Тепловые явления.

Занятие 3.

История про Менделеева

Дмитрий Иванович Менделеев родился 27 января 1834 года в Тобольске, Российская империя. С самого рождения жизнь великого ученого была очень необычной, ведь родился он в семье с 17, считая его самого, детьми и был самым младшим.
Дмитрию Ивановичу мама с детства прививала любовь к природе, благодаря чему у него возник интерес к науке. После окончания гимназии, молодой сибирский школьник Менделеев поступил в Главный педагогический институт в Санкт-Петербурге, где и начался его блестящий путь к большой науке.

Одним из главных достижений ученого является открытие периодический системы химических элементов. Этот великий труд позволил в образе таблицы выразить периодический закон Менделеева, который является фундаментальным законом природы и устанавливает зависимость свойств химических элементов от их атомной массы. Ходит легенда, что Дмитрий Иванович увидел эту таблицу во сне, а проснувшись, чтобы не забыть, тут же записал ее на листке и таким образом родилось это великое открытие. Конечно, эта легенда придает интереса и романтики к деятельности Менделеева, но он сам ее опроверг. Дело в том, что эта таблица, как и все другие значимые научные открытия, результат тяжелой и требующей время работы. Так, когда Дмитрий Иванович еще при жизни услышал эту легенду, он сам на нее ответил: «Я над ней (таблицей), может быть, двадцать лет думал, а вы думаете: сидел и вдруг… готово».

Многие также связывают имя Менделеева сугубо с химией, однако, только лишь около 10% всех работ ученого были посвящены химии. Дмитрий Иванович преуспел также и в физике, метрологии, экономике, геологии, метеорологи, нефтяном деле и других областях (но главный и самый значимый труд ученого – периодический закон - все же был посвящён химии). Таким образом, Менделеев был поистине уникальным человеком, который вел исследования во множестве научных сфер, которые далеко не всегда пересекались межу собой.

За свои труды и огромный вклад в науку Дмитрий Иванович был удостоен множества высоких наград и премии, его работы были признаны во всем мире, и он носил почетный ордена многих европейских стран. Однако самая главная награда Дмитрия Ивановича – это его след в истории, ведь его фундаментальные открытия лежат в основе сегодняшней науки, а каждый школьник знает его фамилию и что знаменитую таблицу открыл именно он.

Парообразование. Испарение.

Мы уже говорили, что переход жидкости из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. А переход из газообразного в жидко состояние – конденсацией.

Существует два способа парообразования: испарение и кипение.

Задумывались ли вы: почему сохнет мокрая одежда или почему высыхают лужи на улице.
Думаю, вы и так знаете, что жидкости с открытыми поверхностями испаряются. Но почему и как это происходит?

Давайте подробнее поговорим про испарение.

Вспомним, что все частицы веществ находятся в постоянном непрерывном тепловом движении. Модуль и направление скоростей молекул (частиц) постоянно меняются. Соответственно, постоянно меняется кинетическая энергия молекул, то есть энергия движения.

Рассмотрим испарение жидкости.

Молекулы постоянно взаимодействуют друг с другом и их связывает определенная энергия взаимодействия. Но могут найтись молекулы, кинетическая энергия которых больше, чем энергия взаимодействия, что произойдет в таком случае? В таком случае молекула может вырваться с поверхности жидкости. Таких молекул может быть много, тогда над жидкостью образуется пар.

Такой процесс называется испарением.

Но также часть молекул может возвращаться обратно в жидкость, то есть пар над жидкостью снова становится жидкостью. Такой процесс называется конденсацией.

В большинстве случаев оба процесса происходят одновременно, если молекулы вылетают активнее, жидкость испаряется. В обратном случае пар конденсируется.

От чего зависит скорость испарения жидкости?

Если вдруг наступает равновесие, молекул вылетает столько же, сколько возвращается обратно, то кол-во пара не изменяется. Такой пар называется насыщенным.

Можно отталкиваться от двух вещей: логики или жизненного опыта.

Думаю, жизненный опыт верно вам подскажет. А мы сделаем выводы из логики.

1. Скорость испарения зависит от энергии движения молекул, то же значит, что от их скорости. А мы помним, чем выше температура тела, тем больше скорость их теплового движения. Соответственно, если мы увеличим температуру жидкости, то увеличим кол-во молекул, которые могут вырываться с ее поверхности. Наоборот, понижение температуры приведет к обратному эффекту.

2. Испарение процесс, когда молекулы отрываются с поверхности жидкости. Если увеличить площадь поверхности жидкости, то смогут вырываться большее число молекул.

Это как одно из забавных видео: размешивайте сахар в чае после того, как донесете его до своей комнаты. Потому что вы точно его разольете и сможете растереть его носком, пол не станет липким. Вы увеличите площадь поверхности, чай быстрее испариться.

3. Как ещё можно ускорить процесс испарения? Мы писали, что часть молекул конденсируется обратно в жидкость. Как можно помешать молекулам вернуться обратно в жидкость. Здесь поможет ветер. С помощью ветра можно разогнать возвращающиеся молекулы.

