На этом уроке мы уделим внимание такому виду парообразования, как кипение, обсудим его отличия от рассмотренного ранее процесса испарения, введем такую величину, как температура кипения, и обсудим, от чего она зависит. В конце урока введем очень важную величину, описывающую процесс парообразования - удельную теплоту парообразования и конденсации.
Тема: Агрегатные состояния вещества
Урок: Кипение. Удельная теплота парообразования и конденсации
На прошлом уроке мы уже рассмотрели один из видов парообразования - испарение - и выделили свойства этого процесса. Сегодня мы обсудим такой вид парообразования, как процесс кипения, и введем величину, которая численно характеризует процесс парообразования - удельная теплота парообразования и конденсации.
Определение. Кипение (рис. 1) - это процесс интенсивного перехода жидкости в газообразное состояние, сопровождающийся образованием пузырьков пара и происходящий по всему объему жидкости при определенной температуре, которую называют температурой кипения.
Сравним два вида парообразования между собой. Процесс кипения более интенсивен, чем процесс испарения. Кроме того, как мы помним, процесс испарения протекает при любой температуре выше температуры плавления, а процесс кипения - строго при определенной температуре, которая является различной для каждого из веществ и называется температурой кипения. Еще следует отметить, что испарение происходит только со свободной поверхности жидкости, т. е. с области, разграничивающей ее с окружающими газами, а кипение - сразу со всего объема.
Более подробно рассмотрим протекание процесса кипения. Представим ситуацию, с которой многие из нас неоднократно сталкивались, - это нагревание и кипячение воды в некотором сосуде, например, в кастрюле. В ходе нагревания воде будет передаваться определенное количество теплоты, что будет приводить к увеличению ее внутренней энергии и увеличению активности движения молекул. Этот процесс будет протекать до определенного этапа, пока энергия движения молекул не станет достаточной для начала кипения.
В воде присутствуют растворенные газы (или другие примеси), которые выделяются в ее структуре, что приводит к так называемому возникновению центров парообразования. Т. е. именно в этих центрах начинает происходить выделение пара, и по всему объему воды образовываются пузырьки, которые наблюдаются при кипении. Важно понимать, что в этих пузырьках находится не воздух, а именно пар, который образовывается в процессе кипения. После образования пузырьков количество пара в них растет, и они начинают увеличиваться в размерах. Зачастую, изначально пузырьки образуются вблизи стенок сосуда и не сразу поднимаются на поверхность; сначала они, увеличиваясь в размерах, оказываются под воздействием нарастающей силы Архимеда, а затем отрываются от стенки и поднимаются на поверхность, где лопаются и высвобождают порцию пара.
Стоит отметить, что далеко не сразу все пузырьки пара достигают свободной поверхности воды. В начале процесса кипения вода прогрета еще далеко не равномерно и нижние слои, вблизи которых происходит непосредственно процесс теплопередачи, еще горячее верхних, даже с учетом процесса конвекции. Это приводит к тому, что поднимающиеся снизу пузырьки пара схлопываются из-за явления поверхностного натяжения, еще не доходя до свободной поверхности воды. При этом пар, который находился внутри пузырьков, переходит в воду, тем самым дополнительно нагревая ее и ускоряя процесс равномерного прогрева воды по всему объему. В результате, когда вода прогревается практически равномерно, почти все пузырьки пара начинают достигать поверхности воды и начинается процесс интенсивного парообразования.
Важно выделить тот факт, что температура, при которой проходит процесс кипения, остается неизменной даже в том случае, если увеличивать интенсивность подвода тепла к жидкости. Простыми словами, если в процессе кипения прибавить газ на конфорке, которая разогревает кастрюлю с водой, то это приведет только к увеличению интенсивности кипения, а не к увеличению температуры жидкости. Если углубляться более серьезно в процесс кипения, то стоит отметить, что в воде возникают области, в которых она может быть перегрета выше температуры кипения, но величина такого перегрева, как правило, не превышает одного-пары градусов и незначительна в общем объеме жидкости. Температура кипения воды при нормальном давлении составляет 100°С.
В процессе кипения воды можно заметить, что он сопровождается характерными звуками так называемого бурления. Эти звуки возникают как раз из-за описанного процесса схлопывания пузырьков пара.
Процессы кипения других жидкостей протекают аналогичным образом, что и кипение воды. Основное отличие в этих процессах составляют различные температуры кипения веществ, которые при нормальном атмосферном давлении являются уже измеренными табличными величинами. Укажем основные значения этих температур в таблице.
Интересен тот факт, что температура кипения жидкостей зависит от величины атмосферного давления, поэтому мы и указывали, что все значения в таблице приведены при нормальном атмосферном давлении. При возрастании давления воздуха возрастает и температура кипения жидкости, при уменьшении, наоборот, уменьшается.
На этой зависимости температуры кипения от давления окружающей среды основан принцип работы такого известного кухонного прибора, как скороварка (рис. 2). Она представляет собой кастрюлю с плотно закрывающейся крышкой, под которой в процессе парообразования воды давление воздуха с паром достигает значения до 2 атмосферных давлений, что приводит к увеличению температуры кипения воды в ней до . Из-за этого вода с продуктами в ней имеют возможность нагреться до температуры выше, чем обычно (), и процесс приготовления ускоряется. Из-за такого эффекта устройство и получило свое название.
