История изобретения радио – основные принципы работы, виды и значение открытия

День Радио: патенты Маркони и Попова

Краткий экскурс в историю изобретения Маркони

Гульельмо Маркони (Guglielmo Marconi) был скорее энтузиастом-экспериментатором радио, чем его изобретателем. Для изобретательства ему не хватало фундаментальных знаний (он не получил общего систематического образования, да и его техническое образование было фрагментарным), зато у него было завидное предпринимательское чутье, упорство и отличная организаторская хватка.

Приблизительно в 1892 г. (в возрасте 18 лет) Маркони узнал о работах Генриха Герца (Heinrich Hertz), в 1888 г. продемонстрировавшего опыты по генерированию и обнаружению электромагнитных волн, от своего соседа – Августо Риги (Augusto Righi), профессора физики в Болонском университете. С тех пор он «заболел» идеей беспроводной связи (отметим, что к тому времени он умел работать с телеграфным аппаратом и знал азбуку Морзе). Повторяя эксперименты Герца, Маркони по предложению Риги применил датчик электромагнитных волн, предложенный в 1890 г. французским физиком Эдуардом Бранли (Edouard Branly), позднее названный когерером. Биографы Маркони считают, что первые удачные эксперименты по фиксации грозовых разрядов и по передаче элементарной информации по радиоканалу он провел в 1894 г., т.е. приблизительно в то же время и с примерно той же аппаратурой, что и британский физик Оливер Лодж (Oliver Lodge), однако документальных подтверждению этому не обнаружено, возможно, потому что он экспериментировал частным образом в имении своего отца Villa Griffone в местечке Pontecchio в Италии и не афишировал их результаты.

В 1895 г. Маркони обратился за финансированием своих работ к министру почты и телеграфа Италии, но получил отказ (резолюция на прошении: «в сумасшедший дом»). В 1896 г. друг семьи – почетный консул США в Болонье Карло Гардини (Carlo Gardini) написал о Маркони послу Италии в Лондоне Аннибалу Ферреро (Annibale Ferrero), который в ответном письме посоветовал не предавать полученные результаты огласке до получения патента и выразил уверенность в том, что в Англии найти финансирование будет гораздо легче (надо сказать, что в детстве Маркони четыре года провел в Англии и неплохо говорил по-английски). В том же году Маркони отправился пытать счастья в Англию. Интерес к оборудованию Маркони обнаружился уже на таможне, откуда сообщили в британское Адмиралтейство, а в дальнейшем куратором и соратником Маркони стал Вильям Прис (William Preece), до этого также экспериментировавший с беспроволочной телеграфией и в то время занимавший пост главного инженера британского почтового ведомства. Как и Маркони, Прис был «практиком», т.е. экспериментатором, а не теоретиком-максвеллианцем, поэтому не был силен в теории радиосвязи. Зато он имел достаточно влиятельные связи и был ориентирован на коммерческий успех.

С помощью Приса Маркони составил и 2 июня 1896 г. подал в Британское патентное ведомство предварительную патентную заявку GB189612039

С точки зрения современной электродинамики, предварительная заявка Маркони выглядит довольно потешно – в ней совершенно серьезно утверждается о возможности передачи высокочастотных радиосигналов через воду и грунт. Возможно, таким образом проявились уже известные в то время сведения о наведении помех в параллельно проложенных телеграфных проводах, физическая природа которых еще не была полностью объяснена, а также американский патент US0350299, выданный в 1886 г., на передачу электрических сигналов через грунт, который, кстати сказать, оказался нарушенным Маркони и впоследствии Маркони был вынужден его выкупить для легального использования своего изобретения в США.

Описание оборудования в предварительной заявке выглядит сумбурно и путано. Значительная часть описания посвящена конструкции уже известного когерера, а понятие антенны отсутствует вовсе. Кроме того, предварительная заявка Маркони не содержит ни одного чертежа. Все это свидетельствует о том, что Маркони при подаче заявки действовал по золотому правилу стартаперов всех времен и народов: «поехали, потом заведем». Кстати, позже подлинник британской предварительной заявки был изъят из архива Британского патентного ведомства и передан на хранение в компанию Маркони. Публично доступной эта заявка стала лишь в 2004 г. после рассекречивания архивов Маркони.

4 июня 1896 г. Прис выступил в Королевском институте Великобритании с лекцией «Signalling through Space without Wires», в которой изложил общую концепцию радиосвязи, при этом технические подробности не раскрывались.

Первая документально зафиксированная передача информации по радиоканалу была проведена Маркони 27 июля 1896 г. в ходе демонстрации работы оборудования чиновникам почтового ведомства Британии, однако конструкция оборудования при этом также держалась в секрете. Первая публичная демонстрация состоялась 2 сентября 1896 г. на равнине Солсбери, в ходе которой дальность передачи составила 0,5 км при использовании ненаправленных антенн и порядка 2,5 км с применением антенн с параболическими рефлекторами. Эта конструкция отражена в заменяющей (полной) британской патентной заявке, поданной 2 марта 1897 г., и в американской патентной заявке US586193, поданной 7 декабря 1896 г. Несуразица с якобы возможным прохождением высокочастотных радиосигналов сквозь воду и грунт в этих документа была устранена, зато появилось утверждение о возможности их прохождения сквозь массу металла, холмы и горы.

Британский патент GB12039 был выдан 2 июля 1897 г., американский патент US586193 – 2 июля 1897 г., а уже 20 июля 1897 г. была учреждена компания Wireless Telegraph & Signal Company, которая занялась коммерческим внедрением радиосвязи. Попытки Маркони получить аналогичные патенты в Германии, Франции и России окончились неудачей – по этим заявкам было отказано вследствие известности предлагаемого технического решения. По мере совершенствования техники радиосвязи, Маркони подал еще много патентных заявок и получил много патентов, часть из которых впоследствии была аннулирована. Список опубликованных патентных документов иллюстрирует высокую патентную активность Маркони.

Краткий экскурс в историю изобретения Попова

А.С. Попов в 1873 г. окончил курс Екатеринбургского духовного училища и поступил в Пермскую духовную семинарию. После окончания общеобразовательных классов семинарии в 1877 г. он поступил на физико-математический факультет Санкт-Петербургского университета, который окончил в 1882 г. со степенью кандидата, защитив диссертацию на тему «О принципах магнито- и динамоэлектрических машин постоянного тока». В 1883 г. он начал работать преподавателем физики, математики и электротехники в Минном офицерском классе в Кронштадте, а в 1890 г. получил приглашение на должность преподавателя физики в Техническом училище Морского ведомства в Кронштадте.

