Лабораторная работа №4.

Определение теплоты испарения жидкости

1. Краткая теория

Испарением называют переход вещества из жидкого в газообразное состояние. При испарении с поверхности жидкости вылетают молекулы, образуя над ней пар. Вылететь из жидкости в окружающее пространство могут только наиболее быстрые молекулы, поскольку только они в состоянии преодолеть силы притяжения, действующие в поверхностном слое жидкости. В результате ухода быстрых молекул жидкость охлаждается. Для поддержания ее температуры постоянной требуется подвод теплоты.

Количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу, для того чтобы превратить его из жидкого состояния в газообразное при постоянной температуре и постоянном давлении, называется теплотой испарения (или теплотой парообразования).

Теплоту парообразования жидкостей можно измерить непосредственно при помощи калориметра. Такой метод, однако, не позволяет получить точных результатов из-за неконтролируемых потерь тепла, которое трудно сделать малыми. В настоящей работе для определения теплоты испарения применим косвенный метод, основанный на уравнении Клапейрона-Клаузиуса:

. (1)

Здесь P – давление насыщенного пара жидкости при температуреT ,T абсолютная температура жидкости и пара,удельная теплота испарения жидкости,- удельный объем жидкости,- удельный объем пара.

Если известна зависимость удельной теплоты испарения и удельных объемовиот температуры, то уравнение (1) можно проинтегрировать и найти в явном виде зависимость давления насыщенного пара от температуры. В самом грубом приближении можно считать, что величинане зависит от температуры, а удельным объемом жидкости по сравнению с удельным объемом пара можно пренебречь. Кроме того, можно считать, что к пару применимо уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона), из которого выразим удельный объём пара:

.

В принятом приближении уравнение (1) перейдет в дифференциальное уравнение:

,

интегрируя которое, получим:

, (2)

где .

Соотношение (2) позволяет определить удельную теплоту испарения, зная зависимость давления насыщенного пара от температуры. Определению удельной теплоты испарения воды и посвящается настоящая лабораторная работа.

2. Экспериментальная установка. Методика эксперимента

Эксперимент проводится на установке, схематично показанной на рисунке. Установка состоит из термостата, заполненного водой, нагревательных элементов, системы охлаждения (на рисунке не показана), двух колб с исследуемыми газами и измерительных приборов.

Нагревательные элементыН служат для увеличения температуры в системе. Для равномерного нагрева системы вода постоянно перемешивается воздухом, подаваемым компрессоромК . Включение и выключение нагревательных элементов и компрессора осуществляется с помощью пульта управленияПУ . Перед началом работы краныК 1 иК 2 открываются, затем закрываются. Это необходимо для того, чтобы давление в колбах в начальный момент сравнялось с атмосферным давлением. Термометр измеряет температуруТ воды, в которую погружены колбы с сухим и влажным воздухом. Параметры установки таковы, что нагревание воды происходит медленно и газ в колбах успевает прогреваться до той же температуры, что и вода в системе. МанометрыМ 1 иМ 2 показывают избыточное давление в колбах с сухим и влажным воздухом соответственно.

, (3)

где P 1 иP 2 показания манометровМ 1 иМ 2 соответственно,Т – температура в системедавление насыщенного пара при начальной температуре(данная величина считается известной).

По данным опыта строится график зависимости от

.

Согласно уравнению (2) экспериментальные точки должны ложиться на прямую, проходящую через начало координат. По графику определяется угловой коэффициент этой прямой и находится удельная теплота испарения воды.

Из уравнения (2) видно, что

и, следовательно:

.

3. Измерения. Обработка результатов измерений

1. Ознакомьтесь с устройством установки и её элементов.

2. Снимите зависимость показаний манометров P 1 и P 2 от температуры, и рассчитайте для каждой температуры давление насыщенного пара P , используя формулу (3). По данным опыта составьте таблицу:

3. Постройте график зависимости давления насыщенного пара от температуры Р(Т) и график зависимости логарифма отношений давленийy = от величиных =

.

