какие главные особенности кипения

Тест по физике Кипение 8 класс

Тест по физике Кипение для учащихся 8 класса с ответами. Тест состоит из 10 заданий и предназначен для проверки знаний к главе Тепловые явления.

1. Какие два вида парообразования вы знаете?

1) Испарение и конденсация
2) Испарение и кипение
3) Нагревание и кипение

2. Каковы главные особенности кипения?

1) Образование пузырьков воздуха с паром на стенках сосуда; начало кипения при определенной температуре
2) Кипение при определенной для каждой жидкости темпера­туре; парообразование во всем объеме жидкости
3) Схлопывание воздушных пузырьков с паром на поверхно­сти жидкости; парообразование при высокой температуре

3. Температурой кипения называют температуру, при которой

1) парообразование становится очень интенсивным
2) пузырьки с паром появляются на стенках нагреваемого со­суда с жидкостью
3) происходит рост воздушных пузырьков с паром внутри жидкости
4) наступает кипение жидкости

4. Каков результат наблюдений за температурой кипящей жидкости?

1) Температура жидкости во время кипения остается постоян­ной
2) При кипении жидкости ее температура уменьшается
3) По мере выкипания жидкости ее температура возрастает

5. Поясните, как при неизменности температуры во время кипения выполняется закон сохранения и превращения энергии?

1) Хотя температура жидкости постоянна, ее молекулы по­глощают подводимую энергию и их взаимодействие стано­вится сильнее
2) При кипении молекулы жидкости, переходя в пар, уносят с собой подводимую энергию
3) Подводимая к кипящей жидкости энергия тратится на раз­рушение молекулярных связей и переходит во внутреннюю энергию пара

6. В какой из сосудов надо опустить пробирку, чтобы находя­щийся в ней эфир закипел? (Предполагается, что температу­ры жидкостей в сосудах поддерживаются постоянными.)

1) №1
2) №2
3) №3
4) Ни в одном сосуде эфир кипеть не будет

7. Какое вещество — вода, ртуть, свинец — будет жидким при температуре 400 °С?

1) Вода
2) Ртуть
3) Свинец
4) Никакое

8. Какое вещество — кислород, эфир, молоко — будет находить­ся при 0 °С в виде пара?

1) Кислород
2) Эфир
3) Молоко
4) Здесь не названо такое вещество

9. Как температура кипения жидкости зависит от давления воз­духа?

1) При увеличении давления температура кипения жидкости понижается
2) При уменьшении давления температура кипения повы­шается
3) При уменьшении давления температура кипения пони­жается

10. Под стеклянным колоколом насоса находятся колбы с водой, температура которой близка к 100 °С. Из-под одного колокола воздух откачивают, другой соединен с атмосферой, а под третий его накачивают. Из-под какого колокола воздух откачива­ется?

Ответы на тест по физике Кипение
1-2
2-2
3-4
4-1
5-3
6-2
7-3
8-1
9-3
10-2

Источник

Физическое явление, знакомое каждому: кипение воды и его особенности

Существует множество физических явлений, над которыми обычно никто не задумывается — настолько они стали привычны и обыденны.

Однако иногда бывает полезно узнать о них подробнее. Одним из таких явлений является кипение воды.

Что это за явление?

Кипение — это процесс перехода воды из жидкого агрегатного состояния в газообразное, то есть ее превращение в пар.

От обычного испарения оно отличается высокой степенью интенсивности: если на испарение воды может потребоваться несколько дней или недель, то выкипеть такой же ее объем сможет за считанные часы.

При необходимости ёмкость можно прикрыть, тогда часть пара будет конденсироваться обратно, становясь капельками воды.

Процесс кипения условно можно разделить на два этапа:

Однако источник тепла нужен даже на этой стадии, ведь парообразование тоже требует энергетических затрат.

Какие факторы влияют на закипание?

На кипение влияет множество факторов:

Также часть тепла забирает ёмкость, в которой содержится вода, ведь она должна дойти до нужной температуры ещё раньше, чем ее содержимое. Поэтому посуда с более тонкими стенками, сделанная из легко проводящего тепло материала, например, металла, лучше подходит для кипячения.

От массы, а значит и от объёма вещества, кипение находится в обратной зависимости. Чем больше вес, тем больше энергии требуется на его нагревание, тем дольше будет необходимо ждать.

При прочих равных условиях вода без соли и других примесей закипает несколько быстрее, чем солёная. Однако, если концентрация соли очень низкая, этой разницы может быть практически незаметно.