В 1893 г. на Всемирной выставке в Чикаго он присутствовал при демонстрации опытов Тесла. На Электротехническом конгрессе, состоявшемся во время выставки, Эдиссон и Прис демонстрировали решение для беспроводной передачи сигналов с использованием явления электромагнитной индукции, однако дальность связи при этом не превышала 200 м. По пути в Чикаго в Париже он вступил во Французское физическое общество, что позволило ему регулярно получать информацию по актуальным научным вопросам.

Статья Лоджа в английском журнале «The Electrician» была получена Поповым осенью 1894 г. Оценив перспективность когерера в качестве датчика, он взялся за его совершенствование. К апрелю 1895 г. Попов с помощником Рыбкиным определил оптимальную с точки зрения чувствительности конструкцию когерера, ввел обратную связь для встряхивания когерера после его срабатывания и применил приемную антенну длиной около 2,5 м.

Первое документально подтвержденное сообщение Попова о возможности приема радиосигналов было сделано им 25 апреля (7 мая) 1895 г. на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества. Это был доклад «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям», протокол которого был опубликован в том же году. Краткое описание конструкции и принципа действия автоматического грозоотметчика Попова содержится также в монографии Д.А. Лачинова «Основы метеорологии и климатологии», вышедшей в свет в 1895 г. В 1896 г. Попов опубликовал объемную статью «Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний» с описанием конструкции, принципа действия и технологии изготовления автоматического грозоотметчика с указанием на возможность его применения для передачи сигналов.

Считается, что 12 (24) марта 1896 г. на заседании Русского физико-химического общества Попов продемонстрировал прием с расстояния 250 м радиограммы из двух слов Heinrich Hertz, однако документально это не подтверждено (в протоколе содержится запись «А.С. Попов показывает приборы для лекционного демонстрирования опытов Герца. Описание их помещено в “Журнале Русского физико-химического общества”»). В марте 1897 г. Попов прочел публичную лекцию «О возможности телеграфирования без проводов» в Морском собрании Кронштадта.

Утверждают, что морской министр Чихачев на прошение Попова о выделении тысячи рублей на работы по радиотелеграфу отказал: «На такую химеру отпускать денег не разрешаю». Однако в середине 1896 г. морским министром стал Тыртов и целевое финансирование работ все же началось.

Опытные образцы передающей и приемной аппаратуры Попова активно испытывались на Балтийском флоте уже весной-летом 1897 г., при этом весной дальность передачи сигналов между кораблем и берегом в Кронштадтской гавани составила 600 метров, а летом – между кораблями в Финском заливе – превысила 5 километров. В ходе испытаний было обнаружено отражение радиоволн металлическим телом (кораблем), оказавшимся между передатчиком и приемником. Это наблюдение позволило Попову предложить способ определения направления на работающий передатчик для радиомаяков и радиопеленгаторов.

Первая документально зафиксированная радиопередача Поповым отдельных телеграфных знаков состоялась 15 сентября 1897 г. в рамках «IV совещательного съезда железнодорожных электротехников и представителей службы телеграфа русских железных дорог», организованного Русским техническим обществом в Одессе. Тем не менее, 19 (31) октября 1897 г. Попов, выступая с докладом «О телеграфировании без проводов» в Электротехническом институте, признал: «Здесь собран прибор для телеграфирования. Связной телеграммы мы не сумели послать, потому что у нас не было практики, все детали приборов еще нужно разработать». Лишь 18 (30) декабря 1897 г. в ходе публичной лекции Попова в Русском физико-химическом обществе была документально зафиксирована передача телеграфным кодом слова «Герцъ».

Попов не патентовал ранние разработки. По-видимому, это было связано с режимом секретности. Позднее он получил один российский и несколько иностранных патентов, относящихся к радиотелефонной связи, однако патентная активность Попова была гораздо скромнее, чем Маркони.

Патентные документы Попова

GB190002797 (A) 1900-04-07
CH21905 (A) 1901-10-31
RU6066 (B) 1901-12-12
FR296354 (B) 1903-01-17
US722139 (A) 1903-03-03

В конце 1898 г. компания Эжена Дюкрете (Eugène Ducretet) начала серийный выпуск корабельных радиостанций системы Попова по заказам военно-морских ведомств России и Франции. Фамилия Попова на серийной продукции французской фирмы свидетельствует о том, что он был компаньоном Дюкрете.

В 1900 г. Попов организовал первую в России радиомастерскую в Кронштадте и возглавил техническое руководство оснащением радиоаппаратурой российского Военно-морского флота. В том же году компания Маркони несколько раз пыталась выйти на Попова с предложением о сотрудничестве, но, судя по отсутствию в личных архивах Попова каких-либо сведений о его реакции на эти попытки завязать деловые отношения, этот контакт так и не состоялся, так что сцена встречи Попова и Маркони в фильме «Александр Попов» (1949), скорее всего, является вымыслом его создателей.

Радиомастерская Попова в Кронштадте и французская фабрика Дюкрете оказались не в состоянии обеспечить растущие требования к количеству и качеству радиооборудования для российских военных ведомств, поэтому в 1904 г. между профессором Поповым, немецкой компанией «Telefunken» (среди учредителей которой были Ф. Браун и К. Сименс) и российским юрлицом компании «Siemens & Halske» был заключен договор об учреждении в Петербурге Отделения беспроволочного телеграфа «Сименс и Гальске», по которому Попов имел право на 1/3 прибыли предприятия.

Кронштадтская радиомастерская позднее была переведена в Петербург и преобразована в Радиотелеграфное депо, затем – в Радиозавод и в дальнейшем стала известной под именем НПО мощного радиостроения им. Коминтерна (сейчас ПАО «Российский институт мощного радиостроения»). Отделение беспроволочной телеграфии компании «Сименс и Гальске» после ряда преобразований было возрождено как Завод им. Н.Г. Козицкого (сейчас ЗАО «Завод имени Козицкого»).

Заключение

Попов и Маркони начали работы приблизительно в одно время, имели одинаковую исходную информацию (публикации Герца, Бранли, Лоджа и т.д.), сходное техническое оснащение, поначалу двигались в одном (с технической точки зрения) направлении, одинаково страдали от недостатка финансирования и примерно одновременно получили первые практические результаты, которые также оказались весьма сходными. Далее их пути разошлись: Маркони бредил трансатлантической радиосвязью и стремился к мировой экспансии, Попов же решал ведомственные задачи в обстановке секретности.

При этом нельзя сказать, чтобы Попов был ученым-бессребреником, как его иногда представляла советская пропаганда в противовес акуле империализма Маркони. В 1900 г. «по высочайшему соизволению» он получил премию в размере 33000 руб. (приблизительно 2 млн. долл. США на сегодняшний день) «за работы по внедрению радиосвязи на кораблях флота», в 1901 г. – звание профессора и должность заведующего кафедрой физики в Электротехническом институте (ЭТИ) с годовым окладом 2200 руб. (приблизительно 133 тыс. долл. США на сегодняшний день), а в 1903 г. – казенную профессорскую квартиру (250 кв. м) в новом жилом доме при ЭТИ. Помимо этого, Попов получал доходы от сотрудничества с Дюкрете и дивиденды от «Сименс и Гальске» (наследники Попова получали дивиденды по этому договору до 1909 г.). В 1905 г. Попов смог купить большое имение неподалеку от станции Удомля в Тверской губернии.

