Ciepło parowania, Schematy z Termodynamika

Pobierz Ciepło parowania i więcej Schematy w PDF z Termodynamika tylko na Docsity! Ciepło parowania Wprowadzenie Przeczytaj Film samouczek Sprawdź się Dla nauczyciela Czy to nie ciekawe? Parowanie cieczy i skraplanie gazu związane są z pobieraniem lub oddawaniem ciepła. Jak obliczyć ciepło pobrane podczas wyparowania pewnej masy cieczy? Do tego potrzebna jest znajomość ciepła parowania cieczy. Jak definiujemy tę wielkość, dowiesz się z tego e‐materiału. Ciepło parowania Rys. 1. Szybkość parowania zależy m.in. od temperatury. Im wyższa temperatura, tym więcej cząsteczek przechodzi z fazy ciekłej do fazy gazowej. Wrzenie to proces, podczas którego ciecz w całej objętości gwałtownie zamienia się w parę (Rys. 2.). Wrzenie zachodzi w ustalonej temperaturze, charakterystycznej dla danej substancji. Cała energia pobrana przez ciecz jest wykorzystana na zmianę stanu skupienia – pokonanie sił przyciągania międzycząsteczkowego. Temperatura wrzenia zależy od ciśnienia zewnętrznego i wzrasta przy zwiększającym się ciśnieniu. Nie jest to zależność wprost proporcjonalna, a jej charakter zależy od rodzaju cieczy. Temperatury wrzenia przy ciśnieniu normalnym (1013 hPa) dla kilku substancji przedstawia Tabela 1. Rys. 2. Wrząca woda. [Źródło: Pixabay] Zarówno parowanie, jak i wrzenie wymagają dostarczania ciepła. Ciepło parowania definiujemy jako energię potrzebną do zamiany 1 kg cieczy w parę, gdzie to energia potrzebna do wyparowania masy danej substancji. Jednostką ciepła parowania jest . Energia pobrana podczas zamiany cieczy o masie w parę wynosi zatem Tyle samo energii potrzeba, aby zamienić ciecz w parę bez względu na to, czy odbywa się to w procesie powolnego parowania, czy gwałtownego wrzenia. Ciepło parowania stosujemy c p c p = Q m , Q m J kg m Q = mc p . do opisu obu tych procesów. W Tabeli 1. podano kilka przykładowych wartości ciepła parowania. Jak widać, mogą się one znacznie od siebie różnić. Tabela 1. Ciepło parowania i temperatura wrzenia przy ciśnieniu normalnym (1013 hPa) różnych substancji Skraplanie – proces odwrotny do parowania. Polega on na zamianie pary w ciecz. Skraplanie zachodzi, gdy gaz odpowiednio oziębimy. Energia jest wtedy oddawana przez gaz w takiej samej ilości, w jakiej została pobrana podczas parowania. Wynika z tego, że ciepło skraplania, czyli energia oddana podczas skroplenia 1 kg substancji jest równe ciepłu parowania. Obliczmy ciepło oddane podczas skraplania 8 g pary wodnej. Ciepło parowania wody wynosi . Podstawmy dane liczbowe do wzoru: Co oznacza otrzymany wynik? 8 g pary wodnej, która w warunkach normalnych mieści się w 10‐litrowym wiadrze, odda podczas skraplania energię, która wystarczy do podniesienia kilogramowego odważnika na wysokość 1840 m! Ciepło parowania wody ma dużą wartość. Oznacza to, że do zamiany 1 kg wody w parę potrzeba dużej ilości energii.  