Кипение, удельная теплота парообразования. Зависимость температуры кипения от внешнего давления

Ключевые слова: кипение, температура кипения, удельная теплота парообразования.

На этом уроке вы:

• изучите процесс кипения жидкости;
• ознакомитесь с понятием удельной теплоты парообразования, научитесь определять количество теплоты при парообразовании;
• установите зависимость температуры кипения от внешнего давления.

Кипение. Явление кипения воды нам хорошо известно из повседневной жизни. В быту мы постоянно кипятим воду, будь то заваривание чая, приготовление горячей пищи. Изучим процесс кипения подробнее.

Проведем небольшой эксперимент (рис. 13.1). Поставим на плиту сосуд с водой и начнем нагревать. Мы увидим, что через некоторое время на дне и стенках посуды начинают появляться маленькие пузырьки, образованные растворенным в воде воздухом, в котором присутствует водяной пар. При нагревании воды с ростом температуры давление насыщенных паров воды внутри пузырьков увеличивается и они растут. С увеличением объема пузырьков увеличивается и действующая на них сила Архимеда. Когда объем пузырька станет достаточно большим, под действием выталкивающей силы он отрывается от дна и поднимается вверх. Если вода еще не прогрелась достаточно по всему объему и температура ее верхних слоев ниже, чем у дна сосуда, то внутри пузырька часть пара конденсируется. Пузырьки уменьшаются в размере и опускаются вниз, где снова увеличиваются и поднимаются вверх. При этом издается знакомый нам шум закипающей воды. С увеличением температуры давление насыщенного пара внутри пузырьков увеличивается, и когда оно превысит внешнее давление, пузырьки лопаются. Когда вода хорошо прогреется по всему объему, температура верхних и нижних слоев воды сравняется. При этом пузырьки, поднимаясь вверх, еще больше увеличиваются в объеме, лопаются по всему объему воды и выбрасывают наружу пар. Вода сильно бурлит, клокочет, она закипела.

Рис. 13.1

Процесс интенсивного парообразования, происходящий во всем объеме жидкости, называется кипением. При нагревании воды можно увидеть, что в домашних условиях она закипает при температуре, близкой к 100 °C и не изменяется, пока вода кипит. Это и есть температура кипения воды.

Температура, при которой жидкость кипит, называется температурой кипения.

У разных жидкостей температура кипения различна. Это объясняется различной силой взаимодействия молекул друг с другом. Кроме этого, температура кипения жидкости зависит от внешнего давления. Чем выше внешнее давление, тем больше температура кипения. Обычно указывается температура кипения жидкости при нормальном атмосферном давлении. В разных местах земной поверхности атмосферное давление немного отличается от нормального, поэтому значение температуры кипения жидкости тоже колеблется. Например, в высокогорье температура кипения воды ниже, чем в равнинной местности, а при нормальном атмосферном давлении она равна 100 °C.

Во время кипения воды температура ее не изменяется, но если перестать ее нагревать, кипение прекратится. Для поддержания кипения надо постоянно подводить тепло, т. е. кипение жидкости идет с поглощением энергии. Количество теплоты, необходимое для перевода жидкости в пар, зависит от рода жидкости и от ее массы.

Физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг жидкости, чтобы полностью превратить ее в пар при неизменной температуре, называется удельной теплотой парообразования.

Из определения удельной теплоты парообразования можно записать:

$$r = \frac{Q}{m}, \qquad (13.1)$$

где $r$ — удельная теплота парообразования, $m$ — масса жидкости, $Q$ — количество теплоты, переданное жидкости для ее превращения в пар.

Из (13.1) следует, что единицей измерения удельной теплоты парообразования в системе СИ является:

$$[r] = \left[\frac{\text{Дж}}{\text{кг}}\right].$$

Приведем значения температуры кипения и удельной теплоты парообразования для некоторых жидкостей при нормальном атмосферном давлении.

Таблица 13.1

Вещество	Температура кипения, °C	Удельная теплота парообразования, МДж/кг
Вода	100	2,25
Спирт	78	0,853
Ртуть	357	0,284

Из формулы (13.1) легко определить количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар при неизменной температуре:

$$Q = rm. \qquad (13.2)$$

Опытным путем можно определить, что количество теплоты, которое выделяется в процессе конденсации пара, равно количеству теплоты, необходимому для образования этого пара из жидкости.

