Глава 1. Тепловые явления. § 22. Удельная теплота парообразования — с. 85
§ 22. Вопрос 1. На что расходуется количество теплоты, подводимое к жидкости при кипении?
При кипении температура жидкости не меняется, поэтому подводимая энергия не идёт на увеличение кинетической энергии молекул. Она расходуется на увеличение потенциальной энергии молекул: чтобы превратить жидкость в пар, нужно совершить работу против сил притяжения и удалить молекулы друг от друга на большие расстояния. Часть энергии затрачивается также на работу расширения образовавшегося пара. Поэтому внутренняя энергия пара больше внутренней энергии жидкости той же массы при той же температуре.
§ 22. Вопрос 2. Что называют удельной теплотой парообразования?
Удельной теплотой парообразования называют физическую величину, равную количеству теплоты, которое необходимо сообщить жидкости массой 1 кг, чтобы превратить её в пар при температуре кипения. Обозначается буквой L и вычисляется по формуле L = Q/m, где Q — количество теплоты, полученное жидкостью, m — масса образовавшегося пара. Например, для воды L = 2,3 · 10⁶ Дж/кг: на превращение 1 кг воды, нагретой до 100 °C, в пар при этой температуре нужно затратить 2,3 · 10⁶ Дж энергии.
§ 22. Вопрос 3. Какова единица удельной теплоты парообразования?
Из формулы L = Q/m следует, что единицей удельной теплоты парообразования является джоуль на килограмм (Дж/кг): 1 Дж/кг равен удельной теплоте парообразования, при которой для превращения 1 кг жидкости в пар при температуре кипения нужно затратить 1 Дж энергии. Практически используют значения порядка 10⁵–10⁶ Дж/кг (например, у спирта 0,9 · 10⁶ Дж/кг, у воды 2,3 · 10⁶ Дж/кг).
§ 22. Вопрос 4. Опишите опыт, который показывает, что при конденсации пара выделяется энергия. (рис. 44) [на рисунке: колба с кипящей водой на подставке над горелкой, из горлышка по трубке выходит струя пара на холодную пластину, под которой стоит стакан]
Воду в колбе доводят до кипения. Струю образовавшегося пара направляют по трубке на холодный предмет (пластину), под которой стоит стакан. Пар, соприкасаясь с холодной пластиной, остывает и конденсируется: на ней появляются капельки воды, которые стекают в стакан. Если измерить температуру пластины или воды в стакане, видно, что они повышаются: пар при конденсации отдаёт энергию, причём опыты показывают, что он отдаёт то самое количество теплоты, которое было затрачено на его образование (Q = Lm). Вывод: при конденсации пара выделяется энергия, равная энергии, поглощённой при парообразовании той же массы жидкости.
§ 22. Вопрос 5. Как рассчитать количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар при температуре кипения?
Для этого нужно удельную теплоту парообразования L данной жидкости умножить на массу жидкости m: Q = Lm. Например, чтобы превратить в пар 2 кг воды при 100 °C, нужно затратить Q = 2,3 · 10⁶ Дж/кг · 2 кг = 4,6 · 10⁶ Дж. Если жидкость взята при температуре ниже температуры кипения, то к этому количеству теплоты нужно добавить количество теплоты на её нагревание до кипения Q₁ = cm(t₂ − t₁). По той же формуле рассчитывают количество теплоты, выделяющееся при конденсации пара массой m.