Știm cu toții că apa într-un ibric fierbe la 100°C. Dar ai observat că temperatura apei nu se schimbă în timpul procesului de fierbere? Întrebarea este – unde se duce energia generată dacă ținem constant containerul pe foc? Acesta trece la transformarea lichidului în abur. Astfel, pentru trecerea apei în stare gazoasă, este necesară o furnizare constantă de căldură. Cât de mult este necesar pentru a transforma un kilogram de lichid în abur de aceeași temperatură este determinat de o cantitate fizică numită căldură specifică de vaporizare a apei.

Fierberea necesită energie. Cea mai mare parte este folosită pentru a rupe legăturile chimice dintre atomi și molecule, rezultând formarea de bule de vapori, iar partea mai mică este folosită pentru a extinde vaporii, adică pentru ca bulele formate să poată izbucni și să-l elibereze. Deoarece lichidul își pune toată energia în tranziția la starea gazoasă, „forțele” sale se epuizează. Pentru reînnoirea constantă a energiei și prelungirea fierberii, în recipientul cu lichid trebuie adusă din ce în ce mai multă căldură. Un cazan, un arzător pe gaz sau orice alt dispozitiv de încălzire poate asigura fluxul acestuia. În timpul fierberii, temperatura lichidului nu crește, are loc procesul de formare a aburului de aceeași temperatură.

Diferitele lichide necesită cantități diferite de căldură pentru a se transforma în vapori. Care dintre ele - arată căldura specifică de vaporizare.

Puteți înțelege cum se determină această valoare dintr-un exemplu. Luați 1 litru de apă și aduceți-l la fiert. Apoi măsuram cantitatea de căldură necesară pentru a evapora tot lichidul și obținem valoarea căldurii specifice de vaporizare pentru apă. Pentru alți compuși chimici, acest indicator va fi diferit.

În fizică, căldura specifică de vaporizare este notă cu litera latină L. Se măsoară în jouli pe kilogram (J/kg). Poate fi obținut prin împărțirea căldurii consumate la evaporare la masa lichidului:

Această valoare este foarte importantă pentru procesele de producție bazate pe tehnologii moderne. De exemplu, ei sunt ghidați de acesta în producția de metale. S-a dovedit că dacă fierul este topit și apoi condensat, cu o întărire suplimentară, se formează o rețea cristalină mai puternică.

Ce este egal cu

Valoarea căldurii specifice pentru diferite substanțe (r) a fost determinată în cursul studiilor de laborator. Apa la presiunea atmosferică normală fierbe la 100 °C, iar căldura de vaporizare a apei este de 2258,2 kJ/kg. Acest indicator pentru alte substanțe este prezentat în tabel:

Substanţă	punctul de fierbere, °C	r, kJ/kg
Azot	-196	198
Heliu	-268,94	20,6
Hidrogen	-253	454
Oxigen	-183	213
Carbon	4350	50000
Fosfor	280	400
Metan	-162	510
pentană	36	360
Fier	2735	6340
Cupru	2590	4790
Staniu	2430	2450
Conduce	1750	8600
Zinc	907	1755
Mercur	357	285
Aur	2 700	1 650
Etanol	78	840
Alcool metilic	65	1100
Cloroform	61	279

Cu toate acestea, acest indicator se poate modifica sub influența anumitor factori:

1. Temperatura. Odată cu creșterea acesteia, căldura de evaporare scade și poate fi egală cu 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. Presiune. Pe măsură ce presiunea scade, căldura de vaporizare crește și invers. Punctul de fierbere este direct proporțional cu presiunea și poate atinge o valoare critică de 374 °C.

   p, Pa	pf, °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
   Critic 221,29	374,15	-

3. Masa substanței. Cantitatea de căldură implicată în proces este direct proporțională cu masa aburului rezultat.

Raportul dintre evaporare și condensare

Fizicienii au descoperit că procesul de evaporare inversă - condensare - aburul cheltuiește exact aceeași cantitate de energie cum a fost cheltuită pentru formarea sa. Această observație confirmă legea conservării energiei.