Для построения последнего графика необходимо заполнить таблицу:

По угловому коэффициенту графика определите теплоту испарения L и оцените погрешность полученного результата.

4. Сравните полученный результат с табличным значением.

4. Контрольные вопросы

Что называют удельной теплотой парообразования жидкости?

Выведете уравнение Клапейрона-Клаузиуса.

Какие предположения были сделаны при выводе соотношения (2)? Выведете это соотношение.

Азеотропный - термин, употребляемый для обозначение смеси жидкостей, жидкая и газовая фазы которой в условиях термодинамического равновесия имеют один и тот же состав. Температура кипения смеси постоянна.

Точка азеотропии - температура, при которой смесь жидкостей кипит и образуется пар того же состава, что и жидкая смесь.

Вакуум (или разреженный газ) - состояние газообразной среды, при котором ее давление значительно ниже атмосферного.

Дефлегматор - теплообменник для частичной конденсации пара. В ректификационных колоннах служит для образования флегмы необходимой для орошения контактных элементов колонны.

Испарение - это парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости. Молекулы жидкости при одной и той же температуре движутся с разными скоростями. Если достаточно быстрая молекула окажется у поверхности жидкости, то она может преодолеть притяжение соседних молекул и вылететь из жидкости. Вылетевшие с поверхности жидкости молекулы образуют пар. Одновременно с испарением происходит перенос молекул из пара в жидкость. Явление превращения пара в жидкость называется конденсацией.

Если нет притока энергии к жидкости извне, то испаряющаяся жидкость охлаждается. Конденсация пара сопровождается выделением энергии.

Скорость испарения жидкости зависит от рода жидкости и от ее температуры, от площади ее поверхности, от движения воздушных масс (ветра) над поверхностью жидкости.

Кипение - процесс парообразования, происходящий во всем объеме жидкости. При кипении происходит испарение в растворенные в жидкости пузырьки воздуха. С увеличение давления в пузырьках они всплывают на поверхность и лопаются. Эти пузырьки содержат не только воздух, но и водяной пар, так как жидкость испаряется внутрь этих пузырьков.

Образование центров кипения - появление и рост пузырьков пара на нагреваемой поверхности, контактирующей с жидкостью.

Точка кипения - температура кипения при нормальном давлении.

Парообразование - фазовый переход первого рода; переход вещества из жидкого или твердого состояния в газообразное состояние.

В замкнутом объеме парообразование продолжается до тех пор пока пространство над жидкостью или твердым телом не будет заполнено паром, имеющим равновесное при данной температуре давление (давление насыщения). Наибольшая часть теплоты парообразования расходуется на разрыв связей между частицами, некоторая ее часть идет на работу, совершаемую при расширении пара.

Температура кипения - температура, при которой происходит кипение жидкости.

Температура кипения:

Зависит от природы жидкости и внешнего давления; и

Находится между тройной точкой и критической температурой.

При постоянном давлении каждая жидкость характеризуется своей температурой кипения.

С ростом атмосферного давления температура кипения жидкости повышается, а удельная теплота парообразования уменьшается.

Теплота испарения - количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу, чтобы перевести его из жидкого состояния в газообразное при постоянной температуре.

Теплота парообразования - количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и температуре, чтобы перевести его из жидкого состояния в газообразное.

В СИ теплота парообразования измеряется в Дж.

Удельная теплота испарения - количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества, чтобы перевести его из жидкого состояния в газообразное при постоянной температуре.

Удельная теплота испарения измеряется в Дж/кг.

Удельная теплота парообразования - это количество теплоты, необходимое для превращения при постоянной температуре 1 кг жидкости в пар. Эту величину обозначают буквой L или буквой r и выражают в джоулях на килограмм (Дж/кг).

С ростом температуры величина удельной теплоты парообразования уменьшается.

