ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМОЇ ТЕПЛОТИ ПАРОУТВОРЕННЯ КАЛОРИМЕТРИЧНИМ МЕТОДОМ
Мета роботи: Вивчити явище пароутворення і визначити питому теплоту пароутворення води.
Прилади і приладдя: електроплитка, колба з водою, сухопарник, калориметр з мішалкою і кришкою, термометр, технічні терези, різноваги.
Література
1. Грабовский Р.И. Курс физики: Учеб. пособие для с.-х. ин-тов. – М., 1979. – 552 с.
2. Розумнюк В.Т., Якименко І.Л. Фізика. Основні поняття, явища і закони. – Біла Церква, 2004. – 71 с.
Теоретичні відомості
Пароутворенням називають перехід речовин із рідкого стану в газоподібний.
Існує два процеси пароутворення – випаровування і кипіння.
Випаровуванням називають відрив молекул від поверхні рідини.
У процесі випаровування від поверхні відриваються ті молекули, що мають кінетичну енергію, достатню для подолання сил притягання до сусідніх молекул. Таким чином, при випаровуванні відриваються від поверхні рідини молекули з більшою енергією, а залишаються в рідині молекули з меншою енергією. Це означає, що внаслідок випаровування температура рідини зменшується. (Нагадаємо, що температура будь-якого тіла залежить від середньої кінетичної енергії його молекул. Чим більша середня енергія молекул, тим температура тіла вища і навпаки).
Випаровування відбувається при будь-якій температурі, тому що при будь-якій температурі є молекули, що мають достатню енергію для розриву міжмолекулярних зв’язків. Цю енергію вони отримують від своїх сусідок при взаємному зштовхуванні внаслідок хаотичного руху. При більш низьких температурах таких молекул менше, а значить менша й інтенсивність випаровування.
Кипінням називають відрив молекул як від поверхні рідини, так і в її об’ємі.
В об’ємі молекули відриваються в бульбашки повітря, які завжди є всередині будь-якої рідини. Найчастіше всього вони знаходяться в подряпинах, щілинах чи місцях стінок посудини, не змочених рідиною. На відміну від випаровування, кипіння відбувається не при будь-якій, а при певній для кожної рідини температурі. Для води при нормальному тиску ця температура дорівнює 100 °С. По мірі кипіння молекули рідини, що оточують бульбашку повітря, відриваються від рідини в бульбашку і її розмір зростає. Зростає в бульбашці й величина тиску. Коли цей тиск дорівнює або є більшим суми гідростатичного тиску стовпчика рідини над бульбашкою і атмосферного тиску, бульбашка спливає на поверхню і лопається, переносячи таким чином молекули рідини в атмосферу.
Пароутворення, як при випаровуванні, так і при кипінні, вимагає затрат енергії для подолання сил притягання між молекулами рідини. Ці затрати при певних зовнішніх умовах (температурі і тиску) характеризуються питомою теплотою пароутворення.
Питомою теплотою пароутворення називають кількість теплоти, яку необхідно витратити для перетворення одиниці маси рідини в пару при температурі пароутворення.
В СІ питома теплота пароутворення λ вимірюється в Дж/кг. Різні рідини мають різні значення λ тому, що в них різні сили притягання між молекулами.
Кількість теплоти 
Q, необхідноїдля перетворення деякої маси m рідини в пару при температурі пароутворення, буде:
∆Q = λ m, (1)
де 
(лямбда) – питома теплота пароутворення.
Теплота – це фізична величин, що є мірою сумарної кінетичної енергії хаотичного руху молекул тіла.
Температура є кількісною характеристикою інтенсивності хаотичного руху молекул тіла, показником середньої швидкості хаотичного руху молекул та середньої кінетичної енергії хаотичного руху молекул.
В даній роботі для визначення питомої теплоти пароутворення води використовують визначення теплоти, що віддається водяною парою воді в калориметрі й самому калориметру, коли пару напускають в калориметр з холодною водою. При цьому калориметр і вода в ньому нагріваються.
Запишемо рівняння теплового балансу для цього процесу:
, (2)
де Q1 – енергія, отримана водою в калориметрі при нагріванні від 
до 
.
, (3)
де 
– питома теплоємність води; m 
– маса води в калориметрі до початку досліду; 
– температура води в кінці досліду; – початкова температура води в ньому.
