Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар

§ 14. Кипіння. Питома теплота пароутворення

До якої температури можна нагріти воду? Чи є сенс збільшувати потужність пальника, щоб прискорити готування борщу? Як закип’ятити воду за допомогою снігу? На всі ці запитання ви зможете відповісти самі після вивчення цього параграфа.

1. Знайомимося з процесом кипіння

Проведемо експеримент. Закріпимо колбу з водою в лапці штатива і щільно закоркуємо, лишивши в корку два отвори. В один отвір вставимо трубку для виходу пари, у другий помістимо термометр (рис. 14.1). Почнемо нагрівати воду в колбі.

Через якийсь час дно та стінки колби вкриються бульбашками (рис. 14.2, а), які утворені розчиненими у воді газами та водяною парою*. Річ у тім, що зі збільшенням температури розчинність газів зменшується і «зайвий» газ виділяється всередину бульбашок, також усередину бульбашок випаровується вода. Зі зростанням температури тиск газу всередині бульбашок теж зростає, і щойно він перевищить зовнішній тиск, бульбашки почнуть збільшуватися.

Після досягнення бульбашкою певного об’єму архімедова сила відриває її від дна посудини й бульбашка піднімається (рис. 14.2, б). На місцях бульбашок, що відірвалися, залишається невелика кількість газу — зародки нових бульбашок.

Верхні шари рідини певний час холодніші за нижні, тому у верхніх шарах водяна пара в бульбашках конденсується і бульбашки різко зменшуються в об’ємі — схлопуються. Цей процес супроводжується шумом і утворенням численних дрібних бульбашок. Вода стає каламутною — говорять, що вона «кипить білим ключем».

Коли рідина прогріється (температури верхніх і нижніх шарів зрівняються), бульбашки, піднімаючись, уже не зменшуватимуться в об’ємі, а навпаки, збільшуватимуться, адже весь час усередину бульбашок активно випаровується вода (рис. 14.2, в). Досягнувши поверхні рідини, бульбашки лопаються і викидають назовні значну кількість водяної пари (рис. 14.2, г). Вода при цьому вирує і клекоче — ми кажемо, що вона закипіла. Термометр у цей момент показує температуру 100 °С.

Рис. 14.1. Пристрій для спостереження та вивчення процесу кипіння рідини: 1 — скляна колба; 2 — гумовий корок з отворами; 3 — трубка для відведення водяної пари; 4 — термометр

Рис. 14.2. Спостереження процесу закипання води

* Насправді мікробульбашки газу в рідині є завжди, проте помітними вони стають тільки за досить високої температури.

Кипіння — це процес пароутворення, який відбувається в усьому об’ємі рідини та супроводжується утворенням і зростанням бульбашок пари.

2. З’ясовуємо, від чого залежить температура кипіння

Продовжимо експеримент (див. пункт 1 параграфа). Будемо нагрівати далі воду, що вже кипить, і спостерігати за показами термометра. Побачимо, що стовпчик термометра застиг на позначці 100 °С. Отже, під час кипіння температура рідини не змінюється.

Температуру, за якої рідина кипить, називають температурою кипіння.

Чому під час готування їжі (рис. 14.3), після того як рідина закипить, доцільно зменшити потужність нагрівника?

З’ясуємо, від чого залежить температура кипіння рідини. Спочатку припинимо вихід пари з колби, міцно затиснувши трубку, яка відводить пару (рис. 14.4). Пара збиратиметься над поверхнею води, тиск над рідиною збільшиться, кипіння на якийсь час припиниться, а температура рідини почне підвищуватися. Отже, температура кипіння залежить від зовнішнього тиску. Зі збільшенням зовнішнього тиску температура кипіння рідини зростає (рис. 14.5).

Якщо в колбу налити теплу воду і за допомогою насоса почати відкачувати з колби повітря, через деякий час на внутрішній поверхні колби побачимо бульбашки газу. Якщо відкачувати повітря й далі, вода закипить (рис. 14.6), але вже за температури, нижчої від 100 °С. Зі зменшенням зовнішнього тиску температура кипіння рідини знижується.

Рис. 14.3. До запитання в § 14

Рис. 14.4. У разі затиснення трубки для відведення пари тиск усередині колби збільшується, і це приводить до підвищення температури кипіння рідини

Рис. 14.5. Каструля-скороварка: завдяки клапанам і герметичній кришці підтримується високий тиск у просторі над рідиною, тому температура кипіння води в такій каструлі становить близько 120 °С

Рис. 14.6. Спостереження зниження температури кипіння води за умови зменшення зовнішнього тиску

Спостерігаючи кипіння інших рідин, наприклад спирту, олії, ефіру, можна помітити, що за однакового тиску вони киплять за різних температур, які відрізняються від температури кипіння води. Тобто температура кипіння залежить від роду рідини. Про температуру кипіння деяких рідин за нормального атмосферного тиску ви можете дізнатися з табл. 4 Додатка.

Температура кипіння також залежить від наявності в рідині розчиненого газу. Якщо довго кип’ятити воду, в такий спосіб видаливши з неї розчинений газ, то повторно за нормального тиску цю воду можна буде нагріти до температури, яка перевищує 100 °С. Таку воду називають перегрітою*.

3. Вводимо поняття питомої теплоти пароутворення

Процес кипіння — це процес переходу рідини в пару, і цей процес іде з поглинанням енергії. Тому для підтримування кипіння до рідини потрібно підводити певну кількість теплоти. Ця енергія йде на розривання міжмолекулярних зв’язків і утворення пари.

