Насыщенный пар. Кипение.
методическая разработка по теме

Тема:  Насыщенный пар. Кипение.

Цель: Объяснить процесс кипения на основе МКТ

Демонстрационный материал: кипятильник, насос Комптона, стакан  с водой(70ᵒС), прозрачная посуда с водой, подставка

Оборудование для экспериментальной задачи:

1. шприц с резиновой трубкой;
2. штатив универсальный с лапкой,  муфтой;
3. нагреватель;
4. колба круглодонная 250-300 мл;
5. кювета;
6. стакан химический

ППС: иллюстрации, модели мультимедийного курса «Открытая Физика 2.5. Часть 1», материалы из раздела «Молекулярно-кинетическая теория».

Оснащение: ноутбук, экран, проектор

Ход урока:

1. Актуализация знаний. Демонстрируется модель 3.9 «Испарение и конденсация», после чего учащимся задаются вопросы:

1. Какой процесс называют испарением? От каких факторов зависит скорость испарения жидкости?
2. Какой процесс называется конденсацией?
3. Как объяснить процессы испарения с точки зрения МКТ?
4. Почему испарение сопровождается понижением температуры жидкости?

2. Основное содержание урока:

II.1 Насыщенный пар. В закрытом сосуде с жидкостью при неизменном объеме и постоянной температуре количество пара над ней не изменяется с течением времени. Это говорит о том, что число молекул, покинувших жидкость в единицу времени, в среднем равно числу молекул, возвратившихся обратно. Таким образом, в закрытом сосуде устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

Если воздух из сосуда с жидкостью предварительно откачан, то над поверхностью жидкости будет находиться только насыщенный пар.  

Число молекул, вылетающих с единицы площади поверхности жидкости за одну секунду, зависит от температуры жидкости. Число молекул, возвращающихся из пара в жидкость, зависит от концентрации молекул пара и от средней скорости их теплового движения, которая определяется температурой пара. Отсюда следует, что для данного вещества концентрация молекул пара при равновесии жидкости и ее пара определяется их равновесной температурой. Установление динамического равновесия между процессами испарения и конденсации при повышении температуры происходит при более высоких концентрациях молекул пара. Так как давление газа (пара) определяется его концентрацией и температурой, то можно сделать вывод: давление насыщенного пара p0 данного вещества зависит только от его температуры и не зависит от объема. Поэтому изотермы реальных газов на плоскости (p, V) содержат горизонтальные участки, соответствующие двухфазной системе (рис. 3.4.1).

При повышении температуры давление насыщенного пара и его плотность возрастают, а плотность жидкости уменьшается из-за теплового расширения. При температуре, равной критической температуре Tкр для данного вещества, плотности пара и жидкости становятся одинаковыми. При T > Tкр исчезают физические различия между жидкостью и ее насыщенным паром.

Если изотермически сжимать ненасыщенный пар при T < Tкр, то его давление будет возрастать, пока не станет равным давлению насыщенного пара

Из газообразного состояния в жидкое можно перейти, минуя двухфазную область. Для этого нужно совершить процесс в обход критической точки K. Один из возможных процессов такого рода показан на рис. 3.4.1 ломаной линией ABC.

 II.2 Кипение. Демонстрируется процесс кипения. Учащиеся наблюдают и записывают  внешние признаки кипения:

1. Образуются пузырьки на дне и стенках сосуда;
2. Увеличивается количество пузырьков, вода «мутнеет», появляется характерный шум;
3. Пузырьки увеличиваются в размере и всплывают на поверхность

Объяснение процесса кипения: с увеличением температуры воды давление пара в пузырьках возрастает и их объем увеличивается. Выталкивающая сила, действующая на пузырек, по закону Архимеда возрастает с ростом его объема. Когда она становится больше силы сцепления между пузырьками и твердой стенкой, пузырек отрывается от стенки.

Кипением называется интенсивное превращение жидкости в пар, происходящее с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости.

Почему кипение происходит при определенной температуре?

Кипение жидкости происходит при такой температуре, при которой давление насыщенного водяного пара становится равным внешнему атмосферному давлению.

Pнп  =Pат

Так, при атмосферном давлении вода кипит при 100°С,  эфир – при 35°С, спирт – при 78°С, ртуть – при 357°С.

Выясним, зависит ли температура кипения от внешнего давления. Демонстрация кипения при низком давлении, после которого учащиеся должны сделать вывод, что с уменьшением внешнего давления температура кипения понижается, а увеличением – повышается.

 что с уменьшением внешнего давления температура кипения понижается, а увеличением – повышается.

Например в паровом котле при давлении 15 атм температура кипения близка к 200°С. При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, на высоте 7134м вода кипит примерно при 70°С.

Температура кипения жидкости зависит не только от внешнего давления, но и от примесей, которые находятся в ней. Так, вода, содержащая 40% поваренной соли, кипит при 108°С. Вода, содержащая растворенный газ, взвешенные частицы(например, чаинки), кипит при более низкой температуре, чем чистая вода. Тщательно очищенная от примесей и газов жидкость кипит при более высокой температуре.

Для поддержания процесса кипения необходимо постоянно к жидкости подводить энергию, которая затрачивается на совершение работы по преодолению  сил притяжения молекул  жидкости друг к другу. При переходе жидкости в пар среднее расстояние между молекулами увеличивается, возрастает их потенциальная, а следовательно, внутренняя энергия, а также совершается работа расширения пара.

III. Контрольный этап.

Что называется кипением?

Объясните физический процесс кипения на рисунке

Запишите и объясните условия кипения жидкости

От чего зависит температура кипения жидкости?

Почему во время кипения температура жидкости не изменяется?

IV. Экспериментальная задача.

Задание:

1. В круглодонной колбе, зажатой в лапке штатива и налитой до половины водой, нагрейте воду до кипения;
2. Уберите нагреватель. Колбу плотно закройте  пробкой, соединенной резиновой трубкой и  шприцем;
3. Через 1-2 мин, шприцем выкачайте воздух и пары воды. Что происходит?
4. Что произойдет если  прекратить выкачивание? Объясните явление

Домашнее задание: § 16 до конца, вопросы № 2-5 из упр. 4.