Очевидно, что монетизация изобретения Попова шла в России достаточно неплохо. Тем не менее, отказ от патентования на раннем этапе привел к безвозмездному использованию изобретений Попова в других странах (как минимум, известно о нелицензионном производстве радиостанций системы Попова в США в 1900–1901 гг. и грозоотметчика в Венгрии в 1904 г.) и затруднило выход связанных с Поповым предприятий на мировой рынок. Модель монетизации изобретений Попова опиралась в основном на административный ресурс, а не на патентное право. Различие принципов организации исследований и практической реализации изобретений, которых придерживались Попов и Маркони, в конечном счете, сказалось на масштабе и на финансовом результате от их деятельности.

Гульельмо Маркони построил свою империю – группа его компаний была главным игроком на мировом рынке радиооборудования в первой четверти ХХ в., некоторые из них существуют и по сей день (как подразделения CMC Electronics, Ericsson и Telent). В частности, британская компания Marconi Corporation plc (прямая наследница Wireless Telegraph & Signal Company) была приобретена в 2005 г. компанией Ericsson за 1,2 млрд. фунт. ст.

На внедрение изобретений Александру Степановичу Попову было отпущено судьбой совсем немного времени – он скончался 31 декабря 1905 г. (13 января 1906 г.) в возрасте 46 лет. С именем Попова связаны два предприятия (Завод им. Коминтерна и Завод им. Козицкого), в техническом плане достаточно успешно работавшие в ХХ в., но ориентированные, преимущественно, на внутренний рынок и так и оставшиеся на нем локальными нишевыми игроками.

Кто изобрел радио и в каком году

Интернет, беспроводная связь, Wi-Fi — все это работает благодаря радио, изобретенному более века назад. У истоков этого открытия стояло несколько значимых фигур из мира науки — Попов, Маркони, Тесла и другие. Кто из них по праву может называться изобретателем радио и как именно работает это устройство, разберемся детальнее.

Попов или Маркони: кто и когда изобрел радио?

Когда изобрели радио? Открытие, перевернувшее развитие мировой науки, состоялось в 1890-х годах. Однако изучать электромагнитные волны и способы их применения ученые начали еще в середине XIX века:

  • В 1845-м английский физик Майкл Фарадей открыл электромагнитное поле.
  • Спустя два десятка лет англичанин Джеймс Максвелл сформулировал теорию электромагнитного поля и рассчитал, что скорость электромагнитных волн равна скорости света.
  • Немногим позже Генрих Герц создал прибор, который генерировал и отслеживал электромагнитные колебания. По сути, это был предшественник радио.
  • Тем временем Никола Тесла провел ряд экспериментов, доказывающих способность электромагнитных волн перемещаться в пространстве на десятки километров.

На основе этих открытий в 1890-х годах был изобретен радиоприемник, однако кто сделал это первым — вопрос остается открытым.

Кто изобрел радио — Попов или Маркони? В мае 1895-го на заседании Русского физико-химического общества Александр Попов продемонстрировал первый радиоприемник, который распознавал сигналы по длительности. Годом спустя, в июне 1986-го, похожий радиоприемник представил Гульельмо Маркони: ученый подал заявку на патент, которая вскоре была одобрена.

Радиоприемная станция Попова: Wikipedia

По словам заместителя директора по науке и технике Центрального музея связи имени А. С. Попова Нины Борисовой, схемы обоих физиков были очень похожи. Они работали над изобретением в одно время, но отдельно друг от друга. Никто из них не знал об исследованиях оппонента.

Однако Попов, в отличие от Маркони, не занимался вопросами интеллектуальной собственности и не имел цели коммерциализировать свое открытие. Тем временем итальянский ученый запатентовал открытие, быстро собрал инвестиции и развернул производство. По словам доктора наук Н. Чистякова, Маркони нашел способ повысить мощность передатчика, что признавал и сам Попов.

Из-за нехватки документальных данных теперь сложно определить, кто из ученых придумал его первым. В западных странах изобретателем радио считают Маркони, в странах бывшего СССР — Попова, но невозможно отрицать, что каждый ученый сделал огромный вклад в развитие радиосвязи.

Гульельмо Маркони со своим изобретением: Wikipedia

Что такое радио и как оно работает

Что такое радио? Вопреки привычному для нас пониманию, это не вечно играющая коробочка на холодильнике. Радио — это способ передачи информации на расстояния с помощью радиоволн. Принцип действия следующий:

  1. В радиопередатчике формируется сигнал определенной частоты — так называемый несущий сигнал.
  2. На него накладывается информационный сигнал, который необходимо передать (он содержит звук, изображение и пр.).
  3. Передающая антенна отправляет сигнал в пространство в виде радиоволн, и он поступает в радиоприемник.
  4. Детектор извлекает информационный сигнал.

Интересно, что радио не сразу стали использовать для передачи звука. Александр Попов передавал сигнал с помощью азбуки Морзе. Как пишет профессор В. Меркулов, впервые радио «заговорило» благодаря канадскому изобретателю Реджинальду Фессендену. Он оснастил передатчик микрофоном и в 1900 году впервые передал звук на расстояние одной мили.

В чем преимущества радио? Значимость его изобретения сложно переоценить. Это открытие обеспечило человечеству беспроводную связь. Радиоволны могут передавать сигнал на огромные расстояния. Несмотря на то что они распространяются в атмосфере или вакууме (то есть не проходят сквозь землю и воду), сигнал может «путешествовать» между удаленными точками Земли, не имеющими прямой видимости.

Благодаря радио сегодня мы пользуемся такими технологиями, как:

  • спутниковая и сотовая связь;
  • интернет и Wi-Fi;
  • GPS-навигация и пр.

Какие недостатки радио? Радиоволны подвержены помехам, поэтому сигнал в начале и конце передачи может отличаться. Чтобы улучшить качество передачи на большие расстояния, нужны очень крупные антенны и сложные помехоустойчивые коды. Кроме того, распространение радиосигнала происходит с некоторой задержкой.

История радио длится более ста лет. Его изобретение положило начало многим направлениям в науке, стало стимулом для исследования электричества и развития электроники. В этом есть заслуга каждого ученого, проводившего исследования, эксперименты и производившего невероятные для своего времени открытия.

Узнавайте обо всем первыми

Подпишитесь и узнавайте о свежих новостях Казахстана, фото, видео и других эксклюзивах.

