Todos nós sabemos que a água em uma chaleira ferve a 100°C. Mas você já reparou que a temperatura da água não muda durante o processo de ebulição? A questão é - para onde vai a energia gerada se mantivermos constantemente o recipiente em chamas? Ele vai para a conversão de líquido em vapor. Assim, para a transição da água para o estado gasoso, é necessário um fornecimento constante de calor. O quanto é necessário para converter um quilograma de líquido em vapor de mesma temperatura é determinado por uma quantidade física chamada calor específico de vaporização da água.

A ebulição requer energia. A maior parte é usada para quebrar as ligações químicas entre átomos e moléculas, resultando na formação de bolhas de vapor, e a parte menor é usada para expandir o vapor, ou seja, para que as bolhas formadas possam estourar e liberá-lo. Como o líquido coloca toda a sua energia na transição para o estado gasoso, suas "forças" se esgotam. Para constante renovação de energia e prolongamento da fervura, cada vez mais calor deve ser levado ao recipiente com líquido. Uma caldeira, queimador de gás ou qualquer outro dispositivo de aquecimento pode fornecer seu fluxo de entrada. Durante a ebulição, a temperatura do líquido não aumenta, ocorre o processo de formação de vapor da mesma temperatura.

Diferentes líquidos requerem diferentes quantidades de calor para se transformar em vapor. Qual deles - mostra o calor específico de vaporização.

Você pode entender como esse valor é determinado a partir de um exemplo. Pegue 1 litro de água e deixe ferver. Em seguida, medimos a quantidade de calor necessária para evaporar todo o líquido e obtemos o valor do calor específico de vaporização da água. Para outros compostos químicos, este indicador será diferente.

Na física, o calor específico de vaporização é indicado pela letra latina L. É medido em joules por quilograma (J/kg). Pode ser obtido dividindo o calor gasto na evaporação pela massa do líquido:

Este valor é muito importante para processos de produção baseados em tecnologias modernas. Por exemplo, eles são guiados por ela na produção de metais. Descobriu-se que, se o ferro for derretido e depois condensado, com mais endurecimento, uma rede cristalina mais forte é formada.

O que é igual a

O valor do calor específico para várias substâncias (r) foi determinado no decorrer de estudos de laboratório. A água à pressão atmosférica normal ferve a 100°C e o calor de vaporização da água é 2258,2 kJ/kg. Este indicador para algumas outras substâncias é dado na tabela:

Substância	ponto de ebulição, °C	r, kJ/kg
Azoto	-196	198
Hélio	-268,94	20,6
Hidrogênio	-253	454
Oxigênio	-183	213
Carbono	4350	50000
Fósforo	280	400
Metano	-162	510
Pentano	36	360
Ferro	2735	6340
Cobre	2590	4790
Lata	2430	2450
Conduzir	1750	8600
Zinco	907	1755
Mercúrio	357	285
Ouro	2 700	1 650
Etanol	78	840
Álcool metílico	65	1100
Clorofórmio	61	279

No entanto, este indicador pode mudar sob a influência de alguns fatores:

1. Temperatura. Com o seu aumento, o calor de evaporação diminui e pode ser igual a zero.
   

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

2. Pressão.À medida que a pressão diminui, o calor de vaporização aumenta e vice-versa. O ponto de ebulição é diretamente proporcional à pressão e pode atingir um valor crítico de 374°C.

   p, p	pb, °C	r, kJ/kg
   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
   Crítico 221,29	374,15	-

3. A massa da substância. A quantidade de calor envolvida no processo é diretamente proporcional à massa do vapor resultante.

A razão de evaporação e condensação

Os físicos descobriram que o processo de evaporação reversa - condensação - o vapor gasta exatamente a mesma quantidade de energia que foi gasta em sua formação. Esta observação confirma a lei da conservação da energia.

Caso contrário, seria possível criar uma instalação na qual o líquido evaporaria e depois condensaria. A diferença entre o calor necessário para a evaporação e o calor suficiente para a condensação levaria ao acúmulo de energia que poderia ser utilizada para outros fins. De fato, uma máquina de movimento perpétuo seria criada. Mas isso é contrário às leis físicas e, portanto, impossível.

Como é medido

1. O calor específico de vaporização da água é medido experimentalmente em laboratórios físicos. Para isso, são usados ​​calorímetros. O procedimento é o seguinte:
2. Uma certa quantidade de líquido é despejada no calorímetro.

