§ 13. Кипіння. Розрахунок кількості теплоти при пароутворенні та конденсації

1. Розглянемо процес переходу рідини в пару при кипінні. Наллємо в колбу воду, закріпимо її в штативі і почнемо нагрівати (рис. 31). Будемо спостерігати за зміною стану води в колбі.

Через деякий час у воді з’являються бульбашки. Ці бульбашки містять повітря і водяну пару, що утворюється при випаровуванні води всередину бульбашок. При підвищенні температури зростає тиск пари в бульбашках, і їхні розміри збільшуються. Під дією сили Архімеда бульбашки починають спливати.

Оскільки вода ще не прогрілася і температура верхніх шарів води менша, ніж нижніх, пара в бульбашках починає конденсуватися. їхній об’єм зменшується, бульбашки стискаються, і ми чуємо шум.

Рис. 31

Коли вода прогріється по всьому об’єму, бульбашки з парою вже зможуть піднятися до поверхні. Досягнувши поверхні рідини, бульбашки лопаються, і пара виходить назовні. Рідина кипить. Це відбувається тоді, коли тиск пари в них дорівнює атмосферному тиску.

Процес пароутворення, що відбувається в усьому об’ємі рідини за певної температури, називають кипінням.

2. Температуру, за якої рідина кипить, називають температурою кипіння.

Температура кипіння рідини залежить від атмосферного тиску. При підвищенні атмосферного тиску вона збільшується, при зниженні — зменшується.

У таблиці 7 представлені значення температури кипіння деяких рідин за нормального атмосферного тиску.

Температура кипіння деяких рідин, °С (за нормального атмосферного тиску)

Рідина

t, °C

Рідина

t, °C

Як видно з даної таблиці, більш леткі рідини — ефір, спирт — киплять за нижчої температури, ніж, на приклад, вода. Це пов’язано з тим, що тиск пари цих рідин уже за кімнатної температури досить великий, оскільки їхні молекули слабкіше пов’язані між собою силами притягання, ніж молекули інших речовин.

Тиск пари ртуті за кімнатної температури малий. Він стає рівним атмосферному лише за температури 357 °С.

3. Дослід показує, що як тільки рідина закипає, її температура перестає змінюватися і залишається постійною під час усього процесу кипіння, незважаючи на те, що ззовні продовжує надходити енергія.

З’ясуємо, на що витрачається енергія, що надходить до рідини. Поки рідина, що нагрівається, не кипить, пароутворення відбувається тільки з її поверхні. Частина енергії, яку отримує рідина, витрачається на компенсацію втрати рідиною енергії при випаровуванні, а частина — на збільшення внутрішньої енергії рідини, зокрема середньої кінетичної енергії молекул, про що свідчить підвищення її температури.

При досягненні температури кипіння пароутворення відбувається вже в усьому об’ємі рідини. Перехід рідини в газоподібний стан пов’язаний зі збільшенням відстаней між молекулами і, відповідно, з подоланням притягання між ними. На здійснення роботи з подолання сил притягання між молекулами і витрачається енергія, що підводиться до рідини. Так відбувається до тих пір, поки вся рідина не перетвориться в пару.

Ось чому температура кипіння залишається постійною до тих пір, поки вся рідина не перетвориться в пару.

Під час кипіння збільшується потенціальна енергія молекул, а їхня середня кінетична енергія залишається незмінною.

4. Для перетворення різних речовин з рідкого стану в газоподібний потрібна різна енергія. Ця енергія характеризується величиною, яка називається питомою теплотою пароутворення.

Питомою теплотою пароутворення називають фізичну величину, що дорівнює кількості теплоти, яку потрібно надати речовині з масою 1 кг для перетворення її з рідкого стану в газоподібний за температури кипіння.

Питома теплота пароутворення позначається літерою L, її одиницею є джоуль на кілограм

Питома теплота пароутворення показує, на скільки збільшується внутрішня енергія речовини з масою 1 кг при перетворенні її з рідкого стану в газоподібний без зміни температури (за температури кипіння).

Значення питомої теплоти пароутворення визначаються експериментально. У таблиці 8 наведені значення питомої теплоти пароутворення деяких речовин.

