Теплота парообразования воды при кипении

Теплота парообразования - удивительное явление природы, скрывающее в себе огромную энергию. Давайте разберемся в его сути и на практике оценим масштабы этого феномена на примере обычной воды.

I. Определение теплоты парообразования

При нагревании жидкости до определенной температуры начинается процесс интенсивного образования пузырьков насыщенного пара по всему объему. Это явление называется кипением. Переход вещества из жидкого агрегатного состояния в газообразное требует значительных энергетических затрат.

Необходимо разорвать межмолекулярные связи жидкости и преодолеть силы поверхностного натяжения. Количество теплоты, затрачиваемое на этот процесс при постоянном давлении и температуре, называется теплотой парообразования.

1. Физическая сущность теплоты парообразования при кипении

Рассмотрим подробнее, что происходит с веществом при кипении:

• Молекулы жидкости интенсивно колеблются и сталкиваются друг с другом
• Часть молекул приобретает достаточную энергию, чтобы преодолеть силы межмолекулярного взаимодействия
• Эти молекулы отрываются от поверхности жидкости и образуют пузырьки насыщенного пара внутри объема
• Пузырьки увеличиваются в размерах и всплывают к поверхности
• На поверхности происходит интенсивное выделение пара из лопающихся пузырей

Таким образом, теплота парообразования представляет собой то количество энергии, которое необходимо затратить на разрыв межмолекулярных связей вещества и переход его из жидкого состояния в газообразное.

2. Удельная и молярная теплота парообразования

Различают удельную и молярную теплоту парообразования.

Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы превратить в пар жидкость массой 1 кг без изменения ее температуры. Обозначается буквой L. Единица измерения: Дж/кг.

Для вычисления теплоты парообразования \Q используют формулу:

Q = L × m

где:

• Q - теплота парообразования, Дж
• L - удельная теплота парообразования, Дж/кг
• m - масса вещества, кг

Например, для воды при температуре 100°C удельная теплота парообразования равна 2260 кДж/кг. Тогда для превращения 10 кг воды в пар потребуется теплота:

Q = 2260 кДж/кг × 10 кг = 22 600 кДж

То есть 22,6 МДж!

3. Табличные значения для различных веществ

В приведенной ниже таблице даны значения удельной теплоты парообразования \L для некоторых веществ:

Как видно из таблицы, вода обладает очень высокой удельной теплотой парообразования по сравнению с другими распространенными веществами. Это связано с особенностями ее молекулярного строения.

II. Теплота парообразования воды

1. Особенности молекулярного строения воды

Молекула воды H₂O имеет полярное строение. Между молекулами действуют сильные водородные связи, которые и определяют аномальные свойства воды.

Водородные связи приходится разрывать при испарении воды, поэтому на это требуется много энергии. Этим и объясняется высокая теплота парообразования по сравнению с другими веществами.

Кроме того, вода обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью благодаря образованию водородных связей между молекулами.

2. Экспериментальное определение теплоты парообразования воды

В лабораторных условиях удельную теплоту парообразования воды можно определить с помощью калориметрической установки.

Она представляет собой теплоизолированный сосуд с водой, в который погружен электрический нагреватель. Также в состав установки входят датчики температуры и измеритель мощности нагревателя.

Проводят серию экспериментов по испарению различных масс воды, каждый раз измеряя количество подведенной энергии. Затем строят график зависимости теплоты парообразования \Q от массы воды \m. Тангенс угла наклона этого графика как раз и есть значение удельной теплоты парообразования L.

При температуре 100°С получено значение L = 2260 кДж/кг, что хорошо согласуется с табличными данными.

3. Зависимость от температуры

С ростом температуры теплота парообразования воды уменьшается. Это связано с тем, что при более высоких температурах часть водородных связей уже разорвана тепловым движением молекул.

4. Влияние давления

На процесс парообразования существенное влияние оказывает давление. С понижением давления температура кипения воды падает. Это объясняется уравнением Клапейрона-Клаузиуса:

p = ρRT

где:

• p - давление насыщенного пара
• ρ - плотность
• T - температура по шкале Кельвина
• R - универсальная газовая постоянная

Из уравнения видно, что при постоянной плотности с понижением давления p должна снижаться и температура кипения T.

Например, на высоте 5 км, где давление в 2 раза ниже, чем на уровне моря, вода закипает при температуре около 90°C вместо 100°C.

А в горах на высоте 10 км, где давление p снижается почти в 3 раза, температура кипения воды опускается до 71°С. При этом значительно уменьшается и теплота парообразования \L.

5. Теплота парообразования и агрегатные состояния вещества

Процесс парообразования тесно связан с фазовыми переходами вещества. Помимо жидкости и газа, вода может находиться в твердом агрегатном состоянии - льде.

Плавление льда также требует затрат энергии - теплоты плавления. По величине она составляет 334 кДж/кг при 0°С и нормальном давлении.

Любопытно, что теплота парообразования воды примерно в 6 раз выше теплоты плавления льда. Это объясняется различным характером межмолекулярного взаимодействия в данных агрегатных состояниях.

6. Скрытая теплота парообразования

Часть теплоты, затрачиваемой на процесс парообразования, расходуется впустую и не участвует в нагреве воды.

Это непроизводительно израсходованная часть теплоты называется скрытой теплотой парообразования. В случае воды скрытая теплота составляет около 15% от всей теплоты парообразования.

Таким образом, чтобы нагреть 1 кг воды от 0 до 100°С и полность заменить его на пар необходима теплота:

Q_общая = Q_нагрев + Q_пар = 4200 Дж + 2260 кДж = 2264,2 кДж

На сам нагрев расходуется только 4200 Дж, остальная энергия идет на разрыв водородных связей.