Удельная теплота парообразования и конденсации

Содержание

Твердые кристаллические вещества переходят в жидкое состояние посредством плавления. Чтобы расплавить вещество, необходимо сообщить ему некоторое количество теплоты. И, наоборот, при кристаллизации (переходе жидкости в твердое состояние) энергия выделяется в окружающую среду.

Проведем аналогию с переходом жидкости в пар. Этот переход может быть осуществлен двумя способами: испарением или кипением. Кипение является тем же испарением, но более интенсивным. Очевидно, что для того, чтобы происходил процесс кипения, жидкости необходимо сообщать какое-то количество теплоты. Это количество теплоты будет идти на образование пара.

В данном уроке мы познакомимся с новым определением – удельной теплотой парообразования и конденсации. Вы узнаете формулу для расчета количества теплоты, необходимого для парообразования жидкости и научитесь ею пользоваться.

Удельная теплота парообразования

Вы уже знаете, что кипение происходит при определенной для каждой жидкости температуре. Количество теплоты, которое потребуется сообщить этим жидкостям одинаковой массы для превращения их в пар тоже будет различно.

Опытным путем было выяснено следующее. Если мы возьмем воду массой $1 space кг$ при температуре $100 degree C$, то нам потребуется затратить $2.3 cdot 10^6 space Дж$ энергии для полного превращения этой воды в пар.

Температура кипения во время всего процесса остается постоянной. Следовательно, нам необходимо подводить к кипящей жидкости определенное количество теплоты. Для воды это энергия в $2.3 cdot 10^6 space Дж$.

Удельная теплота парообразования – это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой $1 space кг$ в пар без изменения температуры.

  • Обозначается буквой $L$
  • Единица измерения удельной теплоты парообразования – $1 frac<Дж><кг>$
  • При температуре кипения внутренняя энергия вещества в парообразном состоянии больше внутренней энергии вещества такой же массы в жидком состоянии

Удельная теплота парообразования некоторых жидкостей

В таблице 1 приведены экспериментально полученные величины удельной теплоты парообразования некоторых жидкостей.

Вещество$L, frac<Дж><кг>$
Вода$2.3 cdot 10^6$
Аммиак (жидкий)$1.4 cdot 10^6$
Спирт$0.9 cdot 10^6$
Эфир$0.4 cdot 10^6$
Ртуть$0.3 cdot 10^6$
Воздух (жидкий)$0.2 cdot 10^6$

Таблица 1. Удельная теплота парообразования некоторых веществ (при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении)

Удельная теплота парообразования эфира равна $0.4 cdot 10^6 frac<Дж><кг>$. Что это означает?

Возьмем $1 space кг$ эфира при его температуре кипения ($35 degree C$). Для того, чтобы полностью превратить его в пар, нам потребуется $0.4 cdot 10^6 space Дж$.

Обратите внимание, что удельная теплота парообразования показывает количество теплоты, необходимое для превращения жидкости, взятой при ее температуре кипения, в пар.

Удельная теплота конденсации

Нужно ли сообщать пару энергию при его конденсации? Давайте рассмотрим простой опыт (рисунок 1).

Нальем в сосуд воду и закроем его пробкой. Через пробку проведем трубку и направим ее на кусочек охлажденного стекла. Доведем воду до кипения с помощью горелки.

Пар, поднимающийся над кипящей водой, будет конденсироваться, соприкасаясь с холодным стеклом. Если мы дотронемся до стекла, то обнаружим, что оно очень сильно нагрелось.

Так энергия пара передается стеклу. В результате этой потери энергии пар конденсируется. Если бы температура стекла была равна температуре пара, то теплопередача бы не происходила, и конденсат не образовывался бы.

Это говорит о том, что при конденсации пар отдает, выделяет энергию.

Более точные опыты также показывают, что

Конденсируясь, пар отдает то количество энергии, которое пошло на его образование.

Значит, при превращении $1 space кг$ водяного пара в воду при температуре $100 degree C$ выделяется $2.3 cdot 10^6 space Дж$ энергии.

Это довольно большая энергия, поэтому человечество стремится ее использовать. Например, на крупных тепловых электростанциях паром, который уже прошел через турбины, нагревают воду. Ее, в свою очередь, используют для отопления зданий и бытовых нужд.

Расчет количества теплоты, необходимого для парообразования

Чтобы вычислить количество теплоты $Q$, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования $L$ умножить на массу $m$:
$Q = Lm$.

Из этой формулы при расчетах мы можем выражать массу ($m = frac$) и удельную теплоту парообразования ($L = frac$).

Для расчета количества теплоты, которое выделит пар массой $m$ при температуре кипения в ходе конденсации, используется эта же формула.

Примеры задач

  1. У вас есть вода массой $2 space кг$ с температурой $20 degree C$. Рассчитайте, какое количество энергии потребуется для ее превращения в пар.

Дано:
$m = 2 space кг$
$t_1 = 20 degree C$
$t_2 = 100 degree C$
$c = 4200 frac<Дж><кг cdot degree C>$
$L = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж><кг>$

$Q – ?$

Показать решение и ответ

Решение:

Сначала нам потребуется нагреть воду до температуры кипения, затратив на это количество энергии $Q_1$:
$Q_1 = cm (t_2 – t_1)$.

$Q_1 = 4200 frac<Дж> <кг cdot degree C>cdot 2 space кг cdot (100 degree C – 20 degree C) = 8400 frac<Дж> cdot 80 degree C = 672 space 000 space Дж approx 0.7 cdot 10^6 space Дж$.

Теперь рассчитаем количество энергии $Q_2$, затраченное для превращения воды в пар:
$Q_2 = Lm$.

$Q_2 = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж> <кг>cdot 2 space кг = 4.6 cdot 10^6 space Дж$.

Рассчитаем общее количество энергии, которое нам потребуется:
$Q = Q_1 + Q_2 = 0.7 cdot 10^6 space Дж + 4.6 cdot 10^6 space Дж = 5.3 cdot 10^6 space Дж$.

Ответ: $Q = 5.3 cdot 10^6 space Дж$.

  1. Вычислите, какое количество энергии выделится при охлаждении водяного пара массой $2 space кг$ от $100 degree C$ до $0 degree C$.

Дано:
$m = 2 space кг$
$t_1 = 100 degree C$
$t_2 = 0 degree C$
$c = 4200 frac<Дж><кг cdot degree C>$
$L = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж><кг>$

$Q – ?$

Решение:

Температура $100 degree C$ – это температура парообразования воды и конденсации водяного пара. При понижении температуры пар сначала сконденсируется в жидкость, а жидкость продолжит охлаждаться.
Количество теплоты, выделенное при этом будет равно:
$Q = Q_1 + Q_2$, где
$Q_1$ – количество выделенной теплоты при конденсации пара,
$Q_2$ – количество теплоты, выделенное при охлаждении жидкости до $0 degree C$.

