«Испарение. Поглощение энергии при испарении. Конденсация» Трофимова Ирина Геннадьевна, учитель физики МБОУ СОШ №85 с углубленным изучением отдельных предметов Сормовского района г.Нижнего Новгорода Нижегородской области Цели урока: 1. Обучение особенностям физических процессов перехода вещества из жидкого состояния в газообразное и наоборот; сформировать представление об изменениях внутренней энергии вещества во время переходов в различные агрегатные состояния 2. Развитие мышления учащихся, их познавательной активности и самостоятельности; развитие физической интуиции, вырабатывание у ребят умения улавливать физическое содержание задачи; 3. формирование бережного отношения к оборудованию, соблюдение техники безопасности. Оборудование: набор пузырьков с водой, маслом, спиртом; пипетки или распылители, веер, листы промокательной бумаги, термометр, секундомер. Демонстрации: 1.Зависимость скорости испарения от площади свободной поверхности; температуры, движения воздуха. 2.Охлаждение жидкости при испарении. Тип урока: комбинированный. План урока 1. Оргмомент 1 мин 2. Проверка знаний. Проверка домашнего задания. Опрос (индивидуально и фронтально) 1517мин. 3. Объяснение нового материала 13-15мин. 4. Закрепление 6 мин. 5. Итоговая рефлексия 2 мин. 6. Домашнее задание 1мин 7. Интересные факты Развернутый план урока 2. ПРОВЕРКА ЗНАНИЙ. 15-17мин А. Индивидуальная работа с учащимися 1 ученик. Проверка домашнего задания на доске по теме предыдущего урока. 7 учеников. Карточки с качественными, экспериментальными и количественными заданиями. 1 карточка (выполнить за партой, результаты записать на доске) Наблюдение зависимости скорости испарения жидкости от рода жидкости, площади ее свободной поверхности, температуры и скорости удаления паров Приборы и материалы): 1) стакан с водой, 2) пипетка со спиртом, 3) пипетка, 4) листы бумаги -2 шт., 5) веер бумажный, 6)термометры-2шт, 7)секундомер Порядок выполнения работы 1). Нанесите пипеткой на лист бумаги по капле воды, спирта и наблюдайте за их испарением. Какая жидкость испаряется быстрее? 2).Нанесите пипеткой по капле спирта на разные листы бумаги и сразу же увеличьте свободную поверхность одной из капель. Для этого расположите один лист бумаги вертикально, чтобы капля растеклась по нему. Наблюдайте за испарением капель. Какая капля испарилась быстрее? 3).Нанесите пипеткой по капле спирта на лист бумаги и ладонь. Какая капля испарилась быстрее? 4).Нанесите пипеткой по капле; спирта на два листа бумаги. Один лист отложите в сторону, а возле второго помашите бумажным веером до полного высыхания капли. Какая капля испарилась быстрее? 5)От чего зависит скорость испарения жидкости? 6)Сравните температуру воздуха в классе и воды в стакане 7)выводы запишите на доске жидкость опыт испарения, с Время Вывод 2 карточка (Решить задачу) Медную деталь объемом 200 см3 нагрели от 10 до 50 °С. Какую энергию на это затратили? (28,5 кДж) 3 карточка (Решить задачу) 4 кг льда взяли при -20°С и превратили в воду с температурой 0 °С. Какое количество теплоты при этом поглотилось? (1,52 МДж) 4 карточка (Решить задачу у доски) Какое количество воды выделится при затвердевании 2 л воды, взятой при температуре 10°С? Изобразите этот процесс графически 5 карточка (Решить задачу) Сколько древесного угля нужно сжечь, чтобы нагреть 100 г воды на 50 °С? (0,78 г.) 6 карточка (Решить задачу) При какой температуре цинк может быть одновременно в твердом и жидком состояниях при нормальных условиях? (420 °С) 7 карточка. Найти ошибки Qнагр = lm(t2 – t1) Qохл = cm(t2 – t1) l=Q - m m=5л Qохл = cm(t2 + t1) Qнагр = сm(t1 – t2) Q = q*m 5л = 5 кг V = 10 кг cm(t2 – t1) Qпл = m/l Q = 8 кДж q = 2o C Q = Q1+ Q2 Q = Q1–Q2 В. Фронтальная работа с учащимися 1.Что называют внутренней энергией? 2.Как внутренняя энергия изменяется при увеличении температуры? Приведите примеры. 3. Какие способы изменения внутренней энергии вам известны? Приведите примеры. 4. Нам известны различные тепловые процессы, происходящие при передаче веществу некоторого количества теплоты. Какие это процессы и как рассчитать необходимое количества теплоты? Назовите каждую физическую величину, входящую в эти формулы. Каковы их единицы измерения? В чем физический смысл коэффициентов? 5.