În caz contrar, ar fi posibilă crearea unei instalații în care lichidul să se evapore și apoi să condenseze. Diferența dintre căldura necesară pentru evaporare și căldura suficientă pentru condensare ar avea ca rezultat acumularea de energie care ar putea fi utilizată în alte scopuri. De fapt, ar fi creată o mașină cu mișcare perpetuă. Dar acest lucru este contrar legilor fizice și, prin urmare, imposibil.

Cum se măsoară

1. Căldura specifică de vaporizare a apei se măsoară experimental în laboratoare fizice. Pentru aceasta se folosesc calorimetre. Procedura este următoarea:
2. O anumită cantitate de lichid este turnată în calorimetru.

Din §§ 2.5 si 7.2 rezulta ca in timpul vaporizarii energia interna a unei substante creste, iar in timpul condensarii scade. Întrucât în ​​timpul acestor procese temperaturile lichidului și vaporilor acestuia pot fi egale, modificarea energiei interne a substanței are loc numai datorită unei modificări a energiei potențiale a moleculelor. Deci, la aceeași temperatură, o unitate de masă a unui lichid are mai puțină energie internă decât o unitate de masă a vaporilor acestuia.

Experiența arată că densitatea unei substanțe în procesul de vaporizare scade foarte mult, iar volumul ocupat de substanță crește. Prin urmare, în timpul vaporizării, trebuie să se lucreze împotriva forțelor presiunii externe. Prin urmare, energia care trebuie transmisă unui lichid pentru a-l transforma în vapori la o temperatură constantă merge parțial pentru a crește energia internă a substanței și parțial pentru a lucra împotriva forțelor externe în procesul de expansiune a acesteia.

În practică, căldura este furnizată lichidului pentru a-l transforma în vapori în timpul schimbului de căldură. Cantitatea de căldură necesară pentru a transforma un lichid în vapori la o temperatură constantă se numește căldură de vaporizare. Când un vapor se transformă într-un lichid, trebuie îndepărtată o cantitate de căldură din el, care se numește căldură de condensare. Dacă condițiile externe sunt aceleași, atunci cu mase egale ale aceleiași substanțe, căldura de vaporizare este egală cu căldura de condensare.

Cu ajutorul unui calorimetru s-a constatat că căldura de vaporizare este direct proporțională cu masa de lichid transformată în vapori.

Aici - coeficient de proporționalitate, a cărui valoare depinde de tipul de lichid și de condițiile externe.

Valoarea care caracterizează dependența căldurii de vaporizare de tipul de substanță și de condițiile externe se numește căldură specifică de vaporizare. Căldura specifică de vaporizare este măsurată prin cantitatea de căldură necesară pentru a transforma o unitate de masă de lichid în abur la o temperatură constantă:

În SI, căldura specifică de vaporizare a unui astfel de lichid este luată ca unitate, pentru transformarea în abur a 1 kg din care la temperatură constantă este necesar 1 J de căldură. (Arătați acest lucru cu formula (7.1a).)

Ca exemplu, observăm că căldura specifică de vaporizare a apei la o temperatură de (100°C) este egală cu

Deoarece vaporizarea poate avea loc la diferite temperaturi, se pune întrebarea: se va schimba căldura specifică de vaporizare a unei substanțe în acest caz? Experiența arată că pe măsură ce temperatura crește, căldura specifică de vaporizare scade. Acest lucru se datorează faptului că toate lichidele se extind atunci când sunt încălzite. În acest caz, distanța dintre molecule crește și forțele de interacțiune moleculară scad. În plus, cu cât temperatura este mai mare, cu atât energia medie a moleculelor lichide este mai mare și cu atât trebuie să adauge mai puțină energie pentru a putea zbura de pe suprafața lichidului.

scopul lucrării

Asimilarea și consolidarea materialului teoretic pe tema cursului de termodinamică „Vapori de apă”, precum și însușirea metodelor de experimentare și prelucrare a datelor obținute, familiarizarea cu tabelele „Proprietăți termofizice ale apei și aburului”.

