Как найти количество теплоты необходимое для кипения

На этой странице вы можете рассчитать количество теплоты, необходимое для превращение жидкости в пар с помощью калькулятора онлайн. Для этого необходимо ввести массу жидкости и ее удельную теплоту парообразования (см. таблицу).

Формула количества теплоты для превращения в пар

Удельная теплота парообразования жидкостей и расплавленных металлов при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении

Примеры задач на нахождение количества теплоты

Твердые кристаллические вещества переходят в жидкое состояние посредством плавления. Чтобы расплавить вещество, необходимо сообщить ему некоторое количество теплоты. И, наоборот, при кристаллизации (переходе жидкости в твердое состояние) энергия выделяется в окружающую среду.

Проведем аналогию с переходом жидкости в пар. Этот переход может быть осуществлен двумя способами: испарением или кипением. Кипение является тем же испарением, но более интенсивным. Очевидно, что для того, чтобы происходил процесс кипения, жидкости необходимо сообщать какое-то количество теплоты. Это количество теплоты будет идти на образование пара.

На данном уроке мы познакомимся с новым определением — удельной теплотой парообразования и конденсации. Вы узнаете формулу для расчета количества теплоты, необходимого для парообразования жидкости и научитесь ею пользоваться.

Удельная теплота парообразования

Вы уже знаете, что кипение происходит при определенной для каждой жидкости температуре. Количество теплоты, которое потребуется сообщить этим жидкостям одинаковой массы для превращения их в пар тоже будет различно.

Опытным путем было выяснено следующее. Если мы возьмем воду массой $1 space кг$ при температуре $100 degree C$, то нам потребуется затратить $2.3 cdot 10^6 space Дж$ энергии для полного превращения этой воды в пар. 

Температура кипения во время всего процесса остается постоянной. Следовательно, нам необходимо подводить к кипящей жидкости определенное количество теплоты. Для воды это энергия в $2.3 cdot 10^6 space Дж$.

Удельная теплота парообразования — это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой $1 space кг$ в пар без изменения температуры.

• Обозначается буквой $L$
• Единица измерения удельной теплоты парообразования — $1 frac{Дж}{кг}$
• При температуре кипения внутренняя энергия вещества в парообразном состоянии больше внутренней энергии вещества такой же массы в жидком состоянии

Удельная теплота парообразования некоторых жидкостей

В таблице 1 приведены экспериментально полученные величины удельной теплоты парообразования некоторых жидкостей.

Удельная теплота парообразования эфира равна $0.4 cdot 10^6 frac{Дж}{кг}$. Что это означает?

Возьмем $1 space кг$ эфира при его температуре кипения ($35 degree C$). Для того чтобы полностью превратить его в пар, нам потребуется $0.4 cdot 10^6 space Дж$.

Обратите внимание, что удельная теплота парообразования показывает количество теплоты, необходимое для превращения жидкости, взятой при ее температуре кипения, в пар.

Удельная теплота конденсации

Нужно ли сообщать пару энергию при его конденсации? Давайте рассмотрим простой опыт (рисунок 1).

Нальем в сосуд воду и закроем его пробкой. Через пробку проведем трубку и направим ее на кусочек охлажденного стекла. Доведем воду до кипения с помощью горелки.

Пар, поднимающийся над кипящей водой, будет конденсироваться, соприкасаясь с холодным стеклом. Если мы дотронемся до стекла, то обнаружим, что оно очень сильно нагрелось. 

Так энергия пара передается стеклу. В результате этой потери энергии пар конденсируется. Если бы температура стекла была равна температуре пара, то теплопередача бы не происходила, и конденсат не образовывался бы.

Это говорит о том, что при конденсации пар отдает, выделяет энергию.

Более точные опыты также показывают, что 

Конденсируясь, пар отдает то количество энергии, которое пошло на его образование.

Значит, при превращении $1 space кг$ водяного пара в воду при температуре $100 degree C$ выделяется $2.3 cdot 10^6 space Дж$ энергии.