Это интересно! Мы уже знаем, что температура кипения зависит как от рода вещества, так и от внешних условий, например, от давления. Оказывается, есть еще один фактор, определяющий температуру кипения. При внимательном наблюдении за закипающей в сосуде водой можно заметить, что первые пузырьки появляются на мелких шероховатостях сосуда и вокруг мелких посторонних частиц. Хорошо очищенную воду в сосуде с гладкими стенками можно нагревать до температур значительно выше 100 °C, и она не закипает. Это относится и к другим жидкостям. Таким способом воду можно нагреть до 130 °C. Такая вода называется перегретой.

Кипение воды при низком давлении. Зальем в банку, примерно до половины, воду при комнатной температуре, и поместим ее под купол вакуумного насоса, как показано на рисунке 13.2. Откачивая воздух, будем наблюдать за состоянием воды в банке. Когда давление под куполом достигнет значения примерно 0,04 от атмосферного, вода закипит.

Рис. 13.2

Вопросы

1. Дайте определение кипения жидкости.
2. Что такое температура кипения?
3. Почему температура кипящей жидкости не меняется, хотя теплота непрерывно подводится?
4. От чего зависит температура кипения?
5. Дайте определение удельной теплоты парообразования.
6. Чем отличаются процессы испарения и кипения? Что у них общего?
7. Как определяется количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар, взятой при температуре кипения?

Пример решения задачи

Какое количество теплоты нужно затратить, чтобы 2 кг воды, взятой при температуре 20 °C, полностью превратить в пар?

Дано: $m = 2$ кг; $t_1 = 20$ °C; $t_2 = 100$ °C; $c = 4200$ Дж/(кг·°C); $r = 2{,}25$ МДж/кг ($2{,}25 \cdot 10^6$ Дж/кг). Найти: $Q$ — ?

Решение. Процесс парообразования происходит при кипении воды, поэтому сначала ее надо нагреть до температуры кипения, для этого нужно затратить количество теплоты $Q_1 = cm(t_2 - t_1)$.

Чтобы превратить воду при 100 °C в пар, необходимо количество теплоты $Q_2 = rm$. Тогда искомое количество теплоты: $Q = Q_1 + Q_2$, или

$$Q = cm(t_2 - t_1) + rm = 4200\ \tfrac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot °\text{C}} \cdot 2\ \text{кг} \cdot (100 - 20)\ °\text{C} + 2{,}25 \cdot 10^6\ \tfrac{\text{Дж}}{\text{кг}} \cdot 2\ \text{кг} = 5{,}17\ \text{МДж}.$$

Ответ: $Q = 5{,}17$ МДж.

Упражнение 7

1. Какое количество теплоты необходимо для того, чтобы 3 кг спирта, взятого при температуре кипения, полностью превратить в пар? (Ответ: 2,56 МДж)
2. Чтобы превратить в пар воду при температуре кипения, потребовалось количество теплоты $Q = 10$ МДж. Какова масса этой воды? (Ответ: 4,4 кг)
3. Какую массу спирта при температуре 78 °C можно превратить в пар, израсходовав на это 4,3 МДж количества теплоты? (Ответ: 5 кг)
4. Какую массу воды, взятой при температуре 30 °C, можно полностью превратить в пар, затратив количество теплоты 250 Дж? (Ответ: 0,1 г)
5. Какую массу воды, взятой при температуре $t = 20$ °C, можно полностью превратить в пар, затратив $Q = 1000$ Дж? (Ответ: 0,38 г)
6. Определите количество теплоты, необходимое для полного превращения в пар 2 кг льда, взятого при температуре 0 °C. (Ответ: 6 МДж)
7. Сколько керосина надо сжечь, чтобы 2 кг льда, взятого при температуре 0 °C, полностью превратить в пар? Считайте, что все количество теплоты, выделившееся при сгорании керосина, передается льду (воде). (Ответ: 0,14 кг)

Самое важное в главе