Bestimmung der spezifischen Verdampfungswärme. Latente Verdampfungswärme

Zielsetzung

Beherrschung und Festigung des theoretischen Materials zum Thema des Thermodynamik-Kurses „Wasserdampf“, sowie Beherrschung experimenteller Methoden und Verarbeitung der gewonnenen Daten, Kennenlernen der Tabellen „Thermophysikalische Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf“.

1. Studieren Sie das Diagramm der Versuchsanlage, schalten Sie sie ein und bringen Sie sie in ein bestimmtes stationäres thermisches Regime.

2. Führen Sie den Versuch gemäß den methodischen Anweisungen durch, füllen Sie Tabelle 1 aus.

3. Bestimmen Sie die spezifische Wärme, die im Experiment für die Wasserverdampfung aufgewendet wird.

4. Bestimmen Sie für den isobaren Verdampfungsprozess die tabellarischen Werte der Parameter von Wasser auf der Sättigungslinie und trockenem Sattdampf sowie die spezifische Verdampfungswärme.

5. Berechnen Sie die innere Energie der Flüssigkeit auf der Dampfsättigungslinie für die Versuchsbedingungen.

6. Berechnen Sie den Fehler des gefundenen Werts spezifische Wärme Verdampfung im Verhältnis zum Tisch.

7. Stellen Sie die im Dewar-Gefäß ablaufenden Prozesse in P-v- und T-s-Diagrammen dar.

8. Ziehen Sie ein Fazit zur Arbeit.

METHODISCHE ANWEISUNGEN

Den Übergang eines Stoffes vom flüssigen in den gasförmigen Zustand nennt man Verdampfung, den umgekehrten Übergang nennt man Kondensation. Das Sieden einer Flüssigkeit ist ein Verdampfungsprozess innerhalb einer Flüssigkeit, der bei einer genau definierten Temperatur t n, °C, die durch den Druck bestimmt wird, stattfindet. Existiert eine gasförmige Phase mit einer flüssigen Phase desselben Stoffes, spricht man von Dampf. Die Gasphase des Systems ist trocken gesättigter Dampf und die flüssige Phase ist eine Flüssigkeit, die einen Zustand beibehält, der dem Beginn der Verdampfung entspricht.

Bei der Verdampfung nach einem isobar-isothermen Prozess beträgt nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik die spezifische Phasenumwandlungswärme (spezifische Verdampfungswärme) r, J/kg,

r = u" - u" + p (v" -v"), (1)

r = i" - i" , (2)

wo u", i", v" - jeweils innere Energie, Enthalpie, J/kg und spezifisches Volumen von trockenem Sattdampf, m 3 /kg;

u“, i“, v“ – jeweils innere Energie, Enthalpie, J/kg und spezifisches Flüssigkeitsvolumen im Sättigungszustand, m 3 /kg.

Der Druck p, Pa, wird nicht mit besonderen Indizes gekennzeichnet, da er sich während des gesamten Phasenübergangs nicht ändert und dem Sättigungsdruck entspricht.

Somit umfasst die spezifische Verdampfungswärme die Änderung der inneren Energie des Stoffes und die Arbeit der Volumenänderung während eines Phasenübergangs.

Die spezifische Verdampfungswärme steht im funktionalen Zusammenhang mit den Zustandsparametern. Für die meisten in der Praxis verwendeten Stoffe werden die Eigenschaften von Flüssigkeit und Dampf an der Sättigungslinie bestimmt und tabellarisch aufgeführt. Diese Tabellen zeigen die Werte von p und t auf der Sättigungslinie und die entsprechenden Werte der Größen v“, v“, i“, i“, r, s“, s“. Die innere Energie der Flüssigkeit auf der Sättigungslinie u", J/kg, und des trockenen Sattdampfes u", J/kg, wird entsprechend durch die Gleichungen bestimmt

u" = i" -pv" (3)

u" = i" -pv" (4)

VERSUCHSAUFBAU

Zeichnung. Diagramm des Versuchsaufbaus

Der Versuchsaufbau (Abbildung) besteht aus einem Dewar-Kolben 1 mit elektrischer Heizung 2, in den aus Behälter 3, gesteuert durch Ventil 4, eine Portion destilliertes Wasser eingefüllt wird. Der entstehende Dampf entsteht im Kondensator 5, durch den Leitungswasser fließt in Flüssigkeit. Der Wasserdurchfluss wird durch Ventil 7 entsprechend der Kontrollleuchte 8 reguliert. Das entstehende Kondensat wird in einem Messzylinder 9 gesammelt. Auf dem Bedienfeld befinden sich: „NETWORK“-Schalter 10, Voltmeter 11, Amperemeter 12, Modusschalter 13; 6 - Glastrichter.

