Фізика. 8 клас. Головко

§ 13. Розрахунок кількості теплоти при пароутворенні та конденсації

• Питома теплота пароутворення та конденсації
• Розрахунок кількості теплоти при пароутворенні та конденсації

ПИТОМА ТЕПЛОТА ПАРОУТВОРЕННЯ ТА КОНДЕНСАЦІЇ. Ви вже знаєте, що процес пароутворення пов’язаний з підвищенням температури речовини й, відповідно, зі збільшенням її внутрішньої енергії. Тобто для перетворення рідини в пару потрібно речовині надати певну теплову енергію. Експериментально встановлено, що кількість теплоти, необхідна для перетворення рідини на пару, залежить від молекулярної будови речовини та характеризується питомою теплотою пароутворення.

Питомою теплотою пароутворення називають фізичну величину, що характеризує кількість теплоти, потрібну для перетворення рідини масою 1 кг без зміни її температури в пари.

Питому теплоту пароутворення позначають літерою r. У СІ питому теплоту пароутворення вимірюють у джоулях, поділених на кілограм

Питому теплоту пароутворення визначають експериментально за допомогою калориметра. У табл. 13.1. наведено значення питомої теплоти пароутворення для певних речовин.

Таблиця 13.1

Питома теплота пароутворення деяких речовин, при t° кипіння й нормальному атмосферному тиску

Для визначення величини питомої теплоти пароутворення речовини за сталої температури та атмосферного тиску потрібно кількість теплоти Q, витрачену на випарування рідини масою т, розділити на масу рідини:

З даних табл. 13.1 бачимо, що, наприклад, для випаровування 1 кг спирту при температурі кипіння (78 °С) потрібно витратити 900 кДж енергії, а для випаровування 1 кг ртуті при температурі кипіння (357 °С) — 290 кДж. Отже, для випаровування однакових мас рідин при температурі кипіння необхідно витратити різну кількість теплоти. Питома теплота пароутворення речовини залежить також від температури та тиску.

За температури, яка дорівнює або менша від температури випаровування, пара конденсується. При цьому вивільнюється енергія, поглинута речовиною під час утворення пари. Досліди показують, що, конденсуючись, пара віддає стільки енергії, скільки вона отримала під час пароутворення. Тому питома теплота конденсації дорівнює питомій теплоті пароутворення (див. табл. 13.1).

РОЗРАХУНОК КІЛЬКОСТІ ТЕПЛОТИ ПРИ ПАРОУТВОРЕННІ ТА КОНДЕНСАЦІЇ. Питома теплота пароутворення характеризує кількість теплоти, необхідну для повного перетворення в пару певної речовини. Щоб випарувати 10 кг цієї речовини, потрібно надати ій теплову енергію в 10 разів більшу. Наприклад, для перетворення води масою 10 кг, взятої при температурі кипіння, на пару потрібно витратити кількість теплоти Q = 2,3 МДж/кг · 10 кг = 23 МДж.

У загальному випадку кількість теплоти, яку необхідно витратити, щоб повністю перетворити в пару т кг речовини, розраховують за формулою:

Q = rm. (13.2)

Із цієї формули за відомими значеннями кількості теплоти, витраченої на перетворення рідини в пару, та питомої теплоти пароутворення можна визначити масу рідини:

Якщо потрібно повністю перетворити в пару рідину, що має температуру t нижчу, ніж температура кипіння, її спочатку необхідно нагріти до температури кипіння t_кип, надавши їй кількість теплоти Q₁ = cm(t_кип - t), а потім додатково надати кількість теплоти, потрібну для пароутворення при температурі кипіння Q₂ = rm.

Отже, кількість теплоти, необхідна для перетворення в пару рідини, взятої при температурі, нижчій за температуру кипіння, обчислюється за формулою:

Q = Q₁ + Q₂= cm(t_кип - t) + rm.

Під час конденсації та охолодження рідини до температури t речовина виділить таку саму кількість теплоти Q.

Тобто кількість теплоти, що виділяється під час конденсації пари певної маси, також визначається за формулою (13.2): Q = rm. Якщо речовина спочатку охолоджується, вона віддає кількість теплоти Q - cmΔt, де Δt характеризує зміну температури. Нагадаємо, що Δt обчислюють, віднімаючи від більшого значення температури менше.