Рис. 2. Скороварка ()
Ситуация с уменьшением температуры кипения жидкости с понижением атмосферного давления также имеет пример из жизни, но уже не повседневной для многих людей. Относится такой пример к путешествиям альпинистов в высокогорных районах. Оказывается, что в местности, находящейся на высоте 3000-5000 м, температура кипения воды из-за уменьшения атмосферного давления снижается до и более низких значений, что приводит к сложностям при приготовлении пищи в походах, т. к. для эффективной термической обработки продуктов в таком случае требуется значительно большее время, чем при нормальных условиях. На высотах около 7000 м температура кипения воды доходит до , что приводит к невозможности приготовления многих продуктов в таких условиях.
На том, что температуры кипения различных веществ отличаются, основаны некоторые технологии разделения веществ. Например, если рассматривать нагревание нефти, которая представляет собой сложную жидкость, состоящую из множества компонентов, то в процессе кипения ее можно будет разделить на несколько различных веществ. В данном случае, благодаря тому, что температуры кипения керосина, бензина, лигроина и мазута различны, их можно отделить друг от друга путем парообразования и конденсации при различных температурах. Такой процесс, как правило, называют разделением на фракции (рис. 3).
Рис. 3 Разделение нефти на фракции ()
Как и любой физический процесс, кипение необходимо характеризовать с помощью какой-то численной величины, такую величину называют удельной теплотой парообразования.
Для того чтобы понять физический смысл этой величины, рассмотрим следующий пример: возьмем 1 кг воды и доведем ее до температуры кипения, затем замерим, какое количество теплоты необходимо для того, чтобы полностью испарить эту воду (без учета тепловых потерь) - эта величина и будет равна удельной теплоте парообразования воды. Для другого вещества это значение теплоты будет другим и будет являться удельной теплотой парообразования этого вещества.
Удельная теплота парообразования оказывается очень важной характеристикой в современных технологиях производства металлов. Оказывается, что, например, при плавлении и испарении железа с его последующей конденсацией и затвердеванием образуется кристаллическая решетка с такой структурой, которая обеспечивает более высокую прочность, чем исходный образец.
Обозначение : удельная теплота парообразования и конденсации (иногда обозначается ).
Единица измерения : .
Удельная теплота парообразования веществ определяется с помощью экспериментов в лабораторных условиях, и ее значения для основных веществ занесены в соответствующую таблицу.
|
Вещество |
Приборы и принадлежности, используемые в работе:
2. Паропровод (резиновая трубка).
3. Калориметр.
4. Электроплитка.
5. Термометр.
6. Технические весы с разновесом.
7. Мензурка.
Цель работы:
Научиться опытным путем определять удельную теплоту парообразования воды.
I. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.
В процессе обмена энергией, между веществом и окружающей средой возможен переход вещества из одного агрегатного состояния в другое (из одного фазового состояния в другое).
Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием.
Парообразование происходит в виде испарения и кипения.
Парообразование, которое происходит только со свободной поверхности жидкости, называется испарением .
Испарение происходит при любой температуре жидкости, но с повышением температуры скорость испарения жидкости возрастает.
Испаряющаяся жидкость может охлаждаться, если к ней не подводится интенсивно теплота извне, или нагреваться, теплота извне подводится интенсивно.
Парообразование, которое происходит по всему объему жидкости и при постоянной температуре, называется кипением.
Температура кипения зависит от внешнего давления на поверхность жидкости.
Температура кипения жидкости при нормальном атмосферном давлении называется точкой кипения данной жидкости.
При парообразовании внутренняя энергия вещества увеличивается, поэтому для превращения жидкости в пар к ней надо подводить теплоту в процессе теплообмена.
Количество теплоты , необходимое для превращения жидкости в пар при неизменной температуре, называется теплотой парообразования.
Величина прямо пропорциональна массе жидкости, превращенной в пар:
Величина g, характеризующая зависимость теплоты парообразования от рода вещества и от внешних условий, называется удельной теплотой парообразования . Удельная теплота парообразования измеряется количеством теплоты, необходимым для превращения в пар единицы массы жидкости при неизменной температуре:
В СИ удельная теплота парообразования измеряется в .
Величина зависит от температуры, при которой происходит парообразование. Опыт показывает, что при повышении температуры удельная теплота парообразования уменьшается. На приведенном графике (рис. 1) показана зависимость от для воды.
В данной работе определяется удельная теплота парообразования воды с помощью процесса кипения, используя уравнение теплового баланса при конденсации водяного пара. Для этого берут калориметр (К) (см. рис. 2), в котором находится вода при температуре , водяной пар, имеющий температуру кипения , из колбы по паропроводу П вводится в холодную воду калориметра, где он конденсируется.
Через некоторое время трубку паропровода вынимают и измеряют температуру , установившуюся в калориметре и определяют массу введённого в калориметр пара.
Затем составляется уравнение теплового баланса.
При конденсации пара массой , выделяется теплота .
где - удельная теплота конденсации (она же удельная теплота парообразования). Сконденсировавшийся пар превращается в воду при температуре , которая затем, остывая до температуры , выделит теплоту .
(4)
Выделяемую при конденсации пара и охлаждения горячей воды теплоту получает калориметр и вода в нём. За счёт этого они нагреваются от температуры , до температуры . Теплота, полученная калориметром и холодной водой, в нём вычисляется по формуле:
Уравнение теплового баланса составляется в соответствии с законом сохранения энергии при теплообмене.