Давление также влияет на процесс. Чем оно выше, тем дольше будет закипать вода, потому что давление атмосферы как бы удерживает пузырьки газа внутри, а испаряться она начинает тогда, когда давление пара уравнивается с атмосферным.

Эта разница мало заметна, если сравнивать первый этаж жилого дома с пятым, однако становится ощутима, если речь идёт, например, о подъеме в горы.

В вакууме температура кипения всех веществ очень сильно снижается из-за понижения давления, обычно отличие составляет 100-200 градусов. Для воды она стремится к нулю по мере уменьшения количества воздуха, оставшегося в сосуде.

Не менее важны характеристики источника тепла. Чем больше его мощность, то есть количество выделяемой им энергии за единицу времени, тем быстрее идет процесс кипячения. На практике это означает, что на более сильном огне или при большей температуре конфорки на электроплите вода закипит скорее.

Сколько по времени закипает?

Становится понятно, что время кипения сильно зависит от условий, при которых оно происходит.

Величины:

Даже эта формула учитывает не все, ведь также существуют потери тепла, которое уходит в окружающую среду.

Однако такая точность редко бывает нужна в быту, кроме того, необходимые данные для расчётов получить затруднительно. Чаще всего кипение литра воды на плите при достаточно большом огне занимает около 10 минут. Здесь некоторую роль играет материал, из которого сделана посуда. Быстрее всего нагревается металл.

Как понять, что жидкость кипит?

По мере приближения к точке кипения в воде появляется все больше пузырьков. Сначала их можно увидеть на стенках сосуда, а потом они начинают всплывать на поверхность, отчего она становится неровной. Пропустить этот момент сложно из-за характерного бурления.

Даже спустя некоторое время после этого испарение будет продолжаться, потому что температура не сразу опустится ниже точки кипения. Например, от чашки горячего чая еще некоторое время идет пар.

Как быстро остывает после?

Остывание зависит от тех же факторов, что и нагрев: от объема, температуры окружающей среды.

Например, электрочайник, вскипевший за пять минут, будет остывать около двух часов, чтобы дойти до комнатной температуры.

Если объем воды большой, то остывание при прочих равных займет более длительный промежуток времени, а чем холоднее воздух вокруг, тем быстрее охладится и сам кипяток. Его температура будет опускаться до того момента, пока не сравняется с окружающей.

Нюансы процесса

Кипение воды в чайнике и кастрюле немного различается между собой, но в обоих случаях оно происходит при 100 градусах. Рассмотрим особенности каждого процесса.

В чайнике

В электрическом чайнике процесс пойдёт быстрее, чем при кипячении в кастрюле, он займёт 3-4 минуты, точное время зависит от конкретной модели и ее мощности. Не потребуется даже выключать прибор – он сделает это автоматически.

Свист, которым чайник оповещает, что вода кипит, связан с прохождением пара через крышку на его носике.

В кастрюле

При таком способе кипячения ждать потребуется дольше – около 10 мин. Лучше всего подойдет металлическая кастрюля, она нагреется быстрее, чем емкости из других материалов.

Не стоит наполнять ее до самого верха, потому что в таком случае при кипении брызги будут выплескиваться на плиту. Момент закипания сопровождается громким бурлением. Почти сразу после этого воду можно выключать.

Если накрыть кастрюлю крышкой, можно ускорить нагрев и закипание воды, потому что снизится количество тепла, уходящего в окружающую среду. Однако желательно оставить щель, через которую будет выходить пар.

Видео по теме статьи

О кипении жидкости расскажет видео:

Заключение

Хотя с точки зрения физики кипение — далеко не самый сложный процесс, говорить о нем можно долго, так как он связан со множеством факторов, под воздействием которых особенности его протекания несколько отличаются.

Даже общие знания из этой области могут быть полезны и найдут практическое применение, ведь в быту с необходимостью вскипятить воду регулярно сталкивается каждый.

Источник

Кипение

Всего получено оценок: 19.

Всего получено оценок: 19.

Из курса физики 8 класса известно, что вещества в обычных условиях могут иметь три агрегатных состояния: твёрдое, жидкое и газообразное. Если переход из жидкого состояния в газообразное происходит по всему объёму жидкости, такой переход называется кипением. Рассмотрим эту тему подробнее, разберём механизм этого физического явления и его особенности.

