Кипіння. Питома теплота пароутворення - Бар'яхтар

• Назад до змісту

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?

Під час кипіння на дні та стінках посудини з’являються бульбашки, які з часом збільшуються і піднімаються вгору. Спочатку у верхніх, холодніших шарах рідини, вони лопаються з шумом, а коли вся рідина прогріється, бульбашки досягають поверхні, лопаються і викидають пару, через що вода вирує.

3. Яка сила змушує бульбашку газу підніматися на поверхню рідини?

Бульбашку газу змушує підніматися на поверхню рідини архімедова сила.

4. Від яких чинників залежить температура кипіння рідини?

Температура кипіння рідини залежить від трьох основних чинників: роду самої рідини, зовнішнього тиску та наявності в ній розчиненого газу.

5. На що витрачається енергія, яку одержує рідина під час кипіння?

Енергія, яку рідина отримує під час кипіння, повністю витрачається на розривання зв’язків між молекулами для перетворення рідини на пару.

6. Що називають питомою теплотою пароутворення?

Питомою теплотою пароутворення називають фізичну величину, яка показує, яку кількість теплоти потрібно надати рідині масою 1 кг, щоб при незмінній температурі повністю перетворити її на пару.

Вправа № 22

1. Відомо, що температура кипіння води на вершині гори Еверест становить близько 70 °С. Як ви вважаєте, чому?

Температура кипіння води залежить від зовнішнього атмосферного тиску. На вершині гори Еверест тиск значно нижчий, ніж на рівні моря. Зі зниженням тиску температура, за якої кипить вода, також знижується, тому вона становить близько 70 °С.

2. Питома теплота пароутворення води становить 2,3 МДж/кг. Що це означає?

Це означає, що 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. Під час кипіння вся енергія, яку отримує рідина, йде на розривання міжмолекулярних зв’язків для перетворення її на пару, а не на підвищення температури. Саме ця енергія і збільшує внутрішню енергію речовини при переході з рідкого стану в газоподібний.

3. Яку кількість теплоти необхідно передати воді масою 10 кг, узятій за температури кипіння, щоб перетворити її на пару?

Дано:
$m = 10 \text{ кг}$
$t = 100 \text{°С}$
$r = 2,3 \cdot 10^6 \text{ Дж/кг}$
$Q - ?$
Розв’язання:
$Q = r \cdot m$
Підставимо значення:
$Q = 2,3 \cdot 10^6 \text{ Дж/кг} \cdot 10 \text{ кг} = 23 \cdot 10^6 \text{ Дж} = 23 \text{ МДж}$
Відповідь: необхідно передати 23 МДж теплоти.

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:
$m = 50 \text{ г} = 0,05 \text{ кг}$
Графік (рис. 1)
$Q_1 = 5 \text{ кДж}$
$Q_2 = 50 \text{ кДж}$
$\text{Речовина} - ?$
$r - ?$
Розв’язання:
а) Визначення речовини

З графіка видно, що процес кипіння (горизонтальна ділянка) 
 відбувається за сталої температури 75 °С..
За табличними даними, таку температуру кипіння має етиловий спирт (етанол).
б) Визначення питомої теплоти пароутворення.
Кількість теплоти, витраченої на кипіння, дорівнює довжині горизонтальної ділянки графіка. На пароутворення було
витрачено:
$\Delta Q = Q_2 - Q_1 = 50 \text{ кДж} - 5 \text{ кДж} = 45 \text{ кДж} = 45000 \text{ Дж}$
Питома теплота пароутворення (r) знаходиться за формулою:
$r = \dfrac{\Delta Q}{m}$
Підставимо значення:
$r = \dfrac{45000 \text{ Дж}}{0,05 \text{ кг}} = 900000 \text{ Дж/кг} = 0,9 \text{ МДж/кг}$
Відповідь: а) речовина — етиловий спирт; б) питома теплота пароутворення становить 0,9 МДж/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:
$m = 10 \text{ кг}$
$t_1 = 0 \text{ °С}$
$t_2 = 100 \text{ °С}$
$\lambda = 332 \cdot 10^3 \text{ Дж/кг}$
$c = 4200 \text{ Дж/(кг °С)}$
$r = 2,3 \cdot 10^6 \text{ Дж/кг}$
$\Delta U - ?$
Розв’язання: 

Плавлення льоду при 0 °С:
$Q_1 = \lambda \cdot m$
Нагрівання води від 0 °С до 100 °С:
$Q_2 = c \cdot m \cdot (t_2 - t_1)$
Пароутворення води при 100 °С:
$Q_3 = r \cdot m$
Загальна кількість теплоти:
$Q_{заг} = Q_1 + Q_2 + Q_3 = \lambda \cdot m + c \cdot m \cdot \Delta t + r \cdot m = m(\lambda + c \cdot \Delta t + r)$
Розрахуємо кількість теплоти для кожного етапу:
$Q_1 = 332 \cdot 10^3 \text{ Дж/кг} \cdot 10 \text{ кг} = 3,32 \cdot 10^6 \text{ Дж}$
$Q_2 = 4200 \text{ Дж/(кг °С)} \cdot 10 \text{ кг} \cdot (100-0)\text{°С} = 4,2 \cdot 10^6 \text{ Дж}$
$Q_3 = 2,3 \cdot 10^6 \text{ Дж/кг} \cdot 10 \text{ кг} = 23 \cdot 10^6 \text{ Дж}$
Тепер знайдемо загальну кількість теплоти:
$Q_3 = 3,32 \cdot 10^6 \text{ Дж} + 4,2 \cdot 10^6 \text{ Дж} + 23 \cdot 10^6 \text{ Дж} = 30,5 \cdot 10^6 \text{ Дж} = 30,52 \text{ МДж}$

 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, бо вода в пробірці ще не нагрілася до 100 °С.

У нашому випадку, вода навколо пробірки має температуру 100 °C, і вода всередині пробірки теж поступово нагріється до 100 °C. Але! Щоб почалося кипіння, потрібен «поштовх» — тобто ще більше тепла. А оскільки вода навколо вже не гарячіша за ту, що в пробірці, цей «поштовх» не відбувається. Тому вода в пробірці може стати дуже гарячою, але кипіти не буде.

7. Дізнайтеся про практичне застосування кипіння.

Готування їжі — під час кипіння вода переходить у пару, що дозволяє ефективно приготовляти їжу.

Стерилізація та дезінфекція — кип’ятіння є фізичним способом дезінфекції, при високих температурах знищуються бактерії. Це застосовується в медицині, харчовій промисловості за допомогою автоклавів.

Розгонка сумішей — різні температури кипіння речовин використовують у техніці для розподілу компонентів, наприклад, при переробці нафти на бензин, гас та інші нафтопродукти.

Теплові двигуни - у парових турбінах на теплових та атомних електростанціях для обертання генераторів використовують енергію водяної пари, утвореної внаслідок кипіння.