$Q_1 = Lm$.
$Q_1 = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж> <кг>cdot 2 space кг = 4.6 cdot 10^6 space Дж$.

$Q_2 = cm (t_1 – t_2)$.
$Q_2 = 4200 frac<Дж> <кг cdot degree C>cdot 2 space кг cdot (100 degree C – 0 degree C) = 8400 frac<Дж> cdot 100 degree C = 840 space 000 space Дж approx 0.8 cdot 10^6 space Дж$.

$Q = 4.6 cdot 10^6 space Дж + 0.8 cdot 10^6 space Дж= 5.4 cdot 10^6 space Дж$.

Ответ: $Q = 5.4 cdot 10^6 space Дж$.

  1. Из чайника выкипела вода объемом $0.5 space л$. Начальная температуры этой воды составляла $10 degree C$. Какое количество энергии оказалось излишне затраченным? Плотность воды – $1000 frac<кг><м^3>$.

Дано:
$V = 0.5 space л$
$rho = 1000 frac<кг><м^3>$
$L = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж><кг>$

СИ:
$0.5 cdot 10^ <-3>space м^3$

$Q – ?$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

После закипания воды в чайнике огонь выключают. Если его не выключить, то процесс кипения продолжится, и вода из чайника будет испаряться. Так как превращение воды в пар не является целью кипячения воды, энергию, которая ушла на парообразование можно считать излишне затраченной. Рассчитаем ее по формуле: $Q = Lm$.

Массу мы можем выразить через плотность и объем:
$m = rho V$.

Тогда наша формула примет вид:
$Q = Lrho V$.

$Q = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж> <кг>cdot 1000frac<кг> <м^3>cdot 0.5 cdot 10^ <-3>space м^3 = 2.3 cdot 10^6 frac<Дж> <кг>cdot 0.5 space кг = 1.15 cdot 10^6 space Дж$.

Ответ: $Q = 1.15 cdot 10^6 space Дж$.

Кипение и удельная теплота парообразования

Жидкость может переходить в парообразное состояние двумя способами – испарением и кипением. Испаряются жидкости во всем температурном диапазоне, в то время, как кипение происходит при строго определенной температуре для каждой конкретной жидкости.

Что такое кипение

  • бурный переход жидкости в пар. Во всем объеме жидкости образуются пузырьки, пар в этих пузырьках насыщенный;
  • эндотермический процесс, он происходит с поглощением энергии.

Образование пара во всем объеме жидкости называют кипением.

Примечание: Интересен тот факт, что перед началом кипения от чайника с водой доносится специфический шум.

Различия между испарением и кипением

Характерным проявлением кипения может служить образование пузырьков пара внутри жидкости (рис. 1):

На следующем рисунке 2 представлены отличия процессов испарения и кипения подробнее:

  • на поверхности – это испарение,
  • во всем объеме – это кипение.

Испарение происходит при любой температуре с поверхности, а кипение – только при одной конкретной температуре, но во всем объеме жидкости.

Процессы кипения и конденсации на графиках

Пусть небольшое количество воды находится в просторном закупоренном сосуде.

Разберем, как выглядят на температурных графиках процессы кипения и конденсации. Для начала рассмотрим график нагревания и кипения (рис. 3).

Вначале вода имела температуру +20 градусов Цельсия. Будем нагревать эту воду. Поначалу ее температура будет расти. На графике это показано наклонной синей линией, находящейся в левой части рисунка.

До бесконечности температура подниматься не будет. Как только температура достигнет некоторого предела, вода закипит. Из рисунка следует, когда температура воды достигла отметки +100 градусов Цельсия и начался процесс кипения. Этот процесс на рисунке схематично обозначен горизонтальной красной линией.

Горизонтальное положение линии кипения означает, что во время кипения температура воды не изменяется. Температура будет оставаться неизменной до тех пор, пока вся вода не превратится в газообразное состояние — пар. Для компактности рисунка я укоротил эту линию, на самом деле, длину этой линии нужно увеличить.

Уже после того, как вся вода превратилась в пар, температура пара начала повышаться. Это изображено на рисунке наклонной синей линией, находящейся правее красной линии.

Будем теперь отбирать тепловую энергию у молекул. Предположим, что мы охлаждаем горячий водяной пар, находящийся в закупоренном сосуде. Процессы его охлаждения и конденсации представлены на графике (рис. 4). Этот график можно получить, зеркально отразив вокруг вертикальной оси график, связанный с нагреванием, рассмотренный ранее.

Из графика следует:

Вначале температура пара уменьшается от +180 градусов Цельсия до +100 градусов. Это наклонная синяя линия, расположенная в левой части рисунка.

Затем, происходит конденсация пара. Молекулы пара собираются в капли жидкости. При этом, температура пара не изменяется и остается равной +100 градусам Цельсия.

Как только весь пар конденсируется, образовавшаяся жидкая вода начинает охлаждаться до конечной температуры + 20 градусов Цельсия. На графике охлаждение воды – это синяя наклонная линия, находящаяся справа от красной линии конденсации.

Температура кипения и как ее найти на графике

Чтобы жидкость закипела, ее нужно нагреть до температуры кипения.

На рисунке 5 представлен температурный график нагревания воды. Температуру кипения можно определить по горизонтальной линии, обозначающую процесс кипения. Нужно продолжить эту линию пунктиром по направлению к вертикальной оси температур. Точка, в которой пунктир упрется в ось и будет температурой кипения жидкости.

Температура кипения – это температура, при которой пар образуется во всем объеме жидкости. Такая температура у каждой жидкости своя, ее можно найти в справочнике физики.

Температуры кипения некоторых веществ

Сравним для наглядности значения температуры кипения некоторых веществ.

Нам известно, что температура кипения питьевой воды равна 100 градусам на шкале Цельсия.

При комнатной температуре некоторые вещества пребывают в газообразном состоянии, но при более низких температурах они превращаются в жидкости. Например, кислород превращается в кипящую жидкость при минус 183 градусах Цельсия.

В противоположность этому, вещества, которые мы привыкли видеть твердыми при комнатной температуре, в кипящую жидкость превратятся при более высоких температурах. К примеру, медь станет кипящей жидкостью при 2567 град. Цельсия, а железо – при 2500 град. Цельсия

На рисунке 6 представлен список некоторых веществ и указана температура, при которой эти вещества кипят.

Расширенный список жидкостей и их температуру кипения можно найти в справочнике физики.

Почему температура жидкости при кипении не изменяется

Тепловая энергия, которую получает жидкость во время кипения, тратится на образование пара во всем объеме жидкости. Поэтому во время кипения температура жидкости не изменяется.

Разберем подробнее, что происходит, когда мы сообщаем тепловую энергию какой-либо жидкости.

