Så langt har vi vurdert termodynamikkens første lov brukt på gasser. Særpreget trekk gass ​​er at volumet kan variere betydelig. Derfor, i henhold til termodynamikkens første lov, er mengden varme Q som overføres til gassen lik summen av arbeidet utført av gassen og endringen i dens indre energi:

Q = ∆U + A g.

I denne delen vil vi vurdere tilfeller der en viss mengde varme overføres til en væske eller et fast stoff. Ved oppvarming eller avkjøling endres de litt i volum, så arbeidet de gjør under ekspansjon blir vanligvis neglisjert. Derfor, for væsker og faste stoffer kan termodynamikkens første lov skrives som

Enkelheten i denne ligningen er imidlertid villedende.

Faktum er det indre energi av en kropp representerer bare den totale kinetiske energien til den kaotiske bevegelsen til dets bestanddeler bare når denne kroppen er en ideell gass. I dette tilfellet, som vi allerede vet, er den indre energien direkte proporsjonal absolutt temperatur(§ 42). I væsker og faste stoffer spiller den potensielle energien til partikkelinteraksjon en viktig rolle. Og, som erfaringen viser, kan den endre seg selv ved konstant temperatur!

For eksempel, hvis du overfører en viss mengde varme til en blanding av vann og is, vil temperaturen forbli konstant (lik 0 ºC) til all isen smelter. (Det er av denne grunn at smeltetemperaturen til is en gang ble tatt som et referansepunkt for å bestemme Celsius-skalaen.) I dette tilfellet brukes den tilførte varmen på å øke den potensielle energien til interaksjon av molekyler: for å snu en krystall til en væske, er det nødvendig å bruke energi på ødeleggelse av krystallgitteret.

Et lignende fenomen oppstår under koking: hvis en viss mengde varme overføres til vann ved kokepunktet, vil temperaturen forbli konstant (lik 100 ºС ved normal temperatur). atmosfærisk trykk), til alt vannet har kokt bort. (Det er derfor det ble valgt som det andre referansepunktet for Celsius-skalaen.) I dette tilfellet blir den tilførte varmen også brukt på å øke den potensielle energien til interaksjon mellom molekyler.

Det kan virke rart at den potensielle interaksjonsenergien til molekyler i damp er større enn i vann. Tross alt samhandler gassmolekyler nesten ikke med hverandre, så den potensielle energien til deres interaksjon anses naturlig å være null. Det er det de gjør. Men da må den potensielle energien til interaksjon mellom molekyler i en væske anses som negativ.

Dette tegnet på potensiell interaksjonsenergi er karakteristisk for å tiltrekke kropper. I dette tilfellet, for å øke avstanden mellom kroppene, må det arbeides, det vil si at den potensielle energien til deres interaksjon må økes. Og hvis det etter det blir lik null, betyr det at det før det var negativt.

Så endringen i tilstanden til væsker og faste stoffer når en viss mengde varme gis til dem, må vurderes under hensyntagen til muligheten for en endring i deres aggregeringstilstand. Endringer i aggregeringstilstanden kalles faseoverganger. Dette er transformasjonen av et fast stoff til en væske (smelting), en væske til et fast stoff (størkning eller krystallisering), en væske til damp (fordampning) og en damp til en væske (kondensasjon).

Loven om bevaring av energi i termiske fenomener som oppstår med væsker og faste stoffer kalles varmebalanseligningen.
La oss først vurdere varmebalanseligningen for tilfellet når varmeveksling skjer mellom to legemer, og deres varmeutveksling med andre legemer kan neglisjeres (erfaringsmessig brukes kalorimetre for å skape slike forhold - kar som gir termisk isolasjon av innholdet deres) .

Vi vil vurdere (som vi tidligere vurderte for gasser) mengden varme som overføres til kroppen som positiv hvis den indre energien i kroppen øker som et resultat, og negativ hvis den indre energien avtar. I dette tilfellet har varmebalanseligningen formen

Q 1 + Q 2 = 0, (1)

der Q 1 er mengden varme som overføres til det første legemet fra det andre, og Q 2 er mengden varme som overføres til det andre legemet fra det første.

Fra ligning (1) er det klart at hvis en kropp mottar varme, så gir den andre kroppen den bort. Si, hvis Q 1 > 0, så Q 2< 0.

Hvis varmeveksling skjer mellom n legemer, har varmebalanseligningen formen

Q 1 + Q 2 + … + Q n = 0.

2. Varmebalanseligning uten faseoverganger

Vi vil vurdere kroppen som homogen, det vil si at den består utelukkende av ett stoff (for eksempel en viss vannmasse, en stål- eller kobberstang, etc.). La oss først vurdere saken når aggregeringstilstand kroppen endres ikke, det vil si at det ikke skjer noen faseovergang.

Fra det grunnleggende skolefysikkkurset vet du at i dette tilfellet er mengden varme Q som overføres til kroppen direkte proporsjonal med kroppens masse m og endringen i dens temperatur ∆t:

I denne formelen kan både Q og ∆t være enten positive eller negative størrelser.

Mengden c som er inkludert i denne formelen kalles spesifikk varmekapasitet stoffet som kroppen består av. Vanligvis, i problemer på varmebalanseligningen, brukes temperatur på Celsius-skalaen. Vi vil også gjøre det samme.

1. Figur 48.1 viser grafer over temperaturen til to kropper avhengig av mengden varme som overføres til dem Q. Massen til hver kropp er 100 g.

