Твердые кристаллические вещества переходят в жидкое состояние посредством плавления. Чтобы расплавить вещество, необходимо сообщить ему некоторое количество теплоты. И, наоборот, при кристаллизации (переходе жидкости в твердое состояние) энергия выделяется в окружающую среду.
Проведем аналогию с переходом жидкости в пар. Этот переход может быть осуществлен двумя способами: испарением или кипением. Кипение является тем же испарением, но более интенсивным. Очевидно, что для того, чтобы происходил процесс кипения, жидкости необходимо сообщать какое-то количество теплоты. Это количество теплоты будет идти на образование пара.
На данном уроке мы познакомимся с новым определением — удельной теплотой парообразования и конденсации. Вы узнаете формулу для расчета количества теплоты, необходимого для парообразования жидкости и научитесь ею пользоваться.
Удельная теплота парообразования
Вы уже знаете, что кипение происходит при определенной для каждой жидкости температуре. Количество теплоты, которое потребуется сообщить этим жидкостям одинаковой массы для превращения их в пар тоже будет различно.
Опытным путем было выяснено следующее. Если мы возьмем воду массой $1 space кг$ при температуре $100 degree C$, то нам потребуется затратить $2.3 cdot 10^6 space Дж$ энергии для полного превращения этой воды в пар.
Температура кипения во время всего процесса остается постоянной. Следовательно, нам необходимо подводить к кипящей жидкости определенное количество теплоты. Для воды это энергия в $2.3 cdot 10^6 space Дж$.
Удельная теплота парообразования — это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой $1 space кг$ в пар без изменения температуры.
- Обозначается буквой $L$
- Единица измерения удельной теплоты парообразования — $1 frac{Дж}{кг}$
- При температуре кипения внутренняя энергия вещества в парообразном состоянии больше внутренней энергии вещества такой же массы в жидком состоянии
Удельная теплота парообразования некоторых жидкостей
В таблице 1 приведены экспериментально полученные величины удельной теплоты парообразования некоторых жидкостей.
| Вещество | $L, frac{Дж}{кг}$ |
| Вода | $2.3 cdot 10^6$ |
| Аммиак (жидкий) | $1.4 cdot 10^6$ |
| Спирт | $0.9 cdot 10^6$ |
| Эфир | $0.4 cdot 10^6$ |
| Ртуть | $0.3 cdot 10^6$ |
| Воздух (жидкий) | $0.2 cdot 10^6$ |
Удельная теплота парообразования эфира равна $0.4 cdot 10^6 frac{Дж}{кг}$. Что это означает?
Возьмем $1 space кг$ эфира при его температуре кипения ($35 degree C$). Для того чтобы полностью превратить его в пар, нам потребуется $0.4 cdot 10^6 space Дж$.
Обратите внимание, что удельная теплота парообразования показывает количество теплоты, необходимое для превращения жидкости, взятой при ее температуре кипения, в пар.
Удельная теплота конденсации
Нужно ли сообщать пару энергию при его конденсации? Давайте рассмотрим простой опыт (рисунок 1).
Нальем в сосуд воду и закроем его пробкой. Через пробку проведем трубку и направим ее на кусочек охлажденного стекла. Доведем воду до кипения с помощью горелки.
Пар, поднимающийся над кипящей водой, будет конденсироваться, соприкасаясь с холодным стеклом. Если мы дотронемся до стекла, то обнаружим, что оно очень сильно нагрелось.
Так энергия пара передается стеклу. В результате этой потери энергии пар конденсируется. Если бы температура стекла была равна температуре пара, то теплопередача бы не происходила, и конденсат не образовывался бы.
Это говорит о том, что при конденсации пар отдает, выделяет энергию.
Более точные опыты также показывают, что
Конденсируясь, пар отдает то количество энергии, которое пошло на его образование.
Значит, при превращении $1 space кг$ водяного пара в воду при температуре $100 degree C$ выделяется $2.3 cdot 10^6 space Дж$ энергии.
Это довольно большая энергия, поэтому человечество стремится ее использовать. Например, на крупных тепловых электростанциях паром, который уже прошел через турбины, нагревают воду. Ее, в свою очередь, используют для отопления зданий и бытовых нужд.
Расчет количества теплоты, необходимого для парообразования
Чтобы вычислить количество теплоты $Q$, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования $L$ умножить на массу $m$:
$Q = Lm$.
Из этой формулы при расчетах мы можем выражать массу ($m = frac{Q}{L}$) и удельную теплоту парообразования ($L = frac{Q}{m}$).
Для расчета количества теплоты, которое выделит пар массой $m$ при температуре кипения в ходе конденсации, используется эта же формула.
Упражнения
Упражнение №1
У вас есть вода массой $2 space кг$ с температурой $20 degree C$. Рассчитайте, какое количество энергии потребуется для ее превращения в пар.