Задачи на перевод единиц измерения в СИ 430 г = 0,43 кг 0,8 г/см3 = 800 кг/м3 2,1 т = 2 100 кг 3 2,5 л = 0,0025 м 32кДж = 32 000 Дж 0,053 МДж = 53 000 Дж 45 см3 = 0,000045 м3 2,3 МДж/кг = 2 300 ООО Дж/кг 2,5 дм3 = 0,0025 м3 С. Обсуждение решенных на доске задач из домашнего задания и по карточке №4. Определение типичных ошибок в решении и оформлении заданий. 3. Объяснение нового материала 13-15мин. А. Создание ситуации успеха. 1)Охарактеризуйте известные вам агрегатные состояния вещества. Каковы их свойства? 2)Процессы перехода из твердого состояния в жидкое и наоборот вам хорошо известны. Как они называются? Какие изменения внутренней энергии при этом происходят? Изменяется ли при этом температура? В. Разрыв в знаниях, постановка проблемы. Следующий переход - из жидкости в газообразное состояние - называется парообразованием. Если парообразование происходит с поверхности жидкости, э тот процесс называют испарением. Каждый из вас наблюдал за высыханием выстиранного белья, луж на дорогах. Это примеры испарения. Происходит ли при испарении изменение количества вещества? Первая лабораторная работа в 8 классе называлась «Исследование температуры остывающей воды со временем». На вопросы - почему происходит остывание?- были разные варианты ответов: из-за теплообмена с окружающей средой…- до какой температуры будет продолжаться процесс остывания? –до 0°С, до комнатной температуры… Рассмотрим подробнее как происходит теплообмен или обмен энергией на границе вода – воздух и в воде. Молекулы внутри жидкости притягиваются другими молекулами одинаково во всех направлениях. Результирующая сила, действующая на такую молекулу, равна нулю. Молекула имеет кинетическую энергию, но перемещается лишь на небольшие расстояния до столкновения с другими молекулами. В обычных условиях маловероятно, что она покинет жидкость. Иначе обстоит дело с молекулами в приповерхностном слое жидкости. Они испытывают притяжение снизу и сбоку. Поэтому результирующая сила существует и направлена вниз Не все молекулы жидкости движутся с одинаковыми скоростями. Молекулы, обладающие достаточной кинетической энергией, преодолевают эту силу и покидают жидкость, образуя пар. Поскольку часть быстро движущихся молекул покидает жидкость, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул уменьшается, т.е. температура жидкости падает. С другой стороны, происходит увеличение внутренней энергии пара над жидкостью. С. Как бы в свете сказанного вы обозначили тему нашего урока? Тема сегодняшнего урока Испарение. Поглощение энергии при испарении. Конденсация. Выслушаем ученика, который выполнял индивидуально практические задания. Обратимся к результатам эксперимента для ответа на вопрос: от чего зависит скорость испарения? Запишем тему урока и выводы и определения в тетрадь. Выводы: Испарение происходит быстрее. 1)если выше температура; 2)если больше площадь поверхности испарения; 3)при ветре; 4)зависит от рода жидкости. Промежуточная рефлексия Верно ли утверждение, изменение внутренней энергии приводит к изменению состояния вещества?Это зависит от рода вещества, его начальной температуры и изменения внутренней энергии. Одновременно с испарением происходит переход молекул из пара в жидкость. Этот процесс называется конденсация. Конденсация сопровождается выделением энергии. Температура жидкости при этом увеличивается. Если сосуд открыт, число молекул, покидающих жидкость, больше возвратившихся за это же время. Если же сосуд закрыть, довольно скоро эти числа станут равными. С этого момента число молекул пара над жидкостью будет постоянным. Наступает так называемое динамическое равновесие. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным. 4.Закрепление 5-6 мин. Качественные задачи и вопросы 1. При выходе из реки мы ощущаем холод. Почему? (С поверхности тела вода испаряется, быстрые молекулы уносят с собой часть кинетической энергии, при этом температура тела уменьшается. Именно поэтому мы ощущаем холод.) 2. Почему скошенная трава быстрее высыхает в ветреную погоду, чем в тихую? {В ветреную погоду процесс испарения происходит быстрее. Молекулы,покинувшие жидкость, уносятся ветром.) 3. В тарелку и стакан налили воду одинаковой массы. Из какого сосуда она испарится быстрее?{Из тарелки, так как площадь поверхности воды в ней больше.) 4. Зачем сосуды с жидкостями закрывают крышками? {Чтобы жидкости не испарялись) 5. Почему канистру с бензином нельзя оставлять открытой?