EXPERIMENTELLE METHODIK

1. Schalten Sie die Anlage ein, indem Sie den Schalter 10 auf Position „1“ stellen.

2. Überprüfen Sie die Befüllung des Dewargefäßes 1, indem Sie den Modusschalter 13 auf die Position „FILLING“ stellen. Wenn die grüne Signallampe „Gefäß ist voll“ aufleuchtet, können Sie mit dem Experiment beginnen. Ansonsten wird das Gefäß mit destilliertem Wasser gefüllt, dazu wird Ventil 4 geöffnet. Nach Aufleuchten der grünen Signallampe das Gefäß fest verschließen.

3. Drehen Sie den Schalter 13 auf die Position „HEIZUNG“.

4. Stellen Sie durch Drehen des Spartransformatorknopfs 14 den vom Lehrer angegebenen Spannungswert an der Heizung U, V (und den Strom I, A) ein.

5. Kühlwasser durch Öffnen des Ventils 7 dem Kondensator 5 zuführen und den Wasserdurchfluss entsprechend der Kontrollleuchte 8 einstellen.

6. Wenn Sie einen stationären Siedemodus für Wasser in einem Dewar-Gefäß einrichten (15–20 cm Kondensat werden im Messzylinder 9 gesammelt), führen Sie eine Kontrollsammlung von Kondensat in der vom Lehrer angegebenen Menge durch (V, m 3). . Die Dauer der Kontrollsammlung t, s, wird mit einer Stoppuhr bestimmt.

7. Bestimmen Sie mit einem Barometer den Luftdruck Pa, mmHg.

8. Tragen Sie die Messdaten in die Beobachtungstabelle ein und lassen Sie diese vom Lehrer unterschreiben.

9. Schalten Sie das Gerät ein, indem Sie den Schalter „0“ drehen, schließen Sie Ventil 7, drehen Sie den Spartransformatorgriff gegen den Uhrzeigersinn bis zum Anschlag und lassen Sie das Kondensat in Behälter 3 ab.

Tabelle 1

Messnummer			mm. Hg Kunst.

VERARBEITUNG EXPERIMENTELLER DATEN

1. Berechnen Sie die Wärmemenge, die bei der Verdampfung von 1 kg Wasser aufgewendet wird, r op, J/kg:

r op = (W - Q)  / (Vr),

wobei W = UI – Heizleistung, W;

Q = 0,04 W – Wärmeverlust, W;

r – Kondensatdichte, kg/m3. Wir nehmen r = 1000 kg/m3.

2. Unter der Annahme, dass Wasser bei Atmosphärendruck siedet, ermitteln Sie die tabellarischen Werte der Parameter von Wasser auf der Sättigungslinie und trockenem Sattdampf, die in Tabelle 2 eingetragen sind.

Tabelle 2

	i", kJ/kg	S", kJ/(kgK)		i", kJ/kg	S", J/(kgK)

3. Berechnen Sie die Werte der inneren Energie von Wasser auf der Sättigungslinie u" und trockenem Sattdampf u", kJ/kg, unter Verwendung der Formeln (3) und (4).

4. Berechnen Sie den Fehler (%) des gefundenen Werts der spezifischen Verdampfungswärme r op, kJ/kg, relativ zum tabellarischen r, kJ/kg, unter Verwendung der Formel:

D = (r op – r) 100 / r.

5. Stellen Sie die im Dewar-Gefäß ablaufenden Prozesse in P-v- und T-s-Diagrammen grafisch dar.

6. Ziehen Sie ein Fazit zur Arbeit.

FRAGEN ZUR SELBSTVORBEREITUNG

1. Flüssigkeitsverdampfung; die Essenz der Prozesse des Siedens und Verdampfens von Flüssigkeiten.

2. Isobarer Prozess des Übergangs von Flüssigkeit in überhitzten Dampf in P-v- und T-s-Diagrammen.

3. Grenzkurven mit dem Trockenheitsgrad x = 0 und x = 1, kritischer Zustand der Substanz

4. Konzepte: Flüssigkeit auf der Sättigungslinie, nasser Sattdampf, trockener Sattdampf, überhitzter Dampf.

5. Spezifische Wärme der Flüssigkeitsverdampfung.

6. Trockenheitsgrad, Dampffeuchtigkeitsgrad.

7. Tabellen der thermophysikalischen Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf, ihre Bedeutung.

8. Bestimmung der Nassdampfparameter.

9. i-s-Diagramm von Wasserdampf, sein Zweck.