Дано:
$m = 2 space кг$
$t_1 = 20 degree C$
$t_2 = 100 degree C$
$c = 4200 frac{Дж}{кг cdot degree C}$
$L = 2.3 cdot 10^6 frac{Дж}{кг}$
$Q — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Сначала нам потребуется нагреть воду до температуры кипения, затратив на это количество энергии $Q_1$:
$Q_1 = cm (t_2 — t_1)$.
$Q_1 = 4200 frac{Дж}{кг cdot degree C} cdot 2 space кг cdot (100 degree C — 20 degree C) = 8400 frac{Дж}{degree C} cdot 80 degree C = 672 space 000 space Дж approx 0.7 cdot 10^6 space Дж$.
Теперь рассчитаем количество энергии $Q_2$, затраченное для превращения воды в пар:
$Q_2 = Lm$.
$Q_2 = 2.3 cdot 10^6 frac{Дж}{кг} cdot 2 space кг = 4.6 cdot 10^6 space Дж$.
Рассчитаем общее количество энергии, которое нам потребуется:
$Q = Q_1 + Q_2 = 0.7 cdot 10^6 space Дж + 4.6 cdot 10^6 space Дж = 5.3 cdot 10^6 space Дж$.
Ответ: $Q = 5.3 cdot 10^6 space Дж$.
Упражнение №2
Вычислите, какое количество энергии выделится при охлаждении водяного пара массой $2 space кг$ от $100 degree C$ до $0 degree C$.
Дано:
$m = 2 space кг$
$t_1 = 100 degree C$
$t_2 = 0 degree C$
$c = 4200 frac{Дж}{кг cdot degree C}$
$L = 2.3 cdot 10^6 frac{Дж}{кг}$
$Q — ?$
Показать решение
Скрыть
Решение:
Температура $100 degree C$ — это температура парообразования воды и конденсации водяного пара. При понижении температуры пар сначала сконденсируется в жидкость, а жидкость продолжит охлаждаться.
Количество теплоты, выделенное при этом будет равно:
$Q = Q_1 + Q_2$, где
$Q_1$ — количество выделенной теплоты при конденсации пара,
$Q_2$ — количество теплоты, выделенное при охлаждении жидкости до $0 degree C$.
$Q_1 = Lm$.
$Q_1 = 2.3 cdot 10^6 frac{Дж}{кг} cdot 2 space кг = 4.6 cdot 10^6 space Дж$.
$Q_2 = cm (t_1 — t_2)$.
$Q_2 = 4200 frac{Дж}{кг cdot degree C} cdot 2 space кг cdot (100 degree C — 0 degree C) = 8400 frac{Дж}{degree C} cdot 100 degree C = 840 space 000 space Дж approx 0.8 cdot 10^6 space Дж$.
$Q = 4.6 cdot 10^6 space Дж + 0.8 cdot 10^6 space Дж= 5.4 cdot 10^6 space Дж$.
Ответ: $Q = 5.4 cdot 10^6 space Дж$.
Упражнение №3
Из чайника выкипела вода объемом $0.5 space л$. Начальная температуры этой воды составляла $10 degree C$. Какое количество энергии оказалось излишне затраченным? Плотность воды — $1000 frac{кг}{м^3}$.
Дано:
$V = 0.5 space л$
$rho = 1000 frac{кг}{м^3}$
$L = 2.3 cdot 10^6 frac{Дж}{кг}$
СИ:
$0.5 cdot 10^{-3} space м^3$
$Q — ?$
Посмотреть решение и ответ
Скрыть
Решение:
После закипания воды в чайнике огонь выключают. Если его не выключить, то процесс кипения продолжится, и вода из чайника будет испаряться. Так как превращение воды в пар не является целью кипячения воды, энергию, которая ушла на парообразование можно считать излишне затраченной. Рассчитаем ее по формуле: $Q = Lm$.
Массу мы можем выразить через плотность и объем:
$m = rho V$.
Тогда наша формула примет вид:
$Q = Lrho V$.
$Q = 2.3 cdot 10^6 frac{Дж}{кг} cdot 1000frac{кг}{м^3} cdot 0.5 cdot 10^{-3} space м^3 = 2.3 cdot 10^6 frac{Дж}{кг} cdot 0.5 space кг = 1.15 cdot 10^6 space Дж$.
Ответ: $Q = 1.15 cdot 10^6 space Дж$.
Если, добившись кипения воды в сосуде, выключить под ним нагреватель (см. рис. 82), кипение воды быстро прекратится. Температура воды начнет понижаться, и через некоторое время она станет такой же, как у окружающего воздуха.
Для того чтобы вода не переставала кипеть, ее температура должна поддерживаться неизменной. А для этого вода должна непрерывно получать достаточное количество теплоты. Только в этом случае она будет продолжать кипеть, и это кипение не прекратится до тех пор, пока вся вода не обратится в пар.