Удельная теплота парообразования - теплота парообразования, рассчитанная на единицу массы вещества.

Удельная теплота парообразования уменьшается с ростом температуры и при критической температуре становится равной нулю.

Удельная теплота парообразования показывает, сколько энергии нужно сообщить одному килограмму жидкости, взятой при температуре кипения, чтобы при этой температуре полностью превратить её в пар (для конденсации: сколько энергии выделяет один килограмм пара, взятого при температуре конденсации, полностью превращаясь в жидкость).

При одинаковом давлении температура кипения и температура конденсации одного и того же вещества одинаковы.

Конденсация пара - процесс возвращения молекул пара в жидкость называется конденсацией пара.

Конденсатор - теплообменник, в котором пары конденсируются, отдавая при этом тепло охладителю.

Конденсатор водяной - конденсатор, в котором в качестве охладителя используется вода.

Конденсатор ТРУБА В ТРУБЕ - конденсатор, состоящий из двух концентрических труб, причем пар чаще всего циркулирует в кольцевом зазоре, а охладитель - в центральной трубе.

Теплообмен или теплопередача - процесс перехода внутренней энергии от одного тела к другому в результате теплового контакта без совершения работы.

Тепловое равновесие - состояние системы, при котором ее макроскопические параметры с течением времени не меняются. При тепловом равновесии не меняются объем и давление, не происходит теплообмен, отсутствуют взаимные превращения жидкостей и газов, жидкостей и твердых тел, прекращаются химические реакции и др. В состоянии теплового равновесия во всех частях системы одинаковая температура.

Удельная теплоемкость -(маленькая буква с) - характеристика вещества, показывающая, какое количество теплоты необходимо для нагревания 1 кг вещества на 1 градус (или выделяющееся при остывании 1 кг вещества на 1 градус). Измеряется в Дж/кг К или Дж/кг 0С. Табличное данное.

Теплообменник - аппарат, предназначенный для передачи тепла между двумя средами, разделенными между собой.

Теплообменник кожухотрубный - теплообменник, состоящий из пучка труб, помещенных в кожух, причем одна из жидкостей протекает по трубам, а другая - в пространстве между трубами и внутренней поверхностью кожуха.

Тепловая трубка - замкнутый объем, обычно в виде трубки, заполненный частично жидкостью и ее парами и используемый для переноса тепла между его двумя крайними участками путем испарения жидкости на горячем участке и конденсации пара на холодном. Сконденсировавшаяся жидкость возвращается к горячему участку за счет силы тяжести или капиллярных сил через соответствующее устройство, действующее как ФИТИЛЬ

Парциальное давление - (partialis - частичный)- давление, которое имел бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал объем, равный объему смеси той же температуры.

Точка росы - температура, при которой водяной пар в воздухе становится насыщенным.

Фаза - равновесное состояние вещества, отличающееся по физическим свойствам от других возможных состояний того же вещества. Фазы у вещества бывают: одна - газообразная, одна - жидкая и несколько твердых фаз (например, лед может находиться в пяти различных модификациях, значит, у него пять твердых фаз).

Фазовый переход - переход вещества из одной фазы в другую.

Физический смысл градиента температуры - это максимальная скорость нарастания температуры по расстоянию. Это вектор, направленный в сторону возрастания температуры, численно равный первой производной температуры по расстоянию. Измеряется градиент температуры в градусах на метр. Градиент температуры отличен от нуля, если есть разность температур.

Эжектор - устройство, повышающее скорость потока одной среды в сужающемся сечении для создания там пониженного давления и тем самым вызывающее приток туда другой среды.

Сироп -обычно раствор сахара в воде.

Рассол - обычно раствор соли в воде.

Познакомить учащихся с явлением кипения. Научить объяснять процесс кипения на основании молекулярно – кинетической теории. Рассмотреть физические особенности кипения. Определить способ расчета тепла при изучаемом процессе.

