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

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.

    В 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.

    Примеры задач

    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: $Q = 5.3 \cdot 10^6 \space Дж$.

    1. 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: $Q = 5.4 \cdot 10^6 \space Дж$.

    1. 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 энергии, полученное за урок

    Спасибо, что помогаете нам стать лучше!

    Вопросы
    Получить ещё подсказку

    Трудности? Воспользуйтесь подсказкой

    Верно! Посмотрите пошаговое решение