Презентація з фізики 8 клас “Випаровування. Конденсація”

* Очікувані результати уроку Під час уроку ви дізнаєтеся: про теплові процеси зі зміною стану речовини; про випаровування, конденсацію, кипіння та їх характеристики; формулу для розрахунку кількості теплоти при випаровуванні (конденсації); про випаровування без плавлення.

* Пригадай! В яких станах може існувати речовина в природі? Як називаються процеси переходу речовини з одного стану в інший?

* Випаровування В житті ми досить часто спостерігаємо, коли рідина під дією зовнішніх умов часом зникає: висихають калюжі після дощу, сохне випрана білизна, рівень води у відкритих водоймах влітку швидко знижується. Куди ж поділася рідина?

* Випаровування Явище переходу речовини з рідкого в газоподібний стан називається випаровуванням. Випаровування властиве не лише рідинам, а й твердим тілам (сублімація).

* Поміркуй! Від яких параметрів залежить інтенсивність випаровування речовини?

* Поміркуй! Як залежить кількість теплоти, необхідна для випаровування рідини при температурі кипіння, від маси речовини?

* Кількість теплоти, необхідна для випаровування рідини при температурі кипіння, прямо пропорційна масі речовини.

* Поміркуй! Чи залежить кількість теплоти, необхідна для випаровування рідини при температурі кипіння, від роду речовини?

* Кількість теплоти, необхідна для випаровування рідини при температурі кипіння, залежить від роду речовини.

* Випаровування Випаровування рідин відбувається з поглинанням енергії. Випаровування відбувається при будь-якій температурі. Інтенсивність випаровування залежить від температури. Інтенсивність випаровування залежить від площі поверхні. Інтенсивність випаровування залежить від роду речовини. Інтенсивність випаровування залежить від інтенсивності вентиляції.

* Випаровування Енергетичні витрати на випаровування рідин характеризує питома теплота пароутворення. Питома теплота пароутворення визначає кількість теплоти, необхідну для випаровування 1 кг рідини за певної температури (температури кипіння) Питома теплота пароутворення позначається літерою L. Питома теплота пароутворення вимірюється у джоулях на кілограм: [L] = Дж/кг (СІ)

* Питома теплота пароутворення Питома теплота пароутворення визначає кількість теплоти, необхідну для випаровування 1 кг рідини за певної температури (температури кипіння).

* Випаровування Щоб визначити кількість теплоти, необхідну для випаровування певної маси рідини, треба її питому теплоту пароутворення L помножити на її масу m

* Конденсація У природі спостерігається і зворотний до випаровування процес, коли за певних умов газ скраплюється і утворюється рідина. Наприклад, улітку вранці досить часто випадає роса, восени у разі різкого зниження температури повітря утворюється туман тощо.

* Конденсація Процес переходу речовини з газоподібного стану в рідкий називається конденсацією. Іноді можна спостерігати перехід речовини з газоподібного стану в твердий без конденсації. Так, наприклад, в водяної пари утворюються сніжинки та іній, чудові візерунки на вікнах.

* Процес кипіння Надання рідині теплоти викликає спочатку підвищення її температури, яке згодом може привести до кипіння. Кипіння – це різновид випаровування рідини. Кипіння – це внутрішнє випаровування рідини, внаслідок чого всередині її об’єму утворюються бульбашки пари, що спливають і викидають пару назовні. Температура, за якої рідина починає кипіти, називається температурою кипіння. Температура під час кипіння залишається сталою.

* Процес кипіння Температура кипіння рідини залежить від зовнішнього тиску, оскільки бульбашкам пари для виходу назовні необхідно подолати його протидію.

* Процес кипіння В спеціальних котлах і автоклавах, в яких тиск досягає 100 гПа (100 атм), воду можна нагріти до 300 0С

Практикум із розв’язування задач № 7 (§ 22-26). Молекулярна фізика та термодинаміка

Записавши основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу та Менделєєва — Клапейрона, що характеризує різні його стани, можна розв’язати майже будь-яку задачу з молекулярної фізики.

Якщо за умовою задачі досліджуються два стани ідеального газу незмінної маси, то для її розв’язування застосовують такий алгоритм:

— прочитавши умову, потрібно усвідомити, який газ бере участь у тому чи іншому процесі, і переконатися, що під час зміни параметрів стану його маса постійна;

— на схемі, якщо це можливо, позначити різні стани ідеального газу, вказавши параметри р, V, Т, що їх характеризують. Визначити з умови задачі, який із трьох параметрів є постійним і за яким газовим законом змінюються інші. Часто одночасно можуть змінюватися всі параметри — р, V і Т;

— записати рівняння об’єднаного газового закону для двох станів. Якщо який-небудь параметр залишається незмінним, воно автоматично трансформується в один із трьох законів: Бойля — Маріотта, Гей-Люссака або Шарля. Якщо ж газ поміщено в циліндричну посудину і його об’єм змінюється лише внаслідок збільшення чи зменшення висоти циліндра, рівняння Клапейрона потрібно записувати у вигляді:

— виразити параметри p₁, V₁, р₂, V₂ через задані величини. Щоб обчислити тиск, який газ чинить на поверхню рідини, часто доводиться записувати рівняння рівноваги, вибравши за початковий рівень відліку границю, яка відокремлює його від цієї рідини;

— записати допоміжні умови й розв’язати одержану систему рівнянь відносно невідомої величини.