Скачать:

Подписи к слайдам:

Презентацию подготовила учитель физикиСтаркова Евгения ЕвгеньевнаМОУ Буревестниковская СОШ
Тема урока:
Какой процесс называют парообразованием?
Что такое испарение?
При какой температуре происходит испарение?
1. Почему вода из тарелки испаряется быстрее, чем из миски?
2. Почему нарушилось равновесие весов?
3. Почему через несколько дней уровень различных жидкостей стал разным?
Какой процесс называется конденсация?
Поглощается или выделяется энергия при конденсации?
Кипение-это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.
Температура кипения некоторых веществ, 0С(при нормальном атмосферном давлении)
Водород
-253
Вода
100
Кислород
-183
Ртуть
357
Молоко
100
Свинец
1740
Эфир
35
Медь
2567
Спирт
78
Железо
2750
Температура кипения зависит от давления, оказываемого на свободную поверхность жидкости
При понижении давления температура кипения жидкости уменьшается.
При увеличении давления температура кипения жидкости увеличивается.
Удельная теплота парообразования.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо чтобы обратить жидкость массой 1кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.
Удельная теплота парообразования обозначается L ,измеряется в Дж/кг
Удельная теплота парообразования некоторых веществ, ДЖ / кг(при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении)
Для превращения воды маской 1 кг в пар при температуре 100 0С требуется 2,3 * 106 Дж энергии.
Конденсируясь, пар отдает то количество энергии, которое пошло на его образование
Расчет количества теплоты, необходимого для превращения жидкости в пар
Чтобы вычислить количество теплоты, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования умножить на массу
Q=Lm
Q – количество теплоты, Дж L – удельная теплота парообразования, Дж/кг m – масса тела, кг
Количество теплоты, которое выделяет пар, конденсируясь при температуре кипения, определяется по этой же формуле
Q
3 *106 Дж
?
4,5*107 Дж
L
2,3*106 Дж/кг
2,3*106 Дж/кг
?
m
?
0,8кг
19 кг
1,3 кг
1,84 * 106 Дж
2,3 * 106 Дж/кг
На графиках показаны процессы нагревания и кипения одинаковых масс воды и спирта.
20
40
60
80
100
А
В
С
К
М
t, 0c
t, c
1. Укажите график нагревания и кипения построенный для спирта
2. Рассчитайте количество теплоты, которое поглощается в процессе МК. Массу воды считать равной 5 кг.
Учебник А.В. Перышкин§18, §20Упр. 10 № 3,4

Предварительный просмотр:

Урок физики в 8 классе.

Тема: Кипение. Удельная теплота парообразования и конденсации.

Цель урока: Познакомить учащихся с явлением кипения. Научить объяснять процесс кипения на основании молекулярно – кинетической теории. Рассмотреть физические особенности кипения. Определить способ расчета тепла при изучаемом процессе.

Демонстрации:1 .Наблюдение процесса нагревания и кипения воды в стеклянной колбе.(видео)

2 . Кипение воды при пониженном давлении (видео).

3 . Наблюдение процесса конденсации (видео).

Оборудование: компьютер, мультимедиа проектор.

Этапы урока:

1. Э тап актуализации знаний
2. Мотивационный этап
3. Этап создания нового знания
4. Этап применения полученного знания
5. Домашнее задание

Структура урока

1. Этап актуализации знаний .

Орг.момент.

Проверка домашнего задания в форме устного опроса:

Мы на прошлом уроке изучили два физических явления это испарения и конденсация. Вспомним, в чем они заключаются.

Слайд 2. Какой процесс называется парообразованием?

Что такое испарение?

При какой температуре происходит испарение?

Слайд 3. Скорость испарения зависит от несколько причин. Уточним их, ответив на следующие вопросы:

Следовательно, скорость испарения зависит:

• От площади поверхности.
• От температуры жидкости.
• От рода жидкости.

Слайд 4. Что вы видите на экране? (роса и облака ).