A) Hvilken kropp har en større spesifikk varme og hvor mange ganger?
b) Hva er den spesifikke varmekapasiteten til hver kropp?

2. En metallsylinder fjernet fra kokende vann nedsenkes i et kalorimeter som inneholder 150 g vann ved en temperatur på 20 ºС. Den spesifikke varmekapasiteten til vann er 4,2 kJ/(kg * K). Anta at varmetap kan neglisjeres.
a) Forklar hvorfor ligningen er sann

c m m m (t til – 100º) + c til m til (t til – 20º) = 0,

hvor c m og c in er verdiene av varmekapasiteten til henholdsvis et gitt metall og vann, m m og m in er verdiene av massen til henholdsvis sylinderen og vannet, t k er verdien av den endelige temperaturen på innholdet i kalorimeteret når termisk likevekt er etablert i det.

b) Hvilken av de to leddene i formelen ovenfor er positiv og hvilken er negativ? Forklar svaret ditt.
c) Hva er den spesifikke varmekapasiteten til dette metallet hvis massen til sylinderen er 100 g og slutttemperaturen er 25 ºC?
d) Hva er slutttemperaturen hvis sylinderen er laget av aluminium og massen er 100 g? Den spesifikke varmekapasiteten til aluminium er 0,92 kJ/(kg * K).
e) Hva er massen til sylinderen hvis den er laget av kobber og dens slutttemperatur er 27 ºC? Den spesifikke varmekapasiteten til kobber er 0,4 kJ/(kg * K).

La oss vurdere tilfellet når mekanisk energi forvandles til indre energi. Den engelske fysikeren J. Joule forsøkte å måle hvor varmt vannet i en foss ville være når det traff bakken.

3. Fra hvilken høyde må vannet falle slik at når det treffer bakken, øker temperaturen med 1 ºС? Godta at halvparten av dens potensielle energi går inn i den indre energien til vann.

Svaret du får vil forklare hvorfor forskeren mislyktes. Vær oppmerksom på at forskeren utførte sine eksperimenter i sitt hjemland, hvor høyden på den høyeste fossen er omtrent 100 m.

Hvis kroppen varmes opp ved hjelp av en elektrisk varmeovn eller ved å brenne drivstoff, må varmerens effektivitet tas i betraktning. For eksempel, hvis effektiviteten til varmeren er 60 %, betyr dette at økningen i den interne energien til det oppvarmede legemet er 60 % av varmen som frigjøres under brennstoffforbrenning eller under drift av den elektriske varmeren.

La oss også huske at under forbrenning av drivstoff med masse m frigjøres en mengde varme Q, som uttrykkes med formelen

hvor q er den spesifikke forbrenningsvarmen.

4. For å bringe 3 liter vann i en gryte fra en temperatur på 20 ºС til en byll, måtte turister brenne 3 kg tørr børsteved i bål. Hva er effektiviteten til en brann som varmeapparat? Ta den spesifikke forbrenningsvarmen til børsteved til å være 107 J/kg.

5. Ved hjelp av en elektrisk varmeovn prøver de å bringe 10 liter vann til å koke, men vannet koker ikke: når varmeren er slått på, forblir temperaturen konstant, under 100 ºС. Varmereffekt 500 W, virkningsgrad 90%.
a) Hvor mye varme overføres på 1 s til vannet fra varmeren?
b) Hvor mye varme overføres fra vann til omgivelsesluften på 1 s når varmeren slås på, når vanntemperaturen holder seg konstant?
c) Hvor mye varme vil vannet overføre på 1 minutt til omgivelsesluften umiddelbart etter at varmeren er slått av? Anta at vanntemperaturen i løpet av denne tiden ikke vil endre seg vesentlig.
d) Hvor mye vil vanntemperaturen synke på 1 minutt umiddelbart etter at varmeren er slått av?

3. Varmebalanseligning i nærvær av faseoverganger

La oss huske noen fakta kjent for deg fra det grunnleggende skolens fysikkkurs.

For å fullstendig smelte et krystallinsk fast stoff ved dets smeltepunkt, er det nødvendig å gi det en mengde varme Q, proporsjonal med massen m av kroppen:

Proporsjonalitetskoeffisienten λ kalles den spesifikke fusjonsvarmen. Det er numerisk lik mengden varme som må gis til et krystallinsk legeme som veier 1 kg ved smeltepunktet for å fullstendig transformere det til en væske. Enheten for spesifikk fusjonsvarme er 1 J/kg (joule per kilogram).

For eksempel er den spesifikke fusjonsvarmen til is 330 kJ/kg.

6. Til hvilken høyde kan en person som veier 60 kg heves hvis hans potensielle energi ble økt med en mengde numerisk lik mengden varme som trengs for å smelte 1 kg is ved en temperatur på 0 ºC?

Når du løser problemer, er det viktig å ta hensyn til at et fast stoff vil begynne å smelte først etter at det hele er varmet opp til smeltetemperaturen. På en graf over avhengigheten av kroppstemperatur av mengden varme som overføres til den, er smelteprosessen representert av et horisontalt segment.

7. Figur 48.2 viser en graf over temperaturen til en kropp som veier 1 kg kontra mengden varme som overføres til den.


a) Hva er den spesifikke varmen til kroppen i fast tilstand?
b) Hva er smeltepunktet?
c) Hva er den spesifikke fusjonsvarmen?
d) Hva er den spesifikke varmekapasiteten til kroppen i flytende tilstand?
e) Hvilket stoff kan denne kroppen bestå av?