Получаемая от источника тепловая энергия передается молекулам жидкости. Скорость движения молекул увеличивается, а значит, растет их кинетическая энергия. Чем выше температура, тем быстрее будут двигаться молекулы.

Находясь в жидкости, каждая молекула притягиваются к соседним молекулам. То есть, молекулы удерживаются в жидкости силами притяжения соседних молекул. Если есть взаимодействие молекул – их взаимное притяжение, значит, есть потенциальная энергия такого взаимодействия.

По мере нагревания, энергия движения некоторых молекул увеличится настолько, что они преодолеют притяжение соседних молекул и, покинут жидкость. Чем выше температура, тем большее число молекул сможет покинуть жидкость.

Мы помним, что при испарении жидкость покидают молекулы, находящиеся только на ее поверхности. А во время кипения энергию, достаточную для того, чтобы вылететь из жидкости, получают не только молекулы на поверхности, но и молекулы, находящиеся внутри жидкости.

Примечания:

  • Наблюдая за кипящей жидкостью, можно заметить, что пар образуется внутри жидкости во всем ее объеме. Пузырьки пара буду образовываться даже у дна. Они будут подниматься к поверхности, при этом расширяясь. Внутри пузырьков находятся молекулы, энергия которых достаточна для того, чтобы покинуть жидкость.
  • Вместо слов «Внутри жидкости», физики говорят — «Во всем объеме жидкости».

Как давление влияет на температуру кипения

Мы можем влиять на температуру кипения жидкостей, изменяя давление. Если давление воздуха увеличить, то температура кипения, так же, возрастет. К примеру, вода при давлении 220 атмосфер (это 21,6 миллионов Паскалей) закипит только тогда, когда ее температура поднимется до 370 градусов Цельсия.

А уменьшая давление, мы наоборот, температуру кипения жидкостей понизим. Именно из-за пониженного давления, температура кипения воды в высокогорных районах ниже, чем, на равнинной местности, которая ближе к уровню мирового океана. В горах вода закипает при температуре 90 градусов Цельсия. Из-за этого, некоторые продукты высоко в горах сварить не получится.

Чем выше давление, тем выше температура кипения жидкости. Уменьшив давление, мы понизим температуру кипения.

Что такое удельная теплота парообразования

Возьмем какую-либо жидкость массой 1 кг, предварительно нагретую до температуры кипения. Будем сообщать ей тепловую энергию, чтобы испарить эту жидкость полностью.

Та энергия (теплота), которую мы затратим, чтобы испарить с помощью кипения 1 кг жидкости, называется удельной теплотой парообразования. Удельной величиной эту теплоту называют потому, что она приходится на 1 кг жидкости.

Удельная теплота парообразования — это энергия, которую нужно затратить, чтобы испарить 1 кг жидкости, предварительно нагретой до температуры кипения.

(large L left( frac>>right)) – удельная теплота парообразования (конденсации).

На рисунке 7 представлена таблица, в которой содержится удельная теплота парообразования (конденсации) при температуре кипения для некоторых жидкостей и металлов в расплавленном состоянии.

Что происходит с энергией во время кипения и конденсации

Кипение: жидкость получает тепловую энергию (количество теплоты), из нее вырываются молекулы. Полученная энергия тратится на преодоление притяжения соседних молекул и на расширение образовавшегося пара.

Конденсация: молекулы пара отдают тепловую энергию в окружающее пространство, собираясь в капельки — превращаясь в жидкость.

Выполняется закон сохранения энергии. Именно поэтому теплота парообразования и теплота конденсации совпадают. Процессы кипения и конденсации протекают при одной и той же температуре. Различие кроется в том, что кипение происходит с поглощением энергии, а конденсация связана с выделением энергии.

Как удельная теплота парообразования связана с количеством теплоты — формула

Пусть жидкость предварительно нагрета до температуры кипения, и нам известны:

  • ее масса (количество килограммов) и
  • удельная теплота парообразования;

Мы можем посчитать общее количество теплоты, требуемое для перевода всей жидкости в пар. Расчеты нужно вести по формуле:

(large m left( text <кг>right) ) – масса вещества;

(large L left( frac>> right) ) – удельная теплота парообразования (конденсации);

(large Q left( text <Дж>right) ) – количество теплоты, поглощенное жидкостью во время кипения, т. е. общая тепловая энергия для перевода всей жидкости в пар;

Формулу можно применять так же, чтобы рассчитать количество теплоты, выделяемое в окружающую среду молекулами пара при их конденсации.

Для процесса конденсации величина (large Q ) – это количество теплоты, выделенное молекулами пара в окружающую среду;

Чем удельная теплота парообразования отличается от количества теплоты

Отличия удельной теплоты парообразования от количества теплоты, приведены на рисунке 8:

В любом случае, жидкость предварительно нужно нагреть до температуры кипения.

Количество теплоты – это энергия, необходимая для конденсации или образования пара при температуре кипения для нескольких килограммов жидкости.

Удельная теплота парообразования – это энергия, необходимая для перевода в пар 1-го килограмма жидкости.

Кипение. Удельная теплота парообразования

Урок 13. Физика 8 класс (ФГОС)

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока “Кипение. Удельная теплота парообразования”

Мы узнали, что существуют два вида парообразования — это испарение и кипение. Напомним, что под испарением подразумевается парообразование, идущее со свободной поверхности жидкости. На этом уроке более подробно рассмотрим второй вид парообразования — кипение жидкости.

Итак, вы уже знаете, что испарение жидкости идёт при любой температуре и вызывает её охлаждение. Но возникает закономерный вопрос: а как будет происходить испарение, если жидкости передавать энергию, то есть подводить теплоту?

Ответим на него, проведя такой опыт. Поставим на электроплитку стакан с водой. По термометру будем следить за изменением температуры воды в стакане с течением времени.

Вначале температура воды сначала растёт. На дне стакана появляется множество маленьких пузырьков. Их размеры постепенно увеличиваются, так как вода испаряется внутрь пузырьков и давление пара в пузырьках при нагревании повышается. Пузырьки отрываются ото дна и стенок и движутся вверх под действием архимедовой силы. Поскольку вода ещё полностью не прогрелась и температура верхних слоёв воды меньше, чем нижних, пар в пузырьках начинает конденсироваться. Их объём уменьшается, пузырьки сжимаются, и мы слышим характерный шум. Когда вода прогреется по всему объёму, пузырьки с паром уже смогут подняться до поверхности.

Если давление пара внутри пузырька больше, чем над жидкостью, он разрывается, и пар выходит наружу. Посмотрим на термометр. Он показывает температуру, близкую к ста градусам, и она практически не меняется. А пузырьков все больше и больше поднимается, и лопается у поверхности, выбрасывая пар в атмосферу. Вода кипит.

