Жидкость нагрели что произойдет с ее объемом

Молекулярная физика. Кипение жидкости.

Кипение — это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

В отличие от испарения, которое происходит при любой температуре жидкости, другой вид парообразования — кипение — возможен лишь при совершенно определенной (при данном давлении) температуре — температуре кипения.

При нагревании воды в открытом стеклянном сосуде можно увидеть, что по мере увеличения температуры стенки и дно сосуда покрываются мелкими пузырьками. Они образуются в результате расширения мельчайших пузырьков воздуха, которые существуют в углублениях и микротре­щинах не полностью смачиваемых стенок сосуда.

Пары жидкости, которые находятся внутри пузырьков, являются насыщенными. С ростом температуры давление насыщенных паров возрастает, и пузырьки увеличиваются в размерах. С уве­личением объема пузырьков растет и действующая на них выталкивающая (архимедова) сила. Под действием этой силы наиболее крупные пузырьки отрываются от стенок сосуда и поднимаются вверх. Если верхние слои воды еще не успели нагреться до 100 °С, то в такой (более холодной) воде часть водяного пара внутри пузырьков конденсируется и уходит в воду; пузырьки при этом сокращаются в размерах, и сила тяжести заставляет их снова опускаться вниз. Здесь они опять увеличиваются и вновь начинают всплывать вверх. Попеременное увеличение и уменьшение пузырьков внутри во­ды сопровождается возникновением в ней характерных звуковых волн: закипающая вода шумит.

Когда вся вода прогреется до 100 °С, поднявшиеся вверх пузырьки уже не сокращаются в размерах, а лопаются на поверхности воды, выбрасывая пар наружу. Возникает характерное бульканье — вода кипит.

Кипение начинается после того, как давление насыщенного пара внутри пузырьков сравнивается с давлением в окружающей жидкости.

Во время кипения температура жидкости и пара над ней не меняется. Она сохраняется неизменной до тех пор, пока вся жидкость не выкипит. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия уходит на превращение ее в пар.

Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.

Температура кипения зависит от давления, оказываемого на свободную поверхность жидкос­ти. Это объясняется зависимостью давления насыщенного пара от температуры. Пузырек пара растет, пока давление насыщенного пара внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из внешнего давления и гидростатического давления столба жидкости.

Чем больше внешнее давление, тем больше температура кипения.

Всем известно, что вода кипит при температуре 100 ºC. Но не следует забывать, что это справедливо лишь при нормальном атмосферном давлении (примерно 101 кПа). При увеличении дав­ления температура кипения воды возрастает. Так, например, в кастрюлях-скороварках пищу варят под давлением около 200 кПа. Температура кипения воды при этом достигает 120°С. В воде такой температуры процесс варки происходит значительно быстрее, чем в обычном кипятке. Этим и объясняется название «скороварка».

И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Напри­мер, в горных районах (на высоте 3 км, где давление составляет 70 кПа) вода кипит при температуре 90 °С. Поэтому жителям этих районов, использующим такой кипяток, требуется значительно больше времени для приготовления пищи, чем жителям равнин. А сварить в этом кипятке, например, кури­ное яйцо вообще невозможно, так как при температуре ниже 100 °С белок не сворачивается.

У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, т. к. при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному. Например, при температуре кипения 100 °С давление насыщенных паров воды равно 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а паров ртути — всего лишь 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипит ртуть при 357°С при нормальном давлении.

Теплота парообразования.

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

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:

При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты:

Источник

Кипение и удельная теплота парообразования

Жидкость может переходить в парообразное состояние двумя способами – испарением и кипением. Испаряются жидкости во всем температурном диапазоне, в то время, как кипение происходит при строго определенной температуре для каждой конкретной жидкости.

Что такое кипение

Образование пара во всем объеме жидкости называют кипением.

Примечание: Интересен тот факт, что перед началом кипения от чайника с водой доносится специфический шум.

Различия между испарением и кипением

Характерным проявлением кипения может служить образование пузырьков пара внутри жидкости (рис. 1):

На следующем рисунке 2 представлены отличия процессов испарения и кипения подробнее:

Испарение происходит при любой температуре с поверхности, а кипение – только при одной конкретной температуре, но во всем объеме жидкости.