Это довольно большая энергия, поэтому человечество стремится ее использовать. Например, на крупных тепловых электростанциях паром, который уже прошел через турбины, нагревают воду. Ее, в свою очередь, используют для отопления зданий и бытовых нужд.

Расчет количества теплоты, необходимого для парообразования

Чтобы вычислить количество теплоты $Q$, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования $L$ умножить на массу $m$:
$Q = Lm$.

Из этой формулы при расчетах мы можем выражать массу ($m = frac{Q}{L}$) и удельную теплоту парообразования ($L = frac{Q}{m}$).

Для расчета количества теплоты, которое выделит пар массой $m$ при температуре кипения в ходе конденсации, используется эта же формула.

Упражнения

Дано:
$m = 2 space кг$
$t_1 = 20 degree C$
$t_2 = 100 degree C$
$c = 4200 frac{Дж}{кг cdot degree C}$
$L = 2.3 cdot 10^6 frac{Дж}{кг}$

$Q — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть

Дано:
$m = 2 space кг$
$t_1 = 100 degree C$
$t_2 = 0 degree C$
$c = 4200 frac{Дж}{кг cdot degree C}$
$L = 2.3 cdot 10^6 frac{Дж}{кг}$

$Q — ?$

Показать решение

Скрыть

$Q — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества

Количеством теплоты называют количественную меру изменения внутренней энергии тела при теплообмене.

Количество теплоты — это энергия, которую тело отдает при теплообмене (без совершения работы). Количество теплоты, как и энергия, измеряется в джоулях (Дж).

Удельная теплоемкость вещества

Теплоемкость — это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на $1$ градус.

Теплоемкость тела обозначается заглавной латинской буквой С.

От чего зависит теплоемкость тела? Прежде всего, от его массы. Ясно, что для нагрева, например, $1$ килограмма воды потребуется больше тепла, чем для нагрева $200$ граммов.

А от рода вещества? Проделаем опыт. Возьмем два одинаковых сосуда и, налив в один из них воду массой $400$ г, а в другой — растительное масло массой $400$ г, начнем их нагревать с помощью одинаковых горелок. Наблюдая за показаниями термометров, мы увидим, что масло нагревается быстрее. Чтобы нагреть воду и масло до одной и той же температуры, воду следует нагревать дольше. Но чем дольше мы нагреваем воду, тем большее количество теплоты она получает от горелки.

Таким образом, для нагревания одной и той же массы разных веществ до одинаковой температуры требуется разное количество теплоты. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела и, следовательно, его теплоемкость зависят от рода вещества, из которого состоит это тело.

Так, например, чтобы увеличить на $1°$С температуру воды массой $1$ кг, требуется количество теплоты, равное $4200$ Дж, а для нагревания на $1°$С такой же массы подсолнечного масла необходимо количество теплоты, равное $1700$ Дж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты требуется для нагревания $1$ кг вещества на $1°$С, называется удельной теплоемкостью этого вещества.

У каждого вещества своя удельная теплоемкость, которая обозначается латинской буквой $с$ и измеряется в джоулях на килограмм-градус (Дж/(кг$·°$С)).

Удельная теплоемкость одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном) различна. Например, удельная теплоемкость воды равна $4200$ Дж/(кг$·°$С), а удельная теплоемкость льда $2100$ Дж/(кг$·°$С); алюминий в твердом состоянии имеет удельную теплоемкость, равную $920$ Дж/(кг$·°$С), а в жидком — $1080$ Дж/(кг$·°$С).

Заметим, что вода имеет очень большую удельную теплоемкость. Поэтому вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает из воздуха большое количество тепла. Благодаря этому в тех местах, которые расположены вблизи больших водоемов, лето не бывает таким жарким, как в местах, удаленных от воды.

Расчет количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении

Из вышеизложенного ясно, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от рода вещества, из которого состоит тело (т. е. его удельной теплоемкости), и от массы тела. Ясно также, что количество теплоты зависит от того, на сколько градусов мы собираемся увеличить температуру тела.

