Graficul de evaporare și condensare. Tranziții de fază. Topire și cristalizare
Teme USE codificator : schimbarea state agregate substanțe, topire și cristalizare, evaporare și condensare, fierbere lichid, schimbarea energiei în tranziții de fază.
Gheața, apa și vaporii de apă sunt exemple de trei state agregate substanțe: solide, lichide și gazoase. Ce fel de stare agregată se află o anumită substanță depinde de temperatura ei și de alte condiții externe în care se află.
Când condițiile externe se schimbă (de exemplu, dacă energia internă a corpului crește sau scade ca urmare a încălzirii sau răcirii), pot apărea tranziții de fază - modificări ale stărilor agregate ale substanței corpului. Ne vor interesa următoarele tranziții de fază.
Topire(lichid solid) și cristalizare(lichidul este un solid).
Generare de abur(vapori lichidi) și condensare(vapor lichid).
Topire și cristalizare
Cele mai multe solide sunt cristalin, adică avea rețea cristalină- un aranjament strict definit, care se repetă periodic a particulelor sale în spațiu.
Particulele (atomii sau moleculele) unui solid cristalin efectuează vibrații termice în apropierea pozițiilor fixe de echilibru - noduri rețea cristalină.
De exemplu, nodurile rețelei cristaline sare de masă- acestea sunt vârfurile celulelor cubice din „hârtie tridimensională în carouri” (vezi Fig. 1, în care bile mai mari denotă atomi de clor (imagine de pe site-ul en.wikipedia.org.)); dacă apa se lasă să se evapore din soluția de sare, sarea rămasă va fi o grămadă de cuburi mici.
Orez. 1. Rețea cristalină
Prin topire se numește transformarea unui solid cristalin într-un lichid. Puteți topi orice corp - pentru aceasta trebuie să îl încălziți punct de topire, care depinde doar de substanța corpului, dar nu și de forma sau dimensiunea acestuia. Punctul de topire al unei substanțe date poate fi determinat din tabele.
Dimpotrivă, dacă răciți un lichid, mai devreme sau mai târziu acesta va intra în stare solidă. Transformarea unui lichid într-un solid cristalin se numește cristalizare sau întărire... Astfel, topirea și cristalizarea sunt procese reciproc inverse.
Temperatura la care lichidul cristalizează se numește temperatura de cristalizare... Se dovedește că temperatura de cristalizare este egală cu temperatura de topire: la această temperatură, pot avea loc ambele procese. Deci, când gheața se topește, iar apa se cristalizează; ce anume apare în fiecare caz specific - depinde de condițiile externe (de exemplu, dacă căldura este furnizată substanței sau îndepărtată din aceasta).
Cum are loc topirea și cristalizarea? Care este mecanismul lor? Pentru a înțelege esența acestor procese, să luăm în considerare graficele dependenței temperaturii corpului de timp în timpul încălzirii și răcirii - așa-numitele grafice ale topirii și cristalizării.
Program de topire
Să începem cu graficul de topire (Fig. 2). Fie că în momentul inițial de timp (punctul din grafic) corpul este cristalin și are o anumită temperatură.
Orez. 2. Programul de topire
Apoi, căldura începe să fie furnizată corpului (de exemplu, corpul a fost plasat într-un cuptor de topire), iar temperatura corpului crește la o valoare - punctul de topire al substanței date. Aceasta este o secțiune a graficului.
La fața locului, corpul primește cantitatea de căldură
unde este capacitatea termică specifică a unei substanțe solide, este masa corpului.
Când se atinge punctul de topire (într-un punct), situația se schimbă calitativ. În ciuda faptului că căldura continuă să fie furnizată, temperatura corpului rămâne neschimbată. Pe site exista topire corp - trecerea sa treptată de la o stare solidă la o stare lichidă. În interiorul site-ului avem un amestec de solid și lichid, iar cu cât mai aproape de punct, cu atât rămâne mai puțin solid și apare mai mult lichid. În cele din urmă, în punctul din solidul original nu a mai rămas nimic: s-a transformat complet într-un lichid.
Zona corespunde încălzirii în continuare a lichidului (sau, după cum se spune, topi). În această zonă, lichidul absoarbe cantitatea de căldură
unde este căldura specifică a lichidului.
Dar acum ne interesează cel mai mult secțiunea de tranziție de fază. De ce temperatura amestecului nu se modifică în această zonă? Caldura este furnizata!
Să revenim la începutul procesului de încălzire. O creștere a temperaturii unui solid într-o secțiune este rezultatul unei creșteri a intensității oscilațiilor particulelor sale în nodurile rețelei cristaline: căldura furnizată este utilizată pentru a crește cinetică energia particulelor corpului (de fapt, o parte din căldura furnizată este cheltuită pentru a lucra pentru a crește distanța medie dintre particule - după cum știm, corpurile se extind atunci când sunt încălzite. Cu toate acestea, această parte este atât de mică încât poate fi ignorată.).