Równie dużą energię wydziela skraplająca się para o masie 1 kg. Słowniczek Ciepło parowania (ang.: latent heat of vaporization) - energia potrzebna do zamiany 1 kg cieczy w parę. Można je wyznaczyć doświadczalnie z użyciem wzoru , gdzie – energia dostarczona podczas parowania, – masa cieczy. Warunki normalne (ang.: normal conditions) - warunki, w których ciśnienie jest równe 101 325 Pa = 1013,25 hPa, a temperatura wynosi 273,15 K, czyli . Substancja Ciepło parowania [ ] Temperatura wrzenia [ ] Miedź Cu 4800 2567 Tlen O 213 -163 Alkohol etylowy EtOH 854 78 Woda H O 2300 100 kJ kg °C 2 2 2300 kJ kg Q = mc p = 0, 008 kg ⋅ 2300000 J kg = 18400 J c p = Q m Q m 0°C Ćwiczenie 5 Rtęć o masie = 1,3 kg odparowano, dostarczając ciepło = 377 kJ. Oblicz ciepło parowania rtęci. Odpowiedź: Ciepło parowania rtęci kJ m Q Ćwiczenie 6 Wodzie o masie 5 kg i o temperaturze dostarczono ciepło = 5440 kJ. Oblicz, jaka część wody zamieniła się na parę wodną i jaka była końcowa temperatura pozostałej wody. Ciepło parowania wody wynosi , ciepło właściwe wody . 60° C Q c p = 2300 kJ kg c w = 4,2 kJ kg⋅K Ćwiczenie 7 W naczyniu znajduje się woda o temperaturze , zajmująca niewielką część jego objętości. Naczynie podłączono do pompy próżniowej i gwałtownie obniżono w nim ciśnienie. W rezultacie woda w naczyniu zamieniła się w parę wodną i lód. Wyjaśnij, dlaczego powstał lód? 20 ∘ C Ćwiczenie 8 W wodzie o masie = 2 kg i temperaturze skroplono parę wodną o masie = 0,01 kg i temperaturze . Oblicz, o ile wzrośnie temperatura wody. Ciepło parowania wody wynosi , ciepło właściwe wody . m 1 t 1 = 30 ∘ C m 2 t 2 = 100° C c p = 2300 kJ kg c w = 4, 2 kJ kg⋅K 輸 醙 難 難 Dla nauczyciela Imię i nazwisko autora: Krystyna Wosińska Przedmiot: Fizyka Temat zajęć: Ciepło parowania Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony Podstawa programowa: Cele kształcenia - wymagania ogólne I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości. II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych. Zakres podstawowy Treści nauczania - wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń: 4) przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem; V. Termodynamika. Uczeń: 4) wykorzystuje pojęcie ciepła właściwego oraz ciepła przemiany fazowej w analizie bilansu cieplnego; Zakres rozszerzony Treści nauczania - wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń: 4) przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem; VI. Termodynamika. Uczeń: 5) wykorzystuje pojęcie ciepła właściwego oraz ciepła przemiany fazowej w analizie bilansu cieplnego. Kształtowane kompetencje kluczowe: Zalecenie Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.: kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji, kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii, kompetencje cyfrowe, kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się. Cele operacyjne: Uczeń: 1. definiuje ciepło parowania. 2. wyjaśnia, dlaczego ciepło parowania jest równe ciepłu skraplania. 3. wyjaśnia, czym wrzenie różni się od parowania. 4. stosuje definicję ciepła parowania do obliczania ciepła pobranego przez ciecz podczas procesu parowania lub wrzenia. 5. stosuje definicję ciepła parowania do obliczania ciepła oddanego przez gaz podczas procesu skraplania. Strategie nauczania: strategia eksperymentalno‐obserwacyjna (dostrzeganie i definiowanie problemów) Metody nauczania: - wykład informacyjny, - pokaz multimedialny, - analiza pomysłów. Formy zajęć: - praca w grupach, - praca indywidualna. Środki dydaktyczne: komputer z rzutnikiem lub tablety do dyspozycji każdego ucznia. Materiały pomocnicze: e‐materiały „Jak definiujemy przemianę fazową?”, „Jak definiujemy ciepło przemiany fazowej?”, „Jak definiujemy ciepło właściwe?” PRZEBIEG LEKCJI Faza wprowadzająca: Wprowadzenie zgodnie z treścią we wstępie. Odwołanie do wiedzy uczniów o przemianach fazowych.