{Бензин из канистры без крышки будет испаряться. Чтобы этого не происходило, необходимо канистру закрывать крышкой) 6. В холодильных камерах для охлаждения используют быстроиспаряющиеся жидкости фреон, аммиак. Почему не используют воду? {Используют жидкости, которые быстро испаряются. Вода испаряется достаточно медленно.) 7.Как вы будете жарить картошку: накрывая сковородку крышкой или нет? А если хотите получить хрустящий картофель? {Если хотите получить хрустящий картофель, то крышкой накрывать не стоит.) 8. Какие щи быстрее остынут - постные или жирные?(Постные. Жир на поверхности препятствует испарению жидкости. Так,если вы хотите, чтобы ваша вода быстрее закипела, необходимо на поверхности образовать жирную пленку, положить кусочек жира или масла?) 1. Почему температура остывшей воды в стакане всегда ниже комнатной температуры? {Потому что происходит процесс испарения молекул воды с поверхности, и при этом внутренняя энергия воды понижается?) 5.Итоговая рефлексия. (Личностно-значимая) с выводом на мультимедийный экран Приходилось ли вам ускорять испарение? Как и для чего вы это делали? Подумайте над этим вопросом как следует, ведь испарение «отвечает» за важнейшую для жизни работу: за защиту организма от перегрева (36,7 °С - норма, 37,0°С - уже что-то не так). Именно этот механизм выбрала природа для поддержания температуры организма человека и животных на постоянном уровне с высокой точностью. 6.Домашнее задание. П.16, 17 7.Интересные факты 1. Использование сушильных камер 2. В горячих цехах для охлаждения воздуха разбрызгивают воду 3. С поверхности Земли за год испаряется в среднем 518 600 км3 воды. 4. На Марсе если и есть вода, то крайне мало, чтобы она могла служить регулятором температуры. И атмосфера там очень редкая, прозрачная. На Венере - плотнейшая атмосфера из СО 2. Атмосферное давление в триста раз (!) больше, чем на Земле. Планета - парник! Температура - около 350°С и днем, и ночью. Настоящая сковородка для нас! Там мало воды, она существует в виде пара в верхних слоях атмосферы и в очень малых количествах Все-таки замечательная у нас планета! Ее уникальное отличие от других планет - наличие сравнительно большого количества воды. Это ограничивает колебания температуры на планете в пределах, позволяющих существовать жизни на основе углерода (нам с вами). 5.Большинство людей убеждены, что водяной пар белого цвета, и очень удивляются, слыша, что это неверно. В действительности водяной пар совершенно прозрачен, невидим и, следовательно, не имеет цвета вовсе. Тот белый туман, который в обыденной жизни называют паром, представляет собой не пар в физическом смысле слова, а воду, распыленную в мелкие капельки. Облака также состоят не из водяного пара, а из мельчайших водяных капелек. 6.В Крыму, вблизи Феодосии, до 1912 г. действовала несложная установка для получения влаги из воздуха. Она состояла из нескольких куч камней (объем каждой из них составлял около 290 м3), расположенных на водоупорном скальном основании. Возникавшая в каменных кучах за счет капиллярной конденсации вода отводилась по гончарным трубам в Феодосию, где питала небольшие фонтаны. Установка давала до 350 л питьевой воды в сутки. Остатки устройств и приспособлений для получения влаги из воздуха найдены также в Сахаре, в горных районах Италии, в Тувинской Республике, в Каракумах и на Восточном побережья Каспия. Задачи для любителей литературы 1. «Когда темный от влаги паркет несколько подсох и все зеркала покрылись банным налетом и звонки прекратились, Филипп Филиппович в сафьяновых красных туфлях стоял в передней» (М. А. Булгаков. Собачье сердце). Какие процессы описаны автором? (Испарение и конденсация) 2. «- Что за дурни, прости господи, эти немцы! - сказал голова. - Я бы батогом их, собачьих детей! Слыханное дело, чтобы паром можно кипятить!» (Н. В. Гоголь. Вечера на хуторе близ Диканьки). Можно ли водяным паром вскипятить воду? {Можно. При теплообмене водяной пар отдает воде энергию, вода принимает энергию и нагревается при этом. Если вода достигнет температуры кипения, то она закипит при нормальном атмосферном давлении.) 3. «- Свет надо тушить за собой в уборной, вот что я вам скажу, Пелагея Петровна, - говорила та женщина, перед которой была кастрюля с какой-то снедью, от которой валил пар, - а то мы на выселение на вас подадим!» (М. А. Булгаков. Мастер и Маргарита). Если из кастрюли валит пар, можно ли сказать, что вода в кастрюле закипела? От каких физических параметров зависит скорость испарения жидкости? (Испарение воды происходит не только при температуре кипения. Скорость испарения зависит от температуры, от площади поверхности жидкости, от внешних факторов, от вещества?) 