В результате, какого процесса образовались роса и облака?

Какой процесс называется конденсацией?

Поглощается или выделяется энергия при конденсации? (выделяется ).

1. Мотивационный этап.

Молодцы! Теперь давайте посмотрим на изображения, представленные на экране:

Слайд 5. Скажите, что вы видите? (над водой пар )

Слайд 6. Что видим здесь? (кипит вода, над водой пар )

Слайд 7. Что объединяет данные изображения? (пар )

Хорошо! На прошлом уроке мы узнали, что существует два способа перехода жидкости в газообразное состояния, испарение и кипение.

Сегодня мы рассмотрим второй способ образования пара – кипение.

1. Этап создания нового знания.

Слайд 8. Демонстрирую видео с опытом «Нагревание и кипение воды в стеклянной колбе».

При нагревании испарение воды с поверхности усиливается, иногда даже можно заметить над ней туман. Это водяной пар конденсируется в воздухе при охлаждении.

При дальнейшем повышении температуры мы заметим появления в воде многочисленных мелких пузырьков. Их размеры постепенно растут. Это пузырьки воздуха, который растворен в воде. При нагревании излишек воздуха выделяется из воды в виде пузырьков. В них содержится насыщенный пар, так как вода испаряется внутрь этих пузырьков воздуха.

По мере дальнейшего нагревания воды пузырьки становятся крупнее и многочисленнее. С ростом размеров пузырьков возрастает и архимедова сила, выталкивающая их из воды, и они всплывают. В этот момент слышен шум, предшествующий обычно кипению. При определенной температуре с приближением к поверхности жидкости объем пузырьков резко возрастает. На поверхности они лопаются, и находящийся в них насыщенный пар выходит в атмосферу – вода кипит.

Убираем спиртовку из под колбы. Что наблюдаем? (кипение прекращается )

Для продолжения кипения необходимо подводить энергию к кипящей жидкости.

Слайд 9. Кипение-это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре. (запись в тетрадь )

Температуру, при которой жидкость кипит, называется температурой кипения. (запись в тетрадь )

Слайд 10. Во время кипения температура жидкости не меняется.

У различных жидкостей температура кипения различна.

Слайд 11. Температура кипения зависит от давления, оказываемого на свободную поверхность жидкости.

Демонстрирую видео с опытом «Кипение при пониженном давлении»

При понижении давления температура кипения жидкости уменьшается

(В горных районах на значительной высоте при пониженном атмосферном давлении вода кипит при температурах ниже чем 100 градусов Цельсия. Ждать, пока сварится такой обед, приходится дольше.)

При увеличении давления температура кипения жидкости увеличивается

(При приготовлении пищи давление внутри кастрюли - "скороварки" - около 200 кПа, и суп в такой кастрюле сварится значительно быстрее).

Слайд 12. Удельная теплота парообразования.

Слайд 13. Удельная теплота парообразования у разных веществ различна.

Слайд 14. Соприкасаясь с холодным предметом, водяной пар конденсируется. При этом выделяется энергия, поглощенная при образовании пара.

Демонстрирую видео с опытом «Наблюдение процесса конденсации».

Конденсируясь, пар отдает то количество энергии, которое пошло на его образование.

Слайд 15. Расчет количества теплоты, необходимого для превращения жидкости в пар.

1. Этап применения полученных знаний.

(После изложения нового материала целесообразно провести закрепляющие задания)

Слайд 16.

Работа с формулой для вычесления количества теплоты, необходимого для превращения в пар жидкости любой массы

Q = Lm.

Ответы:

Слайд 17. Работа с графиками.

Итог . Сегодня на уроке мы познакомились с явлением кипения. Научились объяснять процесс кипения на основании молекулярно – кинетической теории. Рассмотрели физические особенности кипения и определили способ расчета тепла при изученном процессе.

1. Домашнее задание

(Учитель отмечает наиболее активных учеников, выставляет оценки)