Q 
– енергія, отримана калориметром при нагріванні від до 
.
, (4)
де 
– питома теплоємність латуні (матеріалу калориметра); m – маса калориметра; θ – температура калориметра в кінці досліду; t1 – температура калориметра на початку досліду.
Q 
– енергія, що передається парою при конденсації (конденсацією називають перехід речовини із газоподібного стану в рідкий).
, (5)
де – питома теплота пароутворення; m – маса пари.
ΔQ 
– енергія, що передається конденсатом (сконденсованою парою) при його охолодженні від температури кипіння 
до температури 
:
, (6)
де – питома теплоємність води; m – маса пари; 
– температура пари (температура кипіння води); θ – температура води в кінці досліду.
Підставивши формули(3), (4), (5) і (6) у рівняння (2) знаходимо робочу формулу для визначення λ:
(7)
Опис установки
Калориметр являє собою латунну посудину 6 (рис. 7.1) з мішалкою 8 і кришкою 7. Сухопарник 4 висушує пару, звільнюючи її від крапель води, що сконденсувалися при проходженні пари по трубці. Ця вода відводиться через трубку із зажимом 3, який відкривають по мірі накопичення води в сухопарнику. 1 – скляна колба, в яку наливається досліджувана рідина, 10 – термометр, 5 – стакан, 2 – електроплитка, 9 – ексікатор (повітряний термостат).
Рис. 7.1.
Порядок виконання роботи
1. В кип'ятильник (скляну колбу) 1 налити воду (трохи більше половини об'єму) і поставити її на електроплитку 2. Відпустити зажим 3 і обидві каучукові трубки, що йдуть від сухопарника 4 опустити в стакан 5. Ввімкнути електроплитку 2.
2. Зважити калориметр 6 із кришкою 7 і мішалкою 8 (m2).
3. Налити в калориметр воду (трохи більше половини) і знову зважити (m2´). Тоді маса води в калориметрі m1 = m2´ – m2.
4. Поставити калориметр в захисну посудину 9 і поміряти початкову температуру води в ньому термометром 10 (
).
5. Переконавшись, що сухопарник і відвідні каучукові трубки добре прогрілись, а із трубок йде густа пара, зажати зажимом одну із трубок. Другу трубку занурити як можна глибше в калориметр. Весь час, помішуючи воду мішалкою, слідкувати за підвищенням температури в калориметрі.
6. Коли температура води в калориметрі підвищиться на 4–5˚, виключити електроплитку, вийняти трубку із калориметра і записати кінцеве значення температури води (θ).
7. Зважити калориметр з кришкою, мішалкою і водою (m2"). Маса пари m3 = m2" –– m2´.
8. Всі дані записати в таблицю.
9. За формулою (7) вирахувати величину λ.
10. За табличним значенням λm і знайденим значенням λсер знайти абсолютну похибку ∆λ = λсер – λm.
11. Знайти відносну похибку: ε = 
·100%.
12. Кінцевий результат записати у вигляді:
(Дж/кг).
Таблиця
| Вимірювані показники | Позначення | Серед. | |||
| Маса калориметра з мішалкою і водою до досліду, кг | m2´ | ||||
| Маса калориметра з мішалкою, кг | m2 | ||||
| Маса води в калориметрі до досліду, кг | m1 = m2´– m2 | ||||
| Початкова температура води в калориметрі, С |
| ||||
| Температура кипіння, ˚С |
| ||||
| Температура суміші, ˚С | θ | ||||
| Маса калориметра з мішалкою, кришкою і водою після досліду, кг | m2" | ||||
| Маса сконденсованої пари, кг | m3= m2"– m2´ | ||||
| Питома теплоємність калориметра, Дж/кг | с2 | ||||
| Питома теплоємність води, Дж/кг | с1 | ||||
| Питома теплота пароутворення, Дж/кг | λ | ||||
| Табличне значення питомої теплоти пароутворення, Дж/кг | λm |
Контрольні питання
1. Дати визначення явищ пароутворення, випаровування і кипіння.
2. Пояснити явища випаровування і кипіння, користуючись молекулярно-кінетичною теорією.
3. Дати визначення теплоємності, питомої теплоємності й питомої теплоти пароутворення. Одиниці їх вимірювання.
4. Залежність температури кипіння від тиску.
5. Рівняння теплового балансу.
6. Роль процесів випаровування в життєдіяльності живих організмів.