10. Thermodynamische Dampfprozesse in P-v-, T-s-, i-s-Diagrammen.

BIBLIOGRAPHISCHES VERZEICHNIS

1. Wärmetechnik / Ed. A. P. Baskakova. - M.: Energoizdat, 1991. - 224 S.

2. Nashchokin V.V. Technische Thermodynamik und Wärmeübertragung. - M.:: Higher School, 1980. - 496 S.

3. Yudaev B.N. Technische Thermodynamik. Wärmeübertragung. - M.: Höhere Schule, 1998. - 480 S.

4. Rivkin S.L., Aleksandrov A.A. Tabellen der thermophysikalischen Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf. - M.: Energia, 1980. - 408 S.

Kochen ist, wie wir gesehen haben, auch Verdunstung, nur geht es mit der schnellen Bildung und dem Wachstum von Dampfblasen einher. Offensichtlich ist es beim Kochen notwendig, der Flüssigkeit eine gewisse Wärmemenge zuzuführen. Diese Wärmemenge wird zur Dampfbildung genutzt. Darüber hinaus benötigen unterschiedliche Flüssigkeiten derselben Masse unterschiedliche Wärmemengen, um sie am Siedepunkt in Dampf umzuwandeln.

Experimente haben ergeben, dass die Verdampfung von 1 kg schwerem Wasser bei einer Temperatur von 100 °C 2,3 · 10 6 J Energie erfordert. Um 1 kg Ether bei einer Temperatur von 35 °C zu verdampfen, sind 0,4 · 10 6 J Energie erforderlich.

Damit sich die Temperatur der verdampfenden Flüssigkeit nicht ändert, muss der Flüssigkeit daher eine bestimmte Wärmemenge zugeführt werden.

Eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Wärme benötigt wird, um eine 1 kg schwere Flüssigkeit ohne Temperaturänderung in Dampf umzuwandeln, wird als spezifische Verdampfungswärme bezeichnet.

Die spezifische Verdampfungswärme wird mit dem Buchstaben L bezeichnet. Ihre Einheit ist 1 J/kg.

Experimente haben ergeben, dass die spezifische Verdampfungswärme von Wasser bei 100 °C 2,3 · 10 6 J/kg beträgt. Mit anderen Worten: Um 1 kg Wasser bei einer Temperatur von 100 °C in Dampf umzuwandeln, sind 2,3 · 10 6 J Energie erforderlich. Folglich ist am Siedepunkt die innere Energie eines Stoffes im Dampfzustand größer als die innere Energie der gleichen Stoffmasse im flüssigen Zustand.

Tabelle 6.
Spezifische Verdampfungswärme bestimmter Stoffe (bei Siedepunkt und normalem Atmosphärendruck)

Bei Kontakt mit einem kalten Gegenstand kondensiert Wasserdampf (Abb. 25). Dadurch wird die bei der Dampfbildung aufgenommene Energie freigesetzt. Genaue Experimente zeigen, dass Dampf beim Kondensieren die Energiemenge freisetzt, die bei seiner Entstehung aufgewendet wurde.

Reis. 25. Dampfkondensation

Wenn also 1 kg Wasserdampf mit einer Temperatur von 100 °C in Wasser gleicher Temperatur umgewandelt wird, werden 2,3 · 10 6 J Energie frei. Wie aus dem Vergleich mit anderen Stoffen hervorgeht (Tabelle 6), ist diese Energie recht hoch.

Die bei der Dampfkondensation freiwerdende Energie kann genutzt werden. In großen Wärmekraftwerken wird der von Turbinen abgegebene Dampf zum Erhitzen von Wasser verwendet.

Das so erwärmte Wasser wird zur Beheizung von Gebäuden, in Bädern, Wäschereien und für andere häusliche Zwecke verwendet.

Um die Wärmemenge Q zu berechnen, die erforderlich ist, um eine Flüssigkeit beliebiger Masse am Siedepunkt in Dampf umzuwandeln, muss die spezifische Verdampfungswärme L mit der Masse m multipliziert werden:

Aus dieser Formel lässt sich das ermitteln

m = Q / L, L = Q / m

Die Wärmemenge, die von Dampf der Masse m freigesetzt wird, der am Siedepunkt kondensiert, wird nach derselben Formel bestimmt.

Beispiel. Wie viel Energie wird benötigt, um 2 kg Wasser mit einer Temperatur von 20 °C in Dampf umzuwandeln? Schreiben wir die Bedingungen des Problems auf und lösen es.

