Преобразование воды в пар. Кипение
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
цель работы
Усвоение и закрепление теоретического материала по теме курса термодинамики "Водяной пар", а также овладение методами эксперимента и обработки полученных данных, ознакомление с таблицами "Теплофизические свойства воды и водяного пара".
1. Изучить схему экспериментальной установки, включить её и вывести на заданный стационарный тепловой режим.
2. Провести опыт в соответствии с методическими указаниями, заполнить таблицу 1.
3. Определить удельную теплоту, затраченную на парообразование воды в опыте.
4. Для изобарного процесса парообразования определить табличные значения параметров воды на линии насыщения и сухого насыщенного пара, а также удельную теплоту парообразования.
5. Вычислить внутреннюю энергию жидкости на линии насыщения пара для условий опыта.
6. Вычислить погрешность найденного значения удельной теплоты парообразования по отношению к табличному.
7. Изобразить процессы, происходящие в сосуде Дьюара, в Р-v и T-s-диаграммах.
8. Сделать вывод по работе.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Переход вещества из жидкого состояния в газообразное, называется парообразованием, обратный переход - конденсацией. Кипение жидкости - это процесс парообразования внутри жидкости, происходящий при строго определенной температуре t н, °C, определяемой давлением. Если газообразная фаза существует с жидкой фазой того же вещества, то её называют паром. Газообразной фазой системы является сухой насыщенный пар, а жидкой фазой - жидкость, сохраняющая состояние, соответствующее началу парообразования.
При парообразовании по изобарно-изотермическому процессу, согласно первому закону термодинамики, удельная теплота фазового превращения (удельная теплота парообразования) r, Дж/кг,
r = u" - u" + p (v" -v"), (1)
r = i" - i", (2)
где u", i", v" - соответственно внутренняя энергия, энтальпия, Дж/кг, и удельный объём сухого насыщенного пара, м 3 /кг;
u", i", v" - соответственно внутренняя энергия, энтальпия, Дж/кг, и удельный объём жидкости в состоянии насыщения, м 3 /кг.
Давление р, Па, не отмечается специальными индексами, так как оно не меняется в течение всего фазового перехода и равно давлению насыщения.
Таким образом, удельная теплота парообразования включает в себя изменение внутренней энергии вещества и работу изменения объёма при фазовом переходе.
Удельная теплота парообразования функционально связана с параметрами состояния. Для большинства применяющихся на практике веществ определены и сведены в таблицы свойства жидкости и пара на линии насыщения. В этих таблицах приводятся значения р и t на линии насыщения и соответствующие им значения величин v", v", i", i", r, s", s". Внутренняя энергия жидкости на линии насыщения u", Дж/кг, и сухого насыщенного пара u", Дж/кг, определится соответственно по уравнениям
u" = i" -pv" (3)
u" = i" -pv" (4)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Рисунок. Схема экспериментальной установки
Экспериментальная установка (рисунок) состоит из сосуда Дьюара 1 с электронагревателем 2, в который из емкости 3 наливается порция дистиллированной воды, регулируемая вентилем 4. Образующийся пар в конденсаторе 5, по которому проходит водопроводная вода, превращается в жидкость. Расход воды регулируется вентилем 7 по контрольному фонарю 8. Образующийся конденсат собирается в мерный цилиндр 9. На щите управления находятся: переключатель "СЕТЬ" 10, вольтметр 11, амперметр 12, переключатель режимов 13; 6 - стеклянная воронка.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА
1. Включить установку в сеть поворотом переключателя 10 в положение "1".
2. Проверить заполнение сосуда Дьюара 1, установив переключатель режимов 13 в положение "ЗАПОЛНЕНИЕ". Если при этом загорится зеленая сигнальная лампа "Сосуд заполнен", можно приступать к выполнению эксперимента. В противном случае сосуд заполняется дистиллированной водой, для чего открывается вентиль 4. После загорания зеленой сигнальной лампы сосуд плотно закрыть.
