования. Формула, калькулятор и таблица.

Удельная теплота парообразования и конденсации

Мы знаем, что для поддержания постоянной температуры испаряющейся жидкости необходимо к жидкости подводить определенное количество теплоты.

Кипение, как мы видели, есть тоже испарение, только сопровождается оно быстрыми образованием и ростом пузырьков пара. Очевидно, что во время кипения необходимо подводить к жидкости определенное количество теплоты. Это количество теплоты идет на образование пара.

Количество теплоты, необходимое для обращения в пар жидкости массой 1 кг без изменения температуры, называют удельной теплотой парообразования.

Удельную теплоту парообразования обозначают буквой L и измеряют в Дж/кг.

Опытами установлено, что удельная теплота парообразования воды при 100°С равна 2,3•10⁶, иными словами, для превращения воды массой 1 кг в пар при температуре 100°С требуется 2,3•10⁶ Дж энергии. Удельная теплота парообразования показывает, насколько увеличивается внутренняя энергия вещества массой 1 кг при переходе его из жидкого состояния в пар без изменения температуры.

Так энергия водяного пара массой 1 кг при температуре 100°С на 2,3•10⁶ Дж больше энергии воды массой 1 кг при той же температуре 100 °С; энергия пара спирта массой 1 кг при температуре 78°С на 0,9•10⁶ Дж больше энергии жидкого спирта массой 1 кг при той же температуре 78°С и т. д.

Соприкасаясь с холодным предметом (рис. 202), водяной пар конденсируется, при этом выделяется энергия, поглощенная при образовании пара. Точные опыты показывают, что, конденсируясь, пар отдает то количество энергии, которое пошло на его образование.

Следовательно, при превращении 1 кг водяного пара при температуре 100°С в воду той же температуры выделяется 2,3•10⁶ Дж. Как видно из сравнения с другими веществами (см. табл. 11), эта энергия довольно велика.

Освобождающаяся при конденсации пара энергия может быть использована. На крупных тепловых электростанциях отработавшим в турбинах паром нагревают воду. Нагретую таким образом воду используют для отопления зданий, в банях, прачечных и для других бытовых нужд.

Вопросы.

1. На что расходуется энергия, подводимая к жидкости при кипении?
2. Что называют удельной теплотой парообразования?
3. Как понимать, что удельная теплота парообразования воды равна 2,3•10⁶ Дж/кг?
4. На сколько внутренняя энергия 1 кг водяного пара при 100°С больше внутренней энергии 1 кг воды при той же температуре?
5. Как можно показать на опыте, что при конденсации пара выделяется энергия?
6. Чему равна энергия, выделяемая при конденсации 1 кг водяного пара?
7. Где в технике используют выделение энергии при конденсации водяного пара?

Метки: внутренняя энергияколичество теплотыколичество энергииконденсацияпарпарообразованиетеплотеплотаудельная теплотаэнергия

Парообразование воды: формура, физика процесса

Автор Исаев Виктор Алексеевич На чтение 4 мин Опубликовано 15.04. 2020

В мире столько всего, на первый взгляд, привычного, о чем многие из нас даже не задумываются и не пытаются глубже проникнуть в происходящие процессы.

Например, парообразование. Оно окружает нас повсюду – и в бытовой жизни, и в природе. Пар исходит от стоящего на плите борща, от вскипающего чайника, пар идет изо рта при низкой атмосферной температуре.

Испарение происходит на поверхности горячего источника

Попытаемся подробнее остановиться на процессе образования пара и выяснить, в чем определяется удельная теплота парообразования воды и что она показывает.

Содержание

1. Физика процесса
2. Образование пара при кипении
3. Формула

Переход вещества из жидкого состояния в парообразное в физике называется парообразованием.

Обратный процесс перехода из газообразного состояния в твёрдое или жидкое, называется конденсация. Например, скопление облаков или наступающий туман.

Выделяют два вида парообразования:

• испарение;
• кипение.

В первом случае необходимо достичь порога температуры плавления, преодолев его. А при кипении у каждого жидкого вещества своя определенная температура, до достижении которой образуется пар.

Область парообразования в этих случаях тоже отличается.

1. При испарении пар образуется со свободной поверхности, которая граничит с окружающими ее газами – кислородом и др.
2. При кипении образование пара происходит со всего объема жидкости.

