Что такое удельная теплота парообразования и как ее определить

Всем известно, что вода в чайнике закипает при температуре 100 ˚С. Но обращали ли вы внимание, что температура воды в процессе кипения не меняется? Вопрос – куда девается образующаяся энергия, если мы постоянно держим емкость на огне? Она уходит на преобразование жидкости в пар. Таким образом, для перехода воды в газообразное состояние требуется постоянное поступление теплоты. То, сколько ее нужно для преобразования килограмма жидкости в пар такой же температуры, определяется физической величиной, которая называется удельная теплота парообразования воды.

Физический смысл величины

Для кипения требуется энергия. Большая ее часть используется для разрыва химических связей между атомами и молекулами, в результате чего образуются пузырьки пара, а меньшая идет на расширение пара, то есть на то, чтобы образовавшиеся пузырьки могли лопнуть и выпустить его. Так как жидкость всю энергию вкладывает в переход в газообразное состояние, ее «силы» иссякают. Для постоянного возобновления энергии и продления кипения нужно подводить к емкости с жидкостью все новое и новое тепло. Обеспечить его приток может кипятильник, газовая горелка либо любой другой нагревательный прибор. Во время кипения температура жидкости не растет, идет процесс образования пара такой же температуры.

Разным жидкостям требуется разное количество теплоты для перехода в пар. Какое именно – показывает удельная теплота парообразования.

Понять, как определяется эта величина, можно из примера. Берем 1 л воды и доводим ее до кипения. Затем замеряем количество тепла, понадобившегося для выпаривания всей жидкости, и получаем значение удельной теплоты парообразования для воды. Для других химических соединений этот показатель будет другим.

Читайте также:  Что вы знаете о температуре кипения воды?

В физике удельная теплота парообразования обозначается латинской буквой L. Измеряется она в джоулях на килограмм (Дж/кг). Вывести ее можно путем деления теплоты, израсходованной на испарение, на массу жидкости:

L =Q/m.

Данная величина очень важна для производственных процессов на основе современных технологий. Например, на нее ориентируются при производстве металлов. Оказалось, что если железо расплавить, а потом сконденсировать, при дальнейшем затвердении образуется более прочная кристаллическая решетка.

Чему равна

Значение удельной теплоты для различных веществ (r) определили в ходе лабораторных исследований. Вода при нормальном атмосферном давлении закипает при 100 °C, а теплота испарения воды составляет 2258,2 кДж/кг. Данный показатель для некоторых других веществ приведен в таблице:

Вещество t кипения, °C r, кДж/кг
Азот -196 198
Гелий -268,94 20,6
Водород -253 454
Кислород -183 213
Углерод 4350 50000
Фосфор 280 400
Метан -162 510
Пентан 36 360
Железо 2735 6340
Медь 2590 4790
Олово 2430 2450
Свинец 1750 8600
Цинк 907 1755
Ртуть 357 285
Золото 2 700 1 650
Этиловый спирт 78 840
Метиловый спирт 65 1100
Хлороформ 61 279

Однако этот показатель может изменяться под действием определенных факторов:

  1. Температура. При ее повышении теплота испарения уменьшается и может быть равной нулю.
    t, °C r, кДж/кг
    2500
    10 2477
    20 2453
    50 2380
    80 2308
    100 2258
    200 1940
    300 1405
    374 115
    374,15
  2. Давление. С понижением давления теплота парообразования растет, и наоборот. Температура кипения же прямо пропорциональна давлению и может достигать критического значения 374 °C.
    p, Па t кип., °C r, кДж/кг
    0,0123 10 2477
    0,1234 50 2380
    1 100 2258
    2 120 2202
    5 152 2014
    10 180 1889
    20 112 1638
    50 264 1638
    100 311 1316
    200 366 585
    220 373,7 184,8
    Критическое 221,29 374,15
  3. Масса вещества. Количество задействованной в процессе теплоты прямо пропорционально массе образовавшегося пара.

Соотношение испарения и конденсации

Физики выяснили, что на обратный испарению процесс – конденсацию – пар тратит ровно столько же энергии, сколько пошло на его образование. Это наблюдение подтверждает закон сохранения энергии.

В противном случае было бы возможно создание установки, в которой жидкость испарялась бы, а потом конденсировалась. Разница между теплотой, необходимой для испарения, и теплотой, достаточной для конденсации, приводила бы к накоплению энергии, которая могла бы быть использована для других целей. По сути, был бы создан вечный двигатель. Но это противоречит физическим законам, а значит, невозможно.

