Личный кабинет Выйти Войти Регистрация
Уроки
Математика Алгебра Геометрия Физика Всеобщая история Русский язык Английский язык География Биология Обществознание История России ОГЭ
Тренажёры
Математика ЕГЭ Тренажёры для мозга

Удельная теплота парообразования и конденсации

Содержание

    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)$0.2 \cdot 10^6$
    Таблица 1. Удельная теплота парообразования некоторых веществ (при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении)

    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.

    Рисунок 1. Выделение энергии при конденсации пара

    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:
    $Q = L\rho V$.

    $Q = 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг} \cdot 1000\frac{кг}{м^3} \cdot 0.5 \cdot 10^{-3} \space м^3 = 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг} \cdot 0.5 \space кг =  1.15 \cdot 10^6 \space Дж$.

    Ответ: $Q = 1.15 \cdot 10^6 \space Дж$.

    5
    5
    5Количество опыта, полученного за урок

    Оценить урок

    Спасибо, что помогаете нам стать лучше!

    Комментарии

    Получить ещё подсказку

    Трудности? Воспользуйтесь подсказкой

    Верно! Посмотрите пошаговое решение