Контрольні запитання
1. Що таке кипіння?
Кипіння — це процес інтенсивного пароутворення, який відбувається по всьому об’єму рідини при певній температурі.
2. Які явища спостерігаються в рідині під час кипіння?
Під час кипіння в рідині утворюються бульбашки пари, які збільшуються в розмірах і спливають на поверхню, де лопаються.
3. Яка сила змушує бульбашку газу підніматися на поверхню рідини?
Архімедова сила змушує бульбашку газу підніматися на поверхню рідини.
4. Від яких чинників залежить температура кипіння рідини?
Температура кипіння рідини залежить від тиску на поверхні рідини та від властивостей самої рідини.
5. На що витрачається енергія, яку одержує рідина під час кипіння?
Енергія витрачається на руйнування зв’язків між молекулами рідини та перетворення рідини на пару.
6. Що називають питомою теплотою пароутворення?
Питома теплота пароутворення — це фізична величина, що дорівнює кількості теплоти, необхідної для перетворення 1 кг рідини на пару при сталій температурі кипіння.
Вправа 22
1. Відомо, що температура кипіння води на вершині гори Еверест становить близько 70 °С. Як ви вважаєте, чому?
Температура кипіння рідини залежить від зовнішнього тиску. На вершині гори Еверест атмосферний тиск значно нижчий, ніж на рівні моря. Зі зменшенням зовнішнього тиску температура кипіння рідини знижується. Тому вода там закипає за температури близько 70 °С, а не 100 °С, як за нормального атмосферного тиску.
2. Питома теплота пароутворення води становить 2,3 МДж/кг. Що це означає?
Фраза “питома теплота пароутворення води становить 2,3 МДж/кг” означає, що для перетворення 1 кг води, взятої за температури кипіння (100 °C за нормального тиску), на пару необхідно витратити 2,3 мільйона джоулів теплової енергії. Ця енергія йде на розрив міжмолекулярних зв’язків під час переходу речовини з рідкого стану в газоподібний, при цьому температура самої речовини не змінюється.
Тому цу значить, що внутрішня енергія 1 кг водяної пари за температури 100 °С більша за внутрішню енергію 1 кг води за тієї самої температури на 2,3 МДж.
3. Яку кількість теплоти необхідно передати воді масою 10 кг, узятій за температури кипіння, щоб перетворити її на пару?
Дано:
$ m = 10 кг $
$ r = 2,3 \dfrac{МДж}{кг} = 2,3 \cdot 10^6 \dfrac{Дж}{кг} $
Знайти:
$ Q – ? $
Розв’язання:
Кількість теплоти, необхідна для перетворення рідини на пару за температури кипіння, обчислюється за формулою :
$ Q = r \cdot m $
Підставимо значення:
$ Q = 2,3 \cdot 10^6 \dfrac{Дж}{кг} \cdot 10 кг = 23 \cdot 10^6 Дж = 23 МДж $
Відповідь: необхідно передати 23 МДж теплоти.
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.
За графіком залежності температури речовини від кількості поглиненої теплоти (рис. 1):
Дано:
$ m = 50 г = 0,05 кг $
$ t_{кип} = 75 °С $
$ Q = Q_2 – Q_1 = 50 кДж – 5 кДж = 45 кДж = 45000 Дж $
Знайти:
а) Що це за речовина?
б) $ r – ? $
Розв’язання:
а) Горизонтальна ділянка графіка показує процес кипіння, який відбувається за сталої температури. З графіка видно, що температура кипіння цієї речовини становить приблизно 78 °С. Така температура кипіння за нормального атмосферного тиску характерна для етилового спирту (етанолу).
б) Питому теплоту пароутворення знаходимо за формулою :
$ r = \dfrac{Q}{m} $
Підставимо значення:
$ r = \dfrac{45000 Дж}{0,05 кг} = 900000 \dfrac{Дж}{кг} = 0,9 \dfrac{МДж}{кг} $
Відповідь: а) речовина — етиловий спирт; б) питома теплота пароутворення речовини — 0,9 МДж/кг.
5. На скільки збільшиться внутрішня енергія 10 кг льоду, узятого за температури 0 °С, внаслідок перетворення його на пару, що має температуру 100 °С?
Дано:
$ m = 10 кг $
$ t_1 = 0 °С $
$ t_2 = 100 °С $
Питома теплота плавлення льоду $ \lambda = 332 \dfrac{кДж}{кг} = 3,32 \cdot 10^5 \dfrac{Дж}{кг} $
Питома теплоємність води $ c = 4200 \dfrac{Дж}{кг \cdot °С} $
Питома теплота пароутворення води $ r = 2,3 \dfrac{МДж}{кг} = 2,3 \cdot 10^6 \dfrac{Дж}{кг} $
Знайти:
$ \Delta U – ? $
Розв’язання:
Збільшення внутрішньої енергії дорівнює загальній кількості теплоти, яку отримало тіло. Процес складається з трьох етапів:
- Плавлення льоду при 0 °С: $ Q_1 = \lambda \cdot m $
- Нагрівання води від 0 °С до 100 °С: $ Q_2 = c \cdot m \cdot (t_2 – t_1) $
- Перетворення води на пару при 100 °С: $ Q_3 = r \cdot m $
Загальна кількість теплоти:
$ \Delta U = Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 $
Обчислимо кожну складову:
$ Q_1 = 3,32 \cdot 10^5 \dfrac{Дж}{кг} \cdot 10 кг = 3,32 \cdot 10^6 Дж $
$ Q_2 = 4200 \dfrac{Дж}{кг \cdot °С} \cdot 10 кг \cdot (100 – 0) °С = 4,2 \cdot 10^6 Дж $
$ Q_3 = 2,3 \cdot 10^6 \dfrac{Дж}{кг} \cdot 10 кг = 23 \cdot 10^6 Дж $
Знайдемо суму:
$ \Delta U = (3,32 + 4,2 + 23) \cdot 10^6 Дж = 30,54 \cdot 10^6 Дж = 30,52 МДж $
Відповідь: внутрішня енергія збільшиться на 30,52 МДж.
6. У посудину з водою, що кипить, помістили відкриту пробірку з водою (рис. 2). Чи кипить вода в пробірці?
Ні, вода в пробірці кипіти не буде.
Вода у великій посудині кипить при 100 °С і є джерелом тепла для води у пробірці. Вода в пробірці може нагрітися максимум до температури навколишнього середовища, тобто до 100 °С. Однак для самого процесу кипіння потрібне додаткове надходження енергії (питома теплота пароутворення) за сталої температури. Оскільки немає різниці температур між водою в посудині та водою в пробірці, інтенсивний теплообмін, необхідний для кипіння, неможливий. Вода в пробірці досягне температури 100 °С, але не закипить.
7. Дізнайтеся про практичне застосування кипіння.
Процес кипіння має широке застосування в побуті, медицині та промисловості :
- Приготування їжі. Варіння продуктів відбувається у воді, що кипить.
- Стерилізація. У медицині кип’ятінням або обробкою парою під тиском в автоклавах стерилізують інструменти та матеріали.
- Теплові двигуни. У парових турбінах на теплових та атомних електростанціях для обертання генераторів використовують енергію водяної пари, утвореної внаслідок кипіння.
- Опалення. Системи парового опалення використовують тепло, що виділяється при конденсації пари.
- Харчова промисловість. Кипіння використовується для пастеризації, консервування (у скороварках) та дистиляції (наприклад, при виробництві алкогольних напоїв).