3. Перевести переключатель 13 в положение "НАГРЕВАНИЕ".
4. Поворачивая ручку автотрансформатора 14, установить заданное преподавателем значение напряжения на нагревателе U, В (и силу тока I, А).
5. Подать охлаждающую воду на конденсатор 5, открыв вентиль 7 и отрегулировать расход воды по контрольному фонарю 8.
6. При установлении стационарного режима кипения воды в сосуде Дьюара (в мерном цилиндре 9 наберется 15-20 см конденсата) произвести контрольный сбор конденсата в количестве, указанном преподавателем (V, м 3). Продолжительность контрольного сбора t, с, определить по секундомеру.
7. По барометру определить атмосферное давление P a , мм.рт.ст.
8. Данные измерений внести в таблицу наблюдений и подписать ее у преподавателя.
9. Включить установку поворотом переключателя "0", закрыть вентиль 7, рукоятку автотрансформатора повернуть против часовой стрелки до упора, конденсат слить в емкость 3.
Т а б л и ц а 1
Номер замера |
мм. рт. ст. | ||||
ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ
1. Вычислить количество теплоты, затраченной на парообразование 1 кг воды r оп, Дж/кг:
r оп = (W - Q) / (Vr),
где W = UI - мощность нагревателя, Вт;
Q = 0,04W - тепловые потери, Вт;
r - плотность конденсата, кг/ м 3 . Принимаем r = 1000 кг/ м 3 .
2. Считая, что кипение воды происходит при атмосферном давлении, определить по табличные значения параметров воды на линии насыщения и сухого насыщенного пара, которые занести в таблицу 2.
Т а б л и ц а 2
i", кДж/кг |
S", кДж/(кгК) |
i", кДж/кг |
S", Дж/(кгK) | |||
3. Вычислить значения внутренней энергии воды на линии насыщения u" и сухого насыщенного пара u", кДж/кг, по формулам (3) и (4).
4. Вычислить погрешность, %, найденного значения удельной теплоты парообразования r оп, кДж/кг, по отношению к табличному r, кДж/кг, по формуле:
D = (r оп - r) 100 / r .
5. Представить графически процессы, происходящие в сосуде Дьюара, в Р-v и T-s-диаграммах.
6. Сделать вывод по работе.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ
1. Парообразование жидкости; сущность процессов кипения и испарения жидкости.
2. Изобарный процесс перехода жидкости в перегретый пар в Р-v и T-s-диаграммах.
3. Пограничные кривые со степенью сухости х = 0 и х = 1, критическое состояние вещества
4. Понятия: жидкость на линии насыщения, влажный насыщенный пар, сухой насыщенный пар, перегретый пар.
5. Удельная теплота парообразования жидкости.
6. Степень сухости, степень влажности пара.
7. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара, их значение.
8. Определение параметров влажного пара.
9. i-s-диаграмма водяного пара, ее назначение.
10. Паровые термодинамические процессы в Р-v, T-s, i-s-диаграммах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Теплотехника / Под ред. А.П.Баскакова.- М.: Энергоиздат, 1991.- 224 с.
2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача.- М.:: Высшая школа, 1980.- 496 с.
3. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача.- М.: Высшая школа, 1998.- 480 с.
4. Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара.- М.: Энергия, 1980.- 408 с.
Для того чтобы поддерживать кипение воды (или иной жидкости), к ней нужно непрерывно подводить теплоту, например подогревать ее горелкой. При этом температура воды и сосуда не повышается, но за каждую единицу времени образуется определенное количество пара. Из этого следует вывод, что для превращения воды в пар требуется приток теплоты, подобно тому как это имеет место при превращении кристалла (льда) в жидкость (§ 269). Количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар той же температуры, называют удельной теплотой парообразования данной жидкости. Она выражается в джоулях на килограмм .
