Контрольні запитання
1. Що таке кипіння?
Кипіння — це процес пароутворення, який відбувається в усьому об’ємі рідини та супроводжується утворенням і зростанням бульбашок пари.
2. Які явища спостерігаються в рідині під час кипіння?
Утворюються бульбашки на дні та стінках, вони зростають, піднімаються, схлопуються в холодніших шарах з шумом і каламутністю, лопаються на поверхні, рідина вирує та клекоче.
3. Яка сила змушує бульбашку газу підніматися на поверхню рідини?
Архімедова сила відриває бульбашку від дна і змушує її підніматися.
4. Від яких чинників залежить температура кипіння рідини?
Температура кипіння залежить від роду рідини, зовнішнього тиску (збільшення тиску підвищує температуру, зменшення — знижує) та наявності розчинених газів.
5. На що витрачається енергія, яку одержує рідина під час кипіння?
Енергія витрачається на розривання міжмолекулярних зв’язків для переходу рідини в пару, температура при цьому не змінюється.
6. Що називають питомою теплотою пароутворення?
Питомою теплотою пароутворення називають фізичну величину, що дорівнює кількості теплоти, яку потрібно передати 1 кг рідини для перетворення її на пару за незмінної температури.
Вправа
1. Відомо, що температура кипіння води на вершині гори Еверест становить близько 70 °С. Як ви вважаєте, чому?
Температура кипіння зменшується із пониженням атмосферного тиску, бо рідина кипить тоді, коли тиск її насиченої пари дорівнює зовнішньому тиску. На вершині Евересту тиск значно нижчий за 1 атм, тому вода кипить приблизно за 68–70 °C, а не за 100 °C.
2. Питома теплота пароутворення води становить 2,3 МДж/кг. Що це означає?
Питома теплота пароутворення води $r=2{,}3\,\text{МДж/кг}$ означає, що стільки енергії потрібно передати 1 кг води при температурі кипіння, щоб перетворити його на пару без зміни температури. Тобто внутрішня енергія 1 кг водяної пари за температури 100 °С більша за внутрішню енергію 1 кг води за тієї самої температури на 2,3 МДж.
3. Яку кількість теплоти необхідно передати воді масою 10 кг, узятій за температури кипіння, щоб перетворити її на пару?
Дано:
$m=10\,\text{кг}$
$r=2{,}3\,\text{МДж/кг}$.
Знайти:
$Q=?$.
Розв’язання:
для пароутворення використовуємо
$Q=m\cdot r$
$ Q=10\cdot 2{,}3=23\,\text{МДж}$.
Відповідь: $23\,\text{МДж}$.
4. Рідка речовина масою 50 г нагрівається, а потім починає кипіти. За графіком залежності температури цієї речовини від кількості поглиненої нею теплоти (рис. 1) визначте: а) що це за речовина; б) якою є питома теплота пароутворення цієї речовини.
Дано:
$m=50\,\text{г}=0{,}05\,\text{кг}$
$Q_{\text{кип}} = 45\,\text{кДж}$.
Знайти:
$r-?$
Розв’язання:
$ r=\dfrac{Q_{\text{кип}}}{m}=\dfrac{45\,000}{0{,}05}= 900\,\text{кДж/кг}$.
Це узгоджується з довідковим $r$ етанолу порядку $840\,\text{кДж/кг}$.
Відповідь: а) етанол; б) $r= 900\,\text{кДж/кг}$
5. На скільки збільшиться внутрішня енергія 10 кг льоду, узятого за температури 0 °С, внаслідок перетворення його на пару, що має температуру 100 °С?
Дано:
$ m = 10 кг $
$ t_1 = 0 °С $
$ t_2 = 100 °С $
$ \lambda = 332 \dfrac{кДж}{кг} = 3,32 \cdot 10^5 \dfrac{Дж}{кг} $
$ c = 4200 \dfrac{Дж}{кг \cdot °С} $
$ r = 2,3 \dfrac{МДж}{кг} = 2,3 \cdot 10^6 \dfrac{Дж}{кг} $
Знайти:
$ \Delta U – ? $
Розв’язання:
Збільшення внутрішньої енергії дорівнює загальній кількості теплоти, яку отримало тіло. Процес складається з трьох етапів:
- Плавлення льоду при 0 °С: $ Q_1 = \lambda \cdot m $
- Нагрівання води від 0 °С до 100 °С: $ Q_2 = c \cdot m \cdot (t_2 – t_1) $
- Перетворення води на пару при 100 °С: $ Q_3 = r \cdot m $
Загальна кількість теплоти:
$ \Delta U = Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 $
Обчислимо кожну складову:
$ Q_1 = 3,32 \cdot 10^5 \dfrac{Дж}{кг} \cdot 10 кг = 3,32 \cdot 10^6 Дж $
$ Q_2 = 4200 \dfrac{Дж}{кг \cdot °С} \cdot 10 кг \cdot (100 – 0) °С = 4,2 \cdot 10^6 Дж $
$ Q_3 = 2,3 \cdot 10^6 \dfrac{Дж}{кг} \cdot 10 кг = 23 \cdot 10^6 Дж $
Знайдемо суму:
$ \Delta U = (3,32 + 4,2 + 23) \cdot 10^6 Дж = 30,54 \cdot 10^6 Дж = 30,52 МДж $
Відповідь: внутрішня енергія збільшиться на 30,52 МДж.
6. У посудину з водою, що кипить, помістили відкриту пробірку з водою (рис. 2). Чи кипить вода в пробірці?
Ні, зазвичай вода в відкритій пробірці, зануреній у киплячу водяну баню, не кипить — вона лише нагрівається до приблизно 100 °C і входить у теплову рівновагу з банею. Кипіння потребує, щоб тиск насиченої пари дорівнював зовнішньому та щоб при цій температурі безперервно надходила теплота для фазового переходу, чого у водяній бані вже немає після вирівнювання температур.
7. Дізнайтеся про практичне застосування кипіння
- Розділення і очищення речовин методом дистиляції, що ґрунтується на різниці температур кипіння компонентів суміші.
- Стерилізація у автоклавах: підвищення тиску піднімає температуру кипіння води до 121 °C, що забезпечує ефективне знищення мікроорганізмів.
- Виробництво електроенергії: у парових електростанціях воду кип’ятять у котлах, пара обертає турбіну, а потім конденсується в циклі.
- Для варіння їжі, бо вода переходить у пару і зберігає корисні речовини в продуктах.