Dos §§ 2.5 e 7.2 segue-se que durante a vaporização a energia interna de uma substância aumenta e durante a condensação diminui. Como durante esses processos as temperaturas do líquido e do vapor podem ser iguais, a mudança na energia interna da substância ocorre apenas devido a uma mudança na energia potencial das moléculas. Assim, na mesma temperatura, uma unidade de massa de um líquido tem menos energia interna do que uma unidade de massa de seu vapor.

A experiência mostra que a densidade de uma substância em processo de vaporização diminui bastante e o volume ocupado pela substância aumenta. Portanto, durante a vaporização, o trabalho deve ser feito contra as forças da pressão externa. Portanto, a energia que deve ser transmitida a um líquido para transformá-lo em vapor a uma temperatura constante vai em parte para aumentar a energia interna da substância e em parte para realizar trabalho contra forças externas no processo de sua expansão.

Na prática, o calor é fornecido ao líquido para convertê-lo em vapor durante a troca de calor. A quantidade de calor necessária para converter um líquido em vapor a uma temperatura constante é chamada de calor de vaporização. Quando um vapor se transforma em líquido, uma quantidade de calor deve ser removida dele, que é chamada de calor de condensação. Se as condições externas são as mesmas, então com massas iguais da mesma substância, o calor de vaporização é igual ao calor de condensação.

Com a ajuda de um calorímetro, verificou-se que o calor de vaporização é diretamente proporcional à massa de líquido convertida em vapor

Aqui - coeficiente de proporcionalidade, cujo valor depende do tipo de líquido e das condições externas.

O valor que caracteriza a dependência do calor de vaporização do tipo de substância e das condições externas é chamado de calor específico de vaporização. O calor específico de vaporização é medido pela quantidade de calor necessária para converter uma unidade de massa de líquido em vapor a uma temperatura constante:

No SI, o calor específico de vaporização de tal líquido é tomado como uma unidade, para a transformação em vapor de 1 kg do qual, a temperatura constante, é necessário 1 J de calor. (Mostre isso com a fórmula (7.1a).)

Como exemplo, notamos que o calor específico de vaporização da água a uma temperatura de (100°C) é igual a

Como a vaporização pode ocorrer em diferentes temperaturas, surge a pergunta: o calor específico de vaporização de uma substância mudará neste caso? A experiência mostra que à medida que a temperatura aumenta, o calor específico de vaporização diminui. Isso ocorre porque todos os líquidos se expandem quando aquecidos. Nesse caso, a distância entre as moléculas aumenta e as forças de interação molecular diminuem. Além disso, quanto maior a temperatura, maior a energia média das moléculas do líquido e menos energia elas precisam adicionar para que possam voar para fora da superfície do líquido.

objetivo do trabalho

Assimilação e consolidação de material teórico sobre o tema da disciplina de termodinâmica "Vapor de água", bem como domínio dos métodos de experimentação e tratamento dos dados obtidos, familiarização com as tabelas "Propriedades termofísicas da água e do vapor".

1. Estude o esquema do setup experimental, ligue-o e leve-o a um determinado regime térmico estacionário.

2. Realize o experimento de acordo com as diretrizes, preencha a tabela 1.

3. Determine o calor específico gasto na vaporização da água no experimento.

4. Para o processo isobárico de vaporização, determine os valores tabulares dos parâmetros de água na linha de saturação e vapor saturado seco, bem como o calor específico de vaporização.

5. Calcule a energia interna do líquido na linha de saturação de vapor para as condições do experimento.

6. Calcule o erro do valor encontrado do calor específico de vaporização em relação à tabela.

7. Descreva os processos que ocorrem no vaso Dewar nos diagramas P-v e T-s.

8. Faça uma conclusão sobre o trabalho.

INSTRUÇÕES METODOLÓGICAS

A transição de uma substância do estado líquido para o estado gasoso é chamada de vaporização, a transição inversa é chamada de condensação. A ebulição de um líquido é um processo de vaporização dentro de um líquido que ocorre a uma temperatura estritamente definida t n, ° C, determinada pela pressão. Se existe uma fase gasosa com uma fase líquida da mesma substância, ela é chamada de vapor. A fase gasosa do sistema é o vapor saturado seco, e a fase líquida é um líquido que retém o estado correspondente ao início da vaporização.

Durante a vaporização de acordo com o processo isobárico-isotérmico, de acordo com a primeira lei da termodinâmica, o calor específico de transformação de fase (calor específico de vaporização) r, J / kg,

r \u003d u "- u" + p (v "-v"), (1)

r = i" - i" , (2)

onde u", i", v" - respectivamente, energia interna, entalpia, J/kg, e o volume específico de vapor saturado seco, m3/kg;

u", i", v" - respectivamente, a energia interna, entalpia, J / kg, e o volume específico do líquido no estado de saturação, m 3 / kg.