8. En jernmeteoritt flyr inn i jordens atmosfære. Den spesifikke varmekapasiteten til jern er 460 J/(kg * K), smeltepunktet er 1540 ºС, den spesifikke smeltevarmen er 270 kJ/kg. Ta starttemperaturen til meteoritten før den går inn i atmosfæren til å være -260 ºС. Anta at 80 % av den kinetiske energien til en meteoritt når den beveger seg gjennom atmosfæren omdannes til dens indre energi.
a) Hva må være minste starthastighet for meteoritten for at den skal varmes opp til smeltetemperaturen?
b) Hvilken del av meteoritten vil smelte hvis starthastigheten er 1,6 km/s?

Hvis det i nærvær av faseoverganger er nødvendig å finne sengetemperaturen til legemer, er det først og fremst nødvendig å finne ut hva den endelige tilstanden vil være. Hvis for eksempel massene av is og vann og deres temperaturer er gitt i starttilstanden, er det tre muligheter.

Den endelige tilstanden er bare is (dette kan skje hvis starttemperaturen på isen var lav nok eller ismassen var stor nok). I dette tilfellet er den ukjente mengden den endelige temperaturen på isen. Hvis problemet er løst riktig, overstiger ikke den resulterende verdien 0 ºС. Når termisk likevekt er etablert, varmes isen opp til denne slutttemperaturen, og alt vannet avkjøles til 0 ºC, fryser deretter, og isen som dannes av den, avkjøles til slutttemperaturen (hvis den er under 0 ºC).

I den endelige tilstanden er is og vann i termisk likevekt. Dette er bare mulig ved en temperatur på 0 ºС. Den ukjente mengden i dette tilfellet vil være den endelige massen av is (eller den endelige massen av vann: summen av massene av vann og is er gitt). Hvis problemet løses riktig, er de endelige massene av is og vann positive. I dette tilfellet, når termisk likevekt er etablert, varmes først isen opp til 0 ºС, og vannet avkjøles til 0 ºС. Da smelter enten noe av isen eller noe av vannet fryser.

Den endelige tilstanden er bare vann. Da er den ukjente mengden temperaturen (den må være minst 0 ºС). I dette tilfellet blir vannet avkjølt til den endelige temperaturen, og isen må gå gjennom en mer kompleks bane: først varmes det opp til 0 ºС. , så smelter det hele, og så blir isen dannet av det, vannet varmes opp til sin endelige temperatur.

For å finne ut hvilke av disse egenskapene som er implementert i en bestemt oppgave, må du foreta litt forskning.

9. Et stykke is med en temperatur på –10 ºC legges i et kalorimeter som inneholder 1,5 liter vann ved en temperatur på 20 ºС. Anta at varmetap kan neglisjeres. Den spesifikke varmekapasiteten til is er 2,1 kJ/(kg * K).
a) Hva kan massen til is være hvis det i slutttilstanden bare er is i kalorimeteret? bare vann? is og vann i termisk likevekt?
b) Hva er slutttemperaturen hvis startmassen til is er 40 kg?
c) Hva er slutttemperaturen hvis startmassen av is er 200 g?
d) Hva er den endelige massen av vann hvis den opprinnelige massen av is er 1 kg?

Det virker naturlig at for å smelte en kropp må tilføres en viss mengde varme. Dette fenomenet tjener oss godt: det bremser smeltingen av snø, reduserer flom om våren.

Men det faktum at kroppen under krystallisering avgir en viss mengde varme kan overraske deg: avgir vann virkelig en viss mengde varme når det fryser? Og likevel er det slik: Når vannet fryser og blir til is, avgir vann ganske et stort nummer av varme til kald luft eller is, hvis temperatur er under 0 ºС. Dette fenomenet tjener oss også godt, og myker opp den første frosten og begynnelsen av vinteren.
La oss nå ta i betraktning muligheten for å omdanne en væske til damp eller damp til en væske.

Som du vet fra grunnkurset i fysikk på skolen, er mengden varme Q som kreves for å gjøre en væske til damp ved konstant temperatur proporsjonal med massen m til væsken:

Proporsjonalitetskoeffisienten L kalles den spesifikke fordampningsvarmen. Det er numerisk lik mengden varme som må tilføres 1 kg væske for å fullstendig transformere den til damp. Enheten for spesifikk fordampningsvarme er 1 J/kg.

For eksempel er den spesifikke fordampningsvarmen til vann ved kokepunktet og normalt atmosfærisk trykk omtrent 2300 kJ/kg.

10. 100 g vanndamp ved en temperatur på 100 ºC innføres i et kalorimeter som inneholder 1 liter vann ved en temperatur på 20 ºС. Hva blir temperaturen i kalorimeteret etter at termisk likevekt er etablert? Varmetap kan neglisjeres.

Ytterligere spørsmål og oppgaver

11. Det tok 6 minutter å varme en viss masse vann på komfyren fra 20 ºС til koketemperatur. Hvor lang tid vil det ta før alt dette vannet koker bort? Anta at varmetap kan neglisjeres.

12. Damp innføres i et kalorimeter som inneholder is som veier 100 g ved en temperatur på 0 ºC ved en temperatur på 100 ºC. Hva blir massen av vann i kalorimeteret når all isen har smeltet og vanntemperaturen er 0 ºC?

13. En oppvarmet aluminiumskube ble plassert på et flatt isflak hvis temperatur var 0 ºС. Til hvilken temperatur ble kuben varmet opp hvis den var helt nedsenket i is? Anta at varmetap kan neglisjeres. Den spesifikke varmekapasiteten til aluminium er 0,92 kJ/(kg * K).

