Приборы и принадлежности, используемые в работе:

2. Паропровод (резиновая трубка).

3. Калориметр.

4. Электроплитка.

5. Термометр.

6. Технические весы с разновесом.

7. Мензурка.

Цель работы:

Научиться опытным путем определять удельную теплоту парообразования воды.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

В процессе обмена энергией, между веществом и окружающей средой возможен переход вещества из одного агрегатного состояния в другое (из одного фазового состояния в другое).

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием.

Парообразование происходит в виде испарения и кипения.

Парообразование, которое происходит только со свободной поверхности жидкости, называется испарением .

Испарение происходит при любой температуре жидкости, но с повышением температуры скорость испарения жидкости возрастает.

Испаряющаяся жидкость может охлаждаться, если к ней не подводится интенсивно теплота извне, или нагреваться, теплота извне подводится интенсивно.

Парообразование, которое происходит по всему объему жидкости и при постоянной температуре, называется кипением.

Температура кипения зависит от внешнего давления на поверхность жидкости.

Температура кипения жидкости при нормальном атмосферном давлении называется точкой кипения данной жидкости.

При парообразовании внутренняя энергия вещества увеличивается, поэтому для превращения жидкости в пар к ней надо подводить теплоту в процессе теплообмена.

Количество теплоты , необходимое для превращения жидкости в пар при неизменной температуре, называется теплотой парообразования.

Величина прямо пропорциональна массе жидкости, превращенной в пар:

Величина g, характеризующая зависимость теплоты парообразования от рода вещества и от внешних условий, называется удельной теплотой парообразования . Удельная теплота парообразования измеряется количеством теплоты, необходимым для превращения в пар единицы массы жидкости при неизменной температуре:

В СИ удельная теплота парообразования измеряется в .

Величина зависит от температуры, при которой происходит парообразование. Опыт показывает, что при повышении температуры удельная теплота парообразования уменьшается. На приведенном графике (рис. 1) показана зависимость от для воды.

В данной работе определяется удельная теплота парообразования воды с помощью процесса кипения, используя уравнение теплового баланса при конденсации водяного пара. Для этого берут калориметр (К) (см. рис. 2), в котором находится вода при температуре , водяной пар, имеющий температуру кипения , из колбы по паропроводу П вводится в холодную воду калориметра, где он конденсируется.

Через некоторое время трубку паропровода вынимают и измеряют температуру , установившуюся в калориметре и определяют массу введённого в калориметр пара.

Затем составляется уравнение теплового баланса.

При конденсации пара массой , выделяется теплота .

где - удельная теплота конденсации (она же удельная теплота парообразования). Сконденсировавшийся пар превращается в воду при температуре , которая затем, остывая до температуры , выделит теплоту .

(4)

Выделяемую при конденсации пара и охлаждения горячей воды теплоту получает калориметр и вода в нём. За счёт этого они нагреваются от температуры , до температуры . Теплота, полученная калориметром и холодной водой, в нём вычисляется по формуле:

Уравнение теплового баланса составляется в соответствии с законом сохранения энергии при теплообмене.

При теплообмене сумма количеств теплоты, отданных всеми телами, у которых внутренняя энергия уменьшается, равна сумме количеств теплоты, полученных всеми телами, у которых внутренняя энергия увеличивается:

(6)

В нашем случае для теплообмена, который произошёл в калориметре, считаем, что потерь тепла в окружающую среду нет. Поэтому уравнение (6) запишем в виде: или

Из этого уравнения получаем рабочую формулу для вычисления величины по результатам опыта:

2. ХОД РАБОТЫ.

1. Составить таблицу, в которую будут заноситься результаты измерений и вычислений по форме, приведенной в конце описания.

2. Взвесить внутренний сосуд калориметра, полученное значение занести в таблицу.

3. С помощью мензурки отмерить 150 200 мл холодной воды налить её в калориметр и измерить массу внутреннего сосуда калориметра с водой (m 2). Найти массу воды:

m в = m 2 – m к

Массу холодной воды записать в таблицу.

4. Измерить начальную температуру калориметра и воды в нём Значение , записать в таблицу.

5. Опустить наконечник паропровода в воду калориметра и впускать пар до тех пор, пока температура воды не повысится на 30°К - 35°К (q-температура после теплообмена).