Rețeaua cristalină se slăbește din ce în ce mai mult, iar la temperatura de topire intervalul de oscilații atinge valoarea limită la care forțele de atracție dintre particule sunt încă capabile să asigure aranjarea lor ordonată unele față de altele. Solidul începe să „crape la cusături”, iar încălzirea suplimentară distruge rețeaua cristalină - așa începe topirea la fața locului.
Din acest moment, toată căldura furnizată începe să lucreze pentru a rupe legăturile care țin particulele în nodurile rețelei cristaline, adică. a creste potenţial energiile particulelor. În acest caz, energia cinetică a particulelor rămâne aceeași, astfel încât temperatura corpului să nu se modifice. În acel moment, structura cristalină dispare complet, nu mai este nimic de distrus, iar căldura furnizată este din nou folosită pentru a crește energia cinetică a particulelor - pentru a încălzi topitura.
Căldura specifică de fuziune
Deci, pentru transformarea unui solid într-un lichid, nu este suficient să-l aduceți la punctul de topire. Este necesar suplimentar (deja la punctul de topire) să se imparte o anumită cantitate de căldură corpului pentru distrugerea completă a rețelei cristaline (adică, pentru trecerea secțiunii).
Această cantitate de căldură este utilizată pentru a crește energia potențială a interacțiunii particulelor. În consecință, energia internă a topiturii într-un punct este mai mare decât energia internă a unui solid într-un punct cu o cantitate.
Experiența arată că valoarea este direct proporțională cu greutatea corporală:
Coeficientul de proporționalitate nu depinde de forma și dimensiunea corpului și este o caracteristică a substanței. Se numeste căldura specifică de fuziune a unei substanţe... Căldura specifică de topire a acestei substanțe poate fi găsită în tabele.
Căldura specifică de fuziune este numeric egală cu cantitatea de căldură necesară pentru a transforma într-un lichid un kilogram dintr-o substanță cristalină dată, adusă la punctul de topire.
Deci, căldura specifică de topire a gheții este egală cu kJ / kg, plumb - kJ / kg. Vedem că este necesară de aproape ori mai multă energie pentru a distruge rețeaua cristalină de gheață! Gheața aparține unor substanțe cu o căldură specifică de topire ridicată și, prin urmare, nu se topește imediat primăvara (natura și-a luat propriile măsuri: dacă gheața ar avea aceeași căldură specifică de topire ca plumbul, întreaga masă de gheață și zăpadă s-ar topi cu primele dezghețuri, inundând totul în jur).
Programul de cristalizare
Acum să trecem la luare în considerare cristalizare- procesul de topire inversă. Pornim de la punctul din desenul anterior. Să presupunem că în momentul în care încălzirea topiturii s-a oprit (soba a fost oprită și topitura a fost expusă la aer). Alte modificări ale temperaturii de topire sunt prezentate în Fig. (3).
Orez. 3. Schema de cristalizare
Lichidul se răcește (secțiune) până când temperatura sa atinge temperatura de cristalizare, care coincide cu punctul de topire.
Din acest moment, temperatura topiturii încetează să se mai schimbe, deși căldura încă o lasă înăuntru mediu inconjurator... Pe site exista cristalizare topire - trecerea sa treptată la o stare solidă. În interiorul șantierului, avem din nou un amestec de faze solide și lichide, iar cu cât mai aproape de punct, cu atât devine mai solid și cu atât mai puțin lichid.În cele din urmă, în acel punct lichidul nu rămâne deloc - s-a cristalizat complet.
Următoarea secțiune corespunde răcirii ulterioare a solidului, care a apărut ca urmare a cristalizării.
Din nou, ne interesează secțiunea de tranziție de fază: de ce temperatura rămâne neschimbată, în ciuda pierderii de căldură?
Din nou la subiect. După oprirea furnizării de căldură, temperatura topiturii scade, deoarece particulele sale pierd treptat energie cinetică ca urmare a ciocnirilor cu moleculele mediului și a radiației undelor electromagnetice.
Când temperatura topiturii scade la temperatura (punctul) de cristalizare, particulele sale vor încetini atât de mult încât forțele de atracție le vor putea „desfășura” în mod corespunzător și le vor oferi o orientare reciprocă strict definită în spațiu. Acest lucru va crea condiții pentru nuclearea unei rețele cristaline și va începe de fapt să se formeze datorită evadării ulterioare a energiei din topire în spațiul înconjurător.
În același timp, va începe un proces contrar de eliberare a energiei: atunci când particulele își iau locul în nodurile rețelei cristaline, energia lor potențială scade brusc, din cauza căreia energia lor cinetică crește - lichidul de cristalizare este o sursă de căldură. (poți vedea adesea păsări așezate la gaura de gheață. Se încălzesc acolo!) ... Căldura degajată în timpul cristalizării compensează exact pierderea de căldură către mediu și, prin urmare, temperatura din zonă nu se modifică.
În acel moment, topitura dispare și, odată cu finalizarea cristalizării, dispare și acest „generator” intern de căldură. Datorită disipării continue a energiei în mediul extern, se va relua o scădere a temperaturii, dar corpul solid (zona) format se va răci doar.
