Wszyscy są zaznajomieni z obrazem: na piecu na ogniu stoi garnek z wodą. Woda z zimna stopniowo nagrzewa się, więc na jej powierzchni pojawiają się pierwsze bąbelki, a wkrótce cała wesoło kipi. Jakie jest ciepło parowania wody? Niektórzy z nas pamiętają ze szkolnego programu nauczania, że temperatura wody przy naturalnym ciśnieniu atmosferycznym nie może przekraczać 100°C. A ci, którzy nie pamiętają lub nie wierzą, mogą użyć odpowiedniego termometru i upewnić się, przestrzegając środków bezpieczeństwa.
Ale jak to możliwe? Przecież ogień wciąż pali się pod patelnią, oddaje swoją energię płynowi, a dokąd idzie, jeśli nie podgrzewa wody? Odpowiedź: Energia służy do zamiany wody w parę.
Dokąd trafia energia
W zwykłym życiu jesteśmy przyzwyczajeni do trzech stanów otaczającej nas materii: stałej, ciekłej i gazowej. W stanie stałym cząsteczki są sztywno umocowane w sieci krystalicznej. Ale to nie oznacza ich całkowitego unieruchomienia, w dowolnej temperaturze, dopóki jest ona co najmniej o stopień wyższa niż -273 ° C (jest to zero absolutne), cząsteczki wibrują. Ponadto amplituda drgań zależy od temperatury. Po podgrzaniu energia jest przenoszonacząsteczki substancji, a te chaotyczne ruchy stają się bardziej intensywne, a następnie osiągają w pewnym momencie taką siłę, że cząsteczki opuszczają gniazda sieci - substancja staje się cieczą.
W stanie ciekłym molekuły są ze sobą ściśle powiązane siłą przyciągania, chociaż nie są zamocowane w określonym punkcie przestrzeni. Wraz z dalszym gromadzeniem ciepła przez substancję, chaotyczne wibracje części cząsteczek stają się tak duże, że siła przyciągania cząsteczek do siebie zostaje przezwyciężona i rozlatują się. Temperatura substancji przestaje rosnąć, cała energia jest teraz przekazywana do kolejnych partii cząstek i tak, krok po kroku, cała woda z patelni wypełnia kuchnię w postaci pary.
Każda substancja wymaga określonej ilości energii do przeprowadzenia tego procesu. Ciepło parowania wody, podobnie jak innych cieczy, jest skończone i ma określone wartości.
W jakich jednostkach jest mierzony
Każda energia (nawet ruch, nawet ciepło) jest mierzona w dżulach. Nazwa Joule (J) pochodzi od słynnego naukowca Jamesa Joule'a. Liczbowo energię 1 J można uzyskać, jeśli określone ciało zostanie odepchnięte na odległość 1 metra z siłą 1 Newtona.
Wcześniej do pomiaru ciepła używano pojęcia „kalorii”. Wierzono, że ciepło jest taką fizyczną substancją, która może przepływać do lub z każdego ciała. Im bardziej „przeciekał” do ciała fizycznego, tym jest gorętszy. W starych podręcznikach wciąż można znaleźć tę fizyczną wielkość. Ale nie jest trudno przeliczyć to na dżule, wystarczy pomnożyć przez 4,19.
Energia wymagana do przekształcenia cieczy w gazy nazywana jest ciepłem parowania. Ale jak to obliczyć? Czym innym jest przekształcenie probówki z wodą w parę, a co innego przekształcenie zbiornika silnika parowego ogromnego statku.
Dlatego np. dla H2O, w ciepłownictwie operują pojęciem „ciepła właściwego parowania wody” (J/kg - jednostka miary). A kluczowym słowem jest tutaj „konkretny”. Jest to ilość energii potrzebna do przekształcenia 1 kg płynnej substancji w parę.
Wartość jest oznaczona łacińską literą L. Wartość jest mierzona w dżulach na 1 kg.
Ile energii potrzebuje woda
Ciepło właściwe parowania wody mierzy się w następujący sposób: ilość N wlewa się do pojemnika i doprowadza do wrzenia. Energia poświęcona na odparowanie litra wody będzie pożądaną wartością.
Pomierzając ciepło właściwe parowania wody, naukowcy byli nieco zaskoczeni. Aby zamienić się w gaz, woda wymaga więcej energii niż wszystkie płyny powszechne na Ziemi: cała linia alkoholi, skroplonych gazów, a nawet więcej niż metale, takie jak rtęć i ołów.
Więc ciepło parowania wody wyniosło 2,26 mJ/kg. Dla porównania:
- dla rtęci - 0,282 mJ/kg;
- ołów ma 0,855 mJ/kg.
A jeśli jest odwrotnie?
Co się stanie, jeśli odwrócisz proces, skondensujesz ciecz? Nic specjalnego, istnieje potwierdzenie prawa zachowania energii: podczas kondensacjikilograma cieczy z pary uwalnia dokładnie taką samą ilość ciepła, jaka jest potrzebna do przekształcenia go z powrotem w parę. Dlatego w tabelach referencyjnych częściej pojawia się termin „ciepło właściwe parowania i kondensacji”.
Nawiasem mówiąc, fakt, że ciepło jest pochłaniane podczas parowania, jest z powodzeniem wykorzystywany w urządzeniach domowych i przemysłowych do wytwarzania sztucznego zimna.
