1. Объясните на основе МКТ, как происходит процесс кипения.
Процесс кипения можно объяснить с помощью молекулярно-кинетической теории (МКТ), которая утверждает, что молекулы в жидкости находятся в постоянном движении и обладают разной кинетической энергией. Когда жидкость нагревается, её молекулы начинают двигаться быстрее. При достижении определенной температуры, называемой температурой кипения, молекулы в жидкости получают достаточно энергии, чтобы преодолеть силы притяжения между ними и выйти на поверхность в виде пара. Это происходит не только на поверхности жидкости, но и внутри неё, где образуются пузырьки пара, что и характеризует кипение.
2. Какой процесс называют кипением?
Кипение — это процесс, при котором жидкость превращается в пар, при этом пар образуется не только на поверхности, но и внутри жидкости, когда её температура достигает определенного значения (температуры кипения). Этот процесс происходит, когда давление насыщенного пара в жидкости становится равным внешнему давлению, и молекулы начинают активно переходить в газообразное состояние.
3. Что называют температурой кипения жидкости?
Температурой кипения жидкости называют такую температуру, при которой давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению. При достижении этой температуры жидкость начинает бурно превращаться в пар.
4. Сформулируйте условие кипения.
Условие кипения можно сформулировать так: для того чтобы жидкость начала кипеть, температура жидкости должна достичь температуры кипения, при которой давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению. Это условие обязательно для процесса кипения, и оно зависит как от температуры, так и от давления, которое действует на жидкость.
1. Охарактеризуйте каждый участок графика на рисунке 43.
На первом участке графика видно, что происходит постепенное нагревание воды, в течение которого температура повышается с 20 °C до 100 °C. Температура увеличивается на 80 °C, что указывает на поступление тепла и его передачу воде. На втором участке, начиная с момента, когда температура достигает 100 °C, начинается процесс кипения. Во время кипения температура остается постоянной при 100 °C, несмотря на продолжение подачи тепла. Это отображено горизонтальной линией на графике, которая идет параллельно оси времени τ и указывает на неизменность температуры в процессе кипения.
2. В кондитерском производстве раствор сахара надо выпаривать при температуре ниже 100 °C (иначе он пригорает). Как этого достичь?
Чтобы выпарить сахар при температуре ниже 100 °C, можно снизить атмосферное давление, чтобы температура кипения жидкости также снизилась. Это можно сделать с помощью вакуумного испарителя. Вакуум снижает давление, что позволяет жидкости кипеть при более низкой температуре. Такой способ широко используется в пищевой промышленности, чтобы предотвратить пригорание и сохранить полезные свойства продукта.
1. Из чайника выкипела почти вся вода. В некоторый момент времени массы воды и пара в нём оказались равными. Их температура 100 °C. Можно ли утверждать, что внутренняя энергия пара и внутренняя энергия воды одинаковы?
Нельзя утверждать, что внутренняя энергия пара и внутренняя энергия воды одинаковы, даже если их масса и температура равны. Несмотря на одинаковую температуру (100 °C), молекулы воды в жидкости и паре находятся в разных состояниях. Вода в виде жидкости имеет более плотную структуру, а молекулы пара находятся в более разреженном состоянии. Поэтому внутренняя энергия пара будет значительно выше, чем у воды, так как молекулы пара обладают большей кинетической энергией, а также запасают энергию на преодоление скрытого тепла парообразования (энергия, необходимая для превращения жидкости в пар).
2. Где кипящая вода горячее — на уровне моря, на высокой горе или в глубокой шахте? Ответ обоснуйте.
Кипящая вода будет горячее на уровне моря, поскольку давление атмосферного воздуха на уровне моря выше, чем на большой высоте или в шахте. Температура кипения жидкости зависит от давления: чем выше давление, тем выше температура кипения. На уровне моря давление атмосферного воздуха максимальное, и вода кипит при 100 °C. На большой высоте, например, на горе, давление атмосферного воздуха ниже, и температура кипения воды также будет ниже 100 °C. В глубокой шахте, наоборот, давление значительно выше, и вода будет кипеть при температуре, превышающей 100 °C.
