DlyaIvanki / Конспекти 8 клас / Урок 59 Кипение Удельная теплота парообразования

Урок 17/59. Кипіння. Питома теплота пароутворення.

Мета уроку: ознайомити учнів з явищем кипіння; навчити пояснювати процес кипіння на підставі молекулярно-кінетичної теорії.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

План уроку

Контроль знань	5 хв	1. Що таке випаровування? За якої температури воно може відбуватися? 2. Чому при випаровуванні температура рідини знижується? 3. Що таке конденсація? 4. Від чого залежить швидкість випаровування?
Демонстрації	5 хв	1. Сталість температури кипіння. 2. Кипіння води при підвищеному й зниженому тисках.
Вивчення нового матеріалу	23 хв	1. Кипіння як різновид пароутворення. 2. Температура кипіння. 3. Питома теплота пароутворення. 4. Рівняння теплового балансу для випаровування й конденсації.
Закріплення вивченого матеріалу	12 хв	1. Контрольні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі. 3. Поміркуй і відповідай

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Кипіння як різновид пароутворення

Будемо нагрівати воду у відкритій посудині, періодично вимірюючи її температуру. Через певний час ми помітимо появу у воді численних бульбашок. Бульбашки виникають завдяки тому, що у воді міститься розчинене у ній повітря. У ці бульбашки випаровується рідина. Зі збільшенням температури усередині бульбашок пари більшатиме, а отже, її тиск збільшиться. Бульбашки стають крупнішими й під дією виштовхувальної сили піднімаються до поверхні води.

Коли вся вода прогріється до температури 100 °C, бульбашки, що піднялися догори, лопаються, викидаючи пару назовні. Ми говоримо, що вода закипіла.

• Кипінням називають процес бурхливого пароутворення, що йде по всьому об’єму рідини.

Розуміння особливостей кипіння буде більше повним при порівнянні його з випаровуванням. Учні повинні чітко представляти, що спільного між кипінням і випаровуванням й у чому полягає істотне розходження між ними. Кипіння, як і випаровування,— це пароутворення. Випаровування відбувається з поверхні рідини за будь-якої температури й будь-якого зовнішнього тиску, а кипіння — це пароутворення по всьому об’єму рідини за певної для кожної речовини температури, що залежить від зовнішнього тиску.

Досліди показують, що під час кипіння температура рідини й пара над її поверхнею однакова й залишається постійною до повного википання рідини.

2. Температура кипіння

Якщо атмосферний тиск не міняється, то поза залежністю від способу й швидкості нагрівання кожна рідина завжди кипить за строго певної температури. Тому температура кипіння — одна з характеристик речовини.

• Температуру, за якої рідина кипить, називають температурою кипіння.

Кожна речовина має свою температуру кипіння. Деякі речовини, які за звичайних умов є газами, при достатньому охолодженні перетворюються на рідину, що кипить при дуже низькій температурі. Рідкий кисень, наприклад, при атмосферному тиску кипить при температурі −183 °C. Речовини, які за звичайних умов перебувають у твердому стані, перетворюються при плавленні на рідину, що кипить за дуже високої температури. Наприклад, свинець кипить при 1740 °C, а залізо — при 2750 °C.

Зовнішній тиск перешкоджає росту бульбашок пари усередині рідини, тому при підвищеному тиску рідина кипить за більш високої температури, а при зменшенні цього тиску температура кипіння знижується.

Справа в тому, що бульбашки починають рости тільки тоді, коли тиск усередині бульбашки стає набагато більшим, ніж зовнішній тиск. Тобто, чим більший зовнішній тиск, тим за більш високої температури кипить рідина.

Наприклад, у каструлях-скороварках їжу варять під тиском близько 2·10⁵ Па. Температура кипіння води при цьому досягає 120 °C. Процес «варення» їжі у воді такої температури відбувається значно швидше, ніж у звичайному окропі.

Відкачуючи повітря з-під дзвона повітряного насоса, тобто зменшуючи тиск, можна «змусити» воду закипіти навіть за кімнатної температури. А оскільки внаслідок інтенсивного пароутворення вода охолоджується, вона, продовжуючи кипіти, може навіть почати замерзати.

Цим пояснюється той факт, що в горах вода кипить за набагато нижчої температури, ніж за нормальних умов. У високогірних місцевостях, наприклад на висоті 5–6 км (вершина Ельбрусу) атмосферний тиск становить приблизно 4,7·10⁵ Па, тобто половину нормального атмосферного тиску. Вода кипить там при температурі 80 °C. Зварити м’ясо за цих умов неможливо.

3. Питома теплота пароутворення

Щоб температура рідини в процесі випаровування не зменшувалася, необхідно в процесі випаровування увесь час підводити до рідини тепло. На що ж витрачається енергія, що підводиться, якщо температура (а отже, і середня кінетична енергія молекул) не змінюється?