Образование пара при кипении

Для наглядности посмотрим, как же образуется пар при кипении на рисунке № 1.

Пузырьки пара образуются во всем объеме жидкости, поднимаются на её поверхность и лопаются, высвобождая горячий пар в в воздух.

Когда вода кипятится, ей передается некоторое количество теплоты, благодаря чему у молекул воды увеличивается внутренняя энергия. Это приводит к тому, что эти молекулы беспорядочно движутся и сталкиваются друг с другом, за счет чего вода закипает.

Пар выделяется в растворенных газах, которые есть в воде. Именно пар как раз и находится в тех пузырьках, которые образуются при кипячении.

Пузырек лопается, чтобы высвободить постоянно увеличивающийся пар. Все это происходит под привыкший для всех нас звук бурления. Но многие пузырьки лопаются внутри воды, не успевая достичь свободной поверхности.

Формула

Физические процессы основаны на формулах. Не является исключением и парообразование.

Если величина будет показывать, сколько теплоты (дж) нужно для обращения жидкости (кг) в пар при испарении при указанной температуре в отсутствие ее изменения, тогда она будет называться удельной теплотой парообразования и конденсации. Обозначается она как L и при расчете используется формула:

L=Q/m

Q – теплота, затраченная на превращение пара в жидкость

m – масса

Удельная теплота парообразования при различных температурах будет отличаться. Например, при достижении температуры кипения это значение будет самым низким.

Эта величина имеет особое значение во многих сферах производства, например при производстве металлов.

Выяснилось, что когда плавится железо, после его повторного затвердевания возникшая кристаллическая решетка оказывается намного прочнее предыдущей.

Определить удельную теплоту возможно только путем эксперимента, а ее основные значения уже давно установлены. Например, для спирта это 0,9*106, а для воды 2,3*106.

Изменяется удельная теплота парообразования воды и в зависимости от давления. Здесь наблюдается как раз обратная зависимость – когда давление воды увеличивается, снижается значение удельной теплоты парообразования.

При атмосферном давлении в 760 мм рт. ст. удельная теплота парообразования равна 2258 кДж/кг.

От давления зависит также и температура кипения воды – она уменьшается при понижении давления и, наоборот, увеличивается при его повышении, и может достичь своего максимального значения 374,15 °С.

Характерным примером может явиться покорение альпинистами высоких гор.

На особых высотах (более 3000 м) из-за пониженного атмосферного давления, уменьшается и температура кипения воды (до 90°С), что усложняет процесс приготовления еды, поскольку требуется больше времени, чтобы произвести термическую обработку пищи.

А на более высоких местностях (около 7000 м.) готовить еду становится практически невозможно из-за падения температуры кипения до 50 °С.

При рассмотрении температуры воды необходимо упомянуть еще одну физическую величину – удельную теплоемкость. Она равняется количеству теплоты, необходимому для передачи единичной массе вещества, чтобы изменить его температуру на единицу.

Если теплота не сопровождается изменением температуры при изменении своего состояния, такая теплота называется скрытой. Скрытая теплота может наблюдаться как раз при парообразовании.

Она также отличается при разных жидкостях и изменяется в зависимости от давления.

При увеличении атмосферного давления и как следствие увеличении температуры жидкости, уменьшается скрытая теплота парообразования.

Удельная скрытая теплота парообразования

Удельная скрытая теплота парообразования (энтальпия парообразования) – это количество теплоты, необходимое для испарения жидкого вещества!

• 1 Процесс испарения
• 2 Экспериментальное определение тепла испаривания
  • 2.1 Экспериментальная установка
  • 2,2 Наблюдение
  • 2,3 Оценка
  • 2,4 Заключение
• 3 Специфические нагрева0008

Процесс парообразования

Если жидкость нагревается все больше и больше, то в какой-то момент достигается точка кипения. В этот момент состояние вещества меняется, и жидкость, наконец, начинает испаряться (это также называется кипением). При парообразовании для чистых веществ не наблюдается дальнейшего повышения температуры, несмотря на продолжающийся подвод тепловой энергии. Во время испарения энергия, очевидно, больше не способствует увеличению кинетической энергии молекул, что в противном случае означало бы повышение температуры (см. Также статью Температура и движение частиц).