6. Взвесить внутренний стакан калориметра и определить массу сконденсированного пара. Полученный результат запишите в таблицу. ()

7. Значения удельных теплоёмкостей воды и вещества калориметра (алюминия) и табличное значение удельной теплоты парообразования воды даны в таблице результатов измерений и вычислений.

8. По формуле (7) вычислить удельную теплоту парообразования воды.

9. Вычислить абсолютную и относительную погрешность полученного результата относительно табличного результата по формулам:

;

10. Сделать вывод о проделанной работе и полученном результате удельной теплоты парообразования воды.

ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость - это количество тепла в Джоулях (Дж), необходимое для повышения температуры вещества. Удельная теплоемкость является функцией температуры. Для газов необходимо проводить различие между удельной теплоемкостью при постоянном давлении и при постоянном объеме.

Удельная теплота плавления

Удельная теплота плавления твердого вещества - это количество тепла в Дж, необходимое для перевода 1 кг вещества из твердого состояния в жидкое при температуре плавления.

Скрытая теплота парообразования

Скрытая теплота парообразования жидкости - это количество тепла в Дж, необходимое для испарения 1 кг жидкости при температуре кипения. Скрытая теплота парообразования сильно зависит от давления. Пример: если к емкости, содержащей 1 кг воды при 100С (на уровне моря) подвести тепло, вода поглотит 1023 кДж скрытого тепла без какого-либо изменения в показаниях термометра. Однако, произойдет изменение агрегатного состояния из жидкости в пар. Поглощенное водой тепло называется скрытой теплотой парообразования. Пар сохранит 1023 кДж, поскольку эта энергия требовалась для изменения агрегатного состояния.

Скрытая теплота конденсации

При обратном процессе, когда тепло отводится от 1 кг водяного пара при 100С (на уровне моря), пар выделит 1023 кДж тепла без изменения в показаниях термометра. Однако, произойдет изменение агрегатного состояния из пара в жидкость. Поглощенное водой тепло называется скрытой теплотой конденсации.

1. Температура и давление

Тепловые измерения

Температура, или ИНТЕНСИВНОСТЬ тепла, измеряется термометром. Большинство зна­чений температуры в данном руководстве приводятся в градусах Цельсия (С), однако иногда используются и градусы Фаренгейта (F). Значение температуры говорит только об интенсивности тепла или о ЯВНОМ ТЕПЛЕ, а не о действительном количестве тепла. Ком­фортная температура для человека находится в пределах от 21 до 27С. В этом диапазоне температур человек чувствует себя наиболее комфортно. Когда любая температура выше или ниже этого диапазона, человек воспринимает это как теплое или холодное. В науке существуют понятие «абсолютный ноль» - температура, при которой от тела отведено все тепло. Температура абсолютного нуля определяется как –273°C. Любое вещество при температуре выше абсолютного нуля содержит некоторое количество тепла. Для понима­ния основ кондиционирования воздуха также необходимо понимать связь между давле­нием, температурой и агрегатным состоянием. Наша планета окружена воздухом, иначе говоря газом. Давление в газе передается во всех направлениях одинаково. Окружающий нас газ состоит на 21% из кислорода и на 78% из азота. Остающийся 1% занимают другие редкие газы. Эта комбинация газов называется атмосферой. Она простирается на несколь­ко сотен километров над земной поверхностью и удерживается силой гравитации. На уров­не моря атмосферное давление составляет 1,0 бар, а точка кипения воды - 100С. В лю­бой точке выше уровня моря атмосферное давление ниже, а также ниже температура кипе­ния воды. При понижении давления до 0,38 бар, температура кипения воды составляет 75С, а при давлении 0,12 бар - 50С. Если на точку кипения воды влияет уменьшение давления, логично предположить, что увеличение давления также на нее повлияет. Пример - пароварочный котел!

Дополнительная информация: как перевести градусы Фаренгейта в градусы Цельсия и наоборот: C = 5/9 × (F – 32). F = (9/5 × C)+32. Кельвин = C + 273. Ренкин = F + 460.

Из §§ 2.5 и 7.2 следует, что при парообразовании внутренняя энергия вещества увеличивается, а при конденсации - уменьшается. Поскольку при этих процессах температуры жидкости и ее пара могут быть равными, изменение внутренней энергии вещества происходит только за счет изменения потенциальной энергии молекул. Итак, при одной и той же температуре единица массы жидкости имеет меньшую внутреннюю энергию, чем единица массы ее пара.