Кипение жидкости

Главным отличием состояния молекул в жидкости и газе является их разная кинетическая энергия. Молекулы жидкости движутся с относительно небольшими скоростями и находятся близко друг к другу. Молекулы газа движутся значительно быстрее и находятся на больших расстояниях. Следовательно, для перехода в газообразное состояние молекулы должны получить дополнительную тепловую энергию.

Рис. 1. Молекулы в жидкости и в газе

Чем выше температура жидкости, тем большее количество молекул обладают скоростями, достаточными, чтобы оторваться от других молекул и перейти в газ. При некоторой температуре таких «быстрых» молекул оказывается так много, что они всё чаще оказываются рядом, и тогда их энергии хватает, чтобы образовывать пузырёк насыщенного пара внутри слоя жидкости. Пузырёк становится «центром испарения».

Переход жидкости в пар, происходящий одновременно во всем объёме жидкости, называется кипением.

Свойства кипения

Таким образом, кипение начинается тогда, когда давление насыщенного пара сравнивается с давлением внутри жидкости. Из формулы уравнения Менделеева — Клапейрона следует, что это давление растёт с повышением температуры. Если увеличить внешнее давление, то это приведёт к увеличению давления насыщенного пара, следовательно, кипение прекратится. И наоборот, при уменьшении внешнего давления жидкость может начать кипеть даже без подвода к жидкости дополнительного тепла.

Ещё одним свойством рассматриваемого явления является то, что оно возможно лишь тогда, когда температура жидкости достигает определённой точки, называемой «температурой кипения». И в этот момент температура воды перестаёт увеличиваться, несмотря на нагревание. Происходит это потому, что все молекулы, набирающие достаточную энергию, сразу переходят в газ, по всему объёму жидкости. В жидкости остаются только более медленные молекулы с меньшей температурой. Как только эти молекулы «нагреваются», они также покидают жидкость.

Получается, что в процессе кипения вся тепловая энергия, подводимая к жидкости, тратится на образование пара, а не на нагревание жидкости. Каждый килограмм пара для образования требует некоторое количество тепловой энергии, и эта энергия называется удельной теплотой кипения, или парообразования. Для её определения используются справочные таблицы. Температура пара при этом равна температуре жидкости (для воды в нормальных условиях — 100 °С).

Поэтому невозможно довести воду до кипения при нагревании «на водяной бане». Температура в кипящей водяной бане будет равна 100 °С, и она будет такой же, как температура нагреваемой воды. Подвод дополнительного тепла к нагреваемой жидкости прекратится. А для кипения требуется дополнительное тепло. То есть нагревание на водяной бане используется тогда, когда надо максимально приблизиться к кипению жидкости, но не вскипятить её.

Что мы узнали?

Кипение — это переход жидкости в газообразное состояние сразу по всему объёму жидкости. Такой переход начинается тогда, когда давление насыщенного пара сравняется с давлением внутри жидкости. Во время кипения температура жидкости не повышается потому, что всё подводимое тепло уходит на газообразование.

Источник

Кипение, свойства паров, критическое состояние вещества

Содержание:

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Кипение, свойства паров, критическое состояние вещества

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

Пары, насыщающие и не насыщающие пространство

Когда свободная поверхность жидкости в сосуде граничит с открытой атмосферой, то испарение преобладает над конденсацией и уровень жидкости с течением времени понижается. Происходит это потому, что движущийся воздух уносит пар и уменьшает его плотность над поверхностью жидкости.

Опыт показывает, что уровень жидкости в герметически закрытом сосуде со временем не меняется. Это означает, что в таком сосуде процесс испарения жидкости полностью компенсируется конденсацией пара, т. е. сколько молекул вылетает из жидкости, столько же в нее и возвращается. Иначе говоря, в этом случае число молекул как в жидкости, так и в паре над ней остается неизменным, хотя между жидкостью и паром происходит непрерывный обмен молекулами. Такое равновесие между жидкостью и ее паром называют подвижным или динамическим.

Пар, который находится в состоянии подвижного равновесия со своей жидкостью, называется паром, насыщающим пространство, или насыщающим паром. Пар, который находится над поверхностью жидкости, когда испарение преобладает над конденсацией, и пар при отсутствии жидкости называется ненасыщающим паром.

Очевидно, что при определенной температуре пары какого-либо вещества имеют наибольшую возможную плотность и наибольшее возможное давление, когда они насыщают пространство.

Чтобы проверить, зависят ли плотность и давление насыщающего пара от рода вещества, сделаем такой опыт. Возьмем одинаковые закрытые колбы с водой, спиртом и эфиром, соединенные с манометрами (рис. 8.1).