Якщо в задачі розглядаються процеси, пов’язані зі зміною стану двох або трьох газів, відокремлених один від одного рухомими перетинками або які утворюють певну суміш, то зазначені вище дії потрібно виконати для кожного газу окремо. Розв’язуючи задачі з використанням газових законів, рекомендується оперувати лише значенням абсолютної температури, вираженим за шкалою Кельвіна.

Якщо в умові задачі розглядається лише один стан газу і потрібно визначити невідомий параметр або ж надано два його стани, то потрібно встановити, які гази беруть участь у досліджуваних процесах, для кожного з станів скласти рівняння Менделєєва — Клапейрона, визначити додаткові умови та розв’язати одержану систему рівнянь відносно шуканої величини.

У комбінованих задачах, де розглядається механічний рух посудини з газом, рівняння газового стану додають до відомих рівнянь кінематики.

Приклади розв’язування задач

Задача 2. Скільки молекул повітря міститься у кімнаті об’ємом 240 м 3 за температури 15 °С і тиску 10 5 Па?

Задача 3. Посередині відкачаного і запаяного з обох кінців капіляра, розташованого горизонтально, знаходиться стовпчик ртуті довжиною 20 см. Якщо капіляр поставити вертикально, то стовпчик переміститься на 10 см. До якого тиску було відкачано капіляр? Його довжина — 1 м.

Мал. 1. До задачі 3

Задача 4. З метою занурення і спливання підводного човна використовуються два сполучених між собою резервуара. У зануреному стані один із них ємкістю V заповнений водою, а інший ємкістю V₁ — стисненим повітрям. Яким має бути мінімальний тиск повітря, щоб під час підйому човна з глибини Н воно повністю витіснило б воду з баластної камери? Атмосферний тиск — нормальний, зміною температури повітря під час розширення знехтувати.

Задача 5. Накреслити ізотерми 0,5 г водню для температур: а) 0 °С; б) 100 °С.

Мал. 2. Ізотерми 0,5 г водню

Задача 6. На малюнку в координатах pV зображено замкнутий газовий процес (цикл) (мал. 3). Побудувати цей цикл у координатах VT і рТ.

Мал. 3

Розв’язок

Проаналізуємо процеси, які відбуваються з газом.

Перехід зі стану 1 в стан 2 відповідає ізохорному процесу, тиск збільшується від p₁ до р₂ зрозуміло, що температура також збільшується.

Перехід зі стану 2 у стан 3 — ізотермічне розширення газу від V₂ до V₃, тиск при цьому зменшується від р₂ до p₁. Перехід зі стану 3 в стан 1 відповідає ізобарному стисканню від V₃ до V₂, причому T₁ < Т₃.

Побудуємо цей цикл у координатах VT (мал. 4).

Мал. 4

Лінія 1-2 зображає ізохорний процес, причому температура зростає від T₁ до Т₂. Лінія 2-3 зображує ізотермічне розширення від V₂ до V₃. Лінія 3-1 — ізобарний процес. (Продовження цієї лінії повинне пройти через початок координат!)

Мал. 5

На мал. 5 показано цей процес у координатах рТ.

Задачі для самостійного розв’язування

1(с). Знайдіть масу однієї молекули водню.

2(с). Скільки молекул води міститься в краплі масою 0,02 г?

3(с). Визначте середню квадратичну швидкість молекул кисню за температури 20 °С. За якої температури вона дорівнюватиме 500 м/с?

4(с). Визначте середню кінетичну енергію цього газу за температур -273 °С і 1000 °С.

5(с). Азот масою 2 г під тиском 0,2 МПа займає об’єм 820 см 3 . Яка його температура?

6(с). Балон об’ємом 12 л заповнено азотом під тиском 8,1 МПа за температури 17 °С. Яка маса азоту міститься в балоні?

7(с). Накресліть графіки залежності тиску від об’єму для: а) ізотермічного; б) ізобарного та в) ізохорного процесів.

8(д). Об’єм кульки повітря під час спливання її із дна озера на поверхню збільшився в три рази. Яка глибина озера?

9(д). У закупореній посудині ємкістю 1 л міститься 12 кг кисню. Знайдіть його тиск за температури 15 °С.

10(д). Кисень масою 10 г міститься в балоні під тиском 0,303 МПа і за температури 10 °С. Після нагрівання за постійного тиску він зайняв об’єм 10 л. Знайдіть початковий об’єм і кінцеву температуру газу.

11(д). Із балона зі стисненим воднем ємкістю 10 л внаслідок поломки вентиля витікає газ. За температури 7 °С манометр фіксує тиск 5 МПа. Його показники залишаються незмінними і за температури 17 °С. Визначте масу газу, що витік з балона.