După cum arată experiența, în timpul cristalizării în zonă, exact la fel cantitatea de căldură care a fost absorbită prin topire la locul respectiv.
Vaporizare și condensare
Generare de abur este trecerea unui lichid la starea gazoasă (în aburi). Există două metode de vaporizare: vaporizare și fierbere.
Evaporare numită vaporizare care are loc la orice temperatură de la suprafata libera lichide. După cum vă amintiți din foaia „Vapori saturați”, cauza evaporării este scăparea din lichid a celor mai rapide molecule care sunt capabile să depășească forțele de atracție intermoleculară. Aceste molecule formează vapori deasupra suprafeței lichidului.
Diferitele lichide se evaporă cu viteze diferite: cu cât forțele de atracție ale moleculelor sunt mai mari între ele, cu atât este mai mic numărul de molecule pe unitatea de timp va putea să le depășească și să zboare și cu atât rata de evaporare este mai mică. Eterul, acetona, alcoolul (uneori sunt numite lichide volatile) se evaporă rapid, apa se evaporă mai lent, uleiul și mercurul se evaporă mult mai încet decât apa.
Viteza de evaporare crește odată cu creșterea temperaturii (la căldură, rufele se vor usca mai repede), deoarece energia cinetică medie a moleculelor lichide crește și, astfel, crește numărul de molecule rapide capabile să-și părăsească limitele.
Viteza de evaporare depinde de suprafața lichidului: cu cât suprafața este mai mare, cu atât mai multe molecule au acces la suprafață, iar evaporarea este mai rapidă (de aceea este îndreptată cu grijă atunci când agățați rufele).
Concomitent cu evaporarea, se observă și procesul opus: moleculele de vapori, făcând o mișcare aleatorie deasupra suprafeței lichidului, revin parțial înapoi în lichid. Transformarea vaporilor în lichid se numește condensare.
Condensul încetinește evaporarea lichidului. Deci, în aer uscat, rufele se vor usca mai repede decât în aerul umed. Se va usca mai repede în vânt: aburul este dus de vânt, iar evaporarea este mai intensă
În unele situații, viteza de condensare poate fi egală cu viteza de evaporare. Apoi ambele procese se compensează reciproc și se instalează un echilibru dinamic: dintr-o sticlă etanșă, lichidul nu se evaporă ani de zile, iar în acest caz există abur saturat.
Observăm constant condensarea vaporilor de apă în atmosferă sub formă de nori, ploi și rouă căzute dimineața; evaporarea și condensarea sunt cele care asigură ciclul apei în natură, susținând viața pe Pământ.
Deoarece evaporarea este plecarea celor mai rapide molecule din lichid, energia cinetică medie a moleculelor lichide scade în timpul procesului de evaporare, adică. lichidul se răcește. Ești bine conștient de senzația de răcoare și uneori chiar de răcoare (mai ales la vânt) atunci când părăsești apa: apa care se evaporă pe toată suprafața corpului duce căldura, în timp ce vântul accelerează procesul de evaporare (acum este clar de ce suflam ceai fierbinte.Este si mai bine sa atragem aerul inauntru, pentru ca atunci aerul ambiental uscat iese la suprafata ceaiului, si nu aerul umed din plamani ;-)).
Poți simți aceeași răcoare dacă freci peste mână o bucată de vată înmuiată într-un solvent volatil (să zicem, acetonă sau soluție pentru îndepărtarea ojei). La căldură de patruzeci de grade, datorită evaporării crescute a umezelii prin porii corpului nostru, ne menținem temperatura la un nivel normal; dacă nu ar fi fost acest mecanism de termoreglare, pur și simplu am fi murit într-o asemenea căldură.
Dimpotrivă, în procesul de condensare, lichidul se încălzește: moleculele de vapori, la întoarcerea în lichid, sunt accelerate de forțele de atracție din moleculele lichide din apropiere, în urma cărora energia cinetică medie a moleculelor lichide. crește (comparați acest fenomen cu eliberarea de energie în timpul cristalizării unei topituri!).
Fierbere
Fierbere este vaporizarea care are loc pe tot volumul lichide.
Fierberea este posibilă deoarece o anumită cantitate de aer este întotdeauna dizolvată în lichid, care a ajuns acolo ca urmare a difuziei. Când lichidul este încălzit, acest aer se extinde, bulele de aer cresc treptat în dimensiune și devin vizibile cu ochiul liber (într-o oală cu apă depun fundul și pereții). În interiorul bulelor de aer există abur saturat, a cărui presiune, după cum vă amintiți, crește rapid odată cu creșterea temperaturii.
Cu cât bulele devin mai mari, cu atât forța arhimediană acționează asupra lor, iar la un moment dat bulele încep să se desprindă și să se ridice. Ridicându-se în sus, bulele cad în straturile mai puțin încălzite ale lichidului; aburul se condensează în ele, iar bulele sunt comprimate din nou. Prăbușirea bulelor provoacă zgomotul familiar care precede fierberea ibricului. În cele din urmă, în timp, tot lichidul se încălzește uniform, bulele ajung la suprafață și izbucnesc, aruncând aer și abur - zgomotul este înlocuit cu gâlgâit, lichidul fierbe.