Процессы кипения и конденсации на графиках

Пусть небольшое количество воды находится в просторном закупоренном сосуде.

Разберем, как выглядят на температурных графиках процессы кипения и конденсации. Для начала рассмотрим график нагревания и кипения (рис. 3).

Вначале вода имела температуру +20 градусов Цельсия. Будем нагревать эту воду. Поначалу ее температура будет расти. На графике это показано наклонной синей линией, находящейся в левой части рисунка.

До бесконечности температура подниматься не будет. Как только температура достигнет некоторого предела, вода закипит. Из рисунка следует, когда температура воды достигла отметки +100 градусов Цельсия и начался процесс кипения. Этот процесс на рисунке схематично обозначен горизонтальной красной линией.

Горизонтальное положение линии кипения означает, что во время кипения температура воды не изменяется. Температура будет оставаться неизменной до тех пор, пока вся вода не превратится в газообразное состояние — пар. Для компактности рисунка я укоротил эту линию, на самом деле, длину этой линии нужно увеличить.

Уже после того, как вся вода превратилась в пар, температура пара начала повышаться. Это изображено на рисунке наклонной синей линией, находящейся правее красной линии.

Будем теперь отбирать тепловую энергию у молекул. Предположим, что мы охлаждаем горячий водяной пар, находящийся в закупоренном сосуде. Процессы его охлаждения и конденсации представлены на графике (рис. 4). Этот график можно получить, зеркально отразив вокруг вертикальной оси график, связанный с нагреванием, рассмотренный ранее.

Из графика следует:

Вначале температура пара уменьшается от +180 градусов Цельсия до +100 градусов. Это наклонная синяя линия, расположенная в левой части рисунка.

Затем, происходит конденсация пара. Молекулы пара собираются в капли жидкости. При этом, температура пара не изменяется и остается равной +100 градусам Цельсия.

Как только весь пар конденсируется, образовавшаяся жидкая вода начинает охлаждаться до конечной температуры + 20 градусов Цельсия. На графике охлаждение воды – это синяя наклонная линия, находящаяся справа от красной линии конденсации.

Температура кипения и как ее найти на графике

Чтобы жидкость закипела, ее нужно нагреть до температуры кипения.

На рисунке 5 представлен температурный график нагревания воды. Температуру кипения можно определить по горизонтальной линии, обозначающую процесс кипения. Нужно продолжить эту линию пунктиром по направлению к вертикальной оси температур. Точка, в которой пунктир упрется в ось и будет температурой кипения жидкости.

Температура кипения – это температура, при которой пар образуется во всем объеме жидкости. Такая температура у каждой жидкости своя, ее можно найти в справочнике физики.

Температуры кипения некоторых веществ

Сравним для наглядности значения температуры кипения некоторых веществ.

Нам известно, что температура кипения питьевой воды равна 100 градусам на шкале Цельсия.

При комнатной температуре некоторые вещества пребывают в газообразном состоянии, но при более низких температурах они превращаются в жидкости. Например, кислород превращается в кипящую жидкость при минус 183 градусах Цельсия.

В противоположность этому, вещества, которые мы привыкли видеть твердыми при комнатной температуре, в кипящую жидкость превратятся при более высоких температурах. К примеру, медь станет кипящей жидкостью при 2567 град. Цельсия, а железо – при 2500 град. Цельсия

На рисунке 6 представлен список некоторых веществ и указана температура, при которой эти вещества кипят.

Расширенный список жидкостей и их температуру кипения можно найти в справочнике физики.

Почему температура жидкости при кипении не изменяется

Тепловая энергия, которую получает жидкость во время кипения, тратится на образование пара во всем объеме жидкости. Поэтому во время кипения температура жидкости не изменяется.

Разберем подробнее, что происходит, когда мы сообщаем тепловую энергию какой-либо жидкости.

Получаемая от источника тепловая энергия передается молекулам жидкости. Скорость движения молекул увеличивается, а значит, растет их кинетическая энергия. Чем выше температура, тем быстрее будут двигаться молекулы.

Находясь в жидкости, каждая молекула притягиваются к соседним молекулам. То есть, молекулы удерживаются в жидкости силами притяжения соседних молекул. Если есть взаимодействие молекул – их взаимное притяжение, значит, есть потенциальная энергия такого взаимодействия.