14. Blykule treffer en stålplate og spretter av den. Temperaturen på kulen før støtet er 50 ºС, hastigheten er 400 m/s. Kulens hastighet etter støt er 100 m/s. Hvilken del av kulen smeltet hvis 60 % av den tapte kinetiske energien ble omdannet til kulens indre energi? Den spesifikke varmen til bly er 0,13 kJ/(kg * K), smeltepunkt 327 ºС, spesifikk smeltevarme 25 kJ/kg.

15. I et kalorimeter som inneholder 1 liter vann ved en temperatur på 20 ºС, legg 100 g våt snø, hvis vanninnhold (i masse) er 60%. Hvilken temperatur vil bli etablert i kalorimeteret etter at termisk likevekt er etablert? Varmetap kan neglisjeres.
Clue. Våt snø betyr en blanding av vann og is ved en temperatur på 0 ºC.

Å løse koke- og kondenseringsproblemer ligner på mange måter å løse smelte- og størkningsproblemer. Dette hjelper elevene med å utvikle relevante konsepter og praktiske ferdigheter. På samme tid, hvis mestringen av materialet ikke er sterk og dyp nok, når de karakteristiske og spesifikke egenskapene til hver av disse prosessene, for eksempel fordampning og koking, ikke er vektlagt, uønsket "interferens" av lignende ferdigheter, forvirring eller feilaktig identifisering av studenter av lignende konsepter er observert.

Læreren bør være alvorlig oppmerksom på dette. En av måtene å eliminere denne mangelen på er å løse, ved repetering, kombinerte problemer der alle de studerte aggregerte transformasjonene av materie vurderes (nr. 222, 223).

De fleste oppgavene er kvalitative eller enkle regneoppgaver der det er nødvendig å bestemme, f.eks.

mengden varme som kreves for å omdanne en viss væskemasse til damp ved koking.

Den vanskeligste oppgaven er å beregne den spesifikke fordampningsvarmen. Dette problemet bør løses i klassen ved hjelp av læreren. For å gjøre beregningene enklere kan du utelate kalorimeterdata fra tilstanden.

217. Det er gitt grafer over oppvarming og koking av vann, alkohol og eter (fig. 32). Bestem hvilken graf som er bygget for hver av disse væskene.

218. Hvilken har mer indre energi: vann eller damp, tatt i like store mengder på Sjekk konklusjonene dine eksperimentelt.

Løsning. For å gjøre vann om til damp, må det gi en viss mengde varme. Derfor er den indre energien til dampen større. For å sjekke, la oss sende en viss mengde damp inn i et glass vann fra en kjele, merk nytt nivå vann og endringer i temperaturen. I et annet glass med samme innledende mengde vann, hell så mye kokende vann som det kondenserte fra dampen. Vanntemperaturen vil endre seg i det andre tilfellet mye mindre enn i det første.

219. Hvor mye energi kreves for å bli til damp ved kokepunktet og normalt trykk vann? alkohol? eter? Hvor mye energi vil kreves for å omdanne disse væskene til damp hvis de først varmes opp til koking fra

Løsning. Ved å bruke tabellen over spesifikk fordampningsvarme, må elevene først løse den første delen av problemet muntlig, resonnement som følger. Å bli til damp

vann ved kokepunktet kreves Derfor, for å gjøre vann til damp, er det nødvendig å bruke 10 ganger mer energi Verdien av varmemengden for alkohol og eter finnes på samme måte. Da bør du bruke formelen

Den andre delen av problemet løses som følger. Total energiforbruk

På samme måte finner du den totale mengden varme som kreves for å omdanne alkohol og eter til damp.

Når du løser et problem, må du være spesielt oppmerksom på elevenes evne til å bruke tabeller og deres forståelse av den fysiske betydningen av mengdene gitt i dem.

220. Hell vann i et reagensrør og mål temperaturen. Varm opp reagensrøret, noter tiden, først til det koker og deretter til alt vannet blir til damp. Bruk eksperimentelle data til å bestemme omtrentlig den spesifikke fordampningsvarmen, sammenligne den med tabellen og angi årsakene som reduserte nøyaktigheten til resultatet.

Løsning. I ett av forsøkene ble følgende data oppnådd. Starttemperatur Oppvarmingstid til koking - 2,5 minutter, koketid - 20 minutter.

Varme som brukes til å varme opp vann; varme som kreves for dampdannelse

Tatt i betraktning at mengden varme som avgis av varmeren er proporsjonal med oppvarmingstiden, får vi:

Nøyaktigheten av resultatet ble redusert av en rekke faktorer: varmt vann avgir mer varme miljø, enn kaldt, så mengden varme som mottas av vann er ikke strengt proporsjonal med tiden. Når det er lite vann igjen i reagensrøret, brukes en stor mengde varme til å varme opp luften og selve reagensrøret.

221. Gjennomføring laboratoriearbeid, introduserte studenten damp i et kalorimeter som inneholdt vann ved 100 °C. Som et resultat steg vanntemperaturen til Hvilken verdi av den spesifikke fordampningsvarmen vil oppnås i henhold til dataene fra dette eksperimentet hvis vannmassen økte med

Oppgaven skal løses på tavlen med spørsmål, skriv ned formlene:

Hvis studentene har mestret disse formlene godt, er det ikke nødvendig å omskrive dem ytterligere i forhold til hvert enkelt tilfelle: de kan umiddelbart erstatte numeriske verdier av mengder i formlene. Denne bemerkningen gjelder også for seniorkarakterer, siden man løser kalorimetriske ligninger i generelt syn viser seg ofte å være for tungvint.