Кроме воздуха, давление в колбах будут создавать и насыщающие пары налитых жидкостей. Оказывается, что наибольшее давление будет в колбе с эфиром, а наименьшее — в колбе с водой, т. е. большее давление создают насыщающие пары той жидкости, которая быстрее испаряется. Такого рода опыты показали следующее: чем меньше удельная теплота парообразования жидкости, тем быстрее она испаряется и тем больше давление и концентрация ее паров, насыщающих пространство (при одинаковой температуре различных жидкостей).

Свойства паров, насыщающих пространство

Выясним поведение насыщающего пара при изохорическом процессе. Для этого возьмем герметически закрытый сосуд с манометром. Заметим, что в сосуд перед закрыванием налита жидкость, а пространство над ней заполняется только парами этой жидкости. Поместив сосуд в водяную баню (рис. 8.2), будем нагревать его и записывать температуру и давление насыщающего пара в нем.

Закончив нагревание, начнем охлаждать сосуд и снова записывать температуру и давление пара в нем. Сравнив показания манометра при одинаковых температурах, мы увидим, что они одинаковы. Это доказывает, что давление и плотность насыщающего пара однозначно определяются его температурой. Результаты такого рода опытов приведены в табл. 8.1.

Из таблицы видно, что давление насыщающего пара зависит от его природы и быстро возрастает при повышении температуры. Если во время опыта наблюдать за уровнем жидкости в сосуде, то будет видно, что он при нагревании понижается, а при охлаждении повышается. Значит, масса и. плотность пара в сосуде при нагревании возрастают, а при охлаждении убывают. На основании изложенного заключаем, что давление насыщающего пара при нагревании увеличивается по двум причинам: во-первых, вследствие увеличения у молекул пара и, во-вторых, из-за увеличения числа молекул в единице объема пара, т. е. из-за увеличения его плотности.

Напомним, что при изохорическом нагревании идеального газа его давление увеличивается только по первой причине, поскольку масса и плотность газа остаются постоянными. На рис. 8.3 изображен типичный график зависимости давления насыщающего пара от температуры (кривая а), а ниже для сравнения показан график изохорического процесса для идеального газа, имеющего при 0°С такое же давление, как и пар (прямая б).

Из приведенных опытов следует, что закон Шарля неприменим к насыщающим парам. В основном это объясняется тем, что масса насыщающего пара при изохорическом процессе изменяется.

Рассмотрим теперь изотермический процесс. Для этого воспользуемся сосудом цилиндрической формы с небольшим количеством жидкости, устроенным так же, как в предыдущем опыте, но с подвижным поршнем (рис. 8.4, а). Если перемещать поршень вниз или вверх (рис. 8.4, б, в), то можно заметить, что, пока в сосуде остается жидкость, давление пара в сосуде остается постоянным.

Это означает, что при постоянной температуре давление насыщающего пара не зависит от объема. Следовательно, закону Бойля — Мариотта насыщающий пар не подчиняется.

Наблюдения за уровнем жидкости в сосуде показывают, что при изотермическом расширении масса насыщающего пара возрастает, а при сжатии — убывает. Учитывая, что давление пара при этом остается неизменным, можно сделать следующие выводы.

При изотермическом расширении испаряется ровно столько жидкости, сколько нужно для заполнения насыщающим паром прироста объема сосуда. При изотермическом сжатии конденсируется ровно столько насыщающего пара, сколько его было в отнятом у пара объеме. Таким образом, плотность насыщающего пара при изотермическом процессе не изменяется. Это подтверждает сказанное выше, что давление и плотность насыщающего пара зависят только от температуры и рода вещества.

Из всего изложенного следует, что законы для идеального газа к насыщающим парам неприменимы. Объясняется это в основном тем, что при любом процессе, происходящем с насыщающим паром, масса пара изменяется.

Свойства паров, не насыщающих пространство

Если нагревать сосуд с жидкостью, изображенный на рис. 8.2, до тех пор, пока жидкость в нем не исчезнет (рис. 8.2, в), то пар станет ненасыщающим. Его плотность при дальнейшем нагревании будет постоянной (объясните, почему) и давление будет уже не так быстро возрастать с увеличением температуры (рис. 8.3, верхняя часть кривой а). Однако, пока пар недалек от насыщения, влияние взаимодействия молекул все же заметно, и только при значительном нагревании ненасыщающий пар подчиняется закону Шарля.