Astfel, bulele servesc drept „conductori” de vapori din interiorul lichidului la suprafața acestuia. În timpul fierberii, împreună cu evaporarea obișnuită, lichidul este transformat în abur pe întregul volum - evaporarea bulelor de aer în interior, urmată de retragerea aburului în exterior. De aceea lichidul care fierbe se evaporă foarte repede: un ibric, din care apa s-ar evapora multe zile, va fierbe în jumătate de oră.
Spre deosebire de evaporare, care are loc la orice temperatură, lichidul începe să fiarbă doar când ajunge Punct de fierbere- exact temperatura la care bulele de aer sunt capabile să plutească și să ajungă la suprafață. La punctul de fierbere, presiunea vaporilor saturați devine egală cu presiunea exterioară a lichidului(în special, presiune atmosferică). În consecință, cu cât presiunea exterioară este mai mare, cu atât temperatura va începe fierberea.
La presiunea atmosferică normală (atm sau Pa), punctul de fierbere al apei este egal cu. Asa de presiunea vaporilor de apă saturați la o temperatură este Pa. Acest fapt este necesar de știut pentru rezolvarea problemelor - este adesea considerat cunoscut în mod implicit.
În vârful Elbrusului, presiunea atmosferică este egală cu atm, iar apa de acolo va fierbe la o temperatură. Și sub o presiune de atm, apa va începe să fiarbă numai la.
Punctul de fierbere (la presiunea atmosferică normală) este o valoare strict definită pentru un lichid dat (punctele de fierbere date în tabelele manuale și cărțile de referință sunt punctele de fierbere ale lichidelor pure chimic. Prezența impurităților într-un lichid poate modifica punctul de fierbere). De exemplu, apa de la robinet conține clor dizolvat și unele săruri, prin urmare, punctul său de fierbere la presiunea atmosferică normală poate diferi ușor de). Deci, alcoolul fierbe la, eter - la, mercur - la. Vă rugăm să rețineți: cu cât un lichid este mai volatil, cu atât punctul său de fierbere este mai scăzut. În tabelul punctelor de fierbere, vedem, de asemenea, că oxigenul fierbe la. Aceasta înseamnă că la temperaturi obișnuite oxigenul este un gaz!
Știm că dacă ibricul este scos de pe foc, fierberea se oprește imediat - procesul de fierbere necesită o furnizare continuă de căldură. În același timp, temperatura apei din ibric după fierbere încetează să se mai schimbe, rămânând aceeași tot timpul. Unde se duce caldura furnizata?
Situația este similară cu procesul de topire: căldura este folosită pentru a crește energia potențială a moleculelor. În acest caz, pentru a face munca de îndepărtare a moleculelor la astfel de distanțe încât forțele de atracție să nu poată menține moleculele aproape unele de altele, iar lichidul va intra într-o stare gazoasă.
Program de fierbere
Luați în considerare o reprezentare grafică a procesului de încălzire a unui lichid - așa-numitul graficul de fierbere(fig. 4).
Orez. 4. Programul de fierbere
Locul precede începutul fierberii. Pe site, lichidul fierbe, masa acestuia scade. În acel moment, lichidul fierbe complet.
Pentru a trece secțiunea, i.e. pentru ca lichidul, adus la punctul de fierbere, să se transforme complet în abur, trebuie să i se furnizeze o anumită cantitate de căldură. Experiența arată că această cantitate de căldură este direct proporțională cu masa lichidului:
Raportul de aspect este numit căldură specifică de vaporizare lichide (la punctul de fierbere). Căldura specifică de vaporizare este numeric egală cu cantitatea de căldură care trebuie furnizată la 1 kg de lichid prelevat la punctul de fierbere pentru a-l transforma complet în abur.
Deci, atunci când căldura specifică de vaporizare a apei este egală cu kJ / kg. Este interesant să o comparăm cu căldura specifică de topire a gheții (kJ / kg) - căldura specifică de vaporizare este de aproape șapte ori mai mare! Acest lucru nu este surprinzător: la urma urmei, pentru a topi gheața, trebuie doar să distrugi aranjamentul ordonat al moleculelor de apă în nodurile rețelei cristaline; în acest caz, distanțele dintre molecule rămân aproximativ aceleași. Dar pentru a transforma apa în abur, trebuie să faci mult mai multă muncă pentru a rupe toate legăturile dintre molecule și a elimina moleculele la distanțe semnificative unele de altele.
Program de condensare
Procesul de condensare a vaporilor și răcirea ulterioară a lichidului arată pe grafic simetric procesul de încălzire și fierbere. Aici este corespunzătoare programul de condensare pentru cazul vaporilor de apă centigradi, care se întâlnesc cel mai des în probleme (Fig. 5).
Orez. 5. Program de condensare
La punctul, avem vapori de apă la. Pe șantier are loc condens; în interiorul acestei zone - un amestec de abur și apă la. Nu mai este abur la punct, este doar apă. Intriga este răcirea acestei ape.