1. Hvor mye varme ga dampen fra seg under kondensering?

2. Hvor mye varme ga vannet som ble dannet fra damp ved avkjøling?

3. Hvor mye varme fikk vannet?

Siden mengden varme som avgis av damp og det resulterende vannet under kondensering er lik mengden varme som mottas av vann i kalorimeteret, kan vi skrive:

222. Hvor mye varme trengs for å gjøre is tatt til damp? Bygg en omtrentlig graf over prosessen.

223. Hvor mye varme vil frigjøres ved kondensering av 200 g damp tatt fra og påfølgende transformasjon av vann til is? Lag en omtrentlig prosessplan.

Samme stoff i virkelige verden avhengig av miljøforhold kan være i ulike stater. For eksempel kan vann være i form av en væske, i ideen om et fast stoff - is, i form av en gass - vanndamp.

• Disse tilstandene kalles aggregerte materietilstander.

Molekyler av et stoff i forskjellige aggregeringstilstander er ikke forskjellige fra hverandre. Den spesifikke aggregeringstilstanden bestemmes av plasseringen av molekylene, samt arten av deres bevegelse og interaksjon med hverandre.

Gass - avstanden mellom molekylene er betydelig flere størrelser selve molekylene. Molekyler i væsker og faste stoffer befinner seg ganske nær hverandre. I faste stoffer er det enda nærmere.

For å endre aggregeringstilstanden til kroppen, den trenger å gi litt energi. For eksempel, for å omdanne vann til damp, må det varmes opp. For at damp skal bli vann igjen, må den gi fra seg energi.

Overgang fra fast til flytende

Overgangen til et stoff fra fast til flytende kalles smelting. For at en kropp skal begynne å smelte, må den varmes opp til en viss temperatur. Temperaturen et stoff smelter ved er kalles smeltepunktet til et stoff.

Hvert stoff har sitt eget smeltepunkt. For noen kropper er den veldig lav, for eksempel for is. Og noen kropper har et veldig høyt smeltepunkt, for eksempel jern. Generelt er smelting av et krystallinsk legeme en kompleks prosess.

Ice Melt Graph

Figuren nedenfor viser en graf over smeltingen av et krystallinsk legeme, i dette tilfellet is.

• Grafen viser istemperaturens avhengighet av tiden den varmes opp. Temperatur vises på den vertikale aksen, tiden vises på den horisontale aksen.

Fra grafen at i utgangspunktet var istemperaturen -20 grader. Så begynte de å varme den opp. Temperaturen begynte å stige. Seksjon AB er seksjonen der isen varmes opp. Over tid økte temperaturen til 0 grader. Denne temperaturen regnes som smeltepunktet for is. Ved denne temperaturen begynte isen å smelte, men temperaturen sluttet å øke, selv om isen også fortsatte å varmes opp. Smelteområdet tilsvarer BC-området på grafen.

Så, når all isen smeltet og ble til væske, begynte temperaturen på vannet å øke igjen. Dette er vist på grafen av stråle C. Det vil si at vi konkluderer med at under smelting endres ikke kroppstemperaturen, All innkommende energi brukes til smelting.

temperaturnedgangen vil gjenopptas, men den allerede dannede fast(seksjon F G).

Som erfaring viser, frigjøres det ved krystallisering i EF-seksjonen nøyaktig samme mengde varme Q = m som ble absorbert under smelting i BC-seksjonen.

10.5 Fordamping og kondensering

Fordamping er overgangen av en væske til gassformig tilstand(i damp). Det er to måter å fordampe på: fordampning og koking.

Fordampning er navnet gitt til fordampning som skjer ved enhver temperatur fra den frie overflaten til en væske. Som du husker fra arket ¾Mettet damp¿, er årsaken til fordampning avgangen fra væsken til de raskeste molekylene som er i stand til å overvinne kreftene til intermolekylær tiltrekning. Disse molekylene danner damp over overflaten av væsken.

Ulike væsker fordamper fra i forskjellige hastigheter: jo større tiltrekningskraft molekyler har til hverandre, jo færre molekyler per tidsenhet vil kunne overvinne dem og fly ut, og jo lavere fordampningshastighet. Eter, aceton og alkohol fordamper raskt (de kalles noen ganger flyktige væsker), vann fordamper langsommere, og olje og kvikksølv fordamper mye saktere enn vann.

Fordampningshastigheten øker med økende temperatur (i varmt vær tørker tøyet raskere), siden gjennomsnittet kinetisk energi væskens molekyler, og dermed antallet raske molekyler som er i stand til å forlate sine grenser, øker.

Fordampningshastigheten avhenger av overflatearealet til væsken: enn større område, de større antall molekyler får tilgang til overflaten, og fordampning skjer raskere (det er derfor, når du henger klesvask, rettes det forsiktig ut).

Samtidig med fordampning observeres også den omvendte prosessen: dampmolekylene, som gjør tilfeldige bevegelser over overflaten av væsken, går delvis tilbake til væsken. Omdannelsen av damp til væske kalles kondensering.

Kondensering bremser fordampningen av en væske. Så tøy tørker raskere i tørr luft enn i fuktig luft. Det vil tørke raskere i vinden: dampen blir ført bort av vinden, og fordampningen skjer mer intenst.