1. Studiați schema instalației experimentale, porniți-o și aduceți-o la un anumit regim termic staționar.

2. Efectuați experimentul în conformitate cu instrucțiunile, completați tabelul 1.

3. Determinați căldura specifică consumată la vaporizarea apei în experiment.

4. Pentru procesul izobaric de vaporizare, determinați valorile tabelare ale parametrilor apei pe linia de saturație și aburului saturat uscat, precum și căldura specifică de vaporizare.

5. Calculați energia internă a lichidului pe linia de saturație a vaporilor pentru condițiile experimentului.

6. Calculați eroarea valorii găsite a căldurii specifice de vaporizare în raport cu tabelul.

7. Prezentați procesele care au loc în vasul Dewar în diagrame P-v și T-s.

8. Faceți o concluzie asupra lucrării.

INSTRUCȚIUNI METODOLOGICE

Trecerea unei substanțe de la starea lichidă la starea gazoasă se numește vaporizare, tranziția inversă se numește condensare. Fierberea unui lichid este un proces de vaporizare în interiorul unui lichid care are loc la o temperatură strict definită t n, ° C, determinată de presiune. Dacă există o fază gazoasă cu o fază lichidă a aceleiași substanțe, atunci se numește vapori. Faza gazoasă a sistemului este abur saturat uscat, iar faza lichidă este un lichid care păstrează starea corespunzătoare începutului de vaporizare.

În timpul vaporizării conform procesului izobaric-izotermic, conform primei legi a termodinamicii, căldura specifică de transformare de fază (căldura specifică de vaporizare) r, J / kg,

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

r = i" - i" , (2)

unde u", i", v" - respectiv, energia internă, entalpia, J/kg, și volumul specific de abur saturat uscat, m 3/kg;

u", i", v" - respectiv, energia internă, entalpia, J / kg, și volumul specific al lichidului în stare de saturație, m 3 / kg.

Presiunea p, Pa, nu este marcată cu indici speciali, deoarece nu se modifică pe parcursul întregii tranziții de fază și este egală cu presiunea de saturație.

Astfel, căldura specifică de vaporizare include o modificare a energiei interne a unei substanțe și lucrul unei modificări de volum în timpul unei tranziții de fază.

Căldura specifică de vaporizare este legată funcțional de parametrii de stare. Pentru majoritatea substanțelor utilizate în practică, proprietățile lichidului și vaporilor pe linia de saturație sunt determinate și tabulate. Aceste tabele oferă valorile lui p și t pe linia de saturație și valorile corespunzătoare ale lui v", v", i", i", r, s", s". Energia internă a lichidului pe linia de saturație u", J / kg și aburului saturat uscat u", J / kg, este determinată, respectiv, de ecuații

u"=i"-pv"(3)

u"=i"-pv" (4)

SETARE EXPERIMENTALA

Imagine. Schema montajului experimental

Instalația experimentală (figura) constă dintr-un vas Dewar 1 cu un încălzitor electric 2, în care se toarnă o porțiune de apă distilată dintr-un recipient 3, reglat de o supapă 4. Vaporii rezultați în condensatorul 5, prin care apă de la robinet trece, se transformă într-un lichid. Debitul de apă este reglat de supapa 7 conform lămpii de control 8. Condensul rezultat este colectat într-un cilindru de măsurare 9. Pe panoul de comandă sunt: ​​comutatorul „NETWORK” 10, voltmetrul 11, ampermetrul 12, comutatorul de mod 13; 6 - pâlnie de sticlă.

TEHNICA EXPERIMENTALA

1. Porniți unitatea prin rotirea comutatorului 10 în poziția „1”.

2. Verificați umplerea vasului Dewar 1 punând comutatorul de mod 13 în poziția „UMPLARE”. Dacă în același timp se aprinde lampa de semnalizare verde „Vasa este plină”, puteți începe experimentul. În caz contrar, vasul este umplut cu apă distilată, pentru care se deschide supapa 4. După ce se aprinde lampa de semnalizare verde, închideți ermetic vasul.

3. Deplasați comutatorul 13 în poziția „ÎNCĂLZIRE”.

4. Rotind butonul autotransformatorului 14, setați valoarea tensiunii pe încălzitorul U, V (și puterea curentului I, A) stabilită de profesor.