Experiența arată că în timpul condensării vaporilor de masă (adică la trecerea prin secțiune) se eliberează exact aceeași cantitate de căldură care a fost cheltuită pentru transformarea în vapori a lichidului masei la o anumită temperatură.
Să comparăm următoarele cantități de căldură de dragul interesului:
Care se eliberează în timpul condensării a g de vapori de apă;
, care este eliberat atunci când apa centigradă rezultată se răcește la o temperatură, de exemplu,.
J;
J.
Aceste cifre arată în mod clar că o arsură cu abur este mult mai rea decât o arsură cu apă clocotită. Când apa clocotită ajunge pe piele, se eliberează „doar” (apa clocotită se răcește). Dar cu o ardere cu abur, mai întâi va fi eliberată un ordin de mărime mai multă căldură (aburul se condensează), se formează apă centigradă, după care se va adăuga aceeași valoare când această apă se răcește.
Fenomenul de transformare a unei substanțe din stare lichidă în stare gazoasă se numește vaporizare... Generarea de abur poate fi realizată sub forma a două procese: evaporareși
Evaporare
Evaporarea are loc de la suprafața lichidului la orice temperatură. Deci, bălțile se usucă la 10 ° C și la 20 ° C și la 30 ° C. Astfel, evaporarea este procesul de transformare a unei substanțe dintr-o stare lichidă în stare gazoasă, care are loc de la suprafața unui lichid la orice temperatură.
Din punct de vedere al structurii materiei, evaporarea unui lichid se explică astfel. Moleculele lichide, care participă la mișcare continuă, au viteze diferite. Cele mai rapide molecule, situate la interfața dintre suprafața apei și aer și având o energie relativ mare, depășesc atracția moleculelor învecinate și părăsesc lichidul. Astfel, deasupra se formează lichidul aburi.
Deoarece moleculele cu o energie internă mai mare sunt emise din lichid în timpul evaporării, comparativ cu energia moleculelor rămase în lichid, viteza medie și energia cinetică medie a moleculelor lichide scad și, prin urmare, temperatura lichidului scade.
Rata evaporarii lichid depinde de tipul de lichid. Astfel, viteza de evaporare a eterului este mai mare decât viteza de evaporare a apei și a uleiului vegetal. În plus, viteza de evaporare depinde de mișcarea aerului deasupra suprafeței lichidului. Dovada este că rufele se usucă mai repede în vânt decât într-un loc fără vânt în aceleași condiții exterioare.
Rata evaporarii depinde de temperatura lichidului. De exemplu, apa la 30 ° C se evaporă mai repede decât apa la 10 ° C.
Este bine cunoscut faptul că apa turnată într-o farfurie se evaporă mai repede decât apa de aceeași masă turnată într-un pahar. Prin urmare, depinde de suprafața lichidului.
Condensare
Procesul de transformare a unei substanțe din stare gazoasă în stare lichidă se numește condensare.
Procesul de condensare are loc concomitent cu procesul de evaporare. Moleculele care scapă dintr-un lichid și se află deasupra suprafeței sale participă la mișcarea haotică. Ele se ciocnesc cu alte molecule și, la un moment dat, vitezele lor pot fi direcționate către suprafața lichidului, iar moleculele se vor întoarce la acesta.
Dacă vasul este deschis, atunci procesul de evaporare are loc mai rapid decât condensarea, iar masa lichidului din vas scade. Vaporii generați deasupra lichidului se numesc nesaturat .
Dacă lichidul este într-un vas închis, atunci la început numărul de molecule care scapă din lichid va fi mai mare decât numărul de molecule care se întorc în el, dar în timp densitatea vaporilor peste lichid va crește atât de mult încât numărul de molecule. părăsirea lichidului va fi egală cu numărul de molecule, revenind la acesta. În acest caz, are loc un echilibru dinamic al lichidului cu vaporii săi.
Se numește abur în stare de echilibru dinamic cu lichidul său abur saturat .
Dacă un vas cu un lichid care conține abur saturat este încălzit, atunci la început numărul de molecule care ies din lichid va crește și va fi mai mare decât numărul de molecule care se întorc în el. În decursul timpului, echilibrul va fi restabilit, dar densitatea vaporilor deasupra lichidului și, în consecință, presiunea acestuia va crește.
Lichidul se transformă în vapori (gaz) prin evaporare și fierbere. Aceste procese sunt unite printr-un singur nume „vaporizare”, dar există o diferență între aceste procese.
Evaporarea are loc de pe suprafața liberă a oricărui lichid în mod constant. Natura fizică a evaporării este emisia de la suprafață a moleculelor cu viteză mare și energie cinetică a mișcării termice. În acest caz, lichidul este răcit. În industrie, acest efect este utilizat în turnurile de răcire pentru a răci apa.
Fierberea (cum ar fi evaporarea) este o tranziție a unei substanțe într-o stare de vapori, dar are loc pe întregul volum al unui lichid și numai atunci când lichidul este furnizat de căldură. La încălzirea ulterioară, temperatura lichidului rămâne constantă, în timp ce lichidul continuă să fiarbă.