4. «Ливень хлынул неожиданно, и тогда гроза перешла в ураган. В том самом месте, где около полудня, близ мраморной скамьи в саду, беседовали прокуратор и первосвященник, с ударом, похожим на пушечный, как трость, переломило кипарис. Вместе с водяной пылью и градом на балкон под колонны несло сорванные розы, листья и песок» (М. А. Булгаков. Мастер и Маргарита). Так Булгаков описывает дождь, ливень, ураган, град. Расскажите об этих природных явлениях с точки зрения физики. Какие тепловые процессы показаны в данном фрагменте? Можно ли по погоде определить температуру воздуха? (Дождь и ливень - процессы конденсации воды в атмосфере. Град - процесс кристаллизации воды в атмосфере. Вода в жидком и твердом состояниях находится в равновесии при О °С, поэтому можно предположить, что температура воздуха близка к О °С.) 5. «Через полчаса явился уездный лекарь, человек небольшого роста, худенький и черноволосый. Он прописал мне обычное потогонное» (И. С. Тургенев. Записки охотника). Для чего необходимо потогонное средство? (Для выделения пота: он испаряется с поверхности кожи, при этом температура организма понижается.) 6. «.. .Слышит - «костер», говорят. А на «костре» на этом черное что-то положено, и в нем вода, точно в озере во время бури, ходуном ходит» (М. Е. Салтыков-Щедрин. Премудрый пескарь). Какое явление наблюдал пескарь в котле? Правильно ли сравнивать это явление с бурей в озере? (Премудрый пескарь наблюдал за кипением воды в котле. Сравнивать явление кипения жидкости с воздействием ветра на верхние слои жидкости можно только визуально. В реальности это совершенно разные процессы) По пословицам и поговоркам 7. Береги нос в большой мороз. А почему в большой мороз можно отморозить нос? (В морозный день с поверхности кожи интенсивно испаряется влага, при этом температура кожи уменьшается, вследствие уменьшения внутренней энергии организма поверхность кожи переохлаждается.) 8. Дождик вымочит, а красное солнышко высушит. О каких фазовых переходах идет речь в этой пословице? (О конденсации и испарении.) По загадкам 9. Книзу летит капельками, А кверху - невидимкою. (Вода.) Какие процессы описаны в загадке? (Конденсация и испарение.) Литература 1. Дидактические материалы по физике 6-7 класс, Усова А.В., Вологодская З.А., М., «Просвещение», 1983г. 2. Кирик Л.А., «Самостоятельные и контрольные работы.Физика-8», 3. Балашов М.М., «О природе-8», М., «Просвещение», 1991г.
866. Температура воды в открытом сосуде, находящемся в комнате, всегда немного ниже температуры воздуха в комнате. Почему?
Потому что с поверхности воды происходит испарение, которое сопровождается потерей энергии, и, следовательно, понижением температуры.
867. Почему температура жидкости при испарении понижается?
При испарении уменьшается внутренняя энергия жидкости, а это ведет и к снижению температуры.
868. В Москве колебание температуры кипения воды составляет 2,5 ° (от 98,5 °С до 101 °С). Чем можно объяснить такую разницу?
Неравномерностью рельефа. С увеличением высоты над уровнем моря вода закипает при температуре ниже 100°С. А если температура кипения выше 100°С, это означает, что она находится ниже уровня моря.
869. Выполняется ли закон сохранения энергии при испарении? при кипении?
Выполняется. Сколько энергии было затрачено на нагревание, столько же энергии выделится в виде пара.
870. Если смочить руку эфиром, вы ощутите холод. Почему?
Эфир испаряется и забирает энергию с рук и воздуха.
871. Почему суп скорее остынет, если на него дуть?
Если дуть на пар, исходящий из супа, теплообмен ускорится, и суп быстрее отдаст свою энергию в окружающую среду.
872. Отличается ли температура воды в кипящей кастрюле и температура пара кипящей воды?
Нет.
873. Почему кипящая вода перестает кипеть, как только ее снимают с огня?
Потому что для поддержания кипения вода должна постоянно получать энергию тепла.
874. Удельная теплота конденсации спирта равна 900 кДж/кг. Что это означает?
Для того, чтобы спирт перешел в жидкое состояние нужно забрать у его паров 900 кДж энергии.
875. Сравните внутреннюю энергию 1 кг водяного пара при 100 °С и 1 кг воды при 100 °С. Что больше? На сколько? Почему?
Энергия пара больше на 2,3 МДж/кг – столько требуется энергии для парообразования.