Fragen

1. Wofür wird die der Flüssigkeit beim Sieden zugeführte Energie aufgewendet?
2. Was zeigt die spezifische Verdampfungswärme?
3. Wie kann man experimentell zeigen, dass bei der Kondensation von Dampf Energie freigesetzt wird?
4. Welche Energie setzt 1 kg Wasserdampf bei der Kondensation frei?
5. Wo in der Technik wird die bei der Kondensation von Wasserdampf freiwerdende Energie genutzt?

Übung 16

1. Wie sollen wir verstehen, dass die spezifische Verdampfungswärme von Wasser 2,3 · 10 6 J/kg beträgt?
2. Wie sollen wir verstehen, dass die spezifische Kondensationswärme von Ammoniak 1,4 · 10 6 J/kg beträgt?
3. Welcher der 6 in der Tabelle aufgeführten Stoffe hat bei der Umwandlung von Flüssigkeit in Dampf die innere Energie, die am stärksten zunimmt? Rechtfertige deine Antwort.
4. Welche Energiemenge ist nötig, um 150 g Wasser bei einer Temperatur von 100 °C in Dampf umzuwandeln?
5. Wie viel Energie muss aufgewendet werden, um 5 kg Wasser mit einer Temperatur von 0 °C zum Kochen zu bringen und zu verdampfen?
6. Welche Energiemenge setzt 2 kg schweres Wasser frei, wenn es von 100 auf 0 °C abgekühlt wird? Welche Energiemenge wird freigesetzt, wenn wir statt Wasser die gleiche Menge Dampf von 100 °C nehmen?

Übung

1. Bestimmen Sie anhand von Tabelle 6, welcher der Stoffe einen größeren Anstieg der inneren Energie aufweist, wenn er von der Flüssigkeit in den Dampf übergeht. Rechtfertige deine Antwort.
2. Bereiten Sie einen Bericht zu einem der Themen vor (optional).
3. Wie Tau, Reif, Regen und Schnee entstehen.
4. Der Wasserkreislauf in der Natur.
5. Metallguss.

In dieser Lektion werden wir uns mit dieser Art der Verdampfung befassen, beispielsweise dem Sieden, ihre Unterschiede zum zuvor besprochenen Verdampfungsprozess diskutieren, einen Wert wie die Siedetemperatur einführen und besprechen, wovon sie abhängt. Am Ende der Lektion stellen wir eine sehr wichtige Größe vor, die den Prozess der Verdampfung beschreibt – die spezifische Verdampfungs- und Kondensationswärme.

Thema: Aggregatzustände der Materie

Lektion: Kochen. Spezifische Verdampfungs- und Kondensationswärme

In der letzten Lektion haben wir uns bereits mit einer der Arten der Dampfbildung – der Verdunstung – befasst und die Eigenschaften dieses Prozesses hervorgehoben. Heute werden wir diese Art der Verdampfung, den Siedeprozess, diskutieren und einen Wert einführen, der den Verdampfungsprozess numerisch charakterisiert – die spezifische Verdampfungs- und Kondensationswärme.

Definition.Sieden(Abb. 1) ist ein Prozess des intensiven Übergangs einer Flüssigkeit in einen gasförmigen Zustand, der mit der Bildung von Dampfblasen einhergeht und im gesamten Flüssigkeitsvolumen bei einer bestimmten Temperatur, dem sogenannten Siedepunkt, abläuft.

Vergleichen wir die beiden Arten der Verdampfung miteinander. Der Siedevorgang ist intensiver als der Verdampfungsprozess. Darüber hinaus findet der Verdampfungsprozess, wie wir uns erinnern, bei jeder Temperatur über dem Schmelzpunkt statt, der Siedeprozess jedoch ausschließlich bei einer bestimmten Temperatur, die für jeden Stoff unterschiedlich ist und als Siedepunkt bezeichnet wird. Es ist auch zu beachten, dass die Verdampfung nur an der freien Oberfläche der Flüssigkeit erfolgt, d. h. an dem Bereich, der sie von den umgebenden Gasen trennt, und dass das Sieden im gesamten Volumen auf einmal erfolgt.

Schauen wir uns den Kochvorgang genauer an. Stellen wir uns eine Situation vor, mit der viele von uns schon oft konfrontiert sind – das Erhitzen und Kochen von Wasser in einem bestimmten Gefäß, zum Beispiel einem Topf. Beim Erhitzen wird eine gewisse Wärmemenge auf das Wasser übertragen, was zu einer Erhöhung seiner inneren Energie und einer Erhöhung der Aktivität der molekularen Bewegung führt. Dieser Prozess wird bis zu einem bestimmten Zeitpunkt fortgesetzt, bis die Energie der molekularen Bewegung ausreicht, um mit dem Sieden zu beginnen.