I noen situasjoner kan kondenseringshastigheten være lik fordampningshastigheten. Da kompenserer begge prosessene hverandre og dynamisk likevekt oppstår: væsken fordamper ikke fra en tett forseglet flaske på flere år, og i dette tilfellet er det mettet damp over overflaten av væsken.

Vi observerer konstant kondensering av vanndamp i atmosfæren i form av skyer, regn og dugg som faller om morgenen; Det er fordampning og kondens som sikrer vannets kretsløp i naturen, og støtter livet på jorden.

Siden fordampning er avgangen til de raskeste molekylene fra væsken, synker den gjennomsnittlige kinetiske energien til væskemolekylene under fordampningsprosessen, dvs. væsken avkjøles. Du er veldig kjent med følelsen av kjølighet og noen ganger til og med kjølighet (spesielt i vinden) når du kommer opp av vannet: vann, som fordamper over hele kroppens overflate, frakter varme, mens vinden akselererer fordampningsprosessen19.

Den samme kjøligheten kan kjennes hvis du kjører et stykke bomullsull dynket i et flyktig løsemiddel (f.eks. aceton eller neglelakkfjerner) over hånden. I førti graders varme, takket være den økte fordampningen av fuktighet gjennom porene i kroppen vår, opprettholder vi temperaturen på et normalt nivå; uten denne termoregulatoriske mekanismen, i slik varme

19 Nå er det klart hvorfor vi blåser på varm te. Forresten, det er enda bedre å trekke luft inn i deg selv, siden tørr luft da kommer til overflaten av teen. omgivende luft, og ikke fuktig luft fra lungene våre ;-)

vi ville rett og slett dø.

Tvert imot, under kondensasjonsprosessen varmes væsken opp: når dampmolekylene går tilbake til væsken, akselereres de av tiltrekningskrefter fra nærliggende væskemolekyler, som et resultat av at den gjennomsnittlige kinetiske energien til væskemolekylene øker ( sammenligne dette fenomenet med frigjøring av energi under krystallisering av en smelte!).

10.6 Koking

Prosessen med å koke vann er kjent for deg. I motsetning til fordampning, som bare skjer fra den frie overflaten av væsken, er koking fordamping som skjer gjennom hele væskevolumet.

Koking er mulig fordi en viss mengde luft alltid er oppløst i en væske, som kommer dit som følge av diffusjon. Når væsken varmes opp, utvider denne luften seg, luftbobler øker gradvis i størrelse og blir synlige for det blotte øye (i en panne med vann legger de seg på bunnen og veggene). Inne i luftboblene er det mettet damp, hvis trykk, som du husker, øker raskt med økende temperatur.

Jo større boblene blir, jo større virker den arkimedeiske kraften på dem, og i et visst øyeblikk begynner boblene å skille seg og flyte opp. Når boblene stiger oppover, kommer de inn i mindre oppvarmede lag av væsken; dampen i dem kondenserer, og boblene krymper igjen. Sammenbruddet av boblene forårsaker den kjente støyen som går før kokingen av kjelen. Til slutt, over tid, varmes hele væsken jevnt opp, boblene når overflaten og sprekker, kaster luft og damp ut, støyen erstattes av gurgling, og væsken koker.

Boblene fungerer dermed som "ledere" av damp fra innsiden av væsken til overflaten. Under koking, sammen med normal fordampning, omdannes væsken til damp gjennom hele volumet, fordampning til luftbobler, etterfulgt av frigjøring av damp utenfor. Dette er grunnen til at kokende væske fordamper veldig raskt: en kjele, som vannet ville fordampe fra i mange dager, vil koke bort på en halv time.

I motsetning til fordampning, som skjer ved alle temperaturer, begynner en væske å koke først når kokepunktet er nådd, nettopp den temperaturen der luftbobler er i stand til å flyte og nå overflaten. Ved kokepunkt trykk mettet damp blir lik det ytre trykket på væsken (spesielt atmosfærisk trykk). Følgelig, jo større ytre trykk, jo mer høy temperatur kokingen vil begynne.

Ved normalt atmosfærisk trykk (1 atm eller 105 Pa) er kokepunktet for vann

100 C. Derfor er trykket av mettet vanndamp ved en temperatur på 100 C lik 105 Pa. Dette faktum må være kjent for å løse problemer; det anses ofte som kjent som standard.

På toppen av Elbrus er det atmosfæriske trykket 0,5 atm, og vann der vil koke ved en temperatur på 82 C. Og under et trykk på 15 atm vil vann begynne å koke bare ved 200 C.

Kokepunktet (ved normalt atmosfærisk trykk) er en strengt definert verdi for en gitt væske20. Således koker alkohol ved 78 C, eter ved 35 C, kvikksølv ved 357 C. Vær oppmerksom på: Jo mer flyktig væsken er, desto lavere kokepunkt. I kokepunkttabellen ser vi også at oksygen koker ved 183 C. Dette betyr at ved vanlige temperaturer er oksygen en gass!

20 Kokepunktene gitt i tabellene til lærebøker og oppslagsbøker er kokepunktene til kjemisk rene væsker. Tilstedeværelsen av urenheter i en væske kan endre kokepunktet. La oss si springvann inneholder oppløst klor og noen salter, så kokepunktet ved normalt atmosfærisk trykk kan avvike litt fra 100 C.

Vi vet at dersom kjelen fjernes fra varmen vil kokingen umiddelbart stoppe Kokeprosessen krever kontinuerlig tilførsel av varme. Samtidig slutter temperaturen på vannet i kjelen å endre seg etter koking, og holder seg hele tiden på 100 C. Hvor blir den tilførte varmen av?