876. Какое количество теплоты требуется для испарения 1 кг воды при температуре кипения? 1 кг эфира?
877. Какое количество теплоты требуется для обращения в пар 0,15 кг воды при 100 °С?
878. Что требует большего количества теплоты и на сколько: нагрев 1 кг воды от 0 °С до 100 °С или испарение 1 кг воды при температуре 100 °С?
879. Какое количество теплоты требуется для обращения в пар воды массой 0,2 кг при температуре 100 °С?
880. Какое количество энергии выделится при охлаждении воды массой 4 кг от 100 °С до 0 °С?
881. Какое количество энергии необходимо, чтобы 5 л воды при 0 °С довести до кипения и затем ее всю испарить?
882. Какое количество энергии выделит 1 кг пара при 100 °С, если его обратить в воду и затем охладить полученную воду до 0 °С?
883. Какое количество теплоты нужно затратить, чтобы воду массой 7 кг, взятую при температуре 0 °С, довести до кипения и затем полностью ее испарить?
884. Какое количество энергии надо затратить, чтобы 1 кг воды при температуре 20 °С обратить в пар при температуре 100 °С?
885. Определите количество теплоты, потребное для превращения 1 кг воды, взятой при 0 °С, в пар при 100 °С?
886. Сколько теплоты выделится при конденсации 100 г водяного пара, имеющего температуру 100 °С, и при охлаждении полученной воды до 20 °С?
887. Удельная теплота парообразования у воды больше, чем у эфира. Почему же эфир, если им смочить руку, сильнее охлаждает ее, чем вода в таких случаях?
Интенсивность испарения эфира намного больше, чем у воды. Поэтому он быстрее отдает внутреннюю энергию и быстрее остывает, охлаждая руку.
888. В сосуд, содержащий 30 кг воды при 0 °С, вводится 1,85 кг водяного пара, имеющего температуру 100 °С, вследствие чего температура воды становится равной 37 °С. Найдите удельную теплоту парообразования воды.
889. Какое количество теплоты необходимо, чтобы превратить 1 кг льда при 0 °С в пар при 100 °С?
890. Какое количество теплоты необходимо для того, чтобы 5 кг льда при -10 °С обратить в пар при 100 °С и затем нагреть пар до 150 °С при нормальном давлении? Удельная теплоемкость водяного пар при постоянном давлении равна 2,05 кДж/(кг °С).
891. Сколько килограммов каменного угля надо сжечь для того, чтобы превратить в пар 100 кг льда, взятого при 0 °С? Коэффициент полезного действия топки 70%. Удельная теплота сгорания угля 29,3 МДж/кг.
892. Английский ученый Блек для определения удельной теплоты парообразования воды брал определенное количество воды при 0 °С и нагревал ее до кипения. Дальше он продолжал нагревать воду до ее полного испарения. При этом Блек заметил, что для выкипания всей воды требовалось времени в 5,33 раза больше, чем для нагрева такой же массы воды от 0 °С до 100 °С? Чему равна, по опытам Блека, удельная теплота парообразования?
893. Какое количество пара при температуре 100 °С требуется обратить в воду, чтобы нагреть железный радиатор массой 10 кг от 10 °С до 90 °С?
894. Какое количество теплоты требуется, чтобы лед массой 2 кг, взятый при температуре -10 °С, обратить в пар при 100 °С?
895. Пробирка с эфиром погружена в стакан с водой, охлажденной до 0 °С. Продувая через эфир воздух, испаряют эфир, вследствие чего на пробирке образуется ледяная корка. Определите, сколько получилось льда при испарении 125 г эфира (удельная теплота парообразования эфира кДж/кг).
896. Змеевик полностью вмерз в лед. Через змеевик проходит, охлаждаясь и конденсируясь, 2 кг пара, причем вода из змеевика выходит при температуре 0 °С. Какое количество льда можно расплавить таким образом?
897. В калориметр налито 57,4 г воды при 12 °С. В воду пущен пар при 100 °С. Через некоторое время количество воды в калориметре увеличилось на 1,3 г, а температура воды поднялась до 24,8 °С. Для нагрева пустого калориметра на 1 °С требуется 18,27 Дж теплоты. Найдите удельную теплоту парообразования воды.
900. На примусе в медном чайнике массой 0,2 кг вскипятили воду массой 1 кг, взятую при температуре 20 °С. В процессе кипячения 50 г воды выкипело.
Сколько в примусе сгорело бензина, если КПД примуса 30 %?
На данном уроке мы изучим понятия испарения и конденсации. Эти два процесса встречаются повсеместно: при сушке белья, выпадении росы, приготовлении еды. Мы рассмотрим факторы, которые влияют на испарение и конденсацию, а также рассмотрим различные примеры.