Вона витрачається в основному на розрив зв’язків між молекулами при перетворенні рідини на пару. Оскільки для «відривання» молекул одна від одної необхідно виконати роботу, потенціальна енергія взаємодії молекул збільшується.

Причому різні рідини однієї й тієї ж маси потребують різної кількості теплоти для перетворення їх у пару за температури кипіння. Для характеристики енергетичних витрат на випаровування рідин уводиться поняття питомої теплоти пароутворення.

• Питомою теплотою пароутворення називають фізичну величину, що чисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати 1 кг рідини, щоб повністю перетворити її на пару за постійної температури.

Питома теплота пароутворення позначається буквою L й вимірюється в Дж/кг.

У таблиці зазначено, що питома теплота пароутворення, наприклад, у води 2,3 МДж/кг. Це означає, що для обернення на пару 1 кг води, узятої при постійній температурі, необхідно затратити 2,3 МДж теплоти.

Щоб знайти кількість теплоти, необхідну для перетворення на пару будь-якої маси рідини m, узятої за температури кипіння, можна скористатися формулою:

Кількість теплоти, що виділяється при конденсації пари аналогічної маси, визначається за цією ж формулою.

4. Рівняння теплового балансу для випаровування й конденсації

Якщо рідину спочатку потрібно нагріти до температури кипіння, а потім перетворити на пару, то загальна кількість теплоти дорівнює:

Якщо для того, щоб рідину нагріти до температури кипіння, а потім перетворити на пару, необхідно спалити деяку масу палива ( m_п ), то рівняння теплового балансу має вигляд:

або

Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу

1. Які явища спостерігаються в рідині, перш ніж рідина починає кипіти?

2. Які сили діють на бульбашку повітря, наповнену парою, коли вона перебуває усередині рідини?

3. Чому в таблицях температура кипіння речовин зазначена за нормального атмосферного тиску?

4. На що витрачається енергія, що підводиться до рідини при кипінні?

5. Чи стає рідина «гарячішою» у процесі кипіння?

6. Що таке питома теплота пароутворення? Який її фізичний зміст?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1. Навчаємося розв’язувати задачі

1. Скільки гасу потрібно спалити, щоб випарувати 1 л води, що має температуру 20 °C?

2. У калориметрі знаходиться вода масою m_в = 1 кг за температури t_в = 20 °C. Скільки пари, що має температуру t_п =100 °C, потрібно впустити в калориметр, щоб температура в ньому підвищилася до t = 40 °C?

Розв’язок. Відповідно до рівняння теплового балансу де а — віддана парою кількість теплоти. В останній формулі враховано, що вода, яка утворилася в результаті конденсації пари, буде віддавати тепло при остиганні. Звідси

Перевіряємо одиниці величин:

Обчислюємо масу пари:

Відповідь: 33 г.

3. Яка кількість теплоти виділиться при конденсації 50 г водяної пари, що має температуру 100 °C, й охолодженні води, що утворилася, до температури 60 °C?

4. У посудині знаходиться вода, узята за температури 0 °C. Відкачуючи повітря з посудини, воду заморозили за допомогою власного випаровування. Яка частина води випарувалася? Питома теплота пароутворення води при 0 °C дорівнює 2,5·10⁶ Дж/кг.

2. Поміркуй і відповідай

1. Як спричинити кипіння води, не нагріваючи її?

2. Питома теплота пароутворення води значно більша, ніж ефіру. Чому ж ефір, налитий на руку, викликає набагато сильніше відчуття холоду?

3. Посудину з водою виносять із орбітальної станції у відкритий космос. Що відбуватиметься з водою, якщо посудину відкрити?

4. Пароутворення при кипінні відбувається за постійної температури, а пароутворення при випаровуванні — зі зниженням температури. Чим обумовлена така різниця?

Розв’язок. У першому випадку пароутворення відбувається за рахунок енергії нагрівача, у другому — за рахунок внутрішньої енергії рідини.

5. Кружка з водою плаває в каструлі, що стоїть на вогні. Чи закипить вода в кружці?

6. Чи можна скип’ятити воду, підігріваючи її парою при температурі 100 °C? Атмосферний тиск уважати нормальним.

Домашнє завдання-1

1. У-1: § 27 (п. 2, 3).

2. Сб-1:

рів1 — № 30.4, 30.10, 30.13, 30.14, 30.16.

рів2 — № 30.24, 30.25, 30.39, 30.41, 30.42.

рів3 — № 30.51, 30.53, 30.60, 30.61, 30.62.

Домашнє завдання-2

1. У-2: § 47 (п.1 – 4).

2. Сб-2:

рів1 — № 33.6, 33.7, 33.8, 33.9, 33.10.

рів2 — № 33.21, 33.22, 33.26, 33.29, 33.30.

рів3 — № 33.36, 33.37, 33.43, 33.46, 33.47.

Джерела:

1. Усі уроки фізики. 8 клас./ Кирик Л. А.— Х.: Вид. група «Основа», 2008.— 352 с.

2. Сайти: fizika.ru