A pressão p, Pa, não é marcada com índices especiais, pois não muda durante toda a transição de fase e é igual à pressão de saturação.

Assim, o calor específico de vaporização inclui uma mudança na energia interna de uma substância e o trabalho de uma mudança de volume durante uma transição de fase.

O calor específico de vaporização está funcionalmente relacionado aos parâmetros de estado. Para a maioria das substâncias usadas na prática, as propriedades do líquido e do vapor na linha de saturação são determinadas e tabuladas. Essas tabelas fornecem os valores de p e t na linha de saturação e os valores correspondentes de v", v", i", i", r, s", s". A energia interna do líquido na linha de saturação u", J / kg, e vapor saturado seco u", J / kg, é determinada respectivamente pelas equações

u"=i"-pv"(3)

u"=i"-pv" (4)

CONFIGURAÇÃO EXPERIMENTAL

Foto. Esquema da configuração experimental

A montagem experimental (figura) consiste em um recipiente Dewar 1 com aquecedor elétrico 2, no qual é despejada uma porção de água destilada de um recipiente 3, regulado por uma válvula 4. O vapor resultante no condensador 5, através do qual a água da torneira passa, se transforma em um líquido. O fluxo de água é regulado pela válvula 7 de acordo com a lâmpada de controle 8. O condensado resultante é coletado em um cilindro medidor 9. No painel de controle estão: interruptor "NETWORK" 10, voltímetro 11, amperímetro 12, interruptor de modo 13; 6 - funil de vidro.

TÉCNICA EXPERIMENTAL

1. Ligue o aparelho rodando o interruptor 10 para a posição "1".

2. Verifique o enchimento do recipiente Dewar 1 colocando o interruptor de modo 13 na posição "FILLING". Se ao mesmo tempo a luz de sinalização verde "Vessel is full" acender, você poderá iniciar o experimento. Caso contrário, o recipiente é enchido com água destilada, para a qual é aberta a válvula 4. Após a luz de sinalização verde acender, feche bem o recipiente.

3. Mova o interruptor 13 para a posição "HEATING".

4. Girando o botão do autotransformador 14, defina o valor da tensão no aquecedor U, V (e a intensidade da corrente I, A) definida pelo professor.

5. Forneça água de resfriamento ao condensador 5 abrindo a válvula 7 e ajuste o fluxo de água de acordo com a lâmpada de controle 8.

6. Quando for estabelecido um modo estacionário de água fervendo em um vaso Dewar (15-20 cm de condensado se acumularão no cilindro de medição 9), faça uma coleta de controle de condensado na quantidade indicada pelo professor (V, m 3). A duração da coleta de controle t, s, é determinada pelo cronômetro.

7. Usando um barômetro, determine a pressão atmosférica P a, mm Hg.

8. Insira os dados de medição na tabela de observações e assine com o professor.

9. Ligue a unidade girando o interruptor "0", feche a válvula 7, gire a manivela do autotransformador no sentido anti-horário até parar, drene o condensado no recipiente 3.

tabela 1

Número de medição			milímetros. art. Arte.

PROCESSAMENTO DE DADOS EXPERIMENTAIS

1. Calcule a quantidade de calor gasto na vaporização de 1 kg de água r op, J/kg:

r op = (W - Q)  / (Vr),

onde W = UI - potência do aquecedor, W;

Q = 0,04W - perdas de calor, W;

r é a densidade do condensado, kg/m 3. Aceitamos r \u003d 1000 kg / m 3.

2. Supondo que a água ferva à pressão atmosférica, determine a partir dos valores tabulares dos parâmetros de água na linha de saturação e vapor saturado seco, que são inseridos na Tabela 2.

mesa 2

	i", kJ/kg	S", kJ/(kgK)		i", kJ/kg	S", J/(kgK)

3. Calcule os valores da energia interna da água na linha de saturação u" e vapor saturado seco u", kJ/kg, usando as fórmulas (3) e (4).

4. Calcule o erro, %, do valor encontrado do calor específico de vaporização r op, kJ / kg, em relação ao r tabular, kJ / kg, de acordo com a fórmula:

D \u003d (r op - r) 100 / r.

5. Apresente graficamente os processos que ocorrem no vaso Dewar em diagramas P-v e T-s.

6. Faça uma conclusão sobre o trabalho.

PERGUNTAS PARA AUTO-EDUCAÇÃO

1. Vaporização de líquido; a essência dos processos de ebulição e evaporação de um líquido.

2. Processo isobárico de transição de líquido para vapor superaquecido em diagramas P-v e T-s.

3. Curvas de limite com o grau de secura x = 0 e x = 1, o estado crítico da substância

4. Conceitos: líquido na linha de saturação, vapor saturado úmido, vapor saturado seco, vapor superaquecido.

5. Calor específico de vaporização do líquido.

6. O grau de secura, o grau de umidade do vapor.

7. Tabelas de propriedades termofísicas da água e do vapor de água, seu significado.

8. Determinação dos parâmetros de vapor úmido.

9. i-s-diagrama de vapor de água, sua finalidade.