По мере нагревания, энергия движения некоторых молекул увеличится настолько, что они преодолеют притяжение соседних молекул и, покинут жидкость. Чем выше температура, тем большее число молекул сможет покинуть жидкость.

Мы помним, что при испарении жидкость покидают молекулы, находящиеся только на ее поверхности. А во время кипения энергию, достаточную для того, чтобы вылететь из жидкости, получают не только молекулы на поверхности, но и молекулы, находящиеся внутри жидкости.

Примечания:

Как давление влияет на температуру кипения

Мы можем влиять на температуру кипения жидкостей, изменяя давление. Если давление воздуха увеличить, то температура кипения, так же, возрастет. К примеру, вода при давлении 220 атмосфер (это 21,6 миллионов Паскалей) закипит только тогда, когда ее температура поднимется до 370 градусов Цельсия.

А уменьшая давление, мы наоборот, температуру кипения жидкостей понизим. Именно из-за пониженного давления, температура кипения воды в высокогорных районах ниже, чем, на равнинной местности, которая ближе к уровню мирового океана. В горах вода закипает при температуре 90 градусов Цельсия. Из-за этого, некоторые продукты высоко в горах сварить не получится.

Чем выше давление, тем выше температура кипения жидкости. Уменьшив давление, мы понизим температуру кипения.

Что такое удельная теплота парообразования

Возьмем какую-либо жидкость массой 1 кг, предварительно нагретую до температуры кипения. Будем сообщать ей тепловую энергию, чтобы испарить эту жидкость полностью.

Та энергия (теплота), которую мы затратим, чтобы испарить с помощью кипения 1 кг жидкости, называется удельной теплотой парообразования. Удельной величиной эту теплоту называют потому, что она приходится на 1 кг жидкости.

Удельная теплота парообразования — это энергия, которую нужно затратить, чтобы испарить 1 кг жидкости, предварительно нагретой до температуры кипения.

\(\large L \left( \frac<\text<Дж>><\text<кг>>\right)\) – удельная теплота парообразования (конденсации).

На рисунке 7 представлена таблица, в которой содержится удельная теплота парообразования (конденсации) при температуре кипения для некоторых жидкостей и металлов в расплавленном состоянии.

Что происходит с энергией во время кипения и конденсации

Кипение: жидкость получает тепловую энергию (количество теплоты), из нее вырываются молекулы. Полученная энергия тратится на преодоление притяжения соседних молекул и на расширение образовавшегося пара.

Конденсация: молекулы пара отдают тепловую энергию в окружающее пространство, собираясь в капельки — превращаясь в жидкость.

Выполняется закон сохранения энергии. Именно поэтому теплота парообразования и теплота конденсации совпадают. Процессы кипения и конденсации протекают при одной и той же температуре. Различие кроется в том, что кипение происходит с поглощением энергии, а конденсация связана с выделением энергии.

Как удельная теплота парообразования связана с количеством теплоты — формула

Пусть жидкость предварительно нагрета до температуры кипения, и нам известны:

Мы можем посчитать общее количество теплоты, требуемое для перевода всей жидкости в пар. Расчеты нужно вести по формуле:

\(\large m \left( \text <кг>\right) \) – масса вещества;

\(\large L \left( \frac<\text<Дж>><\text<кг>> \right) \) – удельная теплота парообразования (конденсации);

\(\large Q \left( \text <Дж>\right) \) – количество теплоты, поглощенное жидкостью во время кипения, т. е. общая тепловая энергия для перевода всей жидкости в пар;

Формулу можно применять так же, чтобы рассчитать количество теплоты, выделяемое в окружающую среду молекулами пара при их конденсации.

Для процесса конденсации величина \(\large Q \) – это количество теплоты, выделенное молекулами пара в окружающую среду;

Чем удельная теплота парообразования отличается от количества теплоты

Отличия удельной теплоты парообразования от количества теплоты, приведены на рисунке 8:

В любом случае, жидкость предварительно нужно нагреть до температуры кипения.

Количество теплоты – это энергия, необходимая для конденсации или образования пара при температуре кипения для нескольких килограммов жидкости.

Удельная теплота парообразования – это энергия, необходимая для перевода в пар 1-го килограмма жидкости.