Как измеряется

  1. Удельная теплота испарения воды измеряется в физических лабораториях экспериментальным путем. Для этого используют калориметры. Процедура выглядит следующим образом:
  2. Определенное количество жидкости заливают в калориметр.
  3. Измеряют температуру воды.
  4. В калориметр осторожно пропускают пар исследуемого вещества из кипятильника (колба, подогреваемая снизу горелкой). Чтобы в прибор не попали капельки жидкости, используют сухопарник, в котором они собираются.
  5. Повторно измеряют температуру воды.
  6. Для вычисления массы сконденсированного пара калориметр периодически взвешивают.

Удельная теплота парообразования: Видео


Если жидкость разогреть до температуры кипения, то начнется процесс парообразования. Молекулы жидкости, получив дополнительную энергию, отрываются от поверхности и переходят в газообразное состояние. Это явление называется парообразованием. Обратный процесс, когда молекулы пара, потеряют излишки энергии и снова перейдут в жидкое состояние, называется конденсацией.

udelnaya-teplota-paroobrazovaniya.jpg

Удельная теплота парообразования

Удельной теплотой парообразования называется физическая величина равная количеству тепла, которое необходимо потратить, чтобы превратить жидкость массой 1 кг в пар. Обозначают эту единицу латинской буквой L. Формула удельной теплоты парообразования выглядит так:

$$L={Q over m}$$

где:

Q — количество тепла израсходованное на преобразование жидкости в пар, Дж;

m — масса жидкости, кг.

Значения L для разных веществ определяют экспериментально.

Зная L, можно вычислить количество тепла Q, которое необходимо сообщить телу массой m для его полного преобразования в пар:

$$Q={L*m}$$

fizika-61764-perehod-zhidkogo-sostoyaniya-veschestva-v-par.jpg

Рис. 1. Переход жидкого состояния вещества в пар.

В каких единицах измеряется удельная теплота парообразования

Удельная теплота парообразования в СИ (Международная система ) измеряется в джоулях на килограмм, Дж/кг. Для некоторых задач применяется внесистемная единица измерения – килокалория на килограмм, ккал/кг. Напомним, что 1 ккал = 4,1868 Дж.

После достижения точки кипения (температуры кипения) температура не возрастает, хотя тепло непрерывно поступает. Это объясняется тем, что после закипания почти все тепло идет на создание пара — разрыв молекулярных связей и отрыв от поверхности жидкости.

grafik-zavisimosti-temperatury-ot-vremeni-nagreva-e1559347529449.png

Рис. 2. График зависимости температуры от времени нагрева

Удельная теплота парообразования некоторых веществ

Информацию о значениях удельной теплоты парообразования для конкретного вещества можно найти в технических справочниках или в их электронных версиях на интернет-ресурсах. Обычно они приводятся в виде такой таблицы “Удельная теплота парообразования, L”

Вещество

105 * Дж/кг

ккал/кг

Вещество

105 * Дж/кг

ккал/кг

Аммиак

13,6

327

Скипидар

3

70

Вода

22,6

5,39

Спирт

8,5

204

Железо

0,58

13,9

Ртуть

3,0

71

Сероуглерод

3,5

84

Эфир

3,5

84

fizika-61764-grafik-zavisimosti-temperatury-kipeniya-zhidkosti-ot-davleniya.jpg

Рис. 3. График зависимости температуры кипения жидкости от давления.

Что мы узнали?

Мы узнали как определяется удельная теплота парообразования L. С помощью этой величины можно рассчитать количество тепла, требуемого для преобразования определенной массы жидкости в пар. Такие вычисления необходимо производить в промышленности, где в качестве теплоносителя используется пар, например на тепловых электростанциях.

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 5

    Процесс перехода жидкости в пар называется: ?</h3>

    • <label>Плавлением</label>
    • <label>Парообразованием</label>
    • <label>Кипением</label>
    • <label>Конденсацией</label>

(новая вкладка)

Парообразование – это в физике преобразование жидкого вещества в парообразное состояние. Данный процесс очень часто встречается в природе и в повседневной жизни — когда мы кипятим воду в чайнике, варим суп, либо наблюдаем высыхание луж на солнце. Парообразование бывает двух видов – кипение и испарение. Конденсация – процесс, прямо противоположный парообразованию, то есть превращение газообразного вещества в жидкое или твердое. Примером может служить образование тумана и облаков. О вышеперечисленных явлениях пойдет речь в отдельных статьях. Здесь мы более подробно остановимся на том, как образуется пар, что показывает удельная теплота парообразования и в чем она измеряется.

seagulls-828605_1280-1024x682.jpg

Процессы перехода воды в пар при кипении и при испарении значительно отличаются друг от друга. В первом случае пар образуется только при достижении определенной температуры кипения, разной для каждого жидкого вещества. Во втором случае достаточно преодоления порога температуры плавления. Отличия также затрагивают и область парообразования – при кипении пар образуется со всего объема жидкости, а при испарении только со свободной поверхности, граничащей непосредственно с кислородом и другими окружающими газами.