Нетрудно сообразить, что при конденсации пара в жидкость должно выделяться такое же количество теплоты. Действительно, опустим в стакан с водой трубку, соединенную с кипятильником (рис. 488). Через некоторое время после начала нагревания из конца трубки, опущенной в воду, начнут выходить пузыри воздуха. Этот воздух мало повышает температуру воды. Затем вода в кипятильнике закипит, после чего мы увидим, что пузыри, выходящие из конца трубки, уже не поднимаются вверх, а быстро уменьшаются и с резким звуком исчезают. Это - пузыри пара, конденсирующиеся в воду. Как только вместо воздуха из кипятильника пойдет пар, вода начнет быстро нагреваться. Так как удельная теплоемкость пара примерно такая же, как и воздуха, то из этого наблюдения следует, что столь быстрое нагревание воды происходит именно вследствие конденсации пара.
Рис. 488. Пока из кипятильника идет воздух, термометр показывает почти одну и ту же температуру. Когда вместо воздуха пойдет пар и начнет конденсироваться в стаканчике, столбик термометра быстро поднимется, показывая повышение температуры
При конденсации единицы массы пара в жидкость той же температуры выделяется количество теплоты, равное удельной теплоте парообразования. Это можно было предвидеть на основании закона сохранения энергии. Действительно, если бы это было не так, то можно было бы построить машину, в которой жидкость сначала испарялась, а затем конденсировалась: разность между теплотой парообразования и теплотой конденсации представляла бы приращение полной энергии всех тел, участвующих в рассматриваемом процессе. А это противоречит закону сохранения энергии.
Удельную теплоту парообразования можно определить с помощью калориметра, подобно тому, как это делается при определении удельной теплоты плавления (§ 269). Нальем в калориметр определенное количество воды и измерим ее температуру. Затем некоторое время будем вводить в воду пар испытуемой жидкости из кипятильника, приняв меры к тому, чтобы шел только пар, без капелек жидкости. Для этого пар пропускают сквозь сухопарник (рис. 489). После этого вновь измерим температуру воды в калориметре. Взвесив калориметр, мы можем по увеличению его массы судить о количестве пара, сконденсировавшегося в жидкость.
Рис. 489. Сухопарник - приспособление для задержания капелек воды, движущихся вместе с паром
Пользуясь законом сохранения энергии, можно составить для этого процесса уравнение теплового баланса, позволяющее определить удельную теплоту парообразования воды. Пусть масса воды в калориметре (включая водяной эквивалент калориметра) равна масса пара - , теплоемкость воды - , начальная и конечная температура воды в калориметре - и , температура кипения воды - и удельная теплота парообразования - . Уравнение теплового баланса имеет вид
.
Результаты определения удельной теплоты парообразования некоторых жидкостей при нормальном давлении приведены в табл. 20. Как видно, эта теплота довольно велика. Большая теплота парообразования воды играет исключительно важную роль в природе, так как процессы парообразования совершаются в природе в грандиозных масштабах.
Таблица 20. Удельная теплота парообразования некоторых жидкостей
Вещество |
Вещество |
||
Спирт (этиловый) |
|||
Отметим, что содержащиеся в таблице значения удельной теплоты парообразования относятся к температуре кипения при нормальном давлении. Если жидкость кипит или просто испаряется при иной температуре, то ее удельная теплота парообразования иная. При повышении температуры жидкости теплота парообразования всегда уменьшается. Объяснение этого мы рассмотрим позже.
295.1. Определите количество теплоты, необходимое для нагревания до температуры кипения и для превращения в пар 20 г воды при .
295.2. Какая получится температура, если в стакан, содержащий 200 г воды при , впустить 3 г пара при ? Теплоемкостью стакана пренебречь.
Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Вид урока: комбинированный.
Тип урока: изучение нового материала.
Цель: сформировать понятие кипения, как парообразования, выявить и объяснить особенности кипения;
Задачи:
Образовательные:
- формирование понятий “кипение” и “удельная теплота парообразования и конденсации”;
- выявление основных особенностей кипения: образование пузырьков, шум, предшествующий кипению, постоянство температуры кипения и зависимости температуры кипения от внешнего давления.