Источник

Тест с ответами: “Насыщенный пар. Кипение”

1. В процессе кипения температура жидкости:
а) уменьшается
б) увеличивается
в) не изменяется +

2. С увеличением температуры жидкости скорость испарения:
а) увеличивается +
б) уменьшается
в) не изменяется

3. Что такое конденсация?
а) переход вещества из жидкого состояния в твёрдое
б) переход вещества из газообразного состояния в жидкое +
в) переход вещества из жидкого состояния в газообразное

4. Удельная теплота парообразования воды при 100 °C равна 2,3 МДж/кг. Какое количество теплоты выделится при конденсации 2 кг пара, температура которого равна 100 °C?
а) 1,15 МДж
б) 2,3 МДж
в) 4,6 МДж +

5.Как вызвать кипение воды не нагревая её?
а) уменьшить давление атмосферы +
б) увеличить давление атмосферы
в) добавить в неё соли

6. После начала нагревания воды появляются пузырьки, всплывающие на поверхность воды.Что находится в этих пузырьках?
а) насыщенный пар
б) воздух
в) насыщенный пар и воздух +

7. Известны два вида парообразования:
а) кипение и конденсация
б) испарение и кипение +
в) испарение и плавление

8. На что расходуется подводимая к жидкости энергия во время её кипения?
а) на отрыв молекул от поверхности жидкости
б) на поддержку постоянной температуры
в) на образование пузырьков пара +

9. Когда наступает динамическое равновесие между паром и жидкостью?
а) если число молекул пара становится столь большим, что испарение прекращается
б) если число молекул, вылетающих из жидкости, становится равным числу молекул пара, возвращающихся в нее +
в) если масса пара делается равной массе жидкости

10. Что происходит при температуре кипения?
а) пузырьки с паром появляются на стенках нагреваемого сосуда с жидкостью.
б) происходит рост воздушных пузырьков с паром внутри жидкости.
в) пузырьки интенсивно поднимаются на поверхность и лопаются +

11. Почему высоко в горах (на высотах 6000 — 8000 м) не варят суп или мясо, а пользуются готовыми консервами?
а) так как температура кипения воды больше 100°С
б) так как температура кипения воды меньше 100°С +
в) так как огонь не горит на такой высоте

12. При каком процессе происходить образование пара?
а) при кристаллизации
б) при конденсации
в) при кипении +

13. Выберите формулу для определения количества теплоты Q для обращения жидкости в пар при температуре кипения, если m — масса вещества, а L — удельная теплота парообразования.
а) Q=L/m
б) Q=Lm +
в) Q=⋅m/L

14. Как называется процесс, обратный кипению?
а) Испарение
б) Парообразование
в) Конденсация +

15. На столе стоят три открытых сосудах с водой. Температура воды равна в первом сосуде 100 °C, во втором сосуде 25 °C, в третьем сосуде 0 °C. Испарение воды будет происходить:
а) только в первом сосуде
б) во всех сосудах +
в) в первом и во втором сосудах

16. При варке пищи обычно уменьшают огонь, когда закипит вода. Зачем это делают?
а) чтобы не увеличивать больше температуру воды
б) чтобы быстрее сварить пищу
в) для уменьшения скорости испарения воды +

17. Что означает удельная теплота парообразования спирта 0,9 МДж/кг?
а) В процессе парообразования 1 кг паров спирта, взятого при температуре кипения, выделяется количество теплоты 0,9 МДж/кг Дж
б) для парообразования 1 кг паров спирта, взятого при температуре кипения, необходимо количество теплоты 0,9 МДж/кг Дж +
в) для парообразования 900 тонн паров спирта, взятого при температуре кипения, необходимо количество теплоты 1 Дж

18.Почему перед началом кипения воды слышен характерный шум?
а) всплывающие пузырьки с насыщенным паром лопаются +
б) шум объясняется очень быстрым ростом пузырьков
в) шум объясняется отрывом пузырьков от дна сосуда

19. Удельная теплота парообразования — это количество теплоты:
а) необходимое, чтобы нагреть жидкость массой 1 кг до кипения
б) необходимое, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар +
в) которое выделяется при кипении жидкости массой 1 кг

20. Может ли не кипеть вода при температуре выше 100 °C, если давление нормальное?
а) может, если нагреватель выделяет мало тепла
б) не может, т. к. 100 °C – это температура кипения воды
в) может, если в воде нет посторонних примесей +