Wasser enthält gelöste Gase (oder andere Verunreinigungen), die in seiner Struktur freigesetzt werden, was zur sogenannten Entstehung von Verdampfungszentren führt. Das heißt, in diesen Zentren beginnt Dampf freizusetzen und es bilden sich im gesamten Wasservolumen Blasen, die beim Kochen beobachtet werden. Es ist wichtig zu verstehen, dass diese Blasen keine Luft, sondern Dampf enthalten, der während des Siedevorgangs entsteht. Nachdem sich die Blasen gebildet haben, nimmt die Dampfmenge in ihnen zu und sie beginnen an Größe zuzunehmen. Häufig bilden sich Blasen zunächst in der Nähe der Gefäßwände und steigen nicht sofort an die Oberfläche; Zuerst werden sie größer und stehen unter dem Einfluss der wachsenden Kraft von Archimedes. Dann lösen sie sich von der Wand und steigen an die Oberfläche, wo sie platzen und eine Portion Dampf freisetzen.

Es ist zu beachten, dass nicht alle Dampfblasen sofort die freie Wasseroberfläche erreichen. Zu Beginn des Siedevorgangs ist das Wasser noch nicht gleichmäßig erhitzt und die unteren Schichten, in deren Nähe der Wärmeübertragungsprozess direkt stattfindet, sind sogar unter Berücksichtigung des Konvektionsprozesses noch heißer als die oberen. Dies führt dazu, dass die von unten aufsteigenden Dampfblasen aufgrund des Phänomens der Oberflächenspannung kollabieren, bevor sie die freie Wasseroberfläche erreichen. In diesem Fall gelangt der Dampf, der sich in den Blasen befand, in das Wasser, wodurch es weiter erhitzt und der Prozess der gleichmäßigen Erwärmung des Wassers im gesamten Volumen beschleunigt wird. Dadurch beginnen bei nahezu gleichmäßiger Erwärmung des Wassers fast alle Dampfblasen an die Wasseroberfläche zu gelangen und der Prozess der intensiven Dampfbildung beginnt.

Es ist wichtig hervorzuheben, dass die Temperatur, bei der der Siedevorgang stattfindet, auch dann unverändert bleibt, wenn die Intensität der Wärmezufuhr zur Flüssigkeit erhöht wird. In einfachen Worten Wenn Sie während des Siedevorgangs Gas auf einen Brenner geben, der einen Topf mit Wasser erhitzt, führt dies nur zu einer Erhöhung der Siedeintensität und nicht zu einer Erhöhung der Temperatur der Flüssigkeit. Wenn wir uns eingehender mit dem Siedevorgang befassen, ist es erwähnenswert, dass es im Wasser Bereiche gibt, in denen es über den Siedepunkt hinaus überhitzt werden kann, das Ausmaß dieser Überhitzung jedoch in der Regel ein oder mehrere Grad nicht überschreitet und ist im Gesamtvolumen der Flüssigkeit unbedeutend. Siedepunkt von Wasser bei normaler Druck beträgt 100°C.

Beim Kochen von Wasser können Sie feststellen, dass es von charakteristischen Geräuschen des sogenannten Kochens begleitet wird. Diese Geräusche entstehen gerade durch den beschriebenen Prozess des Kollabierens von Dampfblasen.

Die Siedevorgänge anderer Flüssigkeiten verlaufen auf die gleiche Weise wie das Sieden von Wasser. Der Hauptunterschied bei diesen Verfahren besteht in den unterschiedlichen Siedetemperaturen der Stoffe, die bei normalem Atmosphärendruck bereits gemessene Tabellenwerte sind. Die Hauptwerte dieser Temperaturen geben wir in der Tabelle an.

Eine interessante Tatsache ist, dass der Siedepunkt von Flüssigkeiten vom Wert abhängt Luftdruck, weshalb wir darauf hingewiesen haben, dass alle Werte in der Tabelle bei normalem Atmosphärendruck angegeben sind. Wenn der Luftdruck steigt, steigt auch der Siedepunkt der Flüssigkeit; wenn er sinkt, sinkt er im Gegenteil.

