Краткая теория

Парообразованием называется переход вещества из конденсированной фазы (жидкой или твердой) в газовую, для осуществления которого веществу необходимо подвести определенное количество теплоты.

Различают следующие виды парообразования: испарение - парообразование со свободной поверхности жидкости (в случае твердого тела – сублимация) и кипение - парообразование, которое происходит не только со свободной поверхности жидкости, но и изнутри самой жидкости.

Явление испарения объясняется тем, что молекулы жидкости, обладающие кинетической энергией, большей потенциальной энергии взаимодействия соседних молекул жидкости, преодолевают силы молекулярного сцепления и вылетают с её поверхности, что ведёт к уменьшению внутренней энергии жидкости, т. е. к ее охла­ждению. Чтобы процесс испарения протекал при постоянной температуре, необходимо сообщать каждой единице массы вещества определенное количество теплоты. Обратный процесс перехода пара в жидкость называется конденсацией.

Процессы испарения и конденсации идут одновременно. Когда число молекул, покидающих жидкость и возвращающихся в нее за одно и то же время одинаковы, наступает состояние динамического равновесия. Пар в состоянии динамического равновесия с жидкостью называется насыщенным.

При повышении температуры плотность и давление насыщенного пара увеличиваются.

Для осуществления процесса испарения необходимо наличие поверхностного раздела между жидкостью и вакуумом (или газом). Но эту поверхность можно получить и внутри жидкости, так как любая жидкость способна в той или иной степени поглощать газы. При нагревании растворенные в жидкости газы и газы из стенок сосуда начинают выделяться в виде пузырьков. На каждый пузырек действует гидростатическое давление столба жидкости над ним, внешнее атмосферное давление, добавочное и направленное внутрь пузырька давление за счет кривизны его поверхности, которые стараются его раздавить. Однако внутрь пузырька идет испарение жидкости и давление в нем растет при повышении температуры. Когда температура жидкости достигает значения, при котором упругость (давление) насыщенных паров жидкости в пузырьке становится чуть выше внешнего давления (точнее, суммы вышеуказанных давлений, которые стремятся его раздавить), пузырек начинает быстро раздуваться, резко увеличивается выталкивающая сила, он быстро всплывает наружу и лопается, выбрасывая насыщенный пар наружу. Этот процесс бурного выделения паров изнутри жидкости называется кипением.

Итак, кипение жидкости наступает в том случае, когда температура всей жидкости одинакова, а давление насыщенного пара этой жидкости равно внешнему давлению. Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, называется температурой кипения. При увеличении давления температура кипения увеличивается, при уменьшении давления – уменьшается.

Чтобы жидкость кипела, необходимо нагреть её до тем­пературы кипения, а затем сообщить добавочное количество тепло­вой энергии. Количество теплоты, необходимое для превращения в пар единицы массы m жидкости, нагретой до температуры кипения, называет­ся удельной теплотой парообразования r:

. (1)

При обратном переходе молекул из пара в жидкость происходит конденсация. Конденсация и испарение относятся к фазовым переходам 1-го рода, когда скачком меняется плотность вещества, а в единице массы выделяется или поглощается определенное количество теплоты. В равновесном изобарно-изотермическом фазовом переходе испарение-конденсация единицей массы вещества поглощается (при испарении) и выделяется (при конденсации) одинаковое количество теплоты, называемое удельной теплотой парообразования или конденсации соответственно.

Для определения удельной теплоты парообразования исследуемой жидкости пользуются ка­лориметрическим методом, схема которого показана на рис. 1.

Рис. 1

Пар, образующийся в колбе-парообразо- вателе В при кипении воды, поступает в сухопарник С, где осаждаются успевшие сконденсироваться на стенках трубки капельки воды. Осушенный пар по трубке поступает в калориметр К с водой, где конденсируется, нагревая при этом воду. Температура воды в калориметре измеряется спиртовым термометром. Калориметр (от лат. calor - тепло и греч. metreo - измеряю) - это вставленные друг в друга металлические стаканы, между которыми имеется воздушный промежуток, уменьшающий потери тепла за счет низкой теплопроводности воздуха. Пусть вода массой mв налита во внут-

ренний стакан калориметра массой m_ст, температура воды и стакана одинакова и равна t₁. Водяной пар с температурой t_к, попав в воду, конденсируется, и внутренний стакан калориметра с водой нагревается до температуры смеси t₂. Масса m_к конденсата - водяного пара, сконденсировавшегося во внутреннем стакане калориметра, равна разности масс внутреннего стакана калориметра с водой после конденсации туда пара m₂ и до конденсации m₁: m_к = m₂ – m₁.

Предполагая‚ что тепловой обмен происходит без потери тепла в окружающую среду, можно составить уравнение теплового балан­са

, (2)

где левая часть уравнения определяет количество теплоты, выделившееся при конденсации пара и остывании образовавшейся из пара воды (конденсата) в калориметре до температуры смеси t₂, а правая часть – количество теплоты, принятое калориметром и водой.

В уравнении (2) количества теплоты определяются следующим образом:

Q₁= r ·m_к - количество теплоты, отданное паром при конденсации его в воду при температуре кипения t_к; m_к – масса сконденсированного пара (конденсата);

Q₂= с_в ·m_к (t_к – t₂ ) - количество теплоты, выделенное при ох­лаждении конденсата m_к от температуры конденса­ции t_к до температуры смеси t₂;

Q₃= с_в ·m_в (t₂ – t₁ ) – количество теплоты, полученное водой массой m_в в калориметре при конденсации пара и остывании конденсата;

Q₄= с_ст·m_ст (t₂ – t₁ ) – количество теплоты, полученное внутренним сосудом калори­метра массой m_ст;

с_в и с_ст – удельные теплоемкости воды и материала калориметра соответственно;

m_ст- масса внутреннего сосуда калориметра;

m_в– масса воды в калориметре;

t₁ – начальная температура воды (и калориметра);

t₂ – температура смеси воды и конденсата;

t_к – температура пара (равная температуре кипения воды).

Подставив значения Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ в (2), получим

,

откуда

(3)