Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
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 |
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.
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.
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. 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.
Питома теплота пароутворення позначається буквою L й вимірюється в Дж/кг.
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 ( mп ), то рівняння теплового балансу має вигляд:
або
Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу
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 mв = 1 кг за температури tв = 20 °C. Скільки пари, що має температуру tп =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.