Über diese Abhängigkeit der Siedetemperatur vom Druck Umfeld basiert auf dem Funktionsprinzip eines so bekannten Küchengeräts wie eines Schnellkochtopfs (Abb. 2). Es handelt sich um einen Topf mit dicht schließendem Deckel, unter dem beim Dampfgaren von Wasser der Luftdruck mit Dampf bis zu 2 Atmosphärendruck erreicht, was zu einer Erhöhung des Siedepunkts des darin enthaltenen Wassers auf . führt. Dadurch haben das Wasser und die darin enthaltenen Lebensmittel die Möglichkeit, sich auf eine höhere Temperatur als üblich zu erhitzen () und der Garvorgang wird beschleunigt. Aufgrund dieses Effekts erhielt das Gerät seinen Namen.

Reis. 2. Schnellkochtopf ()

Die Situation mit einem Absinken des Siedepunkts einer Flüssigkeit bei Absinken des Atmosphärendrucks hat ebenfalls ein Beispiel aus dem Leben, ist aber für viele Menschen nicht mehr alltäglich. Dieses Beispiel gilt für das Reisen von Bergsteigern in Hochgebirgsregionen. Es stellt sich heraus, dass in Gebieten in einer Höhe von 3000 bis 5000 m der Siedepunkt von Wasser aufgrund einer Abnahme des Luftdrucks auf niedrigere Werte sinkt, was zu Schwierigkeiten bei der Zubereitung von Speisen auf Wanderungen führt, da eine effektive Wärmebehandlung erforderlich ist Produkte in diesem Fall von Bedeutung längere Zeit als mit normale Bedingungen. In Höhenlagen von etwa 7000 m erreicht Wasser den Siedepunkt, was das Garen vieler Produkte unter solchen Bedingungen unmöglich macht.

Auf der Tatsache, dass Siedetemperaturen verschiedene Substanzen unterscheiden sich einige Technologien zur Stofftrennung. Betrachtet man beispielsweise Heizöl, eine komplexe Flüssigkeit, die aus vielen Komponenten besteht, kann es beim Siedevorgang in mehrere unterschiedliche Stoffe zerfallen. IN in diesem Fall Aufgrund der unterschiedlichen Siedepunkte von Kerosin, Benzin, Naphtha und Heizöl können sie durch Verdampfung und Kondensation voneinander getrennt werden unterschiedliche Temperaturen. Dieser Vorgang wird üblicherweise Fraktionierung genannt (Abb. 3).

Reis. 3 Trennung von Öl in Fraktionen ()

Wie jeder andere physikalischer Vorgang, muss das Sieden durch einen numerischen Wert charakterisiert werden; ein solcher Wert wird als spezifische Verdampfungswärme bezeichnet.

Um zu verstehen physikalische Bedeutung Betrachten Sie für diesen Wert das folgende Beispiel: Nehmen Sie 1 kg Wasser, bringen Sie es zum Sieden und messen Sie dann, wie viel Wärme erforderlich ist, um dieses Wasser vollständig zu verdampfen (ohne Berücksichtigung von Wärmeverlusten). Dieser Wert entspricht dem spezifischen Wert Verdampfungswärme von Wasser. Bei einem anderen Stoff ist dieser Wärmewert ein anderer und entspricht der spezifischen Verdampfungswärme dieses Stoffes.

Die spezifische Verdampfungswärme erweist sich als ein sehr wichtiges Merkmal moderne Technologien Metallproduktion. Es stellt sich heraus, dass beispielsweise beim Schmelzen und Verdampfen von Eisen mit anschließender Kondensation und Erstarrung Kristallzelle mit einer Struktur, die eine höhere Festigkeit als das Originalmuster bietet.

Bezeichnung: spezifische Verdampfungs- und Kondensationswärme (manchmal auch als bezeichnet).

Maßeinheit: .

Die spezifische Verdampfungswärme von Stoffen wird durch Laborversuche ermittelt und ihre Werte für Grundstoffe sind in der entsprechenden Tabelle aufgeführt.

Substanz

Um das Sieden von Wasser (oder einer anderen Flüssigkeit) aufrechtzuerhalten, muss ihm kontinuierlich Wärme zugeführt werden, beispielsweise durch Erhitzen mit einem Brenner. In diesem Fall steigt die Temperatur des Wassers und des Gefäßes nicht an, sondern es entsteht pro Zeiteinheit eine bestimmte Menge Dampf. Daraus folgt, dass die Umwandlung von Wasser in Dampf einen Wärmezufluss erfordert, so wie er bei der Umwandlung eines Kristalls (Eis) in eine Flüssigkeit auftritt (§ 269). Die Wärmemenge, die erforderlich ist, um eine Flüssigkeitseinheit in Dampf mit derselben Temperatur umzuwandeln, wird als spezifische Verdampfungswärme einer bestimmten Flüssigkeit bezeichnet. Sie wird in Joule pro Kilogramm ausgedrückt.