Тема: Агрегатные состояния вещества
Урок: Испарение. Поглощение энергии при испарении жидкости и выделение её при конденсации пара
На этом уроке мы рассмотрим вопрос, связанный с испарением, а также с поглощением энергии при испарении жидкости и с выделением энергии при конденсации пара.
На предыдущих уроках мы рассматривали различные процессы и, в частности, говорили о плавлении, о нагревании тел, об отвердевании или кристаллизации тел.
Сегодня мы рассмотрим процессы, при которых образуется пар (разновидность газа) или газ.
Давайте вспомним схему, по которой происходят различные процессы превращения агрегатных состояний (Рис. 1).
Рис. 1.
Парообразование может происходить двумя способами: кипение и испарение . Как правило, указывают первый способ - кипение.
На сегодняшнем уроке мы подробно рассмотрим второй способ парообразования: испарение.
Определение
Испарение - это превращение или переход жидкости в газ (пар) со свободной поверхности жидкости. То есть тогда, когда поверхность жидкости открыта и с поверхности начинается переход вещества из жидкого состояния в газообразное.
Вспомним, для начала, схему, на которой представлена картина превращений одного состояния вещества в другое состояние.
Таблица, в которой описаны названия процессов переходов между агрегатными состояниями вещества, выглядит следующим образом:
|
Название |
|
|
Твёрдое жидкое |
Плавление |
|
Жидкое твёрдое |
Отвердевание (кристаллизация) |
|
Жидкое газообразное |
Парообразование |
|
Газообразное жидкое |
Конденсация |
|
Твёрдое газообразное |
Сублимация |
|
Газообразное твёрдое |
Десублимация |
Процесс испарения происходит не мгновенно, поэтому мы говорим, что испарение - процесс непрерывный и, соответственно, испарение жидкости происходит в течение некоторого времени.
Как происходит испарение?
Рассмотрим поверхность жидкости. Мы знаем, что жидкость состоит из атомов и молекул, которые находятся в непрерывном движении. Соответственно, может найтись такая частица данного вещества, у которой скорость (а, соответственно, и энергия) будет достаточно велика для того, чтобы преодолеть притяжение своих соседей и покинуть жидкость, то есть перейти в газообразное состояние. Поэтому говорят, что испарение происходит со свободной поверхности.
Рассмотрим факторы, которые влияют на испарение (в частности, его скорость).
1. Строение вещества
В первую очередь испарение связано со строением самого вещества. Можно привести следующий пример: возьмём две бумажные салфетки, смочим одну салфетку водой, а другую - эфиром. Можно заметить, что та салфетка, которая смочена эфиром, высохнет гораздо быстрее. Это объясняется тем, что сила взаимодействия между молекулами эфира гораздо меньше, чем сила взаимодействия между молекулами воды. И поэтому испарение происходит у эфира быстрее.
2. Площадь поверхности
Площадь свободной поверхности жидкости играет очень важную роль: если площадь поверхности достаточно большая, то количество частиц, покидающих жидкость, будет, конечно же, больше, и в этом случае испарение будет происходить быстрее. Можно привести такой пример: если в блюдце налить воду и такое же количество воды налить в стакан, то из блюдца испарение будет происходить гораздо быстрее (Рис. 2). Другой пример: все знают, что бельё, перед тем как его повесить сушиться, встряхивают и расправляют. В этом случае площадь белья увеличивается, соответственно, площадь испарения также увеличивается, и сам процесс испарения происходит быстрее.
Рис. 2. Блюдце и стакан с водой () ()
3. Температура
Ещё одно явление, которое влияет на испарение, - это изменение температуры. Чем температура выше, тем быстрее происходит испарение. То есть, нагревая тело, мы можем увеличивать скорость процесса испарения, ускорять его, или, наоборот, если мы будем понижать температуру, то процесс испарения будет замедляться. Объясняется это тем, что с увеличением температуры возрастает скорость движения частиц. А раз скорость движения возрастает, то большее количество частиц может покинуть жидкость и перейти в газообразное состояние.
Поскольку движение частиц происходит непрерывно, то процесс испарения также непрерывен. Поскольку при любой температуре движение частиц не прекращается, то и испарение может происходить практически при любой температуре. Поэтому испарение происходит даже при низкой температуре. Например, лужи на улице высыхают не только летом, когда жарко, но и осенью, когда холодно (Рис. 3). Отличается лишь скорость высыхания луж.
