Испарение и конденсация. Кипение. Удельная теплота парообразования — тренажёр для 8 класса

Раздел 1 — Определение

Парообразование — это переход вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий двумя способами: испарением со свободной поверхности и кипением по всему объёму жидкости. Обратный процесс — конденсация, переход пара в жидкость.

Молекулярная картина объясняет оба процесса одинаково. Молекулы жидкости движутся хаотично с разными скоростями; у поверхности часть быстрых молекул обладает кинетической энергией, достаточной для преодоления сил притяжения соседей, и вылетает наружу. Жидкость теряет самые энергичные частицы, поэтому средняя кинетическая энергия оставшихся падает — испаряющаяся жидкость охлаждается.

В программе 8 класса тема замыкает блок «Тепловые явления»: после теплоёмкости и плавления рассматривается третий вид теплообмена с изменением агрегатного состояния. Расчётная база — формула Q = Lm, где L — удельная теплота парообразования.

Раздел 2 — Ключевые правила

Парообразование требует энергии, а конденсация её выделяет — в этом главный энергетический закон темы.

1. Испарение идёт при любой температуре. Скорость испарения растёт с площадью поверхности, температурой, ветром и падает с ростом влажности. Лужа на асфальте в ветреный день высыхает быстрее, чем в безветренный.
2. Кипение идёт только при определённой температуре — температуре кипения, постоянной для данного вещества при данном давлении. Вода при нормальном атмосферном давлении 10⁵ Па кипит при 100 °C, спирт — при 78 °C.
3. Температура кипения растёт с давлением. В автоклаве при 2·10⁵ Па вода кипит при 120 °C, на высоте 5 км — при 83 °C.
4. Во время кипения температура жидкости не меняется, вся подводимая теплота идёт на разрыв связей между молекулами.
5. Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью: сколько молекул вылетает, столько же возвращается. Давление насыщенного пара зависит только от температуры и рода вещества, но не от объёма.
6. Q = Lm — теплота парообразования при температуре кипения; при конденсации той же массы выделяется такое же количество теплоты.

Раздел 3 — Разбор примеров

Пример 1. Испарение эфира с руки. Капля эфира на коже вызывает ощущение сильного холода. Эфир испаряется быстро, унося с собой самые быстрые молекулы, а недостающую энергию забирает у кожи. Вывод: испарение — процесс, охлаждающий и жидкость, и то тело, с которым она контактирует.

Пример 2. Обращение в пар 2 кг воды при 100 °C. Дано: m = 2 кг, L = 2,3·10⁶ Дж/кг. Расчёт: Q = Lm = 2,3·10⁶ · 2 = 4,6·10⁶ Дж. Вывод: на превращение кипящей воды в пар уходит энергии больше, чем на её нагрев от 0 до 100 °C (336 000 Дж на 1 кг против 2,3 млн).

Пример 3. Полное испарение 1 кг воды, взятой при 20 °C. Задача распадается на два этапа. Нагрев: Q₁ = cm(t₂ − t₁) = 4200 · 1 · (100 − 20) = 336 000 Дж. Парообразование: Q₂ = Lm = 2,3·10⁶ · 1 = 2 300 000 Дж. Итого Q = Q₁ + Q₂ = 2 636 000 Дж ≈ 2,64 МДж. Вывод: если начальная температура ниже температуры кипения, формулы складывают.

Пример 4. Конденсация 500 г водяного пара при 100 °C. Q = Lm = 2,3·10⁶ · 0,5 = 1,15·10⁶ Дж — эта энергия выделяется. Вывод: ожог паром опаснее ожога кипятком, потому что пар сначала отдаёт коже теплоту конденсации, и только затем остывает как вода.

Пример 5. Кипение в горах. На высоте 3000 м атмосферное давление около 7·10⁴ Па, и вода кипит при 90 °C. Пузырьки пара всплывают, когда давление насыщенного пара внутри них сравняется с внешним давлением; при меньшем внешнем давлении равенство достигается раньше. Вывод: яйцо в горах сварить труднее — температура воды ниже.

Раздел 4 — Таблица

Раздел 5 — Типичные ошибки

Смешение испарения и кипения. Ошибка рождается из бытового «вода испаряется в чайнике». Неправильно: «испарение начинается при 100 °C». Правильно: испарение идёт при любой температуре, а при 100 °C к нему добавляется кипение.

Подстановка температуры в формулу Q = Lm. Формула теплоты парообразования множителя (t₂ − t₁) не содержит, потому что температура не меняется. Неправильно: Q = Lm·Δt. Правильно: Q = Lm, а нагрев считается отдельно по Q = cm·Δt.

Потеря знака энергии при конденсации. Ученик пишет «пар получил теплоту», хотя пар превращается в воду. Правильно: при конденсации теплота выделяется, Q = −Lm в уравнении теплового баланса.

Ошибка в единицах массы. Неправильно: m = 500 г подставляют как 500. Правильно: перевести в килограммы, m = 0,5 кг, иначе результат завышен в 1000 раз.

Мысль «насыщенный пар при сжатии становится плотнее». Правильно: при сжатии часть пара конденсируется, плотность и давление насыщенного пара остаются прежними при неизменной температуре.

Раздел 6 — Пошаговый алгоритм

1. Выпишите данные и переведите массу в килограммы, температуру — в градусы Цельсия.
2. Определите, какие процессы происходят: нагрев, кипение, конденсация, охлаждение.
3. Найдите в таблице c и L для вещества.
4. Запишите формулу для каждого этапа: нагрев — Q = cm(t₂ − t₁), парообразование — Q = Lm.
5. Вычислите каждое слагаемое отдельно, сохраняя степени десяти.
6. Сложите теплоту поглощённую; для конденсации поставьте знак «минус» или укажите «выделилось».
7. Проверьте: единицы — джоули, порядок величины для 1 кг воды при полном испарении около 10⁶ Дж; результат меньше 10⁵ Дж указывает на ошибку в переводе массы.

Раздел 7 — Как запомнить

• «L — Летит»: буква L относится к вылету молекул, к парообразованию, а λ — к плавлению.
• Число-якорь: 2,3 миллиона джоулей на килограмм воды — почти в 7 раз больше, чем теплота плавления льда (3,4·10⁵ Дж/кг).
• Правило пузырька: кипение начинается, когда давление насыщенного пара внутри пузырька = внешнее давление. Давление вверх — температура вверх.
• Формула влажности: φ = ρ/ρ₀ · 100 %, где ρ₀ — плотность насыщенного пара при той же температуре; при φ = 100 % выпадает роса, температура этого момента — точка росы.
• Пара «испарение — холод, конденсация — тепло» проверяется опытом с мокрым термометром психрометра: он всегда показывает меньше сухого.