Es ist nicht schwer zu verstehen, dass beim Kondensieren von Dampf zu Flüssigkeit die gleiche Wärmemenge freigesetzt werden sollte. Lassen Sie uns tatsächlich ein mit einem Boiler verbundenes Rohr in ein Glas Wasser senken (Abb. 488). Einige Zeit nach Beginn des Erhitzens beginnen Luftblasen aus dem in Wasser getauchten Ende des Röhrchens auszutreten. Diese Luft erhöht die Wassertemperatur nicht wesentlich. Dann kocht das Wasser im Boiler, woraufhin wir sehen, dass die am Ende des Rohrs austretenden Blasen nicht mehr aufsteigen, sondern schnell kleiner werden und mit einem scharfen Geräusch verschwinden. Dabei handelt es sich um Dampfblasen, die zu Wasser kondensieren. Sobald Dampf anstelle von Luft aus dem Kessel austritt, beginnt sich das Wasser schnell zu erhitzen. Als spezifische Wärme Dampf ist ungefähr dasselbe wie Luft. Aus dieser Beobachtung folgt, dass eine so schnelle Erwärmung von Wasser genau auf die Dampfkondensation zurückzuführen ist.

Reis. 488. Während Luft aus dem Kessel austritt, zeigt das Thermometer fast die gleiche Temperatur an. Wenn Dampf die Luft ersetzt und im Glas zu kondensieren beginnt, steigt das Thermometer schnell an und zeigt damit einen Temperaturanstieg an

Wenn eine Einheitsmasse Dampf zu einer Flüssigkeit derselben Temperatur kondensiert, wird eine Wärmemenge freigesetzt, die der spezifischen Verdampfungswärme entspricht. Dies hätte auf der Grundlage des Energieerhaltungssatzes vorhergesagt werden können. Wäre dies nicht der Fall, wäre es tatsächlich möglich, eine Maschine zu bauen, in der die Flüssigkeit zunächst verdampft und dann kondensiert: Die Differenz zwischen der Verdampfungswärme und der Kondensationswärme würde eine Erhöhung der Gesamtenergie aller Körper bedeuten Teilnahme an dem betrachteten Prozess. Und das widerspricht dem Energieerhaltungssatz.

Die spezifische Verdampfungswärme kann mit einem Kalorimeter bestimmt werden, ähnlich wie bei der Bestimmung der spezifischen Schmelzwärme (§ 269). Lassen Sie uns eine bestimmte Menge Wasser in das Kalorimeter gießen und dessen Temperatur messen. Dann leiten wir für einige Zeit Dampf der Testflüssigkeit aus dem Kessel in das Wasser ein und treffen dabei Maßnahmen, um sicherzustellen, dass nur Dampf ohne Flüssigkeitströpfchen austritt. Dazu wird Dampf durch eine Dampfkammer geleitet (Abb. 489). Danach messen wir erneut die Temperatur des Wassers im Kalorimeter. Durch das Wiegen des Kalorimeters können wir anhand der Massenzunahme die Menge an Dampf beurteilen, die zu Flüssigkeit kondensiert ist.

Reis. 489. Dampfgarer – ein Gerät zum Zurückhalten von Wassertröpfchen, die sich zusammen mit Dampf bewegen

Mithilfe des Energieerhaltungssatzes können wir eine Gleichung für diesen Prozess aufstellen Wärmehaushalt, wodurch wir die spezifische Verdampfungswärme von Wasser bestimmen können. Die Wassermasse im Kalorimeter (einschließlich des Wasseräquivalents des Kalorimeters) sei gleich der Dampfmasse – , der Wärmekapazität von Wasser – , der Anfangs- und Endtemperatur des Wassers im Kalorimeter – und dem Siedepunkt von Wasser – und die spezifische Verdampfungswärme – . Die Wärmebilanzgleichung hat die Form

.

Die Ergebnisse der Bestimmung der spezifischen Verdampfungswärme einiger Flüssigkeiten bei Normaldruck sind in der Tabelle aufgeführt. 20. Wie Sie sehen können, ist diese Hitze ziemlich groß. Die hohe Verdampfungswärme von Wasser spielt in der Natur eine äußerst wichtige Rolle, da Verdampfungsprozesse in der Natur in großem Umfang ablaufen.