При изотермическом расширении, описанном в предыдущем параграфе, мы заметим изменение давления пара, когда он станет ненасыщающим (рис. 8.4, г, д). Пока плотность ненасыщающего пара близка к плотности насыщающего пара, велико влияние взаимодействия молекул пара и их собственного объема и зависимость давления пара от объема отличается от закона Бойля — Мариотта. При малых плотностях ненасыщающий пар подчиняется закону Бойля — Мариотта. Следовательно, к ненасыщающему пару можно применить законы для идеального газа лишь в тех случаях, когда пар далек от насыщения.

Анализируя выводы, сделанные в двух последних параграфах, легко установить, что насыщающий пар можно превратить в ненасыщающий либо изохорическим нагреванием, либо изотермическим расширением, либо одновременно нагреванием и расширением. Наоборот, ненасыщающий пар всегда можно превратить в насыщающий либо изохорическим охлаждением, либо изотермическим сжатием, либо одновременно охлаждением и сжатием.

Опыт показывает, что, если пар не соприкасается с жидкостью, его можно охладить ниже температуры, при которой он становится насыщающим, а жидкость при этом еще не образуется. Такой пар называется пересыщенным. Объясняется это тем, что для превращения пара в жидкость нужны центры конденсации, которые могли бы стать зародышами капелек жидкости. Ими обычно служат пылинки. Центрами конденсации могут служить и ионы: они притягивают к себе молекулы пара, и образуются мельчайшие капельки, служащие центрами дальнейшей конденсации.

Оказывается, что собственный объем молекул пара практически всегда ничтожно мал по сравнению с объемом, занятым паром. Поэтому, если в пространстве находится пар какой-либо жидкости (даже и насыщающий), то это не мешает испаряться в нем другой жидкости. Общее давление паров в этом случае равно сумме давлений паров обеих жидкостей. Это свойство паров выражается законом, открытым английским ученым А. Дальтоном: давление смеси паров и газов равно сумме давлений, создаваемых каждым из них в отдельности, если между ними нет химического взаимодействия.

Процесс кипения жидкости

Вторым распространенным видом парообразования является кипение жидкостей. С помощью опытов было установлено, что, пока жидкость кипит, ее температура остается постоянной. Парообразование, которое происходит в объеме всей жидкости и при постоянной температуре, называется кипением.

Выясним особенности процесса кипения жидкости. Нальем в стеклянную колбу воду и проследим за ее нагреванием. При нагревании воды на дне и стенках колбы появляются пузырьки газа. Рассмотрим, как они возникают.

Поверхность твердого тела обладает способностью удерживать молекулы газа, которые как бы прилипают к ней. Такое «прилипание» молекул газа к молекулам поверхностного слоя твердого тела называют адсорбцией, а газ, связанный с поверхностью твердого тела, называют адсорбированным.

Далее, опыт показывает, что газы растворяются в жидкостях, причем растворимость газа уменьшается при повышении температуры жидкости. Поэтому при нагревании воды растворенный в ней воздух выделяется у стенок сосуда, присоединяясь к адсорбированному на них воздуху.

При нагревании воды количество пузырьков непрерывно увеличивается и их объем возрастает. Поскольку пузырьки находятся в воде, внутри них, кроме воздуха, имеется насыщающий водяной пар. Рост пузырьков при нагревании объясняется увеличением количества воздуха в них и возрастанием давления насыщающего пара воды. Противодействуют расширению пузырьков: внешнее давление атмосферы на поверхность жидкости, гидростатическое давление столба воды высотой от ее поверхности до места; где находится пузырек, лапласовское давление, обусловленное кривизной поверхности пузырька (§ 10.6), обратно пропорциональное радиусу пузырька. При очень малых радиусах пузырька лапласовское давление может быть больше атмосферного, а при больших радиусах им можно пренебречь. При росте пузырька лапласовское давление уменьшается, что способствует еще большему увеличению размеров пузырька.

При достаточно большом объеме пузырька действующая на него сила Архимеда отрывает его от поверхности дна и поднимает вверх, а на месте оторвавшегося пузырька остается зародыш нового пузырька (рис. 8.5, а). Так как при нагревании жидкости снизу ее верхние слои холоднее нижних, то при подъеме пузырька водяной пар в нем конденсируется, а воздух снова растворяется в воде и объем пузырька уменьшается (рис. 8.5, б).

Многие пузырьки, не достигнув поверхности воды, исчезают, а некоторые доходят до поверхности, но воздуха и пара в них к этому моменту остается очень мало. Это происходит до тех пор, пока вследствие конвекции температура во всей жид-кости не станет одинаковой.

