Розрахунок кількості теплоти при пароутворенні та конденсації.

Мета.

Навчальна. Ввести поняття питомої теплоти пароутворення речовини. Навчитися розв’язувати задачі на пароутворення речовин.

Розвиваюча. Розвивати логічне та алгоритмічне мислення.

Виховна. Виховувати культуру наукового мовлення та оформлення розв’язків задач.

Тип уроку. Формування знань, умінь, навичок.

План

1.     Актуалізація опорних знань.

2.      Вивчення нового матеріалу.

3.      Вчимося розв’язувати задачі.

4.      Запитання на закріплення.

5.      Домашнє завдання.

6.      Для допитливих.

7.      Задачі для самостійного розв’язування.

Хід уроку

1.      Перевірка домашнього завдання.

Усне опитування:

1.      Що таке пароутворення?

2.      Дайте визначення випаровуванню.

3.      Що називають конденсацією?

4.      Що таке кипіння?

5.      Чому гаряча вода випаровується швидше, ніж холодна?

6.       Як пояснити, що випаровування рідин відбувається при будь-якій температурі?

7.       Чому, якщо склянку з водою накрити паперовою серветкою, то через деякий час вона стане трохи вологою.

8.      Чому під час випаровування рідина охолоджується?

9.      Чому на лісових дорогах калюжі висихають довше, ніж на польових?

10.      Чому, коли людина виходить з річки після купання, відчуває холод?

11.       Чому жирний суп довго не охолоджується навіть тоді, коли його налили в тарілку?

12.      Перед закипанням чайник “гуде”. Чому?

2.       Вивчення нового матеріалу.

        Щоб температура рідини в процесі випаровування не зменшувалася, необхідно в процесі випаровування увесь час підводити до рідини тепло. На що ж витрачається енергія, що підводиться, якщо температура (а отже, і середня кінетична енергія молекул) не змінюється?

     Вона витрачається в основному на розрив зв’язків між молекулами при перетворенні рідини на пару. Оскільки для «відривання» молекул одна від одної необхідно виконати роботу, потенціальна       енергія взаємодії молекул збільшується.

    Причому різні рідини однієї й тієї ж маси потребують різної кількості теплоти для перетворення їх у пару за температури кипіння. Для характеристики енергетичних витрат на випаровування рідин уводиться поняття питомої теплоти пароутворення.

     Питомою теплотою пароутворення називають фізичну величину, що чисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати 1 кг рідини, щоб повністю перетворити її на пару за постійної температури.

      Питома теплота пароутворення позначається буквою L й вимірюється в Дж/кг.

У таблиці зазначено, що питома теплота пароутворення, наприклад, у води 2,3 МДж/кг. Це означає, що для обернення на пару 1 кг води, узятої при постійній температурі, необхідно затратити 2,3 МДж теплоти.

Щоб знайти кількість теплоти, необхідну для перетворення на пару будь-якої маси рідини , узятої за температури кипіння, можна скористатися формулою:

                                                                                 

Кількість теплоти, що виділяється при конденсації пари аналогічної маси, визначається за цією ж формулою.

Графік зміни температури при поглинанні речовиною
теплової енергії з часом:

АВ - нагрівання твердого тіла (льоду);

ВС - плавлення (льоду);

CD - нагрівання рідини (води);DE-пароутворення;ЕF - нагрівання газу (пар).

3.Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 1.  Посудина, в якій міститься 2 кг води при 20 С, передано 1050 кДж  теплоти. Скільки води при цьому випарувалось?

           Дано:                               Розв’язування:

 Q = 1050 кДж 

 m = 2 кг                     Оскільки в умові задачі не сказано, як відбувався

  L₂₀ = 2450 кДж/кг      процес випаровування - з нагріванням до температури

  L₁₀₀= 2260 кДж/кг      кипіння чи без, розглянемо обидва випадки:

 t₁ = 20⁰C                   1) Q=Lm,  звідки  m₂=

   t₂ = 100⁰C

  c = 4200 Дж/кг⁰C       m₂=     = 0,43 кг

m₁  -  ?                                           

                                    2) Q= c m(t₂-t₁) + L m₂ , звідки m₂=                                        

                                                 m₂=  = 0,17 кг.     

Відповідь: залежно від способу випаровування за допомогою 1050 кДж теплоти можна випарувати 0,43 кг або 0,17 кг води.

Задача 2.  Яку кількість теплоти треба надати 50 г води, температура якої 0⁰С, щоб довести її до кипіння і перетворити половину її в пару ?

     Дано:                                         Розв’ язання:

m₁= 50 г = 0,05 кг          Шукана кількість теплоти визначається сумою теплоти

m₂= 25 г = 0,025 кг        для нагрівання 50 г води до 100⁰С і випаровування

c = 4200 Дж/кг⁰C          25 г води:

L = 2,3*10⁶ Дж/кг          Q = c m₁t + L m₂

t = 100⁰C                         Q = 4200 Дж/кг⁰C * 0,05 кг * 100⁰С +

                                        + 2,3*10⁶ Дж/кг * 0,025 кг = 78,5 кДж

      Q  -  ?                        Відповідь: для проходження даного процесу необхідно

                                                           78,5 кДж теплоти.