3. В закрытом сосуде спирт закипел при температуре 50 °C. Что можно сказать о давлении в сосуде?
Если спирт закипел при температуре 50 °C, это означает, что давление в сосуде было ниже обычного атмосферного давления, так как температура кипения жидкости зависит от давления. Для спирта нормальная температура кипения при атмосферном давлении составляет около 78 °C. Следовательно, при температуре 50 °C давление в сосуде ниже, чем атмосферное, что и приводит к более низкой температуре кипения.
4. На одной координатной плоскости изобразите примерные графики зависимости температуры от времени при нагревании и кипении воды и спирта одинаковой массы. Жидкости нагреваются на одинаковых горелках.
Если изобразить графики зависимости температуры от времени при нагревании и кипении воды и спирта, то получится два графика, каждый из которых будет представлять собой два этапа. На первом этапе — нагрев жидкости (вода или спирт) до температуры кипения. На втором этапе — стабильное кипение, когда температура остается постоянной, несмотря на подачу тепла, так как энергия уходит на преобразование жидкости в пар. Для воды, с учетом её нормальной температуры кипения при атмосферном давлении (100 °C), график будет выглядеть так: сначала плавное повышение температуры, а затем горизонтальная линия, показывающая кипение при 100 °C, пока вся вода не превратится в пар.
Для спирта, который закипает при более низкой температуре (примерно 78 °C), график будет иметь такой же вид, но линия кипения будет проходить при этой более низкой температуре. Спирт будет нагреваться быстрее, так как температура кипения ниже, и процесс кипения наступает раньше.
5. В кастрюле кипит вода и варится картофель. Чтобы ускорить варку, девочка увеличила подачу газа в горелку в 4 раза. Быстрее ли сварится картофель?
Если девочка увеличила подачу газа в горелку в 4 раза, это не означает, что картофель сварится быстрее. Ускорение подачи тепла действительно повысит скорость нагрева воды до температуры кипения, но сам процесс варки картофеля будет зависеть от того, сколько энергии потребуется для переваривания картофеля при постоянной температуре кипения. При этом температура воды в кастрюле не превысит 100 °C (при нормальном давлении), и ускорение этого процесса вряд ли повлияет на время варки картофеля, поскольку температура воды не изменится, а значит, процесс варки будет зависеть от времени, необходимого для достижения нужной степени готовности картофеля.
6*. Ртуть кипит при температуре 357 °C, однако ртутные термометры применяют для измерения и более высоких температур. Почему это возможно?
Ртуть кипит при температуре 357 °C, но ртутные термометры могут использоваться для измерения более высоких температур, потому что в этих термометрах ртуть находится в закрытом сосуде и в процессе измерения не закипает. Когда температура в термометре повышается, ртуть расширяется, и её уровень поднимается в капилляре. Однако, для того чтобы ртуть закипела, необходимо, чтобы её температура достигла 357 °C. Температура окружающей среды в термометре обычно гораздо ниже этой точки кипения, а значит, ртуть не закипает и не превращается в пар, даже если измеряемая температура больше её точки кипения.
В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. Предложите способ, как это можно сделать.
Для получения кислорода из воздуха промышленным способом применяют процесс, называемый фракционной дистилляцией воздуха. Сначала воздух сжимается и охлаждается, затем происходит его разделение на компоненты, так как воздух состоит из нескольких газов, включая кислород, азот и аргон. При охлаждении воздух превращается в жидкость, и затем, постепенно нагревая, можно разделить жидкий воздух на фракции, испаряясь с разной температурой кипения. Кислород, имеющий более высокую точку кипения (примерно -183 °C), остаётся в жидком состоянии, в то время как азот, который кипит при более низкой температуре, испаряется первым. Этот процесс позволяет получить чистый кислород.