Situasjonen ligner på smelteprosessen: varme brukes til å øke den potensielle energien til molekylene. I dette tilfellet, for å utføre arbeid for å fjerne molekyler på slike avstander at tiltrekningskreftene ikke vil være i stand til å holde molekylene nær hverandre, og væsken vil bli til en gassform.

10.7 Kokende graf

La oss vurdere grafisk representasjon prosessen med å varme opp en væske, den såkalte kokeplanen (fig. 24).

Temperatur
t kip
Ris. 24. Kokende graf

Seksjon AB går foran begynnelsen av kokingen. Ved seksjon BC koker væsken og massen avtar. Ved punkt C koker væsken helt bort.

For å passere fullstendig gjennom seksjon BC, dvs. slik at en væske som allerede er brakt til kokepunktet blir fullstendig omdannet til damp, må en viss mengde varme Qsteam tilføres denne væsken. Erfaring viser det gitt mengde varme er direkte proporsjonal med massen av væsken:

Qpar = Lm:

Proporsjonalitetskoeffisienten L kalles væskens spesifikke fordampningsvarme (ved kokepunktet). Spesifikk varme fordampning er numerisk lik mengden varme som må tilføres 1 kg væske tatt ved kokepunktet for å fullstendig omdanne den til damp.

Ved 100 C er den spesifikke fordampningsvarmen til vann 2300 kJ/kg. Det er interessant å sammenligne det med den spesifikke smeltevarmen til is (340 kJ/kg); den spesifikke fordampningsvarmen er nesten syv ganger høyere! Dette er ikke overraskende: Tross alt, for å smelte is, trenger du bare å ødelegge det ordnede arrangementet av vannmolekyler ved nodene til krystallgitteret; i dette tilfellet forblir avstandene mellom molekylene omtrent de samme (i størrelsesordenen til selve molekylene). Men for å gjøre vann om til damp, må du gjøre mye mer arbeid for å bryte alle bindingene mellom molekylene og flytte molekylene til betydelige avstander fra hverandre (mye større enn størrelsen på molekylene).

10.8 Kondenseringsgraf

Prosessen med dampkondensering og påfølgende avkjøling av væsken ser på grafen symmetrisk ut til prosessen med oppvarming og koking. Her er den tilsvarende kondenseringsgrafen for tilfellet med hundre graders vanndamp, som oftest oppstår i problemer (fig. 25).

Temperatur
Ris. 25. Kondensgraf

Ved punkt C har vi vanndamp ved 100 C. Ved seksjon CD oppstår kondensering; inne i denne seksjonen er det en blanding av damp og vann ved 100 C. Ved punkt D er det ikke mer damp, det er kun vann ved 100 C. Seksjon DE kjøling av dette vannet.

Erfaring viser at under kondensering av en damp med masse m (dvs. når den passerer gjennom en seksjon CD), frigjøres nøyaktig samme mengde varme Q = Lm som ble brukt på å omdanne en væske med masse m til damp ved en gitt temperatur.

La oss sammenligne følgende varmemengder for moro skyld:

Q1, som frigjøres ved kondensering av 1 g vanndamp;

Q2, som frigjøres når det resulterende 100-graders vannet avkjøles til en temperatur på for eksempel 20 C.

Q1 = Lm = 2300000 0;001 = 2300 J;

Q2 = cm t = 4200 0;001 80 = 336 J:

Disse tallene viser tydelig at en dampforbrenning er mye verre enn en forbrenning med kokende vann. Når kokende vann kommer i kontakt med huden, frigjøres kun ¾Q2 (det kokende vannet avkjøles). Men i tilfelle en forbrenning, vil damp først slippes ut i en størrelsesorden stor kvantitet varme Q1 (damp kondenserer), dannes det hundre graders vann, hvoretter samme verdi Q2 vil legges til når dette vannet avkjøles.

a) Oppvarming og kjøling

892. Hvilken masse kvikksølv har samme varmekapasitet som 13 kg alkohol? Den spesifikke varmekapasiteten til alkohol er 2440 J/(kg×K), den spesifikke varmekapasiteten til kvikksølv er 130 J/(kg×K). (244)

893. Når to identiske kropper gni mot hverandre, øker temperaturen etter ett minutt med 30°C. Hva er den gjennomsnittlige kraften som utvikles i begge legemer under friksjon? Varmekapasiteten til hver kropp er 800 J/K. (800)

894. På en 600 W elektrisk komfyr varmes 3 liter vann opp til koking på 40 minutter. Den opprinnelige vanntemperaturen er 20°C. Den spesifikke varmekapasiteten til vann er 4200 J/(kg×K). Bestem effektiviteten (i prosent) av installasjonen. (70)

895. Ved boring av metall hånddrill en drill som veier 0,05 kg varmes opp med 20°C i 200 s kontinuerlig drift. Den gjennomsnittlige effekten som forbrukes av en drill fra strømnettet ved boring er 10 W. Hvor mange prosent av energien som ble brukt ble brukt til å varme opp boret, hvis den spesifikke varmekapasiteten til borematerialet er 460 J/(kg×K)? (23)

896. Ved drift av en elektrisk motor med en effekt på 400 W, varmes den opp med 10 K på 50 sekunders kontinuerlig drift. Hva er virkningsgraden (i prosent) av motoren? Motorens varmekapasitet er 500 J/K. (75)