Опыт показывает, что плотность вещества в процессе парообразования сильно уменьшается, а объем, занятый веществом, увеличивается. Следовательно, при парообразовании должна совершаться работа против сил внешнего давления. Поэтому энергия, которую нужно сообщить жидкости для превращения ее в пар при неизменной температуре, частично идет на увеличение внутренней энергии вещества и частично - на выполнение работы против внешних сил в процессе его расширения.

На практике для превращения жидкости в пар в процессе теплообмена к ней подводится теплота. Количество теплоты необходимое для превращения жидкости в пар при неизменной температуре, называется теплотой парообразования. При превращении пара в жидкость от него необходимо отвести количество теплоты которое называют теплотой конденсации. Если внешние условия одинаковы, то при равных массах одинакового вещества теплота парообразования равна теплоте конденсации.

С помощью калориметра было установлено, что теплота парообразования прямо пропорциональна превращенной в пар массе жидкости

Здесь - коэффициент пропорциональности, величина которого зависит от рода жидкости и внешних условий.

Величина которая характеризует зависимость теплоты парообразования от рода вещества и от внешних условий, называется удельной теплотой парообразования. Удельная теплота парообразования измеряется количеством теплоты, необходимым для превращения в пар единицы массы жидкости при неизменной температуре:

В СИ за единицу принимают удельную теплоту парообразования такой жидкости, для превращения в пар 1 кг которой при неизменной температуре требуется 1 Дж теплоты. (Покажите это с помощью формулы (7.1а).)

В качестве примера отметим, что удельная теплота парообразования воды при температуре (100°С) равна

Поскольку парообразование может происходить при различных температурах, возникает вопрос: будет ли при этом изменяться удельная теплота парообразования вещества? Опыт показывает, что при повышении температуры удельная теплота парообразования уменьшается. Происходит это потому, что все жидкости при нагревании расширяются. Расстояние между молекулами при этом возрастает и силы молекулярного взаимодействия уменьшаются. Кроме того, чем выше температура, тем больше среднее значение энергии У молекул жидкости и тем меньше энергии им нужно добавить, чтобы они могли вылететь за пределы поверхности жидкости.

Всем известно, что вода в чайнике закипает при температуре 100 ˚С. Но обращали ли вы внимание, что температура воды в процессе кипения не меняется? Вопрос – куда девается образующаяся энергия, если мы постоянно держим емкость на огне? Она уходит на преобразование жидкости в пар. Таким образом, для перехода воды в газообразное состояние требуется постоянное поступление теплоты. То, сколько ее нужно для преобразования килограмма жидкости в пар такой же температуры, определяется физической величиной, которая называется удельная теплота парообразования воды.

Для кипения требуется энергия. Большая ее часть используется для разрыва химических связей между атомами и молекулами, в результате чего образуются пузырьки пара, а меньшая идет на расширение пара, то есть на то, чтобы образовавшиеся пузырьки могли лопнуть и выпустить его. Так как жидкость всю энергию вкладывает в переход в газообразное состояние, ее «силы» иссякают. Для постоянного возобновления энергии и продления кипения нужно подводить к емкости с жидкостью все новое и новое тепло. Обеспечить его приток может кипятильник, газовая горелка либо любой другой нагревательный прибор. Во время кипения температура жидкости не растет, идет процесс образования пара такой же температуры.

Разным жидкостям требуется разное количество теплоты для перехода в пар. Какое именно – показывает удельная теплота парообразования.

Понять, как определяется эта величина, можно из примера. Берем 1 л воды и доводим ее до кипения. Затем замеряем количество тепла, понадобившегося для выпаривания всей жидкости, и получаем значение удельной теплоты парообразования для воды. Для других химических соединений этот показатель будет другим.

В физике удельная теплота парообразования обозначается латинской буквой L. Измеряется она в джоулях на килограмм (Дж/кг). Вывести ее можно путем деления теплоты, израсходованной на испарение, на массу жидкости:

Данная величина очень важна для производственных процессов на основе современных технологий. Например, на нее ориентируются при производстве металлов. Оказалось, что если железо расплавить, а потом сконденсировать, при дальнейшем затвердении образуется более прочная кристаллическая решетка.

