Отримання знань

Пароутворення рідин і конденсація пари. Кипіння і випаровування. Питома теплота пароутворення і конденсації. Вода в різних агрегатних станах

Мета уроку: дати учням знання про особливості фізичних процесів переходу речовини з рідкого в газоподібний стан і навпаки.

Тип уроку: комбінований урок.

Вивчення нового матеріалу

1. Знайомимося з процесом випаровування.

Чому зникають калюжі після дощу? Вода поступово випаровується. А чому пахне мило? Відповідь та сама: мило випаровується, і його частинки потрапляють до нас у ніс. Випаровування з поверхні твердих і рідких речовин, а також кипіння рідин у фізиці мають загальну назву - паротворення.

Перетворення рідини на пару називають паротворенням, а перетворення пари на рідину - конденсацією.

Якщо паротворення відбувається з вільної поверхні рідини, його називають випаровуванням.

Молекули будь-якої рідини перебувають у безперервному хаотичному русі. Температура рідини пов'язана із середньою кінетичною енергією руху її частинок.

Швидкість хаотичного руху не однакова у всіх молекул рідини - серед них є більш «швидкі» і більш «повільні». І якщо досить «швидка» молекула виявиться поблизу поверхні рідини, вона може вирватися з рідини, подолавши притягання інших молекул. Це відбувається не так уже й рідко: наприклад, при кімнатній температурі з поверхні води в склянці щомиті «виривається» така кількість молекул, яка виражається числом із двадцятьма цифрами.

Оскільки при випаровуванні рідину залишають найшвидші молекули, то середня кінетична енергія молекул, що залишилися, зменшується, а рідина охолоджується.

2. З'ясовуємо, від чого залежить швидкість випаровування

Дослід 1. У дві мензурки наллємо порівну води. Воду з лівої мензурки переллємо в тарілку. Через кілька днів виявиться, що в ній вода випарувалася повністю, а в мензурці - лише частково. Чому?

Випаровуватися можуть тільки ті молекули, які перебувають поблизу поверхні рідини (адже з інших боків вона оточена стінками посудини). Тому більша площа поверхні води в тарілці сприяє більшій кількості вильотів молекул. Отже, випаровування йде швидше.

Площа вільної поверхні - перша причина, що впливає на швидкість паротворення.

 Дослід 2. Поставимо на ваги дві склянки. У ліву наллємо окропу, а в праву - стільки ж холодної води. Спочатку ваги будуть у рівновазі. Але через 5-10 хвилин ця рівновага порушиться: склянка з гарячою водою стане легшою. Виходить, гаряча вода випаровується швидше холодної.

 Вилетіти з рідини можуть тільки ті частинки, кінетична енергія яких більша від потенціальної енергії притягання до інших частинок. При підвищенні температури швидкість руху всіх частинок зростає, отже, зростає і їхня кінетична енергія. А це приводить до зростання кількості частинок, які можуть вилетіти з рідини.

Температура речовини - друга причина, що впливає на швидкість паротворення.

Дослід 3. В однакові склянки наллємо рівні кількості різних рідин: спирту, води й масла. Приблизно через тиждень ми виявимо, що спирт випарувався повністю, вода - наполовину, а масло практично не зменшило свого об'єму.

 Рід речовини - третя причина різних швидкостей паротворення.

Після цих дослідів доходимо висновку, що швидкість випаровування залежить:

а)  від температури рідини;

б)  від роду рідини;

в)  від величини вільної поверхні рідини;

г)   від швидкості видалення парів з поверхні рідини.

Спостереження й досліди показують, що випаровуються й тверді тіла. Випаровується, наприклад, лід, тому білизна висихає й на морозі. Випаровується нафталін, тому ми відчуваємо його запах. Цей процес називають сублімацією.

3. Знайомимося з процесом кипіння

Наллємо в посудину чистої води й помістимо її над пальником. Незабаром на дні й стінках посудини ми помітимо численні пухирці. Вони містять водяну пару й повітря, що завжди розчинене у воді.

Розглянемо бульбашку, що виникає біля гарячого дна посудини. Збільшуючись в об'ємі, бульбашка збільшує площу свого стикання з водою, яка ще недостатньо прогрілася. У результаті повітря й пара всередині бульбашки охолоджуються, їхній тиск зменшується, і вага шару води «захлопує» бульбашку. У цей час вода, що закипає, видає характерний шум.

Шум створюється бульбашками, що захлопуються. Поступово вода прогрівається, і тиск пари всередині бульбашок уже не зменшується. Бульбашки перестають захлопуватися, починають рости, і шум стає тихішим. У міру збільшення об'єм бульбашок зростає архімедова сила, і вони почи нають спливати.

Кипінням називають процес бурхливого паротворення, що відбувається по всьому об'єму рідини.

