1. На что расходуется количество теплоты, подводимое к жидкости при кипении
При кипении подводимое количество теплоты расходуется на разрыв связей между молекулами жидкости, чтобы превратить её в пар. Этот процесс сопровождается изменением агрегатного состояния, но температура жидкости остаётся постоянной.
2. Что называют удельной теплотой парообразования?
Удельной теплотой парообразования называют количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости в пар при постоянной температуре кипения.
3. Какова единица удельной теплоты парообразования?
Единица удельной теплоты парообразования в Международной системе единиц (СИ) — Дж/кг (джоуль на килограмм).
4. Опишите опыт, который показывает, что при конденсации пара выделяется энергия.
Опыт, показывающий выделение энергии при конденсации пара, можно провести, подержав над горячим паром холодный предмет. Когда пар конденсируется на его поверхности, выделяющееся тепло можно ощутить как нагревание предмета. Это демонстрирует, что энергия, поглощённая в процессе испарения, возвращается при конденсации.
5. Как рассчитать количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар при температуре кипения?
Количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар при температуре кипения, рассчитывают по формуле: Q = m * L, где Q — количество теплоты (Дж), m — масса жидкости (кг), L — удельная теплота парообразования (Дж/кг).
1. На сколько внутренняя энергия паров эфира при температуре 35 °C и нормальном атмосферном давлении больше внутренней энергии жидкого эфира той же массы при той же температуре?
Внутренняя энергия пара больше за счёт фазового перехода (испарения). Энергия, добавленная к жидкости для превращения в пар, равна удельной теплоте парообразования, умноженной на массу: Q=L⋅m, где L — удельная теплота парообразования, m — масса эфира. В данном случае значение L эфира можно взять из справочных данных.
2. На рисунке 45 приведён график зависимости температуры воды от времени её нагревания. Каким процессам соответствуют участки графика АВ, ВС, CD, DE, EF?
AB: Нагрев жидкости до температуры кипения. BC: Кипение жидкости, её превращение в пар (температура остаётся постоянной). CD: Нагрев пара после испарения жидкости. DE: Остывание пара до конденсации. EF: Конденсация пара (обратный переход в жидкость).
3. На рисунке 46 приведены графики зависимости температуры от времени для двух жидкостей одинаковой массы, нагреваемых на горелках одинаковой мощности. Удельная теплота парообразования какой жидкости больше?
График с большей длиной горизонтального участка (процесс кипения) показывает жидкость с большей удельной теплотой парообразования, так как большее количество теплоты требуется для испарения всей массы жидкости при одинаковой мощности нагревателя. Для жидкостей:
График 1: Удельная теплота меньше. График 2: Удельная теплота больше.
1. Почему внутренняя энергия водяного пара при температуре 100 °C больше, чем внутренняя энергия воды той же массы при той же температуре?
Внутренняя энергия водяного пара при температуре 100 °C больше, чем у воды той же массы и температуры, потому что водяной пар — это газ, а вода — жидкость. В состоянии пара молекулы находятся на большем расстоянии друг от друга и обладают большей потенциальной энергией, связанной с преодолением межмолекулярных сил при испарении. Кроме того, для превращения воды в пар при 100 °C необходимо затратить теплоту парообразования, которая добавляет энергию молекулам пара.
2. Какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы 2 кг спирта, взятого при температуре 20 °C, обратить в пар при температуре кипения?
Для нагревания спирта до температуры кипения используется формула: Q₁ = c * m * (t₂ - t₁), где: c = 2500 Дж/кг·°C (удельная теплоёмкость спирта), m = 2 кг (масса спирта), t₁ = 20°C (начальная температура), t₂ = 78°C (температура кипения). Q₁ = 2500 * 2 * (78 - 20) = 2500 * 2 * 58 = 290000 Дж = 290 кДж.
Для испарения спирта используем формулу: Q₂ = L * m, где: L = 9 * 10⁵ Дж/кг (удельная теплота парообразования спирта), m = 2 кг. Q₂ = 9 * 10⁵ * 2 = 18 * 10⁵ Дж = 1800 кДж.
Общее количество теплоты: Q = Q₁ + Q₂ = 290000 + 1800000 = 2090000 Дж = 2,09 МДж. Ответ: 2,09 МДж.
3. Назовите процессы, которые надо осуществить, чтобы: а) воду, взятую при температуре 20 °C, превратить в пар, имеющий температуру 120 °C; б) эфир, взятый при температуре 125 °C, охладить до температуры 20 °C. (Атмосферное давление нормальное.)
а) Чтобы воду при 20 °C превратить в пар с температурой 120 °C, нужно выполнить три процесса:
Нагреть воду от 20 °C до 100 °C (температура кипения воды). Испарить воду при температуре 100 °C (превратить в водяной пар). Нагреть образовавшийся пар от 100 °C до 120 °C. б) Чтобы охладить эфир при 125 °C до 20 °C, нужно провести следующие процессы:
Охладить эфир в газообразном состоянии от 125 °C до температуры его конденсации (34 °C). Конденсировать эфир (превратить из пара в жидкость) при температуре 34 °C. Охладить жидкий эфир от 34 °C до 20 °C.
Для каждого случая постройте примерный график зависимости температуры вещества от количества теплоты, полученного от нагревателя или отданного окружающим телам.