Итак, чтобы определить количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяемое им при охлаждении, нужно удельную теплоемкость тела умножить на его массу и на разность между его конечной и начальной температурами:

$Q=cm(t_2-t_1)$

где $Q$ — количество теплоты, $c$ — удельная теплоемкость, $m$ — масса тела, $t_1$ — начальная температура, $t_2$ — конечная температура.

При нагревании тела $t_2 > t_1$ и, следовательно, $Q > 0$. При охлаждении тела $t_2 < t_1$ и, следовательно, $Q < 0$.

В случае, если известна теплоемкость всего тела $С, Q$ определяется по формуле

$Q=C(t_2-t_1)$

Удельная теплота парообразования, плавления, сгорания

Теплота парообразования (теплота испарения) — количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу (при постоянном давлении и постоянной температуре) для полного превращения жидкого вещества в пар.

Теплота парообразования равна количеству теплоты, выделяющемуся при конденсации пара в жидкость.

Превращение жидкости в пар при постоянной температуре не ведет к увеличению кинетической энергии молекул, но сопровождается увеличением их потенциальной энергии, т. к. расстояние между молекулами существенно увеличивается.

Удельная теплота парообразования и конденсации. Опытами установлено, что для полного обращения в пар $1$ кг воды (при температуре кипения) необходимо затратить $2.3$ МДж энергии. Для обращения в пар других жидкостей требуется иное количество теплоты. Например, для спирта оно составляет $0.9$ МДж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой $1$ кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.

Удельную теплоту парообразования обозначают буквой $r$ и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты, необходимое для парообразования (или выделяющееся при конденсации). Чтобы вычислить количество теплоты $Q$, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования $r$ умножить на массу $m$:

$Q=rm$

При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты:

$Q=-rm$

Удельная теплота плавления

Теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре, равной температуре плавления, чтобы полностью перевести его из твердого кристаллического состояния в жидкое.

Теплота плавления равна тому количеству теплоты, которое выделяется при кристаллизации вещества из жидкого состояния.

При плавлении вся подводимая к веществу теплота идет на увеличение потенциальной энергии его молекул. Кинетическая энергия не меняется, поскольку плавление идет при постоянной температуре.

Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы расплавить один килограмм льда, нужно затратить $332$ Дж энергии, а для того чтобы расплавить $1$ кг свинца — $25$ кДж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой $1$ кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления.

Удельную теплоту плавления измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг) и обозначают греческой буквой $λ$ (лямбда).

Удельная теплота кристаллизации равна удельной теплоте плавления, поскольку при кристаллизации выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении. Так, например, при замерзании воды массой $1$ кг выделяются те же $332$ Дж энергии, которые нужны для превращения такой же массы льда в воду.

Чтобы найти количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела произвольной массы, или теплоту плавления, надо удельную теплоту плавления этого тела умножить на его массу:

$Q=λm$

Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой $m$, следует пользоваться той же формулой, но со знаком «минус»:

$-Q=λm$

Удельная теплота сгорания

Теплота сгорания (или теплотворная способность, калорийность) — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.

Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обычное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод. При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа. Кинетическая энергия этих молекул оказывается большей, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения называют выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, и есть теплота сгорания этого топлива.

Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем больше количество теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой $1$ кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.

Удельную теплоту сгорания обозначают буквой $q$ и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты $Q$, выделяющееся при сгорании $m$ кг топлива, определяют по формуле:

$Q=qm$

Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.

Уравнение теплового баланса

В замкнутой (изолированной от внешних тел) термодинамической системе изменение внутренней энергии какого-либо тела системы $∆U_i$ не может приводить к изменению внутренней энергии всей системы. Следовательно,

$∆U_1+∆U_2+∆U_3+…+∆U_n=∑↙{i}↖{n}∆U_i=0$

Если внутри системы не совершается работа никакими телами, то, согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии любого тела происходит только за счет обмена теплом с другими телами этой системы: $∆U_i=Q_i$. Учитывая ($∆U_1+∆U_2+∆U_3+…+∆U_n=∑↙{i}↖{n}∆U_i=0$), получим:

$Q_1+Q_2+Q_3+…+Q_n=∑↙{i}↖{n}Q_i=0$

Это уравнение называется уравнением теплового баланса. Здесь $Q_i$ — количество теплоты, полученное или отданное $i$-м телом. Любое из количеств теплоты $Q_i$ может означать теплоту, выделяемую или поглощаемую при плавлении какого-либо тела, сгорании топлива, испарении или конденсации пара, если такие процессы происходят с различными телами системы, и будут определятся соответствующими соотношениями.