Опытами установлено, что для полного обращения в пар 1 кг воды (при температуре кипения) необходимо затратить 2,3 МДж энергии. Для обращения в пар других жидкостей той же массы требуется иное количество теплоты. Например, для спирта оно составляет 0,9 МДж.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо для превращения в пар 1 кг жидкости при постоянной температуре, называется удельной теплотой парообразования.
Удельную теплоту парообразования обозначают буквой r и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг):
r — удельная теплота парообразования.
Удельную теплоту парообразования некоторых веществ можно найти в таблице 12.
Из этой таблицы, например, видно, что удельная теплота парообразования эфира равна 0,4*106 Дж/кг. Это число показывает, что для превращения в пар 1 кг эфира (при его температуре кипения) необходимо затратить 0,4*106 Дж энергии. Точно такое же (по модулю) количество теплоты будет выделено парами эфира (той же массы и при той же температуре) при их конденсации.
Для превращения в пар 2 кг жидкости требуется в 2 раз большее количество теплоты, для превращения в пар 3 кг жидкости — в 3 раза большее и т. д.
Чтобы найти количество теплоты, необходимое для превращения в пар жидкости произвольной массы т, взятой при температуре кипения, надо удельную теплоту парообразования этой жидкости умножить на ее массу:
Q = rm. (42.1)
Количество теплоты, которое выделяет пар массой m, конденсируясь при температуре кипения, определяется той же формулой, но со знаком «минус»:
Q = –rm. (42.2)
1. Почему после выключения нагревателя кипение жидкости прекращается? 2. Что такое удельная теплота парообразования? 3. Удельная теплота парообразования воды равна 2,3 МДж/кг. Что показывает это число? 4. Опишите явления, происходящие в опыте, изображенном на рисунке 84. 5. Какая энергия выделяется при конденсации паров спирта массой 1 кг при температуре 78 °С?
На этой странице вы можете рассчитать количество теплоты, необходимое для превращение жидкости в пар с помощью калькулятора онлайн. Для этого необходимо ввести массу жидкости и ее удельную теплоту парообразования (см. таблицу).
Удельная теплота парообразования – физическая величина, показывающая, какое количество теплоты потребуется для превращения жидкости массой 1кг в пар без изменения температуры. Обозначается буквой L и измеряется в Дж/кг.
Содержание:
- калькулятор количества теплоты для превращения в пар
- формула количества теплоты для превращения в пар
- таблица “Удельная теплота парообразования”
- примеры задач
Формула количества теплоты для превращения в пар
{Q = L cdot m}
Q – необходимое количество теплоты для превращения жидкости, находящейся при температуре кипения в пар
L – удельная теплота парообразования (см. таблицу)
m – масса жидкости, находящейся при температуре кипения.
Удельная теплота парообразования жидкостей и расплавленных металлов при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении
| Жидкость | Удельная теплота парообразования, кДж/кг |
|---|---|
| Азот жидкий | 201 |
| Аллюминий | 9200 |
| Аммиак | 1370 |
| Бензин | 230 – 310 |
| Висмут | 840 |
| Вода (при 0°С) | 2500 |
| Вода (при 20°С) | 2450 |
| Вода (при 100°С) | 2260 |
| Вода (при 370°С) | 440 |
| Вода (при 374,15°С) | 0 |
| Водород жидкий | 450 |
| Воздух | 197 |
| Гелий жидкий | 23 |
| Железо | 6300 |
| Золото | 1650 |
| Керосин | 209 – 230 |
| Кислород жидкий | 214 |
| Магний | 5440 |
| Медь | 4800 |
| Никель | 6480 |
| Олово | 3010 |
| Ртуть | 293 |
| Свинец | 860 |
| Спирт этиловый | 906 |
| Эфир этиловый | 356 |
| Цинк | 1755 |
Примеры задач на нахождение количества теплоты
Задача 1
Какое количество теплоты требуется для обращения в пар воды массой 0.2 кг при температуре 100°C?
Решение
Подставим значения из условия в формулу и рассчитаем результат. Удельную теплоту парообразования для воды при температуре 100°C возьмем из таблицы: L = 2260 кДж/кг.
Q = L cdot m = 2260 cdot 0.2 = 452 Дж
Ответ: 452 Дж
Проверим ответ с помощью калькулятора .
Задачи на парообразование и конденсацию
с решениями
Формулы, используемые на уроках «Задачи на парообразование и конденсацию».
Название величины |
Обозначение |
Единица измерения |
Формула |
Масса |
m |
кг |
m = Q / L |
Температура |
t |
°С |
|
Температура кипения |
tкип |
°С |
|
Удельная теплоемкость |
c |
Дж/кг°С |
|
Удельная теплота парообразования |
L |
Дж/кг |
L = Q / m |
Кол-во теплоты при нагревании |
Q |
Дж |
Q=cm(t2–t1) |
Кол-во теплоты при парообразовании |
Q |
Дж |
Q = Lm |
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Задача № 1.