Punctul de fierbere depinde de presiunea vaporilor deasupra lichidului; odată cu scăderea presiunii, punctul de fierbere scade și invers. Prin reducerea presiunii vaporilor deasupra lichidului, este posibilă scăderea punctului de fierbere al lichidului până la punctul său de îngheț, iar alegând substanțe cu proprietățile dorite, puteți obține aproape orice temperatură scăzută.
Cantitatea de căldură necesară pentru trecerea a 1 kg de lichid într-o stare de vapori se numește căldură specifică de vaporizare r, kJ/kg.
Temperatura la care are loc evaporarea se numește temperatura de saturație. Aburul poate fi umed sau uscat (fără picături de lichid). Aburul poate fi supraîncălzit și poate avea o temperatură de supraîncălzire peste temperatura de saturație.
Aceste procese sunt utilizate în mașinile frigorifice cu compresie de vapori. Un lichid care fierbe este un agent frigorific, iar aparatul în care fierbe, preluând căldură de la substanța de răcit, este un evaporator. Cantitatea de căldură furnizată lichidului care fierbe este determinată de formula:
Unde M- masa de lichid care se transformă în abur; r- caldura de vaporizare.
Punctul de fierbere al lichidului depinde de presiune. Această relație este reprezentată de curba presiunii de vapori.
Pentru cel mai comun agent frigorific din industria frigorifică, amoniacul, o astfel de curbă este prezentată în Fig. 3, din care se poate observa că la o presiune egală cu cea atmosferică (0,1 MPa) punctul de fierbere al amoniacului corespunde la -30 ° C, iar la 1,2 MPa - + 30 ° C.
Transformarea unui vapor saturat într-un lichid se numește condensare, care are loc la temperatura de condensare, care este, de asemenea, dependentă de presiune. Temperatura de condensare și evaporare la o anumită presiune substanță omogenă sunt la fel. Acest efect este utilizat în condensatoarele evaporative pentru a transfera căldura de condensare în aer.
Sublimare
Substanța poate trece de la starea solidă direct la vapori. Acest proces se numește sublimare. Căldura absorbită din aerul ambiant este cheltuită pentru a depăși forțele de aderență ale moleculelor și influența presiunii externe, care împiedică acest proces.
În condiții normale, nu sublimă multe substanțe - dioxid de carbon solid (gheață carbonică), iod, camfor etc.
Pentru răcire și obținerea de temperaturi scăzute se utilizează gheață carbonică, care asigură o temperatură de -78,3 ° C la presiunea atmosferică, iar prin scăderea presiunii se poate ajunge la -100 ° C.
>> Fizica: Evaporare si Condens
Când este vaporizată, o substanță trece de la starea lichidă la starea gazoasă (vapor). Există două tipuri de vaporizare: vaporizare și fierbere.
Evaporare- Aceasta este vaporizarea care are loc de pe suprafața liberă a lichidului.
Cum are loc evaporarea? Știm că moleculele oricărui lichid sunt în mișcare continuă și dezordonată, unele dintre ele mișcându-se mai repede, altele mai încet. Forțele de atracție unul față de celălalt îi împiedică să zboare. Dacă totuși, la suprafața lichidului apare o moleculă cu o energie cinetică suficient de mare, atunci aceasta va putea depăși forțele de atracție intermoleculară și va zbura din lichid. Același lucru se va repeta și cu o altă moleculă rapidă, cu a doua, a treia, etc. Scăpând afară, aceste molecule formează vapori deasupra lichidului. Formarea acestor vapori este evaporare.
Deoarece cele mai rapide molecule zboară din lichid în timpul evaporării, energia cinetică medie a moleculelor rămase în lichid devine din ce în ce mai mică. Ca rezultat temperatura lichidului care se evaporă scade: lichidul se răceşte... De aceea, în special, o persoană îmbrăcată în haine umede se simte mai rece decât în cele uscate (mai ales în vânt).
În același timp, toată lumea știe că dacă turnați apă într-un pahar și îl lăsați pe masă, atunci, în ciuda evaporării, acesta nu se va răci încontinuu, devenind din ce în ce mai rece până când îngheață. Ce previne acest lucru? Răspunsul este foarte simplu: schimbul de căldură al apei cu aerul cald din jurul paharului.
Răcirea unui lichid în timpul evaporării este mai vizibilă în cazul în care evaporarea are loc suficient de rapid (astfel încât lichidul să nu aibă timp să-și recupereze temperatura datorită schimbului de căldură cu mediul). Lichidele volatile cu forțe de atracție intermoleculare scăzute se evaporă rapid, de exemplu, eterul, alcoolul, benzina. Dacă scăpați un astfel de lichid pe mână, ne vom simți frig. Evaporarea de pe suprafața mâinii, un astfel de lichid se va răci și va lua puțină căldură din el.
Substanțele cu evaporare rapidă sunt utilizate pe scară largă în tehnologie. De exemplu, în tehnologia spațială, vehiculele de coborâre sunt acoperite cu astfel de substanțe. La trecerea prin atmosfera planetei, corpul aparatului se încălzește ca urmare a frecării, iar substanța care o acoperă începe să se evapore. Evaporându-se, răcește nava spațială, salvând-o astfel de supraîncălzire.