5. Alimentați condensatorul 5 cu apă de răcire prin deschiderea supapei 7 și reglați debitul de apă conform lămpii de control 8.

6. Când se stabilește un regim staționar de fierbere a apei într-un vas Dewar (se vor acumula 15-20 cm de condens în cilindrul de măsurare 9), se face o colectare de control a condensului în cantitatea indicată de profesor (V, m 3). Durata colectării controlului t, s, este determinată de cronometru.

7. Cu ajutorul unui barometru se determină presiunea atmosferică P a, mm Hg.

8. Introduceți datele de măsurare în tabelul de observații și semnați-l cu profesorul.

9. Porniți unitatea rotind întrerupătorul „0”, închideți supapa 7, rotiți mânerul autotransformatorului în sens invers acelor de ceasornic până se oprește, scurgeți condensul în recipientul 3.

tabelul 1

Numărul de măsurare			mm. rt. Artă.

PRELUCRAREA DATELOR EXPERIMENTALE

1. Calculați cantitatea de căldură consumată la vaporizarea a 1 kg de apă r op, J / kg:

r op = (W - Q)  / (Vr),

unde W = UI - puterea încălzitorului, W;

Q = 0,04W - pierderi de căldură, W;

r este densitatea condensului, kg / m 3. Acceptăm r \u003d 1000 kg / m 3.

2. Presupunând că apa fierbe la presiunea atmosferică, determinați din valorile tabelare ale parametrilor apei pe linia de saturație și aburului saturat uscat, care sunt introduși în tabelul 2.

masa 2

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

3. Calculați valorile energiei interne a apei pe linia de saturație u" și aburului saturat uscat u", kJ/kg, folosind formulele (3) și (4).

4. Calculați eroarea, %, a valorii găsite a căldurii specifice de vaporizare r op, kJ / kg, în raport cu r tabular, kJ / kg, după formula:

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

5. Prezentați grafic procesele care au loc în vasul Dewar în diagrame P-v și T-s.

6. Faceți o concluzie asupra lucrării.

ÎNTREBĂRI PENTRU AUTOEDUCAȚIE

1. Vaporizarea lichidului; esența proceselor de fierbere și evaporare a unui lichid.

2. Proces izobaric de tranziție a lichidului în abur supraîncălzit în diagramele P-v și T-s.

3. Curbe limită cu gradul de uscăciune x = 0 și x = 1, starea critică a substanței

4. Concepte: lichid pe linia de saturație, abur saturat umed, abur saturat uscat, abur supraîncălzit.

5. Căldura specifică de vaporizare a lichidului.

6. Gradul de uscare, gradul de umiditate al aburului.

7. Tabele de proprietăți termofizice ale apei și vaporilor de apă, semnificația acestora.

8. Determinarea parametrilor aburului umed.

9. i-s-diagrama vaporilor de apă, scopul ei.

10. Procese termodinamice cu abur în diagrame P-v, T-s, i-s.

REFERINȚE

1. Inginerie termică / Ed. A.P.Baskakova.- M.: Energoizdat, 1991.- 224 p.

2. Nashchokin V.V. Termodinamica tehnica si transferul de caldura - M .:: Scoala Superioara, 1980. - 496 p.

3. Iudaev B.N. Termodinamica tehnica. Transfer termic.- M .: Liceu, 1998. - 480 p.

4. Rivkin S.L., Aleksandrov A.A. Tabele de proprietăți termofizice ale apei și aburului.- M.: Energy, 1980.- 408 p.

Instrumente și accesorii utilizate în lucrare:

2. Linie de abur (tub de cauciuc).

3. Calorimetru.

4. Aragaz electric.

5. Termometru.

6. Cantare tehnice cu greutate.

7. Pahar.

Obiectiv:

Să învețe experimental să determine căldura specifică de vaporizare a apei.

I. INTRODUCERE TEORETICĂ.

În procesul de schimb de energie între materie și mediu, este posibilă trecerea materiei de la o stare de agregare la alta (de la o stare de fază la alta).

Se numește trecerea unei substanțe de la starea lichidă la starea gazoasă vaporizare.

