22. Кипіння. Питома теплота пароутворення

Зміст

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 $$\begin{gathered} r=2,3 \\ ,\text{МДж/кг} \end{gathered}$$ 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:
$$\begin{gathered} m=10 \\ ,\text{кг} \end{gathered}$$
$$\begin{gathered} r=2,3 \\ ,\text{МДж/кг} \end{gathered}$$.

Знайти:
$Q=?$.

Розв’язання:

для пароутворення використовуємо

$Q=m\cdot r$
$$\begin{gathered} Q=10\cdot 2,3=23 \\ ,\text{МДж} \end{gathered}$$.

Відповідь: $$\begin{gathered} 23 \\ ,\text{МДж} \end{gathered}$$.

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:
$$\begin{gathered} m=50 \\ ,\text{г}=0,05 \\ ,\text{кг} \end{gathered}$$
$$\begin{gathered} Q_{\text{кип}}=45 \\ ,\text{кДж} \end{gathered}$$.

Знайти:
$r-?$

Розв’язання:

$$\begin{gathered} r=\frac{Q_{\text{кип}}}{m}=\frac{45 \\ ,000}{0,05}=900 \\ ,\text{кДж/кг} \end{gathered}$$.

Це узгоджується з довідковим $r$ етанолу порядку $$\begin{gathered} 840 \\ ,\text{кДж/кг} \end{gathered}$$.

Відповідь: а) етанол; б) $$\begin{gathered} r=900 \\ ,\text{кДж/кг} \end{gathered}$$

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:
$m=10кг$
$t_1=0°С$
$t_2=100°С$
$\lambda =332\frac{кДж}{кг}=3,32\cdot 10^5\frac{Дж}{кг}$
$c=4200\frac{Дж}{кг\cdot °С}$
$r=2,3\frac{МДж}{кг}=2,3\cdot 10^6\frac{Дж}{кг}$

Знайти:

$\Delta U-?$

Розв’язання:

Збільшення внутрішньої енергії дорівнює загальній кількості теплоти, яку отримало тіло. Процес складається з трьох етапів:

1) Плавлення льоду при 0 °С: $Q_1=\lambda \cdot m$

2) Нагрівання води від 0 °С до 100 °С: $Q_2=c\cdot m\cdot (t_2-t_1)$

3) 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:

$Q_1=3,32\cdot 10^5\frac{Дж}{кг}\cdot 10кг=3,32\cdot 10^6Дж$

$Q_2=4200\frac{Дж}{кг\cdot °С}\cdot 10кг\cdot (100-0)°С=4,2\cdot 10^6Дж$

$Q_3=2,3\cdot 10^6\frac{Дж}{кг}\cdot 10кг=23\cdot 10^6Дж$

Знайдемо суму:

$\Delta U=(3,32+4,2+23)\cdot 10^6Дж=30,54\cdot 10^6Дж=30,52МДж$

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.