Răcirea apei în timpul evaporării ei este utilizată și în dispozitivele de măsurare a umidității aerului, - psihrometre(din grecescul „psychros” – rece). Psihrometrul (fig. 81) este format din două termometre. Unul dintre ele (uscat) arată temperatura aerului, iar celălalt (al cărui rezervor este legat cu cambric scufundat în apă) - o temperatură mai scăzută datorită intensității evaporării cambricului umed. Cu cât umiditatea măsurată este mai uscată, cu atât evaporarea este mai puternică și, prin urmare, cu atât citirea bulbului umed este mai scăzută. Și invers, cu cât umiditatea aerului este mai mare, cu atât evaporarea este mai puțin intensă și, prin urmare, cu atât temperatura arată acest termometru. Pe baza citirilor termometrelor uscate si umidificate, folosind un tabel special (psicrometric), se determina umiditatea aerului, exprimata in procente. Cea mai mare umiditate este de 100% (cu o astfel de umiditate a aerului, pe obiecte apare roua). Pentru oameni, umiditatea cea mai favorabilă este considerată a fi în intervalul de la 40 la 60%.
Cu ajutorul unor experimente simple, este ușor de stabilit că viteza de evaporare crește odată cu creșterea temperaturii lichidului, precum și cu creșterea suprafeței sale libere și în prezența vântului.
De ce lichidul se evaporă mai repede în prezența vântului? Faptul este că, simultan cu evaporarea pe suprafața lichidului, are loc și procesul invers - condensare
... Condensarea are loc din cauza faptului că unele dintre moleculele de vapori, deplasându-se aleatoriu deasupra lichidului, revin din nou la acesta. Vântul duce moleculele ejectate din lichid și nu le permite să se întoarcă înapoi.
Condensul poate apărea și atunci când vaporii nu sunt în contact cu lichidul. Condensarea, de exemplu, explică formarea norilor: moleculele de vapori de apă care se ridică deasupra pământului, în straturile mai reci ale atmosferei, sunt grupate în picături minuscule de apă, ale căror acumulări sunt nori. Condensarea vaporilor de apă în atmosferă are ca rezultat și ploaie și rouă.
În timpul evaporării, lichidul se răcește și, devenind mai rece decât mediul, începe să-și absoarbă energia. În schimb, în timpul condensului, o anumită cantitate de căldură este eliberată în mediu, iar temperatura acestuia crește oarecum.
??? 1. Ce două tipuri de vaporizare există în natură? 2. Ce este evaporare? 3. Ce determină viteza de evaporare a unui lichid? 4. De ce scade temperatura lichidului în timpul evaporării? 5. Cum este posibil să previi supraîncălzirea navei spațiale de coborâre în timpul trecerii lor prin atmosfera planetei? 6. Ce este condensarea? 7. Ce fenomene se explică prin condensarea aburului? 8.Ce instrument este folosit pentru a măsura umiditatea aerului? Cum functioneazã?
Sarcini experimentale ... 1. Turnați aceeași cantitate de apă în două farfurii identice (de exemplu, trei linguri). Pune o farfurie într-un loc cald și cealaltă într-un loc rece. Măsurați timpul necesar pentru ca apa să se evapore în ambele farfurioare. Explicați diferența în viteza de evaporare. 2. Pipetați o picătură de apă și alcool pe o foaie de hârtie. Măsurați timpul necesar pentru evaporarea lor. Care dintre aceste lichide are forțe mai puțin atractive între molecule? 3. Turnați aceeași cantitate de apă în pahar și farfurie. Măsurați timpul necesar pentru a se evapora în ele. Explicați diferența dintre viteza sa de evaporare.
