Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 6.6. Теплота парообразования

• Требуется ли энергия для превращения жидкости в пар? Скорее всего да! Не так ли?

Мы отмечали (см. § 6.1), что испарение жидкости сопровождается ее охлаждением. Для поддержания температуры испаряющейся жидкости неизменной к ней необходимо подводить извне теплоту. Конечно, теплота и сама может передаваться жидкости от окружающих тел. Так, вода в стакане испаряется, но температура воды, несколько более низкая, чем температура окружающего воздуха, остается неизменной. Теплота передается от воздуха к воде до тех пор, пока вся вода не испарится.

Чтобы поддерживать кипение воды (или иной жидкости), к ней тоже нужно непрерывно подводить теплоту, например подогревать ее горелкой. При этом температура воды и сосуда не повышается, но каждую секунду образуется определенное количество пара.

Таким образом, для превращения жидкости в пар путем испарения или путем кипения требуется приток теплоты. Количество теплоты, требующееся для превращения данной массы жидкости в пар той же температуры, называется теплотой парообразования этой жидкости.

На что расходуется подводимая к телу энергия? Прежде всего на увеличение его внутренней энергии при переходе из жидкого состояния в газообразное: ведь при этом увеличивается объем вещества от объема жидкости до объема насыщенного пара. Следовательно, увеличивается среднее расстояние между молекулами, а значит, и их потенциальная энергия.

Кроме того, при увеличении объема вещества совершается работа против сил внешнего давления. Эта часть теплоты парообразования при комнатной температуре составляет обычно несколько процентов всей теплоты парообразования.

Теплота парообразования зависит от рода жидкости, ее массы и температуры. Зависимость теплоты парообразования от рода жидкости характеризуется величиной, называемой удельной теплотой парообразования.

Удельной теплотой парообразования данной жидкости называется отношение теплоты парообразования жидкости к ее массе:

где r — удельная теплота парообразования жидкости; m — масса жидкости; Q_n — ее теплота парообразования. Единицей удельной теплоты парообразования в СИ является джоуль на килограмм (Дж/кг).

Удельная теплота парообразования воды очень велика: 2,256 • 10⁶ Дж/кг при температуре 100 °С. У других жидкостей (спирт, эфир, ртуть, керосин и др.) удельная теплота парообразования меньше в 3—10 раз.

Зависимость удельной теплоты парообразования от температуры

Для одной и той же жидкости удельная теплота парообразования при разных температурах имеет разное значение. При повышении температуры удельная теплота парообразования уменьшается, так как с ростом температуры уменьшается разность между объемом жидкости и объемом ее насыщенного пара. Поэтому уменьшается изменение внутренней энергии и работа против сил внешнего давления.

Значения удельной теплоты парообразования воды при разных температурах приведены в таблице 3.

Таблица 3

При критической температуре (374 °С) удельная теплота парообразования воды равна нулю(1).

Теплота образования жидкости в соответствии с определением (6.6.1) равна

Согласно закону сохранения энергии при конденсации пара происходит выделение такого же по модулю количества теплоты, какое было затрачено при парообразовании той же массы жидкости при той же температуре:

Формулами (6.6.2) и (6.6.3) пользуются при записи уравнений теплового баланса в тех случаях, когда мы встречаемся с парообразованием и конденсацией.

Поглощение теплоты при парообразовании и выделение теплоты при конденсации водяных паров играют исключительно важную роль в природе, делают более умеренным климат приморских стран. Процессы парообразования и конденсации воды в природе совершаются в грандиозных масштабах. Так как значение удельной теплоты парообразования воды достаточно велико, то испарение с поверхности морей и океанов в теплую погоду сопровождается поглощением большого количества теплоты, а при конденсации пара (выпадении осадков) в холодную погоду происходит выделение значительных количеств теплоты.

Для перехода жидкости в газ той же температуры требуется определенное количество теплоты, которое называется теплотой парообразования.

(1) Удельная теплота парообразования всех жидкостей при критической температуре равна нулю, так как при этой температуре нет различия между жидкостью и паром.