Когда температура в жидкости выравняется, объем пузырьков при подъеме будет уже возрастать (рис. 8.5, в). Объясняется это следующим образом. Когда пузырек поднимается вверх при одинаковой температуре во всей жидкости, то давление насыщающего пара внутри пузырька остается постоянным, а гидростатическое давление уменьшается, поэтому пузырек растет. Все пространство внутри пузырька при его росте заполняется насыщающим паром.

Когда такой пузырек достигает поверхности жидкости, то давление насыщающего пара в нем практически равно атмосферному давлению на поверхности жидкости, поскольку в этот момент гидростатическое давление равно нулю, а давление воздуха в пузырьке и лапласовское давление малы и ими можно пренебречь. На поверхности жидкости пузырек лопается, а находящееся в нем значительное количество насыщающего пара выходит в окружающую среду. Описанный процесс роста пузырьков с насыщающим паром при одинаковой температуре жидкости и выделения этого пара в окружающую среду и есть кипение. Таким образом, кипение жидкости происходит при одинаковой температуре всей жидкости, когда давление насыщающего пара этой жидкости равно внешнему давлению. Температура, при которой давление насыщающих паров жидкости равно внешнему давлению на’ее поверхность, называется температурой кипения этой жидкости.

Опыт показывает, что температура кипящей жидкости и температура пара над ее поверхностью одинаковы. Это означает, что вся энергия, подводимая к жидкости в процессе ее кипения, идет только на увеличение потенциальной энергии молекул и на работу против внешних сил в процессе расширения вещества.

Зависимость температуры кипения жидкости от внешнего давления

Точка кипения. Поскольку давление насыщающего пара однозначно определяется температурой, а кипение жидкости наступает в тот момент, когда давление насыщающих паров этой жидкости равно внешнему давлению, температура кипения должна зависеть от внешнего давления. С помощью опытов легко показать, что при уменьшении внешнего давления температура кипения понижается, а при увеличении давления — повышается.

Кипение жидкости при пониженном давлении можно показать с помощью следующего опыта. В стакан наливают воду из водопровода и опускают в нее термометр. Стакан с водой помещают под стеклянный колпак вакуумной установки и включают насос. Когда давление под колпаком достаточно понизится, вода в стакане начинает кипеть. Так как на парообразование затрачивается энергия, то температура воды в стакане при кипении начинает понижаться, и при хорошей работе насоса вода наконец замерзает.

Нагревание воды до высоких температур осуществляют в котлах и автоклавах. Устройство автоклава показано на рис. 8.6, где К—предохранительный клапан, АВ — рычаг, прижимающий клапан, М — манометр.

При давлениях больше 100 атм воду нагревают до температуры выше 300°С.

Температура кипения жидкости при нормальном атмосферном давлении называется точкой кипения. Из табл. 8.1 и 8.2 видно, что давление насыщающих паров для эфира, воды и спирта в точке кипения равно 1,013 . 10 5 Па (1 атм).

Из изложенного выше следует, что в глубоких шахтах вода должна кипеть при температуре выше 100°С, а в горных местностях — ниже 100°С. Поскольку температура кипения воды зависит от высоты над уровнем моря, на шкале термометра вместо температуры можно указать ту высоту, на которой кипит вода при этой температуре. Определение высоты с помощью такого термометра называется гипсометрией.

Опыт показывает, что температура кипения раствора всегда выше, чем температура кипения чистого растворителя, и возрастает при увеличении концентрации раствора. Однако температура паров над поверхностью кипящего раствора равна температуре кипения чистого растворителя. Поэтому для определения температуры кипения чистой жидкости термометр лучше помещать не в жидкость, а в пары над поверхностью кипящей жидкости.

Процесс кипения тесно связан с наличием растворенного газа в жидкости. Если из жидкости удалить растворенный в ней газ, например, продолжительным кипячением, то можно нагревать эту жидкость до температуры, заметно превышающей температуру ее кипения. Такую жидкость называют перегретой. При отсутствии газовых пузырьков зарождению мельчайших пузырьков пара, которые могли бы стать центрами парообразования, препятствует лапласовское давление, которое при малом радиусе пузырька велико. Этим и объясняется перегрев жидкости. Когда она все же закипает, кипение происходит очень бурно.

Уравнение теплового баланса при парообразовании и конденсации

Выясним, как рассчитать количество теплоты, нужное для превращения в пар какой-либо жидкости с помощью процесса кипения. Так как жидкость кипит при точке кипения , то, если начальная температура жидкости , ее нужно сначала нагреть до , а затем выпарить. График зависимости Т от количества теплоты , подведенного к жидкости, показан на рис. 8.7.

