Удельная теплота парообразования и конденсации

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

{"questions":[{"content":"Удельная теплота парообразования обозначается как[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$L$","$c$","$\\lambda$","$Q$"],"answer":[0]}}}]}

Удельная теплота парообразования некоторых жидкостей

В таблице 1 приведены экспериментально полученные величины удельной теплоты парообразования некоторых жидкостей.

{"questions":[{"content":"Чему равна удельная теплота парообразования ртути?<br />[[input-1]] $\\cdot 10^6 \\frac{Дж}{кг}$.","widgets":{"input-1":{"type":"input","inline":1,"answer":["0,3","0.3"]}}}]}

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.

{"questions":[{"content":"При превращении $1 \\space кг$ паров ртути в жидкость выделиться [[input-1]] $\\cdot 10^6 \\space Дж$ энергии.","widgets":{"input-1":{"type":"input","inline":1,"answer":["0,3","0.3"]}},"hints":["Количество энергии, выделяемое парами вещества при конденсации, равно количеству энергии, поглощаемому им при парообразовании.","Взгляните в таблицу значений удельной теплоемкости некоторых веществ."]}]}

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

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

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

$Q — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть