Фізика. Повторне видання. 8 клас. Барʼяхтар (2025)
§ 22. Кипіння. Питома теплота пароутворення
ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ. Уявіть, що вам потрібно швидко відварити картоплю. Ви поклали її в каструлю, налили воду й поставили каструлю на плиту. Щоб вода закипіла швидше, ви робите потужність нагрівника максимальною. Вода закипіла. А що далі? Чи можна тепер зменшити потужність нагрівника? Чи потрібно закрити каструлю кришкою? Обґрунтуйте свою відповідь.
1. Чому і як кипить рідина?
Проведемо експеримент. Колбу з водою закріпимо в лапці штатива й щільно закоркуємо корком із двома отворами. В один отвір вставимо трубку для виходу пари, у другий помістимо термометр (рис. 22.1). Почнемо нагрівати воду.
Рис. 22.1. Пристрій для спостереження та вивчення процесу кипіння рідини: 1 — скляна колба; 2 — гумовий корок з отворами; 3 — трубка для відведення пари; 4 — термометр
За якийсь час дно та стінки колби вкриються бульбашками (рис. 22.2, а), які утворені розчиненими у воді газами та водяною парою*. Зі зростанням температури тиск газу всередині бульбашок теж зростає, і щойно він перевищить зовнішній тиск, бульбашки почнуть збільшуватися.
* Насправді мікробульбашки газу в рідині є завжди, проте помітними вони стають тільки за досить високої температури.
Після досягнення бульбашкою певного об’єму архімедова сила «відриває» її від дна посудини й бульбашка піднімається (рис. 22.2, 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 схлопуються. Цей процес супроводжується шумом і утворенням численних дрібних бульбашок. Вода стає каламутною.
Рис. 22.2. Спостереження процесу закипання води
Коли рідина прогріється, бульбашки, піднімаючись, увесь час збільшуватимуться в об’ємі, адже весь час усередину бульбашок активно випаровується вода (рис. 22.2, в). Досягнувши поверхні рідини, бульбашки лопаються й викидають назовні значну кількість водяної пари (рис. 22.2, г). Вода при цьому вирує та клекоче — ми кажемо, що вона закипіла. Термометр у цей момент показує температуру 100 °С.
Кипіння — це процес пароутворення, який відбувається в усьому об'ємі рідини та супроводжується утворенням і зростанням бульбашок пари.
2. 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, після того як рідина закипить, доцільно зменшити потужність нагрівника?
З’ясуймо, від чого залежить температура кипіння рідини. Спочатку припинимо вихід пари з колби, міцно затиснувши трубку, яка відводить пару (рис. 22.3). 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. 22.3. У разі затиснення трубки для відведення пари тиск усередині колби збільшується, і це приводить до підвищення температури кипіння рідини
Якщо в колбу налити теплу воду і за допомогою помпи почати відкачувати з колби повітря, вода закипить (рис. 22.4), але вже за температури, нижчої від 100 °С. Зі зменшенням зовнішнього тиску температура кипіння рідини знижується.
Рис. 22.4. Спостереження зниження температури кипіння води за умови зменшення зовнішнього тиску
ДОСЛІДЖЕННЯ
Що знадобиться: одноразовий шприц без голки; посудина з теплою водою.
Заповніть шприц водою приблизно наполовину. Щільно затуліть отвір пальцем. Повільно витягуйте поршень і спостерігайте за кипінням води. Поясніть спостережуване явище.
Спостерігаючи кипіння різних 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 1.
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.
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
На заставці до § 22 зображено автоклав, призначений для стерилізації медичних інструментів.
Автоклави також використовують для приготування їжі, стерилізації продуктів, виготовлення будівельних матеріалів тощо. Добре відома каструля-скороварка — це побутовий автоклав.
Завдяки герметичній кришці водяна пара, яка утворюється внаслідок інтенсивного випаровування води, не виходить назовні, а створює над поверхнею води додатковий тиск. Саме тому температура кипіння води в такому пристрої сягає 135 °С.
3. Що характеризує питома теплота 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. Досліди показують: кількість теплоти, необхідна для перетворення рідини на пару, залежить від роду рідини.
Питома теплота пароутворення — це фізична величина, що характеризує 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 (або L), визначають дослідним шляхом (див. задачу в п. 4) і заносять до таблиць (див. табл. 5 Додатка 1).
Одиниця питомої теплоти пароутворення в СІ — джоуль на кілограм:
Щоб обчислити кількість теплоти, необхідну для перетворення рідини на пару за незмінної температури, потрібно питому теплоту пароутворення цієї рідини помножити на її масу:
Q = rm,
Питома теплота пароутворення
r — питома теплота пароутворення, Дж/кг
Q — кількість теплоти, що необхідна для перетворення рідини на пару або виділяється під час конденсації, Дж
m — маса речовини, кг
Якщо перед трубкою для відведення пари помістити якийсь холодний предмет, то пара конденсуватиметься на ньому (рис. 22.5). Ретельні вимірювання показують, що в ході конденсації пари виділяється та сама кількість теплоти, що йде на утворення цієї пари: Q = rm.
Рис. 22.5. Дослід, що демонструє конденсацію пари
4. Учимося розв’язувати задачі
Задача. 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. рисунок). 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.
А ЯК НАСПРАВДІ?
Учениця поставила в інтернеті запитання: «Чому опік парою болючіший і сильніший за опік окропом»?
Ось деякі відповіді:
«Окріп має температуру до 100 градусів, а пара понад 100».
«Пара — це газ, яким неможливо обпектися».
«Окріп потрапляє лише на невелику ділянку руки, а пара обтікає руку повністю».
«Пара не лише охолоджується, а ще й конденсується».
«А ви перевіряли? Звідки така інформація? Я знаю, що опік окропом болючіший за опік парою».
З якою відповіддю ви погодилися б? Чому?
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Що таке кипіння? 2. Які явища спостерігаються в рідині під час кипіння? 3. Яка сила змушує бульбашку газу підніматися на поверхню рідини? 4. Від яких чинників залежить температура кипіння рідини? 5. На що витрачається енергія, яку одержує рідина під час кипіння? 6. Що називають питомою теплотою пароутворення?
ВПРАВА № 22
1. Відомо, що температура кипіння води на вершині гори Еверест становить близько 70 °С. Як ви вважаєте, 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. 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.
Рис. 1
5. На скільки збільшиться внутрішня енергія 10 кг льоду, узятого за температури 0 °С, внаслідок перетворення його на пару, що має температуру 100 °С?
6. У посудину з водою, що кипить, помістили відкриту пробірку з водою (рис. 2). Чи кипить вода в пробірці?
Рис. 2
7. Дізнайтеся про практичне застосування кипіння.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ
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.
Ключові терміни
Кипіння • Питома теплота пароутворення • Конденсація • Автоклав