Vaporizarea are loc sub formă de evaporare și fierbere.

Vaporizarea care are loc numai de pe suprafața liberă a unui lichid se numește evaporare .

Evaporarea are loc la orice temperatură a lichidului, dar odată cu creșterea temperaturii, viteza de evaporare a lichidului crește.

Lichidul care se evaporă poate fi răcit dacă căldura nu este furnizată intens din exterior sau poate fi încălzit, căldura este furnizată intens din exterior.

Se numește vaporizarea, care are loc în întregul volum al unui lichid și la o temperatură constantă fierbere.

Punctul de fierbere depinde de presiunea exterioară de pe suprafața lichidului.

Punctul de fierbere al unui lichid la presiunea atmosferică normală se numește Punct de fierbere acest lichid.

În timpul vaporizării, energia internă a unei substanțe crește, prin urmare, pentru a transforma un lichid în vapori, trebuie să i se furnizeze căldură în procesul de transfer de căldură.

Se numește cantitatea de căldură necesară pentru a transforma un lichid în vapori la o temperatură constantă căldură de vaporizare.

Valoarea este direct proporțională cu masa lichidului transformat în vapori:

Valoarea g, care caracterizează dependența căldurii de vaporizare de tipul de substanță și de condițiile externe, se numește căldură specifică de vaporizare . Căldura specifică de vaporizare este măsurată prin cantitatea de căldură necesară pentru a transforma o unitate de masă de lichid în abur la o temperatură constantă:

În SI, căldura specifică de vaporizare se măsoară în .

Valoarea depinde de temperatura la care are loc vaporizarea. Experiența arată că pe măsură ce temperatura crește, căldura specifică de vaporizare scade. Graficul (Fig. 1) arată dependența de apă.

În această lucrare, căldura specifică de vaporizare a apei este determinată prin procesul de fierbere, folosind ecuația de echilibru termic pentru condensarea vaporilor de apă. Pentru a face acest lucru, luați un calorimetru (K) (vezi Fig. 2), în care există apă la o temperatură, vaporii de apă, având un punct de fierbere, sunt introduși din balon prin linia de abur P în apa rece a calorimetru, unde se condensează.

După un timp, tubul conductei de abur este îndepărtat și se măsoară temperatura stabilită în calorimetru și se determină masa aburului introdus în calorimetru.

Apoi se întocmește ecuația bilanţului termic.

Când aburul se condensează, căldura este eliberată.

unde este caldura specifica de condensare (este si caldura specifica de vaporizare). Aburul condensat se transformă în apă la o temperatură, care apoi se răcește la o temperatură și eliberează căldură.

(4)

Căldura degajată în timpul condensării aburului și răcirii apei calde este primită de calorimetru și de apa din acesta. Din acest motiv, ele sunt încălzite de la temperatură la temperatură . Căldura primită de calorimetru și apa rece este calculată în acesta prin formula:

Ecuația bilanţului termic este întocmită în conformitate cu legea conservării energiei în timpul transferului de căldură.

În timpul transferului de căldură, suma cantităților de căldură cedate de toate corpurile, în care energia internă scade, este egală cu suma cantităților de căldură primite de toate corpurile, în care energia internă crește:

(6)

În cazul nostru, pentru schimbul de căldură care a avut loc în calorimetru, presupunem că nu există pierderi de căldură în mediu. Prin urmare, ecuația (6) poate fi scrisă ca: sau

Din această ecuație obținem o formulă de lucru pentru calcularea valorii pe baza rezultatelor experimentului:

2. PROGRESUL LUCRĂRII.

1. Realizați un tabel în care rezultatele măsurătorilor și calculelor să fie trecute în forma dată la sfârșitul descrierii.

2. Cântăriți vasul interior al calorimetrului, introduceți valoarea rezultată în tabel.

3. Cu ajutorul unui pahar se măsoară 150 200 ml apă rece, se toarnă în calorimetru și se măsoară masa vasului interior al calorimetrului cu apă (m 2). Aflați masa apei:

m în \u003d m 2 - m la

Înregistrați masa de apă rece în tabel.