21. Пар, существующий над жидкостью при динамическом равновесии, называется:
а) ненасыщенным паром
б) насыщенным паром +
в) равновесным паром

22. В колбу с кипящей водой опустили пробирку с водой. Будет ли кипеть вода в этой пробирке?
а) будет, потому что давление над водой в пробирке равно атмосферному
б) будет, потому что вода в пробирке нагревается до температуры кипения
в) не будет, потому что при равенстве температур подвод тепловой энергии к воде в пробирке прекратится +

23. Испарение — это парообразование, происходящее:
а) у стенок сосуда
б) с поверхности жидкости +
в) по всему объёму жидкости

24. Воде, доведённой до температуры кипения, сообщили 230 кДж энергии. Какое количество воды испарится, если удельная теплота парообразования воды равна 2,3 МДж/кг?
а) 1 г
б) 10 г
в) 100 г +

25. В герметически закрытом сосуде температура кипения воды:
а) уменьшается
б) увеличивается +
в) не изменяется

26. Удельная теплота парообразования воды при 100 °C равна 2,3 МДж/кг. Какое количество теплоты необходимо для испарения 4 кг пара, температура которого равна 100 °C?
а) 2,3 МДж
б) 4,6 МДж
в) 9,2 МДж +

27. Кипение – это:
а) процесс парообразования только с поверхности жидкости
б) процесс парообразования как на поверхности, так по всему объему жидкости +
в) процесс выделения растворяемых газов и жидкостей

28. На столе стоят три открытых сосудах с водой. Температура воды равна в первом сосуде 100 °C, во втором сосуде 25 °C, в третьем сосуде 0 °C. В каком сосуде будет быстрее происходить испарение воды?
а) в первом сосуде +
б) в третьем сосуде
в) скорость испарения будет одинакова

29. Сжиженный газ азот, имеющий низкую температуру кипения при нормальном давлении нельзя хранить в герметично закрытом сосуде, даже если он имеет хорошую теплоизоляцию. Почему?
а) вредный газ могут выйти наружу
б) сосуд может взорваться +
в) жидкость может вылиться

30. С увеличением площади поверхности жидкости скорость испарения:
а) увеличивается +
б) уменьшается
в) не изменяется

Источник

Жидкость нагрели что произойдет с ее объемом

Задача № 1. Какое количество энергии требуется для обращения воды массой 150 г в пар при температуре 100 °С?

Задача № 2. Какое количество энергии требуется для превращения воды массой 2 кг, взятой при температуре 20 °С, в пар?

Задача № 3. Какое количество энергии нужно затратить, чтобы воду массой 5 кг, взятую при температуре 0 °С, довести до кипения и испарить её?

Задача № 4. Какую энергию нужно затратить, чтобы расплавить кусок свинца массой 8 кг, взятый при температуре 27 °С?

Задача № 5. Какое количество энергии требуется для превращения в пар спирта массой 200 г, взятого при температуре 18 °С?

Задача № 6. Какое количество энергии требуется для превращения в пар воды массой 5 кг, взятой при температуре 20 °С?

Задача № 7. Какое количество теплоты необходимо сообщить воде массой 10 г, взятой при температуре 0 °С, для того, чтобы нагреть ее до температуры кипения и испарить?

Задача № 8. Из чайника выкипела вода объемом 0,5 л, начальная температура которой была равна 10 °С. Какое количество теплоты оказалось излишне затраченным?

Задача № 9. Кофейник вместимостью 1,2 л заполнили водой при температуре 15 °С и поставили на плиту. Какое количество теплоты пошло на нагревание и кипение воды, если после снятия с плиты в результате испарения в кофейнике объем воды стал на 50 см 3 меньше? (Изменение плотности воды с изменением температуры не учитывать.)

Задача № 10. Какое количество теплоты выделяется при конденсации водяного пара массой 10 кг при температуре 100 °С и охлаждении образовавшейся воды до 20 °С?

Задача № 12. Сколько энергии понадобится, чтобы полностью испарить 100 грамм ртути, взятой при температуре 27 °С?

Краткая теория для решения Задачи на парообразование и конденсацию.

Это конспект по теме «Задачи на парообразование и конденсацию». Выберите дальнейшие действия:

Источник