10. Processos termodinâmicos do vapor em diagramas P-v, T-s, i-s.

REFERÊNCIAS

1. Engenharia do calor / Ed. A.P. Baskakova.- M.: Energoizdat, 1991.- 224 p.

2. Nashchokin V.V. Termodinâmica técnica e transferência de calor - M.:: Escola Superior, 1980. - 496 p.

3. Yudaev B.N. Termodinâmica técnica. Transferência de calor - M.: Escola superior, 1998. - 480 p.

4. Rivkin S.L., Aleksandrov A.A. Tabelas de propriedades termofísicas da água e do vapor.- M.: Energia, 1980.- 408 p.

Instrumentos e acessórios utilizados no trabalho:

2. Linha de vapor (tubo de borracha).

3. Calorímetro.

4. Fogão elétrico.

5. Termômetro.

6. Balanças técnicas com peso.

7. Copo.

Objetivo:

Aprender experimentalmente a determinar o calor específico de vaporização da água.

I. INTRODUÇÃO TEÓRICA.

No processo de troca de energia, entre a matéria e o ambiente, é possível a transição da matéria de um estado de agregação para outro (de um estado de fase para outro).

A transição de uma substância do estado líquido para o estado gasoso é chamada de vaporização.

A vaporização ocorre na forma de evaporação e ebulição.

A vaporização que ocorre apenas a partir da superfície livre de um líquido é chamada de evaporação .

A evaporação ocorre a qualquer temperatura do líquido, mas com o aumento da temperatura, a taxa de evaporação do líquido aumenta.

O líquido evaporado pode ser resfriado se o calor não for intensamente fornecido a ele do lado de fora, ou pode ser aquecido, o calor é fornecido intensivamente do lado de fora.

A vaporização, que ocorre em todo o volume de um líquido e a uma temperatura constante, é chamada de ebulição.

O ponto de ebulição depende da pressão externa na superfície do líquido.

O ponto de ebulição de um líquido à pressão atmosférica normal é chamado de ponto de ebulição este líquido.

Durante a vaporização, a energia interna de uma substância aumenta, portanto, para converter um líquido em vapor, o calor deve ser fornecido a ele no processo de transferência de calor.

A quantidade de calor necessária para transformar um líquido em vapor a uma temperatura constante é chamada de calor da vaporização.

O valor é diretamente proporcional à massa do líquido transformado em vapor:

O valor g, que caracteriza a dependência do calor de vaporização do tipo de substância e das condições externas, é chamado calor específico de vaporização . O calor específico de vaporização é medido pela quantidade de calor necessária para converter uma unidade de massa de líquido em vapor a uma temperatura constante:

No SI, o calor específico de vaporização é medido em .

O valor depende da temperatura na qual ocorre a vaporização. A experiência mostra que à medida que a temperatura aumenta, o calor específico de vaporização diminui. O gráfico (Fig. 1) mostra a dependência da água.

Neste trabalho, o calor específico de vaporização da água é determinado pelo processo de ebulição, usando a equação do balanço de calor para a condensação do vapor d'água. Para fazer isso, pegue um calorímetro (K) (veja a Fig. 2), no qual há água a uma temperatura, vapor de água, com ponto de ebulição, é introduzido do frasco através da linha de vapor P na água fria do calorímetro, onde se condensa.

Após algum tempo, o tubo da tubulação de vapor é removido e a temperatura estabelecida no calorímetro é medida e a massa do vapor introduzido no calorímetro é determinada.

Em seguida, a equação de balanço de calor é elaborada.

Quando o vapor condensa, o calor é liberado.

onde é o calor específico de condensação (é também o calor específico de vaporização). O vapor condensado se transforma em água a uma temperatura, que então esfria até uma temperatura e libera calor.

(4)

O calor liberado durante a condensação do vapor e resfriamento da água quente é recebido pelo calorímetro e pela água nele contida. Devido a isso, eles são aquecidos de temperatura a temperatura . O calor recebido pelo calorímetro e água fria é calculado pela fórmula:

A equação do balanço de calor é compilada de acordo com a lei da conservação da energia durante a transferência de calor.

