Питома теплота пароутворення — визначення, формули

Питома теплота пароутворення (ПТП) – чисельна величина, що характеризує кипіння і конденсацію. Вона безпосередньо пов’язана із залежністю температури кипіння від тиску.

Необхідно повністю розібратися в особливостях протікання процесу виділення пари, щоб зрозуміти, який фізичний сенс має питома теплота пароутворення.

Процес кипіння

Кипіння – це один з основних різновидів інтенсивного пароутворення, що відбувається при підвищенні температури рідини. Нагрівання відбувається не тільки на поверхні рідинної речовини, але і всередині неї. Теплота, що виділилася, розподіляється нерівномірно:

• велика частина йде на поділ молекул речовини;
• менша частина витрачається на роботу, яка здійснюється при розширенні частинок пари.

В результаті внутрішня енергія газоподібної речовини стає набагато більше внутрішньої енергії рідини.

Сам процес кипіння являє собою процедуру переходу рідинної речовини в пар.

Для наочного опису нагрівання речовини і її переходу з першого агрегатного стану в інший використовуються графіки функцій. Протягом переходу відбувається випаровування з перетворенням повітряних бульбашок.

Розміри бульбашок визначаються їх власною формою і місцем розташування. Якщо вони утворилися на дні судини, то їх величина і одиниці визначаються змочуваністю стінок цієї ємності. Чим більш неоднорідна поверхня судини, тим більше розмір бульбашок повітря.

При перевищенні допустимих розмірів бульбашка починається лопатися. Під час цього процесу утворюються розриви і завихрення. Рідина, з якої складається оболонка повітряної бульбашки, направляється всередину.

Стовпчик рідини викидається вгору, створюючи звукові хвилі різної частоти. Вони супроводжуються рясним шумом. Цей режим кипіння іменується бульбашковим.

А також існує плівковий режим кипіння. Він настає при збільшенні теплових потоків до гранично допустимих значень. Навколо стінок посудини утворюється суцільний шар пари, що являє собою безперервну плівку.

Вона не здатна проводити велику кількість тепла. Вся температура накопичується навколо неї, через що відбувається різке підвищення температури. Подібний ефект можна спостерігати при попаданні крапель води на розпечену поверхню.

У деяких випадках рідина може переходити з одного режиму кипіння в інший. Це може статися при різкій зміні величини теплового потоку, що виникає під час передачі внутрішньої енергії.

Якщо він перевищив критичну позначку, що встановлюється індивідуально для кожної речовини, то бульбашковий режим утворення пари автоматично змінюється на плівковий. Зворотний процес відбувається при повторному зниженні значень теплового потоку. На швидкість змінюваності режимів також впливає об’єм рідини, що нагрівається.

Особливості реакції

Процес пароутворення можна детально розглянути на прикладі кипіння води. Для проведення досліду знадобиться 1 л рідини кімнатної температури.

На самому початку експерименту вода насичена киснем. Нагрівання слід проводити в чайнику або іншій ємності схожої будови. Для підтримки кипіння води потрібно постійно підводити теплоту.

Виділяють наступні стадії кипіння:

• На початку нагрівання починають утворюватися повітряні бульбашки. Вони з’являються, головним чином, на дні чайника і поверхні води поруч з його стінками. Слід зазначити, що їх утворення відбувається задовго до процесу кипіння. Перша стадія супроводжується неголосним скрипучим звуком.
• Під час другої стадії відбувається збільшення обсягу бульбашок повітря. Згодом їх кількість починає підвищуватися з геометричною прогресією. Поступово звук, що супроводжує процедуру пароутворення, починає ставати голосніше.
• Роздуті бульбашки поступово підіймаються на поверхню з дна чайника. Потім швидкість їх руху збільшується. В результаті стрімкого підняття бульбашок змінюється колір води. Вона стає каламутною або блідою. Цей процес іменується “білим ключем”. Третя стадія кипіння триває протягом хвилини. Вона супроводжується помірним шумом.
• Остання стадія пароутворення супроводжується інтенсивним бурлінням води. Бульбашки остаточно досягають поверхні і починають поступово лопатися, викидаючи маленькі потоки рідини. Звук стає надзвичайно гучним і нерівномірним. Ударні хвилі починають спрямовуватися в атмосфери. Відбиваючись від стінок чайника, вони видають гучний шум, сповіщаючи про те, що вода досягла своєї критичної точки кипіння, яка дорівнює 100 °C. Варто відзначити, подальше підвищення температурного режиму не відбувається.

Якщо під час експерименту людина збільшить величину теплових потоків, то рідина тільки  посилить інтенсивність кипіння рідини, але не температуру.

Залежність температури від тиску

Процес пароутворення інших рідин відбуваються аналогічно кипінню води. Єдиною відмінністю є різні показники кипіння речовини. Температура кипіння прямо пропорційна тиску (при збільшенні тиску вона стає більше, при зменшенні вона автоматично знижується).

При вирішенні фізичних завдань градус кипіння задається при стандартному атмосферному тиску.

Залежність температури кипіння від тиску лежить в основі роботи скороварок. Це пристосування збільшує атмосферний тиск для швидкого приготування. Зворотний ефект можна спостерігати в горах. На великій висоті величина тиску зменшується у 2 рази, що ускладнює процедуру приготування їжі для альпіністів.

Різниця температур кипіння рідин активно використовується при перероблюванні нафти. До її складу входить величезна кількість:

• гасу;
• бензину;
• мазуту;
• лігроїну.

При створенні нафтопродуктів необхідно відокремити компоненти один від одного. Для цього сиру речовину починають нагрівати. При досягненні температури кипіння одна з рідин починає випаровуватися. Таким чином, відокремивши зайві елементи, можна зробити склад нафти однорідним.

Процес конденсації

При конденсації газоподібна речовина переходить в рідкий стан. Це явище виникає за умови, що температура речовини нижче температури кипіння. Під час конденсації виділяється стільки ж енергії, скільки і під час випаровування.

Прикладом цього процесу може служити:

• утворення роси;
• іній;
• сніг або дощ.

Конденсація також може відбуватися як в плівковому, так і крапельному вигляді. Вона здатна здійснюватися і під час пароутворення рідини. Частинки пари при переміщенні над поверхнею рідини починають лопатися і повертаються в рідкий стан.

Якщо ж молекули пари не вступають в прямий контакт з рідкою речовиною, то конденсація відбувається в результаті охолодження газу в верхніх шарах атмосфери.

Краплі конденсату починають об’єднуватися в невеликі скупчення. Прикладом подібного явища є процес утворення хмар на небі.

Призначення і застосування

Найважливішою характеристикою процесу кипіння і конденсації є питома теплота пароутворення. Вона показує кількість теплоти, необхідне для перетворення 1 кг рідинної речовини в пар.

Ця величина розраховується без урахування втрат теплоти. Теплоємність вимірюється шляхом визначення кількості теплоти, яке було витрачено за період нагрівання рідини до температури кипіння.

У сучасній фізиці вона позначається буквою L (лямбда). Вимірюється ця характеристика в Дж/кг. У наступній таблиці представлені значення питомої теплоти пароутворення для основних рідин:

Питома теплота перетворення застосовується у виробничих масштабах. З її допомогою відбувається створення залізних матеріалів і плавлення заліза. Коли цей метал знаходиться в рідкому стані, він має кристалічну решітку. За її допомогою майстер визначає кількість теплоти, необхідну для нагрівання заліза, не впливаючи на стан її кристалічної решітки.

У нафтовому секторі також застосовується теплота пароутворення, що характеризує обладнання для переробки нафти.