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:

Вещество	t кипения, °C	r, кДж/кг
Азот	-196	198
Гелий	-268,94	20,6
Водород	-253	454
Кислород	-183	213
Углерод	4350	50000
Фосфор	280	400
Метан	-162	510
Пентан	36	360
Железо	2735	6340
Медь	2590	4790
Олово	2430	2450
Свинец	1750	8600
Цинк	907	1755
Ртуть	357	285
Золото	2 700	1 650
Этиловый спирт	78	840
Метиловый спирт	65	1100
Хлороформ	61	279

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.

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.

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.

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

Знаете ли вы, какова температура варящегося супа? 100 ˚С. Ни больше, ни меньше. При той же температуре закипает чайник, и варятся макароны. Что это значит?

Почему при постоянном подогреве кастрюльки или чайника горящим газом температура воды внутри не подымается выше ста градусов? Дело в том, что когда вода достигает температуры в сто градусов, вся поступающая тепловая энергия расходуется на переход воды в газообразное состояние, то есть испарение. До ста градусов испарение происходит в основном с поверхности, а достигнув этой температуры, вода закипает. Кипение - это тоже испарение, но только по всему объему жидкости. Пузырьки с горячим паром образуются внутри воды и, будучи легче воды, эти пузырьки вырываются на поверхность, а пар из них улетучивается в воздух.

До ста градусов температура воды при нагревании растет. После ста градусов при дальнейшем нагревании будет расти температура водяного пара. А вот пока вся вода не выкипит при ста градусах, ее температура не повысится, сколько энергии не прикладывай. Куда девается эта энергия, мы уже разобрались - на переход воды в газообразное состояние. Но раз существует такое явление, значит должна быть описывающая это явление физическая величина. И такая величина существует. Называется она удельной теплотой парообразования.

Удельная теплота парообразования воды

Удельная теплота парообразования - это физическая величина, которая показывает количество теплоты , нужное, чтобы превратить жидкость массой 1 кг в пар при температуре кипения. Обозначается удельная теплота парообразования буквой L. А единицей измерения является джоуль на килограмм (1 Дж/кг).

Удельную теплоту парообразования можно найти из формулы:

где Q - это количество теплоты,
m - масса тела.

Кстати, формула такая же, как и для расчета удельной теплоты плавления , разница лишь в обозначении. λ и L

Опытным путем найдены значения удельной теплоты парообразования различных веществ и составлены таблицы, откуда можно найти данные для каждого вещества. Так, удельная теплота парообразования воды равна 2,3*106 Дж/кг. Это означает, что на каждый килограмм воды необходимо потратить количество энергии, равное 2,3*106 Дж, чтобы превратить ее в пар. Но при этом вода должна уже обладать температурой кипения. Если вода изначально была более низкой температуры, то необходимо рассчитать еще то количество теплоты, которое потребуется для подогрева воды до ста градусов.

В реальных условиях часто требуется определить количество теплоты, необходимое для превращения в пар определенной массы какой-либо жидкости, поэтому чаще приходится иметь дело с формулой вида: Q=Lm, а значения удельной теплоты парообразования для конкретного вещества берут из готовых таблиц.