Рисунок: Испарение воды в кастрюле на плитке

При испарении переданная энергия приводит к увеличению внутренней энергии в виде изменения энергий связи между молекулами в жидком и газообразном состоянии. Межмолекулярные связи в жидком состоянии разрываются добавочной тепловой энергией, что позволяет перейти в газообразное состояние. В газообразном состоянии молекулы относительно слабо связаны друг с другом из-за более низких сил связи.

Рисунок: Изменение внутренней энергии из-за подвода теплоты парообразования

Во время парообразования необходимо добавить энергию для разрыва межмолекулярных связей. В случае чистых веществ температура жидкости остается постоянной до завершения процесса парообразования!

Более подробную информацию об этом также можно найти в статье Почему температура остается постоянной при изменении состояния (фазовом переходе)?

Тот факт, что для разрыва межмолекулярных связей необходимо постоянно подводить тепло, очевиден, например, при кипении воды. Если в кастрюле кипятить воду, вода испаряется только до тех пор, пока конфорка остается включенной. Однако, если подача тепла прерывается, вода также перестает кипеть.

Возникает вопрос, какое количество теплоты необходимо добавить, чтобы полностью испарить определенное количество жидкости. Теплота, необходимая для этого, также называется теплотой парообразования или энтальпией парообразования . Эта теплота парообразования не включает количество теплоты, необходимое для нагревания жидкости до точки кипения. Таким образом, теплота парообразования включает только тепловую энергию, которая должна быть добавлена ​​во время парообразования, если жидкость уже нагрета до температуры кипения.

Теплота парообразования (энтальпия парообразования) – это тепловая энергия, которую необходимо сообщить жидкости при температуре ее кипения, чтобы полностью испарить определенное количество вещества!

Разницу между терминами теплота и энтальпия см. в статье Разница между скрытой теплотой парообразования и энтальпией парообразования.

Поскольку теплота парообразования, присоединяемая при парообразовании, непосредственно не заметна в повышении температуры, но тем не менее может быть обнаружена в испаряемом веществе в виде внутренней энергии, теплота парообразования также обозначается как скрытая теплота . Термин «латентный» происходит от латинского и означает «быть скрытым» или «не проявляться прямо».

Экспериментальное определение теплоты парообразования

Экспериментальная установка

Используя воду в качестве примера, теплота парообразования, необходимая для испарения определенного количества воды, должна быть определена экспериментально ниже. Для этого воду сначала нагревают до температуры кипения с помощью погружного нагревателя. Затем с помощью весов, на которых размещена экспериментальная установка, наблюдают за испарением водной массы во времени.

Рис.: Эксперимент по определению удельной теплоты парообразования (энтальпии парообразования) воды

Добавочную теплоту парообразования можно определить по электрической мощности погружного нагревателя, которая полностью преобразуется в тепло. Тепловая энергия Q _v (= теплота парообразования), добавляемая при мощности P, получается за время работы t погружного нагревателя по следующей формуле:

\begin{align}
\label{q}
Q_ \text{v} = P \cdot t \\[5px]
\end{align}

Наблюдение

Сначала вода нагревается до температуры кипения с помощью погружного нагревателя. Когда вода начнет испаряться, эксперимент можно будет начать в любой момент. Для этого весы обнуляются и запускается отсчет времени. Вода постепенно испаряется, и испарившаяся масса отображается на весах. Через равные промежутки времени записывается отображаемая масса весов. В каждый момент времени t добавленная теплота парообразования Q _v до этого момента можно определить по формуле (\ref{q}). Таким образом, можно получить утверждение, какое количество теплоты привело к испарению массы m _v .

Анимация: Эксперимент по определению удельной теплоты парообразования (энтальпии парообразования) воды

Оценка

Если изобразить зависимость испаряемой массы от присоединенного тепла, то пропорциональная зависимость становится очевидной. Это означает, что для того, чтобы испарить в два раза больше воды, необходимо добавить в два раза больше тепла. Оценка экспериментальных данных показывает, что для парообразования 48 г воды необходимо около 120 кДж теплоты. При подведенной тепловой энергии около 240 кДж, что вдвое превышает массу воды 9Затем 6 г окончательно испарились.