12(д). В озері на глибині 100 м за температури 8 °С плаває гумова тонкостінна повітряна куля масою 40 г. Визначте масу повітря в ній, якщо атмосферний тиск становить 99,7 кПа.

13(д). У балонах об’ємами 2 і 6 л міститься однорідний газ під тиском і відповідно. Який тиск встановиться в балонах після їх з’єднання за однакової температури.

14(д). Відкриту з обох кінців скляну трубку довжиною 1 м до половини занурюють у ртуть. Потім закривають верхній кінець трубки і виймають з ртуті. Обчисліть висоту ртутного стовпчика, який залишиться в ній. Атмосферний тиск становить 750 мм рт. ст.

15(д). Знайдіть густину водню за температури 10 °С і тиску 97,3 кПа.

16(д). Газ масою 12 г займає об’єм 4 л за температури 7 °С. Після ізобарного нагрівання його густина становить 0,6 кг/м 3 . До якої температури нагріто газ?

17(д). Ідеальний газ зазнає спочатку ізохорного охолодження, а потім ізотермічного стиснення. Зобразіть ці процеси в координатах рТ, VT, pV за умови, що p₁ = р₃.

18(д). При збільшенні тиску в 1,5 рази об’єм газу зменшився на 30 мл. Визначте його початковий об’єм.

19(д). У скільки разів зміниться тиск повітря в циліндрі (мал. 6), якщо поршень перемістити на l/3: а) ліворуч; б) праворуч?

Мал. 6

20(д). Площа поршня (див. мал. 6) дорівнює 24 см 2 , об’єм повітря в циліндрі 240 см 3 , а тиск дорівнює атмосферному (100 кПа). Яку силу необхідно прикласти, щоб утримувати поршень після його переміщення на 2 см: а) ліворуч; б) праворуч?

21(д). Порівняйте параметри в точках А і В (мал. 7): а) тиск; б) об’єм; в) температуру.

Мал. 7

22(д). У кімнаті об’ємом 60 м 3 випарували краплину парфумів масою 0,1 мг. Скільки молекул ароматичної речовини потрапляє в легені людини під час кожного подиху? Об’єм повітря, що вдихає людина під час одного подиху, 1 дм 3 . Молярна маса парфумів 1 кг/моль.

23(д). У балоні міститься газ при температурі 15 °С. У скільки разів зменшиться тиск газу, якщо 40 % його вийде з балона, а температура при цьому зменшиться на 8° С?

24(в). Кристали кухонної солі являють собою кубічну систему, в якій по черзі розміщені іони натрію та хлору. Густина солі становить 2200 кг/м 3 . Чому дорівнює відстань між центрами найближчих іонів?

25(в). Об’єм повітря в кімнаті становить 100 м 3 . Яка його маса вийшла з неї під час підвищення температури від 10 до 25 °С, якщо атмосферний тиск дорівнює 102 кПа.

26(в). Проаналізуйте зміну макроскопічних параметрів газу в кожному з ізопроцесів (мал. 8) та зобразіть цикли в р(Т) та V(Т) координатах.

Мал. 8

27(в). Пляшку наповнили газом і щільно закрили корком, що має переріз 2,5 см 2 . До якої температури слід нагріти газ, щоб корок вилетів із пляшки, якщо сила тертя дорівнює 10 Н? Початковий тиск газу в пляшці дорівнює атмосферному 100 кПа, а температура -7 °С.

28(в). Тонку циліндричну склянку масою 50 г ставлять догори дном на поверхню води і вертикально занурюють у неї. Висота склянки — 10 см, а площа дна — 20 см 2 . На яку мінімальну глибину треба опустити склянку, щоб вона почала тонути? Атмосферний тиск становить 100 кПа, тиском парів води у склянці і товщиною її стінок — знехтувати.

29(в). Компресор забирає з повітря щосекунди 3 л повітря, що надходять до балона ємністю 45 л. Через скільки часу тиск в балоні буде перевищувати атмосферний у 9 разів? Початковий тиск у балоні дорівнює атмосферному.

30(в). Початковий тиск у посудині дорівнює 100 кПа. Яким стане тиск у цій посудині після 5 ходів поршнево відкачувального насоса? Об’єм робочої камери насоса в 10 разів менший за об’єм посудини.

ВИКОНУЄМО НАВЧАЛЬНИЙ ПРОЕКТ РАЗОМ

У молекулярній фізиці та термодинаміці є багато напрямів та нерозв’язаних проблем, до вирішення яких ви можете долучитися, виконуючи навчальні проекти. Пропонуємо вам тематику проектів, результати яких можуть стати основою для подальших досліджень, а можливо й практичних рішень.

Вітчизняні та зарубіжні фізики, які зробили вагомий внесок у розвиток учення про теплоту.

Сучасні знання про будову речовини у розвитку техніки та технологій.

Як виміряти температуру Сонця та зір.

Значення вологості повітря для життєдіяльності людини.

Капілярні явища в життєдіяльності біосфери.

Механічні напруги в живих організмах.

Рідкі кристали та їх використання.

Полімери та наноматеріали в сучасних технологіях.

Теплові насоси як перспективні теплові машини.

Вирішення екологічних проблем використання теплових машин.