Питома теплота пароутворення, Дж/кг (за нормального атмосферного тиску і температури кипіння)

Речовина

L, Дж/кг

Речовина

L, Дж/кг

Урок з фізики в 8 класі “Кипіння. Температура кипіння”

Урок спрямований на розвиток мислення учнів, вміння вирішувати проблеми, що виникають в реальному житті. Учням необхідно дати можливість приймати рішення, висловлювати свої думки, робити вибір, ділитись ідеями.

Тема. Кипіння. Температура кипіння.

Розвиток предметних компетентностей:

поглибити розуміння учнями процесів випаровування та конденсація, привести до розуміння суті процесу кипіння, переконати у сталості температури під час кипіння, розглянути чинники, що впливають на температуру кипіння, ввести поняття питомої теплоти пароутворення та її одиниці, формулу для кількості теплоти, яка необхідна для пароутворення й виділяється під час конденсації. Розвивати уміння спостерігати, встановлювати характерні ознаки перебігу фізичних процесів, пояснювати графік теплових процесів; уміння вимірювати температуру, визначати ціну поділки шкали приладу, знімати покази приладу.

Розвиток ключових компетентностей:

спілкування державною мовою (уміння обговорювати проблеми природничого змісту);

основні компетентності у природничих науках і технологіях (уміння

пояснювати природні явища; використовувати знання з фізики для вирішення завдань, пов’язаних із реальними об’єктами природи і техніки; відповідальне ставлення за ощадне використання природних ресурсів);

ініціативність і підприємливість (уміння застосовувати фізичні знання для генерування ідей та ініціатив щодо винахідницької діяльності; оцінювати можливість застосування набутих знань з фізики для ефективного вирішення повсякденних проблем);

обізнаність і самовираження у сфері культури (уміння виявляти фізичні явища та процеси у творах мистецтва);

екологічна грамотність і здорове життя (уміння застосовувати набуті знання та навички для збереження власного здоров’я та здоров’я інших; усвідомлення важливості ощадного природокористування).

Обладнання: чотири однакові невеликі посудини (скляні, термостійкі), чотири термометри (верхня межа вимірювання яких близько 110 ° С), вакуумна тарілка, насос Комовського, три електричні плитки, одноразові пластмасові склянки, комп’ютери, смартфони.

Хід уроку

Актуалізація опорних знань

1. Які питання були незрозумілими під час опрацювання тексту підручника вдома?

2. Чи є запитання п’ятикласників, на які ви не змогли дати відповідь? (Листочки здати, розділивши їх на дві групи: з відповідями і не розв’язані). Не розв’язані та декілька цікавих питань ми розглянемо сьогодні на уроці.

3. Знайдіть пару. https://learningapps.org/display?v=p5kgh4k8j18 (учні об’єднуються в групи за кількістю комп’ютерів або виконують завдання на телефонах).

4. Продемонструйте конденсацію (Подихати на скельце)

5 . На столі банка з водою. Що відбувається з рідиною? Чи змінюється маса рідини? (Випаровується. Так)

Закриємо банку кришкою. Чи буде змінюватися маса рідини? (Ні). Чи випаровується тепер вода? (Так). Чому ж маса не змінюється? (Одночасно з випаровуванням відбувається конденсація).

6 . Сухий і мокрий термометри. (Обидва обмотані ватою, один з них сухий, другий мокрий).

Обидва термометри справні. Чому один з них показує нижчу температуру? (Вату одного змочили у рідині).

2. Вивчення нового матеріалу

Що ви спостерігали вдома при кипінні води? На які стадії можна поділити процес нагрівання води до кипіння?

( 1. Утворення бульбашок на дні і стінках посудини і їх ріст.

1. Відривання бульбашок від дна посудини, піднімання їх вверх з зменшенням об’єму, зникнення в верхніх шарах (захлопування).
2. Піднімання бульбашок з збільшенням об’єму до поверхні, викид назовні значної кількості водяної пари. )

Виконай те малюнок цих трьох етапів в зошитах. (Вчитель виконує малюнок на дошці).

Дивимось в корінь! Чому так відбувається? Розглянемо це на сьогоднішньому уроці. І спробуємо розв’язати питання, як з користю можна використати одержані знання.

Тема уроку. Кипіння. Температура кипіння.