Таким чином, під час охолодження та конденсації виділяється кількість теплоти, яку можна обчислити за формулою Q = cmΔt + rm.

Розв’язуючи задачі на процеси пароутворення та конденсації, потрібно дотримуватися алгоритму складання рівняння теплового балансу, що справедливо для будь-яких теплових процесів. Тобто в лівій частині записують суму кількості теплоти, яку отримують тіла, що беруть участь у тепловому процесі, а в правій — суму кількості теплоти, яку віддають тіла. При цьому необхідно враховувати певні особливості перебігу саме цих процесів. Зокрема:

1. Для випаровування рідини потрібно витратити певну кількість теплоти, тоді як під час конденсації виділяється деяка кількість теплоти.

2. Конденсація відбувається за певних фізичних умов, що визначаються температурою та тиском і вказуються в умові задачі.

3. На відміну від плавлення та кристалізації твердих тіл випаровування відбувається за будь-якої температури. Тому, розраховуючи кількість теплоти, необхідну для випаровування певної маси речовини, слід використати значення питомої теплоти пароутворення для заданої температури або взяти табличне значення для температури кипіння та врахувати, що для нагрівання рідини до цієї температури потрібно також витратити певну кількість теплоти: Q = Q₁ + Q₂ = cm(t_кип - t) + rm.

4. Під час охолодження речовини та її конденсації виділиться кількість теплоти Q = rm + cmΔt, де Δt характеризує зміну температури та обчислюється як різниця між більшим і меншим значеннями температури речовини.

ПРИКЛАДИ РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ЗАДАЧ НА ВИПАРОВУВАННЯ ТА КОНДЕНСАЦІЮ.

Задача 1. Яку кількість теплоти потрібно витратити, щоб 2 кг води, температура якої 20 °С, нагріти до температури кипіння та повністю випарувати за нормального атмосферного тиску?

Відповідь. Для нагрівання й випаровування 2 кг води, взятої за температури 20 °С, потрібно 5,272 МДж теплоти.

Задача 2. Яка кількість теплоти виділиться при конденсації 100 г водяної пари за температури 100 °С та подальшого охолодження води. Порівняйте її з кількістю теплоти, що виділиться при кристалізації води такої самої маси, взятої за температури 0 °С.

Головне в цьому параграфі

Фізичну величину, що показує, яку кількість теплоти необхідно надати рідині масою 1 кг, аби перетворити її в пару без зміни температури, називають питомою теплотою пароутворення.

Для обчислення кількості теплоти, яку необхідно витратити, щоб повністю випарувати т кг речовини, застосовують формулу Q = r • m.

Конденсуючись, пара віддає стільки ж енергії, скільки отримала під час пароутворення.

Запитання для самоперевірки

• 1. Що називають питомою теплотою пароутворення?
• 2. Від чого залежить питома теплота пароутворення?
• 3. Від чого залежить кількість теплоти, потрібна для пароутворення?
• 4. Як обчислити кількість теплоти, необхідну для перетворення рідини на пару?
• 5. Чому пара речовини має більшу внутрішню енергію, ніж сама речовина в рідкому стані за однієї й тієї самої температури?

Вправа до § 13

• 1(с). Яку енергію необхідно витратити, щоб 0,4 т скипидару, взятого при температурі кипіння, перетворити на пару? Питома теплота пароутворення скипидару 300 кДж/кг.
• 2(c). При конденсації парів ртуті виділилося 240 кДж теплоти. Визначте масу ртуті, якщо ртуть знаходиться за температури кипіння.
• З(д). Визначте кількість теплоти, яка виділиться під час теплового температурі кипіння, конденсуються, а потім рідина охолоджується до 18 °С.
• 4(д). Визначте кількість теплоти, потрібну для перетворення в пару 50 кг ртуті, яка перебуває у сталевій ванні масою 0,8 т, якщо початкова температура ванни зі ртуттю 17 °С.
• 5(в). У внутрішній посудині калориметра, виготовленій з алюмінію, масою 100 г, міститься 200 г льоду за температури -10 °С. Визначте, яку масу водяної пари за температури 100 °С потрібно ввести до калориметра, щоб увесь лід розтанув.