Удельная теплота парообразования жидкости как найти

Испарение сопровождается остыванием жидкости. Чем она холоднее, тем менее интенсивно происходит образование пара. Но скорость процесса можно поддерживать, если жидкость подогревать, то есть подводить к ней тепло.

Так возникает понятие удельной теплоты парообразования. У каждого жидкости и даже твердого тела (ведь и его можно превратить в пар) эта величина своя. Рассмотрим, как найти удельную теплоту парообразования.

Единица измерения

Удельная теплота парообразования – это величина, которая показывает, сколько теплоты необходимо сообщить веществу массой 1 кг, чтобы превратить его в пар. При этом температура вещества должна быть постоянной.

Обычно рассматриваемую величину обозначают латинскими буквами L, r или греческой λ (лямбда). Теплота в системе СИ измеряется в Джоулях (Дж), масса – в килограммах (кг). Таким образом, L измеряется в Дж/кг.

Так как теплота в джоулях принимает зачастую большие значения, может встречаться обозначения кДж (килоджоули) – Дж*1000, или МДж (мегаджоули) – Дж*1000 000.

Формула для величины

Формула выглядит так: L = Q/m, где:

• Q – теплота,
• m – масса.

Ее часто используют для расчетов энергетических затрат на выпаривание воды из растворов: Q= L* m.

L определяют в лабораториях и заносят в таблицы, составляют справочники, которыми можно пользоваться любому желающему. При этом всегда указывают температуру и давление, при которых находилось L.

С ростом температуры L уменьшается, так как жидкость расширяется, взаимодействие между ее частицами уменьшается, и ее легче превратить в пар. Когда плотность пара и жидкости сравниваются, наступает критическое состояние.

Оно характеризуется определенным давлением и температурой. Для воды — это 374 ℃ и 218,5 атм. В таком состоянии L=0.

Какие данные нужны, чтобы рассчитать значение?

Чтобы вычислить искомую величину, применяют знания о том, что теплота испарения равна теплоте конденсации со знаком «минус». Это значит, что когда пар конденсируется (превращается в воду), он охлаждается и отдает свое тепло окружающей среде. Можно применить формулу: Q= L* m.

Для расчетов необходимы следующие данные:

• Q – теплота, отданная паром, Дж,
• m – масса образовавшейся в процессе конденсации воды, кг;
• L – удельная теплота парообразования, Дж/кг – собственно то, что нужно определить.

Применяют также закон сохранения энергии и понятие теплоемкости: Qв=С*Mв*(T2-T1), где:

• С – удельная теплоемкость воды, которая нагревается под действием сконденсированного пара, Дж/(кг*К), – считается известной и берется из таблицы,
• Mв – ее масса;
• T2-T1 – изменение температуры в Кельвинах или градусах Цельсия.

Алгоритм и правила расчета

Для решения большинства задач используют следующий алгоритм:

1. Анализируют, как проходит процесс, какое вещество отдает, а какое получает тепло.
2. Переводят все единицы измерения в одну систему.
3. Записывают необходимые формулы.
4. Решают уравнение с одним неизвестным.

При проведении расчетов надо следить за размерностью величин. В системе СИ масса измеряется в кг, теплота в Дж, а температура в градусах Кельвина. Разность температур можно считать в градусах Цельсия.

Часто бывает нужно найти удельную теплоту парообразования при условиях кипения жидкости и нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.). В таких условиях получают чистую воду из растворов или выделяют из смеси веществ ее части.

Процесс используется в химической и пищевой промышленности и даже на бытовом уровне.

Несколько примеров нахождения

Задача №1. Сколько необходимо энергии для превращения в пар следующих кипящих веществ:

• 2 кг этилового спирта;
• 2 кг воды;
• 2 кг расплавленного свинца.

Необходимо воспользоваться формулой Q= L* m и взять значение L из таблицы. Получится:

• 0,84*МДж*2 кг = 1,68 МДж;
• 2,3 МДж*2 кг = 4,6 МДж;
• 8,6 МДж *2 кг = 17,2 МДж.

Как видно, превратить в пар воду сложнее, чем этанол, но легче, чем металл. На первый взгляд, это очевидно, но когда дело касается веществ, близких по температуре кипения, то разница становится менее заметна, ее невозможно угадать. Тем не менее, она имеет особое значение.

Задача №2. Как вычислить, сколько энергии необходимо, чтобы превратить 1 тонну воды при 20 ℃ в пар при 100 ℃?

Решение: 1 т = 1000 кг.