Уравнение теплового баланса является математическим выражением закона сохранения энергии при теплообмене.

3. Изучение нового материала.

Особенности процесса испарения:

— Испарение жидкости идёт при любой температуре.

— Молекулы жидкости покидают её лишь с поверхности.

При этом процесс испарения сопровождается уменьшением внутренней энергии жидкости и при отсутствии подвода тепла к жидкости её температура должна неуклонно уменьшаться.

1.Но есть ещё один вид парообразования – кипение.

Опыт 1: зарождение процесса кипения при нагревании воды в колбе.

(компьютерная модель процесса кипения воды)

Вероятно, вы задумывались над тем:

— почему внутри жидкости образуются пузырьки?

— почему пузырьки увеличиваются в размерах?

— почему пузырьки поднимаются вверх?

Вода никогда не бывает однородной, в ней всегда имеются пузырьки воздуха. Эти пузырьки настолько малы, что они невидимы невооруженным глазом. Кроме того, поверхность твёрдого тела обладает способностью удерживать молекулы газа, которые как бы прилипают к ней.

В начале нагрева воды можно видеть образование маленьких пузырьков воздуха на дне и стенках колбы, которого много растворено в воде при нормальных условиях (атмосферное давление 760 мм рт. ст., или 101,3 кПа.). При нагревании испарение воды с поверхности усиливается, иногда даже можно заметить над ней туман. Это водяной пар конденсируется в воздухе при охлаждении, образуя мельчайшие капельки воды (сам водяной пар невидим).

При дальнейшем повышении температуры в воде появляются многочисленные пузырьки воздуха, размеры которых растут. В них содержится насыщенный пар, так как вода испаряется внутрь этих пузырьков воздуха. По мере дальнейшего нагревания воды пузырьки становятся крупнее и многочисленнее. С ростом размеров пузырьков возрастает и архимедова сила, выталкивающая их из воды, и они всплывают. Но т.к. при нагревании жидкости снизу, её верхние слои оказываются холоднее нижних, то при подъёме пузырька водяной пар в нём конденсируется, а воздух снова растворяется в воде и объём пузырька уменьшается, он схлопывается во внутрь, и мы слышим громкий характерный шум перед началом кипения. Это происходит до тех пор, пока температура во всей жидкости не станет одинаковой. Когда температура всей жидкости станет одинаковой, объём пузырьков при подъёме будет уже непрерывно возрастать, т.к. давление насыщенного пара внутри пузырьков остаётся постоянным, а давление столба воды уменьшается. Всё пространство внутри пузырька при его росте заполняется насыщенным паром. Когда такой пузырёк достигнет поверхности жидкости, то давление насыщенного пара в нём практически равно атмосферному давлению на поверхности жидкости, пузырёк лопается, а находящиеся в нём пары выходят в окружающую среду – вода кипит.

Опыт 2: ШФЭ «Постоянство температуры воды при кипении»

Кипение – это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объёму жидкости при определённой температуре.

Промежуточный контроль знаний:

— какими явлениями сопровождается процесс кипения?

— почему и где образуются пузырьки воздуха?

— почему пузырёк увеличивается в объёме?

— изобразите силы, действующие на пузырек?

— почему вода «шумит» перед закипанием?

— чем отличается процесс кипения от процесса испарения?

В отличие от испарения, которое происходит при любой температуре, кипение от начала до конца происходит при определённой и постоянной для каждой жидкости температуре.

Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения. Во время кипения температура жидкости не изменяется.

Опыт 3: ШФЭ «Кипение воды при пониженном давлении».