При теплообмене сумма количеств теплоты, отданных всеми телами, у которых внутренняя энергия уменьшается, равна сумме количеств теплоты, полученных всеми телами, у которых внутренняя энергия увеличивается:
(6)
В нашем случае для теплообмена, который произошёл в калориметре, считаем, что потерь тепла в окружающую среду нет. Поэтому уравнение (6) запишем в виде: или
Из этого уравнения получаем рабочую формулу для вычисления величины по результатам опыта:
2. ХОД РАБОТЫ.
1. Составить таблицу, в которую будут заноситься результаты измерений и вычислений по форме, приведенной в конце описания.
2. Взвесить внутренний сосуд калориметра, полученное значение занести в таблицу.
3. С помощью мензурки отмерить 150 200 мл холодной воды налить её в калориметр и измерить массу внутреннего сосуда калориметра с водой (m 2). Найти массу воды:
m в = m 2 – m к
Массу холодной воды записать в таблицу.
4. Измерить начальную температуру калориметра и воды в нём Значение , записать в таблицу.
5. Опустить наконечник паропровода в воду калориметра и впускать пар до тех пор, пока температура воды не повысится на 30°К - 35°К (q-температура после теплообмена).
6. Взвесить внутренний стакан калориметра и определить массу сконденсированного пара. Полученный результат запишите в таблицу. ()
7. Значения удельных теплоёмкостей воды и вещества калориметра (алюминия) и табличное значение удельной теплоты парообразования воды даны в таблице результатов измерений и вычислений.
8. По формуле (7) вычислить удельную теплоту парообразования воды.
9. Вычислить абсолютную и относительную погрешность полученного результата относительно табличного результата по формулам:
; 
10. Сделать вывод о проделанной работе и полученном результате удельной теплоты парообразования воды.
ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ
На этом уроке мы уделим внимание такому виду парообразования, как кипение, обсудим его отличия от рассмотренного ранее процесса испарения, введем такую величину, как температура кипения, и обсудим, от чего она зависит. В конце урока введем очень важную величину, описывающую процесс парообразования - удельную теплоту парообразования и конденсации.
Тема: Агрегатные состояния вещества
Урок: Кипение. Удельная теплота парообразования и конденсации
На прошлом уроке мы уже рассмотрели один из видов парообразования - испарение - и выделили свойства этого процесса. Сегодня мы обсудим такой вид парообразования, как процесс кипения, и введем величину, которая численно характеризует процесс парообразования - удельная теплота парообразования и конденсации.
Определение. Кипение (рис. 1) - это процесс интенсивного перехода жидкости в газообразное состояние, сопровождающийся образованием пузырьков пара и происходящий по всему объему жидкости при определенной температуре, которую называют температурой кипения.
Сравним два вида парообразования между собой. Процесс кипения более интенсивен, чем процесс испарения. Кроме того, как мы помним, процесс испарения протекает при любой температуре выше температуры плавления, а процесс кипения - строго при определенной температуре, которая является различной для каждого из веществ и называется температурой кипения. Еще следует отметить, что испарение происходит только со свободной поверхности жидкости, т. е. с области, разграничивающей ее с окружающими газами, а кипение - сразу со всего объема.
Более подробно рассмотрим протекание процесса кипения. Представим ситуацию, с которой многие из нас неоднократно сталкивались, - это нагревание и кипячение воды в некотором сосуде, например, в кастрюле. В ходе нагревания воде будет передаваться определенное количество теплоты, что будет приводить к увеличению ее внутренней энергии и увеличению активности движения молекул. Этот процесс будет протекать до определенного этапа, пока энергия движения молекул не станет достаточной для начала кипения.
В воде присутствуют растворенные газы (или другие примеси), которые выделяются в ее структуре, что приводит к так называемому возникновению центров парообразования. Т. е. именно в этих центрах начинает происходить выделение пара, и по всему объему воды образовываются пузырьки, которые наблюдаются при кипении. Важно понимать, что в этих пузырьках находится не воздух, а именно пар, который образовывается в процессе кипения. После образования пузырьков количество пара в них растет, и они начинают увеличиваться в размерах. Зачастую, изначально пузырьки образуются вблизи стенок сосуда и не сразу поднимаются на поверхность; сначала они, увеличиваясь в размерах, оказываются под воздействием нарастающей силы Архимеда, а затем отрываются от стенки и поднимаются на поверхность, где лопаются и высвобождают порцию пара.
Стоит отметить, что далеко не сразу все пузырьки пара достигают свободной поверхности воды. В начале процесса кипения вода прогрета еще далеко не равномерно и нижние слои, вблизи которых происходит непосредственно процесс теплопередачи, еще горячее верхних, даже с учетом процесса конвекции. Это приводит к тому, что поднимающиеся снизу пузырьки пара схлопываются из-за явления поверхностного натяжения, еще не доходя до свободной поверхности воды. При этом пар, который находился внутри пузырьков, переходит в воду, тем самым дополнительно нагревая ее и ускоряя процесс равномерного прогрева воды по всему объему. В результате, когда вода прогревается практически равномерно, почти все пузырьки пара начинают достигать поверхности воды и начинается процесс интенсивного парообразования.