Из закона сохранения следует, что общая энергия складывается из таких составляющих: Q = Q1 +Q2, где:

• Q1 – тепло, ушедшее на нагревание воды с 20 до 100 градусов,
• Q2 – тепло, необходимое для образования пара (процесс происходит без изменения температуры).

Q1 = С*M* (T2-T1), С воды = 4200 Дж/(кг*К), Q2 = L*M, L воды при обычном кипении = 2,3 МДж/кг, T2-T1 = 100-20 = 80.

Подставляя известные величины, находят искомую энергию: Q = 4200*1000*80+2,3 *106*1000 = 4,2*80*106+2300*106=2636 (МДж)

Задача №3. Сколько надо затратить электроэнергии, чтобы превратить 1 л воды в пар?

Решение: Q= Lводы*m. Масса 1 литра обычной водопроводной воды равна 1 кг. Q=2260 кДж/кг *1 кг=2260 кДж=2,3 МДж.

1 кВт*ч = 3,6 МДж. Из простой пропорции следует, что надо затратить 0,64 кВт*ч. Для 2-х литров величина возрастет в 2 раза, для 3-х – в три, и так далее.

Зная тарифы на электроэнергию, несложно посчитать стоимость, во сколько рублей обойдется такое кипячение. Надо также учитывать, что частично энергия уйдет в воздух и на нагрев сосуда, частей плиты, поэтому реальный расход будет выше.

Таблица для ряда веществ

Удельная теплота парообразования при нормальном атмосферном давлении (1 атм = 760 мм рт. ст.) и температуре кипения (для каждого вещества она своя).

Для воды при 20 ℃ L=2,45МДж/кг.

Видео по теме статьи

Об удельной теплоте парообразования расскажет видео:

Заключение

Единица измерения удельной теплоты парообразования – Дж/кг. Она показывает, сколько при заданной температуре надо подвести тепла, чтобы преобразовать 1 кг вещества в пар. Величина определяется путем проведения экспериментов.

Для воды при 100 ℃ ее значение 2260 кДж/кг. Эта величина довольно большая в сравнении с характеристиками других веществ. С ростом температуры значение удельной теплоты образования пара уменьшается.

На этой странице вы можете рассчитать количество теплоты, необходимое для превращение жидкости в пар с помощью калькулятора онлайн. Для этого необходимо ввести массу жидкости и ее удельную теплоту парообразования (см. таблицу).

Формула количества теплоты для превращения в пар

Удельная теплота парообразования жидкостей и расплавленных металлов при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении

Жидкость	Удельная теплота парообразования, кДж/кг
Азот жидкий	201
Аллюминий	9200
Аммиак	1370
Бензин	230 — 310
Висмут	840
Вода (при 0°С)	2500
Вода (при 20°С)	2450
Вода (при 100°С)	2260
Вода (при 370°С)	440
Вода (при 374,15°С)	0
Водород жидкий	450
Воздух	197
Гелий жидкий	23
Железо	6300
Золото	1650
Керосин	209 — 230
Кислород жидкий	214
Магний	5440
Медь	4800
Никель	6480
Олово	3010
Ртуть	293
Свинец	860
Спирт этиловый	906
Эфир этиловый	356
Цинк	1755

Примеры задач на нахождение количества теплоты

Твердые кристаллические вещества переходят в жидкое состояние посредством плавления. Чтобы расплавить вещество, необходимо сообщить ему некоторое количество теплоты. И, наоборот, при кристаллизации (переходе жидкости в твердое состояние) энергия выделяется в окружающую среду.

Проведем аналогию с переходом жидкости в пар. Этот переход может быть осуществлен двумя способами: испарением или кипением. Кипение является тем же испарением, но более интенсивным. Очевидно, что для того, чтобы происходил процесс кипения, жидкости необходимо сообщать какое-то количество теплоты. Это количество теплоты будет идти на образование пара.

На данном уроке мы познакомимся с новым определением — удельной теплотой парообразования и конденсации. Вы узнаете формулу для расчета количества теплоты, необходимого для парообразования жидкости и научитесь ею пользоваться.

Удельная теплота парообразования

Вы уже знаете, что кипение происходит при определенной для каждой жидкости температуре. Количество теплоты, которое потребуется сообщить этим жидкостям одинаковой массы для превращения их в пар тоже будет различно.

Опытным путем было выяснено следующее. Если мы возьмем воду массой $1 space кг$ при температуре $100 degree C$, то нам потребуется затратить $2.3 cdot 10^6 space Дж$ энергии для полного превращения этой воды в пар. 