Если на улице ветер, то лужи на улице испаряются. Также логичен пример, когда мы дуем на горячий чай, мы с помощью ветра не позволяем молекулам вернуться обратно и чай быстрее остывает, т.к. скорость испарения увеличивается.

Таким образом, мы получили три главных фактора, который могут увеличить скорость испарения: температура, площадь поверхности и ветер.

Рассмотрим еще примеры испарения в реальной жизни.

1. Ежедневно с поверхности Земли испаряется 511 тыс. км воды. Из них 411 тыс. испаряются с поверхности океанов.

2. Сушка для рук и фен.
Благодаря высокой температуре и ветру вода быстрее испаряется.

3. Запотевание окон
Пример конденсации жидкости.

Почему больному на голову кладут мокрое холодное полотенце? Это способствует более быстрому испарению, что приводит к понижению температуры больного. По этой же причине животные высовывают язык, когда им жарко. Таким образом они ускоряют испарение и понижают собственную температуру.

4. Роса.
Конденсация жидкости при смене дня на ночь и понижении температуры.

5. Выпаривание. Применение в утюге или выпрямителях.

6. Баня
Расслабляет мышцы и нервную систему человека.

7. Хлеб должен содержаться в пакете либо в хлебнице, чтобы влага из него не испарялась и хлеб не засыхал раньше времени.

8. Готовка.
Во время готовки важно регулировать содержание влаги в продуктах.

Мы помним, что для плавления льда, то есть для процесса кристаллизации необходима значительная энергия. Также и для процесса парообразования нужна энергия. А при конденсации пара выделяется энергия.

Вспомните, когда вы выходите из ванной или бассейна вам всегда холодно. Почему? На вашем теле содержаться капельки воды, которые испаряются постоянно. Если, например, на берегу моря сильный ветер, вам становится гораздо холоднее.

Это связано с тем, что для испарения жидкости нужна энергия. Вода испаряется с поверхности вашего тела, тем самым забирая часть вашей энергии на парообразование. Если есть ветер, испарение становится более интенсивным и вам холоднее.

Кипение

Кипение – это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

Мы разобрались, что такое и как происходит процесс испарения. Но же такое кипение? Что будет, если при испарении жидкости непрерывно сообщать ей тепло?

Нам прекрасно знакомо кипение воды. Давайте опишем этот процесс подробнее. В самом начале процесса, когда температура далеко не 100 С на дне сосуда начинают появляться маленькие пузырьки. Далее с ростом температуры пузырьки становятся всё больше, а также растет их кол-во. Если давление внутри пузырька больше, чем давление над жидкостью, то он поднимается вверх и ломается. Пар выходит наружу. При температуре близкой к 100 С кол-во пузырьков уже очень велико, и они появляются практически по всему объему жидкости. Далее при достижении температуры 100 С вода кипит. Пузырьки выделяются интенсивно и по всему объему.

При кипении температура жидкости не меняется и, ещё раз, кипение происходи при определенной температуре.

Температура, при которой жидкость кипит, называется температурой кипения. Для каждой жидкости температура кипения своя.

Но тепло продолжает подводится к кипящей воде. На что оно расходуется? Правильно, на процесс парообразования.

На самом деле температура кипения зависит от внешнего давления. Давление насыщенного пара жидкости должно быть равно вешнему давлению.

Таким образом, если уменьшить внешнее давление, мы сможем понизить температуру кипения. Если повысить внешнее давление, конечно, температура кипения увеличится. Например, в горах вода кипит при 90 С. А в скороварках используется добавочное давление, вследствие чего вода кипит при 120 С, а еда готовится гораздо быстрее.

Мгновенно закипающая вода (опыт только в сопровождении родителей!)

Нам понадобиться стакан, наполненный водой из крана (не используйте питьевую воду, она пагубно влияет на микроволновые печи!), а также какой-то длинный предмет для погружения в воду (например, карандаш). Поставим стакан с водой в микроволновку. Воду необходимо довести практически до кипения, поэтому включим микроволновку и остановим при появлении малейших пузырей воздуха. Затем, предварительно надев кухонные перчатки, достаем стакан и аккуратно помещаем в него карандаш, чтобы не обжечь руки. Мы видим, что вода тут же начинает обильно кипеть при контакте с карандашом.

Какое же кол-во теплоты требуется для кипения воды и как его рассчитать?

Проведем аналогию с кристаллизацией. Так как кипение происходит строго при одной температуре, то кол-во тепла будет зависеть только от массы воды, которая должна превратиться в пар и от свойств самой жидкости.

Формула для расчета кол-ва теплоты выглядит так:

Где L – удельная теплота парообразования. Как вы могли догадаться, удельная теплота парообразования соответствует кол-ву теплоты, которое необходимо подвести к жидкости массой 1 кг. Также L является табличным значением для каждого вещества.

Q = Lm

А в конце давайте рассмотрим задачу.

В закрытом сосуде находится 100 г льда при температуре – 100 С. В сосуд добавили 100 г пара при температуре 100 С. Тепловых потерь нет. Определите, какое вещество получится в результате теплового равновесия и какой массы?