Рисунок: Оценка для определения удельной теплоты испарения воды (энтальпии парообразования)

Особенно в отношении сравнимости теплот парообразования различных жидкостей, поэтому имеет смысл всегда соотносить теплоты парообразования Q _и с стандартизированное количество испаряемой массы (например, 1 килограмм или 1 грамм). Это постоянное отношение между теплотой парообразования и испаряемой массой m _v называется 9.0029 удельная теплота парообразования или удельная энтальпия парообразования q _v :

\begin{align}
&\boxed{q_\text{v} = \frac{Q_\text{v}}{m_\ text{v}}}~~~[q_\text{v}]=\frac{\text{J}}{\text{kg}}~~~~~\text{удельная теплота парообразования} \\[ 5px]
\end{align}

Из эксперимента окончательно получена удельная теплота парообразования воды около 2500 кДж/кг. Это означает, что для испарения 1 кг воды требуется 2500 кДж теплоты. Однако при экспериментально определенной теплоте испарения с использованием описанной экспериментальной установки следует отметить, что тепло, выделяемое погружным нагревателем, не полностью способствует испарению воды. Часть тепла также используется для нагрева сосуда и, таким образом, передается в окружающую среду. Следовательно, для испарения воды используется меньшее количество тепла, чем рассчитано по формуле (\ref{q}). Поэтому литературное значение удельной теплоты парообразования воды несколько ниже и составляет 2257 кДж/кг.

Рисунок: Влияние тепловых потерь на определение удельной скрытой теплоты парообразования

Удельная теплота парообразования – это теплота парообразования, которую необходимо добавить на единицу массы испаряемой жидкости!

Заключение

Удельная теплота парообразования q _v описывает соотношение между испаряемой массой m _v и добавляемой для этого теплотой парообразования Q _v :

\begin{align}
&\boxed{Q_\text{v} = q_\text{v} \cdot m_\text{v}} ~~~\text{теплота парообразования} \\[5px]
\end{align}

В случае воды теплота парообразования, которую необходимо добавить, более чем в пять раз превышает количество теплоты, которое необходимо было бы использовать для нагревания воды от 0 °C до 100°C. °С. Эта относительно большая теплота парообразования является одной из причин, по которой огонь превосходно тушит вода.

Удельная теплота парообразования отдельных веществ

Если описанный выше опыт проводить с водно-спиртовой смесью или с другими жидкостями вместо чистой воды (например, с расплавленными металлами, которые испаряются), можно увидеть, что эти вещества испаряются по разным тарифам. Следовательно, для испарения данной массы вещества требуется больше или меньше тепловой энергии. Следовательно, удельная теплота парообразования зависит от вещества.

Рисунок: Удельная теплота парообразования отдельных веществ

Чем больше удельная теплота парообразования вещества, тем больше тепла требуется для парообразования данной массы. Поэтому вещества с большой удельной теплотой парообразования испаряются не так быстро. В таблице ниже показаны удельные теплоты парообразования выбранных жидкостей.

Следует отметить, что на удельную теплоту парообразования косвенно влияет атмосферное давление, так как оно изменяет температуры кипения (см. также статью Почему на больших высотах вода закипает быстрее?)! Однако, поскольку большинство жидкостей испаряются при окружающем давлении 1 бар, удельная теплота парообразования обычно относится к температуре кипения при 1 бар.

Note that the temperature of not all liquids remains constant during vaporization! Например, нефть как смесь различных веществ испаряется не при температуре кипения, а в пределах интервала кипения. В случае нефти этот диапазон кипения составляет от 180 ° C до 330 ° C. Таким образом, тепло, добавляемое во время фазового перехода, используется как для повышения температуры, так и для запуска испарения. Поэтому невозможно точно определить, какая часть подведенного тепла используется для повышения температуры или для испарения. Следовательно, такой смеси веществ нельзя приписать никакой (удельной) теплоты парообразования. Как правило, такая область кипения имеет место для смесей веществ, тогда как чистые вещества обычно имеют температуру кипения.

Теплота парообразования – определение, уравнение и тест

Теплота парообразования Определение

Также известная как энтальпия парообразования, теплота парообразования (∆H _vap ) определяется количеством энтальпии (тепловой энергии), которое требуется для превращения жидкого вещества в газ или пар. Он измеряется в джоулях на моль (Дж/моль) или иногда в калориях (C).

Теплота парообразования Объяснение

Теплота парообразования всегда имеет положительное значение, поскольку энтальпия всегда добавляется к системе для испарения жидкости. По мере того, как молекулы приобретают большую кинетическую энергию, они с большей вероятностью отделяются от жидкости и превращаются в газ.