Температура кипения во время всего процесса остается постоянной. Следовательно, нам необходимо подводить к кипящей жидкости определенное количество теплоты. Для воды это энергия в $2.3 cdot 10^6 space Дж$.

Удельная теплота парообразования — это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой $1 space кг$ в пар без изменения температуры.

• Обозначается буквой $L$
• Единица измерения удельной теплоты парообразования — $1 frac{Дж}{кг}$
• При температуре кипения внутренняя энергия вещества в парообразном состоянии больше внутренней энергии вещества такой же массы в жидком состоянии

Удельная теплота парообразования некоторых жидкостей

В таблице 1 приведены экспериментально полученные величины удельной теплоты парообразования некоторых жидкостей.

Вещество	$L, frac{Дж}{кг}$
Вода	$2.3 cdot 10^6$
Аммиак (жидкий)	$1.4 cdot 10^6$
Спирт	$0.9 cdot 10^6$
Эфир	$0.4 cdot 10^6$
Ртуть	$0.3 cdot 10^6$
Воздух (жидкий)	$0.2 cdot 10^6$

Удельная теплота парообразования эфира равна $0.4 cdot 10^6 frac{Дж}{кг}$. Что это означает?

Возьмем $1 space кг$ эфира при его температуре кипения ($35 degree C$). Для того чтобы полностью превратить его в пар, нам потребуется $0.4 cdot 10^6 space Дж$.

Обратите внимание, что удельная теплота парообразования показывает количество теплоты, необходимое для превращения жидкости, взятой при ее температуре кипения, в пар.

Удельная теплота конденсации

Нужно ли сообщать пару энергию при его конденсации? Давайте рассмотрим простой опыт (рисунок 1).

Нальем в сосуд воду и закроем его пробкой. Через пробку проведем трубку и направим ее на кусочек охлажденного стекла. Доведем воду до кипения с помощью горелки.

Пар, поднимающийся над кипящей водой, будет конденсироваться, соприкасаясь с холодным стеклом. Если мы дотронемся до стекла, то обнаружим, что оно очень сильно нагрелось. 

Так энергия пара передается стеклу. В результате этой потери энергии пар конденсируется. Если бы температура стекла была равна температуре пара, то теплопередача бы не происходила, и конденсат не образовывался бы.

Это говорит о том, что при конденсации пар отдает, выделяет энергию.

Более точные опыты также показывают, что 

Конденсируясь, пар отдает то количество энергии, которое пошло на его образование.

Значит, при превращении $1 space кг$ водяного пара в воду при температуре $100 degree C$ выделяется $2.3 cdot 10^6 space Дж$ энергии.

Это довольно большая энергия, поэтому человечество стремится ее использовать. Например, на крупных тепловых электростанциях паром, который уже прошел через турбины, нагревают воду. Ее, в свою очередь, используют для отопления зданий и бытовых нужд.

Расчет количества теплоты, необходимого для парообразования

Чтобы вычислить количество теплоты $Q$, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования $L$ умножить на массу $m$:
$Q = Lm$.

Из этой формулы при расчетах мы можем выражать массу ($m = frac{Q}{L}$) и удельную теплоту парообразования ($L = frac{Q}{m}$).

Для расчета количества теплоты, которое выделит пар массой $m$ при температуре кипения в ходе конденсации, используется эта же формула.

Упражнения

Дано:
$m = 2 space кг$
$t_1 = 20 degree C$
$t_2 = 100 degree C$
$c = 4200 frac{Дж}{кг cdot degree C}$
$L = 2.3 cdot 10^6 frac{Дж}{кг}$

$Q — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть

Дано:
$m = 2 space кг$
$t_1 = 100 degree C$
$t_2 = 0 degree C$
$c = 4200 frac{Дж}{кг cdot degree C}$
$L = 2.3 cdot 10^6 frac{Дж}{кг}$

$Q — ?$

Показать решение

Скрыть

$Q — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Муниципальное
бюджетное общеобразовательное учреждение Московской области

Гимназия
№3

Определение 
удельной теплоты парообразования.

учитель
физики

Ольга
Алексеевна  Байшева

Дубна
– 2017

Содержание

1.Введение

2.Теоретические
исследования

3.Экспериментальные
исследования

4.Заключение

Введение

Практически
ежедневно мы сталкиваемся с таким явлением, как кипение. Но обращали ли вы
внимание, что температура воды во время процессе не меняется? Вопрос – куда
девается образующаяся энергия, если мы постоянно держим емкость на огне? Мы
заинтересовались изучением данного явления после «знакомства» с ним и
определением удельной теплоты парообразования на уроках физики 8 классе.  Также
мы задались вопросом, что нужно сделать, чтобы самостоятельно рассчитать
удельную теплоту парообразования жидкости?