Durante a transferência de calor, a soma das quantidades de calor liberadas por todos os corpos, nas quais a energia interna diminui, é igual à soma das quantidades de calor recebidas por todos os corpos, nas quais a energia interna aumenta:

(6)

No nosso caso, para a troca de calor que ocorreu no calorímetro, assumimos que não há perda de calor para o ambiente. Portanto, a equação (6) pode ser escrita como: ou

A partir desta equação, obtemos uma fórmula de trabalho para calcular o valor com base nos resultados do experimento:

2. PROGRESSO DO TRABALHO.

1. Faça uma tabela na qual os resultados das medições e cálculos serão inseridos no formulário fornecido no final da descrição.

2. Pese o recipiente interno do calorímetro, insira o valor resultante na tabela.

3. Usando um béquer, meça 150 200 ml de água fria, despeje no calorímetro e meça a massa do recipiente interno do calorímetro com água (m 2). Encontre a massa de água:

m em \u003d m 2 - m para

Anote a massa de água fria na tabela.

4. Meça a temperatura inicial do calorímetro e a água nele Valor, escreva na tabela.

5. Mergulhe a ponta do tubo de vapor na água do calorímetro e deixe o vapor entrar até que a temperatura da água suba de 30°K - 35°K (temperatura q após a troca de calor).

6. Pese o béquer interno do calorímetro e determine a massa de vapor condensado. Registre o resultado em uma tabela. ()

7. Os valores das capacidades de calor específico da água e da substância do calorímetro (alumínio) e o valor tabular do calor específico de vaporização da água são fornecidos na tabela de resultados de medição e cálculo.

8. Usando a fórmula (7), calcule o calor específico de vaporização da água.

9. Calcule o erro absoluto e relativo do resultado obtido em relação ao resultado tabular usando as fórmulas:

;

10. Faça uma conclusão sobre o trabalho realizado e o resultado do calor específico de vaporização da água.

TABELA DE RESULTADOS DE MEDIÇÃO E CÁLCULO

Você sabe qual é a temperatura da sopa cozida? 100˚С. Nem mais nem menos. Na mesma temperatura, a chaleira ferve e a massa é fervida. O que isso significa?

Por que a temperatura da água no interior não sobe acima de cem graus quando uma panela ou chaleira é constantemente aquecida com gás ardente? O fato é que quando a água atinge uma temperatura de cem graus, toda a energia térmica recebida é gasta na transição da água para o estado gasoso, ou seja, evaporação. Até cem graus, a evaporação ocorre principalmente na superfície e, quando atinge essa temperatura, a água ferve. A ebulição também é evaporação, mas apenas em todo o volume do líquido. Bolhas de vapor quente são formadas dentro da água e, sendo mais leves que a água, essas bolhas saem para a superfície, e o vapor delas escapa para o ar.

Até cem graus, a temperatura da água aumenta quando aquecida. Depois de cem graus, com mais aquecimento, a temperatura do vapor de água aumentará. Mas até que toda a água ferva a cem graus, sua temperatura não aumentará, não importa quanta energia você aplique. Já descobrimos para onde vai essa energia - para a transição da água para o estado gasoso. Mas se tal fenômeno existe, então deve haver a grandeza física que descreve esse fenômeno. E esse valor existe. É chamado de calor específico de vaporização.

Calor específico de vaporização da água

O calor específico de vaporização é uma quantidade física que indica a quantidade de calor necessária para transformar um líquido de 1 kg em vapor no ponto de ebulição. O calor específico de vaporização é indicado pela letra L. E a unidade de medida é o joule por quilograma (1 J/kg).

O calor específico de vaporização pode ser encontrado pela fórmula:

onde Q é a quantidade de calor,
m - peso corporal.

A propósito, a fórmula é a mesma do cálculo do calor específico de fusão, a diferença está apenas na designação. λ e L

Empiricamente, foram encontrados os valores do calor específico de vaporização de várias substâncias e compiladas tabelas a partir das quais podem ser encontrados dados para cada substância. Assim, o calor específico de vaporização da água é 2,3*106 J/kg. Isso significa que para cada quilo de água, uma quantidade de energia igual a 2,3 * 106 J deve ser gasta para transformá-la em vapor. Mas, ao mesmo tempo, a água já deve ter um ponto de ebulição. Se a água estava inicialmente a uma temperatura mais baixa, é necessário calcular a quantidade de calor necessária para aquecer a água a cem graus.

Em condições reais, muitas vezes é necessário determinar a quantidade de calor necessária para a transformação de uma certa massa de um líquido em vapor, portanto, mais frequentemente é preciso lidar com uma fórmula da forma: Q \u003d Lm, e os valores do calor específico de vaporização de uma substância específica são retirados de tabelas prontas.