Важно выделить тот факт, что температура, при которой проходит процесс кипения, остается неизменной даже в том случае, если увеличивать интенсивность подвода тепла к жидкости. Простыми словами, если в процессе кипения прибавить газ на конфорке, которая разогревает кастрюлю с водой, то это приведет только к увеличению интенсивности кипения, а не к увеличению температуры жидкости. Если углубляться более серьезно в процесс кипения, то стоит отметить, что в воде возникают области, в которых она может быть перегрета выше температуры кипения, но величина такого перегрева, как правило, не превышает одного-пары градусов и незначительна в общем объеме жидкости. Температура кипения воды при нормальном давлении составляет 100°С.
В процессе кипения воды можно заметить, что он сопровождается характерными звуками так называемого бурления. Эти звуки возникают как раз из-за описанного процесса схлопывания пузырьков пара.
Процессы кипения других жидкостей протекают аналогичным образом, что и кипение воды. Основное отличие в этих процессах составляют различные температуры кипения веществ, которые при нормальном атмосферном давлении являются уже измеренными табличными величинами. Укажем основные значения этих температур в таблице.
Интересен тот факт, что температура кипения жидкостей зависит от величины атмосферного давления, поэтому мы и указывали, что все значения в таблице приведены при нормальном атмосферном давлении. При возрастании давления воздуха возрастает и температура кипения жидкости, при уменьшении, наоборот, уменьшается.
На этой зависимости температуры кипения от давления окружающей среды основан принцип работы такого известного кухонного прибора, как скороварка (рис. 2). Она представляет собой кастрюлю с плотно закрывающейся крышкой, под которой в процессе парообразования воды давление воздуха с паром достигает значения до 2 атмосферных давлений, что приводит к увеличению температуры кипения воды в ней до . Из-за этого вода с продуктами в ней имеют возможность нагреться до температуры выше, чем обычно (), и процесс приготовления ускоряется. Из-за такого эффекта устройство и получило свое название.
Рис. 2. Скороварка ()
Ситуация с уменьшением температуры кипения жидкости с понижением атмосферного давления также имеет пример из жизни, но уже не повседневной для многих людей. Относится такой пример к путешествиям альпинистов в высокогорных районах. Оказывается, что в местности, находящейся на высоте 3000-5000 м, температура кипения воды из-за уменьшения атмосферного давления снижается до и более низких значений, что приводит к сложностям при приготовлении пищи в походах, т. к. для эффективной термической обработки продуктов в таком случае требуется значительно большее время, чем при нормальных условиях. На высотах около 7000 м температура кипения воды доходит до , что приводит к невозможности приготовления многих продуктов в таких условиях.
На том, что температуры кипения различных веществ отличаются, основаны некоторые технологии разделения веществ. Например, если рассматривать нагревание нефти, которая представляет собой сложную жидкость, состоящую из множества компонентов, то в процессе кипения ее можно будет разделить на несколько различных веществ. В данном случае, благодаря тому, что температуры кипения керосина, бензина, лигроина и мазута различны, их можно отделить друг от друга путем парообразования и конденсации при различных температурах. Такой процесс, как правило, называют разделением на фракции (рис. 3).
Рис. 3 Разделение нефти на фракции ()
Как и любой физический процесс, кипение необходимо характеризовать с помощью какой-то численной величины, такую величину называют удельной теплотой парообразования.
Для того чтобы понять физический смысл этой величины, рассмотрим следующий пример: возьмем 1 кг воды и доведем ее до температуры кипения, затем замерим, какое количество теплоты необходимо для того, чтобы полностью испарить эту воду (без учета тепловых потерь) - эта величина и будет равна удельной теплоте парообразования воды. Для другого вещества это значение теплоты будет другим и будет являться удельной теплотой парообразования этого вещества.
Удельная теплота парообразования оказывается очень важной характеристикой в современных технологиях производства металлов. Оказывается, что, например, при плавлении и испарении железа с его последующей конденсацией и затвердеванием образуется кристаллическая решетка с такой структурой, которая обеспечивает более высокую прочность, чем исходный образец.
Обозначение : удельная теплота парообразования и конденсации (иногда обозначается ).
Единица измерения : .
Удельная теплота парообразования веществ определяется с помощью экспериментов в лабораторных условиях, и ее значения для основных веществ занесены в соответствующую таблицу.
|
Вещество |
цель работы
Усвоение и закрепление теоретического материала по теме курса термодинамики "Водяной пар", а также овладение методами эксперимента и обработки полученных данных, ознакомление с таблицами "Теплофизические свойства воды и водяного пара".
1. Изучить схему экспериментальной установки, включить её и вывести на заданный стационарный тепловой режим.
2. Провести опыт в соответствии с методическими указаниями, заполнить таблицу 1.
3. Определить удельную теплоту, затраченную на парообразование воды в опыте.
4. Для изобарного процесса парообразования определить табличные значения параметров воды на линии насыщения и сухого насыщенного пара, а также удельную теплоту парообразования.
5. Вычислить внутреннюю энергию жидкости на линии насыщения пара для условий опыта.
6. Вычислить погрешность найденного значения удельной теплоты парообразования по отношению к табличному.
7. Изобразить процессы, происходящие в сосуде Дьюара, в Р-v и T-s-диаграммах.
8. Сделать вывод по работе.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Переход вещества из жидкого состояния в газообразное, называется парообразованием, обратный переход - конденсацией. Кипение жидкости - это процесс парообразования внутри жидкости, происходящий при строго определенной температуре t н, °C, определяемой давлением. Если газообразная фаза существует с жидкой фазой того же вещества, то её называют паром. Газообразной фазой системы является сухой насыщенный пар, а жидкой фазой - жидкость, сохраняющая состояние, соответствующее началу парообразования.