Кипение — это процесс парообразования, идущий по всему объёму жидкости при определённой температуре.

Действительно, любой пузырёк можно рассматривать как сосуд с паром внутри жидкости, с поверхности стенок которого идёт испарение и обратный процесс — возврат молекул в жидкость, то есть конденсация.

Температура, при которой происходит кипение жидкости, называется температурой кипения.

Температура кипения у разных жидкостей различна. Это и понятно, ведь различна энергия взаимодействия их молекул.

Как видно из таблицы, более летучие жидкости — это эфир или спирт — кипят при более низкой температуре, чем, например, вода. Это связано с тем, что давление насыщенных паров этих жидкостей уже при комнатной температуре достаточно велико, поскольку их молекулы слабее связаны между собой силами притяжения, чем молекулы других веществ.

А случайно ли мы, говоря о температуре кипения жидкости, указываем давление?

Нет, не случайно. Пузырьки кипящей жидкости лопаются при условии, что давление пара в них не меньше, чем давление снаружи. Значит, чем меньше внешнее давление, тем при более низкой температуре закипит жидкость.

Подтвердим это опытом. Нальём в колбу тёплой воды при температуре пятьдесят градусов. Закроем колбу и подсоединим к откачивающему насосу. Теперь откачаем воздух из колбы.

Вода закипит, хотя её температура меньше 100 о С. Но это не значит, что в такой воде можно сварить яйцо. Яйцо варится не потому, что вода кипит, а потому, что она горячая. А если в специальных условиях создать, например, высокое давление над поверхностью воды, то в ней можно будет расплавить олово, но вода так и не будет кипеть.

Зависимость температуры кипения от внешнего давления используется в практических целях. Например, для стерилизации медицинских инструментов их помещают в герметически закрытые камеры-автоклавы, вода в которых кипит при температуре значительно выше, чем сто градусов.

А мощные паровые турбины работают при давлении, в двести раз большем атмосферного, и температуре, в шесть раз превышающей температуру кипения воды при нормальном давлении. А это существенно повышает их коэффициент полезного действия.

В быту мы используем кастрюли-скороварки. В них давление пара в два раза больше атмосферного и температура кипения воды достигает ста двадцати градусов, что существенно уменьшает время приготовления пищи, по сравнению с обычной кастрюлей.

Но вернёмся к парообразованию. Итак, мы с вами видели, что во время кипения воды, её температура практически не меняется. Но ведь энергия (от нагретой плитки) жидкостью поглощается. Тогда возникает закономерный вопрос: Куда же уходит эта энергия?

Энергия, полученная жидкостью, идёт на превращение её в пар. Пока нагреваемая жидкость не кипит, парообразование происходит только с её поверхности. Часть сообщаемой жидкости энергии расходуется на компенсацию потери жидкостью энергии при испарении, а часть — на увеличение внутренней энергии жидкости, о чём свидетельствует увеличение её температуры.

При достижении температуры кипения парообразование происходит уже во всём объёме жидкости. Переход жидкости в газообразное состояние связан с увеличением расстояний между молекулами и соответственно с преодолением притяжения между ними. На совершение работы по преодолению сил притяжения между молекулами и расходуется энергия, подводимая к жидкости. Так происходит до тех пор, пока вся жидкость не превратится в пар. Вот почему температура жидкости остаётся постоянной, пока она кипит.

Таким образом, чтобы превратить в пар жидкость при температуре кипения, необходимо передать ей определённое количество теплоты. Эта энергия характеризуется величиной, называемой удельной теплотой парообразования.

Удельная теплота парообразования равна количеству теплоты, которое нужно сообщить веществу массой один килограмм для превращения его из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения.

Обозначается удельная теплота парообразования латинской буквой L:

Значения удельной теплоты парообразования определяются экспериментально.

А что значит: удельная теплота парообразования спирта равна 900 000 Дж/кг? Это значит, что для превращения 1 кг спирта из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения необходимо затратить 900 000 Дж теплоты.

Очевидно, что если необходимо превратить в пар при температуре кипения не 1 кг спирта, а, например, 5, то потребуется затратить количество теплоты в 5 раз больше.

Таким образом, чтобы найти количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу массой m, для его перехода из жидкого состояния в газообразное, необходимо удельную теплоту парообразования этого вещества умножить на его массу:

Q = Lm

Как показывают многочисленные опыты, при конденсации пара выделяется некоторое количество теплоты, значение которой равно значению количества теплоты, полученного жидкостью при парообразовании при той же температуре.

Пример решения задач.

Задача 1. Определите, какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы двести грамм воды, находящейся при температуре двадцать градусов Цельсия, полностью превратить в пар при ста градусах?

Удельная теплота испарения и конденсации. Физические величины

Содержание:

Для поддержания кипения жидкости её необходимо нагревать – подводить тепловую энергию от огня или нагревательного прибора. Температура вещества и сосуда при этом не повышаются, вместо этого жидкость превращается в пар – переходит в газообразное состояние. (можно ссылку на агрегатные состояния вещества) Удельная теплота испарения – количество передаваемой системе энергии, необходимо для поддержания процесса. Зависит от жидкости, внешних условий, при которых она кипит, в первую очередь, давления.

Удельная теплоемкость парообразования

Величина показывает, сколько тепла необходимо жидкости для её преобразования в газообразное состояние. Измеряется в джоулях на килограмм вещества – Дж/кг.

По закону сохранения энергии, получается, что во время конденсации паров выделяется потраченное на испарение вещества количество энергии. Для подтверждения проводится опыт. В стакан с водой опускается трубка, соединённая со вторым сосудом, где подогревается вода. Пока по трубке в стакан поступает подогретый воздух, показатели термометра практически не изменяются.

Когда вследствие нагрева испаряется вода, пар попадает в трубку, где конденсируется с выделением теплоты, ведь показатели термометра растут. Получается, вода из пара превращается в жидкое состояние с выделением тепловой энергии.

Количество выделяемого тепла равняется внутренней энергии тела: Q = ΔU. Энергия колебания молекул пропорциональна температуре. Величина изменения энергии тела или жидкости равняется сумме изменению теплоты каждой молекулы или атома вещества. Отсюда удельную теплоту парообразования находят по выражению:

Q = ΔU = cmΔT, здесь:

  • ΔT – разница температур;
  • m – масса вещества;
  • c – удельная теплоёмкость вещества.

c = Q / mΔT, измеряется в Дж / кг*К. Показывает, сколько теплоты нужно для нагревания 1 кг вещества на 1 К.

Удельная теплота испарения указывается для жидкости при её постоянном объёме, ведь зависит от условий теплопередачи – работы, сопровождающей процесс испарения. Одинаковая энергия, переданная системе, по-разному изменит его внутреннюю энергию и, соответственно, температуру.