- формирование умения применять имеющиеся знания для объяснения явлений испарения и кипения.
Развивающие:
- формирование интеллектуальных умений: анализировать, сравнивать, выделять главное и делать выводы;
- развитие логического мышления и познавательного интереса.
Воспитательные:
- развитие интереса к предмету и позитивного отношения к учебе;
- формирование научного мировоззрения.
- воспитание товарищества, взаимопомощи.
Демонстрации:
- наблюдение этапов кипения;
- наблюдение зависимости температуры кипения от внешнего давления;
- наблюдение кипения при пониженном давлении;
- видеоролик “Кипение азота”
Оборудование: спиртовка, колба с водой, термометр для измерения температуры жидкости, штатив, пробка для колбы с вставленной в нее стеклянной трубкой, резиновая трубка, спринцовка, насос Комовского, компьютер и мультимедийный проектор, презентация.
Ход урока
1. Организационный момент.
2. Мотивация.
Учитель: Ребята, я не сомневаюсь, что каждое ваше утро начинается с чашечки горячего, хорошо заваренного чая. Чай полезный напиток - так гласит древняя мудрость. И вы, конечно знаете, что перед тем, как заварить чай, нужно вскипятить воду. Обратите пожалуйста внимание на эпиграф (слайд 2):
“Существуют явления, на которые никогда не надоедает смотреть. Кипение воды - наслаждение зрелищем воды и огня, таинством их взаимодействия. Эта изменчивая картина завораживает. Закипая, чайник начинает разговаривать”. Таллина Адамовская
Сегодня мы с вами посмотрим на этот процесс с физической точки зрения и постараемся найти ответы на множество загадок, сопровождающих это явление. Тема урока – “Кипение. Удельная теплота парообразования и конденсации”
Учащиеся записывают в тетрадь тему урока.
Учитель: Для исследования кипения проведем эксперимент. Поставим на спиртовку колбу с водопроводной водой. Измерим начальную температуру воды термометром.
3. Актуализация знаний.
Учитель : Пока вода будет нагреваться, вспомним, что называется парообразованием.
Ученик : Парообразование – это явление превращения жидкости в пар.
Учитель : Какие два способа парообразования существуют?
Ученик : Испарение и кипение.
Учитель : Какое явление называется испарением?
Ученик : Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, называется испарением.
Учитель : Объясните механизм испарения с молекулярной точки зрения.
Ученик : Все тела состоят из молекул, которые движутся непрерывно и хаотично, причем с различными скоростями. Если “быстрая” молекула окажется у поверхности жидкости, то она может преодолеть притяжение соседних молекул и вылететь из жидкости. Все вылетевшие молекулы образуют пар.
Учитель : Есть ли у веществ фиксированная температура, при которой начинается процесс испарения?
Ученик : Такой температуры у веществ нет. Испарение происходит при любой температуре, так как молекулы движутся при любой температуре.
Учитель : От чего зависит скорость испарения жидкости?
Ученик : От рода вещества, температуры, площади поверхности и движения воздуха над поверхностью жидкости.
Учитель : Почему испарение происходит быстрее, при более высокой температуре жидкости?
Ученик : Чем выше температура, тем больше скорость молекул.
Учитель : Как зависит скорость испарения от площади поверхности жидкости?
Ученик : Чем больше площадь поверхности, тем большее количество молекул может вылететь из жидкости.
Учитель : Почему испарение при движении воздуха происходит быстрее?
Ученик : Испарившиеся молекулы не могут возвратиться обратно в жидкость.
Учитель : Что называется конденсацией пара?
Ученик : Конденсация – это явление превращения пара в жидкость.
Учитель : При каких условиях происходит конденсация пара?
Ученик : Когда пар становится насыщенным, то есть находится в динамическом равновесии со своей жидкостью.
4. Изучение нового материала.
Учитель : Вернемся к нашему эксперименту и измерим температуру воды. Что вы сейчас наблюдаете?