Какое количество энергии требуется для обращения воды массой 150 г в пар при температуре 100 °С?
Задача № 2.
Какое количество энергии требуется для превращения воды массой 2 кг, взятой при температуре 20 °С, в пар?
Задача № 3.
Какое количество энергии нужно затратить, чтобы воду массой 5 кг, взятую при температуре 0 °С, довести до кипения и испарить её?
Задача № 4.
Какую энергию нужно затратить, чтобы расплавить кусок свинца массой 8 кг, взятый при температуре 27 °С?
Задача № 5.
Какое количество энергии требуется для превращения в пар спирта массой 200 г, взятого при температуре 18 °С?
Задача № 6.
Какое количество энергии требуется для превращения в пар воды массой 5 кг, взятой при температуре 20 °С?
Задача № 7.
Какое количество теплоты необходимо сообщить воде массой 10 г, взятой при температуре 0 °С, для того, чтобы нагреть ее до температуры кипения и испарить?
Задача № 8.
Из чайника выкипела вода объемом 0,5 л, начальная температура которой была равна 10 °С. Какое количество теплоты оказалось излишне затраченным?
Задача № 9.
Кофейник вместимостью 1,2 л заполнили водой при температуре 15 °С и поставили на плиту. Какое количество теплоты пошло на нагревание и кипение воды, если после снятия с плиты в результате испарения в кофейнике объем воды стал на 50 см3 меньше? (Изменение плотности воды с изменением температуры не учитывать.)
Задача № 10.
Какое количество теплоты выделяется при конденсации водяного пара массой 10 кг при температуре 100 °С и охлаждении образовавшейся воды до 20 °С?
Задача № 11.
Какое количество теплоты необходимо, чтобы из льда массой 2 кг, взятого при температуре -10 °С, получить пар при 100 °С?
Задача № 12.
Сколько энергии понадобится, чтобы полностью испарить 100 грамм ртути, взятой при температуре 27 °С?
Краткая теория для решения Задачи на парообразование и конденсацию.
Это конспект по теме «Задачи на парообразование и конденсацию». Выберите дальнейшие действия:
- Посмотреть конспект по теме Кипение. Удельная теплота парообразования
- Вернуться к списку конспектов по Физике.
- Проверить свои знания по Физике.
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 16 сентября 2021 года; проверки требуют 13 правок.
Уде́льная теплота́ парообразова́ния и конденса́ции — физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить количество жидкости с единичной массой в пар, при данной температуре жидкости и без её изменения (температуры) в процессе испарения. Равна удельной теплоте конденсации единичной массы пара в жидкость.
Расчёт[править | править код]
Удельная теплота парообразования и конденсации обозначается буквой 
. Рассчитывается по формуле
где Q — теплота, истраченная на превращение жидкости в пар или пара в жидкость, m — масса.
Наименьшее значение удельной теплоты парообразования будет при температуре кипения жидкости.
Размерность удельной теплоты парообразования в СИ — Дж/кг. Устаревшие, но иногда применяемые единицы для теплоты парообразования — ккал/кг и кал/кг.
В химии теплота парообразования обычно приводится к молю вещества. Эта величина называется молярной теплотой испарения (конденсации); единица её измерения — Дж/моль. Также используются устаревшие единицы: ккал/моль, кал/моль.
Значения для некоторых веществ[править | править код]
Удельная теплота парообразования некоторых веществ при нормальном атмосферном давлении (760 мм. рт. ст. = 101,325 кПа) и температуре, равной температуре кипения вещества[1]:
| Вещество | Температура кипения, °C |
Удельная теплота парообразования/ конденсации, кДж/кг |
|---|---|---|
| Азот | −195,8 | 199 |
| Ртуть | 357 | 282 |
| Диэтиловый эфир | 34,6 | 380 |
| Водород | −252,6 | 448 |
| Этиловый спирт | 78,4 | 837 |
| Свинец | 1 740 | 855 |
| Аммиак | −33,4 | 1 370 |
| Вода | 100 | 2300 |
| Медь | 2 600 | 4 820 |
| Железо | 3 200 | 6 120 |
| Алюминий | 2 450 | 10 900 |
| Литий | 1 340 | 21 000 |
| Графит | 4 200 | 29 700 |
| Бериллий | 2 469 | 32 500 |
| Бор | 3 865 | 45 300 |
См. также[править | править код]
- Удельная теплоёмкость
- Удельная теплота плавления
- Сублимация
Примечания[править | править код]
- ↑ Теплота испарения // БСЭ, 3 изд.
