Удельная теплота парообразования - определение, формулы и способы применения

Процесс кипения

Кипение — одна из основных разновидностей интенсивного парообразования, происходящего при повышении температуры жидкости. Нагревание происходит не только на поверхности жидкостного вещества, но и внутри него. Выделившаяся теплота распределяется неравномерно:

• бо́льшая часть уходит на разделение молекул вещества;
• меньшая часть тратится на работу, которая осуществляется при расширении частиц пара.

В результате внутренняя энергия газообразного вещества становится намного больше внутренней энергии жидкости.

Сам процесс кипения представляет собой процедуру перехода жидкостного вещества в пар. Для наглядного описания нагревания вещества и его перехода из первого агрегатного состояния в другое используются графики функций. В течение перехода происходит испарение с преобразованием воздушных пузырьков. Размеры пузырьков определяются их собственной формой и местоположением. Если они образовались на дне сосуда, то их величина и единицы определяются смачиваемостью стенок этой ёмкости. Чем более неоднородна поверхность сосуда, тем больше размер пузырьков воздуха.

При превышении допустимых размеров пузырек начинается лопаться. Во время этого процесса образуются разрывы и завихрения. Жидкость, из которой состоит оболочка воздушного пузырька, направляется внутрь. Столбик жидкости выбрасывается вверх, создавая звуковые волны различной частоты. Они сопровождаются обильным шумом. Этот режим кипения именуется пузырьковым.

А также существует пленочный режим кипения. Он наступает при увеличении тепловых потоков до предельно допустимых значений. Вокруг стенок сосуда образуется сплошной слой пара, представляющий собой непрерывную плёнку. Она не способна проводить большое количество тепла. Вся температура скапливается вокруг неё, из-за чего происходит резкое повышение температуры. Подобный эффект можно наблюдать при попадании капель воды на раскалённую поверхность.

В некоторых случаях жидкость может переходить из одного режима кипения в другой. Это может произойти при резком изменении величины теплового потока, возникающего во время передачи внутренней энергии. Если он превысил критическую отметку, устанавливаемую индивидуально для каждого вещества, то пузырьковый режим образования пара автоматически сменяется на пленочный. Обратный процесс происходит при повторном понижении значений теплового потока. На скорость сменяемости режимов также влияет объём нагреваемой жидкости.

Особенности реакции

Процесс парообразования можно подробно рассмотреть на примере кипения воды. Для проведения опыта понадобится 1 л жидкости комнатной температуры. В самом начале эксперимента вода насыщена кислородом. Нагревание следует производить в чайнике или иной ёмкости похожего строения. Для поддержания кипения воды нужно постоянно подводить теплоту. Выделяют следующие стадии кипения:

1. В начале нагревания начинают образовываться воздушные пузырьки. Они появляются главным образом на дне чайника и поверхности воды рядом с его стенками. Следует отметить, что их образование происходит задолго до процесса кипения. Первая стадия сопровождается негромким скрипящим звуком.
2. Во время второй стадии происходит увеличение объёма пузырьков воздуха. Со временем их количество начинает повышаться с геометрической прогрессией. Постепенно звук, сопровождающий процедуру парообразования, начинает становиться громче.
3. Раздутые пузырьки постепенно поднимаются на поверхность со дна чайника. Затем скорость их движения увеличивается. В результате стремительного поднятия пузырьков изменяется цвет воды. Она становится мутной или бледной. Этот процесс именуется «белым ключом». Третья стадия кипения длится в течение минуты. Она сопровождается умеренным шумом.
4. Последняя стадия парообразования сопровождается интенсивным бурлением воды. Пузырьки окончательно достигают поверхности и начинают постепенно лопаться, выбрасывая маленькие потоки жидкости. Звук становится чрезвычайно громким и неравномерным. Ударные волны начинают устремляться в атмосферы. Отражаясь от стенок чайника, они издают громкий шум, оповещая о том, что вода достигла своей критической точки кипения, которая равняется 100 °C. Стоит отметить, дальнейшее повышение температурного режима не происходит. Если во время эксперимента человек увеличит величину тепловых потоков, то он только сможет усилить интенсивность кипения жидкости, но не температуру.

Зависимость температуры от давления

Процесс парообразования других жидкостей происходят аналогично кипению воды. Единственным отличием являются разные показатели кипения вещества. Температура кипения прямо пропорциональна давлению (при увеличении давления она становится больше, при уменьшении она автоматически понижается). При решении физических задач градус кипения даётся при стандартном атмосферном давлении.

Зависимость температуры кипения от давления лежит в основе работы скороварок. Это приспособление увеличивает атмосферное давление для более быстрого приготовления. Обратный эффект можно наблюдать в горах. На большой высоте величина давления уменьшается в 2 раза, что затрудняет процедуру приготовления еды для альпинистов.

Различие температур кипения жидкостей активно используется при переработке нефти. В её состав входит огромное количество керосина, бензина, мазута и лигроина. При создании нефтепродуктов необходимо отделить компоненты друг от друга. Для этого сырое вещество начинают нагревать. При достижении температуры кипения одна из жидкостей начинает испаряться. Таким образом, отделив лишние элементы, можно сделать состав нефти однородным.

Процесс конденсации

При конденсации газообразное вещество переходит в жидкое состояние. Это явление возникает при условии, что температура вещества ниже температуры кипения. Во время конденсации выделяется столько же энергии, сколько и во время испарения. Примером этого процесса может служить:

• образование росы;
• инея;
• снега или дождя.

Конденсация также может происходить как в плёночном, так и капельном виде. Она способна осуществляться и во время парообразования жидкости. Частицы пара при перемещении над поверхностью жидкости начинают лопаться и возвращаются в жидкое состояние. Если же молекулы пара не вступают в прямой контакт с жидким веществом, то конденсация происходит в результате охлаждения газа в верхних слоях атмосферы.

Капли конденсата начинают объединяться в небольшие скопления. Примером подобного явления является процесс образования облаков на небе.

Предназначение и применение

Важнейшей характеристикой процесса кипения и конденсации является удельная ТП. Она показывает количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкостного вещества в пар. Эта величина рассчитывается без учёта потерь теплоты. Теплоемкость измеряется путём определения количества теплоты, которое было затрачено за период нагревания жидкости до температуры кипения.

В современной физике она обозначается буквой L (лямбда). Измеряется эта характеристика в Дж/кг. В следующей таблице представлены значения удельной теплоты парообразования для основных жидкостей:

Удельная теплота преобразования применяется в производственных масштабах. С её помощью происходит создание железных материалов и плавление железа. Когда этот металл находится в жидком состоянии, он обладает кристаллической решёткой. При ее помощи мастер определяет количество теплоты, требуемое для нагревания железа, не влияя на состояние её кристаллической решётки.

В нефтяном секторе также применяется теплота парообразования, характеризующая оборудование для переработки нефти.

В теоретической физике УТП используется преимущественно для решения задач на тепловые явления. Если в условии задания указано, что жидкость достигла своей температуры кипения, то можно найти величину количества теплоты. Согласно формуле, удельная теплота парообразования, умноженная на исходную массу вещества, будет равна количеству теплоты, которое выделилось во время кипения жидкости. В математическом виде формула записывается следующим образом: Q = L * m. Q — количество теплоты (Дж), L — удельная ТП (Дж/кг), m — масса жидкого вещества (кг).

Если в задаче рассматривается процесс конденсации, то для нахождения количества теплоты необходимо применить аналогичную формулу. Ответ записывается с противоположным знаком, но очень часто его не учитывают, указывая лишь модуль полученного числа.