Ученик : На дне и стенках сосуда появились пузырьки воздуха. (Слайд 3)
Учитель : Почему пузырьки воздуха появляются на дне и стенках сосуда?
Ученик : В воде всегда есть растворенный воздух. При нагревании пузырьки воздуха расширяются и становятся видимыми.
Учитель : Почему пузырьки воздуха начинают увеличиваться в объеме?
Ученик : Потому что вода начинает испаряться внутрь этих пузырьков.
Учитель : Какие силы действуют на пузырьки?
Ученик : Сила тяжести и Архимедова сила.
Учитель : Какое направление они имеют?
Ученик : Сила тяжести направлена вниз, а Архимедова – вверх. (Слайд 4)
Учитель : Когда пузырьки смогут оторваться от дна и стенок сосуда и начать свое движение вверх?
Ученик : Пузырьки отрываются, когда Архимедова сила станет больше силы тяжести.
Учитель : Произведем измерение температуры воды. Сейчас вы слышите характерный шум. Поясним это явление. При достаточно большом объеме пузырька он под действием
Архимедовой силы начинает подниматься вверх. Так как жидкость прогревается способом конвекции, то температура нижних слоев больше температуры верхних слоев воды. Когда пузырек попадает в верхний менее прогретый слой воды, водяной пар внутри него будет конденсироваться, а объем пузырька уменьшаться. Пузырек будет захлопываться (Слайд 5). Связанный с этим процессом шум мы слышим перед кипением. При определенной температуре, то есть когда в результате конвекции прогреется вся жидкость, с приближением к поверхности объем пузырьков резко возрастает, так как давление внутри пузырька станет равным внешнему давлению (атмосферы и столба жидкости). На поверхности пузырьки лопаются, и над жидкостью образуется много пара. Вода кипит.
Сейчас мы измерим температуру кипящей воды. Вода кипит при температуре 100 o С.
Учитель: Итак, условие кипения: давление внутри пузырька равно внешнему давлению и признаки кипения:
Много пузырьков лопается на поверхности;
Много пара.
Что же такое кипение?
Ученик : Кипение – это парообразование, которое происходит в объеме всей жидкости при определенной температуре.
Учитель : Запишем определение кипения (Слайд 6).
Кипение – это интенсивное парообразование, происходящее по всему объему жидкости при определенной температуре.
Учитель : Какая температура называется температурой кипения?
Ученик : Температура, при которой жидкость кипит, называется температурой кипения.
Учитель : Как вы считаете, будет ли меняться температура в процессе кипения?
Ученик : Я думаю, она не будет меняться (Слайд 7).
Учитель : Давайте еще раз измерим температуру кипящей воды. Температура не меняется. Но спиртовка продолжает работать и отдавать энергию. На что же расходуется эта энергия, если дальнейшего роста температуры нет?
Ученик : Она расходуется на образование пузырьков пара.
Учитель : Обратимся к таблице на странице 45. Найдите температуру кипения воды.
Ученик : Температура кипения воды 100 o С.
Учитель : Какая жидкость имеет такую же температуру кипения?
Ученик : Молоко.
Учитель : Какую температуру кипения имеют эфир и спирт?
Ученик : Эфир кипит при 35 o С, спирт – при 78 o С.
Учитель : Некоторые вещества, которые при обычных условиях являются газами, при достаточном охлаждении превращаются в жидкости, кипящие при очень низкой температуре. Какие из этих веществ есть в таблице?
Ученик : Это водород и кислород. Жидкий водород кипит при -253 o С, а кислород – при -183 o С.
Учитель : Сейчас мы посмотрим видеоролик “Кипение азота” (Слайд 8).
Учитель : В таблице есть несколько веществ, которые в обычных условиях твердые. Если их расплавить, то в жидком состоянии они будут кипеть при очень высокой температуре. Приведите примеры.
Ученик : Например, жидкая медь кипит при 2567 o С, а железо – при 2750 o С.