Чему равна

Значение удельной теплоты для различных веществ (r) определили в ходе лабораторных исследований. Вода при нормальном атмосферном давлении закипает при 100 °C, а теплота испарения воды составляет 2258,2 кДж/кг. Данный показатель для некоторых других веществ приведен в таблице:

Однако этот показатель может изменяться под действием определенных факторов:

1. Температура. При ее повышении теплота испарения уменьшается и может быть равной нулю.
   

   t, °C	r, кДж/кг
   	2500
   10	2477
   20	2453
   50	2380
   80	2308
   100	2258
   200	1940
   300	1405
   374	115
   374,15

2. Давление. С понижением давления теплота парообразования растет, и наоборот. Температура кипения же прямо пропорциональна давлению и может достигать критического значения 374 °C.

   p, Па	t кип., °C	r, кДж/кг
   0,0123	10	2477
   0,1234	50	2380
   1	100	2258
   2	120	2202
   5	152	2014
   10	180	1889
   20	112	1638
   50	264	1638
   100	311	1316
   200	366	585
   220	373,7	184,8
   Критическое 221,29	374,15	-

3. Масса вещества. Количество задействованной в процессе теплоты прямо пропорционально массе образовавшегося пара.

Соотношение испарения и конденсации

Физики выяснили, что на обратный испарению процесс – конденсацию – пар тратит ровно столько же энергии, сколько пошло на его образование. Это наблюдение подтверждает закон сохранения энергии.

В противном случае было бы возможно создание установки, в которой жидкость испарялась бы, а потом конденсировалась. Разница между теплотой, необходимой для испарения, и теплотой, достаточной для конденсации, приводила бы к накоплению энергии, которая могла бы быть использована для других целей. По сути, был бы создан вечный двигатель. Но это противоречит физическим законам, а значит, невозможно.

Как измеряется

1. Удельная теплота испарения воды измеряется в физических лабораториях экспериментальным путем. Для этого используют калориметры. Процедура выглядит следующим образом:
2. Определенное количество жидкости заливают в калориметр.

Кипение - это интенсивное парообразование, которое происходит при нагревании жидкости не только с поверхности, но и внутри неё.

Кипение происходит с поглощением теплоты.
Большая часть подводимой теплоты расходуется на разрыв связей между частицами вещества, остальная часть - на работу, совершаемую при расширении пара.
В результате энергия взаимодействия между частицами пара становится больше, чем между частицами жидкости, поэтому внутренняя энергия пара больше, чем внутренняя энергия жидкости при той же температуре.
Количество теплоты, необходимое для перевода жидкости в пар в процессе кипения можно расчитать по формуле:

где m - масса жидкости (кг),
L - удельная теплота парообразования.

Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы превратитъ в пар 1 кг данного вещества при температуре кипения. Единица удельной теплоты парообразования в системе СИ:
[ L ] = 1 Дж/ кг
С ростом давления температура кипения жидкости повышается, а удельная теплота парообразования уменьшается и наоборот.

Во время кипения температура жидкости не меняется.
Температура кипения зависит от давления, оказываемого на жидкость.
Каждое вещество при одном и том же давлении имеет свою температуру кипения.
С увеличением атмосферного давления кипение начинается при более высокой температуре, при уменьшении давления - наоборот..
Так, например, вода кипит при 100 °С лишь при нормальном атмосферном давлении.

ЧТО ЖЕ ПРОИСХОДИТ ВНУТРИ ЖИДКОСТИ ПРИ КИПЕНИИ?

Кипение представляет собой переход жидкости в пар с непрерывным образованием и ростом в жидкости пузырьков пара, внутрь которых происходит испарение жидкости. В начале нагревания вода насыщена воздухом и имеет комнатную температуру. При нагревании воды, растворенный в ней газ выделяется на дне и стенках сосуда, образуя воздушные пузырьки. Они начинают появляться задолго до кипения. В эти пузырьки испаряется вода. Пузырек, наполненный паром, при достаточно высокой температуре начинает раздуваться.

Достигнув определенных размеров он отрывается от дна, поднимается к поверхности воды и лопается. При этом пар покидает жидкость. Если вода прогрета недостаточно, то пузырек пара, поднимаясь в холодные слои, схлопывается. Возникающие при этом колебания воды приводят к появлению во всем объеме воды огромного количества мелких пузырьков воздуха: так называемый "белый ключ".

На воздушный пузырек объемом на дне сосуда действует подъемная сила:
Fпод = Fархимеда - Fтяжести
Пузырек прижат ко дну, поскольку на нижнюю поверхность силы давления не действуют. При нагреве пузырек увеличивается за счет выделения в него газа и отрывается от дна, когда подъемная сила будет немного больше прижимающей. Размер пузырька, способного оторваться от дна, зависит от его формы. Форма пузырьков на дне определяется смачиваемостью дна сосуда.

