Содержание
Физический смысл величины
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:
L =Q/m.
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:
- 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 - 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 - - 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
- Удельная теплота испарения воды измеряется в физических лабораториях экспериментальным путем. Для этого используют калориметры. Процедура выглядит следующим образом:
- Определенное количество жидкости заливают в калориметр.
- Измеряют температуру воды.
- В калориметр осторожно пропускают пар исследуемого вещества из кипятильника (колба, подогреваемая снизу горелкой). Чтобы в прибор не попали капельки жидкости, используют сухопарник, в котором они собираются.
- Повторно измеряют температуру воды.
- Для вычисления массы сконденсированного пара калориметр периодически взвешивают.