При парообразовании по изобарно-изотермическому процессу, согласно первому закону термодинамики, удельная теплота фазового превращения (удельная теплота парообразования) r, Дж/кг,
r = u" - u" + p (v" -v"), (1)
r = i" - i", (2)
где u", i", v" - соответственно внутренняя энергия, энтальпия, Дж/кг, и удельный объём сухого насыщенного пара, м 3 /кг;
u", i", v" - соответственно внутренняя энергия, энтальпия, Дж/кг, и удельный объём жидкости в состоянии насыщения, м 3 /кг.
Давление р, Па, не отмечается специальными индексами, так как оно не меняется в течение всего фазового перехода и равно давлению насыщения.
Таким образом, удельная теплота парообразования включает в себя изменение внутренней энергии вещества и работу изменения объёма при фазовом переходе.
Удельная теплота парообразования функционально связана с параметрами состояния. Для большинства применяющихся на практике веществ определены и сведены в таблицы свойства жидкости и пара на линии насыщения. В этих таблицах приводятся значения р и t на линии насыщения и соответствующие им значения величин v", v", i", i", r, s", s". Внутренняя энергия жидкости на линии насыщения u", Дж/кг, и сухого насыщенного пара u", Дж/кг, определится соответственно по уравнениям
u" = i" -pv" (3)
u" = i" -pv" (4)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Рисунок. Схема экспериментальной установки
Экспериментальная установка (рисунок) состоит из сосуда Дьюара 1 с электронагревателем 2, в который из емкости 3 наливается порция дистиллированной воды, регулируемая вентилем 4. Образующийся пар в конденсаторе 5, по которому проходит водопроводная вода, превращается в жидкость. Расход воды регулируется вентилем 7 по контрольному фонарю 8. Образующийся конденсат собирается в мерный цилиндр 9. На щите управления находятся: переключатель "СЕТЬ" 10, вольтметр 11, амперметр 12, переключатель режимов 13; 6 - стеклянная воронка.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА
1. Включить установку в сеть поворотом переключателя 10 в положение "1".
2. Проверить заполнение сосуда Дьюара 1, установив переключатель режимов 13 в положение "ЗАПОЛНЕНИЕ". Если при этом загорится зеленая сигнальная лампа "Сосуд заполнен", можно приступать к выполнению эксперимента. В противном случае сосуд заполняется дистиллированной водой, для чего открывается вентиль 4. После загорания зеленой сигнальной лампы сосуд плотно закрыть.
3. Перевести переключатель 13 в положение "НАГРЕВАНИЕ".
4. Поворачивая ручку автотрансформатора 14, установить заданное преподавателем значение напряжения на нагревателе U, В (и силу тока I, А).
5. Подать охлаждающую воду на конденсатор 5, открыв вентиль 7 и отрегулировать расход воды по контрольному фонарю 8.
6. При установлении стационарного режима кипения воды в сосуде Дьюара (в мерном цилиндре 9 наберется 15-20 см конденсата) произвести контрольный сбор конденсата в количестве, указанном преподавателем (V, м 3). Продолжительность контрольного сбора t, с, определить по секундомеру.
7. По барометру определить атмосферное давление P a , мм.рт.ст.
8. Данные измерений внести в таблицу наблюдений и подписать ее у преподавателя.
9. Включить установку поворотом переключателя "0", закрыть вентиль 7, рукоятку автотрансформатора повернуть против часовой стрелки до упора, конденсат слить в емкость 3.
Т а б л и ц а 1
|
Номер замера |
мм. рт. ст. | ||||
ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ
1. Вычислить количество теплоты, затраченной на парообразование 1 кг воды r оп, Дж/кг:
r оп = (W - Q) / (Vr),
где W = UI - мощность нагревателя, Вт;
Q = 0,04W - тепловые потери, Вт;
r - плотность конденсата, кг/ м 3 . Принимаем r = 1000 кг/ м 3 .
2. Считая, что кипение воды происходит при атмосферном давлении, определить по табличные значения параметров воды на линии насыщения и сухого насыщенного пара, которые занести в таблицу 2.
Т а б л и ц а 2
|
i", кДж/кг |
S", кДж/(кгК) |
i", кДж/кг |
S", Дж/(кгK) | |||
3. Вычислить значения внутренней энергии воды на линии насыщения u" и сухого насыщенного пара u", кДж/кг, по формулам (3) и (4).
4. Вычислить погрешность, %, найденного значения удельной теплоты парообразования r оп, кДж/кг, по отношению к табличному r, кДж/кг, по формуле:
D = (r оп - r) 100 / r .
5. Представить графически процессы, происходящие в сосуде Дьюара, в Р-v и T-s-диаграммах.
6. Сделать вывод по работе.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ
1. Парообразование жидкости; сущность процессов кипения и испарения жидкости.
2. Изобарный процесс перехода жидкости в перегретый пар в Р-v и T-s-диаграммах.
3. Пограничные кривые со степенью сухости х = 0 и х = 1, критическое состояние вещества
4. Понятия: жидкость на линии насыщения, влажный насыщенный пар, сухой насыщенный пар, перегретый пар.
5. Удельная теплота парообразования жидкости.
6. Степень сухости, степень влажности пара.
7. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара, их значение.
8. Определение параметров влажного пара.
9. i-s-диаграмма водяного пара, ее назначение.