Звідки у воді беруться бульбашки? ( У воді завжди є розчинене повітря. Зі збільшенням температури розчинність газів зменшується і вони утворюють бульбашки, які прилипають до стінок та дна посудини.) Чи є в цих бульбашках водяна пара? (Звичайно є, вода випаровується при будь-якій температурі з вільної поверхні)

Чому бульбашки відриваються від дна? (Зі збільшенням температури тиск всередині бульбашки зростає, вона збільшується в об’ємі. Починає діяти більша архімедова сила, яка й відриває її від дна).

Чому бульбашки в верхніх шарах захлопуються? (Верхні шари води ще не прогрілися, пара в бульбашках конденсується, тиск в бульбашках зменшується і бульбашки захлопуються.)

Чому через деякий час бульбашки не захлопуються, а піднімаються на поверхню і викидають пару? (Тому, що верхні шари нагрілися до такої температури як і нижні і в бульбашку випаровується ще більше пари. Вона зростає в об’ємі і ще швидше підноситься до поверхні, де лопає і викидає пару.)

Отже, кипіння – це процес пароутворення в усьому об’ємі рідини.

Проблемне запитання

До якої температури можна нагріти воду?

В чотири однакові посудини (бажано скляні) наливаємо однакову кількість рідини підігрітої близько 70 ° С (у одну наливаємо насичений профільтрований розчин солі, в другу і третю – чисту воду,у четвертій – вода, яка довго кипіла). В кожну посудину опускаємо і закріплюємо термометр Кладемо одну посудину з водою і термометром під у вакуумну тарілку, три інші на електричні плитки. Клас об’єднуємо в чотири групи, кожна з яких визначає температуру, при якій кипить рідина.

1. При низькому тиску вода закипіла при 68°С.
2. Чиста вода кипить при 100 °С.
3. Розчин солі кипить при 103 °С.
4. Кип’ячена вода кипить при 100,5 °С
5. Під час кипіння температура рідини не змінюється, хоч теплоту електроплитки надають.

(Вчитель)Температуру, за якої рідина кипить, називають температурою кипіння. Вона є характеристикою рідини.

Розглядаємо таблицю 4. Температура кипіння деяких речовин.

Які речовини мають дуже низьку температуру кипіння? Дуже високу? В якому стані знаходяться ці речовини за нормальних умов?

Висновки. (учні формулюють і записують в зошити, вчитель – на дошці)

1. Температура кипіння залежить від зовнішнього тиску. Чим менший тиск,тим менша температура кипіння.
2. Температура кипіння залежить від роду рідини.
3. Температура кипіння залежить від наявності розчиненого в ній газу.

Точні досліди показують, що температури рідини, що кипить, і пари над нею однакові.

Щоб температура рідини в процесі випаровування не зменшувалася, необхідно в процесі випаровування увесь час підводити до рідини тепло. На що ж витрачається енергія, що підводиться, якщо температура (а отже, і середня кінетична енергія молекул) не змінюється?

(Вона витрачається в основному на розрив зв’язків між молекулами при перетворенні рідини на пару, на збільшення потенціальної енергії молекул).

3. Закріплення отриманих знань

1. Якнайкоротшими виразами охарактеризуйте вивчений сьогодні матеріал.

Вчитель записує на дошці.

1. Кипіння
2. Температура кипіння
3. Чинники, від яких залежить температура кипіння.

2. Дайте визначення кожного терміну. Встає перший ряд. Якщо учень відповість правильно, він сідає.

Перший учень дає визначення першого терміну, другий – другого, третій – третього, четвертий – першого, і т.д. Проте, якщо учень не відповів правильно, він пропускає хід і не сідає.

Далі встає другий ряд і виконує те ж завдання.

Потім відповідають учні першого ряду, які залишились стояти, далі другого. Перемагає ряд, в якому скоріше сядуть всі учні.

3. Накресліть схематично графік зміни температури рідини від часу при її нагріванні і кипінні. t ,° C

4. У киплячу воду можна спокійно налити олії, але якщо в гарячу олію крапати воду, то вона розбризкується. Чому? Температура кипіння олії 310 ̊С. ( Тому що олія нагріта до температури вище 100°С, а вода важча олії. Тому краплі води миттєво нагріваються до температури вище кипіння і фактично “вибухають”, миттєво випаровуючись. А пара води захоплює з собою і дрібні крапельки гарячої олії.)

4. Застосування набутих знань.

1. Як використати той фактор, що на випаровування затрачається велика кількість теплоти?

(Обговорення матеріалу підручника «Що таке теплові трубки», с. 98)

1. Як використати той фактор, що при конденсації пари виділяється теплота?