Теплоту , нужную для нагревания жидкости до точки кипения, находят по формуле (6.2):

где т — масса жидкости, — ее удельная теплоемкость. Теплоту , необходимую для превращения жидкости в пар без изменения температуры, рассчитывают по формуле (7.1):

Следовательно, общее количество теплоты

Удельную теплоту парообразования г вещества находят из опытов с помощью уравнения теплового баланса. Покажем, как это делается, на примере определения r для воды. Для этого берут калориметр, в котором находится вода при температуре . Водяной пар, имеющий температуру =373 К, из кипятильника по трубке вводится в холодную воду калориметра, где он конденсируется. Через некоторое время трубку вынимают и измеряют конечную температуру , а затем с помощью взвешивания определяют массу введенного пара и составляют уравнение теплового баланса.

В этом опыте получают теплоту калориметр и находящаяся в нем холодная вода:

Отдают теплоту пар при конденсации и полученная из него вода при остывании от до :

Так как (считаем, что потерь тепла нет), имеем

Из этого уравнения и находят числовое значение r.

Перегретый пар и его использование в технике

Полученный в котлах водяной пар нагревают до высоких температур, а затем уже направляют в паровые турбины. Такой пар называется сухим или перегретым. Так как одновременно с температурой увеличивается и давление пара, то сильно перегретый пар называют еще паром высокого давления. Температура такого пара настолько велика, что паропровод и лопатки колеса турбины нагреваются до красного свечения. Давление пара достигает 300 атм, при этом к. п. д, турбин составляет 40—45% (к. п. д. тем больше, чем выше температура пара).

После того, как пар совершит работу в турбине, он еще имеет высокую температуру и обладает большим запасом энергии. В теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) отработанный пар по специальным

трубопроводам подается на заводы и в жилые дома для отопления. Такая система позволяет более полно использовать энергию топлива, сжигаемого в топках ТЭЦ. По теплофикации СССР занимает первое место в мире, намного опережая другие страны.

Критическое состояние вещества

Выше было объяснено, что для превращения пара в жидкость нужно повышать давление и понижать температуру. Таким путем английскому ученому М. Фа-радею удалось перевести в жидкое состояние многие вещества, которые до этого были известны только в газообразном состоянии. Однако некоторые газы долго не удавалось перевести в жидкое состояние даже при весьма больших давлениях. Теоретическое объяснение этих неудач дал русский ученый Д. И. Менделеев.

Границей, отделяющей жидкость от окружающей среды, является свободная поверхность жидкости. Наличие этой поверхности дает нам возможность точно указать, где находится жидкая фаза вещества и где газообразная. Такое резкое различие между жидкостью и ее паром в основном объясняется тем, что, вообще говоря, плотность жидкости во много раз больше, чем у ее пара. Однако если нагревать жидкость в герметически закрытом сосуде, то вследствие расширения жидкости ее плотность будет уменьшаться, а плотность паров над ее поверхностью будет возрастать. Это означает, что различие между жидкостью и ее насыщающим паром в процессе такого нагревания сглаживается и при достаточно высокой температуре должно исчезнуть совсем.

В 1861 г. Менделеев установил, что для каждой жидкости должна существовать такая температура, при которой исчезает всякое различие между жидкостью и ее паром. Менделеев назвал ее «температурой абсолютного кипения». Экспериментально исследовал процесс превращения пара в жидкость и обратно при различных давлениях английский ученый Т. Эндрюс. Он показал, что такая температура для каждой жидкости- действительно существует, и ввел для нее новый термин: критическая температура, который и используется в настоящее время.

Критической температурой вещества называется такая температура, при которой плотность жидкости и плотность ее насыщающего пара становятся одинаковыми. График изменения плотности воды и ее насыщающего пара в зависимости от температуры показан на рис. 8.8; из рисунка видно, что для воды критическая температура соответствует 374°С. Поскольку не только плотность, но и давление насыщающего пара однозначно определяется его температурой, можно построить график зависимости давления р от температуры t для насыщающего пара (рис. 8.9).

Давление насыщающего пара какого-либо вещества при его критической температуре называется критическим давлением Оно является наибольшим возможным давлением насыщающих паров этого вещества. Для воды = 22,l . 10 6 Па. Из рис. 7.2 видно, что при критической температуре удельная теплота парообразования воды равна нулю.

