Температура, при которой происходит кипение жидкости, называется температурой кипения.

Температура кипения у разных жидкостей различна. Это и понятно, ведь различна энергия взаимодействия их молекул.

Как видно из таблицы, более летучие жидкости — это эфир или спирт — кипят при более низкой температуре, чем, например, вода. Это связано с тем, что давление насыщенных паров этих жидкостей уже при комнатной температуре достаточно велико, поскольку их молекулы слабее связаны между собой силами притяжения, чем молекулы других веществ.

 

А случайно ли мы, говоря о температуре кипения жидкости, указываем давление?

Нет, не случайно. Пузырьки кипящей жидкости лопаются при условии, что давление пара в них не меньше, чем давление снаружи. Значит, чем меньше внешнее давление, тем при более низкой температуре закипит жидкость.

Подтвердим это опытом. Нальём в колбу тёплой воды при температуре пятьдесят градусов. Закроем колбу и подсоединим к откачивающему насосу. Теперь откачаем воздух из колбы.

Вода закипит, хотя её температура меньше 100 ^оС. Но это не значит, что в такой воде можно сварить яйцо. Яйцо варится не потому, что вода кипит, а потому, что она горячая. А если в специальных условиях создать, например, высокое давление над поверхностью воды, то в ней можно будет расплавить олово, но вода так и не будет кипеть.

Зависимость температуры кипения от внешнего давления используется в практических целях. Например, для стерилизации медицинских инструментов их помещают в герметически закрытые камеры-автоклавы, вода в которых кипит при температуре значительно выше, чем сто градусов.

А мощные паровые турбины работают при давлении, в двести раз большем атмосферного, и температуре, в шесть раз превышающей температуру кипения воды при нормальном давлении. А это существенно повышает их коэффициент полезного действия.

В быту мы используем кастрюли-скороварки. В них давление пара в два раза больше атмосферного и температура кипения воды достигает ста двадцати градусов, что существенно уменьшает время приготовления пищи, по сравнению с обычной кастрюлей.

Но вернёмся к парообразованию. Итак, мы с вами видели, что во время кипения воды, её температура практически не меняется. Но ведь энергия (от нагретой плитки) жидкостью поглощается. Тогда возникает закономерный вопрос: Куда же уходит эта энергия?

Энергия, полученная жидкостью, идёт на превращение её в пар. Пока нагреваемая жидкость не кипит, парообразование происходит только с её поверхности. Часть сообщаемой жидкости энергии расходуется на компенсацию потери жидкостью энергии при испарении, а часть — на увеличение внутренней энергии жидкости, о чём свидетельствует увеличение её температуры.

При достижении температуры кипения парообразование происходит уже во всём объёме жидкости. Переход жидкости в газообразное состояние связан с увеличением расстояний между молекулами и соответственно с преодолением притяжения между ними. На совершение работы по преодолению сил притяжения между молекулами и расходуется энергия, подводимая к жидкости. Так происходит до тех пор, пока вся жидкость не превратится в пар. Вот почему температура жидкости остаётся постоянной, пока она кипит.

Таким образом, чтобы превратить в пар жидкость при температуре кипения, необходимо передать ей определённое количество теплоты. Эта энергия характеризуется величиной, называемой удельной теплотой парообразования.

Удельная теплота парообразования равна количеству теплоты, которое нужно сообщить веществу массой один килограмм для превращения его из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения.

Обозначается удельная теплота парообразования латинской буквой L:

[ L ] = [Дж]

Значения удельной теплоты парообразования определяются экспериментально.

А что значит: удельная теплота парообразования спирта равна 900 000 Дж/кг? Это значит, что для превращения 1 кг спирта из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения необходимо затратить 900 000 Дж теплоты.

Очевидно, что если необходимо превратить в пар при температуре кипения не 1 кг спирта, а, например, 5, то потребуется затратить количество теплоты в 5 раз больше.

Таким образом, чтобы найти количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу массой m, для его перехода из жидкого состояния в газообразное, необходимо удельную теплоту парообразования этого вещества умножить на его массу:

Q = Lm

Как показывают многочисленные опыты, при конденсации пара выделяется некоторое количество теплоты, значение которой равно значению количества теплоты, полученного жидкостью при парообразовании при той же температуре.

Пример решения задач.

Задача 1. Определите, какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы двести грамм воды, находящейся при температуре двадцать градусов Цельсия, полностью превратить в пар при ста градусах?

8.13 Влажность воздуха. Способы определения влажности воздуха.

 

На прошлых уроках мы изучали процесс испарения. Давайте вспомним, что испарением, называется процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости.

Поскольку этот процесс происходит непрерывно на нашей планете, то в атмосфере всегда присутствуют водяные пары.