Можна теж використати теплову трубу, але навпаки.

Нижній кінець труби нагрівається полум’ям або за рахунок тепла духовки. Гаряча вода піднімається гнотом і випаровується.

Пара конденсується на стінках трубки, на який насаджено шматок м’яса, віддаючи тепло. Сконденсована вода стікає по стінках вниз.

За рахунок великої питомої теплоти пароутворення води м’ясо отримує у сотні разів більшу кількість теплоти, ніж її надійшло б при використанні металевого суцільного стержня (шампура), так що тривалість приготування їжі скорочується у кілька разів.

Теплова трубка масою 0,5 кг, діаметром 1, 5 см і довжиною 0,6 м передає стільки само теплоти як мідний стержень такої ж довжини, та діаметром 1 м і масою 5000кг.

Це ідея для бізнесу.

Які ідеї для бізнесу з використанням пароутворення можете запропонувати ви?

Як одержати продукти високої якості при сушінні? (В продуктах треба зберегти вітаміни, смак – сушити швидко при не надто високій температурі). Як цього досягти? (Збільшити полощу вільної поверхні – нарізати тонкими скибками, створити «вітер» для зменшення концентрації пари над сировиною – продувати сухим повітрям).

Добрі економічні результати можна одержати від спеціальних ламп, які випромінюють теплові промені – інфрачервоні лампи.

Пропускати повітря через трубу з холодними стінками, на яких буде осідати волога.

Демонстрація. Приготувати розчин цукру (учні можуть спробувати чи солодкий, наливши небагато в одноразові склянки), налити його в чайник і покласти на електричну плитку (чи включити електричний). Під кутом до носика чайника закріпити кришку, під яку підставити склянку, щоб зібрати конденсат.

Поки збирається конденсат провести бесіду за питанням 5.

1. Як зекономити на витраті газу під час приготування їжі?

а) Закривати каструлі і сковорідки кришками відповідного діаметру, що зменшить втрати тепла через випаровування.

б) Після того, як страва закипить, зменшити потужність нагрівання. Температура при кипінні все одно не змінюється. А при бурхливому кипінні вся теплота йде на випаровування рідини.

в) Готувати їжу в скороварках, в яких температура кипіння води досягає 120 °С . (Розглянути рис. 14.5, с. 67). Чому температура кипіння води в скороварках вища за 100 °С?

г) Наливати води по потребі. Для чашки чаю не потрібно кип’ятити повний чайник. Це теж надлишкова витрата енергії.

Наливши в чисті одноразові склянки конденсату, дати спробувати на смак – вода не солодка.

Приготування згущеного молока, штучного меду.

Але, щоб молоко було досить густим, треба його довго кип’ятити. Це економічні витрати і молоко втрачає свій вигляд – від тривалої обробки при 100 °С стає коричневим. Як виготовити згущене молоко, щоб воно було білим?

а) Збільшити вільну поверхню – брати широку каструлю, наливати недуже велику кількість молока.

б) зменшити тиск над поверхнею молока – виготовити герметичну посудину, з якої можна було б відкачувати повітря. Молоко буде кипіти при 70 °С і не буде змінювати свій колір.

В Лівані виготовляють квіткову воду і продають дорого (300 мл за 90 грн). Виготовити її можна в домашніх умовах або обладнати підприємство, придбавши дистилятори. Для виготовлення такої води треба квіти пахучих рослин: рози, ромашки, календули, чебрецю, …а в нашій Україні квітів є вдосталь, покласти у посудину з водою, що має герметичну кришку з трубкою, і нагрівати на вогні. Кінець трубки опустити в пляшку, а середину в посудину з холодною водою. Вода з ефірними маслами квітів буде випаровуватись у посудині і конденсуватися у трубці, по якій стече у пляшку. Повну пляшку герметично закрити і маємо цілющу воду, яка відмінно справляється з проблемами шкіри, допомагає росту волосся ще й гарно пахне.

1. Уявіть собі,що ваша мама збирається консервувати зелений горошок. В рецепті записано, що стерилізацію проводити при температурі 105°С. Автоклава у вас немає. Яке рішення запропонували б ви своїй мамі?

Додати у воду для стерилізації сіль. Температура кипіння при цьому суттєво підвищується:

Кількість солі на 1л води, г

Температура кипіння, °С