Это относится и к другим жидкостям. Следовательно, при критической температуре теряется всякое различие между жидкостью и ее паром, а граница между ними исчезает. Это означает, что при температуре выше вещество может существовать только в одном состоянии, которое называют газообразным, и в этом случае никаким увеличением давления превратить его в жидкость нельзя.

Если вещество находится при критической температуре и критическом давлении, то его состояние называют критическим состоянием. Объем, занимаемый веществом при критическом состоянии, называется критическим объемом . Он является наибольшим объемом, который может занимать имеющаяся масса вещества в жидком состоянии. В таблицах обычно даются значения критического объема для одного моля вещества. Значения , и (для одного моля) называются критическими параметрами вещества (табл. 8.3).

Наблюдать переход вещества через критическое состояние можно при нагревании эфира в ампуле (рис. 8.10, а — г). При изготовлении ампулы в нее вводится такая масса эфира, объем которой в критическом состоянии равен внутреннему объему ампулы. При охлаждении, когда температура становится ниже критической, эфир переходит в жидкое состояние (рис. 8.10, д, е).

Теперь видно, что принципиальной разницы между газом и паром нет. Обычно газом называют вещество в газообразном состоянии, когда его температура выше критической. Паром также называют вещество в газообразном состоянии, но когда его температура ниже критической. Следовательно, пар можно перевести в жидкость одним только увеличением давления, а газ — нельзя.

Сжижение газов и использование жидких газов в технике

Когда было установлено, что газ можно перевести в жидкое состояние, если его температура ниже критической, то, применяя все более низкие температуры, постепенно получили все газы в жидком состоянии. Последним в 1908 г. был получен жидкий гелий.

В машинах для сжижения газов используется охлаждение газа в процессе его адиабатического расширения (§6.12). Предварительно газ сильно сжимается компрессором. Выделяющееся при этом тепло отводится водяным охлаждением. Когда затем газ в процессе адиабатического расширения сам выполняет работу (за счет своей внутренней энергии), его температура сильно понижается. Та часть машины, в которой газ расширяется, выполняя внешнюю работу (например, перемещая поршень), называется детандером.

Большой вклад в разработку методов сжижения газов внес советский физик П. Л. Капица. В одной из его машин с турбо-детандером струя сжатого газа направляется на лопасти турбины; приводя- ее во вращение, газ совершает работу и охлаждается.

Заметим, что, в отличие от идеального газа, при расширении сильно сжатого реального газа его температура понижается, если даже он и не совершает внешней работы, а просто вытекает через узкое сопло. Объясняется это следующим. У сильно сжатого газа множество молекул находится в пределах сфер взаимодействия с другими молекулами. При расширении газа расстояния между молекулами увеличиваются, и при этом совершается «внутренняя» работа против сил взаимодействия между молекулами за счет их кинетической энергии.

В результате этого и падает температура. Этот метод охлаждения также используется при сжижении газов.

Когда температура газа падает ниже критической, он переходит в жидкое состояние. Сжиженный газ сливают и хранят в специальных сосудах Дьюара с двойными стенками, между которыми имеется высокий вакуум для уменьшения теплопроводности (рис. 8.11).

Чтобы уменьшить нагревание жидкости лучеиспусканием, стенки сосуда Дьюара покрывают ртутной амальгамой (как у зеркал). (Подумайте, почему сосуд о сжиженным газом нельзя плотно закрывать).

Сжижение воздуха широко используется для разделения составляющих его газов. При кипении жидкого воздуха в первую очередь из него улетучиваются газы с более низкой температурой кипения (табл. 8.4). Азот выкипает раньше кислорода, поэтому через некоторое время в сосуде Дьюара остается почти чистый жидкий кислород. Его используют в металлургии, для взрывных работ, для сжигания топлива в ракетах и т. д.

В воздухе имеется небольшое количество аргона, гелия и других инертных газов. Поскольку температуры их кипения различны, то с помощью специального аппарата — ректификационной колонки — их можно раздельно выделить из жидкого, воздуха.

Жидкие газы широко используются в промышленности и при научных исследованиях для глубокого охлаждения различных веществ. Многие свойства вещества при низких температурах сильно изменяются, например, свинец становится упругим, а резина — хрупкой. Для получения очень низких температур применяют жидкий водород или гелий, кипящий при пониженном давлении. В последнем случае можно поддерживать температуру около 1 К. Изучение свойств вещества при сверхнизких температурах привело к открытию сверхпроводимости.

Услуги по физике:

Лекции по физике:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Источник