S.V. Gromov, N.A. Patria, Fizica clasa a 8-a
Trimis de cititori de pe site-uri de internet
Sub> Calendar-planificare tematică de fizică, testare online, repartizare către un elev de clasa a 8-a, cursuri pentru un profesor de fizică în clasa a 8-a, rezumate conform curiculumul scolar, teme gata făcute
Conținutul lecției schița lecției suport cadru prezentarea lecției metode accelerative tehnologii interactive Practică sarcini și exerciții ateliere de autotestare, instruiri, cazuri, misiuni acasă teme de discuție întrebări retorice de la elevi Ilustrații audio, clipuri video și multimedia fotografii, poze, diagrame, tabele, scheme umor, glume, glume, pilde cu benzi desenate, proverbe, cuvinte încrucișate, citate Suplimente rezumate articole jetoane pentru curioase fișe manuale manuale vocabular de bază și suplimentar al termenilor alții Îmbunătățirea manualelor și lecțiilorremedieri de erori în tutorial actualizarea unui fragment în manual elemente de inovare în lecție înlocuirea cunoștințelor învechite cu altele noi Doar pentru profesori lecții perfecte planul calendaristic pentru anul instrucțiuni agenda de discuții Lecții integrate1. Evaporare și condensare
Procesul de trecere a unei substanțe din starea lichidă în starea gazoasă se numește vaporizare, procesul invers de transformare a unei substanțe din starea gazoasă în starea lichidă se numește condensare. Există două tipuri de vaporizare - vaporizare și fierbere. Luați în considerare mai întâi evaporarea unui lichid. Evaporarea este procesul de vaporizare care are loc de pe o suprafață deschisă a unui lichid la orice temperatură. Din punctul de vedere al teoriei cinetice moleculare, aceste procese sunt explicate după cum urmează. Moleculele lichide, care participă la mișcarea termică, se ciocnesc continuu unele cu altele. Acest lucru duce la faptul că unele dintre ele dobândesc energie cinetică suficientă pentru a depăși atracția moleculară. Astfel de molecule, aflându-se la suprafața lichidului, zboară din acesta, formând vapori (gaz) deasupra lichidului. Moleculele de vapori ~ mișcându-se haotic, lovesc suprafața lichidului. În acest caz, unele dintre ele pot intra în lichid. Aceste două procese de ejecție a moleculelor lichide și ah întoarcere la lichid au loc simultan. Dacă numărul de molecule care ies este mai mare decât numărul de molecule care revin, atunci masa lichidului scade, adică. lichidul se evaporă, dacă dimpotrivă, cantitatea de lichid crește, adică. se observă condensarea aburului. Este posibil un caz când masele lichidului și vaporilor situate deasupra acestuia nu se modifică. Acest lucru este posibil atunci când numărul de molecule care părăsesc lichidul este egal cu numărul de molecule care se întorc la acesta. Această stare se numește echilibru dinamic.
A aburi
În echilibru dinamic cu fluidul său, numite saturate
. Dacă nu există un echilibru dinamic între vapori și lichid, atunci se numește nesaturat. Evident, aburul saturat la o anumită temperatură are o anumită densitate, numită echilibru.
Aceasta determină invariabilitatea densității de echilibru și, în consecință, presiunea vaporilor saturati din volumul său la o temperatură constantă, deoarece o scădere sau creștere a volumului acestui vapor duce la condensarea vaporilor sau la evaporarea lichidului, respectiv. Izoterma aburului saturat la o anumită temperatură în plan de coordonate P, V este o linie dreaptă paralelă cu axa V. Odată cu creșterea temperaturii sistemului termodinamic lichid - vapori saturati, numărul de molecule care părăsesc lichidul de ceva timp depășește numărul de molecule care se întorc din vapori în lichid. . Aceasta continuă până când creșterea densității vaporilor duce la stabilirea echilibrului dinamic la o temperatură mai ridicată. În același timp, crește și presiunea. vapori saturati... Astfel, presiunea vaporilor saturați depinde doar de temperatură. O astfel de creștere rapidă a presiunii de vapori saturați se datorează faptului că, odată cu creșterea temperaturii, are loc o creștere nu numai a energiei cinetice a mișcării de translație a moleculelor, ci și a concentrației lor, adică. numărul de molecule pe unitatea de volum
În timpul evaporării, cele mai rapide molecule părăsesc lichidul, drept urmare energia cinetică medie a mișcării de translație a moleculelor rămase scade și, în consecință, scade și temperatura lichidului (vezi §24). Prin urmare, pentru ca temperatura lichidului care se evaporă să rămână constantă, o anumită cantitate de căldură trebuie furnizată în mod continuu acestuia.
Cantitatea de căldură care trebuie comunicată unei unități de masă de lichid pentru a o transforma în abur la o temperatură constantă se numește căldură specifică de vaporizare.
Căldura specifică de vaporizare depinde de temperatura lichidului, scăzând odată cu creșterea acestuia. În timpul condensării, cantitatea de căldură consumată la evaporarea lichidului este eliberată. Condensarea este procesul de trecere dintr-o stare gazoasă în stare lichidă.
2. Umiditatea aerului.
Atmosfera conține întotdeauna o anumită cantitate de vapori de apă. Gradul de umiditate este una dintre caracteristicile esențiale ale vremii și climei și în multe cazuri are o importanță practică. Deci, depozitarea diferitelor materiale (inclusiv ciment, gips și alte materiale de construcție), materii prime, produse, echipamente etc. ar trebui să aibă loc la o anumită umiditate. Spațiile, în funcție de destinația lor, sunt, de asemenea, supuse cerințelor corespunzătoare de umiditate.
O serie de cantități sunt utilizate pentru a caracteriza conținutul de umiditate. Umiditatea absolută p este masa vaporilor de apă conținută într-o unitate de volum de aer. De obicei, se măsoară în grame pe metru cub (g/m3). Umiditatea absolută este legată de presiunea parțială P a vaporilor de apă prin ecuația Mendeleev - Claypeyron, unde V este volumul ocupat de vapori, m, T și m sunt masa, temperatura absolută și masa molară a vaporilor de apă, R este valoarea universală. constanta de gaz (vezi (25.5)) ... Presiunea parțială este presiunea exercitată de vaporii de apă fără a ține cont de acțiunea altor tipuri de molecule de aer. Prin urmare, deoarece p = m / V este densitatea vaporilor de apă.