10. Паровые термодинамические процессы в Р-v, T-s, i-s-диаграммах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Теплотехника / Под ред. А.П.Баскакова.- М.: Энергоиздат, 1991.- 224 с.
2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача.- М.:: Высшая школа, 1980.- 496 с.
3. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача.- М.: Высшая школа, 1998.- 480 с.
4. Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара.- М.: Энергия, 1980.- 408 с.
Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Вид урока: комбинированный.
Тип урока: изучение нового материала.
Цель: сформировать понятие кипения, как парообразования, выявить и объяснить особенности кипения;
Задачи:
Образовательные:
- формирование понятий “кипение” и “удельная теплота парообразования и конденсации”;
- выявление основных особенностей кипения: образование пузырьков, шум, предшествующий кипению, постоянство температуры кипения и зависимости температуры кипения от внешнего давления.
- формирование умения применять имеющиеся знания для объяснения явлений испарения и кипения.
Развивающие:
- формирование интеллектуальных умений: анализировать, сравнивать, выделять главное и делать выводы;
- развитие логического мышления и познавательного интереса.
Воспитательные:
- развитие интереса к предмету и позитивного отношения к учебе;
- формирование научного мировоззрения.
- воспитание товарищества, взаимопомощи.
Демонстрации:
- наблюдение этапов кипения;
- наблюдение зависимости температуры кипения от внешнего давления;
- наблюдение кипения при пониженном давлении;
- видеоролик “Кипение азота”
Оборудование: спиртовка, колба с водой, термометр для измерения температуры жидкости, штатив, пробка для колбы с вставленной в нее стеклянной трубкой, резиновая трубка, спринцовка, насос Комовского, компьютер и мультимедийный проектор, презентация.
Ход урока
1. Организационный момент.
2. Мотивация.
Учитель: Ребята, я не сомневаюсь, что каждое ваше утро начинается с чашечки горячего, хорошо заваренного чая. Чай полезный напиток - так гласит древняя мудрость. И вы, конечно знаете, что перед тем, как заварить чай, нужно вскипятить воду. Обратите пожалуйста внимание на эпиграф (слайд 2):
“Существуют явления, на которые никогда не надоедает смотреть. Кипение воды - наслаждение зрелищем воды и огня, таинством их взаимодействия. Эта изменчивая картина завораживает. Закипая, чайник начинает разговаривать”. Таллина Адамовская
Сегодня мы с вами посмотрим на этот процесс с физической точки зрения и постараемся найти ответы на множество загадок, сопровождающих это явление. Тема урока – “Кипение. Удельная теплота парообразования и конденсации”
Учащиеся записывают в тетрадь тему урока.
Учитель: Для исследования кипения проведем эксперимент. Поставим на спиртовку колбу с водопроводной водой. Измерим начальную температуру воды термометром.
3. Актуализация знаний.
Учитель : Пока вода будет нагреваться, вспомним, что называется парообразованием.
Ученик : Парообразование – это явление превращения жидкости в пар.
Учитель : Какие два способа парообразования существуют?
Ученик : Испарение и кипение.
Учитель : Какое явление называется испарением?
Ученик : Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, называется испарением.
Учитель : Объясните механизм испарения с молекулярной точки зрения.
Ученик : Все тела состоят из молекул, которые движутся непрерывно и хаотично, причем с различными скоростями. Если “быстрая” молекула окажется у поверхности жидкости, то она может преодолеть притяжение соседних молекул и вылететь из жидкости. Все вылетевшие молекулы образуют пар.
Учитель : Есть ли у веществ фиксированная температура, при которой начинается процесс испарения?
Ученик : Такой температуры у веществ нет. Испарение происходит при любой температуре, так как молекулы движутся при любой температуре.
Учитель : От чего зависит скорость испарения жидкости?
Ученик : От рода вещества, температуры, площади поверхности и движения воздуха над поверхностью жидкости.
Учитель : Почему испарение происходит быстрее, при более высокой температуре жидкости?
Ученик : Чем выше температура, тем больше скорость молекул.
Учитель : Как зависит скорость испарения от площади поверхности жидкости?
Ученик : Чем больше площадь поверхности, тем большее количество молекул может вылететь из жидкости.
Учитель : Почему испарение при движении воздуха происходит быстрее?
Ученик : Испарившиеся молекулы не могут возвратиться обратно в жидкость.
Учитель : Что называется конденсацией пара?
Ученик : Конденсация – это явление превращения пара в жидкость.
Учитель : При каких условиях происходит конденсация пара?
Ученик : Когда пар становится насыщенным, то есть находится в динамическом равновесии со своей жидкостью.
4. Изучение нового материала.
Учитель : Вернемся к нашему эксперименту и измерим температуру воды. Что вы сейчас наблюдаете?
Ученик : На дне и стенках сосуда появились пузырьки воздуха. (Слайд 3)
Учитель : Почему пузырьки воздуха появляются на дне и стенках сосуда?
Ученик : В воде всегда есть растворенный воздух. При нагревании пузырьки воздуха расширяются и становятся видимыми.
Учитель : Почему пузырьки воздуха начинают увеличиваться в объеме?
Ученик : Потому что вода начинает испаряться внутрь этих пузырьков.
Учитель : Какие силы действуют на пузырьки?
Ученик : Сила тяжести и Архимедова сила.
Учитель : Какое направление они имеют?
Ученик : Сила тяжести направлена вниз, а Архимедова – вверх. (Слайд 4)
Учитель : Когда пузырьки смогут оторваться от дна и стенок сосуда и начать свое движение вверх?