Досліди показують: кількість теплоти, необхідна для перетворення рідини на пару, залежить від роду рідини.

Питома теплота пароутворення — це фізична величина, що характеризує певну речовину й дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати рідині масою 1 кг, щоб за незмінної температури перетворити її на пару.

Питому теплоту пароутворення позначають символом r** і обчислюють за формулою:

де Q — кількість теплоти, отримана рідиною; m — маса одержаної пари.

Із формули для визначення питомої теплоти пароутворення дістанемо одиницю цієї величини в CI — джоуль на кілограм:

Питому теплоту пароутворення визначають дослідним шляхом (рис. 14.7) і заносять до таблиць (див. табл. 5 Додатка).

* Аналогічно за відсутності центрів кристалізації можна отримати переохолоджену воду, температура якої менша від 0 °С.

** Для позначення питомої теплоти пароутворення використовують також символ L.

Рис. 14.7. Дослід із визначення питомої теплоти пароутворення води (див. задачу 2 у пункті 5 § 14)

4. Обчислюємо кількість теплоти, яка необхідна для пароутворення або виділяється в ході конденсації

Щоб обчислити кількість теплоти, необхідну для перетворення рідини на пару за незмінної температури, слід питому теплоту пароутворення цієї рідини помножити на її масу:

Якщо перед трубкою для відведення пари помістити якийсь холодний предмет, то пара конденсуватиметься на ньому (рис. 14.8). Ретельні вимірювання показують, що в ході конденсації пари виділяється та сама кількість теплоти, що йде на утворення цієї пари.

Рис. 14.8. Дослід, що демонструє конденсацію пари

5. Учимося розв’язувати задачі

Задача 1. Яка кількість теплоти необхідна, щоб довести до кипіння й повністю випарувати 3 кг води, взятої за температури 0 °С?

Аналіз фізичної проблеми. Побудуємо схематичний графік залежності температури води від часу нагрівання (рис. 14.9).

У перший момент температура води (t₀) була 0 °С — точка О на графіку. У ході нагрівання температура води збільшуватиметься прямо пропорційно кількості отриманої теплоти Q₁, а отже, і часу нагрівання (ділянка ОА). Нагрівшись до 100 °С (температура кипіння води), вода починає кипіти, і її температура не буде змінюватися доти, доки вся вода не випарується (ділянка АВ графіка). Вода при цьому одержує певну кількість теплоти Q₂. Питому теплоємність с води і питому теплоту пароутворення r знайдемо відповідно в табл. 1, 5 Додатка.

Рис. 14.9. До задачі в § 14

Задача 2. Під час досліду з визначення питомої теплоти пароутворення води водяна пара, що має температуру 100 °С, надходить до калориметра, в якому міститься 500 г води за температури 20 °С (див. рис. 14.7). Після закінчення досліду температура води в калориметрі становила 50 °С, а її маса збільшилася на 25 г. За даними досліду обчисліть питому теплоту пароутворення води. Вважайте, що теплообмін із довкіллям відсутній.

Підбиваємо підсумки

Процес пароутворення, який відбувається в усьому об’ємі рідини та супроводжується утворенням і зростанням бульбашок пари, називають кипінням.

Температура кипіння рідини залежить від зовнішнього тиску, роду рідини та наявності розчинених у рідині газів.

Питома теплота пароутворення — це фізична величина, що характеризує певну речовину й дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати рідині масою 1 кг, щоб за незмінної температури перетворити її на пару.

Кількість теплоти, яка необхідна для перетворення рідини на пару, дорівнює кількості теплоти, яку виділяє ця пара, конденсуючись. Цю кількість теплоти обчислюють за формулою Q = rm.

Контрольні запитання

1. Що таке кипіння? 2. Які явища спостерігаються в рідині перед тим, як вона починає кипіти? 3. Яка сила змушує бульбашку газу підніматися на поверхню рідини? 4. Чи змінюється температура рідини під час кипіння? 5. Від яких чинників залежить температура кипіння рідини? 6. На що витрачається енергія, яку одержує рідина під час кипіння? 7. Що називають питомою теплотою пароутворення? 8. За якою формулою можна обчислити кількість теплоти, яка поглинається під час пароутворення або виділяється під час конденсації?

Вправа №14

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

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

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

4. Чому опік парою є небезпечнішим, ніж опік окропом?

5. На скільки збільшиться внутрішня енергія 10 кг льоду, узятого за температури 0 °С, у результаті перетворення його на пару, що має температуру 100 °С?

6. У каструлі з водою, що кипить, розміщено відкриту колбу з водою. Чи кипить вода в колбі?

7. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про практичне застосування кипіння.

Експериментальні завдання

1. У прозору скляну пляшку обережно налийте невелику кількість гарячої води. Погойдайте воду в пляшці, збільшуючи таким чином площу вільної поверхні води, а отже, швидкість випаровування. Новоутворена пара витисне з пляшки частину повітря. Щільно закоркуйте пляшку, переверніть і остудіть її дно за допомогою холодної води або снігу. Вода в пляшці закипить. Поясніть це явище.

2. Візьміть одноразовий шприц без голки, приблизно наполовину заповніть його теплою водою. Щільно затуліть отвір пальцем. Повільно витягайте поршень та спостерігайте за кипінням води (див. рисунок). Поясніть спостережуване явище.