Рассмотрим более подробно кипение жидкостей в качестве примера образования пара. В процессе кипячения воде передается определенное количество теплоты, из-за чего растет внутренняя энергия молекул воды, они начинают хаотично перемещаться, сталкиваясь друг с другом, из-за чего вода начинает кипеть. В воде содержится большое количество элементов, в том числе и растворенные газы – в них и происходит выделение пара. Все видели, что при кипячении в воде образуется большое количество пузырьков. Внутри них находится именно пар, а не воздух. Количество пара постоянно увеличивается, пока пузырек не достигнет свободной поверхности и не лопнет, высвободив накопившийся пар. Этот процесс сопровождается характерным звуком – бурлением. Однако часто бывает, что пузырьки не успевают преодолеть путь до свободной поверхности – тогда они лопаются прямо в воде.

Формула парообразования

Парообразование – это физический процесс, измеряемый в определенной величине – удельной теплоте парообразования и конденсации. Эта характеристика показывает, сколько теплоты (Дж) нужно для преобразования всего объема жидкости (кг) в газообразное состояние. Единица измерения – Дж/кг. К примеру, удельная теплота парообразования воды составляет 2,3*106 Дж/кг. Если вода еще не кипит, то дополнительно требуется рассчитать количество теплоты, необходимое для нагревания до 100°С.

Предположим, что жидкость достигла температуры кипения. Чтобы рассчитать количество теплоты парообразования, необходимой для превращения 1 кг вещества в газообразное состояние, необходимо воспользоваться следующей формулой:

Q = L*m;

где Q – количество теплоты (Дж);

L – удельная теплота парообразования (Дж/кг);

m – масса жидкого вещества (кг).

Теперь вы знаете, что такое парообразование, каких видов оно бывает, как образуется пар, а также физический смысл удельной теплоты парообразования и конденсации.

ТолкованиеПереводУдельная теплота испарения</dt>

Уде́льная теплота́ испаре́ния (удельная теплота парообразования) — физическая величина, показывающая количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кгвещества, взятому при температуре кипения, чтобы перевести его из жидкого состояния в газообразное. Удельная теплота испарения измеряется в Дж/кг.

</dl>

Где  — удельная теплота испарения.

Удельная теплота испарения некоторых веществ: [1]

Вещество Удельная теплота испарения (кДж/кг)
Вода 2260
Водород 448
Азот 199
Этиловый спирт 905
Ртуть 282

Источники

  1. Теплота испарения (рус.) : таблица теплоты испарения веществ.

Категория:

  • Термодинамика

Wikimedia Foundation. 2010.

</dd></dl>

Смотреть что такое «Удельная теплота испарения» в других словарях:

  • теплота сгорания — [heat value] теплота горения, теплотворная способность, теплотворность, теплопроизводительность, калорийность количество теплоты, выделенное при полном cгании топлива; измеряется в Дж. Теплота сгорания единицы массы или объема топлива называют… …   Энциклопедический словарь по металлургии

  • низшая теплота сгорания — 2.2 низшая теплота сгорания (inferior calorific value): Количество теплоты, которое может выделиться при полном сгорании в воздухе определенного количества газа таким образом, что давление p1, при котором протекает реакция, остается постоянным,… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Бензин — (Petrol) Бензин это самое распространенное топливо для большинства видов транспорта Подробная информация о составе, получении, хранении и применении бензина Содержание >>>>>>>>>>>>>> …   Энциклопедия инвестора

  • Пропиленгликоль — Пропиленгликоль …   Википедия

  • Метанол — Метанол …   Википедия

  • Индандион — Индан 1,3 дион …   Википедия

  • Алюминий — 13 Магний ← Алюминий → Кремний B ↑ Al ↓ Ga …   Википедия

  • Равновесие фаз — Фазовые переходы Статья я …   Википедия

  • Клаузиуса-Клапейрона уравнение — Фазовые переходы Статья является частью серии «Термодинамика». Понятие фазы Равновесие фаз Квантовый фазовый переход Разделы термодинамики Начала термодинамики Уравнение состояния …   Википедия

  • Правило фаз Гиббса — Фазовые переходы Статья является частью серии «Термодинамика». Понятие фазы Равновесие фаз Квантовый фазовый переход Разделы термодинамики Начала термодинамики Уравнение состояния …   Википедия

Используемые источники:

  • https://vseowode.ru/prosto-o-vode/udelnaya-teplota-paroobrazovaniya.html
  • https://obrazovaka.ru/fizika/udelnaya-teplota-paroobrazovaniya-formula.html
  • https://vodavomne.ru/svojstva-vody/paroobrazovanie-vody
  • https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/11103