Возникает вопрос: что можно сказать об энергии жидкости при испарении? Так как жидкость покидают наиболее быстрые частицы, то они обладают большей кинетической энергией. Следовательно, в целом энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Пояснить это можно на следующем примере: возьмём несколько человек, построим их в ряд и измерим их средний рост. Затем из этого строя уберём самых высоких и снова измерим средний рост. В результате, вполне логично, получится меньшее значение. То же самое происходит и с энергией. Каждый раз частицы с наибольшей энергией уходят из жидкости, и внутренняя энергия жидкости уменьшается.
Однако в жизни это охлаждение мы замечаем крайне редко. С чем же это связано? Это происходит из-за того, что жидкость сообщается с окружающими телами, в первую очередь, конечно, с воздухом, и поэтому, охлаждаясь, одновременно получает энергию из окружающих тел, то есть из воздуха. В результате этого «теплообмена» температура поддерживается на одном уровне. А испарение происходит с приблизительно одинаковой интенсивностью.
4. Ветер
Следующий фактор, который влияет на испарение, - это наличие ветра. Представьте себе, что над поверхностью жидкости образуется газ. Процесс испарения, как мы выяснили, продолжается непрерывно. Но точно так же будет происходить процесс возвращения молекул обратно в жидкость. Если же дует ветер, то он уносит молекулы, которые перешли из жидкости в газ, и не даёт им вернуться обратно в жидкость. В этом случае процесс испарения ускоряется, то есть скорость испарения возрастает.
Очень важно заметить и то, что в быту часто встречается так называемое испарение в закрытых сосудах. К примеру, если взять кастрюлю, в которой находится вода, то на поверхности крышки с внутренней стороны образуются капельки воды. То есть, поскольку внутри кастрюли ветра нет, то процесс испарения и возвращения молекул обратно в жидкость в данном случае выравнивается. Вот такое состояние называют динамическим равновесием .
Определение
Динамическое равновесие - это состояние системы «пар - жидкость», при которой количество молекул, вышедших из жидкости (перешедших в пар), равно количеству молекул, которое вернулось из пара обратно в жидкость.
Если же преобладает испарение над возвращением частиц обратно в жидкость, то такой пар, который находится над жидкостью, называется ненасыщенным .
Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным .
При динамическом равновесии общая масса системы «пар - жидкость» не меняется: количество молекул, которые «вылетели» с поверхности жидкости, равно количеству молекул, которые «вернулись». Поэтому в целом масса всей системы «пар - жидкость» не изменяется.
Кроме испарения существует и обратный ему процесс, который называется конденсацией (от латинского - «сгущаю»).
То есть, конденсация - это процесс перехода пара (газа) в жидкость. Этот процесс происходит всегда с выделением количества теплоты (так как внутренняя энергия вещества уменьшается). То есть температура окружающих тел будет повышаться (жидкость передаёт избыточную энергию окружающим телам).
Конденсация происходит так же непрерывно, как и испарение. Точнее, можно сказать, что эти два процесса происходят одновременно, непрерывно.
Подтверждением этого, например, является образование облаков, ведь облака - это сконденсированная жидкость. Выпадение росы или, например, дождь, который идёт, - это всё процессы, которые связаны с конденсацией.
Отметим, что существует испарение не только с поверхности жидкостей, но и твёрдых тел. Для этого существует наглядный пример: если зимой мокрое бельё повесить на улице, то оно замёрзнет, то есть покроется коркой льда. Но, через некоторое время выяснится, что бельё сухое, то есть вода, даже в твёрдом состоянии, куда-то исчезла. Это и есть процесс испарения твёрдого тела, в данном случае льда. Встречаются испарения и других веществ, например, нафталина. Запах нафталина, который мы чувствуем, говорит о том, что нафталин также способен к испарению.
На следующем уроке мы рассмотрим вопросы, связанные с другим процессом перехода из жидкого состояния в газообразное - парообразованием.
Список литературы
- Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. - М.: Мнемозина.
- Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.
- Фестиваль педагогических идей «Открытый урок» ().
- Сайт учителя информатики ().
- Продленка ().
Домашнее задание
- П. 16, вопросы 1-8, упр. 9 (1-7). Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- При какой температуре происходит испарение воды?
- Почему мокрое бельё на ветру сохнет быстрее?
- Почему жидкость при испарении охлаждается?
Происходящее со свободной поверхности жидкости.
Сублимацию, или возгонку, т.е. переход вещества из твердого состояния в газообразное, так-же называют испарением.
Из повседневных наблюдений известно, что количество любой жидкости (бензина, эфира, воды), находящейся в открытом сосуде, постепенно уменьшается. Жидкость не исчезает бесследно — она превращается в пар. Испарение — это один из видов парообразования . Другой вид — это кипение.
Механизм испарения.
