Парообразование
Парообразование — переход вещества из жидкого или твёрдого состояния в газообразное. В школьном курсе рассматривают два способа парообразования: испарение, происходящее с поверхности жидкости, и кипение, происходящее во всём объёме. Для расчётов используют понятия количества теплоты и удельной теплоты парообразования.
Что такое парообразование
Парообразование — фазовый переход вещества из жидкого состояния в газообразное. При этом внутренняя энергия жидкости увеличивается: энергия подводится извне или отбирается от окружающей среды.
При парообразовании молекулы жидкости преодолевают силы притяжения между собой. Для этого необходима энергия. Если жидкость превращается в пар без изменения температуры, количество подведённой теплоты определяется массой жидкости и её удельной теплотой парообразования.
Здесь \(Q\) — количество теплоты, необходимое для парообразования, \(L\) — удельная теплота парообразования, \(m\) — масса жидкости. В СИ: \(Q\) измеряется в джоулях, \(L\) — в \(\text{Дж/кг}\), \(m\) — в килограммах.
В формуле \(Q=Lm\) массу нужно подставлять в килограммах. Если масса дана в граммах, используйте \(m_{\text{кг}}=\frac{m_{\text{г}}}{1000}\). Удельная теплота парообразования зависит от вещества, но при обычных школьных задачах считается постоянной.
Испарение и его условия
Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре, пока в жидкости есть частицы, способные покинуть её поверхность. Наиболее быстрые молекулы имеют большую кинетическую энергию и вылетают наружу. Поэтому оставшаяся жидкость охлаждается.
- Температура: чем она выше, тем быстрее движутся молекулы и тем интенсивнее испарение.
- Площадь поверхности: с широкой поверхности жидкость испаряется быстрее.
- Движение воздуха: ветер уносит пар над жидкостью и ускоряет испарение.
- Род жидкости: разные жидкости испаряются с разной скоростью.
- Влажность воздуха: в сухом воздухе испарение идёт быстрее, чем во влажном.
Испарение требует энергии. Если тепло не поступает от нагревателя, жидкость получает его от окружающей среды, поэтому охлаждается. На этом основано охлаждение тела при испарении пота и охлаждение воды в открытом сосуде.
Кипение и давление
Кипение — интенсивное парообразование, происходящее одновременно по всему объёму жидкости и на её поверхности. Внутри жидкости образуются пузырьки пара. При нагревании они увеличиваются и всплывают.
Жидкость кипит, когда давление её насыщенного пара становится равным внешнему давлению. Температура, при которой это происходит, называется температурой кипения.
При нормальном атмосферном давлении вода кипит при \(100\,^{\circ}\text{C}\). При уменьшении внешнего давления температура кипения понижается, а при увеличении давления повышается. Поэтому в горах вода кипит при температуре ниже \(100\,^{\circ}\text{C}\), а в скороварке — выше.
Во время кипения температура жидкости при постоянном давлении не изменяется, хотя теплота продолжает поступать. Эта энергия расходуется на превращение жидкости в пар. Свойства пара связаны с понятием насыщенного пара. Обратный процесс называется конденсацией.
Как изменится температура кипения воды при уменьшении внешнего давления?
Не путайте испарение и кипение: испарение идёт только с поверхности и при любой температуре, а кипение — во всём объёме при определённой температуре. Не утверждайте, что при кипении температура всегда растёт: при постоянном давлении она остаётся постоянной.
Расчёт необходимой теплоты
Если жидкость сначала нагревают от начальной температуры до температуры кипения, а затем полностью превращают в пар, процесс состоит из двух этапов. Сначала применяется формула нагревания, затем формула парообразования.
В этой формуле \(c\) — удельная теплоёмкость жидкости, \(t_0\) — начальная температура, \(t_{\text{кип}}\) — температура кипения. Если жидкость уже находится при температуре кипения, первое слагаемое равно нулю и используется только \(Q=Lm\).
1. Запишите известные величины в единицах СИ. 2. Определите, нужно ли сначала нагреть жидкость. 3. Найдите теплоту нагревания. 4. Найдите теплоту парообразования. 5. Сложите результаты и запишите ответ с единицей измерения.
Разобранный пример
Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть \(2\,\text{кг}\) воды от \(20\,^{\circ}\text{C}\) до температуры кипения и полностью превратить её в пар? Считать \(c=4200\,\frac{\text{Дж}}{\text{кг}\cdot^{\circ}\text{C}}\), \(L=2{,}3\cdot10^6\,\frac{\text{Дж}}{\text{кг}}\), \(t_{\text{кип}}=100\,^{\circ}\text{C}\).
Ответ: \(Q\approx5{,}27\cdot10^6\,\text{Дж}\), или примерно \(5{,}27\,\text{МДж}\). В реальной установке теплота была бы больше из-за потерь в окружающую среду, но в учебной задаче ими обычно пренебрегают.
Связь с другими тепловыми процессами
Парообразование — один из фазовых переходов. На графике тепловых процессов участок кипения изображают горизонтальным: теплота поступает, но температура не меняется. Для задач, где вещество нагревают, испаряют или затем охлаждают пар, может потребоваться тепловой баланс: суммарная отданная теплота равна суммарной полученной.
Нельзя применять \(Q=Lm\) для нагревания жидкости от начальной температуры до кипения. Эта формула описывает только превращение уже нагретой до температуры кипения жидкости в пар. Для полного процесса добавляют \(Q=cm\Delta t\).
Быстрая проверка
Главное
- Парообразование бывает в виде испарения и кипения.
- Испарение идёт с поверхности при любой температуре; его ускоряют нагревание, увеличение площади и движение воздуха.
- Кипение происходит во всём объёме при равенстве давления насыщенного пара внешнему давлению.
- Для превращения жидкости в пар используют \(Q=Lm\); для нагревания до кипения и последующего парообразования — \(Q=cm(t_{\text{кип}}-t_0)+Lm\).
- Во время кипения при постоянном давлении температура жидкости не изменяется.