Учитель : Обратили ли вы внимание на информацию, указанную в скобках заголовка этой таблицы?
Ученик : Температура кипения некоторых веществ при нормальном атмосферном давлении.
Учитель : Как вы думаете, зачем указано это условие?
Ученик : Потому что температура кипения зависит от внешнего давления.
Учитель : Исследуем зависимость температуры кипения от внешнего давления.
Демонстрация: колбу с кипящей жидкостью снимем со спиртовки и закроем ее пробкой с вставленной в нее грушей. При нажатии на грушу кипение в колбе прекращается. Почему?
Ученик : При нажатии на грушу мы увеличили давление в колбе, и условие кипения нарушилось.
Учитель : Таким образом, мы показали, что с увеличением давления температура кипения увеличивается. Многие хозяйки используют для приготовления пищи кастрюлю – скороварку, которая имеет массу преимуществ по сравнению с обычными кастрюлями. Процесс приготовления пищи в скороварке происходит при температуре 120 o С и давлении 200кПа, поэтому время приготовления значительно сокращается (Слайд 9).
Учитель : Давайте вспомним, как меняется атмосферное давление с увеличением высоты над уровнем моря?
Ученик : Атмосферное давление уменьшается.
Учитель : Как изменится температура кипения воды при подъеме в гору?
Ученик : Она уменьшится (Слайд 10).
Учитель : Совершенно верно. Например, на самой высокой горе Джомолунгме в Гималаях, высота которой 8848 м, вода будет кипеть при температуре около 70 o С. Сварить, например, мясо в таком кипятке просто невозможно.
А как вы думаете, можно ли заставить воду кипеть при комнатной температуре?
Демонстрация: стакан с холодной водой помещаем под стеклянный колокол. С помощью насоса Комовского откачиваем воздух. По мере уменьшения давления в стакане наблюдаем этапы закипания жидкости, при этом температура остается низкой.
Учитель : Какой вывод можно сделать из опытов?
Ученик : Температура кипения жидкости зависит от давления.
Учитель : Мы познакомились с процессом кипения. Как вы считаете, одинаковое ли количество теплоты потребуется на кипение разных жидкостей равной массы, взятых при температуре кипения?
Ученик : Я думаю, потребуется разное количество теплоты.
Учитель : Правильно (Слайд 11). На диаграмме мы видим, что для обращения в пар разных жидкостей требуется разное количество теплоты. Это количество теплоты характеризует физическая величина, называемая удельной теплотой парообразования. Эта величина обозначается буквой L, ее единица измерения в системе СИ Дж/кг. Удельная теплота парообразования – это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы жидкость массой 1кг обратить в пар при температуре кипения. Посмотрим в таблицу на странице 49. Например, удельная теплота парообразования воды 2,3*10 6 Дж/кг. Это значит, что для обращения в пар 1кг воды при температуре кипения нужно затратить 2,3*10 6 Дж энергии. Чему равна удельная теплота парообразования спирта?
Ученик : Удельная теплота парообразования спирта 0,9*10 6 Дж/кг.
Учитель : Что означает это число?
Ученик : Это значит, что для обращения в пар 1 кг спирта при температуре кипения нужно затратить 0,9*10 6 Дж энергии.
Учитель : Следовательно, при температуре кипения внутренняя энергия вещества в парообразном состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в жидком состоянии. Вот почему ожег паром при температуре 100 o С опаснее, чем ожег кипятком (Слайд 12).
Теперь ответьте на вопрос: если снять крышку с кипящего чайника, что можно на ней увидеть?
Ученик : Мы увидим там капельки воды.
Учитель : Как вы объясните их появление?
Ученик : Пар, соприкасаясь с крышкой, конденсируется (Слайд 13).
Учитель : При конденсации пара энергия выделяется. Опыты показывают, что пар, конденсируясь, выделяется точно такое же количество теплоты, какое было затрачено на его образование. Освобождающаяся при конденсации пара энергия может быть использована. На тепловых электростанциях отработанным в турбинах паром нагревают воду, затем ее используют для отопления зданий и на предприятиях бытового обслуживания: банях, прачечных и т.п.