897. En transformator nedsenket i olje begynner å varmes opp på grunn av overbelastning. Hva er effektiviteten (i prosent) hvis olje som veier 60 kg ved en full effekt på 60 kW varmes opp med 30 ° C i løpet av 4 minutters drift av transformatoren? Den spesifikke varmekapasiteten til oljen er 2000 J/(kg×K). (75)

898. Generatoren sender ut ultrahøyfrekvente pulser med en energi på 6 J i hver puls. Pulsrepetisjonshastigheten er 700 Hz. Generatoreffektiviteten er 60 %. Hvor mange liter vann i timen må føres gjennom kjølesystemet til generatoren slik at vannet ikke varmes opp mer enn 10 K? Den spesifikke varmekapasiteten til vann er 4200 J/(kg K). (240)

b) Fasetransformasjoner

899. Hvor mye is, tatt ved en temperatur på 0°C, kan smeltes ved å gi den en energi på 0,66 MJ? Den spesifikke varmen ved smelting av is er 330 kJ/kg. (2)

900. Når 100 kg stål størknet ved smeltepunktet, ble det frigjort 21 MJ varme. Hva er den spesifikke smeltevarmen (i kJ/kg) til stål? (210)

901. Hvor mye varme (i kJ) må gis til 2 kg is, tatt ved en temperatur på -10°C, for å smelte den fullstendig? Den spesifikke varmekapasiteten til is er 2100 J/(kg×K), den spesifikke varmen ved smelting av is er 330 kJ/kg. (702)

902. For å gjøre om en viss mengde is tatt ved en temperatur på -50°C til vann ved en temperatur på 50°C, kreves det 645 kJ energi. Hva er massen av is? Den spesifikke varmekapasiteten til vann er 4200 J/(kg×K), den spesifikke varmekapasiteten til is er 2100 J/(kg×K), den spesifikke varmen ved smelting av is er 3,3×105 J/kg. (1)

903. Hvor mye varme (i kJ) trengs for å omdanne 0,1 kg kokende vann til damp? Den spesifikke fordampningsvarmen til vann er 2,26 MJ/kg. (226)

904. Hvor mye varme (i kJ) frigjøres når 0,2 kg vanndamp kondenserer ved en temperatur på 100°C? Den spesifikke fordampningsvarmen til vann er 2,3×106 J/kg. (460)

905. Hvor mye varme (i kJ) må tilsettes 1 kg vann tatt ved 0°C for å varme det opp til 100°C og fordampe det fullstendig? Den spesifikke varmekapasiteten til vann er 4200 J/(kg×K), den spesifikke fordampningsvarmen til vann er 2,3×106 J/kg. (2720)

906. For å varme opp vann tatt ved en temperatur på 20°C og gjøre det om til damp, ble det forbrukt 2596 kJ energi. Bestem massen av vann. Den spesifikke varmekapasiteten til vann er 4200 J/(kg×K), den spesifikke fordampningsvarmen til vann er 2,26 MJ/kg. (1)

907. En elektrisk ovn med en effekt på 100 kW brukes til å smelte ett tonn stål. Hvor mange minutter varer smeltingen hvis barren må varmes opp til 1500 K før smeltingen begynner? Den spesifikke varmekapasiteten til stål er 460 J/(kg×K), den spesifikke smeltevarmen til stål er 210 kJ/kg. (150)

908. For å varme opp en viss vannmasse fra 0°C til 100°C, kreves det 8400 J varme. Hvor mye mer varme (i kJ) kreves for å fullstendig fordampe dette vannet? Den spesifikke varmekapasiteten til vann er 4200 J/(kg K), den spesifikke fordampningsvarmen til vann er 2300 kJ/kg. (46)

909. Det tok 21 minutter å avkjøle vannet i kjøleskapet fra 33°C til 0°C. Hvor lang tid vil det ta før dette vannet blir til is? Spesifikk varmekapasitet for vann 4200 J/(kg K), spesifikk varme ved smelting av is 3,3 10 5 J/kg. Gi svaret i løpet av minutter. (50)

910. Et kar med vann varmes opp på en elektrisk komfyr fra 20°C til koking på 20 minutter. Hvor mye mer tid (i minutter) trengs for å gjøre 42 % av vannet om til damp? Den spesifikke varmekapasiteten til vann er 4200 J/(kg×K), den spesifikke fordampningsvarmen til vann er 2,2×106 J/kg. (55)

911. Beregn effektiviteten (i prosent) til en gassbrenner hvis den bruker gass med en spesifikk brennverdi på 36 MJ/m 3 , og oppvarming av en kjele med 3 liter vann fra 10°C til koking krevde 60 liter gass. Varmekapasiteten til kjelen er 600 J/K. Den spesifikke varmekapasiteten til vann er 4200 J/(kg K). (55)

912. For å drive en dampmaskin forbrukes 210 kg kull på 1 time. Maskinen kjøles med vann, som har en innløpstemperatur på 17°C og en utløpstemperatur på 27°C. Bestem vannforbruket (i kg) på 1 s hvis 24 % brukes til å varme det opp totalt antall varme. Den spesifikke varmekapasiteten til vann er 4200 J/(kg×K), den spesifikke varmen ved forbrenning av kull er 30 MJ/kg. (10)

913. Hvor mange kilometer holder 10 kg bensin for en bilmotor som utvikler en effekt på 69 kW ved en hastighet på 54 km/t og har en virkningsgrad på 40 %? Den spesifikke forbrenningsvarmen til bensin er 4,6 × 107 J/kg. (40)