Вы только представьте: на Земле за год испаряется около 4,25 ∙ 10¹⁴ т воды. Содержание водяного пара в атмосфере характеризует понятие влажность. В метеорологических сводках нам часто сообщают о влажности воздуха, например: «...относительная влажность воздуха 84%. О чём же это говорит?

Под влажностью воздуха понимается выраженное в процентах содержание водяных паров в воздухе.

Для количественной характеристики содержания водяного пара в воздухе используется абсолютная и относительная влажность.

Абсолютной влажностью воздуха (ρ) называют массу водяного пара, содержащегося в одном кубометре воздуха, или плотность водяного пара, содержащегося в воздухе.

Например, если говорят, что влажность воздуха равна 7 г/м³, то это значит, что в 1 м³ воздуха содержится водяной пар массой 7 г.

Однако зная абсолютную влажность воздуха, нельзя сказать, сухой это воздух или влажный. Для того чтобы судить о степени влажности воздуха, вводят величину, называемую относительной влажностью.

Относительной влажностью воздуха называют величину, равную отношению плотности водяного пара, содержащегося в воздухе, (то есть абсолютной влажности) к плотности насыщенного водяного пара при этой температуре:

Значения плотности насыщенного водяного пара при разной температуре приведены в таблице:

 

Чтобы узнать, как ей пользоваться, рассчитаем относительную влажность воздуха, если абсолютная влажность воздуха при температуре 10 ^оС равна 5,6 г/м³.

Для этого по таблице найдём плотность насыщенного пара при этой температуре.

Температуру, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным, называют точкой росы.

Если количество водяного пара в воздухе больше, чем в насыщенном паре при данной температуре, то говорят, что воздух пересыщен водяными парами.

Пересыщенное состояние воздуха является неустойчивым, поскольку в нем не может содержаться такое количество воды. Следовательно, при малейшей возможности избыток воды сконденсируется. Этот процесс лежит в основе образования тумана, облаков и дождя. Для начала конденсации необходимы любые твёрдые частицы или капельки жидкости, которые могут служить зародышами для последующего выделения на них воды.

В природе пересыщенное состояние обычно не наблюдается ввиду наличия в атмосфере большого количества различных пылинок, частичек сажи и тому подобного, которые и служат центрами конденсации.

Однако на больших высотах в атмосфере, где мало центров конденсации, это состояние пара может реализовываться. Вследствие этого за летящим самолётом образуется хорошо видимый след, вызванный конденсацией пересыщенного пара на частичках сгоревшего топлива.

Для определения влажности воздуха и точки росы используются приборы, называемые, в зависимости от принципа действия, гигрометрами (от греческого влажный) или психрометрами (от греческого холодный).

       Гигрометры Психрометры

Считается, что первый гигрометр был создан в одна тысяча семьсот восемьдесят третьем году швейцарским геологом Орасом де Соссюром. Его действие было основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса изменять свою длину при изменении влажности. Поэтому такой гигрометр принято называть волосяным. В нём один конец волоса прикреплён к раме, а другой конец обёрнут вокруг ролика и соединён с грузом. Груз держит волос в натянутом состоянии. При изменении длины волоса ролик начинает вращаться и приводит в движение стрелку. Шкала такого гигрометра проградуирована так, что по положению стрелки можно определить относительную влажность воздуха.

Первый психрометр был создан в одна тысяча восемьсот двадцать восьмом году немецким физиком Эрнстом Августом. Психрометр служит для определения относительной влажности воздуха и его температуры.

Он состоит из двух одинаковых термометров, один из которых сухой, а другой — влажный. Чем ниже влажность воздуха, тем интенсивнее происходит испарение с поверхности влажного термометра, вследствие чего его температура понижается. Разность показаний термометров служит мерой относительной влажности, которая определяется по специальным психрометрическим таблицам:

Вблизи земной поверхности относительная влажность воздуха колеблется от ста процентов во влажных тропических лесах, до двух стотысячных процента в Антарктиде.

Наиболее комфортно люди чувствуют себя при влажности в 40% — 50%. Если влажность воздуха ниже 40%, то он считает сухим. Нормальным — при влажности от 60% до 80%. И влажным, если его относительная влажность превышает 80%. При высокой влажности в жаркий день испарение влаги с поверхности кожи уменьшается. При низкой влажности, напротив, вследствие испарения сохнет кожа и обезвоживаются слизистые оболочки человека. Вследствие чего повышается вероятность простудных заболеваний.

Контроль влажности воздуха важен для сохранности произведений искусства. В теплицах и оранжереях — для поддержания нужного режима растениям. Также контроль влажности важен при проектировании сооружений, машин и различных механизмов.

Пример решения задач

Задача. В 6 м³ воздуха при температуре 30 ^оС находится 42 г водяного пара. Найдите относительную влажность воздуха.