От воды к пару
Передавай энергию 0,1 кг воды. Отметь, где заканчивается нагрев и начинается кипение.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Начально вода при 20 °C, нормальное давление. c = 4200 Дж/(кг·°C), L = 2260 кДж/кг. После полного испарения расчёт нагрева пара не выполняется; показан предел 259,6 кДж.
Пузырьки во всём объёме
Кипение — интенсивное парообразование с ростом пузырьков пара внутри жидкости и их выходом на поверхность. Испарение с поверхности продолжается одновременно. Ранние мелкие пузырьки при нагревании воды могут содержать выделяющийся растворённый воздух.
Устойчивый рост пузырька возможен, когда давление пара достаточно для преодоления давления окружающей жидкости. Поэтому температура кипения зависит от внешнего давления. Для воды 100 °C — условие нормального атмосферного давления, а не неизменное свойство при любом давлении.
| Испарение | Кипение |
|---|---|
| С поверхности | С образованием растущих пузырьков в объёме |
| Возможно при разных температурах | Определённая температура при заданном давлении |
| Может идти незаметно | Наблюдается интенсивное парообразование |
Температура кипения зависит от давления.
Почему вода в горах кипит при меньшей температуре?
Атмосферное давление ниже. Пузырьки получают возможность устойчиво расти при меньшем давлении насыщенного пара и меньшей температуре.
Энергия на превращение в пар
Удельная теплота парообразования L — энергия, необходимая для превращения 1 кг жидкости в пар при заданной температуре. При кипении Q = Lm. Для воды при 100 °C используем L = 2,26·10⁶ Дж/кг.
При конденсации такой же массы пара при тех же условиях выделяется равная по модулю энергия. Табличное L относится к определённой температуре; переносить численное значение на любые условия без оговорок нельзя.
Qпар = Lm
Энергия фазового перехода
Lводы при 100 °C
2,26 МДж/кг
Конденсация
Выделяется энергия того же модуля
Парообразование поглощает энергию, конденсация выделяет её.
Почему пар при 100 °C передаёт больше энергии при охлаждении, чем столько же воды при 100 °C?
Сначала пар может сконденсироваться, выделив Lm, а затем полученная вода остывает. У исходной жидкой воды этапа конденсации нет.
Металлический чайник
Во время кипения энергия продолжает поступать и превращает воду в пар.
পাপৰি বৰা · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Жидкостный термометр
Температура кипения требует указания давления; число 100 °C не универсально.
Rama · CC BY-SA 3.0 fr · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Нагрев и кипение считаем отдельно
Чтобы превратить 0,1 кг воды при 20 °C в пар при 100 °C, сначала требуется Q₁ = 4200·0,1·80 = 33 600 Дж = 33,6 кДж. На испарение при кипении: Q₂ = 2260·0,1 = 226 кДж. Полная энергия — 259,6 кДж без потерь.
После начала кипения увеличение полезной мощности нагревателя в первую очередь ускоряет превращение жидкости в пар. Температура чистой кипящей жидкости при постоянном давлении остаётся приблизительно постоянной, пока жидкость ещё есть.
Вода 20 → 100 °C
Q₁ = cmΔt
Вода → пар при 100 °C
Q₂ = Lm
Итог
Q = Q₁ + Q₂
В задаче нужно разделить нагрев до кипения и само парообразование.
Можно ли всю энергию вычислить как cm·80?
Нет. Это только нагрев воды. Для превращения в пар требуется дополнительно Lm, обычно значительно больше.
Давление, охлаждение и применение
При повышенном давлении температура кипения воды становится выше, что используется в герметичных устройствах, рассчитанных на такое давление. При уменьшении давления жидкость может кипеть при более низкой температуре. Самодельные герметичные нагреваемые сосуды опасны.
Конденсация переносит значительную энергию к более холодной поверхности. Поэтому теплообмен с паром может быть интенсивным. В модели давление не вычисляется: график относится к воде при нормальном атмосферном давлении и постоянным учебным значениям c и L.
Ниже давление
Ниже температура кипения
Выше давление
Выше температура кипения
Конденсация
Передача энергии поверхности
Число 100 °C всегда сопровождают условием о давлении.
Почему белое облачко над водой не является самим газообразным паром?
Водяной пар невидим. При охлаждении часть его конденсируется в мелкие капли, которые рассеивают свет и становятся видимыми.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 8 класс», § 11. Тема и содержание сверены с файлом «8 класс. Физика — § 11. Удельная теплота.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Число частиц, размеры и цвета учебных схем условны.