Из колбы с водой, нагретой до температуры 50 ⁰С-70 ⁰С, начинаем при помощи насоса Камовского, откачивать воздух. Через некоторое время вода внутри колбы начинает бурлить – начнётся процесс кипения.

При уменьшении давления воздуха над поверхностью воды воздушным пузырькам легче всплывать. Поэтому кипение происходит при меньшей температуре. Именно поэтому высоко в горах, на высотах 6000 – 8000 м невозможно сварить суп или мясо, заварить чай. Температура кипения воды на таких высотах 50 ⁰С — 70 ⁰С. Температуру кипения воды можно увеличить при помощи автоклавов – мощных котлов, в которых создают избыточное давление. При этом воду можно заставить кипеть при температуре 200-300 ⁰С. Автоклавы используют для стерилизации медицинских инструментов. На том же принципе работают «скороварки» — кастрюли с плотно прилегающей закручивающейся крышкой. За счёт давления пара над водой создаётся давление до 200 кПа и вода кипит при температуре 110 ⁰С –120 ⁰С. Повышая давление, мы повышаем температуру кипения.

Промежуточный контроль знаний:

— почему жители гор, когда варят, закрывают кастрюлю крышкой и сверху

кладут камни?

— почему температура кипения не изменяется в процессе кипения?

— на что расходуется энергия, подводимая к телу в процессе кипения?

— чем можно обжечься сильнее – кипящим маслом или кипящей водой?

— почему ожог паром опаснее ожога кипятком?

Удельная теплота парообразования (L). Чтобы температура испаряющейся жидкости не изменялась, к жидкости необходимо подводить определённое количество теплоты. Во время кипения, это количество теплоты идёт на образования пара. Причём различные жидкости одной и той же массы требуют разное количество для обращения их в пар при температуре кипения. Для характеристики энергетических затрат на испарение жидкостей вводится понятие удельной теплоты парообразования (L).

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.

Физический смысл удельной теплоты парообразования состоит в том, что она количественно определяет, на сколько отличается при данной температуре внутренняя энергия тела массой 1 кг при переходе из жидкого в газообразное состояние.

В таблице указано, что удельная теплота парообразования спирта 9∙10⁵ Дж/кг. Это означает, что для обращения в пар 1 кг спирта, взятого при температуре кипения (78 ⁰С), необходимо затратить 9∙10⁵ Дж теплоты. Или: если L= 2257 кДж/кг

(для воды), то это означает, что внутренняя энергия 1 кг водяного пара при температуре 100 ⁰С больше внутренней энергии воды при той же температуре на

2257 кДж.

Промежуточный контроль знаний:

— чем можно обжечься сильнее – кипящим маслом или кипящей водой?

— почему ожог паром опаснее ожога кипятком?

Формула для расчёта количества теплоты. Чтобы найти количество теплоты, необходимое для превращения в пар любой массы жидкости т, взятой при температуре кипения, используют формулу: Q = Lm.

Количество теплоты, которое выделяется при конденсации пара аналогичной массы, определяется по формуле: Q = -Lm. Знак «-» показывает, что энергия при конденсации выделяется.

Если жидкости сначала нужно нагреть до температуры кипения, а затем обратить в пар, то общее количество теплоты равно: Q = Q₁ + Q₂, где Q₁ = cm(t₂ – t₁) и Q₂ = Lm.

Промежуточный контроль знаний:

— вывести из формулы Q = Lm чему равна масса.

— вывести из формулы Q = Lm чему равна удельная теплота парообразования.

4. Закрепление изученного материала.

— Учащиеся выполняют тесты по вариантам. (Е.Н. Кривопалова «Тесты. Физика 8 класс» (приложение 2).

— Проверяют вариант соседа, сделавшего тест.

— Проверяют правильность выполнения чужого теста под руководством учителя.

— Выставляют в своей работе оценку по известным критериям (Используют стенд «Критерии оценки ответов по физике».

д). Анализируют неправильные ответы.

Предложите, как улучшить StudyLib

(Для жалоб на нарушения авторских прав, используйте

другую форму
)