Как происходит испарение? Молекулы любой жидкости находятся в не-прерывном и беспорядочном движении, причем, чем выше температура жидкости, тем больше кинетическая энергия молекул. Среднее значение кинетической энергии имеет определенную величину. Но у каждой молекулы кинетическая энергия может быть как больше, так и меньше средней. Если вблизи поверхности окажется молекула с кинетической энергией , достаточной для преодоления сил межмолекулярного притяжения, она вылетит из жидкости. То же самое пов-торится с другой быстрой молекулой, со второй, третьей и т. д. Вылетая наружу, эти молекулы образуют над жидкостью пар. Образование этого пара и есть испарение.
Поглощение энергии при испарении.
Поскольку при испарении из жидкости вылетают более быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул становится все меньше и меньше. Это значит, что внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшает-ся. Поэтому если нет притока энергии к жидкости извне, температура испаряющейся жидкости понижается, жидкость охлаждается (именно поэтому, в частности, человеку в мокрой одежде холоднее, чем в сухой, особенно при ветре).
Однако при испарении воды, налитой в стакан, мы не замечаем понижения ее температуры. Чем это объяснить? Дело в том, что испарение в данном случае происходит медленно, и темпера-тура воды поддерживается постоянной за счет теплообмена с окружающим воздухом, из которого в жидкость поступает необходимое количество теплоты. Значит, чтобы испарение жидкости про исходило без изменения ее температуры, жидкости необходимо сообщать энергию.
Количество теплоты, которое необходимо сообщить жидкости для образования единицы массы пара при постоянной температуре, называется теплотой парообразования.
Скорость испарения жидкости.
В отличие от кипения , испарение происходит при любой темпе-ратуре, однако с повышением температуры жидкости скорость испарения возрастает. Чем выше температура жидкости, тем больше быстро движущихся молекул имеет достаточную кинетичес-кую энергию , чтобы преодолеть силы притяжения соседних частиц и вылететь за пределы жид-кости, и тем быстрее идет испарение.
Скорость испарения зависит от рода жидкости. Быстро испаряются летучие жидкости, у кото-рых силы межмолекулярного взаимодействия малы (например, эфир, спирт, бензин). Если кап-нуть такой жидкостью на руку, мы ощутим холод. Испаряясь с поверхности руки, такая жид-кость будет охлаждаться и отбирать у нее некоторое количество теплоты.
Скорость испарения жидкости зависит от площади ее свободной поверхности. Это объясняется тем, что жидкость испаряется с поверхности, и чем больше площадь свободной поверхности жид-кости, тем большее количество молекул одновременно вылетает в воздух.
В открытом сосуде масса жидкости вследствие испарения постепенно уменьшается. Это свя-зано с тем, что большинство молекул пара рассеивается в воздухе, не возвращаясь в жидкость (в отличие от того, что происходит в закрытом сосуде). Но небольшая часть их возвращается в жидкость, замедляя тем самым испарение. Поэтому при ветре, который уносит молекулы пара, испарение жидкости происходит быстрее.
Применение испарения в технике.
Испарение играет важную роль в энергетике, холодильной технике, в процессах сушки, испарительного охлаждения. Например, в космической технике быстроиспаряющимися веществами покрывают спускаемые аппараты. При прохождении через атмосферу планеты корпус аппарата в результате трения нагревается, и покрывающее его вещество начи-нает испаряться. Испаряясь, оно охлаждает космический аппарат, спасая его тем самым от пере-грева.
Конденсация.
Конденсация (от лат. condensatio — уплотнение, сгущение) — переход вещества из газообраз-ного состояния (пара) в жидкое или твердое состояние.
Известно, что при наличии ветра жидкость испаряется быстрее. Почему? Дело в том, что од-новременно с испарением с поверхности жидкости идет и конденсация. Конденсация происходит из-за того, что часть молекул пара, беспорядочно перемещаясь над жидкостью, снова возвраща-ется в нее. Ветер же выносит вылетевшие из жидкости молекулы и не дает им возвращаться.
Конденсация может происходить и тогда, когда пар не соприкасается с жидкостью. Именно конденсацией объясняется, например, образование облаков: молекулы водяного пара, поднима-ющиеся над землей, в более холодных слоях атмосферы группируются в мельчайшие капельки воды, скопления которых и представляют собой облака . Следствием конденсации водяного пара в атмосфере являются также дождь и роса.
При испарении жидкость охлаждается и, став более холодной, чем окружающая среда, начи-нает поглощать ее энергию. При конденсации же, наоборот, происходит выделение некоторого количества теплоты в окружающую среду, и ее температура несколько повышается. Количество теплоты, выделяющееся при конденсации единицы массы, равно теплоте испарения.