4. В кастрюле бурно кипит вода. В неё помещают меньшую кастрюлю с водой, нагретой до температуры 100 °C. Закипит ли вода в малой кастрюле?
Вода в малой кастрюле не закипит, несмотря на то, что она нагрета до 100 °C. Причина в том, что температура кипения воды в нормальных условиях составляет 100 °C, и для кипения необходим дополнительный приток тепла, чтобы преодолеть силы притяжения между молекулами воды.
Однако большая кастрюля с бурно кипящей водой обеспечивает лишь поддержание температуры 100 °C, но не передаёт достаточно тепла для интенсивного кипения воды в малой кастрюле. Таким образом, кипение в малой кастрюле не начнётся.
5*. В парниковых хозяйствах для уничтожения личинок вредителей грунт обрабатывают горячим водяным паром. Определите расход пара на кубометр грунта (масса пара, необходимая для нагревания 1 м3 грунта), если грунт надо нагреть от 15 до 95 °C. Плотность грунта в среднем равна 1,8 г/сь3—средняя удельная теплоёмкость грунта 800Дж/кг*°C, температура используемого пара 100 °C.
Для решения задачи используется уравнение теплового баланса. Грунт нагревается паром, который конденсируется и отдает энергию нагреву грунта. Уравнение баланса выражается как:
m(λ + C₁ΔT₁) = ρVС₂ΔT₂,
где:
λ = 2256000 Дж/кг — удельная теплота парообразования воды, C₁ = 4200 Дж/(кг·°C) — удельная теплоёмкость воды, ΔT₁ = 100 - 95 = 5°C — разница температур пара при охлаждении до температуры грунта, C₂ = 800 Дж/(кг·°C) — удельная теплоёмкость грунта, ΔT₂ = 95 - 15 = 80°C — нагрев грунта, ρ = 1800 кг/м³ — плотность грунта, V = 1 м³ — объём грунта, m — масса пара. Выражаем m: m = ρVС₂ΔT₂ / (λ + C₁ΔT₁).
Подставляем значения: m = 1800 * 1 * 800 * 80 / (2256000 + 4200 * 5).
Сначала считаем знаменатель: 2256000 + 4200 * 5 = 2256000 + 21000 = 2277000.
Теперь числитель: 1800 * 800 * 80 = 115200000.
Делим числитель на знаменатель: m = 115200000 / 2277000 ≈ 50,6 кг.
Окончательно округляем до двух знаков: m ≈ 50 кг.
Ответ: Для нагревания 1 м³ грунта потребуется примерно 50 кг пара.
6*. В сосуд с водой, взятой при температуре 0 °C, впустили водяной пар массой 1 кг при температуре 100 °C. Спустя некоторое время в сосуде установилась температура 20 °C. Какова первоначальная масса воды в сосуде? Теплообмен с окружающей средой не происходит.
Для решения используем уравнение теплового баланса: тепло, выделяемое паром, равно теплу, которое поглощает вода.
Обозначим: m₁ — масса воды, которую ищем (кг), m₂ = 1 кг — масса пара, λ = 2256000 Дж/кг — удельная теплота парообразования, с = 4200 Дж/кг·°C — удельная теплоёмкость воды и конденсата, t₁ = 0°C — начальная температура воды, t₂ = 100°C — температура пара, t₃ = 20°C — конечная температура воды и конденсата.
Тепло, выделяемое паром: Qₚ = m₂λ + m₂с(t₂ - t₃).
Тепло, поглощаемое водой: Qₐ = m₁с(t₃ - t₁).
Уравнение баланса: Qₚ = Qₐ.
Подставляем: m₂λ + m₂с(t₂ - t₃) = m₁с(t₃ - t₁).
Вычисляем: 1·2256000 + 1·4200·(100 - 20) = m₁·4200·(20 - 0), 2256000 + 4200·80 = m₁·4200·20, 2256000 + 336000 = m₁·84000, 2592000 = m₁·84000.
Находим m₁: m₁ = 2592000 / 84000 = 30,86 кг.
Ответ: начальная масса воды — 30,86 кг.
Придумайте несколько задач, используя данные таблиц 7 и 8. Обменяйтесь с товарищем условиями задач и решите их.
Задача на определение количества теплоты, необходимого для испарения вещества: Сколько энергии потребуется для испарения 2 кг эфира при нормальном атмосферном давлении?
Задача на сравнение удельной теплоты парообразования: Какое количество теплоты нужно, чтобы полностью испарить 1 кг воды? Во сколько раз больше энергии требуется для этого, чем для испарения 1 кг ртути?
Задача на расчет массы испаряющейся жидкости: При нагревании спирта выделилось 1,8 * 10⁶ Дж энергии. Какое количество спирта испарилось при этом?
Задача на использование данных двух таблиц: На рисунке 46 график 1 соответствует жидкости с большей удельной теплотой парообразования. Какой из приведённых в таблице веществ может соответствовать каждому графику?
Решение одной задачи:
Для задачи 1:
Дано: Масса эфира, m = 2 кг Удельная теплота парообразования эфира, L = 0,4 * 10⁶ Дж/кг
Количество теплоты Q = m * L Q = 2 * 0,4 * 10⁶ = 0,8 * 10⁶ Дж = 800 кДж.
Ответ: Для испарения 2 кг эфира потребуется 800 кДж энергии.