Физическая величина: теплота парообразования воды
Всем знакома картина: на кухонной плите на огне стоит кастрюля с водой. Вода из холодной постепенно становится горячей, вот на её поверхности появляются первые пузырьки, и вскоре уже вся она весело бурлит. Что такое теплота парообразования воды? Кое-кто из нас помнит из школьной программы, что температура воды при естественном атмосферном давлении не может превышать 100 °C. А кто не помнит или не верит, может воспользоваться соответствующим термометром и убедиться, соблюдая меры безопасности.
Но как такое может быть? Ведь под кастрюлей по-прежнему горит огонь, он отдаёт свою энергию жидкости, и куда же она девается, если не нагревает воду? Ответ: энергия расходуется на превращение воды в пар.
Куда же уходит энергия
В обычной жизни мы привыкли к трём состояниям окружающей нас материи: твёрдому, жидкости и газам. В твёрдом состоянии молекулы жёстко фиксированы в кристаллической решётке. Но это не обозначает их полной неподвижности, при любой температуре, лишь бы она была хоть на градус выше −273 °C (это абсолютный ноль), молекулы вибрируют. Причём амплитуда вибрации зависит от температуры. При нагреве энергия передаётся частичкам вещества, и эти хаотичные движения становятся интенсивнее, а затем достигают в определённый момент такой силы, что молекулы покидают гнёзда решётки – вещество становится жидкостью.
В жидком состоянии молекулы тесно связаны между собой силой притяжения, хотя и не фиксированы в определённой точке пространства. При дальнейшем накоплении веществом тепла хаотичные вибрации части молекул становятся так велики, что сила притяжения молекул друг к другу преодолевается, и они разлетаются. Температура вещества перестаёт расти, вся энергия передаётся теперь следующим и следующим партиям частичек, и так, шаг за шагом, вся водичка из кастрюли заполняет кухню в виде пара.
Каждое вещество требует определённой энергии для осуществления этого процесса. Теплота парообразования воды, как и других жидкостей, конечна и имеет конкретные значения.
В каких единицах измеряется
Любая энергия (хоть движения, хоть теплоты) измеряется в джоулях. Джоуль (Дж) назван так в честь знаменитого учёного Джеймса Джоуля. Численно энергию в 1 Дж можно получить, если на расстояние 1 метр толкать некое тело с усилием в 1 Ньютон.
Ранее для измерения теплоты использовали такое понятие, как «калория». Считалось, что тепло – эта такая физическая субстанция, которая может втекать или вытекать из любого тела. Чем больше «натекло» её в физическое тело, тем оно горячее. В старых учебниках ещё можно встретить эту физическую величину. Но её несложно перевести в джоули, достаточно умножить на 4,19.
Энергия же, необходимая для превращения жидкостей в газы, именуется удельной теплотой парообразования. Но как её подсчитать? Одно дело превратить в пар пробирку воды и другое дело – бак парового двигателя огромного судна.
Поэтому, к примеру, для Н2О, в теплотехнике оперируют понятием "удельная теплота парообразования воды" (Дж/кг - единица измерения). И ключевое слово тут «удельная». Считается то количество энергии, которое необходимо для превращения в пар 1 кг жидкой субстанции.
Обозначается величина латинским литером L. Меряется величина в джоулях на 1 кг.
Сколько энергии требует вода
Удельная теплота парообразования воды измеряется так: в ёмкость наливается количество N, доводится до кипения. Энергия, затраченная на парообразование литра воды, и будет искомым значением.
Измерив, чему равна удельная теплота парообразования воды, учёные были слегка удивлены. Для превращения в газ вода требует энергии больше, чем все распространённые на Земле жидкости: вся линейка спиртов, сжиженные газы и даже больше, чем такие металлы, как ртуть и свинец.
Итак, теплота парообразования воды оказалось равной 2,26 мДж/кг. Для сравнения:
- у ртути - 0,282 мДж/кг;
- у свинца - 0,855 мДж/кг.
А что если наоборот?
А что происходит, если обратить процесс вспять, заставить жидкость конденсироваться? Ничего особенного, происходит подтверждение закона сохранения энергии: при конденсации одного килограмма жидкости из пара выделяется ровно такое же количество тепла, какое требуется затратить на превращение её обратно в пар. Поэтому чаще в справочных таблицах встречается термин «удельная теплота парообразования и конденсации».
Кстати, тот факт, что при испарении теплота поглощается, с успехом используется в бытовой и промышленной технике для создания искусственного холода.