Задача 3.   Яка кількість теплоти виділяється під час конденсації водяної пари, маса якої 10 кг при температурі 100⁰С, та охолодженні води, що утворилася, до 20⁰С ?

      

Дано:                                        Розв’ язування:   

  m = 10 кг                      Шукана теплота є сумою теплот, які виділяються при

   L = 2,3*10⁶ Дж/кг         конденсації води і подальшому її охолодженні до 20⁰С:

   t  = 80⁰C                                         Q = L m + c m t

                                         Q = 2,3*10⁶ Дж/кг * 10 кг + 4200 Дж/кг*К * 10 кг *

      Q - ?                                   * 80⁰С  = 2,6*10⁷Дж = 26 МДж

                                      Відповідь: виділяється 26 МДж теплоти

4.Запитання на  закріплення

1.     Що таке питома теплота пароутворення? Як розрахувати кількість теплоти при випаровуванні рідини?

2.      Чому термометр, який загорнений у мокру тканину, показує більш низьку температуру, ніж сухий?

3.      Коли чай охолоне сильніше: якщо в нього відразу покласти цукор, а потім почекати кілька хвилин, чи спочатку почекати кілька хвилин, а потім покласти цукор?

4.      Щоб прискорити процес приготування юшки, рибалки ще підкинули гілок у багаття під казаном, у якому вже кипіла води з рибою й овочами. Чи швидше приготується юшка? Відповідь обґрунтуйте.

5.      Чи існує така температури при якій рідина перестає випаровуватись?

6.      Із закритих пляшок у дві відкриті склянки налили воду й ефір. У склянці з якою рідиною термометр показуватиме більш високу температуру?

7.      У якій каструлі вода закипить швидше: у відкритій чи закритій? Відповідь обґрунтуйте.

8.      При кипінні електричного чайника з нього виходить туман. Чому туман зникає, коли до нього піднести запалений сірник?

9.      Восени перед сходом Сонця, коли температура повітря падає, часто утворюється туман. Чому утворення туману запобігає подальшому зниженню температури повітря?

10. На високогір’ї у воді, що кипить в казані на вогнищі, неможливо зварити м’ясо. Чому?

5.Домашнє завдання.

Вивчити: параграф

Задача 1. Для якого фізичного процесу необхідно затратити більшу кількість теплоти: для нагрівання води від 20°С до 100°С, чи для перетворення такої ж маси води в пару при 100°С й в скільки разів?

Задача 2. Яка кількість теплоти виділиться при конденсації 50 г водяної пари, що має температуру 100 °С, і при охолодженні води, що утворилася, до температури 60 °С?

Усне опитування по запитаннях до уроку.

6.Для допитливих.

Яка вода замерзне швидше: холодна чи гаряча? Проведемо експеримент. Візьмемо дві однакові склянки і наповнимо їх водою, одну - окропом, іншу - водою з-під крану. В якій з них вода замерзне швидше, якщо склянки виставити на мороз?

Відповідь очевидна: щоб заморозити воду слід відвести (забрати) тепло Q = cm(t - 0°C) + λm.

Оскільки температура окропу є вища за температуру води з-під крану, отже від гарячої посудини слід відвести більшу кількість тепла, а отже процес заморозки займе більше часу.

Але в ході проведення експерименту виявляємо, що гаряча вода замерзає швидше.

Явище, яке здається на перший погляд парадоксальним, має просте фізичне пояснення.

Проведемо ще раз цей самий експеримент, накривши обидві склянки герметично кришками. Виявимо, що дива в цьому випадку не сталося: спочатку замерзне холодна, а потім і гаряча вода.

Щоб розставити всі крапки над і згадаємо, як охолоджується вода?

Охолодження води відбувається в результаті 2-х процесів: теплообміну з навколишнім середовищем і випаровування. Обидві посудини зроблено зі скла, тому теплообмін через стінки буде незначним і охолодження відбуватиметься в основному за рахунок випаровування з поверхні.

Внаслідок випаровування над поверхнею рідини утворюється пара. Якщо посудина з водою закрита, то пара над рідиною швидко стає насиченою і подальше охолодження відбувається лише за рахунок теплообміну.

Зовсім по-іншому охолоджується вода у відкритій посудині. При випаровуванні маса води весь час зменшується і тому, коли температура опуститься до 0°С, у гарячій посудині виявиться значно менше води, ніж у холодній. Після цього рідини в обох посудинах охолоджуватимуться однаково.

Саме це є основним поясненням цього експериментального парадоксу.

Інтернет ресурси, які можна використати для уроку.

Використання енергії яка виділяється під час пароутворення і конденсації (відео)

Що показує питома теплота пароутворення (відео)

Таблиця питомої теплоти пароутворення і конденсації

Формула

Умови задач

   Графік

   Запитання на  закріплення