Ученик : Пузырьки отрываются, когда Архимедова сила станет больше силы тяжести.
Учитель : Произведем измерение температуры воды. Сейчас вы слышите характерный шум. Поясним это явление. При достаточно большом объеме пузырька он под действием
Архимедовой силы начинает подниматься вверх. Так как жидкость прогревается способом конвекции, то температура нижних слоев больше температуры верхних слоев воды. Когда пузырек попадает в верхний менее прогретый слой воды, водяной пар внутри него будет конденсироваться, а объем пузырька уменьшаться. Пузырек будет захлопываться (Слайд 5). Связанный с этим процессом шум мы слышим перед кипением. При определенной температуре, то есть когда в результате конвекции прогреется вся жидкость, с приближением к поверхности объем пузырьков резко возрастает, так как давление внутри пузырька станет равным внешнему давлению (атмосферы и столба жидкости). На поверхности пузырьки лопаются, и над жидкостью образуется много пара. Вода кипит.
Сейчас мы измерим температуру кипящей воды. Вода кипит при температуре 100 o С.
Учитель: Итак, условие кипения: давление внутри пузырька равно внешнему давлению и признаки кипения:
Много пузырьков лопается на поверхности;
Много пара.
Что же такое кипение?
Ученик : Кипение – это парообразование, которое происходит в объеме всей жидкости при определенной температуре.
Учитель : Запишем определение кипения (Слайд 6).
Кипение – это интенсивное парообразование, происходящее по всему объему жидкости при определенной температуре.
Учитель : Какая температура называется температурой кипения?
Ученик : Температура, при которой жидкость кипит, называется температурой кипения.
Учитель : Как вы считаете, будет ли меняться температура в процессе кипения?
Ученик : Я думаю, она не будет меняться (Слайд 7).
Учитель : Давайте еще раз измерим температуру кипящей воды. Температура не меняется. Но спиртовка продолжает работать и отдавать энергию. На что же расходуется эта энергия, если дальнейшего роста температуры нет?
Ученик : Она расходуется на образование пузырьков пара.
Учитель : Обратимся к таблице на странице 45. Найдите температуру кипения воды.
Ученик : Температура кипения воды 100 o С.
Учитель : Какая жидкость имеет такую же температуру кипения?
Ученик : Молоко.
Учитель : Какую температуру кипения имеют эфир и спирт?
Ученик : Эфир кипит при 35 o С, спирт – при 78 o С.
Учитель : Некоторые вещества, которые при обычных условиях являются газами, при достаточном охлаждении превращаются в жидкости, кипящие при очень низкой температуре. Какие из этих веществ есть в таблице?
Ученик : Это водород и кислород. Жидкий водород кипит при -253 o С, а кислород – при -183 o С.
Учитель : Сейчас мы посмотрим видеоролик “Кипение азота” (Слайд 8).
Учитель : В таблице есть несколько веществ, которые в обычных условиях твердые. Если их расплавить, то в жидком состоянии они будут кипеть при очень высокой температуре. Приведите примеры.
Ученик : Например, жидкая медь кипит при 2567 o С, а железо – при 2750 o С.
Учитель : Обратили ли вы внимание на информацию, указанную в скобках заголовка этой таблицы?
Ученик : Температура кипения некоторых веществ при нормальном атмосферном давлении.
Учитель : Как вы думаете, зачем указано это условие?
Ученик : Потому что температура кипения зависит от внешнего давления.
Учитель : Исследуем зависимость температуры кипения от внешнего давления.
Демонстрация: колбу с кипящей жидкостью снимем со спиртовки и закроем ее пробкой с вставленной в нее грушей. При нажатии на грушу кипение в колбе прекращается. Почему?
Ученик : При нажатии на грушу мы увеличили давление в колбе, и условие кипения нарушилось.
Учитель : Таким образом, мы показали, что с увеличением давления температура кипения увеличивается. Многие хозяйки используют для приготовления пищи кастрюлю – скороварку, которая имеет массу преимуществ по сравнению с обычными кастрюлями. Процесс приготовления пищи в скороварке происходит при температуре 120 o С и давлении 200кПа, поэтому время приготовления значительно сокращается (Слайд 9).
Учитель : Давайте вспомним, как меняется атмосферное давление с увеличением высоты над уровнем моря?
Ученик : Атмосферное давление уменьшается.
Учитель : Как изменится температура кипения воды при подъеме в гору?
Ученик : Она уменьшится (Слайд 10).
Учитель : Совершенно верно. Например, на самой высокой горе Джомолунгме в Гималаях, высота которой 8848 м, вода будет кипеть при температуре около 70 o С. Сварить, например, мясо в таком кипятке просто невозможно.
А как вы думаете, можно ли заставить воду кипеть при комнатной температуре?
Демонстрация: стакан с холодной водой помещаем под стеклянный колокол. С помощью насоса Комовского откачиваем воздух. По мере уменьшения давления в стакане наблюдаем этапы закипания жидкости, при этом температура остается низкой.
Учитель : Какой вывод можно сделать из опытов?
Ученик : Температура кипения жидкости зависит от давления.
Учитель : Мы познакомились с процессом кипения. Как вы считаете, одинаковое ли количество теплоты потребуется на кипение разных жидкостей равной массы, взятых при температуре кипения?
Ученик : Я думаю, потребуется разное количество теплоты.