4. Măsurați temperatura inițială a calorimetrului și a apei din el Valoarea, scrieți în tabel.

5. Scufundați vârful conductei de abur în apa calorimetrului și lăsați aburul să intre până când temperatura apei crește cu 30°K - 35°K (temperatura q după schimbul de căldură).

6. Se cântărește paharul interior al calorimetrului și se determină masa vaporilor condensați. Înregistrați rezultatul într-un tabel. ()

7. Valorile capacităților termice specifice ale apei și substanței calorimetrului (aluminiu) și valoarea tabelară a căldurii specifice de vaporizare a apei sunt date în tabelul cu rezultatele măsurătorilor și calculelor.

8. Folosind formula (7), se calculează căldura specifică de vaporizare a apei.

9. Calculați eroarea absolută și relativă a rezultatului obținut în raport cu rezultatul tabelar folosind formulele:

;

10. Faceți o concluzie despre munca depusă și rezultatul căldurii specifice de vaporizare a apei.

TABEL REZULTATELOR MĂSURĂRILOR ȘI CALCULUILOR

Știți ce temperatură are supa fiartă? 100 ˚С. Nici mai mult nici mai puțin. La aceeași temperatură, fierbătorul fierbe și pastele se fierb. Ce înseamnă?

De ce temperatura apei din interior nu crește peste o sută de grade când o cratiță sau un ceainic este încălzit constant cu gaz aprins? Faptul este că atunci când apa atinge o temperatură de o sută de grade, toată energia termică primită este cheltuită pentru trecerea apei într-o stare gazoasă, adică evaporare. Până la o sută de grade, evaporarea are loc mai ales de la suprafață, iar când ajunge la această temperatură apa fierbe. Fierberea este și evaporare, dar numai pe întregul volum al lichidului. În interiorul apei se formează bule fierbinți de abur și, fiind mai ușoare decât apa, aceste bule ies la suprafață, iar aburul din ele iese în aer.

Până la o sută de grade, temperatura apei crește atunci când este încălzită. După o sută de grade, cu o încălzire suplimentară, temperatura vaporilor de apă va crește. Dar până când toată apa va fierbe la o sută de grade, temperatura ei nu va crește, indiferent de câtă energie aplicați. Ne-am dat deja seama unde se duce această energie - la tranziția apei într-o stare gazoasă. Dar dacă un astfel de fenomen există, atunci trebuie să existe mărimea fizică care descrie acest fenomen.Și o astfel de valoare există. Se numește căldură specifică de vaporizare.

Căldura specifică de vaporizare a apei

Căldura specifică de vaporizare este o mărime fizică care indică cantitatea de căldură necesară pentru a transforma un lichid de 1 kg în vapori la punctul de fierbere. Căldura specifică de vaporizare este notată cu litera L. Iar unitatea de măsură este joule pe kilogram (1 J / kg).

Căldura specifică de vaporizare poate fi găsită din formula:

unde Q este cantitatea de căldură,
m - greutatea corporală.

Apropo, formula este aceeași ca și pentru calcularea căldurii specifice de fuziune, diferența este doar în denumire. λ și L

Din punct de vedere empiric, au fost găsite valorile căldurii specifice de vaporizare a diferitelor substanțe și au fost întocmite tabele din care se pot găsi date pentru fiecare substanță. Astfel, căldura specifică de vaporizare a apei este 2,3*106 J/kg. Aceasta înseamnă că pentru fiecare kilogram de apă trebuie cheltuită o cantitate de energie egală cu 2,3 ​​* 106 J pentru a o transforma în abur. Dar, în același timp, apa ar trebui să aibă deja un punct de fierbere. Dacă apa a fost inițial la o temperatură mai scăzută, atunci este necesar să se calculeze cantitatea de căldură care va fi necesară pentru a încălzi apa la o sută de grade.

În condiții reale, este adesea necesar să se determine cantitatea de căldură necesară pentru transformarea unei anumite mase de lichid în vapori, prin urmare, mai des trebuie să se ocupe de o formulă de forma: Q \u003d Lm, iar valorile căldurii specifice de vaporizare pentru o anumită substanță sunt luate din tabele gata făcute.