Неоднородность смачивания и слияние пузырьков на дне приводили к увеличению их размеров. При больших размерах пузырька при подъеме сзади него образуются пустоты, разрывы и завихрения.

Когда пузырек лопается, вся окружающая его жидкость устремляется внутрь, и возникает кольцевая волна. Смыкаясь, она выбрасывает вверх столбик воды.

При схлопывании лопающихся пузырьков в жидкости распространяются ударные волны ультразвуковых частот, сопровождаемые слышимым шумом. Для начальных стадий кипения характерны самые громкие и высокие звуки (на стадии "белого ключа" чайник "поет").

(источник: virlib.eunnet.net)

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГРАФИК ИЗМЕНЕНИЯ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЙ ВОДЫ

ЗАГЛЯНИ НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ!

ИНТЕРЕСНО

Зачем в крышке чайника делают дырочку?
Для выхода пара. Без дырочки в крышке пар может выплеснуть воду через носик чайника.
___

Продолжительность варки картофеля, начиная с момента кипения, не зависит от мощности нагревателя. Продолжительность определяется временем пребывания продукта при температуре кипения.
Мощность нагревателя не влияет на температуру кипения, а влияет только на скорость испарения воды.

Кипением можнозаставить воду замерзнуть. Для этого надо производить откачку воздуха и водяного пара из сосуда, где находится вода, так, чтобы вода все время кипела.

«Горшки легко закипают через край – к ненастью!»
Падение атмосферного давления, сопровождающее ухудшение погоды, является причиной того, что молоко быстрее «убегает».
___

Очень горячий кипяток можно получить на дне глубоких шахт, где давление воздуха значительно больше, чем на поверхности Земли. Так на глубине 300 м вода закипит при 101 ͦ С. При давлении воздуха в 14 атмосфер вода закипает при 200 ͦ С.
Под колоколом воздушного насоса можно получить «кипяток» при 20 ͦ С.
На Марсе мы пили бы «кипяток» при 45 ͦ С.
Соленая вода кипит при температуре выше 100 ͦ C. ___

В горных районах на значительной высоте при пониженном атмосферном давлении вода кипит при температурах ниже, чем 100 ͦ Цельсия.

Ждать, пока сварится такой обед, приходится дольше.

Польем холодненькой… и закипит!

Обычно вода кипит при 100 градусах Цельсия. Нагреем воду в колбе на горелке до кипения. Погасим горелку. Вода перестает кипеть. Закроем колбу пробкой и начнем осторожно лить на пробку струйкой холодную воду. Каково? Вода опять закипела!

Под струей холодной воды водичка в колбе, а вместе с ней и водяные пары начинают остывать.
Объем паров уменьшается, и давление над поверхностью воды меняется...
А как ты думаешь, в какую сторону?
... Температура кипения воды при пониженном давлении меньше 100 градусов, и вода в колбе вскипает вновь!
____

При приготовлении пищи давление внутри кастрюли - "скороварки" - около 200 кПа, и суп в такой кастрюле сварится значительно быстрее.

Можно набрать в шприц воду примерно до половины, закрыть той же пробочкой и резко потянуть за поршень. В воде возникнет масса пузырьков, говорящих, что начался процесс кипения воды (и это при комнатной температуре!).
___

При переходе вещества в газообразное состояние его плотность уменьшается примерно в 1000 раз.
___

У первых электрочайников нагреватели находились под донышком. Вода не вступала в контакт с нагревателем и закипала очень долго. В 1923 году Артур Лардж сделал открытие: он поместил нагреватель в особую медную трубку и поместил её внутрь чайника. Вода быстро закипала.

В США разработаны самоохлаждающиеся банки для прохладительных напитков. В банку вмонтирован отсек с легкокипящей жидкостью. Если в жаркий день раздавить капсулу, жидкость начнет бурно кипеть, отнимая тепло у содержимого банки, и за 90 секунд температура напитка понижается на 20–25 градусов Цельсия.

НУ, ПОЧЕМУ ЖЕ?

А как ты думаешь, можно ли сварить яйцо вкрутую, если вода закипает при температуре ниже, чем 100 градусов Цельсия?
____

Будет ли кипеть вода в кастрюле, которая плавает в другой кастрюле с кипящей водой?
Почему? ___

Можно ли заставить кипеть воду, не нагревая ее?