Tabelle 20. Spezifische Verdampfungswärme einiger Flüssigkeiten

Substanz		Substanz
Ethanol)

Beachten Sie, dass sich die in der Tabelle enthaltenen Werte der spezifischen Verdampfungswärme auf den Siedepunkt bei Normaldruck beziehen. Wenn eine Flüssigkeit bei einer anderen Temperatur kocht oder einfach verdampft, ist ihre spezifische Verdampfungswärme unterschiedlich. Mit zunehmender Temperatur einer Flüssigkeit nimmt die Verdampfungswärme immer ab. Wir werden uns die Erklärung dafür später ansehen.

295.1. Bestimmen Sie die Wärmemenge, die erforderlich ist, um 20 g Wasser bis zum Siedepunkt zu erhitzen und es bei zu verdampfen.

295.2. Welche Temperatur wird erreicht, wenn man in ein Glas mit 200 g Wasser 3 g Dampf einleitet? Vernachlässigen Sie die Wärmekapazität des Glases.

Aus §§ 2.5 und 7.2 folgt, dass bei der Verdampfung die innere Energie eines Stoffes zunimmt und bei der Kondensation abnimmt. Da bei diesen Prozessen die Temperaturen der Flüssigkeit und ihres Dampfes gleich sein können, erfolgt eine Änderung der inneren Energie des Stoffes nur aufgrund einer Änderung potenzielle Energie Moleküle. Bei gleicher Temperatur hat also eine Masseneinheit einer Flüssigkeit weniger innere Energie als eine Masseneinheit ihres Dampfes.

Die Erfahrung zeigt, dass die Dichte eines Stoffes beim Verdampfen stark abnimmt und das von dem Stoff eingenommene Volumen zunimmt. Daher muss beim Verdampfen gegen äußere Druckkräfte gearbeitet werden. Daher wird die Energie, die einer Flüssigkeit zugeführt werden muss, um sie bei konstanter Temperatur in Dampf umzuwandeln, teilweise dazu verwendet, die innere Energie der Substanz zu erhöhen, und teilweise dazu, Gegenarbeit zu leisten äußere Kräfte im Prozess seiner Expansion.

Um eine Flüssigkeit während des Wärmeaustauschprozesses in Dampf umzuwandeln, wird ihr in der Praxis Wärme zugeführt. Die Wärmemenge, die erforderlich ist, um eine Flüssigkeit bei konstanter Temperatur in Dampf umzuwandeln, wird als Verdampfungswärme bezeichnet. Wenn sich Dampf in Flüssigkeit verwandelt, muss ihm eine Wärmemenge entzogen werden, die als Kondensationswärme bezeichnet wird. Bei gleichen äußeren Bedingungen ist bei gleichen Massen desselben Stoffes die Verdampfungswärme gleich der Kondensationswärme.

Mithilfe eines Kalorimeters wurde festgestellt, dass die Verdampfungswärme direkt proportional zur Masse der in Dampf umgewandelten Flüssigkeit ist

Hierbei handelt es sich um den Proportionalitätskoeffizienten, dessen Wert von der Art der Flüssigkeit und den äußeren Bedingungen abhängt.

Die Größe, die die Abhängigkeit der Verdampfungswärme von der Art des Stoffes und von äußeren Bedingungen charakterisiert, wird als spezifische Verdampfungswärme bezeichnet. Die spezifische Verdampfungswärme wird anhand der Wärmemenge gemessen, die erforderlich ist, um eine Masseneinheit einer Flüssigkeit bei konstanter Temperatur in Dampf umzuwandeln:

Im SI wird als Einheit die spezifische Verdampfungswärme einer Flüssigkeit angenommen, die 1 J Wärme benötigt, um 1 kg Flüssigkeit bei konstanter Temperatur in Dampf umzuwandeln. (Zeigen Sie dies mit Formel (7.1a).)

Als Beispiel stellen wir fest, dass die spezifische Verdampfungswärme von Wasser bei einer Temperatur (100 °C) gleich ist

Da die Verdampfung bei unterschiedlichen Temperaturen erfolgen kann, stellt sich die Frage: Ändert sich die spezifische Verdampfungswärme des Stoffes? Die Erfahrung zeigt, dass mit steigender Temperatur die spezifische Verdampfungswärme abnimmt. Dies liegt daran, dass sich alle Flüssigkeiten beim Erhitzen ausdehnen. Der Abstand zwischen den Molekülen nimmt zu und die Kräfte der molekularen Wechselwirkung nehmen ab. Darüber hinaus gilt: Je höher die Temperatur, desto größer ist die durchschnittliche Energie der Flüssigkeitsmoleküle und desto weniger Energie müssen sie zuführen, um über die Flüssigkeitsoberfläche hinausfliegen zu können.