Данная тема
показалась нам достаточно интересной, и мы решили исследовать это.

Одной из
особенностей выбранной нами работы является доступность необходимого
оборудования и исследуемых материалов.

Цель работы:
определение удельной теплоты парообразование воды, изучение такого процесса как
кипение (испарение)

Методы
исследования: наблюдения, теоретические и
экспериментальные исследования

Задачи: изучить
литературу по данной теме;

Провести
лабораторную работу и определить  удельную теплоту парообразования

Актуальность
и практическая значимость:

  Интерес к теоретической и
экспериментальной физике, расширение кругозора в этой области, что помогает
совершенствовать исследовательские навыки.

  Этапы работы:

         
* Подбор литературы

         
* Изучение теоретического материала

         
* Составление примерного плана работы

          *
 Экспериментальная часть, оформление результатов исследование

         
* Подготовка к отчету

Теоретические
исследования

Давайте
познакомимся с определениями «кипение» и «удельная теплота парообразования».

Что такое кипение?
Это физический процесс, в ходе которого происходит интенсивное парообразование
как на свободной поверхности жидкости, так и внутри ее структуры. Одним из
признаков кипения является образование пузырьков, которые состоят из
насыщенного пара и воздуха.

Стоит отметить
существование такого понятия, как температура кипения. От давления также
зависит скорость образования пара. Оно должно быть постоянным. Как правило,
основной характеристикой жидких химических веществ является температура кипения
при нормальном атмосферном давлении. Тем не менее на данный процесс также могут
оказать влияние такие факторы, как интенсивность звуковых волн, ионизация
воздуха.

Кипение является
фазовым переходом первого рода. Кипение происходит гораздо более интенсивно,
чем испарение с поверхности, из-за присутствия очагов парообразования,
обусловленных как более высокой температурой достигаемой в процессе кипения,
так и наличием примесей.

Непременно
начинает образовываться пар во время такой процедуры, как нагревание. Кипение
подразумевает прохождение жидкости через 4 стадии:

1.      На
дне сосуда, а также на его стенках начинают образовываться небольшие пузырьки.
Это является результатом того, что в трещинках материала, из которого
изготовлена емкость, содержится воздух, который расширяется под воздействием
высокой температуры.

2.      Пузырьки
начинают увеличиваться в объеме, в результате чего они вырываются на
поверхность воды. Если верхний слой жидкости еще не достиг температуры кипения,
полости опускаются ко дну, после чего снова начинают стремиться вверх. Этот
процесс приводит к образованию звуковых волн. Именно поэтому во время кипения
воды мы можем услышать шум.

3.      На
поверхность выплывает наибольшее количество пузырьков, что создает впечатление
мутности воды. После этого жидкость бледнеет. Учитывая визуальный эффект,
данную стадию кипения называют «белым ключом».

4.      Наблюдается
интенсивное бурление, которое сопровождается образованием больших пузырей,
которые быстро лопаются. Этот процесс сопровождается появлением брызг, а также
интенсивным       образованием пара.

В
кипящей жидкости устанавливается определённое распределение температуры: у
поверхностей нагрева (стенок сосуда, труб и т. п.) жидкость заметно перегрета.
Величина перегрева зависит от ряда физико-химических свойств как самой
жидкости, так и граничных твёрдых поверхностей. Тщательно очищенные жидкости,
лишённые растворённых газов (воздуха), можно при соблюдении особых мер
предосторожности перегреть на десятки градусов без закипания. Когда такая
перегретая жидкость в конце концов вскипает, то процесс кипения протекает
весьма бурно, напоминая взрыв. Вскипание сопровождается расплёскиванием
жидкости, гидравлическими ударами, иногда даже разрушением сосудов. Теплота
перегрева расходуется на парообразование, поэтому жидкость быстро охлаждается
до температуры насыщенного пара, с которым она находится в равновесии.
Возможность значительного перегрева чистой жидкости без кипения объясняется
затрудненностью возникновения начальных маленьких пузырьков (зародышей), их
образованию мешает значительное взаимное притяжение молекул жидкости. Иначе
обстоит дело, когда жидкость содержит растворенные газы и различные мельчайшие
взвешенные частицы.

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.

