Лабораторна робота № 7 (11)

ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМОЇ ТЕПЛОТИ ПАРОУТВОРЕННЯ КАЛОРИМЕТРИЧНИМ МЕТОДОМ

Мета роботи: Вивчити явище пароутворення і визначити питому теплоту пароутворення води.

Прилади і приладдя: електроплитка, колба з водою, сухопарник, калориметр з мішалкою і кришкою, термометр, технічні терези, різноваги.

Література

1. Грабовский Р.И. Курс физики: Учеб. пособие для с.-х. ин-тов. – М., 1979. – 552 с.

2. Розумнюк В.Т., Якименко І.Л. Фізика. Основні поняття, явища і закони. – Біла Церква, 2004. – 71 с.

Теоретичні відомості

Пароутворенням називають перехід речовин із рідкого стану в газоподібний.

Існує два процеси пароутворення – випаровування і кипіння.

Випаровуванням називають відрив молекул від поверхні рідини.

У процесі випаровування від поверхні відриваються ті молекули, що мають кінетичну енергію, достатню для подолання сил притягання до сусідніх молекул. Таким чином, при випаровуванні відриваються від поверхні рідини молекули з більшою енергією, а залишаються в рідині молекули з меншою енергією. Це означає, що внаслідок випаровування температура рідини зменшується. (Нагадаємо, що температура будь-якого тіла залежить від середньої кінетичної енергії його молекул. Чим більша середня енергія молекул, тим температура тіла вища і навпаки).

Випаровування відбувається при будь-якій температурі, тому що при будь-якій температурі є молекули, що мають достатню енергію для розриву міжмолекулярних зв’язків. Цю енергію вони отримують від своїх сусідок при взаємному зштовхуванні внаслідок хаотичного руху. При більш низьких температурах таких молекул менше, а значить менша й інтенсивність випаровування.

Кипінням називають відрив молекул як від поверхні рідини, так і в її об’ємі.

В об’ємі молекули відриваються в бульбашки повітря, які завжди є всередині будь-якої рідини. Найчастіше всього вони знаходяться в подряпинах, щілинах чи місцях стінок посудини, не змочених рідиною. На відміну від випаровування, кипіння відбувається не при будь-якій, а при певній для кожної рідини температурі. Для води при нормальному тиску ця температура дорівнює 100 °С. По мірі кипіння молекули рідини, що оточують бульбашку повітря, відриваються від рідини в бульбашку і її розмір зростає. Зростає в бульбашці й величина тиску. Коли цей тиск дорівнює або є більшим суми гідростатичного тиску стовпчика рідини над бульбашкою і атмосферного тиску, бульбашка спливає на поверхню і лопається, переносячи таким чином молекули рідини в атмосферу.

Пароутворення, як при випаровуванні, так і при кипінні, вимагає затрат енергії для подолання сил притягання між молекулами рідини. Ці затрати при певних зовнішніх умовах (температурі і тиску) характеризуються питомою теплотою пароутворення.

Питомою теплотою пароутворення називають кількість теплоти, яку необхідно витратити для перетворення одиниці маси рідини в пару при температурі пароутворення.

В СІ питома теплота пароутворення λ вимірюється в Дж/кг. Різні рідини мають різні значення λ тому, що в них різні сили притягання між молекулами.

Кількість теплоти Q, необхідноїдля перетворення деякої маси m рідини в пару при температурі пароутворення, буде:

∆Q = λ m, (1)

де (лямбда) – питома теплота пароутворення.

Теплота – це фізична величин, що є мірою сумарної кінетичної енергії хаотичного руху молекул тіла.

Температура є кількісною характеристикою інтенсивності хаотичного руху молекул тіла, показником середньої швидкості хаотичного руху молекул та середньої кінетичної енергії хаотичного руху молекул.

В даній роботі для визначення питомої теплоти пароутворення води використовують визначення теплоти, що віддається водяною парою воді в калориметрі й самому калориметру, коли пару напускають в калориметр з холодною водою. При цьому калориметр і вода в ньому нагріваються.

Запишемо рівняння теплового балансу для цього процесу:

, (2)

де Q₁ – енергія, отримана водою в калориметрі при нагріванні від до .

, (3)

де – питома теплоємність води; m – маса води в калориметрі до початку досліду; – температура води в кінці досліду; – початкова температура води в ньому.

Q – енергія, отримана калориметром при нагріванні від до .

, (4)

де – питома теплоємність латуні (матеріалу калориметра); m – маса калориметра; θ – температура калориметра в кінці досліду; t₁ – температура калориметра на початку досліду.

Q – енергія, що передається парою при конденсації (конденсацією називають перехід речовини із газоподібного стану в рідкий).

, (5)

де – питома теплота пароутворення; m – маса пари.

ΔQ – енергія, що передається конденсатом (сконденсованою парою) при його охолодженні від температури кипіння до температури :

, (6)

де – питома теплоємність води; m – маса пари; – температура пари (температура кипіння води); θ – температура води в кінці досліду.

Підставивши формули(3), (4), (5) і (6) у рівняння (2) знаходимо робочу формулу для визначення λ:

(7)