Досліди показують, що під час кипіння температури рідини й пари над її поверхнею однакові й залишаються постійними до повного викіпання рідини

2. З'ясовуємо, від чого залежить температура кипіння

Якщо атмосферний тиск не міняється, то незалежно від способу й швидкості нагрівання кожна рідина завжди кипить при строго визначеній температурі. Отже, температура кипіння - одна з характеристик речовини.

Тому, наприклад, під час готування їжі на печі потрібно зменшувати вогонь після того, як вода закипить. Це зекономить паливо, а температура води залишається постійно однаковою протягом усього часу кипіння.

Температуру,  при якій  рідина  кипить,  називають температурою кипіння.

Кожна речовина має свою температуру кипіння. Деякі речовини, які у звичайних умовах є газами, при достатньому охолодженні перетворюються на рідину, що кипить при дуже низькій температурі. Рідкий кисень, наприклад, при атмосферному тиску кипить при температурі -183 °С. Речовини, які у звичайних умовах перебувають у твердому стані, перетворюються при плавленні на рідину, що кипить при дуже високій температурі. Наприклад свинець кипить при 1740 °С, а залізо - при 2750 °С.

Зовнішній тиск перешкоджає росту бульбашок пари всередині рідини, тому при підвищеному тиску рідина кипить при більш високій температурі, а при зменшенні цього тиску температура кипіння знижується.

Справа в тому, що бульбашки починають рости тільки тоді, коли тиск усередині бульбашки стає не набагато більшим за зовнішній тиск. Тобто що більший зовнішній тиск, то при більш високій температурі кипить рідина.

Наприклад,   у  каструлях-скороварках їжу варять під тиском. Температура кипіння води при цьому досягає 120 °С. Процес варення їжі у воді з такою температурою відбувається значно швидше, ніж у звичайному окропі.

У високогірних місцевостях, наприклад на висоті 5-6 км (вершина Ельбруса), атмосферний тиск дорівнює приблизно 4,7 Па, тобто становить половину нормального атмосферного тиску. Вода кипить там при температурі 80 °С. Зварити м'ясо в цих умовах неможливо.

 Зменшуючи тиск, наприклад відкачуючи повітря з-під дзвона повітряного насоса, можна «змусити» воду закипіти навіть при кімнатній температурі. А оскільки внаслідок інтенсивного паротворення вода охолоджується, вона, продовжуючи кипіти, може навіть почати замерзати.

3. Знайомимося з процесом конденсації

Поряд із вильотом молекул із рідини відбувається й «протилежний» процес: деякі з молекул пари, що завжди витають над поверхнею рідини, влітають у рідину й залишаються там.

Таким чином, випаровування і конденсація завжди відбуваються одночасно, і «підсумковий результат» залежить від того, який із цих процесів відбувається з більшою швидкістю. Якщо «перемагає» випаровування, то рідина перетворюється на пару: висихають калюжі, вологі речі й т. д. Якщо ж «перемагає» конденсація, то пара перетворюється на рідину: випадає роса, сухі речі зволожуються.

Процес конденсації води в природі ми спостерігаємо щодня. Чи то це крапельки роси на листі (водяна пара накопичується в повітрі вдень, а над ранок, охолоджуючись, конденсується), чи то це хмари (вологе повітря піднімається у верхні шари атмосфери, конденсується, утворюючи хмари), чи то це туман (удень відбувається інтенсивне випаровування з поверхні водойм, а ввечері насичене водяними парами повітря внаслідок охолодження конденсується).

 Перехід речовини з рідкого в газоподібний стан широко використовується в техніці. Наприклад, на електростанціях пара, отримана з води, приводить у дію парові турбіни.

3. Уводимо поняття питомої теплоти паротворення

У міру кипіння маса рідини зменшується - кажуть, що вона «википає». Пара, що залишає посудину, виносить із собою частину внутрішньої енергії. Тому для підтримання кипіння рідини необхідно постійно підводити до неї теплоту.

На що ж витрачається підвідна енергія, якщо температура (а отже, і середня кінетична енергія молекул) не змінюється?

Вона витрачається в основному на розрив зв'язків між молекулами при перетворенні рідини на пару. Оскільки для «відриву» молекул одна від одної необхідно здійснити роботу, потенціальна енергія взаємодії молекул збільшується.

Причому різні рідини однакової маси потребують різні кількості теплоти для перетворення їх на пару при температурі кипіння. Для характеристики енергетичних витрат на випаровування рідин уводиться поняття питомої теплоти паротворення.

Питомою теплотою паротворення називають фізичну величину, що чисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно надати 1 кг рідини, щоб повністю перетворити її на пару при постійній температурі.

Питома теплота паротворення позначається буквою L і вимірюється в Дж/кг.

Щоб визначити кількість теплоти, необхідну для перетворення на пару будь-якої маси рідини m, узятої при температурі кипіння, можна скористатися формулою

Q = Lm.

Кількість теплоти, що виділяється при конденсації пари аналогічної маси, визначається за цією ж формулою.