Чтобы вычислить количество теплоты, необходимое для превращения жидкости любой массы в пар при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования умножить на массу. Запишем формулу: Q = Lm. Количество теплоты, которое выделяет пар любой массы, конденсируясь при температуре кипения, определяется этой же формулой.
5. Закрепление.
Учитель : Итак, теперь вы знаете два способа парообразования: испарение и кипение. Кто скажет, чем отличаются эти процессы?
Ученик : Испарение происходит с поверхности жидкости, а кипение по всему объему жидкости.
Ученик : Испарение происходит при любой температуре, а кипение – при определенной температуре. У каждой жидкости своя температура кипения.
Ученик : При испарении температура жидкости уменьшается, а при кипении не изменяется.
Учитель : Как вы думаете, где кипящая вода горячее: на уровне моря, на вершине горы или в глубокой шахте?
Ученик : Я думаю, вода будет горячее в глубокой шахте, так как атмосферное давление на глубине будет выше, следовательно, вода будет кипеть при более высокой температуре.
Учитель : По какой формуле можно рассчитать количество теплоты, затраченное на парообразование или выделяющееся при конденсации пара?
Учитель : Попробуем устно вычислить количество теплоты для следующих случаев (Слайд 15):
Ученик : Для эфира Q = 2*10 6 Дж, для спирта – 9*10 6 Дж, для воды – 4,6*10 6 Дж.
Учитель : На графике показаны процессы нагревания и кипения двух жидкостей одинаковой массы (слайд 16). Пользуясь таблицей на странице 45, определите, для каких веществ построены графики.
Ученик : Верхний - для воды, нижний - для спирта, так как температура кипения воды 100 o С, а спирта - 78 o С.
Учитель : Какова была начальная температура жидкостей?
Ученик : Начальная температура обеих жидкостей 20?С.
Учитель : Назовите участки графика, соответствующие нагреванию жидкостей.
Ученик : АВ для спирта и АD для воды.
Учитель : Назовите участки графика, соответствующие кипению жидкостей.
Ученик : ВС для спирта и DE для воды.
6. Подведение итогов урока.
Учитель : Откройте дневники и запишите домашнее задание: параграфы 18, 20. Упр.10(4) (Слайд 17).
Для желающих следующее экспериментальное задание.
Возьмите большую кастрюлю с водой. Поместите в нее маленькую кастрюлю с водой так, чтобы она плавала, не касаясь дна большой кастрюли. Поставьте их на плиту и начните нагревать. Что будет с водой в маленькой кастрюле, когда в большой кастрюле она будет кипеть? Почему? Насыпьте в большую кастрюлю столовую ложку соли. Что после этого произойдет с водой в маленькой кастрюле? Объясните наблюдаемое явление. Что можно сказать о температуре кипения соленой воды?
7. Рефлексия .
Учитель : Наш урок подходит к концу. Мне бы хотелось знать, с каким настроением вы уходите. У вас на партах есть три цветных стикера, которые отражают следующие настроения: зеленый – мне очень понравился урок, синий – мне было интересно, красный – мне было скучно. Уходя, прикрепите на доску стикер, отражающий ваше настроение (Слайд 18).
Урок окончен. Спасибо за внимание!
Источники
- А.В. Перышкин. Физика. 8 класс. - М.; Дрофа
- Е.М. Гутник, Е,В. Рыбакова, Е.В. Шаронина. Методические материалы для учителя. Физика. 8 класс. - М.; Дрофа
- Л.А. Горев. Занимательные опыты по физике. – М.; Просвещение
- Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов:
- Видеоролик “Кипение азота”
- Рисунки из флеш-презентации
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 100С (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 100С (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.
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 27С. 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 - 100С. 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 75С, а при давлении 0,12 бар - 50С. 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.