Уде́льная теплота́
парообразова́ния и конденса́ции — физическая величина, показывающая, какое
количество теплоты необходимо, чтобы обратить количество жидкости с единичной
массой в пар без изменения температуры.

Если из­вест­но,
что ве­ще­ство на­хо­дит­ся при тем­пе­ра­ту­ре ки­пе­ния, то для вы­чис­ле­ния
ко­ли­че­ства теп­ло­ты, необ­хо­ди­мо­го для пре­вра­ще­ния его в га­зо­об­раз­ное
со­сто­я­ние ис­поль­зу­ют сле­ду­ю­щую фор­му­лу:

Обо­зна­че­ния:

 ко­ли­че­ство
теп­ло­ты па­ро­об­ра­зо­ва­ния, Дж;

 удель­ная
теп­ло­та па­ро­об­ра­зо­ва­ния и кон­ден­са­ции, ;

 масса
ве­ще­ства, кг.

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.

Экспериментальные
исследования

Один из методов
основан на том, что при конденсации пара происходит выделение тепла в
количестве, равном теплоте парообразования. Пар получаем в парообразователе  и
пропускаем через трубочку  в воду, налитую в калориметр. При конденсации пара и
охлаждении полученной из него воды происходит нагревание воды в калориметре.

Оборудование:
парообразователь; электрическая плитка; калориметр с крышкой; электронные весы;
термометр.

Ход
работы

1.      Наливаем
воду в калориметр.

2.      Определяем
массу калориметра с водой и начальную температуру.

3.      Нагреваем
воду до состояния кипения и дожидаемся интенсивного парообразования в
калориметре.

4.      Ждем
примерно 5 мин.

5.      Измеряем
массу калориметра с водой и температуру после 5 мин.

6.      По
уравнению теплового баланса вычисляем L.

7.      Делаем
выводы

Удельную теплоту
парообразования L вычисляют из уравнения теплового баланса:
приравнивают количества теплоты, полученные калориметром Q₁=c_кm_кt₁ и
водой в нём Q₂=c_вm_вt₁,
количеству теплоты, отданному паром Q₃ = Lm_п при
конденсации и горячей водой, полученной из пара при её охлаждении до конечной
температуры Q₄ = c_вm_пt₂:

Q₁ + Q₂ = Q₃ + Q₄,

или

c_кm_кt₁ + c_вm_вt₁ = Lm_п + c_вm_пt₂

L =  (c_кm_кt₁ + c_вm_вt₁ —
c_вm_пt₂)
: m_п

При вычислении L
из уравнения теплового баланса мы пренебрегли потерями тепла в калориметре.

L
=  ( c_вm_вt₁ —
c_вm_пt₂)
: m_п

Массу
сконденсировавшегося пара находят по разности результатов взвешивания
калориметра до и после пропускания пара. Обратите внимание на то, что колба
парообразователя изготовлена из специального, закалённого, стекла. Изделия из
такого стекла помечают матовой меткой в форме круга, прямоугольника или
треугольника. Колбу из такого стекла можно ставить не только на электроплитку,
но и на открытый огонь.

№	T1  0С	T2  0С	M1  кг	M2 кг	L  106 Дж/кг
1	20	46	0,126	0,132	2,17
2	18	51	0,126	0,133	2,42
3	20	48	0,126	0,132	2,36
4	20	50	0,126	0,133	2,18
5	18	50	0,126	0,133	2,32
Ср. значение	19,2	49	0,126	0,1326	2,29

Ср.ар. L = (2,17 + 2,42 + 2,36 + 2,18 + 2,32) * 10⁶ : 5 = 2,29*10⁶
Дж/кг

Табличное значение
– 2,3*10⁶ Дж/кг

Погрешность
измерений

∆=∆и
+∆о 

∆и
– инструментальная погрешность

Определяется
классом прибора

Для
весов +-1г

Для
термометра +-1⁰С

 ∆о –
погрешность отсчета

Имеет
смысл говорить об этой погрешности только,  если прибор не цифровой. Термометр
– аналоговый прибор;  весы – цифровые. ∆о для термометра 1⁰С

∆Т=∆иТ
+∆оТ=2⁰ С

∆M=∆иM
=1г= 10^-3кг

Относительные
погрешности  измерения температуры

Относительные
погрешности  измерения массы

   
Абсолютная погрешность косвенных измерений определяется методами
математической статистики. Для формулы

L
=  ( c_вm_вt₁ —
c_вm_пt₂)
: m_п

 ДЖ/Кг

 ДЖ/Кг

Заключение

L=(2,29)*10⁶  ДЖ/Кг