Обозначение удельной теплоты парообразования осуществляется буквой L. По значению величина прямо пропорциональна потраченной на трансформацию – изменение состояния вещества – энергии и обратно пропорциональна его массе:

В физике измеряется в Дж/кг, в химии сводится к количеству вещества – моль/кг.

Для закипающей при температуре 100 °C воды удельная теплота парообразования равняется 2260 Дж/кг.

Задача

1005 Дж тепловой энергии. Какое вещество нагревалось в колбе?

Теплота парообразования вычисляется по формуле: L= Q / m. Подставляем значения в готовую пропорцию и проводим вычисления.

L = 1005 / 1,2 = 837,5 Дж/кг. Воспользуемся таблицей удельной теплоты парообразования.

ВеществоТемпература кипения, С 0Удельная теплота парообразования/конденсации, кДж/кг
Вода1002260
Водород-252,6448
Азот-195,8199
Аммиак-33,41370
Диэтиловый спирт34,6380
Этиловый спирт78,4837
Ртуть357282

В ней полученному значению соответствует этиловый спирт.

Свойства паров в физике – формулы и определения с примерами

Содержание:

  1. Насыщенный и ненасыщенный пар
    1. Свойства насыщенного пара
    2. Свойства ненасыщенного пара

Свойства паров:

Туман – одно из наиболее часто наблюдаемых природных явлений в сельской местности и в городе.

Испарение. В жидкостях (и твердых телах) при любой температуре существует некоторое количество молекул (или атомов), кинетическая энергия которых больше потенциальной энергии взаимодействия с соседними молекулами. Если такие молекулы находятся поблизости от поверхности жидкости, то они с легкостью покидают поверхность и создают над ее поверхностью пар.

Парообразованием называется процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. Парообразование осуществляется двумя способами: испарением и кипением.

Испарение – это парообразование, происходящее с открытой поверхности жидкости при любой температуре.

Кипение — это парообразование, происходящее по всему объему жидкости при определенной температуре.

При испарении частицы, обладающие большой кинетической энергией, покидают поверхность жидкости. В результате происходит уменьшение среднего значения кинетической энергии оставшихся частиц жидкости. Поэтому в процессе испарения наблюдается охлаждение жидкости (только если жидкости не передается теплота со стороны).

Скорость испарения зависит от: температуры жидкости, площади свободной поверхности жидкости, скорости течения воздуха, окружающего поверхность жидкости, давления, оказываемого на поверхность жидкости (с увеличением давления скорость испарения уменьшается), удельной теплоты парообразования жидкости, то есть от рода жидкости.

Удельная теплота парообразования численно равна количеству теплоты, необходимому для полного превращения жидкости массой 1 кг в пар при постоянной температуре:

Где

Единица измерения удельной теплоты парообразования в СИ:

Значение удельной теплоты парообразования зависит от рода жидкости и её температуры — с увеличением температуры значение удельной теплоты парообразования уменьшается. Минимальное значение удельной теплоты парообразования соответствует температуре кипения жидкости.

Теплота парообразования – это количество теплоты, необходимое для превращения жидкости массой в пар при постоянной температуре:

Процесс, обратный парообразованию, один из природных процессов, называемый конденсацией, при котором пар превращается в жидкость.

Конденсация – это процесс превращения пара в жидкость. Конденсируемый пар передает окружающей среде количество теплоты При конденсации пара выделяется такое же количество теплоты, которое было затрачено на парообразование сконденсировавшейся жидкости.

Насыщенный и ненасыщенный пар

По характеру зависимости плотности и давления от температуры пар может быть насыщенным и ненасыщенным.

Насыщенный пар — это пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Динамическое равновесие между жидкостью и ее паром возникает тогда, когда число молекул, покидающих свободную поверхность жидкости, становится равным числу молекул, возвращающихся в жидкость. Насыщенный пар возникает над свободной поверхностью жидкости в закрытом сосуде.

Если же сосуд открыт, то часть молекул, покинувших поверхность жидкости, испаряется в атмосферу и не возвращается в жидкость, то есть нарушается динамическое равновесие и пар переходит в ненасыщенное состояние.

Ненасыщенный пар – это пар, не находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.

Свойства насыщенного пара

a) давление, плотность и концентрация насыщенного пара при постоянной температуре от объема пара не зависят, то есть насыщенный пар не подчиняется закону Бойля-Мариотта (а);

b) с повышением температуры давление, плотность и концентрация насыщенного пара резко увеличиваются, то есть насыщенный пар не подчиняется закону Шарля. Это происходит потому, что увеличение давления насыщенного пара происходит в соответствии с выражением не только за счет повышения температуры, но и одновременно за счет увеличения концентрации (плотности) молекул пара (b).

Свойства ненасыщенного пара

a) давление и плотность ненасыщенного пара данной массы при постоянной температуре обратно пропорциональны его объему, то есть для ненасыщенного пара выполняется закон Бойля-Мариотта (с);

b) давление ненасыщенного пара данной массы при постоянном объеме прямо пропорционально его температурю, то есть для ненасыщенного пара выполняется закон Шарля (d).

Пар может переходить из ненасыщенного состояния в насыщенное и наоборот.

При изотермическом расширении насыщенный пар может превратиться в ненасыщенный пар.

При изотермическом сжатии ненасыщенный пар может превратиться в насыщенный пар.

Это происходит так. Предположим, что в цилиндре, подключенном к манометру, под поршнем находится ненасыщенный пар при температуре объем которого равен (е). При изотермическом сжатии пара его объем уменьшается, а давление, плотность и концентрация увеличиваются (участок графика).

При достижении объема пара значения он начинает конденсироваться, в цилиндре образуются капельки жидкости — пар переходит в насыщенное состояние. Давление, плотность и концентрация пара принимают максимальное значение при данной температуре. Дальнейшее уменьшение объема приводит к конденсации пара и превращению его в жидкость (участок графика). Этот процесс продолжается до полного превращения насыщенного пара в жидкость (точка С). Дальнейшее сжатие производится над жидкостью, и очень малая сжимаемость жидкости, приводит к резкому увеличению показаний манометра (участок графика).

При изохорном нагревании насыщенный пар превращается в ненасыщенный. На графике зависимости давления пара от температуры при постоянном объеме участок 1-2 соответствует насыщенному состоянию пара (f).

Примечание: При изотермическом сжатии превращение насыщенного пара в жидкость возможно только при температуре ниже критической температуры.

Критическая температура —это температура, при которой исчезают физические различия между жидкостью и ее насыщенным паром. При критической температуре плотность насыщенного пара равна плотности жидкости (g).

При температуре выше критической температуры вещество может находиться только в одном агрегатном состоянии – газообразном (пар) состоянии и ни при каких давлениях оно не превращается в жидкость. Значение критической температуры зависит только от рода пара. Например, для гелия для азота

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Ссылка на основную публикацию