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

Знайти:
$Q=?$.

Розв’язання:

для пароутворення використовуємо

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

Відповідь: $23\\,\text{МДж}$.

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

Знайти:
$r-?$

Розв’язання:

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

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

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

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

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:

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

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

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

Знайдемо суму:

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

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, 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.