Учитель : Правильно (Слайд 11). На диаграмме мы видим, что для обращения в пар разных жидкостей требуется разное количество теплоты. Это количество теплоты характеризует физическая величина, называемая удельной теплотой парообразования. Эта величина обозначается буквой L, ее единица измерения в системе СИ Дж/кг. Удельная теплота парообразования – это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы жидкость массой 1кг обратить в пар при температуре кипения. Посмотрим в таблицу на странице 49. Например, удельная теплота парообразования воды 2,3*10 6 Дж/кг. Это значит, что для обращения в пар 1кг воды при температуре кипения нужно затратить 2,3*10 6 Дж энергии. Чему равна удельная теплота парообразования спирта?
Ученик : Удельная теплота парообразования спирта 0,9*10 6 Дж/кг.
Учитель : Что означает это число?
Ученик : Это значит, что для обращения в пар 1 кг спирта при температуре кипения нужно затратить 0,9*10 6 Дж энергии.
Учитель : Следовательно, при температуре кипения внутренняя энергия вещества в парообразном состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в жидком состоянии. Вот почему ожег паром при температуре 100 o С опаснее, чем ожег кипятком (Слайд 12).
Теперь ответьте на вопрос: если снять крышку с кипящего чайника, что можно на ней увидеть?
Ученик : Мы увидим там капельки воды.
Учитель : Как вы объясните их появление?
Ученик : Пар, соприкасаясь с крышкой, конденсируется (Слайд 13).
Учитель : При конденсации пара энергия выделяется. Опыты показывают, что пар, конденсируясь, выделяется точно такое же количество теплоты, какое было затрачено на его образование. Освобождающаяся при конденсации пара энергия может быть использована. На тепловых электростанциях отработанным в турбинах паром нагревают воду, затем ее используют для отопления зданий и на предприятиях бытового обслуживания: банях, прачечных и т.п.
Чтобы вычислить количество теплоты, необходимое для превращения жидкости любой массы в пар при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования умножить на массу. Запишем формулу: Q = Lm. Количество теплоты, которое выделяет пар любой массы, конденсируясь при температуре кипения, определяется этой же формулой.
5. Закрепление.
Учитель : Итак, теперь вы знаете два способа парообразования: испарение и кипение. Кто скажет, чем отличаются эти процессы?
Ученик : Испарение происходит с поверхности жидкости, а кипение по всему объему жидкости.
Ученик : Испарение происходит при любой температуре, а кипение – при определенной температуре. У каждой жидкости своя температура кипения.
Ученик : При испарении температура жидкости уменьшается, а при кипении не изменяется.
Учитель : Как вы думаете, где кипящая вода горячее: на уровне моря, на вершине горы или в глубокой шахте?
Ученик : Я думаю, вода будет горячее в глубокой шахте, так как атмосферное давление на глубине будет выше, следовательно, вода будет кипеть при более высокой температуре.
Учитель : По какой формуле можно рассчитать количество теплоты, затраченное на парообразование или выделяющееся при конденсации пара?
Учитель : Попробуем устно вычислить количество теплоты для следующих случаев (Слайд 15):
Ученик : Для эфира Q = 2*10 6 Дж, для спирта – 9*10 6 Дж, для воды – 4,6*10 6 Дж.
Учитель : На графике показаны процессы нагревания и кипения двух жидкостей одинаковой массы (слайд 16). Пользуясь таблицей на странице 45, определите, для каких веществ построены графики.
Ученик : Верхний - для воды, нижний - для спирта, так как температура кипения воды 100 o С, а спирта - 78 o С.
Учитель : Какова была начальная температура жидкостей?
Ученик : Начальная температура обеих жидкостей 20?С.
Учитель : Назовите участки графика, соответствующие нагреванию жидкостей.
Ученик : АВ для спирта и АD для воды.
Учитель : Назовите участки графика, соответствующие кипению жидкостей.
Ученик : ВС для спирта и DE для воды.
6. Подведение итогов урока.
Учитель : Откройте дневники и запишите домашнее задание: параграфы 18, 20. Упр.10(4) (Слайд 17).
Для желающих следующее экспериментальное задание.
Возьмите большую кастрюлю с водой. Поместите в нее маленькую кастрюлю с водой так, чтобы она плавала, не касаясь дна большой кастрюли. Поставьте их на плиту и начните нагревать. Что будет с водой в маленькой кастрюле, когда в большой кастрюле она будет кипеть? Почему? Насыпьте в большую кастрюлю столовую ложку соли. Что после этого произойдет с водой в маленькой кастрюле? Объясните наблюдаемое явление. Что можно сказать о температуре кипения соленой воды?
7. Рефлексия .
Учитель : Наш урок подходит к концу. Мне бы хотелось знать, с каким настроением вы уходите. У вас на партах есть три цветных стикера, которые отражают следующие настроения: зеленый – мне очень понравился урок, синий – мне было интересно, красный – мне было скучно. Уходя, прикрепите на доску стикер, отражающий ваше настроение (Слайд 18).
Урок окончен. Спасибо за внимание!
Источники
- А.В. Перышкин. Физика. 8 класс. - М.; Дрофа
- Е.М. Гутник, Е,В. Рыбакова, Е.В. Шаронина. Методические материалы для учителя. Физика. 8 класс. - М.; Дрофа
- Л.А. Горев. Занимательные опыты по физике. – М.; Просвещение
- Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов:
- Видеоролик “Кипение азота”
- Рисунки из флеш-презентации