Требуемое увеличение внутренней энергии можно описать как энергию, необходимую для разрыва межмолекулярных взаимодействий в жидкости. Чем слабее связь между атомами, тем меньше энергии требуется для разрыва этих связей.

Количество необходимой энергии зависит от давления, при котором происходит превращение, и зависит от температуры. Чем горячее уже жидкость, тем меньше энергии требуется. При более высоком давлении требуется больше энергии. Существует критическая температура, при которой теплота парообразования исчезает (T _r = 1). После этой критической температуры вещество не различимо ни как жидкость, ни как пар. Вместо этого он становится известен как сверхкритическая жидкость .

В растворе, содержащем как жидкое, так и газообразное состояние, кинетическая энергия пара выше, чем у жидкости, потому что частицы пара могут течь легче. Повышенное движение частиц газа по сравнению с частицами жидкости создает тепло и давление.

Теплота испарения Формула

Очень простое уравнение для расчета теплоты испарения:

ΔH _пар = H _пар – H _{жидкость}

2 паровой фазы по сравнению с жидкой фазой.

Однако это уравнение не учитывает дополнительную энергию, необходимую для того, чтобы частицы газа отталкивались от атмосферного давления, чтобы обеспечить увеличение объема при кипении жидкости.

Следовательно, более полное уравнение для расчета теплоты парообразования: жидкая фаза (ΔU _пар = H _пар – H _{жидкость} ), а pΔV — работа, совершаемая против атмосферного давления.

Теплота испарения воды

Вода имеет высокую удельную теплоемкость . Это измерение описывает количество энергии, необходимое для повышения температуры воды на 1 градус Цельсия. Таким образом, вода также имеет высокую теплоту парообразования. Фактически, для испарения воды требуется более 40 000 Дж на моль. Это чрезвычайно важно для жизни на Земле.

Поскольку большая часть Земли состоит из воды, большие изменения в количестве получаемой Землей солнечной энергии противодействуют воде. Вода медленно поглощает тепло и отдает тепло, когда мало солнца. Это помогает противостоять резким изменениям температуры, которые могут иметь разрушительные последствия для жизни. Для сравнения, если бы мир состоял в основном из этанола, температура колебалась бы быстро, потому что этанол имеет гораздо более низкую теплоту испарения и удельную теплоемкость.

Однако такая высокая теплота парообразования может не соответствовать задаче регулирования температуры перед лицом действий человека. Изменение климата и, в частности, глобальное потепление, сильно нагревают атмосферу. Хотя океан может поглотить большую часть этого тепла, у него есть пределы. Далее, по мере того как океан поглощает тепло, молекулы расширяются. Это расширение приведет к большей части наводнений, которые в настоящее время оцениваются учеными-климатологами.

Различия в теплоте парообразования

Основное влияние на теплоту парообразования оказывают взаимодействия между молекулами в растворе. В жидкости молекулы движутся мимо друг друга, но постоянно взаимодействуют. Некоторые образуют водородных связей , в то время как другие вещества образуют другие типы мягких связей между молекулами. Эти связи содержат энергию и удерживают жидкость в более низком энергетическом состоянии. Теплота парообразования описывает, сколько энергии необходимо для разделения этих связей.

Вода имеет высокую теплоту парообразования, поскольку между кислородом одной молекулы и водородом других молекул легко образуются водородные связи. Эти связи удерживают молекулы вместе. Чтобы заставить воду испаряться, вы должны повысить температуру, чтобы молекулы двигались быстрее. В определенный момент молекулы начнут отрываться от жидкости и испаряться.

Металлы имеют еще более высокую теплоту парообразования. Многие металлы образуют сложные взаимодействия с атомами других металлов. Это удерживает молекулы вместе еще крепче, чем молекулы воды. Таким образом, теплота испарения металлов намного выше, чем у воды.

Тест

1. Какую стоимость всегда имеет теплота парообразования?

A. Нейтральный

B. Положительный

C. Отрицательный

D. Ни один из этих ответов

2. Жидкость. чему равна теплота парообразования?

A. 10 Дж/моль

B. 20 Дж/моль

C. 30 Дж/моль

D. 40 Дж/моль

3. Теплота парообразования рассчитывается ______________.

A. Количество тепла, которое необходимо выделить из вещества в окружающую среду.

B. Количество тепла, которое необходимо передать веществу из окружающей среды.

C. Разница в объеме между жидким и газообразным состояниями вещества.